中國提出要力爭于2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和的這一承諾被媒體評價稱為是“過去10年最大的一條氣候新聞”。從2020年能源與氣候智庫發布的全球實現零碳排放國家競賽中，包括英國、法國、德國、新西蘭、丹麥在內的發達國家普遍承諾在2050年實現零碳排放。這些國家大多在1990年左右就實現了二氧化碳達峰，這中間有超過60年的時間實現從減排到零排，而我國將用短短30年實現這一目標。日本甚至提出，將在2070年實現零碳排放，比中國提出的計劃還要晚十年。可見我國作為碳排放大國對于改善全球氣候問題的決心和擔當。已經實現和正在實現二氧化碳零排放的國家 [1]
截止至2020年底，世界197個國家中已有126個提出了本世紀“碳中和”的計劃，以溫室氣體排出和消耗相等為目標，積極應對全球變暖所帶來的環境問題[2]。早在2018年，世界氣象組織（WMO）就已經對世界發出了預警，按照當今的二氧化碳排放量趨勢，全球氣溫將在2030年至2052年之間上升1.5°C，而這1.5℃將足以對人類生活、生態系統和可持續發展造成危險。政府間氣候變化專門委員會也專門在《全球升溫 1.5°C 特別報告》中提出，要想限制全球變暖在1.5°C以內，則需要去除1000–10000億噸數量級的二氧化碳。二氧化碳的捕集、利用與封存（Carbon Capture, Utilization and Storage，CCUS）則是實現這一目標的重要技術路徑之一。CCUS技術包括從燃料燃燒或工業生產過程中捕獲二氧化碳，通過船舶或管道運輸，將其用做原材料創造有價值的產品，或將其永久存儲在地下深層。當二氧化碳來自生物過程或直接來自大氣時，CCUS技術還為除碳或“負排放”奠定了基礎[3]。
最常見的碳捕集來源是發電廠或化工廠的廢氣。從這些廢氣中捕獲的二氧化碳濃度各不相同。一個典型的燃煤發電廠排放的煙氣二氧化碳濃度為10-12％。生物燃料精煉廠可產生高純度（99％）的二氧化碳，并帶有少量雜質，例如水和乙醇[4]。碳捕集類型通常被分為后處理（post-combustion carbon capture），燃燒前碳捕集（pre-combustion carbon capture）和氧氣燃燒系統（oxy-fuel combustion systems）三大類[5]。后處理碳捕集是將CO2從燃燒后的廢氣中分離出來，其分離過程可以通過化學吸收，變壓吸附或膜分離等方式進行。目前已經市面上已經存在一些商業上可行的后處理方案，化學吸收技術是現階段固定碳源脫碳采用最為廣泛的技術，其基本過程為：煙氣在脫硫、脫硝后，經引風機從底部進入吸收塔，同時吸收液從吸收塔的頂部噴淋而下，煙氣和吸收液在吸收塔內接觸后發生反應，吸收液吸收煙氣中的CO2，變成含有大量CO2的富液，富液經過富液泵到達解吸塔，在解吸塔由再沸器加熱至100 ～120 ℃，使得富液分解而釋放出在煙氣中吸收的CO2，最終達到二氧化碳的分離與回收[6]。化學吸收液通常為胺類溶劑，如一乙醇胺，二乙醇胺等。美國陶氏在20世紀80年代開發的MEA工藝，現在應用于ShadyPoint電廠，每天的二氧化碳的回收量可達200噸，并且其回收的二氧化碳純度為食品級，可用于飲料工業[7]。對于發電廠而言，燃燒前碳捕集仍處于一個比較早期的研究階段。該技術涉及將燃料氣化并分離出其中的CO2。它可能比其他技術成本更加低廉，但是需要對現有的燃燒設備進行改造，而這個改造成本則是非常昂貴的，并且工程量巨大。含氧燃料燃燒系統，是將燃料在接近純氧的環境中燃燒，而不是在空氣中燃燒，這會導致更集中的CO2排放，從而更易于捕獲[5]。常規的化學吸收法在實際應用中基本趨于成熟，但它同時也是能源密集型技術，且需要大量基礎設施的建設，可能會導致巨大的前期投入成本，并且其排放的化學廢料也會造成對環境的破壞。膜分離技術由于其能量利用效率高，基建成本低，化學污染物更少，低維護和低運營成本等優點近年來廣泛受到綠色化學界的關注。膜在碳捕集中的應用繁多，根據其物理和化學性質既包括用于燃燒前捕集的的H2 / CO2分離，也有用于燃燒后處理的的CO2 / N2分離和用于氧燃料燃燒的O2 / N2分離（空氣分離）[10]。常用的膜材料如聚合物膜，微孔有機聚合物（MOP），FSC膜，混合基質膜（MMM），碳分子篩膜（CMSM）和無機（陶瓷，金屬，沸石）膜等[9]。每種膜材料都具有自己的分離特性，熱和化學穩定性以及不同的機械強度。無機膜相對于聚合物膜在高溫高壓環境下有更好的穩定性，但由于其對配套組件的承溫承壓能力以及對密封的要求，從而使得其生產成本也要高的多。膜分離性能的局限性（大多數聚合物膜需要在氣體滲透性和選擇性間進行權衡取舍）以及膜暴露于含有酸性氣體（如SO2，NOx）雜質氣流中時的使用壽命是這項技術亟待解決的難題。目前也有一些廠家，如美國MTR Polaris?膜和挪威科技大學專利的FSC膜已經在中試規模上取得了成功。未來能不能成為一項可以代替其他方法的商業化技術仍需要更多的努力和試驗[9]。
二氧化碳封存是指將大型排放源產生的二氧化碳捕獲、壓縮后運輸到選定的地點長期保存，而不是釋放到大氣中[8]。目前普遍認可的封存形式包括將氣態的二氧化碳儲存在深層的地質構造中（包括鹽層和廢棄氣田），以及將二氧化碳與金屬氧化物生成穩定的碳酸鹽進行固態儲存。海洋封存由于被認為會加劇海洋酸化，現在已經不再認為是一個可行的方案[11]。
與CCS不同的是，CCU更側重對二氧化碳的利用，從而對當前全球的目標：實現"碳中和"更有幫助。捕獲的二氧化碳可以轉化為多種有經濟價值的產品：一種是碳氫化合物，例如甲醇或甲烷，可用作生物燃料以及替代其他可再生能源。其他商業產品包括塑料，混凝土和用于各種化學合成的反應物[4]。在氣候與能源解決方案中心（C2ES）發布的“Carbon Utilization: A Vital and Effective Pathway for Decarbonization[12]” 總結報告中詳細介紹了關于二氧化碳的一些應用場景(1)食品工業(如碳酸飲料）；(2)通過生物轉換過程如海藻，生物質生產燃料和食品；（3）醫藥添加劑；（4）礦化生成碳酸鹽用于建筑材料；(5)作為生產甲烷，甲醇，尿素，一氧化碳等的化工原料（6）香精萃取劑；（7）干冰；（8）聚碳酸酯聚合物原材料；（9）強化采油；（10）滅火；（11）惰性保護氣；（12）氣溶膠罐推進劑等等。二氧化碳利用路徑
報告中還發布了根據全球二氧化碳排放分析市場趨勢和潛在的溫室氣體減排能力倡議的路線圖[12]，圖中表明，隨著政策的傾斜，包括混凝土，低碳燃料，聚合物，商業化學用品在內的各個行業都有著不斷上升的的市場和減排的潛力。
全球二氧化碳排放分析市場趨勢和潛在的溫室氣體減排能力建筑材料是當前碳利用的一個重要領域，目前全球的混凝土市場約為300億噸，估計在2030年將增長至400億噸，如果將碳用作碳酸鈣的替代物，全球二氧化碳在建筑材料行業的減排潛力到2030年將達到10億至100億噸。將二氧化碳利用在建筑材料中的一種方法是在小的固體材料上形成碳酸鹽涂層；另一種方式為直接利用，在固化過程中向混凝土中添加二氧化碳，不僅減少了生產同等強度混凝土所需的水泥量，還減少了水泥生產過程中的二氧化碳排放。將二氧化碳轉化為燃料、化工原料等同樣是一個非常有潛力的市場，通常有直接和間接，即需要一氧化碳等作為中間體和不需要中間體直接加氫兩種路徑，如下圖所示：
利用二氧化碳產生燃料的路徑
實現這種轉變的方法可以是熱催化，電化學法，光催化，生物化學以及這些方法的結合。通過電化學方法將二氧化碳轉化為燃料和化學物質已經在實驗室及中試規模取得成功，包括甲酸，甲醇，甲烷和乙烯等。電化學主要面臨的問題是轉化過程中的電荷轉移選擇性低（法拉第效率）；低電流密度限制了反應速率；電極穩定性差等等。需要進一步研發用于實際工業化的電極材料。間接途徑需要將二氧化碳優先轉化為一氧化碳，這是因為一氧化碳相對于二氧化碳具有更高的活性。一個典型的例子便是費托合成，需要高溫高壓來提供能量使二氧化碳與氫氣發生反應。我公司正在利用等離激元效應實現對二氧化碳在光照和廢熱條件下的的直接轉化，無需電解產生氫氣，而是通過水對二氧化碳實現一步加氫產生烷烴烯烴等碳氫化合物，不僅在能量利用率上占有極大的優勢，并且對反應條件的要求也更加溫和，目前仍在積極努力，走在實現工業化的進程中。
相信大家近兩年也感受到了極端天氣的出現越來越頻繁，從夏季北極圈內氣溫突破30度，冰川大規模融化，北極熊骨瘦如柴流離失所，到不久前北京寒潮來襲，氣溫突破20年來最低點。溫室氣體的排放不僅導致全球變暖，更使得大氣環流出現異常，地球的氣候穩定性遭到破壞，極熱和極寒一起出現。從未有任何一個時代有著如此迫切的減排需求，這對于我們來說，既是機遇也是挑戰，更是作為人類維護我們賴以生存的家園的使命。
參考文獻
[1]Energy and Climate Intelligence Unit (ECIU)
[2]http://www.bjlsjy.net/blockchain-23768-1
[3]https://www.iea.org/fuels-and-technologies/carbon-capture-utilisation-and-storage
[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_capture_and_utilization
[5]https://www.rff.org/publications/explainers/carbon-capture-and-storage-101/#:~:text=Several%20different%20technologies%20can%20be,and%20oxy%2Dfuel%20combustion%20systems.
[6]M. Wang et al. Post-combustion CO2 capture with chemical absorption: A state-of-the-art review. Chemical Engineering Research and Design. 2011, 89, 1609-1624.
[7]http://www.lygsykj.com/m/product/613.html
[8]https://baike.baidu.com/item/%E4%BA%8C%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%A2%B3%E5%B0%81%E5%AD%98%E6%8A%80%E6%9C%AF/22124693?fr=aladdin
[9]He, X. A review of material development in the field of carbon capture and the application of membrane-based processes in power plants and energy-intensive industries. Energ Sustain Soc 8, 34 (2018).
[10]Guozhao Ji and Ming Zhao (March 8th 2017). Membrane Separation Technology in Carbon Capture, Recent Advances in Carbon Capture and Storage, Yongseung Yun, IntechOpen, DOI: 10.5772/65723.
[11]https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_capture_and_storage#Sequestration
[12]https://www.c2es.org/document/carbon-utilization-a-vital-and-effective-pathway-for-decarbonization/
