世界无法承受向大气中排放更多二氧化碳。然而，它并没有减少排放。所有迹象都表明，CO2浓度将在未来几十年继续上升。尽管可再生能源获得了大力支持，但发达国家和发展中国家未来可能会燃烧更多的石油、煤炭和天然气。
对于交通运输而言，石油的替代品似乎尤其遥远。电动汽车的车载能量存储非常困难；在相同的质量下，电池存储的能量不到汽油的 1%。在车辆上携带氢气所需的存储体积是汽油的 10 倍，而且容纳氢气所需的高压罐非常重。尽管一些由生物质衍生喷气燃料驱动的飞机已经进行了首飞，但生物燃料能否以航空公司……或船舶所需的数量和低价格生产出来尚不清楚。
那么，我们如何才能阻止 CO2 浓度超过目前的百万分之 389 的水平呢？除非我们禁止碳基燃料，否则一种选择是从空气中提取 CO2。扩大森林面积可以吸收一些气体，但人类产生的气体量如此之大，以至于我们根本没有足够的土地来封存足够的气体。幸运的是，过滤机器——可以把它们想象成合成树——可以比同等大小的天然树木捕获更多的 CO2。
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几个研究小组正在研究原型机，其中包括佐治亚理工学院、加拿大卡尔加里大学、瑞士苏黎世联邦理工学院以及我在哥伦比亚大学和位于亚利桑那州图森市的全球研究技术公司的团队。所有设计都涉及同一主题的变体：当空气吹过一个结构时，它会接触到一种“吸附剂”材料，该材料会化学结合 CO2，留下氮气、氧气和其他元素飘散开来。
二氧化碳必须大规模捕获才能遏制气候变化，但基本概念已经确立。几十年来，洗涤器一直在去除潜艇和宇宙飞船内部空气以及用于生产液氮的空气中的 CO2。各种化学过程都可以完成这种洗涤，但使用固体吸附剂的机器有望在单位所需能量下捕获最多的气体。早期的、小型原型装置表明，广泛推广固体吸附剂机器可以阻止甚至逆转大气 CO2 的上升趋势。
一个大型过滤器
与它们的绿叶同类一样，空气捕获机器也有不同的形状和尺寸。旨在超越实验室原型的演示装置应该每天捕获一吨到数百吨的 CO2。哥伦比亚大学和全球研究技术公司正在开发的设计提供了一个技术如何工作的例子。吸附剂材料的细纤维被排列成大的扁平面板，类似于炉子过滤器，宽一米，高 2.5 米。直立的过滤器面板将围绕一个圆形水平轨道旋转，该轨道安装在标准的 40 英尺（12.2 米）集装箱顶部。面板将暴露在空气中。一旦它们装载了 CO2，它们将离开轨道并向下进入容器内部的再生室。在那里，捕获的气体将从吸附剂中释放出来并压缩成液体。更新后的面板将被移回轨道上，以从风中提取更多的气体。
空气捕获机器收集的 CO2 可以被工业界有利可图地使用，也可以像实验性碳捕获和储存系统中那样，通过管道输送到地下，这些系统主要用于燃煤发电厂。然而，作为一种诱人的替代方案，这种气体可以用作运输用合成液体燃料的原料。电力将从 CO2 分子中分解出一个氧原子，并从水分子 (H2O) 中分解出一个氧原子。由此产生的 CO 和 H2 混合物被称为合成气，这种气体通过其他方式制成，近一个世纪以来一直被用作燃料和塑料的原料。多年来，南非能源公司 Sasol 一直使用煤炭生产的合成气制造合成汽油和柴油。因此，空气捕获可以抵消燃烧化石燃料的车辆的排放，或者帮助用不需要开采煤炭、石油或天然气的合成液体燃料取代这些燃料。
当然，空气捕获不仅必须在化学上可行；它还必须实用、具有成本效益和能源效率。为了实用，从空气中捕获 CO2 所需的设备必须紧凑。在一天之内，超过 700 公斤的 CO2 会通过一个门大小的开口，在地面或高空，该开口暴露在每秒 6 米的风速下，这在风车场很常见。这个量相当于美国 13 个人在同一时期内的 CO2 排放量。虽然空气收集器可能看不到如此高的风速，并且过滤会减慢流动速度，而且即使捕获 100% 的气体不太可能，但收集器仍然会很紧凑。
在评估成本时，必须考虑两个基本步骤：从空气中吸收 CO2 以及从吸附剂中回收碳。通过与风车的比较，我早期得出结论，使用吸附剂过滤空气的成本可能很小。随后将 CO2 从吸附剂中释放出来的行为主导了整个过程的成本。然而，空气捕获仍然是比洗涤数百万辆汽车的尾气更实用的替代方案，因为大量的 CO2 必须存储在每辆车上并返回到收集点（发动机每燃烧一公斤汽油会产生三公斤 CO2）。洗涤环境空气更可行。
湿式吸附剂还是干式吸附剂
从化学家的角度来看，成功的吸附剂必须足够牢固地结合 CO2 以吸收气体，但又不能结合得太牢固以至于随后释放气体进行储存的成本很高。环境空气中的浓度约为 0.04%，而燃煤电厂烟气中的浓度为 10% 至 15%。但吸附剂所需的强度仅随二氧化碳浓度略有变化，因此用于空气捕获的吸附剂强度可以与用于烟气洗涤的吸附剂相似。
吸附剂可以构建成固体或液体。液体很有吸引力，因为它们可以在收集器和再生器之间轻松转移。保持液体与环境空气的良好表面接触具有挑战性，但用于此任务的化学工程方法已广为人知。例如，David Keith 在卡尔加里大学和一家名为 Carbon Engineering 的新创业公司工作，他正在使用氢氧化钠溶液，该溶液滴入塑料表面床中，空气通过风扇吹入其中。移动液体很容易，但二氧化碳与氢氧化钠的强结合使得从吸附剂中去除二氧化碳相对困难。
固体吸附剂是理想的，因为它们的表面可以粗糙化，从而为 CO2 分子创造更多的结合位点，从而提高吸收率。然而，将固体吸附剂移动到再生室和从再生室移出比液体更困难。一个名为 Global Thermostat 的商业合作伙伴关系，基于佐治亚理工学院的工作，正在研究加热以释放它们捕获的 CO2 的固体吸附剂。
固体和液体吸附剂都依赖于酸碱化学。二氧化碳是一种酸，大多数吸附剂是碱。它们相互反应形成盐。例如，氢氧化钠，俗称苛性钠，是一种强大的吸附剂，它通过形成碳酸钠（纯碱）来结合二氧化碳。碳酸钠仍然是碱性的，可以吸收更多的二氧化碳，转化为碳酸氢钠（小苏打），碳酸氢钠也是一种碱。类似的化学反应也发生在其他吸附剂中。
原则上应该可以从碳酸氢盐中去除 CO2 并将吸附剂返回到其氢氧化物状态，从而不断循环利用吸附剂。但在实践中，再生方法似乎仅在半步中效果良好：它们要么从碳酸氢盐中去除二氧化碳，生成碳酸盐，要么从碳酸盐中去除二氧化碳，生成氢氧化物。在碳酸氢盐和碳酸盐之间来回循环是更可取的，因为一旦 CO2 与吸附剂结合，释放 CO2 所需的能量更少。
几类创新的吸附剂可以在碳酸盐和碳酸氢盐之间转换。一类包括所谓的阴离子交换树脂。这些塑料状碳酸盐聚合物用于各种化学工艺，包括制备去离子水。树脂中的正离子固定在原位，负离子可以移动。通过在提供不同负离子的溶液中洗涤树脂，可以将一组负离子交换为另一组负离子。
全球研究技术公司设计了一种这样的碳酸盐树脂。由干树脂制成并暴露在风中的过滤器会装载二氧化碳，直到树脂达到碳酸氢盐状态。润湿树脂会释放捕获的二氧化碳，树脂会恢复为碳酸盐。一旦树脂干燥，它就可以再次开始吸收二氧化碳。
在我们计划的系统中，一个装载的过滤器将下降到位于集装箱内部的再生室中。空气将被抽出，并且将添加水，可能以雾的形式。潮湿的树脂将释放 CO2，CO2 将被抽出并压缩成液体。压缩还将迫使任何残留水蒸气冷凝成纯水，纯水将被抽出并重复使用。清洁后的过滤器将升回到再生室上方干燥，然后恢复在集装箱上方吸收二氧化碳。
这种机器的能量消耗主要由两个步骤决定。第一步是将空气从再生室中抽出。第二步需要更多的能量，是将二氧化碳从不到一个大气压压缩到液化所需的压力（几十个大气压，取决于温度）。从我们的设计中收集 1.0 公斤二氧化碳的总过程将需要 1.1 兆焦耳的电力。相比之下，当美国各地的发电厂平均计算时，产生 1.1 兆焦耳的电力会产生 0.21 公斤的二氧化碳。因此，空气捕获过程收集的二氧化碳远远多于其通过能源消耗产生的二氧化碳。
能源所需的实际成本约为每吨二氧化碳 15 美元——略高于从烟囱中洗涤气体的成本。然而，目前，部署装置的大部分费用将用于制造和维护，随着生产数量的增加，这些成本将会降低。我预计空气捕获的初始成本约为每吨二氧化碳 200 美元，随着建造更多收集器，价格将大幅下降。
使用它，储存它
除了储存之外，可以对所有将被收集的 CO2 做些什么呢？有几种选择。
许多行业使用二氧化碳——为饮料充气、冷冻鸡翅和制造干冰。这种气体还用于刺激室内作物的生长，并作为无污染的溶剂或制冷剂。工业来源很少，因此价格受运输成本驱动。在美国，CO2 通常售价超过每吨 100 美元，但在偏远地区，价格可能会翻一番或两番。世界市场每年接近 3000 万吨，其中一部分可以由空气捕获装置提供服务。
食品加工等利基市场可以提供立足点。随着制造更多空气捕获装置，价格将会下降，市场规模将会扩大。一旦捕获的 CO2 的价格降至远低于每吨 100 美元，提取物也可以作为碳信用额出售，就像在伦敦碳交易所交易的碳信用额一样。
新兴市场可以加速该技术的成熟。自 20 世纪 70 年代以来，石油公司购买 CO2 用于提高采收率；这种气体被泵入地下，以从日渐减少的油田或气田中强制采出更多的石油或天然气。如果 CO2 来自空气捕获，这些公司可以为留在地下的气体申请碳信用额；通常大约一半的注入气体自然地留在那里。提高石油采收率是一个潜在的大市场，但许多油田远离 CO2 来源。在油田上方安装捕获装置可以改变这种动态。
然而，随着清洁能源的出现，空气捕获的奖励将是使用 CO2 原料生产新鲜的液体燃料。如前所述，成熟的技术（如电解和逆水煤气变换反应）可以从 CO2 和水中生产合成气，从而实现燃料合成。最大的成本是所需的电力。
在燃料合成变得经济实惠之前，人类将不得不处理其产生的所有排放物。地质封存和矿物封存等技术正在开发中，用于储存燃煤电厂收集的 CO2。空气捕获可以与相同的储存方法一起使用，并且机器可以安装在相同的处置场所。
全球降温
在清洁运输技术变得更加高效之前，从空气中提取碳将允许汽车、飞机和轮船继续燃烧液体燃料，其排放物由遥远的空气收集器捕获。而且“遥远”是事实。与臭氧或二氧化硫不同，CO2 在大气中停留数十年至数百年，使其有充足的时间广泛传播。大气混合得非常彻底，以至于在澳大利亚从空气中去除 CO2 并抵消北美排放量是合理的。甚至可以在排放物释放之前去除等量的气体；一辆汽车可以通过在其下线之前收集其估计的 100 吨终生排放量来实现碳中和。
空气捕获也可能是封存发电厂排放物的更便宜的方式，特别是那些不容易改造烟囱洗涤器或远离储存场所的旧发电厂。在未来大气 CO2 浓度已经稳定的世界中，空气捕获甚至可以降低水平。实际上，空气捕获可以处理过去的排放物。
除了成本之外，批评者认为，大量的空气捕获机器会消耗大量能源，他们还指出，过滤器是由石油衍生的塑料制成的。在我看来，一个更大的障碍是，对于每收集一吨 CO2，几吨水会蒸发到大气中，因为湿过滤器会变干。但是，如果大规模实施空气捕获，它可能会开始纠正气候变化。可运输的装置每天可以收集大约一吨二氧化碳。一千万个这样的装置每年可以收集 36 亿吨，这将使大气水平每年降低约 0.5 ppm。如果随着时间的推移，这些装置每天可以处理 10 吨（这将需要改进的吸附剂），那么每年的减少量将为每年 5 ppm，这超过了目前全球增长的速度。请注意，即使 1000 万个装置看起来很多，但世界每年生产约 7100 万辆汽车和轻型卡车。
最初，捕获 CO2 的成本将很高，如前所述，约为每吨 200 美元。然而，如果该技术遵循标准的学习和制造成本曲线，我们最终可能会得到由材料和能源主导的成本，这将使捕获成本降至每吨 30 美元左右。到那时，添加到一加仑汽油中的用于支付捕获其产生的 CO2 的成本将为 25 美分——这是一个非常值得支付的价格。