大气中的二氧化碳浓度再攀新高，今年已经达到 421ppm，而人类活动的碳排放量还在不断增长，全球每年碳排超过350亿吨二氧化碳（GtCO2/年）。

为了实现气候目标和避免气候变化带来的灾难性影响，我们不仅要开发减少二氧化碳排放的技术，还要开发能够直接从大气中去除二氧化碳的技术。

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告认为，为了在2050年实现净零目标，将全球变暖控制在1.5摄氏度以下，仅靠减排努力是不够的，还需要从空气中清除数十亿吨CO2，这个数量相当于全球每年排放的二氧化碳中约有 10% 至 20% 需要被捕获并安全储存或用于其他用途。

正因为有巨大需求，碳移除市场正在迅速扩大，新公司正以各种新方式捕获碳。

像瑞士公司Climeworks和加拿大公司Carbon Engineering这样的直接空气捕集（DAC）公司，是该领域最知名的公司之一。他们使用巨大的风扇，以及复杂的化学过程或过滤器，将空气中的CO2收集起来，有些重新利用，有些直接封存在地下。

美国旧金山的Charm Industrial公司，则利用植物、农作物秸秆或核桃壳等农业废物从大气中吸收二氧化碳，然后通过快速热解器将这类纤维素生物质转化为稳定的富含碳的液体，并将其注入地下井，在那里生物油下沉并固化到位以进行永久储存。

这些直接空气捕集技术，需要通过利用温度、压力或电化学电位的变化来收集和释放，这个过程也是一个能量密集型过程，需要耗费大量电力。吸收剂或溶剂材料有些也比较昂贵，高昂的成本会抵消二氧化碳移除的好处。

因此，发展和扩大低碳能源基础设施对于实现净负值的直接空气捕集过程至关重要。

总部位于加州的初创公司 Heirloom试图解决这些问题。这家公司采用了不同的方法：它们使用石灰石从大气中捕获二氧化碳。

石灰石由氧化钙 (CaO) 和CO2组成，是地球上储量第二丰富的材料。Heirloom 通过将石灰石加热成粉末来去除 CO2，并将提取的 CO2 储存在地下。剩下的粉末用来吸收二氧化碳，又形成石灰石。

这个过程，如果在自然界发生，需要数年时间，而Heirloom 通过人工控制，只需要三天就可以发生。

在这里，石灰石就像海绵一样，不断吸收CO2，又不断释放，可以循环往复。

Heirloom 计划在 2023 年部署其第一个站点，目标是到 2035 年消除 10 亿吨二氧化碳。

Heirloom通过这个过程来出售碳信用额度，使公司能够抵消自己的二氧化碳排放量。买家包括微软、支付公司Stripe、电商服务公司Shopify和支付平台Klarna等知名企业。

这个过程到底是怎么发生的？Heirloom的技术有什么优势？未来商业前景如何？

图说：Heirloom的 技术工程师在查看煅烧设备

来源：Heirloom

三个化学方程式

Heirloom的直接空气捕集工艺跟其他DAC不一样， 它通过利用自然界中发生的能量上有利的碳矿化反应。在这个过程中，使用天然矿物质而不是合成的吸收剂，并通过最大限度地扩大空气与吸收剂的接触面积来实现碳捕获，并提高效率，而不是依靠强制空气吸收，所以也被称为被动式DAC。

尽管该方法理论上可以适用于任何矿物碳酸盐原料，但Heirloom使用碳酸钙，即CaCO3，它在地球上含量丰富，约占地壳的4%。

整个过程，简单一点说，可分为两个步骤和三个化学反应。

两个步骤是：再生和碳化，如下图所示：

再生又包括两个阶段：煅烧和水化。在最初的步骤中，CaCO3被送入一个高温反应器。在这个反应器中，CaCO3在大气条件下，用接近900 ºC的温度分解成氧化钙（CaO）和二氧化碳。这个反应如以下公式所示：

高温反应器由可再生电力驱动，与化石燃料驱动的窑炉不同，它允许直接从反应器中捕获高纯度的二氧化碳流。通过煅烧产生的二氧化碳可以储存在地质储层中或通过矿化的方式储存。

在第二阶段，氧化钙通过加水，形成Ca(OH)2，或直接暴露在空气中自然水化。水化反应是放热的，因此，提供了一个合适的热回收机会。具体化学反应公式如下：

由此产生的Ca(OH)2在系统的捕获步骤中被用作吸收剂材料。把它暴露在环境空气中时，该材料与二氧化碳发生反应，重新形成CaCO3物种，具体化学反应公式是：

为了使材料碳化，Heirloom将Ca(OH)2粉末的薄层铺在大面积的托盘上。然后，这些托盘被堆叠成垂直的、分层的接触器结构，以最大限度地减少土地面积要求，同时使空气与吸收剂的接触最大化。

分层结构的使用也使工艺高度模块化，允许碳化能力逐步增加，而不是在最初部署时固定下来。

一旦材料被充分地再碳化（即被捕获的二氧化碳饱和），它就被送回再生单元，在那里它再次被分解形成氧化钙和二氧化碳。

该过程循环进行，矿物吸附剂（CaO）被反复碳化和再生。该过程的循环性质不仅降低了运营成本，而且还降低了该过程中所需矿物的开采。

成本和效率优势

Heirloom的受控碳化DAC工艺，材料的可循环利用和可获得性，确实有很大优势，那么，关键的效率问题如何？

CaCO3从碳化单元转移到再生单元的速度和效率，是由Ca(OH)2与环境中的二氧化碳反应形成CaCO3的速度决定的。反应速度越快，效率当然也越高。

通过采用专有方法，Heirloom能够保持最低的碳化基线速度，不受环境条件变化影响，如温度、相对湿度、降水和气流。

在此前的一些研究中，Ca(OH)2与环境中的二氧化碳反应形成CaCO3的速度，受Ca(OH)2的厚度影响。

暴露在室内环境条件下的5毫米的Ca(OH)2薄层的碳化，目前的文献基准是两周。Heirloom已经将这一速度加快到3天以下，碳化率达到85%。

Heirloom的工艺持续达到的最快速度相当于每1平方米暴露的接触器面积每2.5天去除630克二氧化碳，达到所利用的Ca(OH)2的85%碳化。这里，暴露的接触器面积是指暴露在空气中的材料面积，而不是由于Heirloom的堆叠接触器配置而产生的土地面积。垂直堆叠的接触器配置极大地提高了土地利用率。

Heirloom的工艺设计还有几个优势：

首先，空气接触器中的捕获过程需要非常少的能量输入，Heirloom的能量消耗是< 0.05 GJ/tCO2，而其他方法需要0.5 - 1 GJ/tCO2。

第二，与其他DAC方法相比，如溶剂或胺基吸收剂，Heirloom使用钙材料从大气中吸收二氧化碳的时间更长，这避免了使用昂贵的材料和通过系统的强制气流，降低了成本。Heirloom使用的是CaCO3，其成本大约为每吨10-50美元，比其他类型的工程吸附剂要低几个数量级。

第三，Heirloom的系统采用了模块化方法。模块化是指一个系统能够被分割成更小的、重复的系统。因此，一个模块化单元可以重复生产，并迅速实现设计、制造或效率的改进。具体来说，Heirloom的碳酸化系统有几种程度的模块化，从一个托盘到一个完整的接触器单元。另外，一个接触器阵列与一个再生系统配对，形成一个DAC模块。这允许系统模块化，并增加对系统设计和后续改进的迭代。

限制条件与未来发展

虽然模块化和成本是开发具有高潜力的DAC技术的重要因素，但实现10亿吨级的碳清除需要平行的、支持性的基础设施。

具体来说，主要包括：获得稳定的可再生能源电力、现场或附近的地质储存（与负担得起的二氧化碳运输相匹配）、现场共享的公用设施和足够的土地，这些都是以低成本实现10亿吨级碳移除规模的关键。

如果二氧化碳的注入与DAC系统在同一地点，不需要运输，那么DAC与地质注入的成本就可大大降低。二氧化碳的运输成本对离注入地点的距离和所选择的运输方式（卡车、铁路或管道）特别敏感，根据模型，总体成本会增加50美元/吨。

为了扩大DAC的规模，并在2030年左右实现成本接近或低于100美元/吨二氧化碳，需要快速部署DAC技术。要做到这一点，需要激励措施，这一方面需要政府的补贴和抵免优惠，另一方面需要充分发挥自愿碳抵消市场的作用。

像微软、Stripe和Shopify这样的公司正在注入催化资本，以帮助创建一个碳清除的市场，超过目前政策激励措施的定价。

今年4月，Stripe与Alphabet、Meta、Shopify和麦肯锡合作，推出了一项名为Frontier的计划，计划到2030年从新兴的碳移除公司购买价值9.25亿美元的碳移除技术，以加快研发工作，降低成本。

在融资方面，除了微软，Heirloom 的支持者还包括 Ahren Innovation Capital、Breakthrough Energy Ventures（微软联合创始人比尔盖茨的气候风险投资公司）、Carbon Direct 和 Lowercarbon Capital。迄今为止，它已经融资了5430万美元。

资料来源：新知 | 用石灰石来捕集二氧化碳，每年10亿吨，微软为何看好这家公司 (qq.com)