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重點提要
■以吸附劑製成過濾板，並組裝成的機器，可吸附並濾除空氣中的二氧化碳。
■如果這類機器能大量生產，可望以每公噸30美元的成本捕集二氧化碳，比商業二氧化碳供應廠的每公噸至少100美元便宜許多。
■採用改良的吸附劑，全世界1000萬部過濾機每年可使大氣二氧化碳濃度降低5ppm，將超過目前全球二氧化碳濃度增加的速率。
地球已不容許人類繼續排放二氧化碳到大氣中，但已排放的二氧化碳也不會消失，所有跡象顯示，二氧化碳濃度會持續升高數十年。儘管已開發和開發中國家大力支持再生能源，未來仍會繼續燃燒更多石油、煤和天然氣。
在交通運輸方面，石油的替代方案似乎很遙遠。將能量儲存在車內，對於電動車而言相當困難，以相同質量而言，電池儲存的能量不到汽油的1%；將氫儲存在車內所需的空間為汽油的10倍，而且儲存氫的高壓槽也相當重。另外，雖然已有幾架使用生質燃料的飛機完成處女航，但生質燃料的產量和價格是否低廉到符合航空公司需求還不清楚，海上船隻也是如此。
所以，我們該如何防止大氣二氧化碳濃度超過目前的389ppm（ppm為百萬分之一體積濃度）？除了禁止使用碳燃料，另外一個選擇是抽取大氣中的二氧化碳。擴大森林面積或許可以增加一些吸收量，但仍不足以隔離人類製造的過多二氧化碳。還好，過濾機（可想成人造樹）捕集二氧化碳的能力比體積相仿的樹木高許多。
目前有數個研究團隊在研發原型機，包括美國喬治亞理工學院、加拿大卡加立大學、蘇黎士瑞士聯邦理工學院，以及本文作者在哥倫比亞大學和亞利桑那州土桑全球研究科技公司的研究團隊。其實各種設計都以同樣的原理融入一些變化：讓空氣通過某種構造，接觸可結合二氧化碳的化學「吸附劑」後，放出氮、氧等元素。
要遏止氣候變遷，必須大規模捕集二氧化碳，其實基本概念已相當成熟。用氣體洗滌器除去空氣中的二氧化碳已有數十年歷史，包括處理潛水艇與太空船人員呼出的空氣以及製造液態氮。有洗滌功能的化學方法很多，但使用固體吸附劑的機器捕捉的二氧化碳最多、消耗能源最少。以原型機來看，若使用固體吸附劑的機器能普及，將遏止甚至逆轉二氧化碳濃度上升。
空氣捕集機和葉片式產品一樣，也有各種外型和大小，有些展示機的目標是超越實驗室原型機，每天可吸收一公噸到數百公噸二氧化碳。哥倫比亞大學和全球研究科技公司設計的機型可說明這種技術原理：把吸附劑製成細小纖維，排列在寬1公尺、高2.5公尺，形狀類似壁爐濾網的平板上，再將這些過濾板直立起來，裝在12.2公尺標準貨櫃上的水平圓形軌道上，圍繞著軌道旋轉，直接與空氣接觸。過濾板吸滿二氧化碳後，可從軌道卸下，放入貨櫃中的再生室。附著在吸附劑上的二氧化碳在再生室中釋出，並壓縮成液態。處理過的過濾板再裝回軌道，繼續抽取空氣中的二氧化碳。
空氣捕集機收集的二氧化碳可供應給工業界賺取收益，或仿照燃煤火力發電廠使用的碳捕集和儲存實驗系統，用管線送到地下。但還有一個頗具吸引力的方案是以二氧化碳做原料來製造合成液態燃料，供交通運輸使用，方法是用電流將二氧化碳分子中的一個氧原子脫離，並將水分子中的一個氧原子脫離，此過程形成的一氧化碳和氫混合物稱為「合成氣」，近一個世紀前，合成氣就開始用於生產燃料和塑膠，但以往是以其他方法製造。南非的沙索（Sasol）能源公司已開始使用由煤製造的合成氣來生產合成汽油與柴油。因此空氣捕集可平衡交通工具燃燒化石燃料排放的二氧化碳，也有助於將煤、石油或天然氣換成不需開採或鑽挖的合成液態燃料。
當然，空氣捕集不只要能吸碳，還要實際可行、低成本和省能源。要做到實際可行，設備必須輕巧：一天之內要讓700公斤以上二氧化碳通過和房門大小相仿、位於地面或高處的進氣口，這樣的吸收量相當於13個美國人在一天內製造的二氧化碳，還要迎著秒速六公尺的風，與風車差不多，雖然空氣捕集機或許不會碰到這麼強的風，甚至要將二氧化碳全部取出也不大可能，但捕集機還是必須輕巧。
在評估成本時必須考慮兩個基本步驟：由空氣抽出二氧化碳，以及由吸附劑抽出碳。與風車比較的結果，我很早就認為以吸附劑濾除二氧化碳的成本可以很低，由吸附劑抽出二氧化碳之後的處理步驟，才是影響成本的主要因素。然而要除去數百萬部車輛排放的二氧化碳，捕集空氣仍是比較實際的做法，因為交通工具會釋放大量二氧化碳（引擎燃燒一公斤汽油會產生三公斤二氧化碳），濾淨大氣應該是比較可行的方法。
乾的好？還是濕的好？
根據化學家的觀點，好的吸附劑必須有夠強的吸附力來結合二氧化碳，但吸附能力又不能太強，否則後續釋出二氧化碳的成本會太高。目前環境空氣中的二氧化碳濃度約為0.04%，而燃煤火力發電廠廢氣中的濃度約為10~15%。但濃度不同的二氧化碳所需的吸附劑強度其實差不多，因此空氣捕集用吸附劑的吸附強度可能和用於洗滌廢氣的吸附劑相仿。
吸附劑可製作成固體或液體。液體的優點是很容易在捕集器和再生器之間輸送，缺點是不易和空氣間維持足夠的接觸面，但我們相當了解有關的化工方法，例如任職於卡加立大學和碳工程公司的凱斯（David Keith），採用的解決方案是讓氫氧化鈉在一片塑膠表面上流動，再以風扇吹送空氣。要移動液體很容易，但二氧化碳與氫氧化鈉之間的結合力相當強，因此要使它離開吸附劑相當困難。
固體吸附劑比較理想，因為可做成凹凸不平的表面，提供更大的結合面積，提高捕集率。但要讓固態吸附劑進出再生室比液態困難，全球恆溫公司和美國喬治亞理工學院正在合作研究一種固體吸附劑，加熱後可將吸附的二氧化碳釋出。
固體和液體吸附劑的運作原理都是酸鹼化學。二氧化碳是酸，大多數吸附劑則是鹼，兩者反應後形成鹽。例如，氫氧化鈉（也就是苛性鈉）是一種強力吸附劑，與二氧化碳結合後形成碳酸鈉（純鹼）。碳酸鈉還是鹼性，可繼續吸附二氧化碳，變成碳酸氫鈉（小蘇打），依然是鹼性。其他吸附劑的化學變化大致類似。
原則上我們可除去重碳酸鹽中的二氧化碳，使吸附劑回復到氫氧化物狀態，再重複使用。但實際上，再生法只能進行一半，不是將重碳酸鹽中的二氧化碳除去，形成碳酸鹽類，就是將碳酸鹽中的二氧化碳除去，形成氫氧化物。在重碳酸鹽和碳酸鹽之間來回變化是比較好的選擇，因為要讓結合在吸附劑上的二氧化碳釋出所需的能量較低。
有幾種創新的吸附劑可在碳酸鹽和重碳酸鹽之間來回變化，其中一種稱為負離子交換樹脂。目前有許多化學程序採用這種類似塑膠的碳酸鹽聚合物，包括用來製造去離子水的方法：樹脂中的正離子固定不動，而負離子則可以移動，將樹脂放在可提供不同負離子的溶液中，一組負離子就可交換成另外一組。
全球研究科技公司已開發出這種碳酸鹽樹脂，將乾燥樹脂製成的過濾板與空氣接觸，吸附二氧化碳，直到樹脂變成重碳酸鹽狀態為止。重複使用時，在樹脂上噴水，即可釋出二氧化碳，同時使樹脂變回碳酸鹽，乾燥後可再度吸附二氧化碳。
【完整內容請見《科學人》2010年第101期7月號】
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