我们能想到的终极浪漫：下一枚钻戒，用二氧化碳做吧
英国初创企业 SkyDiamonds 宣称，在实验室里合成了世界上第一颗“完全来自于天空的钻石”，其物理性能和化学性能与天然钻石完全相同，但是在制作过程中对环境“零影响”，材料与能源完全可持续。其中，水来自于雨水，能源来自于太阳能和风能，而钻石的原材料“碳”来自于空气中的二氧化碳。
©SkyDiamonds
SkyDiamonds 的创始人 Dale Vince 在1995年就创办了 Ecotricity，推动全球绿色能源运动。在进一步思考如何能将二氧化碳从大气中移除，以及如何以最持久的方式储存二氧化碳时，他想到了“天空钻石”。“钻石是碳的最终形式，这让我有了一个简单的想法：从大气中获取碳并利用它来制造钻石。”他说。经过五年研发时间，SkyDiamonds 实现了这一想法。
把二氧化碳变成一种有价值的原料，是全球越来越多创新创业企业正在努力进行的尝试，也是碳捕集、利用和封存（Carbon Capture Use and Storage, CCUS）中的重要创新技术。
简单来说，CCUS 是指将二氧化碳从排放源中分离后或直接加以利用或封存，以实现二氧化碳减排的工业过程。CCUS 能从源头上避免二氧化碳排放，大规模地减少大气中已有的二氧化碳，因而成为实现气候目标过程中不可或缺的减排技术。
CCUS 常常被认为是技术门槛极高、成本高昂、需要由政府主导、大力投入的技术，但其实，全球有越来越多的初创企业正在像 SkyDiamonds 那样带来创新解决方案。
从碳捕集来看，目前商用技术已经较为成熟。目前全球总计有65个商业 CCUS 设施，有26个正在运行，还有一部分在开发中。目前运行中的 CCUS 设施每年可捕集和永久封存约4000万吨二氧化碳。
全球正在运营与开发的大型 CCUS 设施数量（2010-2020）
Source: IEA
01
碳捕集碳封存（CCS）的创新解决方案
可从大气中吸收二氧化碳的“负排放技术”（Negative emissions technologies）近来得到了不少关注。负排放技术可以包括现有造林/再造林、生物炭、生物质能源+CCS（BECCS）、改良农业种植方式、海洋（铁）施肥、海洋碱性、直接空气捕获（DAC）和强化风化（矿物碳化）等。除了尚未得到充分研究的 DAC 和碳矿化技术之外，其它都是现有技术。美国国家科学院发布的《负排放技术和可靠的封存：研究议程》报告中认为，对于已有技术，需要提高其能力、减少负面影响和成本。同时，在 DAC 和碳矿化上需要取得迅速进展，如果能克服高成本和其它未知因素，其潜力无限。
最近，一些初创公司在 DAC 上获得了突破。比如，瑞士公司 Climeworks 研发了世界上首台商用二氧化碳收集设备。设备的风扇将空气吸入收集器，一旦吸附剂达到二氧化碳饱和，就会对其加热到约100°C。这一过程能够实现二氧化碳的解吸。这种被称为变温吸附的工艺形式在工业中已有较长历史的应用，但是为首次用于 DAC。二氧化碳气体被收集后与水混合，通过 Carbfix 的碳固定流程，将其注入地下深处的岩层，使其矿化存储在地底下。
Climeworks 的直接空气捕获技术与冰岛 Carbfix 公司开发的碳储存技术相结合，从空气中去除二氧化碳并将其永久储存在地下。©Climeworks
Climeworks 二氧化碳收集设备的转化效率高于90%，即设备从空气中捕获100吨二氧化碳，至少有90吨被永久清除。这一设备仅使用可再生能源或废弃物能源化利用（energy-from-waste）。目前，Climeworks 获得了1亿瑞士法郎（1.1亿美元）融资，这是有史以来最大的 DAC 碳投资。
加拿大初创公司 Carbon Engineering（CE）则开发了一种液态氢氧化钾溶剂来实现 DAC。通过化学反应，二氧化碳被捕集后并变为碳酸盐，然后通过煅烧，释放出纯二氧化碳。其工艺所需能源可以来自可再生电力或天然气，如果使用天然气，燃烧释放的二氧化碳在工艺流程中可以被捕集封存，因此实现了负排放。
©Carbon Engineering
近期，西方石油的子公司 Oxy Low-Carbon Ventures 宣布将与 CE 合作建设第一家商用规模的 DAC 工厂，预计将在2024年投入使用。
02
碳利用的创新解决方案
把二氧化碳变成有价值的原材料，重新回到生产价值链，或是成为产品，这是听起来很有吸引力的想法。SkyDiamonds 创造出了钻石，但还有更多创新解决方案把眼光瞄准了其它行业。
变可持续蛋白质
加州公司 Kiverdi 开发出了一项技术，使用一种特殊的化合自养微生物，将二氧化碳和其它气体转化为蛋白质、高价值的油和生物基产品，可用于各种消费和工业应用。
在这一基础上，2019年他们开始研发一种听起来充满想象力的产品：空气蛋白 Air Protein。据称，空气蛋白粉是一种完整的蛋白质，含有人类饮食所需的全部九种必需氨基酸，其氨基酸含量可与动物蛋白相媲美。而且生产过程需要的水和土地资源能够明显减少。
今年1月，Air Protein 获得了3200万美元的 A 轮融资，由 ADM Ventures 领投，巴克莱银行（Barclays）和 GV（前身为 Google Ventures）是其它最大的出资者。该笔资金将用于建立研发实验室，以加速产品开发和商业化并招募人员。
©Air Protein
变混凝土材料
2021年4月中旬，CarbonCure Technologies 和 CarbonBuilt 获得了奖金高达2000万美元 NRG COSIA Carbon XPRIZE 竞赛的最高奖项。XPRIZE 大赛的举办目的是将二氧化碳排放物转化为有价值的产品。这两支团队的解决方案均为降低传统混凝土的二氧化碳排放。
传统混凝土是目前世界上使用较为广泛的人造材料，其二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放总量的7%。总部位于洛杉矶的 CarbonBuilt 通过 Reversa™ 工艺，以综合利用（将二氧化碳永久嵌入混凝土中）和避免二氧化碳排放（减少与原材料相关的 CO2排放量）的组合来减少排放。在配方上，CarbonBuilt 减少了传统水泥的使用，并增加了粉煤灰等废料的使用。这一技术可将混凝土的碳足迹减少50%以上，同时还可以降低原材料成本并提高盈利能力。
CarbonBuilt 通过 Reversa™ 工艺，可将混凝土的碳足迹减少50%以上 ©CarbonBuilt
加拿大的 CarbonCure Technologies 的技术可以在不牺牲材料可靠性的前提下，以更少的水和碳足迹生产混凝土。他们将精确用量的二氧化碳注入到混凝土中。随后，二氧化碳与水泥中的钙离子发生反应，形成纳米级矿物质碳酸钙，嵌入混凝土中。这使混凝土变得更坚固。
变纳米材料
除了混凝土外，加拿大公司 Carbon Upcycling 的技术将二氧化碳升级再造成纳米颗粒，可应用于多种不同行业，目前主要产品包括塑料、混凝土添加剂、防腐蚀涂层。Carbon Corp 则主要将二氧化碳转化为碳纳米管，其应用范围包括各类轻质、超高强度和极具成本效益的金属替代品、强度更高的水泥复合建筑材料，以及在工业催化、电池和纳米电子学方面的其他应用。这两家公司也获得了 X Prize 颁发的 X-Factor 大奖。
这款T恤上的图案由富含二氧化碳的石墨纳米片（通过 Carbon Upcycling 技术开发）和透明墨水基料混合制成的墨水印刷而成。该图案描绘了1958年，Charles David Keeling 博士在夏威夷茂纳罗亚太阳天文台（Mauna Loa Observatory）首次记录到的大气中二氧化碳浓度的变化。©Expedition Air
变生物燃料
加拿大初创公司 SeeO₂ Energy 正在开发一种高效和高性能的可逆固体氧化物燃料电池，以实现水变氢、二氧化碳变一氧化碳的电化学转化，得到一氧化碳和氢气的合成气。该解决方案使得利用捕获的碳来生产燃料、动力、热量和氧气成为可能。
SeeO₂ 平台技术提供的4大解决方案：1.CO₂转化为燃料和化学品；2.将能源转化为燃料，用于储能（尤其是可再生能源）；3.燃料（一氧化碳、合成气、甲烷）发电和供热，为稳定电网、提高能源效率；4.生成纯氧，可以用于制药、冶金、石油和天然气等。 ©SeeO₂ Energy
美国加州公司 Opus 12也开发了一种将二氧化碳再循环为化学物质和燃料的设备，将二氧化碳、水和电转化为高能碳基产品，并释放出氧气作为副产品。
CO₂ + H₂O + Electricity → CxHyOz + O₂
这一工艺可以实现多种应用，比如，如果用于制造乙烯，Opus 12声称每生产1吨乙烯就能消耗3吨二氧化碳，还可以避免2吨排放。目前，NASA 正在与 Opus12共同探索这一技术的前景。
冰岛的 Carbon Recycling International 公司研发了一项技术 Vulcanol™，可直接氢化捕获到的二氧化碳，将其转化为甲醇。与化石燃料相比，Vulcanol™ 的碳排放可以减少90%以上。Vulcanol™ 生产甲醇的过程中，不产生有毒的副产品，不需要耕地或稀缺资源，也不与食物生产存在资源配置上的竞争关系。该企业计划大规模部署该技术，以作为实现其商业化的第一步。
Carbon Recycling International 研发的 Emissions-to-Liquids 技术，由工业或发电产生的二氧化碳和电解产生或作为副产品获得的氢气进行催化反应实现。 ©Carbon Recycling International
变生物材料
Newlight 科技公司研发出一种名 AirCarbon 的负碳生物材料，并用它制成吸管和餐具（点击了解更多🔗一次性餐具竟然可以实现“负碳”？）。Newlight 发现海洋中的微生物以甲烷和二氧化碳为食，并将其在内转化为可降解的 PHB 生物材料。随后，研究人员尝试在陆地上复制这一过程，将这种微生物与盐水、矿物质空气结合在一起，成功地研发出了 AirCarbon。
变工业大麻
工业大麻在造纸、纺织品、生物降解塑料、建筑、食品和燃料生产过程中被广泛应用，是增长最快的生物之一。工业大麻还可以缓解一些潜在的有害物质，例如含氯垃圾燃烧过程中可能产生的二噁英。澳大利亚初创公司 MIRRECO 将非合成高级聚合物和大麻结合在一起，制成大麻碳资产存储技术（CAST）产品。通过将大麻与聚合物混合，完善了碳储存聚合物链，可生产高性能建筑产品。此外，MIRRECO 还确定了另一种 CAST 产品，即环境可持续性、可生物降解的大麻塑料。
MIRRECO 聚合物链技术 ©MIRRECO
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参考资料：
各公司官网
https://huanbao.bjx.com.cn/news/20210321/1143008.shtml
https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/world-large-scale-ccus-facilities-operating-and-in-development-2010-2020
《全球碳捕集与碳封存现状2020》。全球碳捕集与封存研究院
《从负排放技术中把握碳中和投资机会，CCUS或成可持续发展重要手段》。安信证券
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