從“燒炭”到“負(fù)碳”， 如何通過負(fù)碳技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳中和？

圖蟲創(chuàng)意

隨著全球溫室氣體排放導(dǎo)致的極端氣候等后果日益加重，各國(guó)相繼紛紛做出重大承諾，采取更加積極有為的舉措，大幅度削減碳排放量，努力在本世紀(jì)中下旬實(shí)現(xiàn)“凈零排放”。

一時(shí)間，“碳達(dá)峰”和“碳中和”成為媒體熱詞，但工業(yè)要發(fā)展，社會(huì)要運(yùn)轉(zhuǎn)，一些固有的碳排源很難短時(shí)間切斷，負(fù)碳技術(shù)就成了和碳排放“雙向奔赴”實(shí)現(xiàn)“碳中和”的關(guān)鍵。

但什么是負(fù)碳技術(shù)，它又是怎樣實(shí)現(xiàn)“碳中和”的呢？

首先，在人類文明早期，碳排放是文明進(jìn)步的標(biāo)志。

從原始草木到薪材木炭，再到焦炭、煤炭以及到現(xiàn)代石油等?！盁裁础焙汀霸趺礋笔情L(zhǎng)久以來觀察當(dāng)時(shí)社會(huì)文明發(fā)展程度的重要指標(biāo)。

但隨著“文明進(jìn)步”，碳排放量逐漸逼近紅線。

根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）氣候報(bào)告的測(cè)算，與工業(yè)化之前時(shí)期相比，2010-2019年這短短十年，人類社會(huì)高強(qiáng)度的碳排放導(dǎo)致氣候變暖0.9-1.3℃，已經(jīng)日益迫近巴黎協(xié)議中規(guī)定的1.5或2℃變暖的氣候紅線。

隨著全球范圍內(nèi)的溫室氣體含量上升，極端氣候及生態(tài)危機(jī)日益頻繁，國(guó)際社會(huì)逐漸形成了一個(gè)堅(jiān)定共識(shí)，大幅遏制當(dāng)前無(wú)節(jié)制的碳排放，尋求更加清潔高效的能源推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保持生態(tài)可持續(xù)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，科學(xué)家將眼光集中在負(fù)排放技術(shù)（NETs）上。

所謂負(fù)碳技術(shù)，通俗地講，就是力圖實(shí)現(xiàn)從大氣里把“超標(biāo)”的二氧化碳移除并進(jìn)行穩(wěn)定儲(chǔ)存甚至功能化轉(zhuǎn)化的技術(shù)。

目前實(shí)現(xiàn)負(fù)碳的核心思路主要有兩個(gè)方向。

一個(gè)通過環(huán)境技術(shù)開發(fā)介入，修復(fù)及增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的自然“力量”，從而實(shí)現(xiàn)基于生態(tài)系統(tǒng)等光合作用等將空氣中二氧化碳轉(zhuǎn)化為自然碳匯實(shí)現(xiàn)碳的移除和儲(chǔ)存。具體如通過新的育種種植技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模治沙還林、加快海洋生態(tài)漁場(chǎng)，貧瘠土壤生態(tài)修復(fù)等建設(shè)，從而恢復(fù)包括旱地、濕地以及鹽堿地等生態(tài)弱化區(qū)域的總生物量等，讓植物和土壤來吸收并固定二氧化碳；

另一個(gè)則是利用人工技術(shù)直接從大氣甚至工業(yè)廢氣中“抓取”二氧化碳并用于把包括甲醇等綠色燃料制備，碳材料轉(zhuǎn)化等形式進(jìn)行穩(wěn)定儲(chǔ)存起來，或者通過深海，深地乃至枯竭油氣田等特殊穩(wěn)定地質(zhì)條件下進(jìn)行碳捕集利用與封存（CCUS）。

當(dāng)前，維持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大慣性使得當(dāng)前地球的碳排放強(qiáng)度還在高位，負(fù)碳技術(shù)的技術(shù)體系還在不斷完善。隨著各國(guó)對(duì)減排降碳的綠色發(fā)展的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，未來的負(fù)碳技術(shù)將在巨大的時(shí)代機(jī)遇的支持下迎來更加蓬勃發(fā)展。

此外，水能、光能、風(fēng)能及核能等清潔能源不斷被納入現(xiàn)代能源供應(yīng)體系，然而面對(duì)急劇上升的能源供應(yīng)缺口和對(duì)碳減排效率提升的現(xiàn)實(shí)迫切需求，富炭生物質(zhì)的高價(jià)值開發(fā)不僅作為一種傳統(tǒng)能源的補(bǔ)充，更是具備制備多種高效能的功能生物炭材料實(shí)現(xiàn)以炭抑碳的“負(fù)碳使者”，從而最大限度助力碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

這就又引出了一個(gè)有趣的問題，這些經(jīng)過制備的碳材料是怎樣以炭抑碳并最終實(shí)現(xiàn)負(fù)碳效應(yīng)的呢？

其實(shí)，隨著近現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)生物質(zhì)炭化制備過程的調(diào)控機(jī)制理解不斷深入，炭從簡(jiǎn)單的燃燒材料開始被不斷賦予了包括化學(xué)工業(yè)、新能源電池、炭基催化劑，土壤改良劑等工業(yè)、農(nóng)業(yè)的諸多新功能和對(duì)構(gòu)建碳中和世界的期待。

我們舉一個(gè)具體運(yùn)用的例子來看看這個(gè)碳材料究竟如何實(shí)現(xiàn)負(fù)碳功能。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的稻稈、麥稈等農(nóng)業(yè)殘留物，如果僅僅簡(jiǎn)單焚燒，會(huì)帶來巨大的環(huán)境污染和溫室氣體排放，這是對(duì)這一龐大儲(chǔ)量生物質(zhì)的巨大浪費(fèi)。通過低溫催化熱解等工藝，將這類時(shí)效性強(qiáng)的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制備生物炭并通過測(cè)土配方的形式搭配化肥使用，不僅一舉解決了簡(jiǎn)單焚燒帶來的環(huán)境問題，同時(shí)還能在很大程度上減少化肥投入、改善土壤質(zhì)量和提高作物產(chǎn)量。中國(guó)尤其重視這類生物炭的實(shí)際應(yīng)用，自 2010 年代初以來中國(guó)已有超過100 家公司參與了生物炭業(yè)務(wù)，并在主要農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)選擇了示范點(diǎn)，開展了多個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

生物炭的農(nóng)業(yè)上的開發(fā)利用只是其功能開發(fā)的冰山一角。隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的建立，物質(zhì)分析手段的不斷豐富，我們對(duì)炭材料功能開發(fā)機(jī)制的理解也在不斷加深。炭也從簡(jiǎn)單的一種清潔熱源迅速變成一種參與新能源電池材料開發(fā)，具有各種生物活性用于土壤改良，化學(xué)工程、金屬冶煉乃至醫(yī)藥衛(wèi)生等各行業(yè)的“多面手”，從而實(shí)現(xiàn)將“燒炭”這一古老的能源獲取方式變成了當(dāng)今前沿“負(fù)碳”技術(shù)開發(fā)的華麗轉(zhuǎn)身。

最后，隨著對(duì)生物質(zhì)源的生物炭轉(zhuǎn)化制備的認(rèn)識(shí)到深入，如何全面拓展轉(zhuǎn)化生物質(zhì)的品類，從而進(jìn)一步降低生物炭轉(zhuǎn)化門檻和運(yùn)用前景就顯得尤為重要。

事實(shí)上，作為一種廣泛存在的生物有機(jī)物質(zhì)，碳轉(zhuǎn)化的源頭來自生物體的光合作用，將空氣中的二氧化碳固定成含碳有機(jī)物質(zhì)參與整個(gè)生態(tài)圈的碳流動(dòng)。而在生物質(zhì)的炭轉(zhuǎn)化工藝過程中，如何能最大限度減少二氧化碳轉(zhuǎn)化帶來的碳逃逸，甚至能將空氣中的二氧化碳進(jìn)行逆向碳捕捉就成了當(dāng)前生物炭轉(zhuǎn)化制備的技術(shù)前沿。

在這一過程中，以催化為代表的現(xiàn)代生物炭制備技術(shù)給生物炭的定向高效制備和更加豐富的功能帶來了革命性的進(jìn)步。其中，最核心的技術(shù)突破點(diǎn)就是通過催化捕捉反應(yīng)爐中的二氧化碳等含碳?xì)怏w轉(zhuǎn)化生物炭從而大幅提高了炭的轉(zhuǎn)化效率。

合肥工業(yè)大學(xué)邢獻(xiàn)軍教授團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性提出一種“固溶分壓技術(shù)”，本質(zhì)是將炭化反應(yīng)中產(chǎn)生的含碳?xì)怏w，在高溫高壓的密閉環(huán)境中，重新捕抓、固定進(jìn)生物炭分子內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)讓生物質(zhì)所含的碳元素盡可能全部轉(zhuǎn)化成生物炭制品，并實(shí)現(xiàn)炭轉(zhuǎn)化率提升到60%左右。

盡管相比自然界生物質(zhì)炭化需要成千上萬(wàn)年的“造化”，反應(yīng)爐中幾天乃至幾小時(shí)的炭化周期已經(jīng)是人類工業(yè)的“奇跡”。但現(xiàn)代工業(yè)分秒必爭(zhēng)，如何在更大尺度上增加原料物料投放、縮短炭化周期并最終產(chǎn)出高炭轉(zhuǎn)化率的生物炭產(chǎn)品，是生物炭制備最終走向大規(guī)模工業(yè)化的“最后一公里”。

生物圈的炭循環(huán)在一定程度上以一種緩慢增加大氣中含碳?xì)怏w的濃度的方向堅(jiān)定推進(jìn)著，而這在行星氣象的角度會(huì)給地球帶來巨大的氣候及生態(tài)危機(jī)，重塑乃至完全破壞當(dāng)前微妙的大氣平衡和光熱循環(huán)模式。生物質(zhì)是植物在光熱條件下光合轉(zhuǎn)化空氣含碳?xì)怏w成為有機(jī)體的宏觀形態(tài)?；谏镔|(zhì)的生物炭轉(zhuǎn)化，不單是變廢為寶的重要途徑，也是人類以一種負(fù)責(zé)任態(tài)度參與生態(tài)碳循環(huán)的重要探索。

作為一種環(huán)境友好型材料，開發(fā)并推廣生物炭產(chǎn)業(yè)，不僅可以對(duì)農(nóng)林廢棄物甚至污泥等的回收進(jìn)行規(guī)范，也可以對(duì)大氣環(huán)境的碳固定和高效使用提供重要工具。生物炭的催化制備讓自然界成千上萬(wàn)年的轉(zhuǎn)化周期在以分鐘為單位的極短時(shí)間發(fā)生，下游豐富且潛力巨大的生物炭運(yùn)用前景又進(jìn)一步將生物炭制備開發(fā)工業(yè)變成一股強(qiáng)大的新質(zhì)生產(chǎn)力，從而真正實(shí)現(xiàn)碳中和產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；瑸樽罱K實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”而做出巨大貢獻(xiàn)。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：劉強(qiáng)

審核：朱萬(wàn)斌 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)工程中心 副教授

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司