《ACS Sustainable Resource Management》：Scrubbing the Sky: Reimagining the Air as a Resource
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直接空气捕获技术通过整合稀有气体回收、水处理、临界矿物开采及电网优化，实现多收益协同并降低碳捕集成本，有效缓解气候变化与资源短缺问题。
直接空气捕获（DAC）是一种从大气中直接去除二氧化碳的技术。
(1) 目前全球共有27座投入运行的DAC工厂，另有130座正在建设中，这些工厂每年可捕获超过1000公吨的二氧化碳。
(2) 位于德克萨斯州埃克托县的Stratos DAC工厂
（见图1）将成为世界上最大的DAC工厂，其年捕获能力可达50万吨二氧化碳，建设成本为13亿美元。
(3?5)图1
图1. 德克萨斯州埃克托县的Stratos DAC工厂，设计年捕获量为50万吨二氧化碳。(4)
尽管这些工厂正在全球范围内部署，但它们仍面临大规模扩展的挑战，包括高能耗和基础设施成本。每捕获一吨二氧化碳需要处理180万立方米的空气，并至少消耗1.2兆瓦时的电能。
(6,7) 当前DAC项目面临的另一个障碍是初始的捕获基础设施成本和运营所需的资源。例如，仅用DAC技术去除2024年排放的36.3亿吨二氧化碳就需要约44000太瓦时的电能，这大约是地球上每年总发电量的1.5倍。
(6,7)解决成本问题的一种方法是让DAC项目同时生产增值产品，如惰性气体（氙气、氪气、氩气等）和废水。
（见图2） 通过吸收多余的能源来稳定电网的同时，DAC工厂还可以从大气中收集水，以支持干旱地区。这样，DAC不仅能够捕获污染物和水分以及惰性气体，还能灵活满足能源需求，提高电网的可靠性。进一步与供暖、通风和空调（HVAC）系统集成，还可以扩展这些效益，应用于制冷和室内空气质量管理。
图2
图2. 可能在同一DAC设施中同时运行的多种技术概念图，这些技术可以回收惰性气体和水，同时去除污染物并稳定电网。
我们建议将耦合的空气处理技术与DAC相结合，以改善成本结构，并创造新的方式来利用我们呼吸的空气。
氙气是电子、医疗、太空探索、照明和科学研究中的关键成分。它在与新兴计算技术相关的半导体制造过程中发挥作用，例如准分子激光退火、等离子体蚀刻和离子注入。
(8?11) 氪气另一种惰性气体，用于照明和激光应用，能产生短波长紫外线，应用于高精度准分子激光器和医疗设备的制造。
(8,9)由于DAC工厂已经处理了大量空气，回收惰性气体可以带来新的收入来源。目前有多种吸附剂和膜技术正在研究用于从空气中分离惰性气体。
(12?21) 其中包括Ca-SDB MOF，这是一种相对容易生产和改造的金属有机框架。
(17) 如果Stratos工厂能捕获5%的氙气和氪气，每年可产生7500万吨氪气和1000万吨氙气。按照当前市场价格计算，这些气体的年收入潜力超过6.5亿美元
（见图3）。
(22) 如果在DAC装置中部署这些技术，这些资源还有进一步的应用潜力。
图3
图3. 基于Stratos项目的规模，从通过DAC装置的空气中提取的关键资源年潜在价值（以百万美元计）。
根据联合国的数据，有22亿人缺乏安全的饮用水
(23)，随着全球水资源短缺的加剧，这一缺口预计会进一步扩大。配备从空气中收集水功能的DAC技术
(24,25)可能是解决水资源需求的方案。AVNOS公司使用的技术每捕获一吨二氧化碳可产生5公吨水
(26)，如果按Stratos DAC工厂的规模部署，可生产250万吨水，足以满足6200户家庭或约1.5万人的需求
(27)。按全国平均价格计算，这些水如果出售给居民或商业用户，分别可产生1660万美元和1390万美元
（见图3）(28)。或者，这些水也可以用于冷却数据中心。谷歌的数据中心目前平均每天每座数据中心消耗45万加仑水，因此，结合DAC技术的水收集系统每年可为三个数据中心供水
(29)
除了获得碳信用外，新的二氧化碳增强型矿物回收（CO
2-EMR）技术还可以利用注入的二氧化碳进行永久储存和关键矿物（如镍和钴）的提取。
(30?33) 该技术利用分布在美国各地的基性-超基性岩石的反应性
(30,34)，实现二氧化碳的永久矿化，并提取对新兴技术至关重要的元素。Jacobs等人
(30)评估了在加利福尼亚州约瑟芬蛇绿岩地区应用该技术的可行性。如果按Stratos项目50万吨二氧化碳的规模部署，该技术可回收约1760吨镍，预计产生2600万美元的收入
(35)。此外，任何规模的DAC装置都可以与这些资源结合，提供二氧化碳以增强矿物回收，帮助建立安全可靠的矿物供应链。
向油田注入二氧化碳是一种全球范围内使用的技术，可额外回收多达40%的石油。
(36) 一个规模为Stratos的工厂如果捕获50万吨二氧化碳，在每桶石油储存罐使用10000标准立方英尺二氧化碳的条件下，可产出约96万桶石油和48亿标准立方英尺的天然气，天然气与石油的比为500:1。按当前市场价格计算（西德克萨斯中质原油约为每桶63美元
(37)，亨利枢纽天然气约为每百万英热单位3美元
(38)，这些资源的总收入约为6200万美元（石油约6050万美元，天然气约140万美元），尚未扣除特许权使用费和成本）。尽管提高石油采收率的潜力巨大，但必须谨慎管理，以确保其减少温室气体的效果不会被抵消。
确保DAC工厂的电网稳定性对于管理和应对电力供应波动至关重要，尤其是在高峰需求期间。这可以通过在高风能和太阳能发电量大的情况下调整电力消耗来实现。部署储能解决方案对于快速平衡电力供需和频率调节至关重要
(39)。为了维持供需平衡，电网运营商经常削减可再生能源的发电量。2022年，德克萨斯州削减了5%的风能发电量和9%的太阳能发电量，相当于7450吉瓦时的能量，这些能量足以支持12个Stratos规模的DAC工厂运行
(40)。预计到2035年，风能和太阳能的削减比例将分别提高到13%和19%
(41)
空气污染是一个严重的公共卫生问题，2019年导致670万人死亡
(42)。据IQAir统计，全球50个污染最严重的城市中有49个位于亚洲
(43)。常见的污染物包括一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO
2）、氮氧化物（NOx）、挥发性有机化合物（VOCs）、臭氧（O
3）、重金属以及可吸入颗粒物（PM
2.5和PM
10）
(44)。正在进行的研究旨在通过生物炭、MOFs、吸附和光催化等方法从空气中去除污染物
(45?47)。将这些技术与DAC大规模结合应用，可以显著改善数十亿人的肺部健康，尤其是在亚洲污染严重的地区。
预计到2050年，空间冷却的能源需求将增加两倍以上，占全球电力消耗的30%
(48,49)，这需要重大的技术创新。将现有的空气处理、供暖、通风和空调（HVAC）基础设施与DAC结合，可以将建筑物从碳排放源转变为碳汇。研究表明，将DAC模块直接集成到建筑物的空气处理单元（AHUs）、屋顶单元（RTUs）和补风系统中，可以从用于供暖、制冷和通风的空气中捕获二氧化碳
(50,51)。原型装置在几乎不降低HVAC性能的情况下捕获了二氧化碳
(52)，并且系统可以利用废热或模块化热再生单元进一步提高能源效率
(53)
每年大约有5.8亿吨甲烷排放，其中约60%来自农业、化石燃料开采和废物
(54)，其大气浓度约为1900亿分之一（ppb）
(55)。全氟氯化碳（CFC）的总浓度约为4 ppb，但由于其极高的全球变暖潜能（是二氧化碳的4750至14000倍
(56)和破坏臭氧层的效应，即使少量也会产生影响。最近的估计表明，未报告的CFC排放（特别是每年50 Gg的CFC-11）正在延缓实现《蒙特利尔议定书》减排目标的进程
(57?59)。虽然甲烷和CFC的去除目前是DAC的副产品，但通过精心设计改进，DAC可以同时去除多种污染物，使其成为更全面的空气净化工具，而不仅仅是碳汇。其他将二氧化碳转化为增值产品的技术还包括Twelve公司，该公司计划到2025年利用生物源二氧化碳、水和可再生能源生产可持续航空燃料（SAF）
(60)。微软等公司也在利用人工智能数据中心产生的废热为直接空气捕获（DAC）系统提供动力
(61)
目前全球部署的DAC工厂尚未充分发挥其潜力。通过捕获惰性气体、水以及用于关键矿物开采的二氧化碳等增值产品，可以改变DAC行业的发展，并从已投入使用的基础设施中创造收入。
如果仅从通过DAC装置的空气中捕获5%的氪气和氙气，每年可回收1000万吨氙气和7500万吨氪气，价值6.5亿美元。
该系统每年可收集250万吨大气中的水分，可为6200户家庭供水，或按全国平均住宅用水价格产生1660万美元的收入。DAC产生的50万吨二氧化碳可用于现场开采关键矿物（如镍），价值2600万美元，或用于提高石油采收率，价值6200万美元。
为保障电网稳定而削减的可再生能源可以为12个Stratos规模的DAC工厂提供动力
此外，新兴的DAC技术还可以从空气中去除有害污染物。将DAC与现有的HVAC基础设施结合，可以将现有的空气处理系统从碳排放源转变为碳汇。通过创造多种收入来源，可以抵消高昂的前期成本，使DAC成为一个可行且多功能的解决方案。
