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由于人为二氧化碳(CO2)排放的增加，大气中CO2浓度的上升导致了地球全球变暖的加剧[1]。全球气候变化问题已成为国际社会关注的焦点，而碳达峰、碳中和则成为应对气候变化的必然选择[2]。
联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，为了避免一系列气候变化的负面影响，必须实现《巴黎协定》中设定的全球温升不超过1.5 ℃的目标[3]。在第75届联合国大会上，习近平主席宣布了中国重大战略决策：力争于2030年达到CO2排放峰值，并于2060年实现碳中和[4]。
因此，CO2去除(Carbon Dioxide Removal，CDR)技术，也被称之为负排放技术(Negative Emissions Technologies，NETs)，即通过人类有意的努力以实现环境协议规定的CO2水平，并将CO2浓度稳定在0.035%～0.044%净减少的措施，越来越迫切地被需要[5]。负排放技术被定义为人类有意从大气中去除CO2排放的努力[6]，包括以下内容：造林和再造林（Afforestation and Reforestation，AR）、土壤碳固存（Soil Carbon Sequestration，SCS）、生物炭（Biochar , BC）、具有碳捕获和储存的生物能源（Bioenergy with Carbon Capture and Storage, BECCS）、直接空气捕碳（Direct Air Capture，DAC）、增强风化（Enhanced Weathering, EW）和海洋碱化以及海洋施肥（Ocean Fertilization，OF）。在这些解决方案中，直接空气碳捕集（DAC）技术由于作为有望实现CO2负排放的碳捕集技术，引发广泛关注[7]。
DAC技术通过捕集装置直接从空气中移除 CO2，被捕获的CO2可被永久转化或封存，从而实现碳移除[8]。与传统火电厂或工业碳捕集装置相比，DAC无须考虑NOx和SOx等气体杂质的影响，装置的规模较小且可实现模块化建设，其选址不受排放源位置及类型的限制，因而具有较强的灵活性，更易于广泛部署。
此外，DAC装置可与低碳能源，如太阳能、工业余热、地热利用等相结合，如就近部署可再生能源和CO2封存或利用场地，能够最大限度实现碳移除，降低CO2的运输成本。DAC捕集的CO2可作为碳源，通过生物转化 (微藻、气体肥料)、化学转化(合成甲醇、汽油等)、能源开发及矿化等方式实现资源化利用。
因此，DAC技术的研发对于我国实现“碳达峰”和“碳中和”目标具有重要意义[9-10]。这一技术不仅能够有效减少大气中的CO2浓度，还为我国在应对气候变化、改善空气质量以及实现长期环境可持续性方面提供了潜在的技术支持[11]。通过发展和应用DAC技术，我国能够更好地控制和削减温室气体排放，助力国家在全球气候治理中发挥积极作用，实现碳减排和环境保护的双重目标。
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DAC技术于1999年由美国亚利桑那大学的拉克内(Lackner)首次提出[12]，指通过工程系统直接从空气中捕集CO2后从环境空气中去除CO2的技术。
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DAC系统原理如图1所示[13]，CO2在大气中与吸收剂或吸附剂发生反应后被有效捕获。随后，经过反应的捕获剂通过改变热量、压力、湿度等方法实现再生，以便重新投入捕集循环。同时，被捕获的CO2可以进行储存或进一步利用。
图 1 DAC技术系统机理
Figure 1. System mechanism of DAC technology
以胍类吸附剂为例[14]，水基2,6-吡啶双亚氨基胍(PyBIG)从周围空气中捕获CO2，并将其结合成碳酸盐晶体，在80～120 ℃下加热碳酸盐晶体来释放CO2，从而定量地再生。
相较于通常应用于固定排放源的CO2捕集，DAC技术在布置上不受时间和地点限制，展现出更高的灵活性[15]。它能够有效处理来自成千上万个小型化石能源设施以及数亿分散排放源的CO2，展现出广阔的应用前景。
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当前，捕集CO2的工艺有很多，主要采用2种技术手段从大气中移除CO2：（1）利用液体吸收的直接空气捕碳（L-DAC）；（2）使用固体吸附的直接空气捕碳（S-DAC）[16]。
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L-DAC具有技术成熟、吸收速率高、再生温度较低、溶剂损失少的优点。图2为液体DAC的工艺流程图。液体DAC技术主要包括碱性氢氧化物溶液DAC技术、胺溶液 DAC技术、氨基酸盐溶液/BIGs DAC技术和碱度浓度变化DAC技术等[17]。
图 2 液体DAC工艺流程
Figure 2. Process flow of liquid DAC
Zeman[18]和Keith[19]最早在2004年就提出利用氢氧化钠（NaOH）溶液和氢氧化钾（KOH）溶液从空气中直接提取CO2。
首先，大气中的CO2与碱性氢氧化物（如NaOH溶液）发生反应，转化为可溶性的Na2CO3盐溶液，其次，通过与氢氧化钙（Ca(OH)2）作用，不仅实现了碱性氢氧化物的循环利用，还生成了碳酸钙（CaCO3）。随后，将CaCO3煅烧后释放出纯净的CO2，同时CaO被水化生成Ca(OH)2，实现循环再生。相关反应式如下：
$$ \text{C}{\text{O}}_{\text{2}}\text{+2NaOH→N}{\text{a}}_{\text{2}}\text{C}{\text{O}}_{\text{3}}\text+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O} $$ (1) $$ \text{N}{\text{a}}_{\text{2}}\text{C}{\text{O}}_{\text{3}}+\text{Ca(OH}{)}_{2}\to 2\text{NaOH}+\text{CaC}{\text{O}}_{\text{3}} $$ (2) $$ \text{CaC}{\text{O}}_{\text{3}}\to \text{CaO}+\text{C}{\text{O}}_{\text{2}} $$ (3) $$ \text{CaO+}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O→Ca(OH}{)}_{2} $$ (4) 但是， NaOH的使用过程中，物料和能量的损失较为显著，这极大地增加了DAC工艺的成本。为此，很多研究者不断改进工艺。Ahmoudkhani等[20]使用三钛酸钠(Na2O·3TiO2)来替代NaOH，能够将释放CO2的解吸阶段所需的温度降低超过50 K，能耗和传统石灰法对比减少了50%。除Na2O·3TiO2之外，还有三氧化二铁(Fe2O3)[21]和硼酸钠(NaBO2)[22]替代NaOH。但是这些工艺易产生液滴散布到空气中，对环境造成污染。Stolaroff等[23]对接触器进行优化，雾化效果更好，空气与碱性吸收液的接触面积更大。但是仍需要800 ℃左右的高温，且能耗较高。
相较于氢氧化物溶液，胺液体较为常用，同时在捕集CO2时再生温度较低，100 ℃左右就可再生，具有节能的优势。然而，吸收CO2后生成的氨基甲酸盐在热再生过程中分解较慢，这限制了吸收循环的速度和效率，同时胺溶液易挥发且有毒。
Seipp 等[24]用水基2,6-吡啶双亚氨基胍(PyBIG)从周围空气中捕获CO2，并将其结合成结晶的四水合碳酸盐(PyBIGH2(CO3)(H2O)4)。CO2可以通过在80～120 ℃相对温和的温度下加热碳酸盐晶体来释放，从而定量地再生PyBIG。Camper等[25]对KOH技术和氨基酸盐溶液/BIGs技术进行了比较，发现m-BBIG和PyBIG的再生温度范围分别为60～120 ℃和80～120 ℃，远低于KOH的900 ℃。在能耗上，m-BBIG和PyBIG的再生所需能量分别为8.2 GJ/t和6.5 GJ/t，而KOH则为6.3 GJ/t，能耗仍然较高。
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S-DAC通过使用固体吸附剂实现对CO2的捕集，涵盖了碱土金属基材料、金属有机框架(MOFs)、胺基负载型吸附剂以及变湿吸附剂等类型[26]。该技术展现出的优势包括吸附效率较高、再生稳定性较好、技术成熟、吸附速率快、再生温度低。
如图3所示，当吸附剂达到CO2吸附饱和状态后，可以通过加热（40～120 ℃）或采用真空解吸的方法来恢复其吸附能力，并释放出高浓度的CO2。技术的关键环节在于吸附材料的选取、解吸技术的优化以及核心设备的设计。特别是，固态胺类吸附剂能与CO2反应生成氨基甲酸盐，而在水蒸气存在的条件下，能够形成碳酸氢铵。这一过程不仅提高了CO2的捕集效率，也为吸附剂的循环使用提供了有效途径。
图 3 固体DAC工艺流程
Figure 3. Process flow of solid DAC
Zhao等[27]用Mg0.55Al-O来提高TEPA的吸附容量和吸附速率，研究TEPA负载量对CO2吸附的影响。当TEPA的负载量达到67%时，可以获得最佳的饱和吸附容量，达到3.0 mmol/g。邢华斌教授团队[28]等则使用具有超微孔结构的ZU-16-Co材料来改性，常温常压下对CO2的吸附能力达到了1.05 mmol/g，这主要是因为ZU-16-Co具有较小的孔径、较强的分子间作用力以及较大的孔容。由于H2O与CO2之间的竞争吸附导致MOFs材料吸附性能降低，因此开发新型MOFs材料以提高其在潮湿环境下的稳定性是十分必要的。Bhatt等[29]研究新型MOF材料对CO2的吸附能力及其湿度稳定性。开发了一种新材料NbOffIVE-1-Ni，该材料的CO2吸附量可达到1.3 mmol/g。Wang等[30]用介孔聚合物接枝季铵官能团，Na2CO3 溶液进行改性，制备出具有超高动力学性能的吸附剂。该材料的CO2吸附量为0.86 mmol/g。具体可见表1。
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基于L-DAC和S-DAC的DAC技术已经发展得较为成熟。与此同时，研究者们也在探讨将新型技术与DAC工艺结合的研究，以期优化DAC再生能耗较高的问题。
变湿吸附技术（Moisture Swing Adsorption，MSA）首先由Lackner教授提出，基于一种含有四甲基铵（(CH3)4N+）的离子型聚合物作为吸附材料。该技术主要使用水的蒸发自由能来为CO2的再生提供动力。此过程中，季铵盐阳离子(R)通过共价键与吸附剂的基质骨架相连，确保了化学稳定性和吸附效率。其关键优势在于，吸附剂的界面对CO2具有较高的结合能，同时这种结合能受到界面水的可控影响。通过调整周围环境的湿度，可以直接控制吸附剂对CO2的结合力，从而实现CO2的吸附和解吸。
该技术的核心原理可以概括为3个基本步骤：
1）在干燥环境中，吸附剂的碱性基团会捕集CO2。
2）当吸附剂处于高湿度环境时，CO2会被逐步释放。
3）释放的CO2可以被直接利用或输送到埋存地进行储存。此外，吸附剂通过干燥再生来恢复其CO2吸附能力。
Wang团队[31]采用商业I-200型阴离子交换树脂膜作为主体材料，通过Na2CO3溶液进行离子改性，以提高其对超低浓度CO2的吸附能力。其原理如图4所示，研究发现，该材料在约0.04% 的CO2中的吸附容量高达0.86 mmol/g。此外，团队还应用改良的缩核模型来探究温度和湿度变化对吸附动力学的具体影响。
MSA的整个过程无需升高系统温度，吸附剂的再生通过界面水蒸气的自然调节作用，因此可以利用较低品质的能源完成再生，实现能量的有效利用。还提高了系统的整体可持续性和经济效益。
DAC技术对比如表2所示。
表 2 DAC技术对比
Table 2. Comparison DAC technologies
分类 原理 优点 缺点 技术发展建议方向 液体DAC
技术CO2与碱性氢氧化物反应生成碳酸盐 技术成熟、吸收速率高、溶剂损失少 设备和运营成本较高， 能耗和维护难度大 研究可以充分发挥捕集材料性能的空气接触器 固体DAC
技术低温下固体吸附剂捕获CO2 吸附效率较高、再生稳定性较好、技术成熟、吸附速率快、再生温度低 成本较高， 长期稳定性差， 吸附剂的回收和再生过程复杂 多种载体或有效成分的复合研究 变湿吸附
工艺变湿吸附剂在湿度发生变化时对CO2吸脱附 吸脱附动力学速率快，再生能耗低 捕获后CO2浓度较低，水分消耗大 开发出安全、可规模化量产的整体型功能化材料 -
全球仅有少数几家工厂实施了直接空气捕碳(DAC)技术的工业示范，其中哈佛教授参与的Carbon Engineering（CE）公司是唯一一家商业化捕集CO2的公司[32]。图5所示为CE的工艺流程图，用碱性氢氧溶液吸收CO2生成碳酸盐，具有吸收效率快的优点，但是再生温度高达800 ℃，同时还伴随着挥发和设备腐蚀。据估计，使用氢氧化钠(NaOH)作为吸收剂捕集成本94 $/t CO2～232 $/t CO2。
图 5 CE工艺流程示意图
Figure 5. Schematic diagram of CE process flow
Climeworks公司[33]在冰岛建立了全球最大的直接空气捕碳(DAC)工厂Orca项目，年捕集能力为4 000 t CO2，并计划扩展到107 t。该公司还开发了创新的变温真空变压吸附(TVSA)系统，利用胺基固体吸附剂，并在低温真空条件下进行再生。如图6所示Climeworks于2014年启动了首个试点工厂，并于2017年实现了首个工业规模DAC工厂，年捕集900 t CO2。2020年启动的Orca项目是首个商业化DAC项目，预计2024年将推出Mammoth项目，年捕集能力提升至3.6×104 t CO2。其新型颗粒吸附床结构设计旨在减少气流压力损失，并提高气体与吸附剂的质量传递效率。捕集的CO2被用于温室、食品工业或地质封存。
图 6 Climeworks空气中直接捕集CO2示意图
Figure 6. Schematic diagram of Climeworks direct air capture of CO2
Global Thermostat[34-36]自2010创办以来，现已建立了两个DAC试验工厂，并且在不断扩大规模。该公司计划在智利建设一个年捕集2 000 t CO2的DAC工厂。工艺流程为一个多孔基材和附着的吸附剂，通过轨道移动捕获空气中的CO2，并在密封箱内通过汽提过程再生。具有成本低效率高的特点。公司还改进了多孔整料床的连续回路技术，使成本更加低廉。此外，Global Thermostat开发了结构稳定的整料基材，具有两个主表面和大孔涂层，由粘结的介孔颗粒形成的涂层可降低CO2解吸所需的能量。
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中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司使用可再生能源驱动的多孔液体吸收剂捕集CO2[37]，并将其转化为甲醇和甲酸，解决了可再生能源弃电问题，同时实现了碳减排和CO2资源化利用。目前，该公司已建立了千克级催化剂示范线，并优化了千吨级工艺流程。此外，华能提出了捕碳调峰装置[38]，通过可再生能源发电的过剩电力捕集CO2，并利用CO2进行相变储能，以补充发电不足。
邓帅教授的研究小组[39]进行了创新，设计出一种双极膜电渗析CO2捕集系统，能有效提升捕集效率和CO2纯度。该系统通过将KHCO3溶液分配到吸收区和解吸区，利用OH−和H+反应实现CO2捕集和释放。空气中的CO2与OH−反应生成HCO3−，然后KHCO3溶液转移至解吸区与H+反应生成CO2和K+。生成的CO2被捕集，K+通过阳离子交换膜回到吸收区，完成循环。王涛等人[40]设计了一种节能的CO2直接空气捕碳系统，包括空气输送、分配和CO2吸附装置，后者配有喷淋系统。解吸液通过价态离子筛分装置分离CO2，并送入再生装置，同时酸碱摆动再生装置浓缩碱液和产生酸液，酸液与CO2反应生成CO2气体，实现CO2的高效捕集与能源节约。冯俊婷等人[41]通过多种技术合成了含CO32-的层状复合金属氢氧化物（LDHs），并使用选择性刻蚀技术引入金属离子空位，制备的催化剂能在光催化中促进CO32-消耗并在空气中捕集CO2，实现持续再生和有效转化。
2024年7月15日，中国能建上海成套公司与上海交通大学合作开发的“碳捕块CarbonBox”成功验证，该装置是亚洲最大的年600 t级CO2直接空气捕碳（DAC）系统。它不仅拥有自主知识产权，还能高效从空气或不同浓度的排放源中捕集99%高浓度的CO2，年处理能力超100 t。该系统的研发集中解决了DAC技术的高能耗和高成本问题，通过创新设计和工艺优化，实现了低能耗运行和系统可靠性。此外，“碳捕块CarbonBox”支持绿色甲醇和绿色航空燃油等领域的应用，满足国际ISCC认证标准，有效克服了生物质碳源的供给不稳定性，为绿色燃料合成提供稳定的碳源。此项技术的突破将推动中国在双碳目标实现和能源绿色转型方面迈出重要步伐，同时填补了国内外在大规模DAC应用领域的空白。
此外，我国其他大型工业项目仍处于建设规划阶段。中国石油[42]正在规划建设以蒸汽辅助温度真空摆动吸附（S-TVSA）技术为主的百吨级的DAC样机。华能集团规划2024年建造出千标方每小时的DAC样机[43]。通过这些样机的建设，希望在未来能够实现更大规模的CO2捕集和利用，助力国家在碳减排和能源转型方面的目标。
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对于DAC技术的经济性评估，需要从多个角度进行分析，包括建设与运营成本、长期可持续性以及潜在的市场影响。DAC技术虽然在技术上已逐步成熟，但高昂的运营成本和能源消耗依然是限制其大规模商业化应用的主要障碍。
首先，DAC系统的建设成本较高，包括设备购置和安装费用。根据国际能源署（IEA）[44]的数据，DAC技术的资本成本为1 000 $/t CO2～1 500 $/t CO2，而其运行成本主要由能源消耗决定，这在很大程度上取决于捕集设备的能效以及使用的能源类型。其次，DAC的运行成本主要受能源价格的影响。如果采用可再生能源，如太阳能或风能，虽然可以降低环境成本，但因可再生能源的成本和可获得性问题，可能会增加整体成本。此外，政府政策和碳定价也是影响DAC经济性的重要因素。例如，通过实施碳税或碳交易体系，可以提高DAC技术的市场竞争力。
美国物理学会 2011年报告[45]采用KOH吸收的空气捕集成本评估，捕集成本不低于705 $/t CO2。Keith等[32]基于中试数据的KOH溶液吸收成本测算，每年的捕集成本在97 $/t CO2～238 $/t CO2。Climeworks公司[46]是一家来自于瑞士的公司，根据600 ～900 t CO2/a规模示范装置的成本报告，该公司预计年捕集成本可达300 $/t CO2～600 $/t CO2。其他研究的具体成本如表3所示。
表 3 DAC技术成本比较
Table 3. Cost comparison of DAC technologies
研究 方法/技术 成本范围/ [$·(t CO2)−1] 说明 美国物理学会 2011年报告[45] KOH吸收 不低于705 采用KOH吸收的空气捕集成本评估 Keith等[32] KOH 溶液吸收 97～238 基于中试数据的KOH溶液吸收成本测算 Kulkarni等[47] 蒸汽辅助再生 TVSA流程 ～ 108 采用天然气与低品位热实现的蒸汽辅助再生 Sinha等[48] 胺基MOFs
吸附剂63～200 投资成本波动大，受MOFs材料生产成本影响 Climeworks 公司[46] 商业示范装置 300～600 根据600 ～900 t CO2/a规模示范装置的成本报告 Lackner等[12] 变湿吸附 50～100 实验室研究的技术成本预测 在全球范围内，许多国家已将DAC技术推广至商业示范的层面，Azarabadi等人[49]提出了一种用于DAC系统的技术经济模型估算方法。DAC设备捕获CO2的现值成本包括3部分：运营和维护成本（NO&M），吸附剂材料成本（NS），以及工厂资本成本（NBoP）。NO&M涵盖吸附剂装载和卸载的能源、材料和维护费用。NS包括吸附剂的购买费用（VS）和安装费用（IS）。
$$\text{NP}{{\text{V}}_{\text{0}}}\text{=}{{N}_{\text{rev}}}-\left( {{N}_{\text{O } \And \text{ M}}}\text{+}{{N}_{\text{BoP}}}\text{+}{{N}_{\text{S}}} \right) $$ (5) 式中：
Nrev ——设备运行期间出售CO2所产生的收入的净现值；
NO&M、NBoP和NS是成本 ——目前的操作和维护、设备和吸附剂的平衡；
NPV0——计算单个吸附剂寿命的净现值。
假设吸附剂的使用寿命（tlife）为一个周期，则总的收益为：
$${{N}_{\text{rev}}}\text{=}\underset{\text{0}}{\overset{{{t}_{\text{life}}}}{\mathop \int }}\,{{n}_{\text{rev}}}\left( t \right)\text{d}t\text{=}\frac{P{{C}_{\text{0}}}{{\tau }_{\text{eff}}}}{{{t}_{\text{cycle}}}}\left( {1-}{{\text{e}}^{-{{t}_{\text{life}}}/{{\tau }_{\text{eff}}}}} \right) $$ (6) $$\frac{\text{1}}{{{\tau }_{\text{eff}}}}\text{=}\frac{\text{1}}{{{\tau }_{\text{D}}}}\text{+}\frac{\text{1}}{{{\tau }_{\text{M}}}} $$ (7) 式中：
P ——每单位质量CO2的市场价格；
C0 ——每个周期捕获的CO2；
tcycle——吸附剂循环时间；
τD ——吸附剂性能下降的时间常数；
τM ——货币时间价值的时间常数；
τeff ——τD与τM的组合常数。
该经济模型可用于优化DAC装置的吸附剂性能。而中国则仍处于工业示范实验阶段，与集中降低捕集成本相比，我国的封存技术发展更侧重于提升储存能力及构建相应的基础设施。根据地质类型的不同，CO2的封存成本为50～300元/t，预计到2050年，CO2的封存成本将降低50%～65%。
此外，DAC技术的长期可持续性和市场潜力也是评估其经济性的关键。随着全球对减少温室气体排放的需求增加，DAC技术提供了一种潜在的解决方案。然而，其经济性将依赖于技术进步、成本降低和市场需求的增长。
在国内，DAC技术的发展正面临着商业模式不明确的挑战。现阶段，碳捕集的流向仍以驱油及封存为主，当前的碳汇市场价格体系下，上述方式难以支撑起足够的经济效益。因此，解决经济性问题的重点在于将视角拓宽至CO2的利用环节，将碳捕集的成本通过其后续的高价值利用来有效对冲，实现整体经济性的优化与提升。
综上所述，尽管DAC技术具有减缓气候变化的潜力，但其经济性受多种因素影响，需要进一步的技术革新和政策支持以提高其在未来低碳经济中的可行性和竞争力。
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DAC技术作为一种新兴的负排放技术，被认为是应对全球气候变化和实现双碳目标（碳达峰与碳中和）的重要举措。虽然在理论和实验阶段DAC显示出了巨大的潜力，但在实际应用中仍面临着多种挑战。包括技术成本、能源需求、规模化难题以及社会经济接受度等方面。针对这些问题，各国都在积极探索相应的解决举措来推动DAC技术的发展和应用。
DAC技术存在的问题。
1）高昂的成本：成本问题是DAC技术的主要障碍。目前，DAC系统的建设和运营成本仍然较高，主要由于所需的先进材料、复杂的工艺流程以及大量的能源需求。例如，当前估算表明，CO2的捕集成本可能高达200 $/t CO2～600 $/t CO2，远高于传统的碳捕集与储存（CCUS）技术。
2）能源需求巨大：能源消耗问题也不容忽视。DAC过程中的高能源需求不仅增加了运行成本，还可能带来额外的碳排放，从而影响其净减排效益。提高能源效率和采用可再生能源是解决这一问题的关键策略。
3）技术成熟度有限：技术成熟度和应用规模问题也是DAC面临的重要挑战。尽管DAC技术在实验室环境中已有一定进展，但在商业化应用和大规模部署方面仍存在很多不确定性。目前仅有少数示范项目在运行，还没有形成大规模的应用场景。
4）社会经济接受度：DAC技术的实施涉及到庞大的基础设施建设和运营调整，这可能会影响当地社区的经济结构和生活方式。此外，公众对新技术的接受程度和环保意识也直接影响DAC技术的推广速度和广泛性。
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1）降低成本：研究更有效率的材料和过程是降低DAC技术成本的关键。例如，开发新型吸收剂或改良现有吸收剂的化学性质，以提高其CO2捕获效率和循环使用率。同时，通过优化系统设计和流程，改进气体流动路径和减少能源消耗，也有助于降低总体成本。此外使用太阳能、风能等可再生能源直接为DAC系统供能，也是降低能源消耗的有效方法。可以显著减少系统的碳足迹，提高其在双碳战略中的作用。
2）增加政策支持：政府可以通过制定优惠政策和提供财政补贴来降低企业的试点成本和商业风险。同时增加示范项目数量，扩大试点规模，积累实践经验，并持续优化技术和运营模式。此外，建立和完善碳定价机制，如碳税或碳交易市场，可以为DAC项目提供经济激励。政府与企业的合作可以加速技术验证和推广，构建有利于技术发展的生态系统。
3）公众教育和社会动员：增强公众对气候变化和DAC技术的认识是推动技术接受和实施的关键。通过教育、工作坊和媒体宣传等方式，提高公众对碳减排重要性的认识，并激发社会各界对环保技术的支持和参与。
4）跨国合作和技术共享：鉴于气候变化是全球性问题，国际合作对于资源共享、技术转移和经验交流至关重要。通过国际组织和多边机构的平台，加强不同国家和地区在DAC技术研发和应用方面的合作。
尽管DAC技术面临多种挑战，但其在应对碳中和的潜力不容忽视。通过持续的技术创新、政策支持、社会动员及国际合作，可以逐步克服现阶段的困难，推动DAC技术向更广泛的应用和商业化迈进。
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本文综合评估了DAC技术在实现碳中和目标中的应用前景和经济性。DAC技术提供了一种从大气中直接捕集CO2的有效手段，展现了布置灵活性和与可再生能源结合的潜力。然而，高昂的成本、巨大的能源需求、技术成熟度不足和社会经济接受度问题限制了其发展。为克服这些问题，需采取降低成本、增加政策支持、提高公众意识和促进国际合作等措施。通过这些努力，DAC技术有望在碳减排和环境保护方面发挥重要作用，支持我国实现碳达峰、碳中和的目标。
Technology Development and Economic Assessment of Direct Air Capture (DAC) in the Context of Carbon Neutrality
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摘要:
目的 旨在探讨面向碳中和背景下直接空气捕碳（Direct Air Capture，DAC）技术的发展现状、应用案例及其经济性评估，以期为我国实现碳减排目标提供参考。 方法 文章综述了DAC技术的工作原理、类型、运用案例，并分析了其在国内外的发展情况。通过比较不同研究中的成本数据，评估了DAC技术的经济性，并讨论了当前面临的挑战与可能的解决措施。 结果 研究发现，DAC技术能有效从空气中捕集CO2，具有布置灵活、可与可再生能源结合等优点。但其商业化应用仍受到高成本、高能耗和大规模部署的技术挑战的限制。国内外的案例分析揭示DAC技术在实际应用中的效率和成本问题亟待解决，同时也显示了通过技术改进和政策支持可能实现的优化潜力。 结论 尽管存在挑战，DAC技术仍是实现碳中和目标的潜在储备技术，尤其对中国等面临严峻碳减排压力的国家具有重要意义。需要集中研究力量开发更高效、低成本的吸收/吸附剂，改进系统设计，降低能源消耗，并积极探索与可再生能源的结合使用。政府的政策支持和社会的广泛认可也是实现DAC技术商业化的关键因素。通过这些措施可以推动DAC技术的发展和应用，助力实现碳减排和环境保护的双重目标。 Abstract:Introduction This paper aims to explore the development status, application cases, and economic evaluation of direct air capture (DAC) technology in the context of carbon neutrality, thus providing references for achieving carbon emission reduction targets in China. Method This paper reviewed the working principles, types, and application cases of DAC technology and analyzed its development status both at home and abroad. By comparing cost data from different studies, it assessed the economy of DAC technology and discussed current challenges and potential solutions. Result The study finds that DAC technology effectively captures CO2 from the air and offers advantages such as flexibility in deployment and compatibility with renewable energy. However, its commercialization is still constrained by high costs, high energy consumption, and technical challenges related to large-scale deployment. Case analysis at home and abroad reveal the urgent need to address the efficiency and cost issues in practical applications, while also showing potential for optimization through technological improvements and policy support. Conclusion Despite the existing challenges, DAC technology remains a potential reserve technology for achieving carbon neutrality goals, especially for countries facing severe carbon reduction pressures like China. Research efforts should focus on developing more efficient and low-cost absorbents and adsorbents, improving system design, reducing energy consumption, and exploring combination with renewable energy sources. Government policy support and broad social acceptance are also key factors for the commercialization of DAC technology. These measures can drive the development and application of DAC technology, contributing to both carbon emission reduction and environmental protection goals. -
图 6 Climeworks空气中直接捕集CO2示意图
Fig. 6 Schematic diagram of Climeworks direct air capture of CO2
表 2 DAC技术对比
Tab. 2. Comparison DAC technologies
分类 原理 优点 缺点 技术发展建议方向 液体DAC
技术CO2与碱性氢氧化物反应生成碳酸盐 技术成熟、吸收速率高、溶剂损失少 设备和运营成本较高， 能耗和维护难度大 研究可以充分发挥捕集材料性能的空气接触器 固体DAC
技术低温下固体吸附剂捕获CO2 吸附效率较高、再生稳定性较好、技术成熟、吸附速率快、再生温度低 成本较高， 长期稳定性差， 吸附剂的回收和再生过程复杂 多种载体或有效成分的复合研究 变湿吸附
工艺变湿吸附剂在湿度发生变化时对CO2吸脱附 吸脱附动力学速率快，再生能耗低 捕获后CO2浓度较低，水分消耗大 开发出安全、可规模化量产的整体型功能化材料 
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表 3 DAC技术成本比较
Tab. 3. Cost comparison of DAC technologies
研究 方法/技术 成本范围/ [$·(t CO2)−1] 说明 美国物理学会 2011年报告[45] KOH吸收 不低于705 采用KOH吸收的空气捕集成本评估 Keith等[32] KOH 溶液吸收 97～238 基于中试数据的KOH溶液吸收成本测算 Kulkarni等[47] 蒸汽辅助再生 TVSA流程 ～ 108 采用天然气与低品位热实现的蒸汽辅助再生 Sinha等[48] 胺基MOFs
吸附剂63～200 投资成本波动大，受MOFs材料生产成本影响 Climeworks 公司[46] 商业示范装置 300～600 根据600 ～900 t CO2/a规模示范装置的成本报告 Lackner等[12] 变湿吸附 50～100 实验室研究的技术成本预测
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