如果你在谷歌地图上搜索夏威夷的Keāhole Point，将其置于屏幕中央，然后不断缩小，直到能看到地球的边缘，你会清晰地意识到一件事：太平洋实在太大了。

几个月后，在夏威夷大岛这片火山岬角上，海洋科技初创公司Captura将开始尽可能多地将太平洋海水泵入其管道和储罐。该公司的计划是通过电化学方式从海水中提取二氧化碳，储存或利用这些二氧化碳，再将海水送回大海——届时海水将自然地从空气中吸收更多二氧化碳。

Captura是一批将地球海洋视为可待开发碳汇的初创公司之一。它所采用的生物工程策略旨在加速海洋本已在做的事：大规模吸收碳排放。这一自然过程在数百万年间帮助维持了大气中二氧化碳的平衡，但如今已无法跟上现代工业排放的速度。目前，数十个实地试验和试点项目已经启动，Captura及其他几家公司将在2025年开始扩大设施规模。

各家公司的方案既多元又大胆。一些团队正在海中培育海带森林或微藻；另一些则提议在浅层和深层海水之间抽水以转移碳；还有两种策略引起了《IEEE Spectrum》的关注——Captura的海洋二氧化碳去除方案（从海水中抽取碳）和海洋碱度增强方案（将碳储存在海洋中）。这两种方案都推动了新型高效电化学系统的研发，用于处理大量海水。

这些想法获得了大型资助机构的支持。美国能源部1亿美元XPrize碳捕获奖和3500万美元碳去除采购试点奖的入围名单中，均包含海洋类方案。

然而，海洋碳捕获公司面临的挑战与其雄心壮志一样庞大。大多数公司的商业模式最终依赖于在自愿碳市场上出售碳信用额度。而要出售碳信用，必须量化其促使海洋从空气中吸收了多少二氧化碳。这一过程仅凭物理测量无法实现，必须借助存在相当不确定性的数值模型。

此外，还需要进行大量环境监测，以证明海洋碳去除策略不会危害水生生物。规模问题同样不容忽视。要在地球大气层中超过1000亿吨的超量二氧化碳面前有所作为，公司需要以"圣经级别"的规模处理海水。

"如果你想从海洋中去除10亿吨二氧化碳，每年大概需要把大西洋上层几米的海水全部过一遍你的机器，"德国基尔Geomar亥姆霍兹海洋研究中心生物地球化学模型负责人Andreas Oschlies说，"这是一个巨大的水量，但并非不可能。"

抱着"并非不可能"的信念，全球各地的公司将在2025年付诸实践。

海洋碳捕获的原理

为维持平衡，地球的海洋和大气不断交换二氧化碳。工业革命后，大气中二氧化碳浓度升高，海洋吸收量也随之增加。目前，海洋约吸收四分之一的碳排放，陆地吸收约30%，其余部分则滞留在大气中，加剧全球变暖。

许多团队已投身于利用直接空气捕获（DAC）系统从空气中抽取二氧化碳的事业。这种高耗能方式需要将环境空气通过化学溶剂或过滤器，再储存或再利用捕获的碳。

但海洋中的二氧化碳浓度是空气中的150倍。"利用海洋的优势在于，它本身就在大规模地做这项工作，"曾从事DAC行业的Captura首席执行官Steve Oldham表示。

过去一年，Captura一直在一艘退役美国海军驳船甲板上建造的试点工厂进行测试。这艘驳船停泊在洛杉矶港的一个废旧区域，停靠在一个偶有海狮造访的闲置码头旁。

在参观过程中，Captura海洋学家Sophie Chu和机械工程师Eric Marks向《IEEE Spectrum》介绍了系统的核心设备——一台定制电渗析机。海水被泵上驳船后，该机器对一部分海水施加电压，使其通过一系列离子选择性膜，将海水分子（氢、氧和氯化钠）按离子电荷重新排列，产生酸（盐酸）和碱（氢氧化钠）。酸与海水中的溶解无机碳反应，将其转化为溶解二氧化碳，再通过真空气液膜接触器将二氧化碳分离捕获。碱则被加回水中以恢复碱度，处理后的海水被排回大海，在与大气平衡的过程中自然吸收更多二氧化碳。

为使电渗析系统适用于碳捕获，Captura工程师研发了高性能膜，降低了成本和能耗，并改变了膜堆的几何形状。为进一步降低能耗并使系统能在间歇性可再生能源下运行，Captura还将电渗析设计为短时运行模式，例如在电价低廉或阳光充足时工作。

Captura在洛杉矶港的试点每年可从海水中去除约100吨二氧化碳，而在夏威夷正在建造的新工厂将达到10倍的捕获量。

量化与碳信用难题

被去除了二氧化碳的海水排回大海后会发生什么，却难以量化。理论上，若从海洋表层人工抽出1000吨二氧化碳，海洋最终将从空气中再吸收等量的二氧化碳。但实现这一平衡的速度取决于洋流、温度和风力条件。

Sophie Chu表示，当空气与海洋二氧化碳浓度差较小时，通过自然海气交换实现平衡平均需要约一年时间；而人工二氧化碳去除将造成更大的浓度差，平衡过程可能更长。

仅凭物理测量来证明这一点几乎不可能，因为这需要在大片海域采集水样并运回陆地实验室。加拿大达尔豪西大学海洋学家Katja Fennel表示："理想情况下，我们希望将传感器微型化，放置在海洋中的自主平台上，在时间和空间维度上收集大量数据。"这些传感器将测量碱度、溶解无机碳、pH值和二氧化碳分压等关键指标。

与此同时，海洋碳公司必须依赖数值模型。[C]Worthy首席技术官Alicia Karspeck表示，ROMS（区域海洋模型系统）和MARBL（海洋生物地球化学库）等模型已被用于气候和海洋的常规研究，可进一步优化以量化海洋碳去除量。Karspeck的组织正在构建软件基础设施，以帮助标准化和部署这些模型，并计划在2025年推出首个版本。

此外，还有对捕获二氧化碳如何处置的问题。它可用于制造塑料或合成燃料（这会将碳再度排放回大气），也可以被永久封存于地下（成本高昂）。Oldham设想在退役的油气平台上建设Captura工厂，利用现有管道将捕获的二氧化碳封存在海底。

海洋碱度增强：让海洋永久储碳

为消除运输和封存捕获的二氧化碳的挑战，一些研究团队着眼于将海洋本身作为永久碳储库，这就是"海洋碱度增强"方案。

在数十亿年的地质过程中，大气中的二氧化碳与陆地上的碱性岩石反应，形成碳酸氢根和碳酸根离子，随降雨流入河流，最终汇入海洋。这一过程称为"风化"，它提升了海洋碱度和pH值，削弱了化石燃料排放带来的酸化，并使溶解无机碳向碳酸氢根和碳酸根离子的形式转变。以这种形式存在的碳可在海洋中锁定数千年。

海洋碱度增强绕过了风化过程，直接提升海洋碱度，将溶解的二氧化碳转化为更稳定的碳酸氢根和碳酸根离子。这可以通过向海洋或海滩添加碱性物质来实现。今年7月，Vesta宣布在北卡罗来纳州Duck海岸附近添加了8200吨橄榄石沙；新斯科舍省的Planetary Technologies则向海水中添加氢氧化镁，并于11月宣布已去除138吨二氧化碳，并向Shopify和Stripe出售了碳信用额度。

海洋碱度增强也可通过电化学方式实现。Ebb Carbon在华盛顿州Sequim的美国太平洋西北国家实验室建立了一个集装箱大小的试点工厂，对此进行了逾一年的测试。该工厂从Sequim湾抽入海水，通过电渗析机处理，最终产生酸流和碱流。碱流排回海洋后与海水混合，将溶解的二氧化碳转化为碳酸根和碳酸氢根离子，为更多空气中的二氧化碳进入创造空间。

2025年，Ebb Carbon计划在华盛顿州Port Angeles建造第二座工厂，预计每年可去除约500吨二氧化碳。公司联合创始人兼首席科学家Matthew Eisaman表示，该公司最终将其系统与脱盐工厂及其他向海洋排放盐水的工业场所联合部署。

规模和生态风险始终是主要挑战。若Ebb Carbon将商业版系统安装在全球每一座脱盐工厂，每年可从大气中去除约10亿吨二氧化碳，但这仍只是全球年排放总量的一小部分。过高的碱度可能破坏生态系统，若未能迅速稀释，还可能引发石灰石自发沉淀，并将二氧化碳重新释放到大气中。"监管机构必须对此保持高度关注，"Oschlies警告说。

此外，如何向公众解释海洋碱度增强——而不让人觉得是在向大海倾倒化学品——也是一个棘手的公关难题。

兼顾直接捕获与海洋储存的创新路径

加州大学洛杉矶分校的衍生公司Equatic另辟蹊径，将直接空气捕获二氧化碳与海洋储存相结合，从而能够精确测量从空气中抽取的二氧化碳量。

Equatic的系统从海洋中抽水，通过电解槽将其分离为液态酸流、液态碱流、氢气和氧气四个组分。系统同时将含有二氧化碳的空气引入，与碱流接触，将二氧化碳转化为碳酸氢根离子和固态碳酸钙。酸流则与岩石接触以提升pH值，再与碱流合并，使处理后的海水化学成分与输入时基本相同，最终排入大海。此外，电解产生的氢气可作为副产品出售，为公司增添了碳信用以外的额外收入来源。

使用电解槽分解盐水而非电渗析的问题在于会产生有毒氯气。Equatic于今年9月宣布，已研发出一种制造选氧阳极和精细架构催化剂的方法，使其不与盐水中的盐分反应，从而避免氯气的产生。

Equatic在洛杉矶和新加坡的试点工厂每天从空气中去除约100千克二氧化碳。在新加坡建设中的示范工厂将达到约10000千克的日捕获量。2025年，Equatic计划与加拿大碳去除初创公司Deep Sky合作，在魁北克开始建设商业系统，利用300台电解槽依托水电和核能运行，每天捕获逾300吨二氧化碳，并生产8400千克氢气。

海洋碳捕获公司已吸引了大型资助机构的关注。美国能源部在其碳去除奖的24个半决赛入围者中，选出了Ebb Carbon、Equatic和Vycarb；XPrize则在20个决赛入围者中包含了Captura、Ebb Carbon、Kelp Blue和Planetary，并计划于明年4月公布获奖者。

尽管奖项营造出竞争氛围，但应对全球气候危机最终需要多种策略协同发力。Chu总结道："碳足够多，所有人都有用武之地。"

Q&A

Q1：Captura的海洋碳捕获技术是如何工作的？

A：Captura通过电渗析机对海水施加电压，使其通过离子选择性膜，产生盐酸和氢氧化钠。盐酸与海水中的溶解无机碳反应，生成溶解二氧化碳，再由真空气液膜接触器将其分离捕获。氢氧化钠则被加回水中以恢复碱度，处理后的海水排回大海，继续自然吸收大气中的二氧化碳。目前洛杉矶港试点工厂每年可去除约100吨二氧化碳，夏威夷新工厂将达到1000吨。

Q2：海洋碱度增强和直接从海水去除二氧化碳有什么区别？

A：直接海洋二氧化碳去除（如Captura的方案）是将溶解在海水中的二氧化碳抽取出来，集中储存或利用。海洋碱度增强（如Ebb Carbon的方案）则是提升海水的碱度，使溶解的二氧化碳转化为碳酸氢根和碳酸根离子，让碳以更稳定的形式在海洋中储存数千年，无需单独封存，但需监控碱度对生态的影响。

Q3：海洋碳捕获公司如何证明自己真正减少了大气中的二氧化碳？

A：目前仅靠物理测量难以精确证明，因为需要在大片海域持续采集水样，工程量巨大。各公司主要依赖ROMS、MARBL等数值模型进行推算，同时辅以pH值、二氧化碳分压等传感器数据。[C]Worthy等机构正在开发标准化建模软件。Equatic则通过将直接空气捕获与海洋储存结合，直接测量从空气中抽取的二氧化碳量，在计量精度上更具优势。