食物废弃物化身强力“碳陷阱”，助力气候技术新突破

配图说明：静物摄影展示了一种负载氢氧化钾的蛋白质微珠。这种多孔材料就像吸收二氧化碳的海绵。

得益于能够直接从空气中捕获碳的微型可重复使用微珠，食物废弃物有望成为一种强大的气候应对工具。

要从长远来看将全球升温幅度控制在1.5°C以内，仅仅大幅削减温室气体排放是远远不够的。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）最新评估报告中概述的气候情景，世界还需要能够移除并储存大气中已存在的数千亿吨二氧化碳（CO2）的技术。

其中一种备受关注的途径是“直接空气捕获”（DAC），这是一种直接从空气中去除二氧化碳的技术。多年来，研究人员和初创公司一直致力于改进DAC系统。该领域最早的商业化公司之一是Climeworks，这是一家成立于2009年的苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）衍生企业。尽管取得了一定进展，但直接空气捕获的成本依然高昂，且需要消耗大量能源。

食物废弃物变身碳捕获材料

苏黎世联邦理工学院的研究人员现已开发出一种新的DAC方法，有望使这一过程更加高效和可持续。在发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的一项研究中，由材料科学家拉斐尔·梅扎伦加（Raffaele Mezzenga）领导的团队利用乳制品和豆腐生产过程中的废弃物来捕获二氧化碳。

在乳制品和豆腐的生产过程中会产生大量富含蛋白质的液体。只有一小部分被重新用于食品加工，其余大部分被丢弃。研究人员从这些废弃物中提取蛋白质，并将其组装成被称为“淀粉样原纤维”的长丝状结构。随后，将这些原纤维与氢氧化钾结合，制成直径约0.5至1厘米的多孔微珠。

“这种材料就像一块海绵，可以通过氢氧化钾吸收大量的二氧化碳，”梅扎伦加解释道。

当暴露在空气中时，微珠内部的氢氧化钾会与二氧化碳发生反应，将其转化为碳酸氢盐（一种碳酸盐）。这一反应将二氧化碳从大气中移除。

“在环境空气测试中，我们能够用1克材料提取出97毫克的二氧化碳，”该研究的第一作者、梅扎伦加课题组的博士后研究员周东（Zhou Dong）解释道。

据周东介绍，这一性能极为出色，比传统DAC技术的捕获能力高出10%至50%。根据团队的计算，理论上1公斤蛋白质微珠在一个运行周期内可以捕获并分离出100克二氧化碳。

更低能耗的碳移除方式

现有的大多数直接空气捕获系统都依赖热量和负压，将捕获的二氧化碳从吸附材料中释放出来。回收的二氧化碳随后可被储存或转化为其他产品，从而实现长期的大气碳移除。然而，产生所需的热量需要消耗大量能源，这使得DAC主要只有在可再生能源丰富的地区才具备经济和环境可行性。

苏黎世联邦理工学院团队提出了另一种解决方案。为了释放捕获的二氧化碳，研究人员在室温下交替向蛋白质微珠喷洒弱酸和弱碱，每次约10分钟。这一过程会打破固定二氧化碳的化学键，使其得以被收集。

喷洒用的酸、碱以及蛋白质微珠在此之后均可重复使用。

“如今用于捕获二氧化碳的合成材料很容易分解，”周东说，“相比之下，我们的蛋白质微珠能长时间保持稳定。”

实验室测试表明，在经历30次碳捕获和释放循环后，微珠仍保持其性能，效率没有出现明显下降。

为循环经济而设计

尽管梅扎伦加预计，随着吸附能力逐渐下降，该材料在数千次循环后最终仍需更换，但废弃的微珠仍有其他用途。

研究人员表示，在碳捕获的“寿命”结束后，这些蛋白质微珠可用作农业肥料或转化为生物燃料。由于该材料完全是有机物且可生物降解，它可以自然地融入循环经济模式。

“我们在此过程中使用的材料无毒，且达到了食品级标准，”梅扎伦加指出。

团队还进行了一项生命周期分析，发现与现有的DAC方法相比，新方法在全生命周期内造成的环境污染更少。

该技术能否实现规模化？

要确定该技术能否在工业规模上有效运行，以及在更大规模的系统中能否保持其高二氧化碳捕获性能，还需要进行更多研究。

在目前的研究中，研究人员仅在受控的实验室环境下测试了几克材料，捕获并分离了大约50克二氧化碳。

梅扎伦加对此保持乐观。他研究淀粉样原纤维近20年，此前曾利用它们制造可生物降解的塑料替代品和水净化技术。

“我们有信心这项技术是可以规模化的，”他说。

他指出，用于释放二氧化碳的喷雾系统与工业流程中现有的技术是兼容的。周东接下来的研究重点将是评估大规模应用的可行性。

尽管团队尚未计算出使用新系统移除一吨二氧化碳的确切成本，但梅扎伦加预计，这将比传统的直接空气捕获方法便宜得多。

“我们的技术更便宜、更可持续，因为它几乎不需要什么能源，而且基于一种广泛存在的废弃物，”他说，“这可能会成为未来空气碳移除领域的一个颠覆性突破。”

Reference: “Circular and athermal atmospheric CO2 capture by food waste-derived amyloid sorbents” by Zhou Dong, Ming Dai, Felix Donat, Dominik Richert, Bin Dai, Paweł P. Ziemiański, Jiangtao Zhou, Milad Radiom, Mohammad Peydayesh, Yanwen Li, Xiuhuai Li, Hui Wu, Christoph R. Müller, Wenshuai Chen and Raffaele Mezzenga, 8 June 2026, Proceedings of the National Academy of Sciences.

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