碳捕集是一类从工业设施、发电厂产生的混合气体或地球大气层中分离二氧化碳（CO₂）的技术。其与气候相关的主要目的是限制这种温室气体的排放，或使其能够从空气中被移除。捕集只是整个系统中的一个环节：分离出的 CO₂ 随后还必须经过运输、利用或长期封存。包含封存环节的完整技术链称为碳捕集与封存（CCS），而包含利用环节的系统通常称为碳捕集、利用与封存（CCUS）。（iea.org）
范围与概念区分
碳捕集是一种工程化的气体分离过程，不同于通过光合作用进行的生物碳吸收。它既可以截留燃烧化石燃料或工业反应产生的 CO₂，也可以通过直接空气捕集（DAC）收集大气中的 CO₂。这些应用对碳循环和气候变化的影响各不相同。在化石来源的 CO₂ 排放前将其捕集，可以减少排放，但不会移除大气中已经存在的 CO₂。二氧化碳移除则要求先从大气中吸收 CO₂，再将其长期封存。（iea.org）
捕集也不同于封存和利用。仅仅获得高浓度的 CO₂ 气流，本身并不意味着能带来气候效益。这种效益取决于所使用的能源、整个供应链的排放，以及被捕集碳的最终去向和留存时间。（iea.org）
捕集工艺配置
燃烧后捕集是在燃料燃烧后，从尾气中分离 CO₂。由于燃料在空气中燃烧会产生富含氮气的烟气，设备必须从总量较大的混合气体中提取 CO₂。这种配置可用于现有发电和工业设施，而不必更换其基本生产工艺，但可能需要进行大量设备改造和能源系统整合。（netl.doe.gov）
燃烧前捕集是在燃烧之前，从燃料转化产生的气体中分离 CO₂。在以气化为基础的系统中，燃料先被转化为合成气；随后的反应将一氧化碳转化为 CO₂，同时产生更多氢气。之后分离出 CO₂，留下富氢燃料。较高的 CO₂ 分压可使分离比从低浓度烟气中分离更容易。（netl.doe.gov）
富氧燃烧使用氧气而非普通空气助燃。其尾气主要由 CO₂ 和水蒸气组成，其中的杂质需要进一步处理。除去水分后，即可得到富含 CO₂ 的气流。这种配置简化了分离过程，但也带来了制氧、气体净化和燃烧控制方面的能源与设备需求。（netl.doe.gov）
直接空气捕集处理的则是环境空气。与点源捕集不同，它可以不受排放来源位置的限制而处理排放。将从空气中捕集的 CO₂ 永久封存，是一种碳移除途径；将其用于产品则不一定能实现持久移除。（iea.org）
分离技术
液体捕集系统利用吸收（化学）过程，通过物理溶解或化学相互作用，将 CO₂ 转移到溶剂中。捕集后，溶剂经再生释放出高浓度 CO₂，并被重复使用。胺类溶剂系统是成熟的基准技术；相关研究着重于降低再生能耗、减少降解、腐蚀和溶剂损失。（netl.doe.gov）
固体捕集系统利用吸附剂表面的吸附作用。再生方式可包括加热、变压吸附、抽真空或电驱动过程。实用的吸附剂必须兼具对 CO₂ 的选择性和吸附容量，以及快速吸附、耐久和反复再生的能力。其性能既取决于材料性质，也取决于接触器和操作循环的设计。（netl.doe.gov）
膜分离利用能够优先透过特定气体的材料，得到组成不同的气流。其他方法包括低温分离、电化学捕集，以及结合多种方法的混合系统。工艺选择是一个化学工程问题，涉及气体组成、运行条件、所需纯度、设备尺寸和能量消耗。（netl.doe.gov）
运输、封存与利用
捕集的 CO₂ 在运往场外之前，通常要经过调质处理和压缩。管道、船舶、铁路和卡车可以将捕集设施与封存场地或用户连接起来。因此，运输和封存所需的基础设施是捕集厂本身之外不可或缺的组成部分。（iea.org）
地质碳封存将 CO₂ 注入适宜的深部岩层，包括含盐水地层和枯竭油气藏。封存机制包括不透水岩层下方的封闭、孔隙中的残余圈闭、在盐水中的溶解，以及通过反应形成碳酸盐矿物。场地评估考察孔隙率、渗透率、可注入性、深度和封闭完整性。地下监测追踪 CO₂ 羽流以及岩石或流体性质的变化，以识别迁移路径。（netl.doe.gov）
二氧化碳利用包括在化学品、燃料和建筑材料中的应用。碳的留存时间各不相同：燃料中的碳通常在燃烧时释放，而矿物基产品可以将碳保留更久。评估时必须考虑被替代的产品、转化过程的能耗、CO₂ 来源和留存期限，而不能将每利用一吨 CO₂ 都视为永久封存了一吨。（iea.org）
性能与应用
捕集成本因 CO₂ 浓度、工艺设计、规模和地理位置而存在显著差异。高浓度工业气流通常比低浓度气流更容易分离。运输距离和封存场地的可用性还会带来捕集设备之外的额外成本。（iea.org）
捕集率和净减排量是不同的衡量指标。额外的热量、电、压缩和材料供应需求都会影响整体表现。生命周期评价将这些负担与捕集量以及碳在下游的最终去向一并纳入考量。（netl.doe.gov）
应用领域包括发电、制氢、水泥制造和石油化工工艺。生物能源碳捕集与封存将生物从大气中吸收碳的过程，与生物质加工或能源生产过程中的碳捕集和永久封存相结合。运行研究关注如何在工厂负荷变化时可靠地进行捕集、降低再生需求、提高对杂质的耐受性、减少腐蚀，以及延长捕集介质的使用寿命。（netl.doe.gov）