Estrazione di cemento dall'acqua di mare catturando il carbonio

Il calcestruzzo è un materiale essenziale nel mondo moderno; la sabbia e il cemento sono infatti tra i materiali più prodotti al mondo in termini di volume e peso.

Fonte: Visual capitalista

Anche la produzione di cemento è un'attività ad alta intensità energetica. È inoltre alimentata quasi esclusivamente da combustibili fossili, il che ne consegue nella produzione di cemento responsabile dell'8% delle emissioni di CO2 nel mondo.

Questo può essere paragonato alle emissioni di CO2 delle auto e dei furgoni, che sono responsabili del 10% delle emissioni totali mondialiQuindi, rendere il calcestruzzo più sostenibile avrebbe lo stesso impatto di trasformare tutte le auto del mondo in veicoli elettrici e alimentarle solo con energia verde.

Gran parte delle emissioni di carbonio derivanti dalla produzione del cemento derivano dall'estrazione, dalla frantumazione, dalla lavorazione e dalla raffinazione delle materie prime utilizzate per produrlo. Come il calcare, anche le rocce ricche di carbonato di calcio (CaCO3) vengono estratte e mescolate con l'argilla per ottenere la materia prima che diventa calcestruzzo.

Esiste potenzialmente un'altra fonte di carbonato di calcio sulla Terra: l'acqua di mare. Gli oceani contengono molti minerali disciolti, tra cui, naturalmente, il sale da cucina (ioni di sodio e cloro), ma anche magnesio, calcio, potassio e persino metalli, con in particolare l'uranio, che un giorno potrebbe essere estratto dagli oceani del mondo invece che dalle miniere di uranio. Anche la CO2 disciolta sotto forma di ioni carbonato è abbondante negli oceani, rendendoli uno dei più potenti pozzi di carbonio della Terra.

Fonte: Sistemi sostenibili avanzati

Gli scienziati della Northwestern University e della CEMEX Innovation Holding AG (Svizzera) stanno ora valutando la possibilità di sfruttare questa abbondanza marina per produrre la materia prima per il calcestruzzo, catturando CO2 invece di emetterla. Hanno pubblicato i risultati sperimentali su Advanced Sustainable Systems.¹, sotto il titolo “Elettrodeposizione di minerali che intrappolano il carbonio nell'acqua di mare per potenziali elettrochimici variabili e iniezioni di anidride carbonica".

Elettrolisi dell'acqua

L'acqua (H₂O) può essere scomposta nei suoi costituenti, idrogeno e ossigeno, applicando una potente corrente elettrica, solitamente con l'ausilio di un catalizzatore per migliorare la velocità e l'efficienza della reazione elettrochimica. Questa è la base della produzione di idrogeno verde, la cui elettricità proviene da fonti rinnovabili.

Tuttavia, quando si esegue questa procedura con acqua non pura, e ancor più con acqua di mare, la reazione di elettrolisi reagisce anche con i minerali disciolti nell'acqua.

Si tratta generalmente di una reazione indesiderata, poiché può creare depositi sugli elettrodi e distogliere energia dall'obiettivo previsto, ovvero la produzione di idrogeno.

Tuttavia, modificando le condizioni di elettrolisi, questa reazione indesiderata potrebbe trasformarsi in un nuovo metodo prezioso per produrre carbonato di calcio.

Produzione di cemento dall'acqua di mare

rifornimenti illimitati

Non si tratta necessariamente di un'idea nuova, poiché sia ​​il CaCO3 che il magnesio presenti nell'acqua di mare hanno una miriade di applicazioni nei settori dell'edilizia, della produzione e della bonifica ambientale, tra cui la produzione di calcestruzzo, cemento, intonaci, pitture e stucchi.

Poiché i vasti oceani che ricoprono la Terra fornirebbero una riserva praticamente illimitata di questo materiale, questa è stata considerata la fonte potenziale più sostenibile di questi materiali.

Finora, la sola esplorazione dell'elettroriduzione di questi minerali non ha prodotto un metodo praticabile per renderne economica la produzione a partire dall'acqua di mare. È qui che i ricercatori della Northwestern University hanno introdotto un ulteriore passaggio cruciale: l'aggiunta di CO2 al processo.

Iniezione di CO2 nell'acqua di mare

Poiché l'acqua di mare è una miscela complessa di molti minerali, quando si applica l'elettrolisi si verifica contemporaneamente una serie di reazioni elettrochimiche, dalla precipitazione di ioni di calcio e magnesio alla formazione di gesso da solfati, alla generazione di cloro e idrogeno gassoso, nonché una variazione dell'acidità attorno a ciascun elettrodo.

Fonte: Sistemi sostenibili avanzati

L'iniezione di CO2 aggiunge ulteriore complessità, poiché riduce il pH dell'acqua di mare. La diminuzione del pH dovuta alla CO2 è parzialmente compensata dalla produzione di ioni OH− a partire dall'energia elettrica.

La dissoluzione o la precipitazione del carbonato di calcio dipendono a loro volta dall'acidità dell'acqua. A tal proposito, questo è un fenomeno che preoccupa gli scienziati, poiché man mano che l'atmosfera si arricchisce di CO2, gli oceani diventano più acidi.

Se la corrente elettrica è sufficientemente potente e quindi la produzione di ioni OH− può essere sufficientemente elevata da mantenere il pH al di sopra di 8.5.

A questi livelli di acidità, le reazioni chimiche catturano la CO2 e la trasformano in ioni bicarbonato disciolti (HCO3-).

Fonte: Sistemi sostenibili avanzati

Questi ioni bicarbonato reagiscono poi con il calcio e precipitano formando carbonato di calcio, il materiale di base per la produzione del calcestruzzo.

Ottimizzazione del sequestro del carbonio

In questo tipo di reazione, la produzione di carbonato di calcio utilizzabile per l'industria del cemento catturerebbe la CO2 iniettata invece di emetterla nell'atmosfera.

Per ogni dato livello di potenza utilizzata, esiste una portata ottimale di CO2 iniettata che riduce al minimo l'energia consumata e massimizza la resa della produzione minerale. Una concentrazione di 0.30 sccm di CO2 sembrava rappresentare il punto ideale, mentre un livello di potenza inferiore si traduce comunque in una precipitazione di una massa elevata di minerale.

Fonte: Sistemi sostenibili avanzati

Creazione di un deposito utilizzabile

Un problema nel trasformare questo concetto in un'applicazione industriale è lo stesso che si verifica nella precipitazione del carbonato di calcio durante la produzione di idrogeno tramite elettrolisi.

Nella maggior parte dei casi, il deposito di calcio ostruisce la superficie dell'elettrodo, danneggiando l'intero sistema e rendendolo meno efficiente nel tempo.

Tuttavia, gli elevati livelli di potenza utilizzati in questo esperimento, se combinati con l'iniezione di CO2, hanno causato ulteriori reazioni, provocando il distacco del precipitato di carbonato di calcio dall'elettrodo.

Nel complesso, questo metodo sarebbe in grado di produrre il carbonato in un modo che ne faciliterebbe la raccolta come deposito minerale sul fondo del serbatoio, senza intasare l'elettrodo.

Crescita di cristalli minerali

A seconda delle condizioni, si formano diversi aggregati minerali con diverse condizioni cristalline, in particolare cristalli di carbonato di calcio (calcite e aragonite) e cristalli di magnesio (brucite).

Fonte: Sistemi sostenibili avanzati

Nel complesso, il materiale risultante può essere costituito da cristalli lunghi diversi centimetri (1-2 pollici) ed è anche molto poroso.

La composizione, la porosità e le dimensioni degli aggregati sintetizzati utilizzando l'approccio proposto soddisfano gli standard attuali per il loro utilizzo in materiali come il calcestruzzo.

Conclusione

Nel complesso, questa pubblicazione dimostra che la produzione di materiale cementizio a emissioni negative di carbonio non è solo una possibilità teorica, ma un'opzione praticabile quando si utilizza l'iniezione di carbonio durante l'elettrolisi dell'acqua di mare.

Altri parametri critici, come la durezza e la resistenza all'abrasione, devono ancora essere studiati per avere la conferma completa che il materiale risultante sia utilizzabile per progetti di costruzione.

Questo processo è intrinsecamente scalabile, senza evidenti limitazioni dovute alla scarsa disponibilità di materiali, all'eccessivo consumo di energia o alle basse rese.

Immaginando una rete di reattori interconnessi e scalabili, questo approccio ha il potenziale per essere implementato su scala industriale e integrato con le infrastrutture esistenti, come gli impianti industriali costieri.

Ulteriori progressi nella progettazione del reattore dovrebbero consentire di aumentare l'efficienza economica ed energetica complessiva, ad esempio ottimizzando la geometria degli elettrodi, i materiali e la dinamica del flusso.

In definitiva, l'acqua da cui è stato estratto il carbonato di calcio potrebbe anche rivelarsi un materiale interessante per una fase secondaria della generazione di idrogeno dall'acqua di mare, poiché la minore concentrazione di ioni dovrebbe contribuire a ridurre i problemi legati ai depositi minerali sull'elettrodo.

Investire nel cemento sostenibile

CRH Plc

In qualità di leader mondiale nella produzione di cemento, CRH contribuirà in modo determinante a trasformare l'edilizia in cemento in un settore più sostenibile. È il numero uno per volume totale di materiali da costruzione forniti sia sul mercato statunitense che su quello europeo.

L'azienda è attiva in 28 paesi e ha 3,390 sedi, impiegando 78,500 dipendenti; il 65% delle sue vendite globali è realizzato da CRH Americas.

Fonte: CRH

L'azienda si aspetta che la robusta spesa dei governi occidentali in infrastrutture contribuirà a far crescere il suo business. Anche le tendenze di reindustrializzazione e delocalizzazione della produzione high-tech dovrebbero aiutare.

Sustainability

CRH ha compiuto notevoli progressi in termini di sostenibilità con una serie di iniziative:

• È il più grande riciclatore del Nord America, con 1 milioni di tonnellate di rifiuti e sottoprodotti provenienti da altri settori riciclati nel 43.9.
• Nel 2 ha ridotto le sue emissioni di CO8 dell'2023%, grazie all'utilizzo del 36% di combustibili alternativi nei suoi cementifici.
• L'obiettivo è ridurre le emissioni del 30% entro il 2030 (rispetto alle emissioni del 2021).

Questo è di per sé lodevole, ma può essere considerato troppo poco e troppo tardi.

Fortunatamente, CRH è anche un motore di cambiamenti più radicali nel settore. In particolare, ha investito 75 milioni di dollari nella società di cemento a basse emissioni di carbonio Sublime, insieme al gigante europeo del calcestruzzo Holcim.

Sistemi sublimi è stata scorporata dal MIT nel 2020 per utilizzare un elettrolizzatore per produrre cemento a temperatura ambiente, sostituendo i forni ad alta intensità energetica e di combustibili fossili. Permette inoltre di utilizzare fonti di calcio come materiale di input, evitando il rilascio di CO2 derivante dall'input di calcare.

Si prevede che il primo stabilimento commerciale di Sublime a Holyoke, nel Massachusetts, aprirà i battenti già nel 2026. Se avrà successo, potrebbe rappresentare una vera svolta per l'industria del cemento e aprire la strada al calcestruzzo a basse emissioni su larga scala.

"Sublime è una forza dirompente nella produzione di cemento. La sua tecnologia unica attraversa l'intero processo di produzione, dall'uso di elettricità pulita alle materie prime prive di carbonio. Siamo entusiasti del suo potenziale e siamo lieti di collaborare per portarlo sul mercato su larga scala. Questo investimento è pienamente in linea con la strategia di Holcim per accelerare la decarbonizzazione dell'edilizia tramite l'aumento delle tecnologie più innovative".

Funzionario Nollaig Forrest – Responsabile della sostenibilità di Holcim

CRH ha investito anche in altre startup di decarbonizzazione e sostenibilità:

• 23.7 milioni di euro Tecnologie del pianeta fresco, sviluppando soluzioni di cattura del carbonio per settori industriali tradizionalmente difficili da decarbonizzare.
• 34.7 milioni di dollari da parte di CRH e altri investitori in Tecnologie di riciclaggio del carbonio, utilizzando una soluzione di mineralizzazione completamente elettrica per immagazzinare in modo permanente la CO2 nei sottoprodotti industriali e nei minerali, come cemento, plastica, prodotti di consumo, fertilizzanti e prodotti farmaceutici.
• AICrete, una piattaforma "recipe-as-a-service" che collabora con i produttori locali di calcestruzzo, ottimizzando i materiali locali e riducendo al minimo la quantità di cemento utilizzata tramite analisi basate sull'intelligenza artificiale, riducendo sia l'impronta di CO2 sia i costi di produzione del calcestruzzo.
• Il finanziamento di serie B di FIDO AI riguarda una startup che utilizza l'intelligenza artificiale per ridurre il consumo di acqua e aumentare il risparmio idrico.

Nel complesso, CRH è un leader redditizio nel settore del calcestruzzo e si sta preparando attivamente alla decarbonizzazione del settore, sia direttamente nelle strutture esistenti sia in qualità di fornitore primario di capitale per le startup innovative che creano la prossima generazione di tecnologie per la produzione di cemento e calcestruzzo.

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Studi citati:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, AF (2025). Elettrodeposizione di minerali che intrappolano il carbonio nell'acqua di mare per potenziali elettrochimici variabili e iniezioni di anidride carbonica. Sistemi avanzati sostenibili, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}