Вилучення цементного матеріалу з морської води з уловлюванням вуглецю

Бетон є важливим матеріалом у сучасному світі, а пісок і цемент фактично є одними з наймасовіших матеріалів у світі за обсягом і вагою.

джерело: Візуальний капіталіст

Виробництво цементу також є дуже енергоємним видом діяльності. Крім того, він працює майже виключно на викопному паливі у виробництві цементу, відповідальним за 8% світових викидів CO2.

Це можна порівняти з викидами CO2 легкових автомобілів і фургонів, на які припадає 10% загальних викидів у світіОтже, підвищення екологічності бетону мало б такий самий вплив, як перетворення всіх автомобілів у світі на електромобілі та живлення їх лише зеленою енергією.

Велика частина викидів вуглецю при виробництві цементу походить від видобутку, розбивання, обробки та очищення сировини, яка використовується для його виробництва. Подібно до вапняку, породи, багаті карбонатом кальцію (CaCO3), видобуваються та змішуються з глиною для отримання сировини, яка стає бетоном.

Потенційно існує ще одне джерело карбонату кальцію на Землі, яким є морська вода. Океани містять багато розчинених мінералів, звісно, ​​кухонну сіль (іони натрію та хлору), а також магній, кальцій, калій і навіть метали, зокрема, уран, який, можливо, одного дня буде видобутий у світовому океані, а не в уранових шахтах. Розчинений CO2 у формі карбонатних іонів також є в достатку в океанах, що робить їх одними з найпотужніших поглиначів вуглецю на Землі.

джерело: Передові стійкі системи

Науковці з Північно-західного університету та CEMEX Innovation Holding AG (Швейцарія) зараз досліджують, чи можна використовувати цей надлишок, що народжується в морі, для виробництва сировини для бетону, одночасно вловлюючи CO2, а не викидаючи його. Вони опублікували свої експериментальні результати в Advanced Sustainable Systems¹, під назвою «Електроосадження мінералів, що вловлюють вуглець, у морській воді для змінних електрохімічних потенціалів та введення вуглекислого газу".

Електроліз води

Воду (H2O) можна розкласти на водень і кисень, застосовуючи потужний електричний струм, як правило, за допомогою якогось каталізатора для підвищення швидкості та ефективності електрохімічної реакції. Це основа виробництва екологічно чистого водню, де електроенергію отримують із відновлюваних джерел.

Однак при проведенні цієї процедури з нечистою водою, а тим більше з морською, реакція електролізу також вступає в реакцію з розчиненими у воді мінералами.

Загалом це небажана реакція, оскільки вона може створити відкладення на електродах і відвернути енергію від наміченої мети виробництва водню.

Однак зміна умов електролізу може перетворити цю небажану реакцію побічного продукту на новий цінний спосіб виробництва карбонату кальцію.

Виробництво цементу з морської води

необмежені товари

Це не обов’язково нова ідея, оскільки CaCO3, а також магній з морської води мають безліч застосувань у будівництві, виробництві та промисловості з відновлення навколишнього середовища, включаючи виробництво бетону, цементу, штукатурки, фарб та наповнювачів.

Оскільки величезні океани, що вкривають Землю, забезпечать практично необмежену кількість цього матеріалу, це вважається найбільш стійким потенційним джерелом цих матеріалів.

Поки що лише вивчення електровідновлення цих мінералів не дало життєздатного способу зробити їх виробництво з морської води економічним. Саме тут дослідники Північно-Західного університету зробили важливий додатковий крок: додали в процес CO2.

Закачування CO2 в морську воду

Оскільки морська вода є складною сумішшю багатьох мінералів, під час застосування електролізу відразу виникає електрохімічна сітка, від випадання іонів кальцію та магнію до утворення гіпсу з сульфатів, утворення газоподібного хлору та водню, а також зміна кислотності навколо кожного електрода.

джерело: Передові стійкі системи

Введення CO2 ускладнює процес, оскільки знижує pH морської води. Зниження рН від CO2 частково компенсується виробництвом іонів OH− за рахунок електричної енергії.

Розчинення або осадження карбонату кальцію саме по собі залежить від кислотності води. Якщо на те пішло, це явище, яке викликає занепокоєння вчених, оскільки атмосфера стає багатшою на CO2, океани стають більш кислотними.

Якщо електричний струм достатньо потужний, а отже, і утворення іонів OH−, він може бути достатньо високим, щоб підтримувати pH вище 8.5.

При таких рівнях кислотності хімічні реакції захоплюють CO2 і перетворюють його на розчинені іони бікарбонату (HCO3-).

джерело: Передові стійкі системи

Потім ці іони бікарбонату вступають у реакцію з кальцієм і випадають у карбонат кальцію, основний матеріал для виробництва бетону.

Оптимізація поглинання вуглецю

У цьому типі реакції виробництво карбонату кальцію, придатного для використання в цементній промисловості, вловлюватиме введений CO2 замість того, щоб викидати CO2 в атмосферу.

Для будь-якого заданого рівня використовуваної потужності існує оптимальна швидкість потоку введеного CO2, яка мінімізує споживану енергію, одночасно максимізуючи вихід корисних копалин. Концентрація 0.30 sccm CO2 виявилася такою найкращою точкою, де нижчий рівень потужності все одно призводить до великої маси мінеральних опадів.

джерело: Передові стійкі системи

Створення придатного для використання депозиту

Проблема з перетворенням цієї концепції в промислове застосування є тією ж проблемою, що виникає при осадженні карбонату кальцію під час виробництва водню за допомогою електролізу.

Найчастіше відкладення кальцію забиває поверхню електрода, пошкоджуючи систему в цілому та з часом знижуючи її ефективність.

Однак більш високі рівні потужності, використані в цьому експерименті, у поєднанні з ін’єкцією СО2 викликали додаткові реакції, що призвело до відриву карбонату кальцію від електрода.

Отже, загалом, цей метод зможе виробляти карбонат таким чином, щоб його було легко зібрати у вигляді мінерального відкладення на дні резервуара, не забиваючи електрод.

Вирощування мінеральних кристалів

Залежно від умов утворюються різні мінеральні агрегати з різними кристалічними умовами, особливо кристали карбонату кальцію (кальцит і арагоніт) і кристали магнію (брусит).

джерело: Передові стійкі системи

Загалом отриманий матеріал можна зробити з кристала довжиною кілька сантиметрів (1-2 дюйми), який також є дуже пористим.

Склад, пористість і розмір заповнювачів, синтезованих із застосуванням запропонованого підходу, відповідають сучасним стандартам їх використання в таких матеріалах, як бетон.

Висновок

Загалом ця публікація доводить, що виробництво вуглецевого цементного матеріалу є не лише теоретичною можливістю, але й життєздатним варіантом при використанні ін’єкції вуглецю під час електролізу морської води.

Інші важливі параметри, такі як твердість і стійкість до стирання, ще належить дослідити для повного підтвердження того, що отриманий матеріал придатний для будівельних проектів.

Цей процес за своєю суттю є масштабованим, без очевидних обмежень через доступність рідкісних матеріалів, надмірне споживання енергії або низький вихід.

Передбачаючи мережу взаємопов’язаних масштабованих реакторів, цей підхід має потенціал для розгортання в промислових масштабах та інтеграції з існуючою інфраструктурою, такою як прибережні промислові об’єкти.

Подальший прогрес у проектуванні реактора повинен бути в змозі підвищити загальну економічну та енергетичну ефективність, наприклад, шляхом оптимізації геометрії електродів, матеріалів і динаміки потоку.

Зрештою, вода, з якої було вилучено карбонат кальцію, також може бути цікавим матеріалом для вторинного етапу генерації водню з морської води, оскільки нижча концентрація іонів повинна допомогти зменшити проблеми, пов’язані з мінеральними відкладеннями на електроді.

Інвестиції в стійкий цемент

CRH Plc

Як один зі світових лідерів у виробництві цементу, CRH відіграватиме важливу роль у перетворенні цементного будівництва на більш стійку галузь. Це компанія №1 за загальним обсягом поставок будівельних матеріалів як на ринках США, так і на європейському ринку.

Компанія працює в 28 країнах і 3,390 локаціях, налічує 78,500 65 співробітників, при цьому CRH Americas займає XNUMX% її глобальних продажів.

Джерело: CRH

Компанія очікує, що значні витрати західних урядів на інфраструктуру сприятимуть розвитку її бізнесу. Тенденції реіндустріалізації та розміщення високотехнологічного виробництва також повинні допомогти.

Сталий розвиток

CRH досягла серйозного прогресу в питаннях сталого розвитку завдяки ряду ініціатив:

• Це найбільший переробник у Північній Америці: у 1 році було перероблено 43.9 мільйона тонн відходів і побічних продуктів з інших галузей.
• У 2 році компанія скоротила викиди CO8 на 2023% завдяки використанню на цементних заводах 36% альтернативного палива.
• Він прагне скоротити викиди на 30% до 2030 року (порівняно з викидами 2021 року).

Це само по собі похвально, але може розглядатися як занадто мало, занадто пізно.

На щастя, CRH також є рушієм більш фундаментальних змін у галузі. Зокрема, він інвестував 75 ​​мільйонів доларів США в компанію з низьковуглецевого цементу Sublime разом з європейським бетонним гігантом Holcim.

Піднесені системи була виділена з Массачусетського технологічного інституту в 2020 році для використання електролізера для виробництва цементу при температурі навколишнього середовища, замінивши енергоємні та споживаючі викопне паливо печі. Це також дозволяє використовувати джерела кальцію як вхідний матеріал, уникаючи вивільнення CO2 із вхідного вапняку.

Очікується, що перший комерційний об'єкт Sublime в Голіоку, штат Массачусетс, відкриється вже у 2026 році. Якщо він виявиться успішним, він може стати справжнім переломним моментом для цементної промисловості та відкрити шлях до масштабованого низьковикислотного бетону.

«Високе — це руйнівна сила у виробництві цементу. Його унікальна технологія охоплює весь виробничий процес, від використання чистої електроенергії до безвуглецевої сировини. Ми в захваті від його потенціалу та раді співпрацювати, щоб вивести його на ринок у великих масштабах. Ця інвестиція повністю відповідає стратегії Holcim щодо прискорення декарбонізації будівництва шляхом розширення найбільш інноваційних технологій».

Офіцер Nollaig Forrest – головний відділ сталого розвитку Holcim

CRH також інвестувала в інші стартапи з декарбонізації та сталого розвитку:

• 23.7 мільйонів євро в Cool Planet Technologies, розробляючи рішення для уловлювання вуглецю для галузей промисловості, які традиційно важко декарбонізувати.
• 34.7 мільйона доларів від CRH та інших інвесторів Технології переробки вуглецю, використовуючи повністю електричне рішення для мінералізації для постійного зберігання CO2 у промислових побічних продуктах і мінералах, таких як цемент, пластмаси, споживчі товари, добрива та фармацевтичні препарати.
• AICrete, платформу «рецепт як послуга», яка працює з місцевими виробниками бетону, оптимізуючи місцеві матеріали та мінімізуючи кількість цементу, що використовується за допомогою аналізу на основі штучного інтелекту, зменшуючи як викиди CO2, так і вартість виробництва бетону.
• Фінансування серії B від FIDO AI – це стартап, який використовує штучний інтелект для зменшення споживання води та збільшення економії води.

Загалом CRH є прибутковим лідером у бетонній промисловості та дуже активно готується до декарбонізації галузі, як безпосередньо на існуючих потужностях, так і будучи головним постачальником капіталу для інноваційних стартапів, які створюють нове покоління технологій виробництва цементу та бетону.

Останнє на CHR

Посилання на дослідження:

^{1. Деві, Н., Гонг, X., Шоджі, Д., Вагнер, А., Геріні, А., Зампіні, Д., Лопес, Дж., і Ротта Лоріа, А.Ф. (2025). Електроосадження мінералів, що вловлюють вуглець, у морській воді для змінних електрохімічних потенціалів і введення вуглекислого газу. Передові стійкі системи, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}