تولید سیمان با انتشار کربن کمتر

Making Cement With Fewer Carbon Emissions

سیمان پس از آب پرمصرف ترین کالای جهان است و تولید آن در حال حاضر مسئول 8 درصد از انتشار دی اکسید کربن جهانی است. پیش‌بینی می‌شود تقاضا برای سیمانی که برای ساخت بتن و ملات استفاده می‌شود، در آینده نزدیک و با ادامه شهرنشینی در جهان تا ۵۰ درصد افزایش یابد. سیمان پرتلند معمولی، که اغلب به آن OPC گفته می شود، رایج ترین شکل سیمان است. این سیمان از گرم کردن سنگ آهک خرد شده و خاک رس در یک کوره بزرگ دوار ساخته می شود. گرم کردن کوره ها با استفاده از سوخت های فسیلی 40 درصد از دی اکسید کربن ایجاد شده در فرآیند ساخت سیمان را تشکیل می دهد. 60 درصد دیگر، نتیجه گرمای مورد نیاز برای تجزیه سنگ آهک به اکسید کلسیم و دی اکسید کربن است . سنگ آهک، یک سنگ رسوبی است که بیشتر آن کربنات کلسیم  است.

محققان دانشگاه میشیگان می گویند یک رویکرد الکتروشیمیایی جدید ابداع کرده اند که میزان دی اکسید کربن آزاد شده توسط فرآیند ساخت سیمان را به میزان زیادی کاهش می دهد. آنها ادعا می کنند که فرآیند آنها کم هزینه و مقیاس پذیر است. علاوه بر این، طبق مطالعه‌ای که اخیراً در مجلۀ علوم محیط زیست و انرژی منتشر شده است، این روش می‌تواند بدون تغییر در فرآیند تولید، سنگین‌ترین مرحله تولید سیمان از نظر انتشار کربن را خنثی کند.

در حالی که کربنات کلسیم مورد نیاز تولید سیمان در روش سنتی آن، از سنگ آهکی دریافت می شود که هنگام گرم شدن در کوره دی اکسید کربن آزاد می کند، ولی محققان دانشگاه میشیگان این کربنات کلسیم را از طریق یک فرآیند الکتروشیمیایی می سازند که دی اکسید کربن را از هوا گرفته و آن را با مواد معدنی فراوان یا بتن بازیافتی پیوند می دهد. جیاکی لی، استادیار مهندسی عمران و محیط زیست، دانشمند ستاد آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور و نویسنده مسئول این مطالعه، می‌گوید: « این رویکرد جدید ما برای تولید الکتروشیمیایی مصالح، حوزه جدیدی را در تولید سیمان و چرخه بازیافت زباله در مقیاس بزرگ باز می‌کند.»

این روش پیشنهادی با کربنات کلسیم تولید شده به صورت الکتروشیمیایی، که جایگزین سنگ آهک طبیعی می‌شود، دی‌اکسید کربن آزاد شده در طی فرآوری کوره را، با دی‌اکسید کربنگرفته شده از هوا در طول تولید الکتروشیمیایی خنثی می‌کند. اگر این استراتژی جدید با تمام ظرفیت اجرا شود، می‌تواند انتشار دی اکسید کربن جهانی را حداقل سه میلیارد تن (سه گیگاتن) در سال کاهش دهد. برای مقایسه بهتر جالب است بدانید که در سال 2023، انتشار دی اکسید کربن جهانی مرتبط با انرژی 37.4 گیگاتن گزارش شده است. 8 درصد از انتشار جهانی کربنی که تولید سیمان امروزی به آن کمک می کند، می تواند با استفاده از این فرآیند جدید به 3 درصد کاهش یابد و در صورت استفاده از فناوری های جذب کربن، حتی به صفر برسد. البته این بخش آخر کمی خوش بینانه است، زیرا در حال حاضر هیچ تاسیسات جذب کربنی در کار نیست که مقرون به صرفه باشد.

ونسین ژانگ، دانشجوی دکترا در مؤسسه فناوری کالیفرنیا، کارآموز تحقیقاتیِ فارغ التحصیل در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور و نویسنده مشارکت کننده در این مطالعه، می گوید: «این استراتژی می‌تواند صنعت سیمان را از یک صنعت انتشار دهنده چند میلیارد تنی دی‌اکسید کربن، به یک تسهیل گر در مقیاس چند میلیارد تنی برای انرژی‌های پاک و فناوری‌های مدیریت کربن تغییر دهد.» پیش سازهای غیر کربنی مورد استفاده در این فرآیند جدید، به طور گسترده در سراسر جهان در دسترس هستند. یکی از این پیش سازها بازالت است که نیمی از حجم پوسته زمین را تشکیل می دهد و دیگری ضایعات صنعتی مانند بتن بازیافتی از زباله های ساختمانی و تخریب است.

تولید سیمان بدون انتشار کربن

این فرآیند با اعمال پتانسیل الکتریکی در آبِ حاوی نمکِ الکترولیت خنثی در یک الکترولیز کار می‌کند. به این ترتیب که دستگاهی با یک الکترود مثبت در یک انتها و یک الکترود منفی در طرف دیگر و یک غشای تبادل کاتیونی در وسط است. با جریان الکتریسیته، آب در آند به گاز اکسیژن و پروتون های دارای بار مثبت تقسیم می شود، در حالی که آب در کاتد گاز هیدروژنتولید می کند و یون های هیدروکسید با بار منفیآزاد می کند. این فرآیند یک الکترولیت آندی اسیدی فزاینده و الکترولیت کاتدی قلیایی ایجاد می کند که برای پردازش سیلیکات های کلسیم به کار گرفته می شود. این پروتون‌ها سیلیکات کلسیم را می‌شکنند و سیلیس جامدو یون‌های کلسیم تشکیل می‌دهند. یون های کلسیم با گرفتن کربن دی اکسید از هوا و یون های هیدروکسید موجود در آب واکنش داده و به کربنات کلسیم جامد و کربن منفی تبدیل می شوند.

در حالی که کربنات کلسیم محصول اصلی است که کوره های سیمان را تغذیه می کند، سیلیس جامد را می توان به عنوان یک ماده مکمل برای بهبود مقاومت و دوام بتن یا ملات، با سیمان مخلوط کرد. محققان با در نظر گرفتن کاهش یا حذف انتشار کربن، یک گام جلوتر رفته و ارزیابی کردند که آیا این فناوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است یا خیر؟ روش الکتروشیمیایی در مقایسه با تکنیک های موجود هزینه کمتر و کارآمدی بیشتری را نشان داد. شیائو کان لو، دانشجوی دکترای مهندسی شیمی در دانشگاه نورث وسترن و نویسنده اصلی این مطالعه، می گوید: «از آنجایی که استراتژی کنونی نیاز به حداقل تغییر در کارخانه‌های سیمان معمولی دارد و یا حتی ممکن است به تغییر نیازی نباشد، موانع ورودیِ کمی برای کسب‌وکارهای بزرگ سیمان دارد.»

این محققان می گویند که رویکرد آنها، مواد اولیۀ سیمان پرتلند و مصالح سیمانی تکمیلی را تولید می کند که با زیرساخت های تولیدسیمان پرتلند معمولی و فناوری های کربن زدایی سازگار است و در نتیجه از نگرانی های نظارتی و ایمنی جلوگیری می کند. سیمان پرتلند حاصل از استفاده از این فناوری با استانداردهای بین المللی و ملی موجود مطابقت دارد. علاوه بر این، استفاده از این روش نیازی به آموزش جدید برای میلیون ها مهندس مصالح و عمران یا سازندگان در سطح جهانی ندارد. آنها اشاره می کنند که کاهش هزینه برق تجدیدپذیر (که اکنون هزینه کمتری نسبت به برق حاصل از روش تولید حرارتی معمولی دارد)، همراه با کاهش یا حذف احتمالی انتشار کربن ، علاوه بر مزایای زیست محیطی، رقابت اقتصادی بیشتری را ایجاد می کند.

دو محصول فرعی این فرآیند، گاز هیدروژن و اکسیژن هستند که هر دو دارای ارزش اقتصادی رو به رشدی در بسیاری از کاربردهای تجاری هستند. هیدروژن را می توان برای گرمایش صنعتی، تولید برق و تولید مواد شیمیایی استفاده کرد. اکسیژن می تواند به جداسازی گازهای متمرکز و غلیظ دی اکسید کربن در کارخانه های سیمان کمک کند. یکی دیگر از محصولات جانبی این فرآیند، آب بی کربنات کلسیم است که می تواند برای کاهش اسیدی شدن اقیانوس ها استفاده شود. محققان می گویند که این فرآیند را در سه پیکربندی راکتور الکتروشیمیایی مورد مطالعه قرار داده اند و محصولات و عملکردها را ارزیابی کرده اند و ارزیابی چرخه عمر و تجزیه و تحلیل فنی-اقتصادی را برای بررسی کربن تجسم یافته، مصرف انرژی و قابلیت اقتصادی انجام داده اند.

پیشرفت های سیمان با انتشار کم کربن

افراد دیگری نیز در حال کار بر روی کاهش انتشار عظیم کربن ایجاد شده توسط عملیات ساخت سیمان هستند. سازمانSublime System  یکی از آنهاست که در فرآیند خود برای کاهش 90 درصدی انتشار گازهای گلخانه ای، از الکتریسیته استفاده می کند. این سازمان همچنین گواهینامه های لازم را دریافت کرده است تا از سیمان خود در ساخت بتن بدون استفاده از سیمان پرتلند معمولی استفاده کند. هرچند که محققان دانشگاه میشیگان می گویند که گرمای فرآیند مورد نیاز برای تولید سیمان پرتلند معمولی را می توان تنها با سوزاندن سوخت های فسیلی به دست آورد، ولی در این بخش نیز با وجود شرکت هایی مانند Rondo Energy که در فرآیند گرمای کم کربن پیشرفت هایی داشته اند، تغییراتی رخ داده است. نکته دیگر این است که کاهش انتشار دی‌اکسید کربن  بخشی از یک مدل اقتصادی است که می تواند به سرعت چشم بر هم زدنی، ناپدید شود.

مطالب بیان شده روایتی است از آنچه که در آزمایشگاه جواب داده و می‌تواند به جای کاهش‌های ناپایدار وعده داده شده توسط طرح‌های جذب کربن، به کاهش انتشار کربن به روشی معنی‌دار کمک کند. این فرآیند جدید پتانسیل اجرایی شدن را دارد و اکنون آزمون اصلی این خواهد بود که آیا می تواند به یک موفقیت تجاری تبدیل شود یا خیر؟ این روش اگر همانطور که وعده داده شده عمل کند، مسیر جهانی احتمالاً به سمت و سوی دانشگاه میشیگان خواهد رفت.

افراد دارای مهارت در این زمینه

در صورتی که در این زمینه تخصص یا مهارتی دارید، پس از ثبت نام در سایت و تکمیل فرم مشخصات شخصی ، پروفایل خود را به لیست زیر اضافه نمایید .