محققان دانشگاه کمبریج روشی را برای تولید بتن با انتشار بسیار کم تر کربن در مقیاس مشابه، توسعه داده اند. نوآوری که می تواند در مسیر حرکت به سوی انتشار صفر خالص کربن، تحول آفرین باشد.

این روش که به گفته محققان "یک معجزۀ مطلق" است، از کوره های قوس الکتریکی مورد استفاده برای بازیافت فولاد برای بازیافت همزمان سیمان، که جزء تشنۀ کربنِ بتن است ، استفاده می کند.

بتن پس از آب، دومین ماده پرمصرف روی کره زمین است و مسئول تقریباً 7.5 درصد از کل انتشار انسانی کربن دی اکسید است. یافتن روشی مقرون‌به‌صرفه و مقیاس‌پذیر برای کاهش انتشار کربن توسط بتن که بتواند تقاضای جهانی را برآورده می‌کند، یکی از بزرگترین چالش‌های کربن‌زدایی در جهان است.

محققان دانشگاه کمبریج دریافتند که "سیمانِ استفاده شده" جایگزین موثری برای "گداز جوش کردن آهک" است که در بازیافت فولاد برای حذف ناخالصی ها استفاده می شود و معمولاً به عنوان یک محصول زائد که به آن سرباره می گویند، تبدیل می شود. اما با جایگزین کردن سیمانِ استفاده شده به جای آهک ، محصول نهایی سیمان بازیافتی است که می توان از آن برای ساخت بتن جدید استفاده کرد.

این روش بازیافت سیمان که توسط محققان دانشگاه کمبریج ابداع و روی آن کار شده است، در مجله Nature منتشر شده و هیچ هزینه قابل توجهی به تولید بتن یا فولاد اضافه نمی کند و به دلیل کاهش نیاز به گداز جوش کردن آهک، انتشار گازهای گلخانه ای حاصل از تولید بتن و فولاد را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

آزمایش‌های اخیر انجام‌شده توسط مؤسسه فرآوری مواد، به عنوان شریک این پروژه، نشان داد که سیمان بازیافتی را می‌توان در مقیاس بزرگ در کوره قوس الکتریکی تولید کرد که این امر اولین باری است که محقق می‌شود. در نهایت، اگر کوره قوس الکتریکی از انرژی های تجدید پذیر تامین شود، این روش می تواند سیمان را با انتشار صفر خالص کربن تولید کند.

پروفسور جولیان آلوود از دپارتمان مهندسی کمبریج که مدیریت این تحقیق را بر عهده داشت، می گوید: «ما یک سری کارگاه آموزشی با اعضای صنعت ساخت و ساز، در مورد چگونگی کاهش انتشار گازهای گلخانه ای حاصل از این بخش برگزار کردیم. ایده‌های بسیار خوبی از آن بحث‌ها بیرون آمد، اما چیزی که آنها نمی‌توانستند یا نمی‌خواستند در نظر بگیرند، دنیای بدون سیمان بود.

بتن از ماسه، شن، آب و سیمان ساخته می‌شود که به عنوان جز چسبنده عمل می‌کند. اگرچه سیمان سهم کمی در ترکیب بتن دارد، اما تقریباً مسئول 90 درصد از انتشار کربن بتن است. سیمان از طریق فرآیندی به نام کلینکِرینگ ساخته می شود که در آن سنگ آهک و سایر مواد خام خرد شده و در کوره های بزرگ تا دمای 1450 درجه سانتی گراد حرارت داده می شوند. این فرآیند مواد را به سیمان تبدیل می‌کند، اما مقادیر زیادی کربن دی اکسید را به ‌عنوان دکربنات‌های سنگ آهک از آهک آزاد می‌کند.

در طول دهه گذشته، دانشمندان در حال بررسی جایگزین‌های سیمان بوده‌اند و دریافته‌اند که تقریباً نیمی از سیمان موجود در بتن را می‌توان با مواد جایگزینی مانند خاکستر بادی جایگزین کرد، اما این جایگزین‌ها باید توسط سیمان باقی‌مانده به منظور سفت شدن، از نظر شیمیایی فعال شوند. 

پروفسور آلوود می‌گوید: «در این مورد، مشکل حجم مطرح است. ما از نظر فیزیکی به اندازه کافی از این دست جایگزین‌ها نداریم تا بتوانیم با تقاضای جهانی سیمان که تقریباً چهار میلیارد تن در سال است، همگام شویم. ما قبلاً جایگزینی در دسترس را شناسایی کرده‌ایم که به ما کمک می‌کند با اختلاط و ترکیب دقیق، سیمان کمتری مصرف کنیم، اما برای اینکه به صفر برسیم، باید خارج از این محدوده فکر کنیم.»

دکتر سیریل دونانت، نویسنده اول این مقالهو عضو دپارتمان مهندسی دانشگاه کمبریج، می‌گوید: «من تصور مبهمی از مراحل کار داشتم. فراهم شدن امکان خرد کردن بتن کهنه ، خارج کردن ماسه و سنگ ، گرم کردن سیمان که باعث حذف آب می شود و سپس دوباره فرآیند تولید سیمان (کلینکرینگ). حمامی از فلز مایع به این واکنش شیمیایی کمک می کند ، و یک کوره قوس الکتریکی ، که برای بازیافت فولاد استفاده می شود، یک گزینه بالقوه به نظر می رسد. ما باید این روش را امتحان می کردیم.»

فرآیند کلینکرینگ (فرآیند تولید سیمان) به گرما و ترکیب مناسب اکسیدهایی نیاز دارد که همگی در سیمان مصرف شده وجود دارند، اما باید دوباره فعال شوند. محققان طیف وسیعی از سرباره‌ها را که از زباله‌های تخریب به دست آمده بودند و به آنها آهک، آلومینا و سیلیس اضافه شده بود را آزمایش کردند. سرباره ها در کوره قوس الکتریکیمؤسسه پردازش مواد با فولاد مذاب، فرآوری شده و به سرعت سرد شدند.

دکتر دونانت می گوید: "ما متوجه شدیم که ترکیب کلینکر سیمان و اکسید آهن که یک سرباره فولادسازی است، ترکیبی فوق العاده است زیرا کف می کند و به خوبی روان می شود و اگر موازنه را درست به دست آورید و سرباره را به سرعت به اندازه کافی خنک کنید، در نهایت با سیمان مجدد فعال شده مواجه می شوید، بدون اینکه هزینه ای به فرآیند تولید فولاد اضافه کنید.

سیمان تولید شده از طریق این فرآیند، بازیافت حاوی سطوح بالاتر اکسید آهن نسبت به سیمان معمولی است، اما محققان می گویند که این موضوع تاثیر کمی بر عملکرد آن دارد.

تولید الکتریکیِ سیمانِ دانشگاه کمبریج به سرعت در حال افزایش است و محققان می گویند که تا سال 2050 می توانند یک میلیارد تن در سال تولید کنند که این میزان تقریباً یک چهارم تولید سالانه سیمان فعلی را نشان می دهد.

پروفسور آلوود می گوید: «درست است که تولید سیمان بدون انتشار کربن یک معجزه مطلق است، ولی ما باز هم باید میزان مصرف سیمان و بتن خود را کاهش دهیم. بتن ارزان و مستحکم است و تقریباً در همه جا قابل ساخت است، اما میزان استفاده ما از آن بسیار زیاد است.

ما امیدواریم که روش تولید الکتریکیِ سیمانِ دانشگاه کمبریج، علاوه بر موفقیت در صنعت ساخت‌وساز، نشانه ای برای کمک به دولت باشد تا بداند فرصت‌های نوآوری در مسیر حرکت ما به سمت صفر شدن آلاینده‌ها، بسیار فراتر از بخش انرژی است.»

محققان برای حمایت از تجاری سازی این فرآیند، حق ثبت اختراع را ثبت کرده اند.

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 .