Ny tilgang foreslår vej til emissionsfri cement

Det er velkendt, at produktionen af ​​cement - verdens førende byggemateriale - er en vigtig kilde til drivhusgasemissioner, tegner sig for omkring 8 procent af alle sådanne udgivelser. Hvis cementproduktionen var et land, det ville være verdens tredjestørste udsender.

Et team af forskere på MIT er kommet med en ny måde at fremstille det materiale, der helt kunne eliminere disse emissioner, og kunne endda lave nogle andre nyttige produkter i processen.

Resultaterne rapporteres i dag i tidsskriftet PNAS i et papir af Yet-Ming Chiang, Kyocera -professor i materialevidenskab og teknik ved MIT, med postdoc Leah Ellis, kandidatstuderende Andres Badel, og andre.

"Omkring 1 kilo kuldioxid frigives for hvert kilo cement, der fremstilles i dag, "Siger Chiang. Det tilføjer op til 3 til 4 gigaton (milliarder tons) cement, og af kuldioxidemissioner produceres årligt i dag, og det beløb forventes at vokse. Antallet af bygninger på verdensplan forventes at blive fordoblet i 2060, hvilket svarer til at "bygge en ny New York City hver 30. dag, "siger han. Og varen er nu meget billig at producere:Den koster kun cirka 13 øre pr. kilo, som han siger gør det billigere end flaskevand.

Så det er en reel udfordring at finde måder at reducere materialets kulstofemissioner på uden at gøre det for dyrt. Chiang og hans team har brugt det sidste år på at søge efter alternative tilgange, og ramte ideen om at bruge en elektrokemisk proces til at erstatte det nuværende fossil-brændstofafhængige system.

Almindelig Portland cement, den mest udbredte standardsort, fremstilles ved at male kalksten og derefter tilberede den med sand og ler ved høj varme, som produceres ved at brænde kul. Processen producerer kuldioxid på to forskellige måder:fra afbrænding af kul, og fra gasser frigivet fra kalkstenen under opvarmningen. Hver af disse producerer nogenlunde lige bidrag til de samlede emissioner. Den nye proces ville eliminere eller reducere begge kilder drastisk, Siger Chiang. Selvom de har demonstreret den grundlæggende elektrokemiske proces i laboratoriet, processen vil kræve mere arbejde for at skalere op til industriel skala.

Først og fremmest, den nye tilgang kunne eliminere brugen af ​​fossile brændstoffer til opvarmningsprocessen, udskiftning af elektricitet fra ren, vedvarende kilder. "I mange geografier er vedvarende elektricitet den billigste elektricitet, vi har i dag, og omkostningerne falder stadig, "Siger Chiang. Desuden er den nye proces producerer det samme cementprodukt. Teamet indså, at det ville være en op ad bakke at forsøge at opnå accept for en ny cementtype - noget, som mange forskningsgrupper har forfulgt på forskellige måder. i betragtning af hvor meget brugt materialet er rundt om i verden, og hvor modvillige bygherrer kan være at prøve nyt, relativt uprøvede materialer.

Den nye proces fokuserer på brugen af ​​en elektrolysator, noget, som mange mennesker er stødt på som en del af gymnasiets kemiklasser, hvor et batteri er tilsluttet to elektroder i et glas vand, producere iltbobler fra den ene elektrode og bobler af brint fra den anden, da elektriciteten deler vandmolekylerne i deres atomer. Vigtigere, elektrolysatorens iltudviklende elektrode producerer syre, mens den hydrogenudviklende elektrode producerer en base.

I den nye proces, den pulveriserede kalksten opløses i syren ved en elektrode, og kuldioxid med høj renhed frigives, mens calciumhydroxid, almindeligvis kendt som kalk, udfældes som et fast stof ved den anden. Calciumhydroxidet kan derefter behandles i et andet trin for at producere cementen, som for det meste er calciumsilikat.

Kuldioxid, i form af en ren, koncentreret strøm, kan derefter let udskilles, udnyttet til at producere værditilvækstprodukter såsom flydende brændstof til udskiftning af benzin, eller bruges til applikationer såsom olieindvinding eller endda i kulsyreholdige drikkevarer og tøris. Resultatet er, at der ikke frigives kuldioxid til miljøet fra hele processen, Siger Chiang. Derimod, kuldioxiden fra konventionelle cementfabrikker er stærkt forurenet med nitrogenoxider, svovloxider, kulilte og andet materiale, der gør det upraktisk at "skrubbe" for at gøre kuldioxiden brugbar.

Beregninger viser, at hydrogen og ilt, der også udsendes i processen, kan rekombineres, for eksempel i en brændselscelle, eller brændt til at producere nok energi til at brænde hele resten af ​​processen, Ellis siger, producerer kun vanddamp.

I deres laboratoriedemonstration, teamet udførte de nødvendige elektrokemiske trin, producerer kalk fra calciumcarbonatet, men i lille skala. Processen ligner lidt at ryste en snekugle, da det frembringer en byge af suspenderede hvide partikler inde i glasbeholderen, når kalken udfældes ud af opløsningen.

Selvom teknologien er enkel og kunne, i princippet, let skaleres op, et typisk cementværk producerer i dag omkring 700, 000 tons af materialet om året. "Hvordan trænger du ind i en sådan branche og får en fod i døren?" spørger Ellis, papirets hovedforfatter. En tilgang, hun siger, er at forsøge at erstatte kun en del af processen ad gangen, frem for hele systemet på én gang, og "på en trinvis måde" gradvist tilføje andre dele.

Det oprindelige foreslåede system, teamet kom med, er "ikke fordi vi nødvendigvis tror, ​​at vi har den nøjagtige strategi" for den bedst mulige tilgang, Chiang siger, "men for at få folk i den elektrokemiske sektor til at begynde at tænke mere over dette, "og kom med nye ideer." Det er et vigtigt første skridt, men endnu ikke en fuldt udviklet løsning. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.