水泥,是全球范围内被大规模使用的建筑材料,还是温室气体排放的主要来源,约占全球二氧化碳(CO2)总排放量的 8%。如果把水泥行业视为一个“国家”的话,它将成为世界第三大碳排放量国,仅次于中国和美国。近日,麻省理工学院的科学家们提出了一种新的水泥制造方法,该方法基本上可以完全消除水泥制备过程中产生的温室气体排放物,甚至还可以顺带制造出一些其他有用的“副产品”。麻省理工学院的材料科学与工程学院教授 Yet-Ming Chiang 与博士后 Leah Ellis、研究生 Andres Badel 等人共同完成了这项研究,该成果发表在最近的 PNAS 期刊上。


MIT提出新的水泥绿色制造工艺 可消除温室气体排放

图 | 低排放电化学制备水泥方案——为了演示新工艺中使用的基本化学反应,电解在中性水中进行;染料显示了在正极和负极如何产生酸(粉红色)和碱(紫色);使用此方法将碳酸钙 CaCO3 转换为氢氧化钙 Ca(OH)2 ,然后将其用于制备水泥,过程中不会产生任何温室气体(来源:MIT,Felice Frankel)


目前,世界上许多国家都对主要温室气体——二氧化碳的排放量提出了削减的目标,力求能在未来防止全球性温室效应。联合国秘书处在 9 月 22 日发布公报表示,已通过一项新的十年期的气候行动计划,希望在 2030 年前将与秘书处相关的温室气体排放量减少 45 %。


作为温室气体的排放大户——水泥的生产也备受关注,包括国际能源署(IEA)、英国皇家国际事务研究所(Chatham House)等研究机构,以及代表全球最大城市的 C40 政策的制定者们,所有这些组织都在积极地寻找可以推动变革的“杠杆”。国际能源署预测,到 2050 年,水泥产量将增长 12%——23%,需要通过一系列行动来削减排放。


生产一吨水泥,约排放一吨二氧化碳


人类有记录的,最早使用水泥的时间大约在八千年以前,生活在近东地区(现在的叙利亚和约旦,以及周边地区)的古代居民们用它来制作地板、楼房和地下储水室等。而在两千多年前,古罗马人发现把石灰、火山灰、水和石块掺在一起搅拌,可以凝固成一种硬质材料,用它建造的海港、纪念碑等各种建筑既坚固又寿命长久。


但那时水泥还尚未出名,直到 19 世纪 20 年代,一名叫作 Joseph Aspdin 的英国石匠将研磨过的石灰岩与粘土混合在一起,随后加热并混入水,发现这种混合物最终板结硬化,看上去和英国波特兰岛上生产的建筑石料十分相似。随后,他便将这种混合物材料命名为“波特兰水泥”(在国内通常称为硅酸盐水泥),并申请了专利。


从此,这种水泥的应用范围越来越广泛,几乎成了现代水泥的代名词。


而制造水泥的关键原材料是石灰岩和铝硅酸盐粘土,它们分别含有不同的化学成分和杂质。在将其加热煅烧的过程中,粘土中的化学物质会形成硅、铁和铝的氧化物;而石灰岩中含有贝壳类海洋生物留下的碳酸钙,高温会将其以二氧化碳的形式驱赶出去,留下钙氧化物。这部分被“驱逐”的二氧化碳与高温煅烧时燃料所排放的二氧化碳一起,成为了水泥制造过程中大量碳排放的来源。


MIT提出新的水泥绿色制造工艺 可消除温室气体排放

图 | 水泥的生产过程(来源:Pixabay)


“如今每生产一千克水泥,就将会释放出约一千克的二氧化碳。并且,每年生产的水泥和二氧化碳排放量总计已达 3——4 千兆吨(数十亿吨),这个数量在未来还会有所增长。” Yet-Ming Chiang 说,“到 2060 年,全球的建筑物数量预计将增加一倍,这相当于每 30 天建造出一个新的纽约市。”


同时,由于水泥的原材料——石灰岩和粘土等极易开采,所以水泥的造价相当低廉;同时,其制作过程简单、周期短,对生产环境几乎没有任何要求;再加上水泥成型快,并且坚固耐用。那么,如何去找到一种方法让它减少碳排放量的同时,又不会让成本变得太“昂贵”,这是一个极大的挑战。


“水泥目前实在是太便宜了,一公斤只需要 13 美分(不足 10 元人民币),一瓶水在美国都比它贵。” Yet-Ming Chiang 表示。


富有创造力的解决办法


面对如此大的挑战,Chiang 和他的团队在过去的一年里十分努力地寻找解决方法,并提出了使用电化学方法来代替目前制备过程中的依靠化石燃料加热的想法。


波特兰水泥是目前使用最为广泛的品种,它是将石灰岩磨碎,然后在高温下与沙子和粘土一起混合而成,而加热是需要燃烧煤炭的。该过程以两种不同的方式产生二氧化碳——煤炭燃烧,以及加热过程中石灰岩释放出的。Chiang 表示,这两个因素各自对总排放量的贡献大致相等。


而对于 Chiang 和他的研究团队设计出的新工艺,他有信心地表示其将完全消除或者大幅度减少这两种二氧化碳的来源。尽管目前他们已经在实验室中演示出了基本的电化学制备过程,但从产业化角度来说,该过程仍需要更多的工作才能扩大至工业规模。


首先,新方法使用由清洁、可再生资源产生的电能来取代加热过程中使用的化石燃料。Chiang 说:“在许多地区,可再生电力是当下发电成本最低的,而且成本仍在持续下降中。”此外,新工艺所生产的水泥品种仍然是最常见的波特兰水泥。


MIT提出新的水泥绿色制造工艺 可消除温室气体排放

图 | 低排放电化学制备的水泥厂方案:由可再生电力驱动的电化学脱碳反应器将 CaCO3 转化为 Ca(OH)2 ,用于水泥的合成(来源:Yet-Ming Chiang,MIT)


因为 MIT 的研究团队已经意识到,鉴于目前这种水泥材料在世界范围内的广泛使用程度,以及建筑者们并没有主动尝试新方法的意愿,试图直接去研究一种新型的环保水泥会是一项过于艰巨的任务。实际上,目前已有许多的研究团队以不同的方式对环保水泥进行了研究,但相对于未经测试的新材料,以及新材料所带来的更高的生产成本,建筑商们依然对波特兰水泥情有独钟。


新工艺以使用电解器为技术核心,这是人们在中学化学课上就学到过的知识。在使用过程中,电池将一个小水池中的两个电极连接在一起,从一个电极产生氧气(O2)气泡, 当电流将水分子分解成它们的组成原子时,氢原子彼此之间形成氢气(H2)。重要的是,电解槽的放氧电极产生酸,而放氢的电极产生碱。


MIT提出新的水泥绿色制造工艺 可消除温室气体排放

图 | 基于电解池的脱碳示意图:反应 1 和 2 分别是在接近中性 pH 值的环境下析氧和析氢半电池反应;反应 3 是由其组成离子形成水;反应 4 和 5 代表碳酸钙的分解和 CO2 的释放(来源:Yet-Ming Chiang,MIT)


在新工艺中,粉末状的石灰岩—— CaCO3 溶解在产生酸的电极附近,并释放出高纯度的二氧化碳;而氢氧化钙( Ca(OH)2,通常称为石灰)在另一个电极附近以固体形式析出。然后,研究人员可以在另一个步骤中处理氢氧化钙以便生产水泥,这种水泥的主要成分是硅酸钙。


创新工艺的附加值


在 Yet-Ming Chiang 研究团队新设计的方法中,可以将电解之后产生的纯净、浓缩的二氧化碳很轻松地分离开,之后还能利用它来生产增值产品。例如,在液体燃料中代替汽油,或用于采油等工作,甚至还可以用于碳酸饮料和干冰。


Chiang 说:“在实验室的结果表明,整个制备过程中都没有任何二氧化碳被释放到环境中。相比之下,常规水泥厂排放的二氧化碳会受到氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳等其他材料的高度污染,使其难以被‘干净地分离’而进行二次使用。”


同时,研究人员通过计算,发现了在此过程中释放出的氢和氧还可以在燃料电池中重新利用,或者用来燃烧以产生足够的能量来为水泥整个生产过程的其余环节提供燃料。论文的主要作者、MIT 博士后 Ellis 表示:“除了水蒸气之外,其余什么都不会产生。”


MIT提出新的水泥绿色制造工艺 可消除温室气体排放

图 | ?麻省理工学院的材料科学与工程学院教授 Yet-Ming Chiang(来源:MIT 官网)


在 Chiang 研究团队的实验室演示中,他们执行了反应所需的关键电化学步骤,即从碳酸钙中生产石灰。不过目前来看,制备的规模还有限,全部过程看起来有点像摇动雪花球,因为随着石灰从溶液中沉淀出,它会在玻璃容器内产生大量的白色悬浮颗粒。


虽然这项技术简单易行,也不会提高很多成本,并且从原则上可以很容易地扩大生产规模。但问题是,现如今,传统的水泥厂每年可生产约 700,000 吨的波特兰水泥,其生产制备的流水线已然是一个成熟并且规模化的“庞然大物”。怎样能撬动生产惯性已经如此牢固的传统制备市场?这是一个很严峻的问题。


针对这个问题,Leah Ellis 表示:目前的一种办法是尝试单次只替换生产过程中的一部分,而不考虑一次性替换掉整个生产系统。然后,在慢慢地逐步将新工艺添加到其他生产环节。


同时,研究团队对提出的新工艺系统也表态说,“这并不一定是解决问题的最佳办法”。Yet-Ming Chiang 对此的态度是,希望通过他们的研究让电化学领域中的人开始对此进行更多的思考,并尝试提出新的想法。“我们的研究是重要的第一步,但目前的结果还并不是一个完美的解决方案。” Chiang 如是说。


参考:


http://news.mit.edu/2019/carbon-dioxide-emissions-free-cement-0916

https://www.pnas.org/content/early/2019/09/10/1821673116

https://dmse.mit.edu/people/yet-ming-chiang


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