水泥,是全球范圍內被大規模使用的建筑材料,還是溫室氣體排放的主要來源,約占全球二氧化碳(CO2)總排放量的 8%。如果把水泥行業視為一個“國家”的話,它將成為世界第三大碳排放量國,僅次于中國和美國。近日,麻省理工學院的科學家們提出了一種新的水泥制造方法,該方法基本上可以完全消除水泥制備過程中產生的溫室氣體排放物,甚至還可以順帶制造出一些其他有用的“副產品”。麻省理工學院的材料科學與工程學院教授 Yet-Ming Chiang 與博士后 Leah Ellis、研究生 Andres Badel 等人共同完成了這項研究,該成果發表在最近的 PNAS 期刊上。


MIT提出新的水泥綠色制造工藝 可消除溫室氣體排放

圖 | 低排放電化學制備水泥方案——為了演示新工藝中使用的基本化學反應,電解在中性水中進行;染料顯示了在正極和負極如何產生酸(粉紅色)和堿(紫色);使用此方法將碳酸鈣 CaCO3 轉換為氫氧化鈣 Ca(OH)2 ,然后將其用于制備水泥,過程中不會產生任何溫室氣體(來源:MIT,Felice Frankel)


目前,世界上許多國家都對主要溫室氣體——二氧化碳的排放量提出了削減的目標,力求能在未來防止全球性溫室效應。聯合國秘書處在 9 月 22 日發布公報表示,已通過一項新的十年期的氣候行動計劃,希望在 2030 年前將與秘書處相關的溫室氣體排放量減少 45 %。


作為溫室氣體的排放大戶——水泥的生產也備受關注,包括國際能源署(IEA)、英國皇家國際事務研究所(Chatham House)等研究機構,以及代表全球最大城市的 C40 政策的制定者們,所有這些組織都在積極地尋找可以推動變革的“杠桿”。國際能源署預測,到 2050 年,水泥產量將增長 12%——23%,需要通過一系列行動來削減排放。


生產一噸水泥,約排放一噸二氧化碳


人類有記錄的,最早使用水泥的時間大約在八千年以前,生活在近東地區(現在的敘利亞和約旦,以及周邊地區)的古代居民們用它來制作地板、樓房和地下儲水室等。而在兩千多年前,古羅馬人發現把石灰、火山灰、水和石塊摻在一起攪拌,可以凝固成一種硬質材料,用它建造的海港、紀念碑等各種建筑既堅固又壽命長久。


但那時水泥還尚未出名,直到 19 世紀 20 年代,一名叫作 Joseph Aspdin 的英國石匠將研磨過的石灰巖與粘土混合在一起,隨后加熱并混入水,發現這種混合物最終板結硬化,看上去和英國波特蘭島上生產的建筑石料十分相似。隨后,他便將這種混合物材料命名為“波特蘭水泥”(在國內通常稱為硅酸鹽水泥),并申請了專利。


從此,這種水泥的應用范圍越來越廣泛,幾乎成了現代水泥的代名詞。


而制造水泥的關鍵原材料是石灰巖和鋁硅酸鹽粘土,它們分別含有不同的化學成分和雜質。在將其加熱煅燒的過程中,粘土中的化學物質會形成硅、鐵和鋁的氧化物;而石灰巖中含有貝殼類海洋生物留下的碳酸鈣,高溫會將其以二氧化碳的形式驅趕出去,留下鈣氧化物。這部分被“驅逐”的二氧化碳與高溫煅燒時燃料所排放的二氧化碳一起,成為了水泥制造過程中大量碳排放的來源。


MIT提出新的水泥綠色制造工藝 可消除溫室氣體排放

圖 | 水泥的生產過程(來源:Pixabay)


“如今每生產一千克水泥,就將會釋放出約一千克的二氧化碳。并且,每年生產的水泥和二氧化碳排放量總計已達 3——4 千兆噸(數十億噸),這個數量在未來還會有所增長。” Yet-Ming Chiang 說,“到 2060 年,全球的建筑物數量預計將增加一倍,這相當于每 30 天建造出一個新的紐約市。”


同時,由于水泥的原材料——石灰巖和粘土等極易開采,所以水泥的造價相當低廉;同時,其制作過程簡單、周期短,對生產環境幾乎沒有任何要求;再加上水泥成型快,并且堅固耐用。那么,如何去找到一種方法讓它減少碳排放量的同時,又不會讓成本變得太“昂貴”,這是一個極大的挑戰。


“水泥目前實在是太便宜了,一公斤只需要 13 美分(不足 10 元人民幣),一瓶水在美國都比它貴。” Yet-Ming Chiang 表示。


富有創造力的解決辦法


面對如此大的挑戰,Chiang 和他的團隊在過去的一年里十分努力地尋找解決方法,并提出了使用電化學方法來代替目前制備過程中的依靠化石燃料加熱的想法。


波特蘭水泥是目前使用最為廣泛的品種,它是將石灰巖磨碎,然后在高溫下與沙子和粘土一起混合而成,而加熱是需要燃燒煤炭的。該過程以兩種不同的方式產生二氧化碳——煤炭燃燒,以及加熱過程中石灰巖釋放出的。Chiang 表示,這兩個因素各自對總排放量的貢獻大致相等。


而對于 Chiang 和他的研究團隊設計出的新工藝,他有信心地表示其將完全消除或者大幅度減少這兩種二氧化碳的來源。盡管目前他們已經在實驗室中演示出了基本的電化學制備過程,但從產業化角度來說,該過程仍需要更多的工作才能擴大至工業規模。


首先,新方法使用由清潔、可再生資源產生的電能來取代加熱過程中使用的化石燃料。Chiang 說:“在許多地區,可再生電力是當下發電成本最低的,而且成本仍在持續下降中。”此外,新工藝所生產的水泥品種仍然是最常見的波特蘭水泥。


MIT提出新的水泥綠色制造工藝 可消除溫室氣體排放

圖 | 低排放電化學制備的水泥廠方案:由可再生電力驅動的電化學脫碳反應器將 CaCO3 轉化為 Ca(OH)2 ,用于水泥的合成(來源:Yet-Ming Chiang,MIT)


因為 MIT 的研究團隊已經意識到,鑒于目前這種水泥材料在世界范圍內的廣泛使用程度,以及建筑者們并沒有主動嘗試新方法的意愿,試圖直接去研究一種新型的環保水泥會是一項過于艱巨的任務。實際上,目前已有許多的研究團隊以不同的方式對環保水泥進行了研究,但相對于未經測試的新材料,以及新材料所帶來的更高的生產成本,建筑商們依然對波特蘭水泥情有獨鐘。


新工藝以使用電解器為技術核心,這是人們在中學化學課上就學到過的知識。在使用過程中,電池將一個小水池中的兩個電極連接在一起,從一個電極產生氧氣(O2)氣泡, 當電流將水分子分解成它們的組成原子時,氫原子彼此之間形成氫氣(H2)。重要的是,電解槽的放氧電極產生酸,而放氫的電極產生堿。


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圖 | 基于電解池的脫碳示意圖:反應 1 和 2 分別是在接近中性 pH 值的環境下析氧和析氫半電池反應;反應 3 是由其組成離子形成水;反應 4 和 5 代表碳酸鈣的分解和 CO2 的釋放(來源:Yet-Ming Chiang,MIT)


在新工藝中,粉末狀的石灰巖—— CaCO3 溶解在產生酸的電極附近,并釋放出高純度的二氧化碳;而氫氧化鈣( Ca(OH)2,通常稱為石灰)在另一個電極附近以固體形式析出。然后,研究人員可以在另一個步驟中處理氫氧化鈣以便生產水泥,這種水泥的主要成分是硅酸鈣。


創新工藝的附加值


在 Yet-Ming Chiang 研究團隊新設計的方法中,可以將電解之后產生的純凈、濃縮的二氧化碳很輕松地分離開,之后還能利用它來生產增值產品。例如,在液體燃料中代替汽油,或用于采油等工作,甚至還可以用于碳酸飲料和干冰。


Chiang 說:“在實驗室的結果表明,整個制備過程中都沒有任何二氧化碳被釋放到環境中。相比之下,常規水泥廠排放的二氧化碳會受到氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳等其他材料的高度污染,使其難以被‘干凈地分離’而進行二次使用。”


同時,研究人員通過計算,發現了在此過程中釋放出的氫和氧還可以在燃料電池中重新利用,或者用來燃燒以產生足夠的能量來為水泥整個生產過程的其余環節提供燃料。論文的主要作者、MIT 博士后 Ellis 表示:“除了水蒸氣之外,其余什么都不會產生。”


MIT提出新的水泥綠色制造工藝 可消除溫室氣體排放

圖 | ?麻省理工學院的材料科學與工程學院教授 Yet-Ming Chiang(來源:MIT 官網)


在 Chiang 研究團隊的實驗室演示中,他們執行了反應所需的關鍵電化學步驟,即從碳酸鈣中生產石灰。不過目前來看,制備的規模還有限,全部過程看起來有點像搖動雪花球,因為隨著石灰從溶液中沉淀出,它會在玻璃容器內產生大量的白色懸浮顆粒。


雖然這項技術簡單易行,也不會提高很多成本,并且從原則上可以很容易地擴大生產規模。但問題是,現如今,傳統的水泥廠每年可生產約 700,000 噸的波特蘭水泥,其生產制備的流水線已然是一個成熟并且規模化的“龐然大物”。怎樣能撬動生產慣性已經如此牢固的傳統制備市場?這是一個很嚴峻的問題。


針對這個問題,Leah Ellis 表示:目前的一種辦法是嘗試單次只替換生產過程中的一部分,而不考慮一次性替換掉整個生產系統。然后,在慢慢地逐步將新工藝添加到其他生產環節。


同時,研究團隊對提出的新工藝系統也表態說,“這并不一定是解決問題的最佳辦法”。Yet-Ming Chiang 對此的態度是,希望通過他們的研究讓電化學領域中的人開始對此進行更多的思考,并嘗試提出新的想法。“我們的研究是重要的第一步,但目前的結果還并不是一個完美的解決方案。” Chiang 如是說。


參考:


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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