Цемент на основе магния, произведенный с использованием морской воды, может поглощать углерод, а не выделять его, как обычный цемент. Хотя его свойства делают его непригодным для армированного бетона, «углеродоотрицательный» цемент можно использовать в неармированных материалах, включая бетонные блоки, которые составляют около 15% всех применений бетона.
Ежегодно производятся миллиарды тонн цемента, что составляет около 8% глобальных выбросов углекислого газа из-за процесса нагревания углеродсодержащего известняка с ископаемым топливом для производства оксида кальция. Опасения по поводу экологии означают, что усилия по поиску более устойчивых альтернатив являются безотлагательными.
Реактивные цементы на основе оксида магния являются одной из таких альтернатив с низким содержанием углерода, которые изучались в последние годы потому, что они затвердевают поглощая углекислый газ. Однако такие цементы обычно получают из углеродсодержащего минерального магнезита, который не является широко доступным и выделяет углекислый газ в процессе обжига.
Поэтому лаборатории Шихо Кавасима и Даниэля Эспозито в Колумбийском университете в Нью-Йорке объединили свой опыт в области обработки цемента и электрохимии для разработки магниевого цемента, в котором вместо оксида магния используется гидроксид магния, полученный из морской воды. Это позволяет избежать стадии прокаливания с выделением углерода. В результате это потенциально может удалить больше углерода, чем он высвобождает во время производства.
Процесс основан на безмембранных электролизерах, разработанных в лаборатории Эспозито, которые производят кислотный и щелочной поток, когда через них проходит морская вода. Это позволяет точно контролировать PH, что позволяет гидроксиду магния выпадать в осадок. Команда показала, как это можно использовать для производства цемента, который в процессе отверждения поглощает углекислый газ, образуя твердые карбонаты, которые со временем набирают прочность.
«Морская вода является безуглеродным сырьем, и в сочетании с отверждением карбонизацией позволяет достичь отрицательного содержания углерода, если электрохимический процесс сбора энергии осуществляется за счет возобновляемых источников энергии, а углекислый газ поступает из атмосферы путем прямого улавливания воздуха или из океана через технологии прямого захвата», — объясняет Кавасима.
Однако у химика-материаловеда Карен Скривенер из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне есть оговорки. «Концентрация магния в морской воде очень низкая, около 1300 частей на миллион, поэтому вам придется перерабатывать огромные объемы морской воды, стоимость переработки на порядки превышает текущие затраты», — говорит она. «Кроме того, эти потенциальные материалы имеют совершенно иной химический состав, чем портландцемент, поэтому в лучшем случае потребуется несколько десятилетий, чтобы получить отраслевые стандарты, даже если вы сможете решить другие проблемы».
Кавасима признает, что технология сталкивается с проблемами, но сохраняет оптимизм. «Сегодня уже работают промышленные опреснительные установки, электрохимические реакторы и заводы по производству пенобетона», — говорит она. «Для производства магниевых цементов из морской воды на основе нашей технологии потребуются установки аналогичного размера».
«Я считаю неизбежным, что следующее поколение цементов представляло собой разнообразный набор материалов, каждый из которых производился в меньших объемах и использовался по своему назначению, а не нынешняя ситуация, когда портландцемент по сути, рассматривается как универсальный материал», — добавляет Провис.