工程师开发出可扩展的水泥生产脱碳工艺

加州大学洛杉矶分校碳管理研究所的研究人员开发出了一种方法，可以消除水泥生产过程中排放的几乎所有二氧化碳，这部分二氧化碳约占全球大气二氧化碳排放量的 8 %。

在ACS可持续化学与工程杂志上发表的一项新研究中，研究人员描述了如何将新方法轻松地融入现有的水泥生产过程中，为现有的行业脱碳解决方案提供更经济实惠的替代方案。

水泥和混凝土：巨大的碳足迹

普通波特兰水泥是最常见的水泥类型，是几乎所有现代混凝土的粘合剂，也是世界上继水之后使用最多的材料。这种水泥使用石灰石制成，石灰石是一种丰富且经济高效的天然石灰来源。

然而，传统的水泥生产方法是将石灰石放入以化石燃料为动力的窑炉中加热以破坏其化学键，这会留下巨大的碳足迹，导致每生产一公斤水泥就会排放近1公斤二氧化碳。

石灰石热化学分解生成石灰或氧化钙(水泥生产的主要前体)，约占所释放二氧化碳的 60% ，而燃烧化石燃料来加热发生化学反应的窑炉，则占剩余的 40%。

这个过程也会消耗大量的能源。生产一公吨石灰(约 2,200 磅)需要大约 1.4 兆瓦时的电力，足以为一个半美国家庭提供一个月的电力。

“ZeroCAL”解决方案：消除二氧化碳排放

与石灰石不同，氢氧化钙(用于生产石灰和水泥的零碳前体)在窑中加热生产石灰时只会排放水。受此启发，加州大学洛杉矶分校萨缪尔利工程学院的团队由碳管理研究所(ICM)主任、土木与环境工程教授 Gaurav Sant 领导，开发了一种生产氢氧化钙的新方法。

研究人员使用石灰石作为原料，首先将石灰石溶解在含有一种常见的工业酸(乙二胺四乙酸)的水溶液中。然后，他们通过膜纳滤分离出来自石灰石的钙，然后使用电化学工艺生产氢氧化钙。

研究人员将他们的方法命名为“ZeroCAL”，代表零碳石灰，他们表示，这种方法可以消除与石灰热化学生产过程相关的 98% 的二氧化碳排放。ZeroCAL 的副产品包括常用的盐酸和小苏打，以及氧气和氢气，后者可以用作清洁燃烧燃料来加热水泥窑。

“ZeroCAL 方法提供了一种优雅的解决方案，可以消除水泥生产过程中产生的二氧化碳排放，”该研究的通讯作者、加州大学洛杉矶分校萨缪里分校普利兹克可持续发展学教授桑特说。

“首先，它解决了石灰石分解产生的碳排放问题，同时提供了清洁的氢气和氧气来加热水泥窑。其次，它能够实现现场脱碳，同时利用现有的水泥窑和石灰石原料，而无需建造单独的碳捕获和储存设施。”

虽然该工艺目前比现有的石灰生产方法需要更多的能源，但正在进行的研究表明，ZeroCAL 可以通过简化和消除单元操作以及更好地利用电解产生的酸和碱副产品来实现能源使用平价。

为了满足 ZeroCAL 的用水需求，该团队建议重点关注沿海或河流附近的水泥厂，或有水源供应的设施。研究人员表示，他们正在与印度最大的水泥制造商 Ultratech Cement Limited(世界第二大水泥市场)合作，建造一座独一无二的示范工厂，该工厂将使用 ZeroCAL 工艺每天生产一公吨石灰。

加州大学洛杉矶分校萨缪尔利分校土木与环境工程助理教授、该研究报告的共同作者法比安·罗斯纳 (Fabian Rosner) 表示： “显而易见，缓解气候变化需要在许多领域采取紧急、范式转变的行动来实现我们社会的脱碳。”

“我们相信 ZeroCAL 工艺提供了一种独特的途径，可以以我们以前从未考虑过的方式实现水泥生产的可行且快速可扩展的脱碳。”

研究人员表示， ZeroCAL 解决方案还可以利用低碳石灰作为制造过程中的钙源，为钢铁生产脱碳开辟新途径。

除了桑特之外，这项研究的 ICM 作者还包括第一作者阿德里亚诺莱昂 (Adriano Leão) 和 ICM 副主任、加州大学洛杉矶分校萨缪里分校土木与环境工程教授戴维贾斯比 (David Jassby) 以及加州大学洛杉矶分校萨缪里分校化学与生物分子工程副教授但丁西蒙内蒂 (Dante Simonetti)。