Американцы предложили производить цемент с помощью электричества

Американские ученые разработали технологию электрохимического разложения карбоната кальция. Образовав плавное изменение показателя кислотности в растворе, авторы декарбонизировали известь и осадили в виде гидроксида, который затем разложили и ввели в реакцию с оксидом кремния для образования алита — важнейшего компонента цемента. По словам авторов исследования, опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences, образующиеся в предложенном процессе водород и кислород могут использоваться далее в производстве, например, в качестве источника электроэнергии, а углекислый газ можно легко утилизировать.

Около восьми процентов выбрасываемого углекислого газа попадает в атмосферу в результате разложения карбоната кальция в производстве цемента. Спрос на этот материал растет с ростом темпов урбанизации. А, учитывая то, что на один килограмм произведенного цемента выбрасывается килограмм углекислого газа, существует угроза того, что скоро в год в атмосферу будут попадать дополнительные гигатонны газа, вызывающего парниковый эффект. Сейчас эту проблему пытаются решить очисткой газовых отходов, использованием альтернативного топлива и материалов или обогащением цемента углекислым газом.

Лия Эллис (Leah Ellis) с коллегами из Массачусетского технологического института предложили пойти другим путем. Они поместили в электрохимическую ячейку карбонат кальция, образовали градиент (плавное изменение) рН раствора в этой ячейке, благодаря чему гидроксид кальция осаждался в противоположной части от места ввода карбоната. Затем гидроксид отделили и разложили, а образующийся оксид кальция прореагировал с оксидом кремния с образованием силиката кальция — важнейшего компонента, который составляет от 50 до 70 процентов массы портландцемента.

Перед тем как ввести известь, авторы электрохимически создали градиент кислотности раствора в ячейке, который они смогли увидеть, поместив кислотно-основный индикатор, изменяющий цвет в зависимости от рН среды.

Когда твердый карбонат кальция помещали в кислый раствор, он диссоциировал на ионы, и катион кальция начал движение в сторону анода и повышения основности раствора. Прореагировав с гидроксид-ионами, он выпал в виде осадка гидроксида кальция.

Анализ полученного порошка методом рентгеновской дифракции показал, что выпавший осадок оказался загрязнен карбонатом кальция (шесть процентов по массе). Авторы предполагают, что загрязнение могло произойти при контакте с воздухом, когда порошок готовили к анализу, уже после эксперимента, или в случае, если в растворе карбонат-ион взаимодействовал с кальцием и снова образовывал карбонат кальция.

Исследователи сравнили эффективность проведения реакции оксида кремния с карбонатом и с гидроксидом кальция, полученным электрохимическим методом. Оказалось, что реакция с гидроксидом прошла полностью, а шесть процентов карбоната так и не прореагировало.

Авторы продемонстрировали технологию в лабораторных масштабах, но также предложили несколько вариантов применения подобного реактора на цементных фабриках с низким или даже нулевым выбросом углекислого газа. Прямой захват и вывод углекислого газа из ячейки, использование электроэнергии из выделяющихся в процессе электролиза водорода или кислорода и производство жидкого топлива позволят уменьшить расходы на производство цемента таким методом.

Проверить насколько вы понимаете, чем грозит повышение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, и узнать больше о парниковом эффекте можно пройдя наш тест «Максимальная концентрация».

Алина Кротова