麻省理工学院的研究人员找到一种方法，可消除水泥生产过程中的碳排放——水泥生产是全球温室气体的主要来源之一。
众所周知，水泥是全球领先的建筑材料，其生产是温室气体排放的主要来源，约占所有此类排放的8%。如果将水泥生产视为一个国家，它将是全球第三大排放国。
麻省理工学院的一个研究团队提出了一种生产这种材料的新方法，该方法不仅可以彻底消除这些排放，还可能在此过程中产出一些其他有用的产品。
相关研究成果今日发表在期刊PNAS上的一篇论文中，作者包括麻省理工学院材料科学与工程系Kyocera讲席教授Yet-Ming Chiang，以及博士后研究员Leah Ellis、研究生Andres Badel等人。
Chiang表示：“目前每生产1千克水泥，就会释放约1千克二氧化碳。”这意味着，目前每年生产的水泥及产生的二氧化碳排放量高达30亿至40亿吨（即数十亿吨），而且这一数量预计还将增长。他表示，到2060年，全球建筑数量预计将翻一番，相当于“每30天建成一座新的纽约市”。而且，这种材料的生产成本如今已非常低廉：每千克仅约13美分，他称其比瓶装水还便宜。
因此，如何在不大幅提高成本的前提下减少这种材料的碳排放，是一项真正的挑战。Chiang及其团队在过去一年中一直在探索替代方案，并想到了利用电化学工艺取代当前依赖化石燃料的生产体系的思路。
普通硅酸盐水泥是应用最广泛的标准水泥品种，其生产方式是将石灰石研磨后，与砂和黏土混合，在高温下煅烧，而高温通过燃烧煤炭获得。该工艺通过两种不同途径产生二氧化碳：一是煤炭燃烧产生的二氧化碳，二是石灰石在加热过程中释放的气体。两者对总排放量的贡献大致相当。Chiang表示，新工艺将消除或大幅减少这两种排放源。尽管团队已在实验室中验证了基本的电化学工艺，但要将其扩大至工业规模，仍需开展更多工作。
首先，新方法可以取消加热工序中对化石燃料的使用，改用由清洁可再生能源发电的电力。Chiang表示：“在许多地区，可再生电力是我们目前成本最低的电力，而且其成本仍在持续下降。”此外，新工艺生产出的水泥产品与现有产品相同。团队意识到，考虑到这种材料在全球的广泛应用，以及建筑商对尝试新型、相对未经充分检验的材料往往持谨慎态度，要让人们接受一种新型水泥（许多研究团队已以不同方式对此进行探索）将是一场艰难的挑战。
新工艺的核心是使用电解槽。许多人在高中化学课上都接触过这种装置：将电池连接到盛有水的玻璃容器中的两个电极上，电流将水分子分解为其组成原子，一个电极产生氧气气泡，另一个电极产生氢气气泡。重要的是，电解槽中产生氧气的电极会生成酸，而产生氢气的电极则会生成碱。
在新工艺中，粉碎后的石灰石在一个电极处溶解于酸中，并释放出高纯度二氧化碳；与此同时，另一个电极处则会有通常被称为石灰的氢氧化钙以固体形式析出。随后，氢氧化钙可通过另一步工序加工成水泥，而水泥的主要成分是硅酸钙。
二氧化碳以纯净、高浓度的气流形式产生，因此可以轻松封存，或用于生产附加值产品，例如可替代汽油的液体燃料，也可用于石油采收或碳酸饮料及干冰等应用领域。Chiang表示，整个工艺过程中不会向环境释放任何二氧化碳。相比之下，传统水泥厂排放的二氧化碳中含有大量氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳及其他杂质，使得对其进行“净化”以使二氧化碳可用于其他用途在实际上难以实现。
Ellis表示，计算结果显示，工艺过程中产生的氢气和氧气也可以重新结合，例如在燃料电池中使用，或燃烧以产生足够的能量，为整个工艺的其余部分提供动力，且最终仅产生水蒸气。
在实验室演示中，团队完成了所需的关键电化学步骤，并在小规模条件下由碳酸钙制得石灰。该过程有点像摇动雪花球：随着石灰从溶液中析出，玻璃容器内会出现大量悬浮的白色颗粒。
虽然该技术原理简单，原则上也易于放大规模，但目前一座典型水泥厂每年仍可生产约70万吨水泥。“如何打入这样一个行业并获得立足之地？”这篇论文的第一作者Ellis问道。她表示，一种思路是每次只替换工艺中的一个环节，而非一次性替换整个系统，并以“循序渐进”的方式逐步加入其他环节。
团队提出的初步方案“并不一定意味着我们认为这就是最佳策略”，Chiang表示，“而是希望促使电化学领域的人们开始更多地思考这一问题”，并提出新的想法。“这是重要的第一步，但尚不是一个成熟的解决方案。”
该研究部分得到了斯科尔科沃科学技术学院的支持。
