استخراج مادة الأسمنت من مياه البحر مع احتجاز الكربون

الخرسانة مادة أساسية في العالم الحديث، حيث يعتبر الرمل والأسمنت من بين أكبر عمليات إنتاج المواد في العالم من حيث الحجم والوزن.

المصدر: Visual Capitalist

إنتاج الأسمنت أيضًا نشاط يستهلك طاقة كبيرة. وهو يُشغل تقريبًا بالكامل بالوقود الأحفوري، مما يجعل إنتاج الأسمنت في إنتاج الأسمنت مسؤول عن 8٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في العالم.

يمكن مقارنة ذلك بانبعاثات ثاني أكسيد الكربون من السيارات والشاحنات، التي تمثل 10٪ من إجمالي الانبعاثات العالمية. لذا، جعل الخرسانة أكثر استدامة سيكون له نفس الأثر كتحويل جميع سيارات العالم إلى سيارات كهربائية وتشغيلها فقط بالطاقة الخضراء.

تأتي جزء كبير من انبعاثات الكربون من تصنيع الأسمنت من عمليات التعدين والتفتيت والمعالجة والتنقية للمواد الخام المستخدمة في إنتاجه. فمثلًا يتم استخراج الصخور الغنية بكربونات الكالسيوم (CaCO3) مثل الحجر الجيري، ومزجها بالطين للحصول على المادة الخام التي تتحول إلى خرسانة.

هناك مصدر محتمل آخر لكربونات الكالسيوم على الأرض، وهو مياه البحر. تحتوي المحيطات على الكثير من المعادن المذابة، وبالطبع ملح الطعام (أيونات الصوديوم والكلور)، بالإضافة إلى المغنيسيوم والكالسيوم والبوتاسيوم وحتى معادن، مع اليورانيوم بشكل ملحوظ، الذي قد يُستخرج يومًا ما من محيطات العالم بدلاً من مناجم اليورانيوم.

المصدر: Advanced Sustainable Systems

يستكشف العلماء من جامعة نورثويسترن وشركة CEMEX Innovation Holding AG (سويسرا) الآن إمكانية استغلال هذه الوفرة البحرية لإنتاج المادة الخام للخرسانة مع احتجاز CO2 بدلاً من انبعاثه. وقد نشروا نتائجهم التجريبية في مجلة Advanced Sustainable Systems¹، تحت عنوان “الترسيب الكهربائي للمعادن التي تحجز الكربون في مياه البحر لجهود كهروكيميائية متغيرة وحقن ثاني أكسيد الكربون”.

تحليل الماء الكهربائي

الماء (H2O) يمكن تحليله إلى مكوناته من هيدروجين وأكسجين عن طريق تطبيق تيار كهربائي قوي، عادةً مع وجود محفز لتحسين سرعة وكفاءة التفاعل الكهروكيميائي. هذا هو أساس إنتاج الهيدروجين الأخضر، حيث تُستمد الكهرباء من مصادر متجددة.

مع ذلك، عند تنفيذ هذه العملية باستخدام ماء غير نقي، وبشكل أكبر مع ماء البحر، يتفاعل تفاعل التحليل الكهربائي أيضًا مع المعادن المذابة في الماء.

عادةً ما يكون هذا التفاعل غير مرغوب فيه، لأنه يمكن أن يخلق ترسبات على الأقطاب ويصرف الطاقة عن الهدف المقصود وهو إنتاج الهيدروجين.

ومع ذلك، تعديل ظروف التحليل الكهربائي قد يحول هذا التفاعل الجانبي غير المرغوب فيه إلى طريقة جديدة قيمة لإنتاج كربونات الكالسيوم.

إنتاج الأسمنت من مياه البحر

إمدادات غير محدودة

هذه ليست فكرة جديدة بالضرورة، فكربونات الكالسيوم وكذلك المغنيسيوم المستخرجان من مياه البحر لهما تطبيقات عديدة في صناعات البناء، التصنيع، ومعالجة البيئة، بما في ذلك إنتاج الخرسانة، الأسمنت، الجص، الدهانات، والمواد المالئة.

نظرًا لأن المحيطات الشاسعة التي تغطي الأرض يمكن أن توفر إمدادًا عمليًا غير محدود من هذه المادة، فقد تم اعتبارها المصدر الأكثر استدامة لهذه المواد.

حتى الآن، مجرد استكشاف الاختزال الكهربائي لهذه المعادن لم ينتج طريقة قابلة للتطبيق تجعل إنتاجها من مياه البحر اقتصاديًا. هنا أضاف باحثو جامعة نورثويسترن خطوة حاسمة إضافية: إضافة CO2 إلى العملية.

حقن CO2 في مياه البحر

نظرًا لأن مياه البحر مزيج معقد من العديد من المعادن، عند تطبيق التحليل الكهربائي يحدث شبكة من التفاعلات الكهروكيميائية في آن واحد، من ترسيب أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم إلى تكوين الجبس من الكبريتات، وتوليد غاز الكلور والهيدروجين، بالإضافة إلى تغير الحموضة حول كل قطب.

المصدر: Advanced Sustainable Systems

إضافة CO2 تزيد من التعقيد لأنها تقلل من درجة حموضة مياه البحر. الانخفاض في الحموضة الناتج عن CO2 يُعوض جزئيًا بإنتاج أيونات OH− من الطاقة الكهربائية.

ذوبان أو ترسيب كربونات الكالسيوم يعتمد نفسه على حموضة الماء. لهذا السبب، يُعد هذا الظاهرة مصدر قلق للعلماء، فمع ازدياد تركيز CO2 في الغلاف الجوي تصبح المحيطات أكثر حموضة.

إذا كان التيار الكهربائي قويًا بما فيه الكفاية، وبالتالي إنتاج أيونات OH−، يمكن أن يكون عاليًا بما يكفي للحفاظ على درجة الحموضة فوق 8.5.

في هذه المستويات من الحموضة، تلتقط التفاعلات الكيميائية CO2 وتحوّله إلى أيونات بيكربونات مذابة (HCO3-).

المصدر: Advanced Sustainable Systems

تتحرك أيونات البيكربونات بعد ذلك لتتفاعل مع الكالسيوم وتترسب لتشكل كربونات الكالسيوم، المادة الأساسية لإنتاج الخرسانة.

تحسين احتجاز الكربون

في هذا النوع من التفاعل، إنتاج كربونات الكالسيوم القابلة للاستخدام في صناعة الأسمنت سيحتجز CO2 المُحقن بدلاً من إطلاقه إلى الغلاف الجوي.

لكل مستوى من الطاقة المستخدمة، يوجد معدل تدفق مثالي لـ CO2 المُحقن يقلل من الطاقة المستهلكة مع تعظيم عائد إنتاج المعادن. ظهر تركيز 0.30 sccm من CO2 كقيمة مثالية، حيث لا يزال مستوى طاقة أقل ينتج كتلة كبيرة من الترسيب المعدني.

المصدر: Advanced Sustainable Systems

إنشاء راسب قابل للاستخدام

مشكلة تحويل هذا المفهوم إلى تطبيق صناعي هي نفس المشكلة التي تحدث في ترسيب كربونات الكالسيوم أثناء إنتاج الهيدروجين عبر التحليل الكهربائي.

في كثير من الأحيان، يتسبب ترسب الكالسيوم في انسداد سطح القطب، مما يضر بالنظام ككل ويقلل من كفاءته مع مرور الوقت.

مع ذلك، المستويات الأعلى من الطاقة المستخدمة في هذه التجربة، عند دمجها مع حقن CO2، أدت إلى تفاعلات إضافية، مما جعل ترسب كربونات الكالسيوم ينفصل عن القطب.

بشكل عام، هذه الطريقة يمكن أن تنتج الكربونات بطريقة تسهل جمعها كرصاد معدنية في قاع الخزان، دون انسداد القطب.

نمو بلورات المعادن

اعتمادًا على الظروف، تتشكل تراكمات معدنية مختلفة بأشكال بلورية مختلفة، خاصة بلورات كربونات الكالسيوم (الكالسيت والأراغونيت) وبلورة المغنيسيوم (البروسايت).

المصدر: Advanced Sustainable Systems

بشكل عام، يمكن أن يتكون المادة الناتجة من بلورات بطول عدة سنتيمترات (1-2 بوصة)، وهي أيضًا مسامية جدًا.

التركيب، المسامية، وحجم التجمعات التي تم تركيبها باستخدام النهج المقترح تفي بالمعايير الحالية لاستخدامها في مواد مثل الخرسانة.

الخلاصة

بشكل عام، تثبت هذه النشرة أن إنتاج مادة أسمنت سلبية الكربون ليس مجرد إمكانية نظرية بل خيارًا قابلًا للتنفيذ عند استخدام حقن الكربون خلال التحليل الكهربائي لمياه البحر.

معلمات حرجة أخرى، مثل الصلابة ومقاومة التآكل، لا تزال بحاجة إلى دراسة لتأكيد كامل أن المادة الناتجة صالحة لمشاريع البناء.

هذه العملية قابلة للتوسع بطبيعتها، دون حدود واضحة من نقص المواد النادرة أو استهلاك طاقة مفرط أو عوائد منخفضة.

من خلال تصور شبكة من المفاعلات المتصلة والقابلة للتوسع، يمتلك هذا النهج القدرة على النشر على نطاق صناعي ودمجه مع البنية التحتية القائمة، مثل المنشآت الصناعية الساحلية.

يجب أن يتيح التقدم في تصميم المفاعل تعزيز الكفاءة الاقتصادية والطاقة العامة، على سبيل المثال من خلال تحسين هندسة القطب، المواد، وديناميكيات التدفق.

في النهاية، قد تكون المياه التي تم استخراج كربونات الكالسيوم منها مادة مثيرة للاهتمام لخطوة ثانوية لتوليد الهيدروجين من مياه البحر، حيث إن انخفاض تركيز الأيونات قد يساعد في تقليل المشكلات المرتبطة بترسب المعادن على القطب.

الاستثمار في الأسمنت المستدام

كواحدة من القادة العالميين في إنتاج الأسمنت، ستلعب CRH دورًا أساسيًا في تحويل بناء الأسمنت إلى صناعة أكثر استدامة. وهي الرقم #1 في إجمالي حجم مواد البناء المقدمة في كل من السوقين الأمريكي والأوروبي.

تعمل الشركة في 28 دولة و3,390 موقعًا، وتوظف 78,500 شخص، مع تحقيق CRH Americas 65٪ من مبيعاتها العالمية.

المصدر: CRH

تتوقع الشركة أن الإنفاق القوي من الحكومات الغربية على البنية التحتية سيساعد في نمو أعمالها. كما أن اتجاهات إعادة التصنيع وإعادة توطين التصنيع عالي التقنية يجب أن تدعم ذلك أيضًا.

الاستدامة

حققت CRH تقدمًا جادًا في الاستدامة من خلال سلسلة من المبادرات:

• إنها أكبر شركة لإعادة التدوير في أمريكا الشمالية، حيث أعادت تدوير 43.9 مليون طن من النفايات والمنتجات الثانوية من صناعات أخرى في عام 2023.
• قامت بخفض انبعاثات CO2 بنسبة 8٪ في عام 2023، بفضل استخدام 36٪ من الوقود البديل في مصانع الأسمنت.
• تستهدف خفض الانبعاثات بنسبة 30٪ بحلول عام 2030 (مقارنةً بانبعاثات 2021).

هذا إنجاز جدير بالثناء بحد ذاته لكنه قد يُنظر إليه على أنه قليل جدًا، ومتأخر جدًا.

لحسن الحظ، CRH أيضًا محرك لتغييرات أساسية في الصناعة. لقد استثمرت 75 مليون دولار في شركة الأسمنت منخفض الكربون Sublime، بالتعاون مع عملاق الخرسانة الأوروبي Holcim.

Sublime Systems تم تأسيسها من MIT في عام 2020 لاستخدام جهاز تحليل كهربائي لإنتاج الأسمنت في درجات حرارة محيطية، مستبدلة الأفران التي تستهلك الطاقة والوقود الأحفوري. كما أنها تمكّن من استخدام مصادر الكالسيوم كمادة مدخل، متجنبةً إطلاق CO2 من مدخل الحجر الجيري.

من المتوقع أن يفتح مرفق Sublime التجاري الأول في هوليك، ماساتشوستس، أبوابًا في أقرب وقت إلى عام 2026. إذا ثبت نجاحه، قد يكون هو العامل الحقيقي لتغيير مسار صناعة الأسمنت وقد يفتح الطريق للخرسانة منخفضة الانبعاثات على نطاق واسع.

“Sublime هي قوة م disruptive في صناعة الأسمنت. تقنيتها الفريدة تمتد عبر كامل عملية الإنتاج، من استخدام الكهرباء النظيفة إلى المواد الخام الخالية من الكربون. نحن متحمسون لإمكاناتها وسعداء بالشراكة لتقديمها إلى السوق على نطاق واسع. هذا الاستثمار يتماشى تمامًا مع استراتيجية Holcim لتسريع خفض انبعاثات البناء من خلال توسيع أكثر التقنيات ابتكارًا.”

ضابط Nollaig Forrest – رئيس الاستدامة في Holcim

استثمرت CRH أيضًا في شركات ناشئة أخرى متعلقة بخفض الكربون والاستدامة:

• 23.7 مليون يورو في Cool Planet Technologies، التي تطور حلولًا لاحتجاز الكربون للصناعات التي كانت تقليديًا صعبة التخفيض.
• 34.7 مليون دولار من قبل CRH ومستثمرين آخرين في Carbon Upcycling Technologies، التي تستخدم حلًا معدنيًا كهربائيًا بالكامل لتخزين CO2 بشكل دائم في المنتجات الصناعية الثانوية والمعادن، مثل الأسمنت، البلاستيك، المنتجات الاستهلاكية، الأسمدة، والأدوية.
• AICrete، منصة “الوصفة كخدمة” تعمل مع منتجي الخرسانة المحليين، تحسين المواد المحلية وتقليل كمية الأسمنت المستخدمة باستخدام تحليلات الذكاء الاصطناعي، مما يقلل من البصمة الكربونية وتكلفة إنتاج الخرسانة.
• تمويل السلسلة B لشركة FIDO AI، وهي شركة ناشئة تستخدم الذكاء الاصطناعي لتقليل استهلاك المياه وزيادة توفيرها.

بشكل عام، CRH هي رائدة مربحة في صناعة الخرسانة، وتستعد بنشاط لتخفيض الكربون في الصناعة، سواء مباشرة في المرافق القائمة أو من خلال كونها مزودًا رئيسيًا لرأس المال للشركات الناشئة المبتكرة التي تخلق الجيل التالي من تقنيات إنتاج الأسمنت والخرسانة.

آخر المستجدات حول CHR

الدراسات المشار إليها:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). الترسيب الكهربائي للمعادن التي تحجز الكربون في مياه البحر لجهود كهروكيميائية متغيرة وحقن ثاني أكسيد الكربون. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}