Sostenibilidad
Extracción de material de cemento del agua de mar mientras se captura el carbono
El concreto es un material esencial en el mundo moderno, con la arena y el cemento entre los más grandes en producción de materiales por volumen y peso.
Fuente: Visual Capitalist
La producción de cemento también es una actividad muy intensiva en términos de energía. Además, está casi exclusivamente alimentada por combustibles fósiles, lo que resulta en la producción de cemento siendo responsable del 8% de las emisiones de CO2 del mundo.
Esto se puede comparar con las emisiones de CO2 de los coches y furgonetas, que son responsables del 10% de las emisiones totales del mundo. Por lo tanto, hacer que el concreto sea más sostenible sería tan impactante como convertir todos los coches del mundo en vehículos eléctricos y alimentarlos solo con energía verde.
Muchas de las emisiones de carbono de la fabricación de cemento provienen de la minería, rotura, procesamiento y refinación de las materias primas utilizadas para producirlo. Como la piedra caliza, rocas ricas en carbonato de calcio (CaCO3) se extraen y se mezclan con arcilla para obtener la materia prima que se convierte en concreto.
Hay potencialmente otra fuente de carbonato de calcio en la Tierra, que es el agua de mar. Los océanos contienen muchos minerales disueltos, con, por supuesto, sal de mesa (iones de sodio y cloro), pero también magnesio, calcio, potasio y incluso metales, con notablemente uranio, que podría ser extraído de los océanos del mundo en lugar de minas de uranio. El dióxido de carbono disuelto en forma de iones carbonato también es abundante en los océanos, lo que los convierte en uno de los sumideros de carbono más poderosos de la Tierra.
Fuente: Advanced Sustainable Systems
Científicos de la Universidad Northwestern y CEMEX Innovation Holding AG (Suiza) están explorando ahora si podrían explotar esta abundancia marina para producir el material raw del concreto mientras capturan CO2 en lugar de emitirlo. Publicaron sus resultados experimentales en Advanced Sustainable Systems1, bajo el título “Electrodeposition of Carbon-Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections”.
Electrólisis del agua
El agua (H2O) se puede descomponer en sus constituyentes de hidrógeno y oxígeno aplicando una corriente eléctrica poderosa, generalmente con algún tipo de catalizador para mejorar la velocidad y eficiencia de la reacción electroquímica. Esto es la base de la producción de hidrógeno verde, donde la electricidad se obtiene de fuentes renovables.
Sin embargo, cuando se realiza este procedimiento con agua no pura, y aún más con agua de mar, la reacción de electrólisis también reacciona con los minerales disueltos en el agua.
Esto es generalmente una reacción no deseada, ya que puede crear depósitos en los electrodos y desviar energía del objetivo previsto de la producción de hidrógeno.
Sin embargo, ajustar las condiciones de electrólisis podría convertir esta reacción no deseada en una nueva forma valiosa de producir carbonato de calcio.
Producción de cemento a partir del agua de mar
Suministros ilimitados
Esta no es necesariamente una idea nueva, ya que el CaCO3 y el magnesio del agua de mar tienen una multitud de aplicaciones en las industrias de la construcción, la fabricación y la remediación ambiental, incluida la producción de concreto, cemento, yesos, pinturas y rellenos.
Como los vastos océanos que cubren la Tierra proporcionarían un suministro prácticamente ilimitado de este material, esto ha sido considerado la fuente más sostenible potencial de estos materiales.
Hasta ahora, solo explorar la electroreducción de estos minerales no ha producido una forma viable de hacer que su producción a partir del agua de mar sea económica. Aquí es donde los investigadores de la Universidad Northwestern trajeron un paso crucial adicional: agregar CO2 al proceso.
Inyectar CO2 en el agua de mar
Debido a que el agua de mar es una mezcla compleja de muchos minerales, al aplicar la electrólisis, se produce una red de reacciones electroquímicas al mismo tiempo, desde la precipitación de iones de calcio y magnesio hasta la formación de yeso a partir de sulfatos, la generación de cloro y gas de hidrógeno, así como un cambio en la acidez alrededor de cada electrodo.
Fuente: Advanced Sustainable Systems
La inyección de CO2 agrega más complejidad, ya que disminuye el pH del agua de mar. La disminución del pH por CO2 se compensa parcialmente con la producción de iones OH− a partir de la energía eléctrica.
La disolución o precipitación de carbonato de calcio depende del pH del agua. Por lo tanto, esto es un fenómeno que preocupa a los científicos, ya que la atmósfera se vuelve más rica en CO2, los océanos se vuelven más ácidos.
Si la corriente eléctrica es lo suficientemente poderosa, y por lo tanto la producción de iones OH−, puede ser lo suficientemente alta como para mantener el pH por encima de 8,5.
A estos niveles de acidez, las reacciones químicas capturan el CO2 y lo convierten en iones bicarbonato disueltos (HCO3-).
Fuente: Advanced Sustainable Systems
Estos iones bicarbonato luego reaccionan con el calcio y se precipitan en carbonato de calcio, el material base para la producción de concreto.
Optimización de la secuestración de carbono
En este tipo de reacción, la producción de carbonato de calcio usable para la industria del cemento capturaría el CO2 inyectado en lugar de emitir CO2 a la atmósfera.
Para cualquier nivel de potencia utilizada, existe un flujo óptimo de CO2 inyectado que minimiza la energía consumida mientras maximiza la producción de mineral.
Una concentración de 0,30 sccm de CO2 parecía ser un punto dulce, donde un nivel de potencia más bajo aún resulta en una alta masa de mineral que se precipita.
Fuente: Advanced Sustainable Systems
Creación de un depósito usable
Un problema para convertir este concepto en una aplicación industrial es el mismo problema que ocurre en la precipitación de carbonato de calcio durante la producción de hidrógeno a través de la electrólisis.
Más a menudo que no, el depósito de calcio obstruirá la superficie del electrodo, dañando el sistema general y haciéndolo menos eficiente con el tiempo.
Sin embargo, los niveles de potencia más altos utilizados en este experimento, combinados con la inyección de CO2, causaron reacciones adicionales, lo que hizo que el carbonato de calcio precipitado se desprendiera del electrodo.
Así, en general, este método sería capaz de producir el carbonato de una manera que lo hace fácil de recolectar como un depósito mineral en el fondo del tanque, sin obstruir el electrodo.
Crecimiento de cristales minerales
Dependiendo de las condiciones, se forman diferentes agregados minerales con diferentes condiciones de cristal, especialmente cristales de carbonato de calcio (calcita y aragonita) y cristales de magnesio (brucita).
Fuente: Advanced Sustainable Systems
En general, el material resultante puede estar formado por cristales de varios centímetros de largo (1-2 pulgadas), y es muy poroso.
La composición, porosidad y tamaño de los agregados sintetizados utilizando el enfoque propuesto cumplen con los estándares actuales para su uso en materiales como el concreto.
Conclusión
En general, esta publicación demuestra que la producción de material de cemento con carbono negativo no es solo una posibilidad teórica, sino una opción viable cuando se utiliza la inyección de carbono durante la electrólisis del agua de mar.
Otros parámetros críticos, como la dureza y la resistencia a la abrasión, siguen siendo objeto de investigación para una confirmación completa de que el material resultante es usable para proyectos de construcción.
Este proceso es inherentemente escalable, sin limitaciones obvias de disponibilidad de materiales raros, consumo excesivo de energía o rendimientos bajos.
Al imaginar una red de reactores interconectados y escalables, este enfoque tiene el potencial de ser desplegado a escala industrial y integrado con la infraestructura existente, como instalaciones industriales costeras.
El progreso adicional en el diseño del reactor debería ser capaz de mejorar la eficiencia económica y energética general, por ejemplo, optimizando la geometría del electrodo, los materiales y la dinámica de flujo.
En última instancia, el agua de la que se ha extraído el carbonato de calcio podría ser tal vez también un material interesante para un paso secundario de generación de hidrógeno a partir del agua de mar, ya que la menor concentración de iones debería ayudar a reducir los problemas relacionados con los depósitos minerales en el electrodo.
Invertir en cemento sostenible
CRH Plc
(CRH )
Como uno de los líderes mundiales en la producción de cemento, CRH será fundamental para convertir la construcción de cemento en una industria más sostenible. Es el número 1 en volumen total de material de construcción proporcionado en ambos mercados de EE. UU. y Europa.
La empresa está activa en 28 países y 3,390 ubicaciones, emplea a 78,500 personas, y CRH Americas representa el 65% de sus ventas globales.
Fuente: CRH
La empresa espera que el gasto robusto de los gobiernos occidentales en infraestructura ayudará a crecer su negocio. Las tendencias de reindustrialización y la fabricación de alta tecnología en el país también deberían ayudar.
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