Cementtimateriaalin eristäminen merivedestä hiilidioksidin talteenoton avulla

Betoni on olennainen materiaali nykyaikaisessa maailmassa, ja hiekka sekä sementti kuuluvat maailman suurimpiin materiaalituotantoihin tilavuuden ja painon mukaan.

Lähde: Visual Capitalist

Sementin tuotanto on myös erittäin energiaintensiivinen toiminta. Se on lähes kokonaan fossiilisilla polttoaineilla tuotettua, mikä johtaa sementin tuotannon olevan vastuussa 8 % maailman CO₂-päästöistä.

Tätä voidaan verrata autojen ja pakettiautojen CO₂-päästöihin, joiden osuus on 10 % maailman kokonaispäästöistä. Näin ollen betonin kestävämmäksi tekeminen olisi yhtä vaikuttavaa kuin muuttaa kaikki maailman autot sähköautoiksi ja käyttää niissä vain vihreää energiaa.

Suuri osa sementin valmistuksen hiilipäästöistä tulee raaka-aineiden louhinnasta, murskauksesta, jalostuksesta ja puhdistuksesta. Kuten kalkkikivi, myös kalsiumkarbonaattia (CaCO3) sisältävät kivet louhitaan ja sekoitetaan saven kanssa, jolloin syntyy raaka-aine, josta betoni valmistetaan.

Maapallolla voi olla myös toinen kalsiumkarbonaatin lähde, nimittäin merivesi. Merenvedet sisältävät paljon liuenneita mineraaleja, kuten tietysti ruokasuolan (natrium- ja kloori-ionit), mutta myös magnesiumia, kalsiumia, kaliumia ja jopa metalleja, joista erityisesti uraani, joka mahdollisesti joskus saadaan maailman meristä uraanikaivosten sijaan. Liuennut CO₂ karbonaatti-ioneina on myös runsasta merissä, mikä tekee niistä yhden maapallon voimakkaimmista hiilivarastoista.

Lähde: Advanced Sustainable Systems

Pohjois-Lännen yliopiston ja CEMEX Innovation Holding AG:n (Sveitsi) tutkijat tutkivat nyt, voisiko tätä merestä peräisin olevaa runsaudesta hyödyntää betonin raaka-aineen tuotannossa samalla kun sidotaan CO₂ sen sijaan, että se vapautuisi. He julkaisevat kokeelliset tuloksensa Advanced Sustainable Systems¹ otsikolla “Electrodeposition of Carbon-Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections”.

Veden elektrolyysi

Vettä (H₂O) voidaan hajottaa sen koostumukseen, vetyyn ja happeen, soveltamalla voimakasta sähkövirtaa, yleensä jonkin katalyytin avulla, joka parantaa elektrokemiallisen reaktion nopeutta ja tehokkuutta. Tämä on vihreän vedyn tuotannon perusta, jossa sähköenergia saadaan uusiutuvista lähteistä.

Kuitenkin, kun tätä menettelyä tehdään epäpuhtaalla vedellä, ja vielä enemmän merivedellä, elektrolyysireaktio reagoi myös vedessä liuenneiden mineraalien kanssa.

Tämä on yleensä ei-toivottu reaktio, koska se voi muodostaa kerrostumia elektrodeihin ja ohjata energiaa pois vedyn tuotannon päätavoitteesta.

Kuitenkin, säätämällä elektrolyysin olosuhteita, tämä ei-toivottu sivureaktio voidaan muuttaa arvokkaaksi uudeksi tavaksi tuottaa kalsiumkarbonaattia.

Sementin tuottaminen merivedestä

Rajoittamaton saatavuus

Ei ole välttämättä uusi ajatus, sillä CaCO₃:ta sekä magnesiumia merivedestä on monenlaisia sovelluksia rakennus-, valmistus- ja ympäristön puhdistusaloilla, mukaan lukien betoni, sementti, kipsit, maalit ja täyteaineet.

Koska maapallon laajat valtameret tarjoaisivat käytännössä rajoittamattoman määrän tätä materiaalia, sitä on pidetty kestävimpänä mahdollisena lähteenä näille materiaaleille.

Tähän mennessä pelkkä näiden mineraalien elektroreduktio ei ole tuottanut kannattavaa tapaa tehdä niiden tuotanto merivedestä taloudelliseksi. Tässä Northwesternin yliopiston tutkijat lisäsivät ratkaisevan lisävaiheen: CO₂:n lisääminen prosessiin.

CO₂:n injektointi merivedessä

Koska merivesi on monien mineraalien monimutkainen seos, elektrolyysin soveltaminen aiheuttaa samanaikaisesti useita elektrokemiallisia tapahtumia, kuten kalsium- ja magnesiumioniiden saostumista, kipsin muodostumista sulfaatista, kloori- ja vetykaasun syntymistä sekä happamuuden muutosta jokaisen elektrodin ympärillä.

Lähde: Advanced Sustainable Systems

CO₂:n injektointi lisää monimutkaisuutta, koska se alentaa meriveden pH:n. CO₂:n aiheuttamaa pH:n laskua kompensoidaan osittain sähköenergiasta syntyvien OH⁻-ionien tuotannolla.

Kalsiumkarbonaatin liukeneminen tai saostuminen riippuu itse asiassa veden happamuudesta. Tämä on tutkijoiden huolenaihe, sillä kun ilmakehä rikastuu CO₂:lla, meret muuttuvat happamammiksi.

Jos sähkövirta on riittävän voimakas, ja siten OH⁻-ionien tuotanto, se voi olla tarpeeksi korkea pitämään pH:n yli 8,5.

Näillä happamuustasoilla kemialliset reaktiot sitovat CO₂:n ja muuttavat sen liuenneiksi bikarbonaatti-ioneiksi (HCO₃⁻).

Lähde: Advanced Sustainable Systems

Nämä bikarbonaatti-ionit reagoivat sitten kalsiumin kanssa ja saostuvat kalsiumkarbonaatiksi, joka on betonin perusmateriaali.

Hiilen talteenoton optimointi

Tässä reaktiotyypissä sementtialan käyttökelpoisen kalsiumkarbonaatin tuotanto sitoo injektoidun CO₂:n sen sijaan, että se vapautuisi ilmakehään.

Mille tahansa annetulle energiatason tasolle on olemassa optimaalinen CO₂:n injektiovirtaus, joka minimoi kulutetun energian samalla kun maksimoidaan mineraalin tuotantomäärä. 0,30 sccm CO₂:n konsentraatio osoittautui tällaiseksi ihanteelliseksi pisteeksi, jossa alhaisempi teho tuottaa silti suuren massan mineraalia.

Lähde: Advanced Sustainable Systems

Käytettävän talteenoton luominen

Ongelma tämän konseptin teollistamisessa on sama kuin kalsiumkarbonaatin saostumisessa vedyn tuotannon elektrolyysin aikana.

Usein kalsiumpitoisuus tukkii elektrodin pinnan, vahingoittaen koko järjestelmää ja tehden siitä ajan myötä vähemmän tehokkaan.

Kuitenkin tässä kokeessa käytetyt korkeammat tehot, yhdistettynä CO₂-injektiioon, aiheuttivat lisäreaktioita, jotka saivat saostuneen kalsiumkarbonaatin irtoamaan elektrodista.

Kaiken kaikkiaan tämä menetelmä voisi tuottaa karbonaattia tavalla, joka tekee sen keräämisestä helppoa mineraalitalteennaalta säiliön pohjassa ilman elektrodin tukkeutumista.

Mineralikiteiden kasvattaminen

Ehdollisesti erilaiset olosuhteet johtavat erilaisiin mineraalijauheisiin, joilla on erilaiset kiteytymisolosuhteet, erityisesti kalsiumkarbonaattikiteet (kalsiitti ja aragoniaatti) ja magnesiumkide (bruksiitti).

Lähde: Advanced Sustainable Systems

Kokonaisuudessaan syntynyt materiaali voi koostua useita senttimetrejä (1–2 tuumaa) pitävistä kiteistä, ja se on myös erittäin huokoinen.

Koostumus, huokoisuus ja aggregaattien koko, jotka on valmistettu ehdotetulla menetelmällä, täyttävät nykyiset standardit niiden käytölle materiaaleissa kuten betoni.

Johtopäätös

Kaiken kaikkiaan tämä julkaisu osoittaa, että hiilinegatiivisen sementtimateriaalin tuotanto ei ole pelkästään teoreettinen mahdollisuus, vaan toteuttamiskelpoinen vaihtoehto, kun hiilidioksidia injektoidaan meriveden elektrolyysin aikana.

Muita kriittisiä parametreja, kuten kovuus ja kulutuskestävyys, on vielä tutkittava, jotta voidaan täysin varmistaa, että syntynyttä materiaalia voidaan käyttää rakennusprojekteissa.

Tämä prosessi on luonteeltaan skaalautuva, eikä siinä ole ilmeisiä rajoitteita harvinaisten materiaalien saatavuudesta, liiallisesta energiankulutuksesta tai alhaisista saannoista.

Kuvittelemalla verkoston toisiinsa kytketyistä, skaalautuvista reaktoreista, tämä lähestymistapa voi toteutua teollisessa mittakaavassa ja integroitua olemassa olevaan infrastruktuuriin, kuten rannikkoteollisuuden laitoksiin.

Reaktorin suunnittelun lisäkehitys voi parantaa kokonaisvaltaista taloudellisuutta ja energiatehokkuutta, esimerkiksi optimoimalla elektrodin geometriaa, materiaaleja ja virtauksen dynamiikkaa.

Lopulta vesi, josta kalsiumkarbonaatti on eristetty, voisi mahdollisesti olla mielenkiintoinen materiaali toisen vaiheen vedyn tuotannossa merivedestä, sillä alhaisempi ionipitoisuus voisi auttaa vähentämään elektrodin mineraalitalteen ongelmia.

Kestävämpään sementtiin sijoittaminen

CRH Plc

Yksi maailman johtavista sementin tuottajista, CRH, on keskeisessä roolissa sementtirakentamisen muuttamisessa kestävämmäksi teollisuudeksi. Se on #1 kokonaisrakennusmateriaalin volyymissa sekä Yhdysvalloissa että Euroopan markkinoilla.

Yritys toimii 28 maassa ja 3 390 toimipaikassa, työllistää 78 500 henkilöä, ja CRH Americas vastaa 65 % sen maailmanlaajuisista myynneistä.

Lähde: CRH

Yritys odottaa, että länsimaiden hallitusten vahva investointi infrastruktuuriin auttaa kasvattamaan sen liiketoimintaa. Uudelleensanallistumisen ja korkean teknologian valmistuksen kotimaassa tapahtuvan siirtymisen trendit tukevat tätä.

Kestävyys

CRH on edistynyt merkittävästi kestävyydessä useiden aloitteiden avulla:

• Se on Pohjois-Amerikassa suurin kierrättäjä, jonka 2023 vuonna kierrätettiin 43,9 miljoonaa tonnia jätettä ja sivutuotteita muista teollisuudenaloista.
• Se vähensi CO₂-päästöjään 8 % vuonna 2023 hyödyntämällä 36 % vaihtoehtoisia polttoaineita sementtitehtaissaan.
• Se tavoittelee päästöjen 30 % vähennystä vuoteen 2030 mennessä (vertailukohtana vuoden 2021 päästöt).

Tämä on itsessään kiitettävää, mutta voidaan nähdä liian vähäiseksi, liian myöhäiseksi.

Onneksi CRH on myös toimija, joka edistää perusteellisempia muutoksia alalla. Erityisesti, se on investoinut 75 miljoonaa dollaria alhaisen hiilidioksidipäästön sementtiyritys Sublimeen yhdessä eurooppalaisen betoni­jätti Holcimin kanssa.

Sublime Systems perustettiin MIT:ssä vuonna 2020 hyödyntämään elektrolyysilaitetta sementin tuotantoon huoneenlämpötiloissa, korvaten energia- ja fossiilipolttoaineintensiiviset uunit. Se mahdollistaa myös kalsiumlähteiden käytön raaka-aineena, välttäen kalsiittipitoisen kiven CO₂-päästöt.

Sublime Systemsin ensimmäinen kaupallinen laitoksensa Holyokessa, Massachusettsissa, odotetaan avautuvan jo vuonna 2026. Jos se osoittautuu menestyksekkääksi, se voi olla todellinen pelinmuuttaja sementtialalla ja avata tien skaalautuville vähäpäästöisille betoneille.

“Sublime on häiritsevä voima sementin valmistuksessa. Sen ainutlaatuinen teknologia kattaa koko tuotantoprosessin, puhtaan sähkön käytöstä hiilidioksidittomien raaka-aineiden käyttöön. Olemme innoissamme sen potentiaalista ja iloisia voidessamme tehdä yhteistyötä sen markkinoille saattamiseksi mittakaavassa. Tämä investointi on täysin linjassa Holcimin strategian kanssa kiihdyttää rakennusalan hiilineutraaliutta skaalaamalla innovatiivisimpia teknologioita.”

Officer Nollaig Forrest – Holcim’s Chief Sustainability

CRH on myös investoinut muihin hiilineutraalius- ja kestävyys-startupeihin:

• 23,7 miljoonaa euroa Cool Planet Technologies, kehittämässä hiilidioksidin talteenotto­ratkaisuja perinteisesti vaikeasti hiilineutraaleiksi tehtäville teollisuudenaloille.
• 34,7 miljoonaa dollaria CRH:n ja muiden sijoittajien rahoittamana Carbon Upcycling Technologies, joka käyttää täysin sähköistä mineralisointiratkaisua CO₂:n pysyvään varastointiin teollisuuden sivutuotteissa ja mineraaleissa, kuten sementissä, muoveissa, kulutustavaroissa, lannoitteissa ja lääkkeissä.
• AICrete, ‘resepti‑palveluna’ -alusta, joka tekee yhteistyötä paikallisten betonintuottajien kanssa, optimoiden paikallisia materiaaleja ja minimoiden sementin määrän tekoälyanalyysien avulla, vähentäen sekä CO₂‑jalanjälkeä että betonin tuotantokustannuksia.
• FIDO AI:n Series B -rahoitus on startup, joka käyttää tekoälyä vedenkulutuksen vähentämiseen ja vesisäästöjen lisäämiseen.

Kaiken kaikkiaan CRH on kannattava johtaja betonialalla, ja se valmistautuu aktiivisesti alan hiilineutraaliuteen, sekä suoraan olemassa olevissa laitoksissa että toimimalla pääomasijoittajana innovatiivisille startupeille, jotka luovat seuraavan sukupolven sementti- ja betoniteknologiaa.

Viimeisimmät CHR:ssä

Viitteet:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). Elektrodepositio hiiltä sitovista mineraaleista merivedessä vaihtelevilla elektrokemiallisilla potentiaaleilla ja hiilidioksidi-injektiolla. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}