समुद्र जल से सीमेंट सामग्री निकालना और कार्बन को पकड़ना

कंक्रीट आधुनिक दुनिया में एक आवश्यक सामग्री है, जहाँ रेत और सीमेंट वास्तव में आयतन और वजन के हिसाब से विश्व की सबसे बड़ी सामग्री उत्पादन में शामिल हैं।

स्रोत: Visual Capitalist

सीमेंट का उत्पादन भी एक बहुत ऊर्जा-गहन गतिविधि है। यह लगभग पूरी तरह से जीवाश्म ईंधनों द्वारा संचालित होता है, जिसके परिणामस्वरूप सीमेंट उत्पादन विश्व के CO2 उत्सर्जन का 8% जिम्मेदार है।

इसे कारों और वैनों के CO2 उत्सर्जन से तुलना की जा सकती है, जो विश्व के कुल उत्सर्जन का 10% जिम्मेदार हैं. इसलिए, कंक्रीट को अधिक सतत बनाना उतना ही प्रभावशाली होगा जितना कि सभी विश्व की कारों को इलेक्ट्रिक वाहनों में बदलना और उन्हें केवल हरित ऊर्जा से चलाना।

सीमेंट निर्माण से होने वाले कार्बन उत्सर्जन का बड़ा हिस्सा कच्चे माल की खनन, तोड़ने, प्रसंस्करण और शोधन से आता है। चूना पत्थर की तरह, कैल्शियम कार्बोनेट‑समृद्ध चट्टानें (CaCO3) को खनन करके और मिट्टी के साथ मिलाकर वह कच्चा माल प्राप्त किया जाता है जो कंक्रीट बनता है।

पृथ्वी पर कैल्शियम कार्बोनेट का एक संभावित अन्य स्रोत समुद्र जल है। समुद्र में बहुत सारे घुले हुए खनिज होते हैं, जिसमें, बेशक, टेबल सॉल्ट (सोडियम और क्लोरीन आयन) के साथ-साथ मैग्नीशियम, कैल्शियम, पोटैशियम, और यहाँ तक कि धातुएँ भी शामिल हैं, और विशेष रूप से यूरेनियम, जो भविष्य में विश्व के समुद्रों से खनन के बजाय प्राप्त किया जा सकता है। कार्बोनेट आयनों के रूप में घुला हुआ CO2 भी समुद्र में प्रचुर मात्रा में होता है, जिससे वे पृथ्वी के सबसे शक्तिशाली कार्बन सिंक में से एक बनते हैं।

स्रोत: Advanced Sustainable Systems

नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी और CEMEX Innovation Holding AG (स्विट्ज़रलैंड) के वैज्ञानिक अब इस समुद्री प्रचुरता का उपयोग करके कंक्रीट की कच्ची सामग्री का उत्पादन करने और CO2 को उत्सर्जित करने के बजाय पकड़ने की संभावना की जाँच कर रहे हैं। उन्होंने अपने प्रयोगात्मक परिणाम Advanced Sustainable Systems¹ में प्रकाशित किए, जिसका शीर्षक “समुद्र जल में कार्बन‑ट्रैपिंग खनिजों की इलेक्ट्रोडिपोज़िशन, परिवर्तनीय इलेक्ट्रोकेमिकल पोटेंशियल और कार्बन डाइऑक्साइड इंजेक्शन के लिए” है।

जल इलेक्ट्रोलिसिस

पानी (H2O) को उसके घटकों हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में तोड़ा जा सकता है, जब एक शक्तिशाली विद्युत धारा लागू की जाती है, आमतौर पर कुछ प्रकार के उत्प्रेरक के साथ ताकि इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया की गति और दक्षता बढ़े। यह ग्रीन हाइड्रोजन उत्पादन का आधार है, जहाँ बिजली नवीकरणीय स्रोतों से आती है।

हालाँकि, जब यह प्रक्रिया शुद्ध नहीं पानी के साथ, और विशेष रूप से समुद्री जल के साथ की जाती है, तो इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया जल में घुले खनिजों के साथ भी प्रतिक्रिया करती है।

यह सामान्यतः एक अनचाही प्रतिक्रिया है, क्योंकि यह इलेक्ट्रोड पर जमा बनाता है और हाइड्रोजन उत्पादन के इच्छित लक्ष्य से ऊर्जा को विचलित करता है।

हालाँकि, इलेक्ट्रोलिसिस स्थितियों को समायोजित करने से इस अनचाहे उप‑उत्पाद प्रतिक्रिया को कैल्शियम कार्बोनेट उत्पादन का एक मूल्यवान नया तरीका बनाया जा सकता है।

समुद्र जल से सीमेंट उत्पादन

असीम आपूर्ति

यह आवश्यक रूप से नया विचार नहीं है, क्योंकि समुद्र जल से प्राप्त CaCO3 और मैग्नीशियम का निर्माण, विनिर्माण और पर्यावरणीय पुनर्स्थापन उद्योगों में कई अनुप्रयोग हैं, जिसमें कंक्रीट, सीमेंट, प्लास्टर, पेंट और फिलर का उत्पादन शामिल है।

जैसे कि पृथ्वी को घेरने वाले विशाल समुद्र इस सामग्री की व्यावहारिक रूप से असीम आपूर्ति प्रदान करेंगे, इसे इन सामग्रियों के सबसे सतत संभावित स्रोत के रूप में माना गया है।

अब तक, इन खनिजों की इलेक्ट्रोरिडक्शन की खोज ने समुद्र जल से उनके उत्पादन को आर्थिक रूप से व्यवहार्य नहीं बनाया है। यहाँ नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक महत्वपूर्ण अतिरिक्त कदम जोड़ा: प्रक्रिया में CO2 जोड़ना।

समुद्र जल में CO2 का इंजेक्शन

क्योंकि समुद्र जल कई खनिजों का जटिल मिश्रण है, जब इलेक्ट्रोलिसिस लागू की जाती है, तो एक साथ कई इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रियाएँ होती हैं, जैसे कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों का अवक्षेपण, सल्फेट से जिप्सम का निर्माण, क्लोरीन और हाइड्रोजन गैस का उत्पादन, तथा प्रत्येक इलेक्ट्रोड के आसपास अम्लता में परिवर्तन।

स्रोत: Advanced Sustainable Systems

CO2 का इंजेक्शन कुछ अतिरिक्त जटिलता जोड़ता है क्योंकि यह समुद्र जल का pH घटाता है। CO2 से pH में कमी को विद्युत ऊर्जा से उत्पन्न OH− आयनों द्वारा आंशिक रूप से संतुलित किया जाता है।

कैल्शियम कार्बोनेट का घुलना या अवक्षेपण स्वयं जल की अम्लता पर निर्भर करता है। इस संदर्भ में, यह वह घटना है जो वैज्ञानिकों को चिंतित करती है, क्योंकि जैसे-जैसे वायुमंडल में CO2 की मात्रा बढ़ती है, समुद्र अधिक अम्लीय हो जाते हैं।

यदि विद्युत धारा पर्याप्त शक्तिशाली हो, और इसलिए OH− आयनों का उत्पादन पर्याप्त हो, तो pH को 8.5 से ऊपर बनाए रखा जा सकता है।

इन अम्लता स्तरों पर, रासायनिक प्रतिक्रियाएँ CO2 को पकड़ती हैं और इसे घुले बाइकार्बोनेट आयनों (HCO3-) में बदल देती हैं।

स्रोत: Advanced Sustainable Systems

ये बाइकार्बोनेट आयन फिर कैल्शियम के साथ प्रतिक्रिया करके कैल्शियम कार्बोनेट में अवक्षेपित होते हैं, जो कंक्रीट उत्पादन की मूल सामग्री है।

कार्बन संधारण का अनुकूलन

इस प्रकार की प्रतिक्रिया में, सीमेंट उद्योग के लिए उपयोगी कैल्शियम कार्बोनेट का उत्पादन इंजेक्ट किए गए CO2 को पकड़ लेगा, न कि इसे वायुमंडल में उत्सर्जित करेगा।

उपयोग की गई किसी भी शक्ति स्तर के लिए, एक इष्टतम CO2 प्रवाह दर मौजूद है जो उपभोगित ऊर्जा को न्यूनतम करती है जबकि खनिज उत्पादन की उपज को अधिकतम करती है। 0.30 sccm की CO2 सांद्रता ऐसा ही एक अनुकूल बिंदु प्रतीत होती है, जहाँ कम शक्ति स्तर पर भी बड़ी मात्रा में खनिज अवक्षेपित होते हैं।

स्रोत: Advanced Sustainable Systems

उपयोगी जमा बनाना

इस अवधारणा को औद्योगिक अनुप्रयोग में बदलने की समस्या वही है जो इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन के दौरान कैल्शियम कार्बोनेट के अवक्षेपण में आती है।

अधिकांश मामलों में, कैल्शियम जमा इलेक्ट्रोड की सतह को बंद कर देता है, जिससे संपूर्ण प्रणाली को नुकसान पहुँचता है और समय के साथ इसकी दक्षता घटती है।

हालाँकि, इस प्रयोग में उपयोग किए गए उच्च शक्ति स्तर, जब CO2 इंजेक्शन के साथ मिलाए गए, तो अतिरिक्त प्रतिक्रियाएँ उत्पन्न हुईं, जिससे अवक्षेपित कैल्शियम कार्बोनेट इलेक्ट्रोड से अलग हो गया।

इस प्रकार, यह विधि कार्बोनेट को इस तरह उत्पन्न कर सकेगी कि इसे टैंक के नीचे खनिज जमा के रूप में आसानी से इकट्ठा किया जा सके, बिना इलेक्ट्रोड को बंद किए।

खनिज क्रिस्टल का विकास

परिस्थितियों के अनुसार, विभिन्न खनिज एग्रीगेट विभिन्न क्रिस्टल संरचनाओं के साथ बनते हैं, विशेष रूप से कैल्शियम कार्बोनेट क्रिस्टल (कैल्साइट और एरागोनाइट) और मैग्नीशियम क्रिस्टल (ब्रुसीट)।

स्रोत: Advanced Sustainable Systems

समग्र रूप से, परिणामी सामग्री कई सेंटीमीटर (1-2 इंच) लंबी क्रिस्टलों से बनी हो सकती है, और यह बहुत ही छिद्रयुक्त भी है।

प्रस्तावित दृष्टिकोण से संश्लेषित एग्रीगेट की संरचना, छिद्रता और आकार वर्तमान मानकों को पूरा करते हैं, जिससे इन्हें कंक्रीट जैसी सामग्रियों में उपयोग किया जा सकता है।

निष्कर्ष

समग्र रूप से, यह प्रकाशन सिद्ध करता है कि कार्बन‑नकारात्मक सीमेंट सामग्री का उत्पादन केवल सैद्धांतिक संभावना नहीं, बल्कि समुद्र जल की इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान कार्बन इंजेक्शन का उपयोग करने पर एक व्यवहार्य विकल्प है।

अन्य महत्वपूर्ण पैरामीटर, जैसे कठोरता और घर्षण प्रतिरोध, अभी भी जांचे जाने बाकी हैं ताकि यह पूरी तरह से पुष्टि हो सके कि परिणामी सामग्री निर्माण परियोजनाओं में उपयोगी है।

यह प्रक्रिया स्वाभाविक रूप से स्केलेबल है, जिसमें दुर्लभ सामग्री की उपलब्धता, अत्यधिक ऊर्जा खपत या कम उपज से कोई स्पष्ट सीमा नहीं है।

परस्पर जुड़े, स्केलेबल रिएक्टरों के नेटवर्क की कल्पना करके, इस दृष्टिकोण को औद्योगिक स्तर पर लागू करने और मौजूदा बुनियादी ढाँचे, जैसे तटीय औद्योगिक सुविधाओं, के साथ एकीकृत करने की संभावना है।

रिएक्टर डिजाइन में आगे की प्रगति समग्र आर्थिक और ऊर्जा दक्षता को बढ़ा सकती है, उदाहरण के लिए इलेक्ट्रोड ज्यामिति, सामग्री और प्रवाह गतिशीलता को अनुकूलित करके।

अंततः, वह पानी जिससे कैल्शियम कार्बोनेट निकाला गया है, समुद्र जल से हाइड्रोजन उत्पादन के द्वितीयक चरण के लिए भी एक रोचक सामग्री हो सकता है, क्योंकि कम आयन सांद्रता इलेक्ट्रोड पर खनिज जमा से जुड़ी समस्याओं को कम करने में मदद करेगी।

सतत सीमेंट में निवेश

CRH Plc

सीमेंट उत्पादन में विश्व के अग्रणी कंपनियों में से एक होने के नाते, CRH सीमेंट निर्माण को अधिक सतत उद्योग बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा। यह संयुक्त राज्य अमेरिका और यूरोपीय बाजारों दोनों में कुल निर्माण सामग्री के आयतन में #1 है।

कंपनी 28 देशों और 3,390 स्थानों में सक्रिय है, 78,500 कर्मचारियों को रोजगार देती है, और CRH Americas इसके वैश्विक बिक्री का 65% बनाता है।

स्रोत: CRH

कंपनी उम्मीद करती है कि पश्चिमी सरकारों द्वारा बुनियादी ढाँचे पर मजबूत खर्च उसके व्यवसाय को बढ़ाने में मदद करेगा। पुनः‑औद्योगीकरण और उच्च‑तकनीकी निर्माण को देश में लाने के रुझान भी सहायक होंगे।

स्थिरता

CRH ने स्थिरता में कई पहलों के साथ गंभीर प्रगति की है:

• यह उत्तर अमेरिका में #1 सबसे बड़ा रीसायकलर है, जिसने 2023 में अन्य उद्योगों के 43.9 मिलियन टन अपशिष्ट और उप‑उत्पादों को पुनः चक्रित किया।
• इसने 2023 में अपने CO2 उत्सर्जन को 8% घटाया, क्योंकि इसके सीमेंट प्लांटों में 36% वैकल्पिक ईंधन का उपयोग किया गया।
• यह 2030 तक उत्सर्जन को 30% घटाने का लक्ष्य रखता है (2021 के उत्सर्जन की तुलना में)।

यह स्वयं में प्रशंसनीय है लेकिन इसे बहुत कम, बहुत देर से माना जा सकता है।

सौभाग्य से, CRH उद्योग में अधिक मूलभूत परिवर्तन का भी प्रेरक है। विशेष रूप से, इसने यूरोपीय कंक्रीट दिग्गज Holcim के साथ मिलकर लो‑कार्बन सीमेंट कंपनी Sublime में $75M निवेश किया है.

Sublime Systems 2020 में MIT से अलग हुई थी ताकि इलेक्ट्रोलाइज़र का उपयोग करके सामान्य तापमान पर सीमेंट का उत्पादन किया जा सके, जिससे ऊर्जा और जीवाश्म‑ईंधन‑गहन किल्न की जगह ली जा सके। यह कैल्शियम स्रोतों को इनपुट सामग्री के रूप में उपयोग करने की भी सुविधा देता है, जिससे चूना पत्थर से CO2 का उत्सर्जन रोका जा सके।

Sublime की पहली व्यावसायिक सुविधा Holyoke, Massachusetts में जल्द से जल्द 2026 में खुलने की उम्मीद है। यदि सफल सिद्ध हुई, तो यह सीमेंट उद्योग के लिए वास्तविक परिवर्तनकारी हो सकती है और स्केलेबल कम‑उत्सर्जन कंक्रीट का मार्ग खोल सकती है।

“Sublime सीमेंट निर्माण में एक विघटनकारी शक्ति है। इसकी अनूठी तकनीक पूरे उत्पादन प्रक्रिया में लागू होती है, स्वच्छ बिजली के उपयोग से लेकर कार्बन‑मुक्त कच्ची सामग्री तक। हम इसकी संभावनाओं को लेकर उत्साहित हैं और इसे बड़े पैमाने पर बाजार में लाने के लिए साझेदारी करने पर प्रसन्न हैं। यह निवेश Holcim की रणनीति के पूरी तरह अनुरूप है, जो निर्माण के डिकार्बोनाइज़ेशन को तेज़ करने के लिए सबसे नवाचारी तकनीकों को स्केल‑अप करके करता है।”

Officer Nollaig Forrest – Holcim’s Chief Sustainability

CRH ने अन्य डिकार्बोनाइज़ेशन और स्थिरता स्टार्ट‑अप्स में भी निवेश किया है:

• €23.7 मिलियन Cool Planet Technologies में, जो उन उद्योगों के लिए कार्बन कैप्चर समाधान विकसित कर रहा है जिन्हें पारंपरिक रूप से डिकार्बोनाइज़ करना कठिन रहा है।
• $34.7M CRH और अन्य निवेशकों द्वारा Carbon Upcycling Technologies में, जो एक पूरी तरह इलेक्ट्रिक खनिजीकरण समाधान का उपयोग करके CO2 को औद्योगिक उप‑उत्पादों और खनिजों, जैसे सीमेंट, प्लास्टिक, उपभोक्ता उत्पाद, उर्वरक और फार्मास्यूटिकल्स में स्थायी रूप से संग्रहीत करता है।
• AICrete, एक ‘रेसिपी‑एज़‑ए‑सर्विस’ प्लेटफ़ॉर्म है जो स्थानीय कंक्रीट निर्माताओं के साथ काम करता है, स्थानीय सामग्री को अनुकूलित करता है और AI विश्लेषण का उपयोग करके उपयोग किए जाने वाले सीमेंट की मात्रा को कम करता है, जिससे CO2 पदचिह्न और कंक्रीट उत्पादन की लागत दोनों घटते हैं।
• FIDO AI की सीरीज़ B फंडिंग एक स्टार्ट‑अप है जो AI का उपयोग करके जल खपत को कम करता है और जल बचत बढ़ाता है।

समग्र रूप से, CRH कंक्रीट उद्योग में एक लाभदायक नेता है, और उद्योग के डिकार्बोनाइज़ेशन के लिए बहुत सक्रिय रूप से तैयारी कर रहा है, चाहे वह मौजूदा सुविधाओं में सीधे हो या नवाचारी स्टार्ट‑अप्स को पूंजी प्रदान करके जो अगली पीढ़ी की सीमेंट और कंक्रीट उत्पादन तकनीक बना रहे हैं।

CHR पर नवीनतम

संदर्भित अध्ययन:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). Electrodeposition of carbon‐trapping minerals in seawater for variable electrochemical potentials and carbon dioxide injections. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}