Mengekstraksi Material Semen dari Air Laut Sambil Menangkap Karbon

Beton adalah material penting di dunia modern, dengan pasir dan semen sebenarnya termasuk produksi material terbesar di dunia berdasarkan volume dan berat.

Sumber: Visual Capitalist

Produksi semen juga merupakan aktivitas yang sangat intensif energi. Ia juga hampir sepenuhnya didukung oleh bahan bakar fosil, yang mengakibatkan produksi semen bertanggung jawab atas 8% emisi CO2 dunia.

Ini dapat dibandingkan dengan emisi CO2 dari mobil dan van, yang bertanggung jawab atas 10% total emisi dunia. Jadi, membuat beton lebih berkelanjutan akan berdampak sebesar mengubah semua mobil dunia menjadi kendaraan listrik dan menyalurkannya hanya dengan energi hijau.

Sebagian besar emisi karbon dari pembuatan semen berasal dari penambangan, penghancuran, pemrosesan, dan pemurnian bahan mentah yang digunakan untuk memproduksinya. Seperti batu kapur, batu kaya kalsium karbonat (CaCO3) ditambang dan dicampur dengan tanah liat untuk memperoleh bahan mentah yang menjadi beton.

Ada potensi sumber kalsium karbonat lain di Bumi, yaitu air laut. Lautan mengandung banyak mineral terlarut, tentu saja garam meja (ion natrium dan klorin), tetapi juga magnesium, kalsium, kalium, dan bahkan logam, dengan terutama uranium, yang berpotensi suatu hari bersumber dari lautan dunia alih-alih tambang uranium. CO2 terlarut dalam bentuk ion karbonat juga melimpah di lautan, menjadikannya salah satu penyerap karbon paling kuat di Bumi.

Sumber: Advanced Sustainable Systems

Para ilmuwan dari Northwestern University dan CEMEX Innovation Holding AG (Swiss) kini sedang mengeksplorasi apakah mereka dapat memanfaatkan kelimpahan laut ini untuk memproduksi bahan mentah beton sambil menangkap CO2 alih-alih memancarkannya. Mereka mempublikasikan hasil eksperimental mereka di Advanced Sustainable Systems¹, dengan judul “Electrodeposition of Carbon-Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections”.

Elektrolisis Air

Air (H2O) dapat diuraikan menjadi unsur hidrogen dan oksigen dengan menerapkan arus listrik kuat, biasanya dengan beberapa jenis katalis untuk meningkatkan kecepatan dan efisiensi reaksi elektrokimia. Ini merupakan dasar produksi hidrogen hijau, di mana listrik bersumber dari energi terbarukan.

Namun, ketika melakukan prosedur ini dengan air yang tidak murni, dan lebih lagi dengan air laut, reaksi elektrolisis juga bereaksi dengan mineral yang terlarut dalam air.

Ini umumnya merupakan reaksi yang tidak diinginkan, karena dapat menghasilkan deposit pada elektroda dan mengalihkan energi dari tujuan utama produksi hidrogen.

Namun, mengubah kondisi elektrolisis dapat mengubah reaksi sampingan yang tidak diinginkan ini menjadi cara baru yang berharga untuk menghasilkan kalsium karbonat.

Memproduksi Semen dari Air Laut

Pasokan Tak Terbatas

Ini bukanlah ide baru, karena CaCO3 serta magnesium dari air laut memiliki banyak aplikasi dalam industri konstruksi, manufaktur, dan remediasi lingkungan, termasuk produksi beton, semen, plester, cat, dan pengisi.

Karena lautan luas yang menutupi Bumi dapat menyediakan pasokan material ini secara praktis tak terbatas, hal ini dianggap sebagai sumber paling berkelanjutan untuk material tersebut.

Sejauh ini, hanya mengeksplorasi elektroreduksi mineral ini belum menghasilkan cara yang layak secara ekonomi untuk memproduksi mereka dari air laut. Di sinilah peneliti Northwestern University menambahkan langkah penting tambahan: menambahkan CO2 ke proses.

Menyuntikkan CO2 ke dalam Air Laut

Karena air laut merupakan campuran kompleks banyak mineral, ketika melakukan elektrolisis, terjadi rangkaian proses elektrokimia sekaligus, mulai dari pengendapan ion kalsium dan magnesium hingga pembentukan gips dari sulfat, pembentukan gas klorin & hidrogen, serta perubahan keasaman di sekitar setiap elektroda.

Sumber: Advanced Sustainable Systems

Penyuntikan CO2 menambah kompleksitas karena menurunkan pH air laut. Penurunan pH akibat CO2 sebagian dikompensasi oleh produksi ion OH− dari energi listrik.

Pelarutan atau pengendapan kalsium karbonat sendiri bergantung pada keasaman air. Hal ini menjadi fenomena yang menjadi perhatian ilmuwan, karena saat atmosfer semakin kaya CO2, lautan menjadi lebih asam.

Jika arus listrik cukup kuat, dan produksi ion OH− cukup tinggi, pH dapat dipertahankan di atas 8,5.

Pada tingkat keasaman ini, reaksi kimia menangkap CO2 dan mengubahnya menjadi ion bikarbonat terlarut (HCO3-).

Sumber: Advanced Sustainable Systems

Ion bikarbonat ini kemudian bereaksi dengan kalsium dan mengendap menjadi kalsium karbonat, bahan dasar untuk produksi beton.

Mengoptimalkan Penyerapan Karbon

Dalam jenis reaksi ini, produksi kalsium karbonat yang dapat digunakan untuk industri semen akan menangkap CO2 yang disuntikkan alih-alih memancarkan CO2 ke atmosfer.

Untuk setiap tingkat daya yang digunakan, terdapat laju aliran CO2 yang disuntikkan optimal yang meminimalkan energi yang dikonsumsi sekaligus memaksimalkan hasil produksi mineral. Konsentrasi 0,30 sccm CO2 tampaknya menjadi titik optimal, di mana tingkat daya lebih rendah masih menghasilkan massa mineral yang tinggi.

Sumber: Advanced Sustainable Systems

Menciptakan Deposit yang Dapat Digunakan

Masalah dalam mengubah konsep ini menjadi aplikasi industri adalah masalah yang sama yang terjadi pada pengendapan kalsium karbonat selama produksi hidrogen melalui elektrolisis.

Seringkali, deposit kalsium akan menyumbat permukaan elektroda, merusak sistem secara keseluruhan dan membuatnya kurang efisien seiring waktu.

Namun, tingkat daya yang lebih tinggi yang digunakan dalam percobaan ini, ketika dikombinasikan dengan penyuntikan CO2, menyebabkan reaksi tambahan, sehingga kalsium karbonat yang mengendap terlepas dari elektroda.

Jadi secara keseluruhan, metode ini dapat menghasilkan karbonat dengan cara yang memudahkan pengumpulan sebagai deposit mineral di dasar tangki, tanpa menyumbat elektroda.

Menumbuhkan Kristal Mineral

Bergantung pada kondisi, terbentuk agregat mineral dengan bentuk kristal yang berbeda, terutama kristal kalsium karbonat (kalsit dan aragonit) serta kristal magnesium (brusit).

Sumber: Advanced Sustainable Systems

Secara keseluruhan, material yang dihasilkan dapat berupa kristal sepanjang beberapa sentimeter (1-2 inci), dan juga sangat berpori.

Komposisi, porositas, dan ukuran agregat yang disintesis menggunakan pendekatan yang diusulkan memenuhi standar saat ini untuk penggunaannya dalam material seperti beton.

Kesimpulan

Secara keseluruhan, publikasi ini membuktikan bahwa produksi material semen dengan jejak karbon negatif bukan hanya kemungkinan teoritis tetapi juga opsi yang layak ketika menggunakan penyuntikan karbon selama elektrolisis air laut.

Parameter kritis lainnya, seperti kekerasan dan ketahanan abrasi, masih perlu diteliti untuk konfirmasi lengkap bahwa material yang dihasilkan dapat digunakan untuk proyek konstruksi.

Proses ini secara inheren dapat diskalakan, tanpa batasan jelas dari ketersediaan material langka, konsumsi energi berlebih, atau hasil rendah.

Dengan membayangkan jaringan reaktor yang saling terhubung dan dapat diskalakan, pendekatan ini berpotensi diterapkan pada skala industri dan terintegrasi dengan infrastruktur yang ada, seperti fasilitas industri pesisir.

Kemajuan lebih lanjut dalam desain reaktor harus dapat meningkatkan efisiensi ekonomi dan energi secara keseluruhan, misalnya dengan mengoptimalkan geometri elektroda, material, dan dinamika aliran.

Akhirnya, air yang telah diekstraksi kalsium karbonatnya mungkin juga menjadi material menarik untuk langkah sekunder produksi hidrogen dari air laut, karena konsentrasi ion yang lebih rendah dapat membantu mengurangi masalah terkait deposit mineral pada elektroda.

Berinvestasi dalam Semen Berkelanjutan

Sebagai salah satu pemimpin dunia dalam produksi semen, CRH akan berperan penting dalam menjadikan konstruksi semen lebih berkelanjutan. Ia adalah nomor 1 dalam total volume material konstruksi yang disediakan di pasar AS dan Eropa.

Perusahaan ini beroperasi di 28 negara dan 3.390 lokasi, mempekerjakan 78.500 orang, dengan CRH Americas menyumbang 65% penjualan globalnya.

Sumber: CRH

Perusahaan memperkirakan bahwa pengeluaran kuat oleh pemerintah Barat untuk infrastruktur akan membantu pertumbuhan bisnisnya. Tren reindustrialiasi dan on-shoring manufaktur teknologi tinggi juga akan membantu.

Keberlanjutan

CRH telah membuat kemajuan serius dalam keberlanjutan dengan serangkaian inisiatif:

• Ia adalah perajang daur ulang terbesar nomor 1 di Amerika Utara, dengan 43,9 juta ton limbah dan produk sampingan dari industri lain yang didaur ulang pada 2023.
• Ia mengurangi emisi CO2 sebesar 8% pada 2023, berkat penggunaan 36% bahan bakar alternatif di pabrik semen.
• Ia menargetkan pengurangan emisi sebesar 30% pada 2030 (dibandingkan dengan emisi 2021).

Ini patut dipuji, namun dapat dianggap terlalu sedikit, terlalu terlambat.

Untungnya, CRH juga menjadi penggerak perubahan yang lebih mendasar di industri. Secara khusus, ia telah menginvestasikan $75 juta ke perusahaan semen rendah karbon Sublime, bersama dengan raksasa beton Eropa Holcim.

Sublime Systems dipisahkan dari MIT pada 2020 untuk memanfaatkan elektroliser dalam memproduksi semen pada suhu ambient, menggantikan kiln yang intensif energi dan bahan bakar fosil. Ini juga memungkinkan penggunaan sumber kalsium sebagai bahan input, menghindari pelepasan CO2 dari batu kapur.

Fasilitas komersial pertama Sublime di Holyoke, Massachusetts, diperkirakan akan dibuka paling awal pada 2026. Jika terbukti berhasil, ini dapat menjadi pengubah permainan nyata bagi industri semen dan membuka jalan bagi beton berskala rendah emisi.

“Sublime adalah kekuatan disruptif dalam pembuatan semen. Teknologinya yang unik melintasi seluruh proses produksi, mulai dari penggunaan listrik bersih hingga bahan baku bebas karbon. Kami bersemangat tentang potensinya dan senang dapat bermitra untuk membawanya ke pasar secara skala. Investasi ini sepenuhnya sejalan dengan strategi Holcim untuk mempercepat dekarbonisasi konstruksi dengan meningkatkan teknologi paling inovatif.” Officer Nollaig Forrest – Holcim’s Chief Sustainability

CRH juga berinvestasi di startup dekarbonisasi dan keberlanjutan lainnya:

• €23,7 juta di Cool Planet Technologies, yang mengembangkan solusi penangkap karbon untuk industri yang secara tradisional sulit didekarbonisasi.
• $34,7 juta oleh CRH dan investor lain di Carbon Upcycling Technologies, yang menggunakan solusi mineralisasi seluruhnya listrik untuk menyimpan CO2 secara permanen dalam produk sampingan industri dan mineral, seperti semen, plastik, produk konsumen, pupuk, dan farmasi.
• AICrete, platform ‘recipe-as-a-service’ yang bekerja dengan produsen beton lokal, mengoptimalkan material lokal dan meminimalkan jumlah semen yang digunakan dengan analisis AI, mengurangi jejak CO2 dan biaya produksi beton.
• Pendanaan Seri B FIDO AI adalah startup yang menggunakan AI untuk mengurangi konsumsi air dan meningkatkan penghematan air.

Secara keseluruhan, CRH adalah pemimpin yang menguntungkan di industri beton, dan sangat aktif mempersiapkan dekarbonisasi industri, baik secara langsung di fasilitas yang ada maupun sebagai penyedia modal utama bagi startup inovatif yang menciptakan generasi berikutnya teknologi produksi semen dan beton.

Terbaru tentang CHR

Studi yang Dirujuk:

^{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}