Extraindo Material de Cimento da Água do Mar Enquanto Captura Carbono

O concreto é um material essencial no mundo moderno, com areia e cimento realmente entre as maiores produções de material do mundo em volume e peso.

Fonte: Visual Capitalist

A produção de cimento também é uma atividade muito intensiva em energia. Ela também é quase exclusivamente alimentada por combustíveis fósseis, resultando em a produção de cimento ser responsável por 8% das emissões de CO2 do mundo.

Isso pode ser comparado às emissões de CO2 de carros e vans, que são responsáveis por 10% das emissões totais do mundo. Portanto, tornar o concreto mais sustentável teria um impacto semelhante ao de transformar todos os carros do mundo em veículos elétricos e alimentá‑los apenas com energia verde.

Grande parte das emissões de carbono da fabricação de cimento provém da mineração, trituração, processamento e refino das matérias‑primas usadas para produzi‑lo. Como a calcária, rochas ricas em carbonato de cálcio (CaCO3) são extraídas e misturadas com argila para obter a matéria‑prima que se torna concreto.

Existe potencialmente outra fonte de carbonato de cálcio na Terra, que é a água do mar. Os oceanos contêm muitos minerais dissolvidos, com, claro, o sal de mesa (íons de sódio e cloro), mas também magnésio, cálcio, potássio e até metais, com notavelmente urânio, potencialmente um dia extraído dos oceanos ao invés de minas de urânio. CO2 dissolvido na forma de íons carbonato também é abundante nos oceanos, tornando‑os um dos sumidouros de carbono mais poderosos da Terra.

Fonte: Advanced Sustainable Systems

Cientistas da Northwestern University e da CEMEX Innovation Holding AG (Suíça) estão agora explorando se podem aproveitar essa abundância marítima para produzir a matéria‑prima do concreto enquanto capturam CO2 ao invés de emiti‑‑lo. Eles publicaram seus resultados experimentais na Advanced Sustainable Systems¹, sob o título “Electrodeposition of Carbon‑Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections”.

Eletrólise da Água

Água (H2O) pode ser decomposta em seus constituintes de hidrogênio e oxigênio aplicando uma corrente elétrica potente, geralmente com algum tipo de catalisador para melhorar a velocidade e eficiência da reação eletroquímica. Esta é a base da produção de hidrogênio verde, onde a eletricidade provém de fontes renováveis.

No entanto, ao realizar este procedimento com água não pura, e ainda mais com água do mar, a reação de eletrólise também reage com os minerais dissolvidos na água.

Isso geralmente é uma reação indesejada, pois pode criar depósitos nos eletrodos e desviar energia do objetivo pretendido de produção de hidrogênio.

No entanto, ajustar as condições da eletrólise pode transformar essa reação secundária indesejada em uma nova forma valiosa de produzir carbonato de cálcio.

Produzindo Cimento a partir da Água do Mar

Suprimentos Ilimitados

Não é necessariamente uma ideia nova, pois CaCO3 assim como magnésio da água do mar têm inúmeras aplicações nas indústrias de construção, manufatura e remediação ambiental, incluindo a produção de concreto, cimento, gesso, tintas e preenchimentos.

Como os vastos oceanos que cobrem a Terra forneceriam um suprimento praticamente ilimitado desse material, isso tem sido considerado a fonte potencial mais sustentável desses materiais.

Até agora, apenas explorar a eletroredução desses minerais não resultou em um método viável de tornar sua produção a partir da água do mar econômica. É aqui que os pesquisadores da Northwestern University adicionaram uma etapa crucial: a injeção de CO2 ao processo.

Injetando CO2 na Água do Mar

Como a água do mar é uma mistura complexa de muitos minerais, ao aplicar eletrólise ocorre simultaneamente uma rede de processos eletroquímicos, desde precipitações de íons de cálcio e magnésio até a formação de gesso a partir de sulfatos, a geração de cloro e gás hidrogênio, bem como uma mudança na acidez ao redor de cada eletrodo.

Fonte: Advanced Sustainable Systems

A injeção de CO2 adiciona mais complexidade, pois diminui o pH da água do mar. A diminuição do pH causada pelo CO2 é parcialmente compensada pela produção de íons OH− a partir da energia elétrica.

A dissolução ou precipitação de carbonato de cálcio depende da acidez da água. Por isso, é um fenômeno que preocupa os cientistas, pois à medida que a atmosfera se enriquece em CO2, os oceanos ficam mais ácidos.

Se a corrente elétrica for suficientemente potente, e portanto a produção de íons OH−, ela pode ser alta o bastante para manter o pH acima de 8,5.

Nesses níveis de acidez, as reações químicas capturam o CO2 e o transformam em íons bicarbonato dissolvidos (HCO3-).

Fonte: Advanced Sustainable Systems

Esses íons bicarbonato então reagem com cálcio e precipitam como carbonato de cálcio, o material base para a produção de concreto.

Otimizando a Sequestro de Carbono

Neste tipo de reação, a produção de carbonato de cálcio utilizável para a indústria do cimento capturaria o CO2 injetado ao invés de emitir CO2 na atmosfera.

Para qualquer nível de energia utilizado, existe uma taxa ótima de fluxo de CO2 injetado que minimiza a energia consumida enquanto maximiza o rendimento da produção mineral. Uma concentração de 0,30 sccm de CO2 parece ser esse ponto ideal, onde um nível de potência mais baixo ainda resulta em uma alta massa de mineral precipitado.

Fonte: Advanced Sustainable Systems

Criando um Depósito Utilizável

Um problema ao transformar esse conceito em aplicação industrial é o mesmo que ocorre na precipitação de carbonato de cálcio durante a produção de hidrogênio via eletrólise.

Na maioria das vezes, o depósito de cálcio entope a superfície do eletrodo, danificando o sistema geral e tornando‑o menos eficiente ao longo do tempo.

No entanto, os níveis de potência mais altos usados neste experimento, quando combinados com a injeção de CO2, causaram reações adicionais, fazendo com que o carbonato de cálcio precipitado se desprendesse do eletrodo.

Portanto, esse método poderia produzir o carbonato de forma que seja fácil de coletar como um depósito mineral no fundo do tanque, sem entupir o eletrodo.

Crescendo Cristais Minerais

Dependendo das condições, diferentes agregados minerais se formam com diferentes condições cristalinas, especialmente cristais de carbonato de cálcio (calcita e aragonita) e cristais de magnésio (brucita).

Fonte: Advanced Sustainable Systems

No geral, o material resultante pode ser composto por cristais de vários centímetros de comprimento (1‑2 polegadas), e também é muito poroso.

A composição, porosidade e tamanho dos agregados sintetizados usando a abordagem proposta atendem aos padrões atuais para seu uso em materiais como o concreto.

Conclusão

No geral, esta publicação demonstra que a produção de material de cimento com emissão negativa de carbono não é apenas uma possibilidade teórica, mas uma opção viável ao usar injeção de carbono durante a eletrólise da água do mar.

Outros parâmetros críticos, como dureza e resistência à abrasão, ainda precisam ser investigados para confirmação completa de que o material resultante é utilizável em projetos de construção.

Este processo é inerentemente escalável, sem limitações óbvias de disponibilidade de materiais raros, consumo excessivo de energia ou baixos rendimentos.

Ao imaginar uma rede de reatores interconectados e escaláveis, essa abordagem tem o potencial de ser implantada em escala industrial e integrada à infraestrutura existente, como instalações industriais costeiras.

Avanços adicionais no design dos reatores devem ser capazes de aumentar a eficiência econômica e energética geral, por exemplo, otimizando a geometria dos eletrodos, materiais e dinâmica de fluxo.

Em última análise, a água da qual o carbonato de cálcio foi extraído poderia também ser um material interessante para uma etapa secundária de geração de hidrogênio a partir da água do mar, já que a menor concentração de íons deveria ajudar a reduzir os problemas ligados a depósitos minerais no eletrodo.

Investindo em Cimento Sustentável

CRH Plc

Como um dos líderes mundiais na produção de cimento, a CRH será fundamental para transformar a construção em cimento em uma indústria mais sustentável. É a número 1 em volume total de material de construção fornecido tanto nos mercados dos EUA quanto da Europa.

A empresa está presente em 28 países e 3.390 locais, empregando 78.500 pessoas, com a CRH Americas representando 65% de suas vendas globais.

Fonte: CRH

A empresa espera que os gastos robustos dos governos ocidentais em infraestrutura ajudem a expandir seus negócios. As tendências de reindustrialização e de relocalização da manufatura de alta tecnologia também devem contribuir.

Sustentabilidade

A CRH fez progressos sérios em sustentabilidade com uma série de iniciativas:

• É o maior reciclador da América do Norte, com 43,9 milhões de toneladas de resíduos e subprodutos de outras indústrias reciclados em 2023.
• Reduziu suas emissões de CO2 em 8% em 2023, graças ao uso de 36% de combustíveis alternativos em suas fábricas de cimento.
• Almeja uma redução de emissões de 30% até 2030 (comparado às emissões de 2021).

Isso é louvável por si só, mas pode ser visto como pouco, tarde demais.

Felizmente, a CRH também é impulsionadora de mudanças mais fundamentais na indústria. Notavelmente, investiu US$75 M na empresa de cimento de baixo carbono Sublime, junto com a gigante europeia de concreto Holcim.

Sublime Systems foi criada a partir do MIT em 2020 para utilizar um eletrólito para produzir cimento em temperaturas ambientes, substituindo fornos intensivos em energia e combustíveis fósseis. Também permite o uso de fontes de cálcio como material de entrada, evitando a liberação de CO2 a partir da calcária.

A primeira instalação comercial da Sublime em Holyoke, Massachusetts, está prevista para abrir já em 2026. Se comprovada bem‑sucedida, poderia ser o verdadeiro divisor de águas para a indústria do cimento e abrir caminho para concreto de baixa emissão em escala.

“Sublime é uma força disruptiva na produção de cimento. Sua tecnologia única atravessa todo o processo de produção, desde o uso de energia limpa até matérias‑primas livres de carbono. Estamos entusiasmados com seu potencial e felizes por nos associarmos para levá‑la ao mercado em escala. Este investimento está totalmente alinhado com a estratégia da Holcim de acelerar a descarbonização da construção, ampliando as tecnologias mais inovadoras.”
Oficial Nollaig Forrest – Chefe de Sustentabilidade da Holcim

A CRH também investiu em outras startups de descarbonização e sustentabilidade:

• €23,7 milhões em Cool Planet Technologies, desenvolvendo soluções de captura de carbono para indústrias que tradicionalmente são difíceis de descarbonizar.
• $34,7 M por CRH e outros investidores em Carbon Upcycling Technologies, usando uma solução de mineralização totalmente elétrica para armazenar permanentemente CO2 em subprodutos industriais e minerais, como cimento, plásticos, produtos de consumo, fertilizantes e produtos farmacêuticos.
• AICrete, uma plataforma ‘receita‑como‑serviço’ que trabalha com produtores locais de concreto, otimizando materiais locais e minimizando a quantidade de cimento usado mediante análises de IA, reduzindo tanto a pegada de CO2 quanto o custo da produção de concreto.
• O financiamento da Série B da FIDO AI é uma startup que usa IA para reduzir o consumo de água e aumentar a economia de água.

No geral, a CRH é um líder lucrativo na indústria do concreto, e está se preparando ativamente para a descarbonização do setor, tanto diretamente em instalações existentes quanto sendo um importante provedor de capital para startups inovadoras que criam a próxima geração de tecnologia de produção de cimento e concreto.

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Estudos Referenciados:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). Eletrodeposição de minerais de captura de carbono em água do mar para potenciais eletroquímicos variáveis e injeções de dióxido de carbono. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}