Extrahering av cementmaterial från havsvatten samtidigt som koldioxid fångas

Betong är ett grundläggande material i den moderna världen, där sand och cement faktiskt är bland de största materialprodukterna i världen sett till volym och vikt.

Käll a: Visual Capitalist

Cementproduktion är också en mycket energiintensiv aktivitet. Den drivs nästan uteslutande av fossila bränslen, vilket resulterar i att cementproduktionen står för 8 % av världens CO2-utsläpp.

Detta kan jämföras med CO2-utsläppen från bilar och skåpbilar, som står för 10 % av världens totala utsläpp. Så att göra betong mer hållbar skulle vara lika genomslag som att omvandla alla världens bilar till elbilar och driva dem enbart med grön energi.

En stor del av koldioxidutsläppen från cementtillverkning kommer från brytning, krossning, bearbetning och raffinering av de råmaterial som används för att producera det. Liksom kalksten bryts kalkkarbonatrika bergarter (CaCO3) och blandas med lera för att erhålla råmaterialet som blir betong.

Det finns potentiellt en annan källa till kalciumkarbonat på jorden, nämligen havsvatten. Haven innehåller många lösta mineraler, naturligtvis bordssalt (natrium- och kloridjoner), men också magnesium, kalcium, kalium och till och med metaller, med särskilt uran, som eventuellt en dag kan utvinnas från världens hav istället för urangruvor. Löst CO2 i form av karbonatjoner är också rikligt i haven, vilket gör dem till en av jordens mest kraftfulla kolsänkor.

Käll a: Advanced Sustainable Systems

Forskare från Northwestern University och CEMEX Innovation Holding AG (Schweiz) undersöker nu om de kan utnyttja detta havsbaserade överflöd för att producera betongs råmaterial samtidigt som de fångar CO2 istället för att släppa ut det. De publicerade sina experimentella resultat i Advanced Sustainable Systems¹, under titeln “Electrodeposition of Carbon‑Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections”.

Vattenelektrolys

Vatten (H2O) kan brytas ner till sina beståndsdelar väte och syre genom att tillföra en kraftfull elektrisk ström, vanligtvis med någon form av katalysator för att förbättra hastigheten och effektiviteten i den elektrokemiska reaktionen. Detta är grunden för grön vätgasproduktion, där elen kommer från förnybara energikällor.

Men när man utför detta förfarande med icke‑renat vatten, och ännu mer med havsvatten, reagerar elektrolysreaktionen också med de mineraler som är lösta i vattnet.

Detta är i allmänhet en oönskad reaktion, eftersom den kan skapa avlagringar på elektroderna och avleda energi från det avsedda målet att producera väte.

Dock kan justering av elektrolysvillkoren omvandla denna oönskade biproduktreaktion till ett värdefullt nytt sätt att producera kalciumkarbonat.

Produktion av cement från havsvatten

Obegränsade leveranser

Detta är inte nödvändigtvis en ny idé, eftersom CaCO3 samt magnesium från havsvatten har en mängd olika tillämpningar inom bygg-, tillverknings- och miljöåterställningsindustrin, inklusive produktion av betong, cement, puts, målningar och fyllmedel.

Eftersom de enorma haven som täcker jorden skulle kunna erbjuda ett praktiskt obegränsat utbud av detta material, har detta betraktats som den mest hållbara potentiella källan till dessa material.

Hittills har bara utforskning av elektroreduktionen av dessa mineraler inte lett till ett hållbart sätt att göra deras produktion från havsvatten ekonomisk. Här introducerade forskarna från Northwestern University ett avgörande extra steg: att tillsätta CO2 till processen.

Injicering av CO2 i havsvatten

Eftersom havsvatten är en komplex blandning av många mineraler sker en rad elektrokemiska processer samtidigt vid elektrolys, från utfällning av kalcium‑ och magnesiumjoner till bildning av gips från sulfater, generering av klor‑ och vätegas, samt en förändring av surhetsgraden runt varje elektrod.

Käll a: Advanced Sustainable Systems

Injektionen av CO2 tillför ytterligare komplexitet eftersom den sänker pH‑värdet i havsvattnet. pH‑sänkningen från CO2 kompenseras delvis av produktionen av OH−‑joner från den elektriska energin.

Upplösning eller utfällning av kalciumkarbonat beror i sig på vattnets surhet. Detta är ett fenomen som oroar forskare, eftersom atmosfären blir rikare på CO2 och haven blir mer sura.

Om den elektriska strömmen är tillräckligt stark, och därmed produktionen av OH−‑joner, kan den vara tillräckligt hög för att hålla pH över 8,5.

Vid dessa surhetsnivåer fångar de kemiska reaktionerna CO2 och omvandlar det till lösta bikarbonatjoner (HCO3‑).

Käll a: Advanced Sustainable Systems

Dessa bikarbonatjoner reagerar sedan med kalcium och fälls ut som kalciumkarbonat, basmaterialet för betongproduktion.

Optimera koldioxidlagring

I denna typ av reaktion skulle produktionen av kalciumkarbonat som kan användas i cementindustrin fånga den injicerade CO2 istället för att släppa ut CO2 i atmosfären.

För varje given effektnivå finns ett optimalt flöde av injicerad CO2 som minimerar den förbrukade energin samtidigt som mineralproduktionen maximeras. En koncentration på 0,30 sccm CO2 visade sig vara den ideala balansen, där en lägre effektnivå fortfarande ger en hög massa av mineralutfällning.

Käll a: Advanced Sustainable Systems

Skapa en användbar avsättning

Ett problem med att omvandla detta koncept till industriell tillämpning är samma problem som uppstår vid kalciumkarbonatutfällning under vätgasproduktion via elektrolys.

Ofta kommer kalciumavlagringen att täppa till elektrodens yta, skada hela systemet och göra det mindre effektivt över tid.

Dock orsakade de högre effektnivåerna som användes i detta experiment, i kombination med CO2‑injektion, ytterligare reaktioner som fick den utfällda kalciumkarbonaten att lossna från elektroden.

Sammanfattningsvis skulle denna metod kunna producera karbonatet på ett sätt som gör det enkelt att samla som en mineralavsättning i botten av tanken, utan att täppa till elektroden.

Odling av mineralkristaller

Beroende på förhållandena bildas olika mineralaggregat med olika kristallförhållanden, särskilt kalciumkarbonatkristaller (kalkit och aragonit) och magnesiumkristall (brucit).

Käll a: Advanced Sustainable Systems

Sammanlagt kan det resulterande materialet bestå av kristaller flera centimeter långa (1–2 tum) och är också mycket poröst.

Sammansättningen, porositeten och storleken på de aggregat som syntetiseras med den föreslagna metoden uppfyller nuvarande standarder för deras användning i material som betong.

Slutsats

Sammanfattningsvis visar denna publikation att produktionen av koldioxidnegativt cementmaterial inte bara är en teoretisk möjlighet utan ett genomförbart alternativ när koldioxidinjektion används under elektrolys av havsvatten.

Andra kritiska parametrar, såsom hårdhet och nötningstålighet, måste fortfarande undersökas för att fullt bekräfta att det resulterande materialet är användbart för byggprojekt.

Denna process är i sig skalbar, utan uppenbara begränsningar från sällsynt materialtillgång, överdriven energiförbrukning eller låga avkastningar.

Genom att föreställa sig ett nätverk av sammankopplade, skalbara reaktorer har detta tillvägagångssätt potential att implementeras i industriell skala och integreras med befintlig infrastruktur, såsom kustnära industrifaciliteter.

Ytterligare framsteg i reaktordesignen bör kunna öka den totala ekonomiska och energimässiga effektiviteten, exempelvis genom att optimera elektrodgeometri, material och flödesdynamik.

I slutändan kan vattnet som kalciumkarbonatet har extraherats från eventuellt också vara ett intressant material för ett sekundärt steg av vätgasproduktion från havsvatten, eftersom den lägre jonkoncentrationen bör hjälpa till att minska problemen med mineralavlagringar på elektroden.

Investera i hållbart cement

Som en av världens ledande aktörer inom cementproduktion kommer CRH att vara avgörande för att göra cementkonstruktion mer hållbar. Det är nummer ett i total volym av byggmaterial som levereras både i USA och på de europeiska marknaderna.

Företaget är verksamt i 28 länder och 3 390 anläggningar, med 78 500 anställda, och CRH Americas står för 65 % av dess globala försäljning.

Käll a: CRH

Företaget förväntar sig att robusta investeringar från västerländska regeringar i infrastruktur kommer att hjälpa till att växa sin verksamhet. Trenderna med reindustrialisering och återföring av högteknologisk tillverkning inhemskt bör också vara till hjälp.

Hållbarhet

CRH har gjort betydande framsteg inom hållbarhet med en rad initiativ:

• Det är den största återvinnaren i Nordamerika, med 43,9 miljoner ton avfall och biprodukter från andra industrier återvunna år 2023.
• Det minskade sina CO2‑utsläpp med 8 % år 2023, tack vare att 36 % alternativa bränslen användes i dess cementverk.
• Det siktar på en minskning av utsläppen med 30 % till 2030 (jämfört med utsläppen 2021).

Detta är lovvärt i sig, men kan ses som för lite, för sent.

Lyckligtvis är CRH också en drivkraft för mer grundläggande förändringar i branschen. Särskilt har det investerat 75 miljoner dollar i det låga koldioxidcementföretaget Sublime, tillsammans med den europeiska betongjätten Holcim.

Sublime Systems bildades ur MIT år 2020 för att använda en elektrolysör för att producera cement vid rumstemperatur, vilket ersätter energikrävande och fossila bränsleintensiva ugnar. Det möjliggör även användning av kalciumkällor som insatsmaterial, vilket undviker utsläpp av CO2 från kalkstensinsats.

Sublimes första kommersiella anläggning i Holyoke, Massachusetts, förväntas öppnas redan 2026. Om den visar sig framgångsrik kan den bli den verkliga spelväxlaren för cementindustrin och öppna vägen för skalbar lågutsläppsbetong.

“Sublime är en disruptiv kraft inom cementtillverkning. Dess unika teknik genomsyrar hela produktionsprocessen, från användning av ren el till koldioxidfria råmaterial. Vi är entusiastiska över dess potential och glada över att samarbeta för att föra den till marknaden i skala. Denna investering är helt i linje med Holcims strategi att påskynda avkarboniseringen av byggsektorn genom att skala upp de mest innovativa teknologierna.”
Officer Nollaig Forrest – Holcims Chief Sustainability

CRH har också investerat i andra avkarboniserings- och hållbarhetsstartups:

• 23,7 miljoner € i Cool Planet Technologies, som utvecklar koldioxidavskiljningslösningar för industrier som traditionellt har varit svåra att avkarbonisera.
• 34,7 miljoner $ av CRH och andra investerare i Carbon Upcycling Technologies, som använder en helt elektrisk mineraliseringslösning för att permanent lagra CO2 i industriella biprodukter och mineraler, såsom cement, plast, konsumentprodukter, gödselmedel och läkemedel.
• AICrete, en ‘recept‑som‑en‑tjänst’-plattform som samarbetar med lokala betongproducenter, optimerar lokala material och minimerar mängden cement som används med hjälp av AI‑analyser, vilket minskar både CO2‑avtrycket och kostnaden för betongproduktion.
• FIDO AI:s Series B-finansiering är en startup som använder AI för att minska vattenförbrukningen och öka vattenbesparingar.

Sammanfattningsvis är CRH en lönsam ledare inom betongindustrin och förbereder sig mycket aktivt för avkarboniseringen av branschen, både direkt i befintliga anläggningar och genom att vara en viktig kapitalleverantör till innovativa startups som skapar nästa generation av cement- och betongproduktions teknologi.

Senaste om CHR

Studier refererade:

^{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}