Karbon Yakalanırken Deniz Suyundan Çimento Malzemesi Çıkarılması

Beton, modern dünyanın vazgeçilmez bir malzemesidir; kum ve çimento, hacim ve ağırlık bakımından dünyada en çok üretilen malzemeler arasındadır.

Kaynak: Görsel Kapitalist

Çimento üretimi de oldukça enerji yoğun bir faaliyettir. Ayrıca neredeyse sadece fosil yakıtlarla çalıştırılır, bu da Çimento üretiminin dünyadaki CO8 emisyonlarının %2'inden sorumlu olması.

Bu, otomobillerin ve kamyonetlerin CO2 emisyonlarına benzetilebilir. Dünya'nın toplam emisyonlarının %10'undan sorumlu olanYani betonu daha sürdürülebilir hale getirmek, dünyadaki tüm arabaları elektrikli araçlara dönüştürüp, onları yalnızca yeşil enerjiyle çalıştırmak kadar etkili olacaktır.

Çimento üretiminden kaynaklanan karbon emisyonlarının çoğu, onu üretmek için kullanılan ham maddelerin çıkarılması, kırılması, işlenmesi ve rafine edilmesinden kaynaklanır. Kireç taşı gibi, kalsiyum karbonat açısından zengin kayalar (CaCO3) çıkarılır ve kil ile karıştırılarak betona dönüşen ham madde elde edilir.

Dünyada kalsiyum karbonatın potansiyel olarak bir başka kaynağı daha var, o da deniz suyudur. Okyanuslar, tabii ki sofra tuzu (sodyum ve klor iyonları) olmak üzere çok sayıda çözünmüş mineral içerir, ancak aynı zamanda magnezyum, kalsiyum, potasyum ve hatta metaller de içerir. özellikle uranyum, potansiyel olarak bir gün uranyum madenleri yerine dünyanın okyanuslarından elde edilebilir. Okyanuslarda karbonat iyonları formunda çözünmüş CO2 de bol miktarda bulunur ve bu da onları Dünya'nın en güçlü karbon depolarından biri haline getirir.

Kaynak: Gelişmiş Sürdürülebilir Sistemler

Northwestern Üniversitesi ve CEMEX Innovation Holding AG'den (İsviçre) bilim insanları şimdi bu denizden gelen bolluğu, CO2'yi yaymak yerine yakalayarak betonun ham maddesini üretmek için kullanıp kullanamayacaklarını araştırıyorlar. Deneysel sonuçlarını Advanced Sustainable Systems'da yayınladılar¹, Başlığın altında "Değişken Elektrokimyasal Potansiyeller ve Karbondioksit Enjeksiyonları için Deniz Suyunda Karbon Tutan Minerallerin Elektrokaplanması anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.

Su Elektrolizi

Su (H2O), genellikle elektrokimyasal reaksiyonun hızını ve verimliliğini artırmak için bir tür katalizörle birlikte güçlü bir elektrik akımı uygulanarak hidrojen ve oksijen bileşenlerine ayrılabilir. Bu, elektriğin yenilenebilir kaynaklardan sağlandığı yeşil hidrojen üretiminin temelidir.

Ancak bu işlemin saf olmayan su ile, hatta daha da kötüsü deniz suyu ile yapılması durumunda, elektroliz reaksiyonu suda çözünmüş minerallerle de reaksiyona girmektedir.

Bu genellikle istenmeyen bir reaksiyondur, çünkü elektrotlarda tortular oluşturabilir ve hidrojen üretiminin amaçlanan hedefinden enerjiyi saptırabilir.

Ancak elektroliz koşullarının ayarlanması, bu istenmeyen yan ürün reaksiyonunu kalsiyum karbonat üretmenin değerli yeni bir yoluna dönüştürebilir.

Deniz suyundan çimento üretimi

sınırsız Malzemeleri

Bu, yeni bir fikir değil; zira deniz suyundan elde edilen CaCO3 ve magnezyumun inşaat, imalat ve çevre iyileştirme endüstrilerinde beton, çimento, sıva, boya ve dolgu malzemeleri üretimi de dahil olmak üzere çok sayıda uygulaması bulunmaktadır.

Dünyayı kaplayan uçsuz bucaksız okyanuslar bu malzemenin neredeyse sınırsız bir kaynağını sağlayacağından, bu, bu malzemelerin en sürdürülebilir potansiyel kaynağı olarak kabul edilmiştir.

Şimdiye kadar, bu minerallerin elektroredüksiyonunu araştırmak, deniz suyundan üretimlerini ekonomik hale getirmek için uygulanabilir bir yol ortaya koymadı. Northwestern Üniversitesi araştırmacılarının önemli bir ek adım getirdiği yer burası: işleme CO2 eklemek.

Deniz Suyuna CO2 Enjekte Etmek

Deniz suyu, birçok mineralin karmaşık bir karışımı olduğundan, elektroliz uygulandığında, kalsiyum ve magnezyum iyonlarının çökelmesinden, sülfatlardan alçıtaşı oluşumuna, klor ve hidrojen gazı oluşumuna ve her elektrotun etrafındaki asitliğin değişmesine kadar bir elektrokimyasal ağ meydana gelir.

Kaynak: Gelişmiş Sürdürülebilir Sistemler

CO2 enjeksiyonu deniz suyunun pH'ını düşürdüğü için biraz daha karmaşıklık katar. CO2'den kaynaklanan pH düşüşü, elektrik enerjisinden OH- iyonlarının üretimiyle kısmen telafi edilir.

Kalsiyum karbonatın çözünmesi veya çökelmesi suyun asitliğine bağlıdır. Bu konuda, atmosfer CO2 bakımından zenginleştikçe okyanuslar daha asidik hale geldiğinden, bilim insanları için endişe verici bir olgudur.

Elektrik akımı yeterince güçlü ise ve dolayısıyla OH- iyonları üretimi de yeterli ise, pH'ı 8.5'in üzerinde tutmak için yeterince yüksek olabilir.

Bu asitlik seviyelerinde kimyasal reaksiyonlar CO2'yi yakalar ve çözünmüş bikarbonat iyonlarına (HCO3-) dönüştürür.

Kaynak: Gelişmiş Sürdürülebilir Sistemler

Bu bikarbonat iyonları daha sonra kalsiyumla reaksiyona girerek beton üretiminin temel malzemesi olan kalsiyum karbonata çöker.

Karbon Tutulmasını Optimize Etme

Bu tip reaksiyonda, çimento sanayiinde kullanılabilecek kalsiyum karbonat üretimi, atmosfere CO2 salınımı yerine, enjekte edilen CO2'nin tutulmasıyla gerçekleşecektir.

Kullanılan herhangi bir güç seviyesi için, tüketilen enerjiyi en aza indirirken mineral üretim verimini en üst düzeye çıkaran enjekte edilen CO2'nin optimum bir akış hızı vardır. 0.30 sccm'lik bir CO2 konsantrasyonu, daha düşük bir güç seviyesinin bile yüksek miktarda mineral çökelmesine neden olduğu çok uygun bir nokta gibi görünmektedir.

Kaynak: Gelişmiş Sürdürülebilir Sistemler

Kullanılabilir Bir Mevduat Oluşturma

Bu kavramın endüstriyel uygulamaya geçirilmesinde karşılaşılan bir sorun, elektroliz yoluyla hidrojen üretimi sırasında kalsiyum karbonat çökelmesinde ortaya çıkan sorunun aynısıdır.

Çoğu zaman, kalsiyum birikintisi elektrot yüzeyini tıkayarak genel sisteme zarar verir ve zamanla daha az verimli hale getirir.

Ancak bu deneyde kullanılan daha yüksek güç seviyeleri, CO2 enjeksiyonu ile birleştirildiğinde ek reaksiyonlara neden olarak çökelti kalsiyum karbonatın elektrottan ayrılmasına yol açtı.

Yani genel olarak bu yöntem, karbonatın elektrotu tıkamadan, tankın dibinde mineral birikintisi olarak toplanmasını kolaylaştıracak şekilde üretilmesini mümkün kılacaktır.

Büyüyen Mineral Kristalleri

Koşullara bağlı olarak farklı kristal yapılarına sahip farklı mineral agregaları, özellikle kalsiyum karbonat kristalleri (kalsit ve aragonit) ve magnezyum kristalleri (brusit) oluşur.

Kaynak: Gelişmiş Sürdürülebilir Sistemler

Sonuçta ortaya çıkan malzeme, birkaç santimetre uzunluğunda (1-2 inç) kristalden yapılabilir ve aynı zamanda oldukça gözeneklidir.

Önerilen yaklaşım kullanılarak sentezlenen agregaların bileşimi, gözenekliliği ve boyutu, beton gibi malzemelerde kullanımları için geçerli olan mevcut standartları karşılamaktadır.

Sonuç

Genel olarak bu yayın, karbon-negatif çimento malzemesi üretiminin sadece teorik bir olasılık olmadığını, aynı zamanda deniz suyunun elektrolizi sırasında karbon enjeksiyonu kullanıldığında uygulanabilir bir seçenek olduğunu kanıtlamaktadır.

Elde edilen malzemenin inşaat projelerinde kullanılabilir olduğunun tam olarak doğrulanması için sertlik ve aşınma direnci gibi diğer kritik parametrelerin araştırılması gerekmektedir.

Bu süreç doğası gereği ölçeklenebilirdir ve nadir bulunan malzemelerin bulunması, aşırı enerji tüketimi veya düşük verim gibi belirgin sınırlamalar içermez.

Birbirine bağlı, ölçeklenebilir reaktörlerden oluşan bir ağ öngören bu yaklaşımın, endüstriyel ölçeklerde konuşlandırılma ve kıyı endüstriyel tesisleri gibi mevcut altyapılarla entegre edilme potansiyeli bulunmaktadır.

Reaktör tasarımında daha fazla ilerleme kaydedilmesi, örneğin elektrot geometrisi, malzemeler ve akış dinamiklerinin optimize edilmesi yoluyla genel ekonomikliği ve enerji verimliliğini artırmayı sağlayabilir.

Sonuç olarak, kalsiyum karbonatın çıkarıldığı su, deniz suyundan hidrojen üretiminin ikinci aşaması için de ilginç bir malzeme olabilir; çünkü daha düşük iyon konsantrasyonu, elektrot üzerindeki mineral birikintileriyle bağlantılı sorunları azaltmaya yardımcı olmalıdır.

Sürdürülebilir Çimentoya Yatırım

CRH Plc

Çimento üretiminde dünya liderlerinden biri olan CRH, çimento inşaatını daha sürdürülebilir bir sektöre dönüştürmede etkili olacaktır. Hem ABD hem de Avrupa pazarlarında toplam inşaat malzemesi tedarik hacminde 1 numaradır.

Şirket, 28 ülkede ve 3,390 lokasyonda faaliyet gösteriyor ve 78,500 kişiyi istihdam ediyor; küresel satışlarının %65'ini CRH Americas gerçekleştiriyor.

Kaynak: CRH

Şirket, Batılı hükümetlerin altyapıya yaptığı güçlü harcamaların işini büyütmesine yardımcı olacağını umuyor. Yeniden sanayileşme ve yüksek teknolojili üretimi yerelleştirme eğilimleri de yardımcı olmalı.

Sürdürülebilirlik

CRH, bir dizi girişimle sürdürülebilirlik konusunda ciddi ilerleme kaydetti:

• Kuzey Amerika'nın en büyük geri dönüştürücüsü konumunda olup, 1 yılında diğer endüstrilerden gelen 43.9 milyon ton atık ve yan ürünü geri dönüştürdü.
• Çimento fabrikalarında %2 oranında alternatif yakıt kullanımı sayesinde 8 yılında CO2023 emisyonunu %36 oranında azalttı.
• 30 yılına kadar emisyonların %2030 oranında (2021 emisyonlarına kıyasla) azaltılması hedefleniyor.

Bu kendi başına takdire şayan bir durum ama çok az ve çok geç olarak da görülebilir.

Neyse ki, CRH aynı zamanda sektörde daha temel değişikliklerin de itici gücüdür. Özellikle, Avrupa beton devi Holcim ile birlikte düşük karbonlu çimento şirketi Sublime'a 75 milyon dolar yatırım yaptı.

Yüce Sistemler 2020 yılında MIT'den ayrılarak, enerji ve fosil yakıt yoğun fırınların yerini alarak, ortam sıcaklıklarında çimento üretmek için bir elektrolizör kullanmak üzere kuruldu. Ayrıca, kireçtaşı girdisinden CO2 salınımını önleyerek, kalsiyum kaynaklarının girdi malzemesi olarak kullanılmasını sağlar.

Sublime'ın Massachusetts, Holyoke'deki ilk ticari tesisinin 2026 gibi erken bir tarihte açılması bekleniyor. Başarılı olduğu kanıtlanırsa, çimento endüstrisi için gerçek bir oyun değiştirici olabilir ve ölçeklenebilir düşük emisyonlu betona giden yolu açabilir.

“Sublime, çimento üretiminde yıkıcı bir güçtür. Benzersiz teknolojisi, temiz elektrik kullanımından karbon içermeyen ham maddelere kadar tüm üretim sürecini kapsar. Potansiyelinden heyecan duyuyoruz ve onu pazara ölçeklenebilir bir şekilde sunmak için birlikte ortaklık yapmaktan mutluluk duyuyoruz. Bu yatırım, Holcim'in en yenilikçi teknolojileri ölçeklendirerek inşaatın karbonsuzlaştırılmasını hızlandırma stratejisiyle tamamen uyumludur.”

Memur Nollaig Forrest – Holcim'in Sürdürülebilirlik Şefi

CRH ayrıca diğer karbonsuzlaştırma ve sürdürülebilirlik girişimlerine de yatırım yaptı:

• 23.7 milyon € Cool Planet TeknolojileriGeleneksel olarak karbonsuzlaştırılması zor olan endüstriler için karbon yakalama çözümleri geliştiriyoruz.
• CRH ve diğer yatırımcılar tarafından 34.7 milyon dolar Karbon İleri Dönüşüm TeknolojileriÇimento, plastik, tüketici ürünleri, gübre ve ilaçlar gibi endüstriyel yan ürünler ve minerallerdeki CO2'yi kalıcı olarak depolamak için tamamen elektrikli bir mineralizasyon çözümü kullanıyor.
• AICreteYerel beton üreticileriyle çalışan, yerel malzemeleri optimize eden ve yapay zeka analizleri kullanarak kullanılan çimento miktarını en aza indiren, böylece hem CO2 ayak izini hem de beton üretim maliyetini azaltan bir 'hizmet olarak tarif' platformu.
• FIDO AI'nın B Serisi finansmanı, su tüketimini azaltmak ve su tasarrufunu artırmak için yapay zeka kullanan bir girişimdir.

Genel olarak CRH, beton sektöründe karlı bir lider konumunda olup, hem doğrudan mevcut tesislerde hem de yeni nesil çimento ve beton üretim teknolojisi yaratan yenilikçi girişimlere birincil sermaye sağlayıcısı olarak sektörün karbonsuzlaştırılmasına aktif bir şekilde hazırlanıyor.

CHR'de son durum

Atıf Yapılan Çalışmalar:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J. ve Rotta Loria, AF (2025). Değişken elektrokimyasal potansiyeller ve karbondioksit enjeksiyonları için deniz suyunda karbon tutucu minerallerin elektrokaplanması. İleri Sürdürülebilir Sistemler, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}