Deniz Suyundan Çimento Malzemesi Çıkarma ve Karbon Yakalama

Beton, modern dünyada temel bir malzemedir; kum ve çimento, hacim ve ağırlık açısından dünyanın en büyük malzeme üretimleri arasında yer almaktadır.

Kaynak: Visual Capitalist

Çimento üretimi aynı zamanda çok enerji yoğun bir faaliyettir. Neredeyse tamamen fosil yakıtlardan sağlanmakta ve bu da çimento üretiminin dünya CO2 emisyonlarının %8’inden sorumlu olmasına yol açmaktadır.

Bu, otomobil ve kamyonetlerin CO2 emisyonlarıyla karşılaştırılabilir, ki bunlar dünya toplam emisyonlarının %10’undan sorumludur. Dolayısıyla, betonu daha sürdürülebilir hâle getirmek, tüm dünyanın araçlarını elektrikli araçlara dönüştürmek ve yalnızca yenilenebilir enerjiyle çalıştırmak kadar etkili olacaktır.

Çimento üretimindeki karbon emisyonlarının büyük bir kısmı, ham maddelerin madenciliği, kırılması, işlenmesi ve rafine edilmesinden kaynaklanır. Kireçtaşı gibi kalsiyum karbonat açısından zengin kayalar (CaCO3) çıkarılır ve çimento haline gelen ham maddeyi elde etmek için kil ile karıştırılır.

Dünya üzerinde potansiyel olarak bir başka kalsiyum karbonat kaynağı daha vardır; o da deniz suyudur. Okyanuslar, elbette sofra tuzu (sodyum ve klor iyonları) olmak üzere çok sayıda çözünmüş mineral içerir; ayrıca magnezyum, kalsiyum, potasyum ve hatta metaller bulunur; özellikle uranyum, bir gün dünya okyanuslarından uranyum madenleri yerine temin edilebilecek. Karbonat iyonları şeklinde çözünen CO2 de okyanuslarda bol miktarda bulunur ve bu da onları Dünya’nın en güçlü karbon yutaklarından biri yapar.

Kaynak: Advanced Sustainable Systems

Scientists from Northwestern University and CEMEX Innovation Holding AG (Switzerland) are now exploring if they could exploit this sea-born abundance to produce concrete’s raw material while capturing CO2 instead of emitting it. They published their experimental results in Advanced Sustainable Systems¹, under the title “Electrodeposition of Carbon‑Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections”.

Su Elektrolizi

Su (H2O), güçlü bir elektrik akımı uygulanarak, genellikle elektrokimyasal reaksiyonun hızını ve verimliliğini artırmak için bir katalizör eşliğinde, hidrojen ve oksijen bileşenlerine ayrılabilir. Bu, elektriğin yenilenebilir kaynaklardan sağlandığı yeşil hidrojen üretiminin temelini oluşturur.

Ancak, bu prosedür saf olmayan suyla, özellikle deniz suyu ile yapıldığında, elektroliz reaksiyonu sudaki çözünmüş minerallerle de etkileşir.

Bu genellikle istenmeyen bir reaksiyondur; çünkü elektrotlarda birikintiler oluşturabilir ve hidrojen üretimi hedefinden enerjiyi saptırabilir.

However, tweaking the electrolysis conditions could turn this unwanted by‑product reaction into a valuable new way to produce calcium carbonate.

Deniz Suyundan Çimento Üretimi

Sınırsız Tedarik

Bu mutlaka yeni bir fikir değildir; çünkü deniz suyundan elde edilen CaCO3 ve magnezyum, beton, çimento, sıva, boya ve dolgu maddeleri üretimi dahil olmak üzere inşaat, imalat ve çevre iyileştirme sektörlerinde çok çeşitli uygulamalara sahiptir.

Dünya’yı kaplayan geniş okyanuslar bu malzemenin pratik olarak sınırsız bir kaynağını sağladığından, bu en sürdürülebilir potansiyel kaynak olarak görülmektedir.

Şu ana kadar, bu minerallerin elektroadüksiyonunu incelemek, deniz suyundan üretimin ekonomik bir yolunu ortaya koyamamıştır. Northwestern Üniversitesi araştırmacılarının sürece kritik bir ek adım eklediği nokta budur: CO2 eklemek.

Deniz Suyuna CO2 Enjeksiyonu

Deniz suyu birçok mineralin karmaşık bir karışımı olduğundan, elektroliz uygulandığında aynı anda bir dizi elektrokimyasal olay gerçekleşir; kalsiyum ve magnezyum iyonlarının çökmesi, sülfatlardan alçıtaşı oluşumu, klor ve hidrojen gazı üretimi ve her elektrot etrafındaki asitlik değişikliği gibi.

Kaynak: Advanced Sustainable Systems

CO2 enjeksiyonu, deniz suyunun pH’ını düşürdüğü için ek bir karmaşıklık getirir. CO2 kaynaklı pH düşüşü, elektrik enerjisinden üretilen OH− iyonlarıyla kısmen telafi edilir.

Kalsiyum karbonatın çözünmesi ya da çökmesi suyun asitliğine bağlıdır. Bu, bilim insanları için bir endişe konusudur; atmosfer CO2 açısından zenginleştikçe okyanuslar daha asidik hâle gelir.

Elektrik akımı yeterince güçlü ise, ve dolayısıyla OH− iyon üretimi yüksekse, pH’ı 8.5’in üzerinde tutabilir.

Bu asitlik seviyelerinde, kimyasal reaksiyonlar CO2’yi yakalar ve çözünen bikarbonat iyonlarına (HCO3-) dönüştürür.

Kaynak: Advanced Sustainable Systems

Bu bikarbonat iyonları daha sonra kalsiyumla reaksiyona girerek kalsiyum karbonata çökerek, beton üretiminin temel malzemesini oluşturur.

Karbon Sekestrasyonunun Optimize Edilmesi

Bu tür bir reaksiyonda, çimento endüstrisi için kullanılabilir kalsiyum karbonat üretimi, atmosfere CO2 salmak yerine enjekte edilen CO2’yi yakalar.

Kullanılan herhangi bir güç seviyesinde, tüketilen enerjiyi en aza indirirken mineral üretim verimini maksimize eden optimum bir CO2 enjeksiyon akış hızı vardır. 0,30 sccm CO2 konsantrasyonu, daha düşük bir güç seviyesinde bile yüksek miktarda mineral çökmesi sağlayan ideal bir nokta gibi görünmektedir.

Kaynak: Advanced Sustainable Systems

Kullanılabilir Bir Birikim Oluşturma

Bu konsepti endüstriyel uygulamaya dönüştürmenin bir sorunu, elektroliz yoluyla hidrojen üretimi sırasında kalsiyum karbonat çökmesinde ortaya çıkan aynı sorundur.

Çoğu zaman, kalsiyum birikintisi elektrot yüzeyini tıkayarak sistemi zarar verir ve zamanla verimliliğini azaltır.

Bununla birlikte, bu deneyde kullanılan daha yüksek güç seviyeleri, CO2 enjeksiyonu ile birleştirildiğinde ek reaksiyonlara yol açtı ve çökerek oluşan kalsiyum karbonatın elektrottan ayrılmasını sağladı.

Dolayısıyla, bu yöntem karbonatı, tankın dibinde mineral birikimi olarak toplaması kolay olacak şekilde üretebilir; elektrotun tıkanmasını önler.

Mineral Kristallerinin Büyütülmesi

Koşullara bağlı olarak, farklı kristal yapılarına sahip çeşitli mineral agregalar oluşur; özellikle kalsiyum karbonat kristalleri (kalsit ve aragonit) ve magnezyum kristali (brüsite).

Kaynak: Advanced Sustainable Systems

Genel olarak, elde edilen malzeme birkaç santimetre (1-2 inç) uzunluğunda kristallerden oluşabilir ve ayrıca oldukça gözeneklidir.

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

Sonuç

Genel olarak, bu yayın, karbon‑negatif çimento malzemesinin üretiminin yalnızca teorik bir olasılık olmadığını, deniz suyu elektrolizi sırasında karbon enjeksiyonu kullanıldığında uygulanabilir bir seçenek olduğunu kanıtlamaktadır.

Sertlik ve aşınma direnci gibi diğer kritik parametreler, elde edilen malzemenin inşaat projelerinde kullanılabilirliğinin tam teyidi için hâlâ araştırılmalıdır.

Bu süreç doğası gereği ölçeklenebilir; nadir malzeme bulunabilirliği, aşırı enerji tüketimi veya düşük verim gibi belirgin sınırlamaları yoktur.

Birbirine bağlı, ölçeklenebilir reaktörler ağı hayal edilerek, bu yaklaşımın endüstriyel ölçeklerde uygulanma ve kıyı sanayi tesisleri gibi mevcut altyapılarla bütünleşme potansiyeli vardır.

Reaktör tasarımındaki daha fazla ilerleme, örneğin elektrot geometrisi, malzemeler ve akış dinamiklerini optimize ederek, genel ekonomik ve enerji verimliliğini artırabilmelidir.

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

Sürdürülebilir Çimentoya Yatırım

Dünya çapında çimento üretiminin önde gelen şirketlerinden biri olan CRH, çimento inşaatını daha sürdürülebilir bir sektöre dönüştürmede kritik bir rol oynayacaktır. ABD ve Avrupa pazarlarında sağlanan toplam inşaat malzemesi hacmi açısından #1 konumundadır.

Şirket, 28 ülkede ve 3.390 lokasyonda faaliyet göstermekte, 78.500 kişiyi istihdam etmekte ve CRH Americas, küresel satışlarının %65’ini gerçekleştirmektedir.

Kaynak: CRH

Şirket, Batı hükümetlerinin altyapıya yaptığı güçlü harcamaların işini büyütmesine yardımcı olacağını öngörmektedir. Yeniden sanayileşme ve yüksek teknoloji üretiminin yerelleşmesi trendleri de fayda sağlayacaktır.

Sürdürülebilirlik

CRH, bir dizi girişimle sürdürülebilirlikte ciddi ilerleme kaydetmiştir:

• 2023 yılında, Kuzey Amerika’da en büyük geri dönüştürücü #1 konumundadır; diğer endüstrilerden 43,9 milyon ton atık ve yan ürün geri dönüştürülmüştür.
• Çimento tesislerinde %36 alternatif yakıt kullanımı sayesinde 2023’te CO2 emisyonlarını %8 azalttı.
• 2030 yılına kadar (2021 emisyonlarıyla karşılaştırıldığında) emisyonları %30 azaltmayı hedeflemektedir.

Bu kendi içinde takdire şayan olsa da, çok az ve çok geç olarak görülebilir.

Neyse ki, CRH aynı zamanda sektörde daha temel değişikliklerin de öncüsüdür. Özellikle, Avrupa beton devi Holcim ile birlikte düşük karbonlu çimento şirketi Sublime’e 75 milyon dolar yatırım yapmıştır.

Sublime Systems 2020 yılında MIT’den ayrılarak, enerji ve fosil yakıt yoğunluğuna sahip fırınların yerine, ortam sıcaklığında çimento üretmek için bir elektrolizör kullanmaktadır. Ayrıca, kireçtaşı girdisinden kaynaklanan CO2 salınımını önleyerek, kalsiyum kaynaklarının girdi malzemesi olarak kullanılmasını sağlar.

Sublime’ın Massachusetts, Holyoke’deki ilk ticari tesisi 2026’da açılması bekleniyor. Başarılı olduğu kanıtlanırsa, çimento endüstrisi için gerçek bir dönüm noktası olabilir ve ölçeklenebilir düşük emisyonlu beton yolunu açabilir.

“Sublime, çimento üretiminde yıkıcı bir güçtür. Benzersiz teknolojisi, temiz elektrik kullanımından karbon‑suz hammaddeye kadar tüm üretim sürecini kapsar. Potansiyelinden heyecan duyuyor ve onu ölçekli bir şekilde pazara sunmak için birlikte çalışmaktan mutluyuz. Bu yatırım, Holcim’in inşaatın dekarbonizasyonunu en yenilikçi teknolojileri ölçeklendirerek hızlandırma stratejisiyle tamamen uyumludur.” Officer Nollaig Forrest – Holcim’in Baş Sürdürülebilirlik Sorumlusu

CRH ayrıca diğer dekarbonizasyon ve sürdürülebilirlik girişimlerine de yatırım yaptı:

• €23,7 milyon Cool Planet Technologies‘e; geleneksel olarak dekarbonize edilmesi zor olan endüstriler için karbon yakalama çözümleri geliştirmektedir.
• $34,7M, CRH ve diğer yatırımcılar tarafından Carbon Upcycling Technologies‘e; CO2’yi çimento, plastik, tüketici ürünleri, gübre ve ilaçlar gibi endüstriyel yan ürünlerde ve minerallerde kalıcı olarak depolamak için tamamen elektrikli bir mineralizasyon çözümü kullanmaktadır.
• AICrete, yerel beton üreticileriyle çalışan, yerel malzemeleri optimize eden ve yapay zeka analizleriyle kullanılan çimento miktarını en aza indirgeyen ‘tarif‑hizmet‑olarak’ platformudur; bu sayede CO2 ayak izi ve beton üretim maliyeti azaltılır.
• FIDO AI’nın Series B finansmanı, su tüketimini azaltmak ve su tasarrufunu artırmak için yapay zeka kullanan bir girişimdir.

Genel olarak, CRH beton endüstrisinde karlı bir liderdir ve sektörü dekarbonize etmeye yönelik olarak, mevcut tesislerde doğrudan ve yenilikçi girişimlere sermaye sağlayarak bir sonraki nesil çimento ve beton üretim teknolojilerini oluşturmak için çok aktif bir şekilde hazırlanıyor.

CHR Üzerindeki Son Gelişmeler

Referans Alınan Çalışmalar:

^{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}