Sản xuất xi măng là ngành công nghiệp đóng góp lớn thứ hai vào lượng khí thải nhà kính toàn cầu, nhưng lượng khí thải carbon của ngành này có thể giảm đáng kể nhờ một phương pháp mới, chi phí thấp và có thể mở rộng quy mô được trình bày tại Đại học Michigan.
Khả năng tích hợp phương pháp điện hóa mới với sản xuất xi măng cũng như thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS). Pin điện địa hóa được cung cấp năng lượng bởi điện tái tạo chuyển đổi chất thải công nghiệp và đá thành canxi cacbonat (CaCO 3 ) và silica để sản xuất xi măng Portland. CO 2 thu được có thể chuyển đổi thành bicarbonate hòa tan để giúp giảm axit hóa đại dương. Điện phân nước tạo ra khí hydro (H 2 ) để tạo năng lượng xanh và khí oxy (O 2 ) có thể giúp cô lập carbon từ khí thải. Tín dụng: Lu và cộng sự, 2024
Theo một nghiên cứu mới được công bố trên Tạp chí Khoa học Năng lượng và Môi trường , phương pháp này có thể trung hòa bước thải nhiều carbon nhất trong quá trình sản xuất xi măng mà không cần thay đổi quy trình sản xuất.
Trong khi quá trình sản xuất xi măng truyền thống lấy canxi cacbonat cần thiết từ đá vôi giải phóng carbon dioxide khi nung trong lò, các nhà nghiên cứu UM có thể tạo ra canxi cacbonat thông qua quá trình điện hóa thu giữ CO2 từ không khí và liên kết nó với các khoáng chất dồi dào hoặc bê tông tái chế.
Jiaqi Li, phó giáo sư ngành kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Đại học Michigan, nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore và là tác giả liên hệ của nghiên cứu, cho biết: "Phương pháp sản xuất vật liệu điện hóa mới được chúng tôi phát triển mở ra một lĩnh vực mới trong sản xuất xi măng và tái chế chất thải ở quy mô lớn".
Sản xuất xi măng—hàng hóa được sử dụng nhiều nhất thế giới sau nước—hiện tạo ra 8% lượng khí thải CO2 toàn cầu . Nhu cầu về vật liệu xây dựng đa năng, được sử dụng để làm bê tông và vữa, dự kiến sẽ tăng 50% khi thế giới tiếp tục đô thị hóa.
Xi măng Portland thông thường, dạng phổ biến nhất, được sản xuất bằng cách nung đá vôi nghiền và đất sét cùng nhau trong lò quay lớn. Việc nung lò bằng nhiên liệu hóa thạch góp phần tạo ra 40% lượng khí thải CO 2 của quá trình này . 60% còn lại là kết quả của quá trình nhiệt phân hủy đá vôi - một loại đá trầm tích chủ yếu được tạo thành từ canxi cacbonat (CaCO 3 ) - thành canxi oxit (CaO) và CO 2 .
Phương pháp được đề xuất, thay thế đá vôi tự nhiên bằng canxi cacbonat được sản xuất bằng phương pháp điện hóa, trung hòa CO 2 thải ra trong quá trình xử lý lò nung bằng CO 2 được hấp thụ từ không khí trong quá trình sản xuất điện hóa.
Nếu được triển khai hết công suất, chiến lược mới có thể giảm lượng khí thải CO 2 toàn cầu ít nhất ba tỷ tấn - còn được gọi là ba gigaton - mỗi năm. Về quy mô, 37,4 gigaton khí thải CO 2 toàn cầu liên quan đến năng lượng đã được báo cáo vào năm 2023. 8% lượng khí thải CO 2 toàn cầu mà sản xuất xi măng đóng góp hiện nay có thể giảm xuống còn 3% hoặc thậm chí xa hơn nữa, xuống mức bằng không với việc thu giữ carbon.
Wenxin Zhang, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Viện Công nghệ California, thực tập sinh nghiên cứu sau đại học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore và là tác giả cộng tác của nghiên cứu, cho biết: "Chiến lược này có thể thay đổi ngành xi măng từ một ngành phát thải hàng gigaton CO 2 thành một ngành tạo điều kiện cho công nghệ năng lượng sạch và quản lý carbon ở quy mô hàng gigaton".
Quá trình này hoạt động bằng cách áp dụng điện thế vào nước chứa muối điện phân trung tính trong bình điện phân - một thiết bị có điện cực dương (anot) được đặt ở một đầu và điện cực âm (catot) ở đầu kia và màng trao đổi cation ở giữa.
Khi dòng điện chạy qua, nước ở cực dương phân tách thành khí oxy (O 2 ) và proton tích điện dương (H + ), trong khi nước ở cực âm tạo ra khí hydro (H 2 ), giải phóng các ion hydroxide tích điện âm (OH - ). Quá trình này tạo ra chất điện phân cực dương có tính axit ngày càng cao và chất điện phân cực âm có tính kiềm được sử dụng để xử lý canxi silicat.
Proton phân tách canxi silicat để tạo thành silica rắn (SiO2) và các ion canxi (Ca 2+ ). Các ion canxi phản ứng với CO 2 từ không khí và các ion hydroxide trong nước để tạo thành canxi cacbonat rắn, không chứa cacbon.
Trong khi canxi cacbonat là sản phẩm chính cung cấp cho lò nung xi măng, silica rắn có thể được trộn vào xi măng như một vật liệu bổ sung để cải thiện độ bền và độ chắc của bê tông hoặc vữa. Các loại khí thậm chí có thể được sử dụng, với khí hydro là nhiên liệu xanh và nhiên liệu oxy để tạo điều kiện thu giữ và lưu trữ carbon từ khí thải.
Tiến xa hơn một bước, các nhà nghiên cứu đánh giá liệu công nghệ này có khả thi về mặt kinh tế hay không, có tính đến việc tiết kiệm tín dụng carbon. Phương pháp điện hóa tỏ ra có chi phí thấp hơn và hiệu quả hơn so với các kỹ thuật hiện có.
Xiao Kun Lu, nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành kỹ thuật hóa học tại Đại học Northwestern và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Vì chiến lược hiện tại đòi hỏi rất ít hoặc không cần thay đổi các nhà máy xi măng thông thường nên rào cản gia nhập đối với các doanh nghiệp xi măng lớn là thấp".
Nghiên cứu này là nỗ lực hợp tác giữa Đại học Michigan, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, Đại học Northwestern và Viện Công nghệ California.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
