水泥，是全球规划内被大规划运用的修建资料，仍是温室气体排放的首要来历，约占全球二氧化碳（CO2）总排放量的 8%。如果把水泥职业视为一个“国家”的话，它将成为世界第三大碳排放量国，仅次于我国和美国。
现在，世界上许多国家都对首要温室气体——二氧化碳的排放量提出了削减的方针，力求能在未来避免全球性温室效应。联合国秘书处在 9 月 22 日发布公报表明，现已过一项新的十年期的气候举动计划，期望在 2030 年前将与秘书处相关的温室气体排放量削减 45 %。
作为温室气体的排放大户——水泥的出产也备受重视，包含世界动力署（IEA）、英国皇家世界事务研讨所（Chatham House）等研讨机构，以及代表全球最大城市的 C40 方针的制定者们，所有这些安排都在积极地寻觅能够推进革新的“杠杆”。世界动力署猜测，到 2050 年，水泥产值将增加 12%~23%，需求经过一系列举动来削减排放。
近来，麻省理工学院的科学家们提出了一种新的水泥制造方法，该方法根本上能够彻底消除水泥制备进程中发生的温室气体排放物，乃至还能够顺带制造出一些其他有用的“副产品”。麻省理工学院的资料科学与工程学院教授 Yet-Ming Chiang 与博士后 Leah Ellis、研讨生 Andres Badel 等人共同完成了这项研讨，该效果宣布在最近的PNAS期刊上。
图 | 低排放电化学制备水泥计划——为了演示新工艺中运用的根本化学反响，电解在中性水中进行；染料显现了在正极和负极怎么发生酸（粉红色）和碱（紫色）；运用此方法将碳酸钙 CaCO3 转换为氢氧化钙 Ca(OH)2 ，然后将其用于制备水泥，进程中不会发生任何温室气体（来历：MIT，Felice Frankel)
出产一吨水泥，约排放一吨二氧化碳
人类有记载的，最早运用水泥的时刻大约在八千年曾经，生活在近东区域（现在的叙利亚和约旦，以及周边区域）的古代居民们用它来制造地板、高楼和地下储水室等。而在两千多年前，古罗马人发现把石灰、火山灰、水和石块掺在一同拌和，能够凝结成一种硬质资料，用它制造的海港、纪念碑等各种修建既巩固又寿数持久。
但那时水泥还没有知名，直到 19 世纪 20 时代，一名叫作 Joseph Aspdin 的英国石匠将研磨过的石灰岩与粘土混合在一同，随后加热并混入水，发现这种混合物终究板结硬化，看上去和英国波特兰岛上出产的修建石料非常相似。随后，他便将这种混合物资料命名为“波特兰水泥”（在国内一般称为硅酸盐水泥），并申请了专利。
从此，这种水泥的运用规划越来越广泛，简直成了现代水泥的代名词。
而制造水泥的要害原资料是石灰岩和铝硅酸盐粘土，它们别离含有不同的化学成分和杂质。在将其加热煅烧的进程中，粘土中的化学物质会构成硅、铁和铝的氧化物；而石灰岩中含有贝壳类海洋生物留下的碳酸钙，高温会将其以二氧化碳的方法驱赶出去，留下钙氧化物。这部分被“驱赶”的二氧化碳与高温煅烧时燃料所排放的二氧化碳一同，成为了水泥制造进程中许多碳排放的来历。
图 | 水泥的出产进程（来历：Pixabay）
“现在每出产一千克水泥，就将会开释出约一千克的二氧化碳。而且，每年出产的水泥和二氧化碳排放量总计已达 3~4 千兆吨（数十亿吨），这个数量在未来还会有所增加。” Yet-Ming Chiang 说，“到 2060 年，全球的修建物数量估计将增加一倍，这适当于每 30 天制造出一个新的纽约市。”
一同，由于水泥的原资料——石灰岩和粘土等极易挖掘，所以水泥的造价适当低价；一同，其制造进程简略、周期短，对出产环境简直没有任何要求；再加上水泥成型快，而且巩固耐用。那么，怎么去找到一种方法让它削减碳排放量的一同，又不会让本钱变得太“贵重”，这是一个极大的应战。
“水泥现在实在是太廉价了，一公斤只需求 13 美分（缺乏 10 元人民币），一瓶水在美国都比它贵。” Yet-Ming Chiang 表明。
赋有创造力的解决方法
面临如此大的应战，Chiang 和他的团队在曩昔的一年里非常努力地寻觅解决方法，并提出了运用电化学方法来替代现在制备进程中的依托化石燃料加热的主意。
波特兰水泥是现在运用最为广泛的种类，它是将石灰岩磨碎，然后在高温下与沙子和粘土一同混合而成，而加热是需求焚烧煤炭的。该进程以两种不同的方法发生二氧化碳——煤炭焚烧，以及加热进程中石灰岩开释出的。Chiang 表明，这两个要素各自对总排放量的奉献大致持平。
而关于 Chiang 和他的研讨团队规划出的新工艺，他有决心地表明其将彻底消除或许大幅度削减这两种二氧化碳的来历。尽管现在他们现已在试验室中演示出了根本的电化学制备进程，但从产业化视点来说，该进程仍需求更多的作业才干扩展至工业规划。
首要，新方法运用由清洁、可再生资源发生的电能来替代加热进程中运用的化石燃料。Chiang 说：“在许多区域，可再生电力是当下发电本钱最低的，而且本钱仍在继续下降中。”此外，新工艺所出产的水泥种类仍然是最常见的波特兰水泥。
图 | 低排放电化学制备的水泥厂计划：由可再生电力驱动的电化学脱碳反响器将 CaCO3 转化为 Ca(OH)2 ，用于水泥的组成（来历：Yet-Ming Chiang，MIT）
由于 MIT 的研讨团队现已意识到，鉴于现在这种水泥资料在世界规划内的广泛运用程度，以及修建者们并没有自动测验新方法的志愿，企图直接去研讨一种新式的环保水泥会是一项过于艰巨的使命。实际上，现在已有许多的研讨团队以不同的方法对环保水泥进行了研讨，但相关于未经测试的新资料，以及新资料所带来的更高的出产本钱，修建商们仍然对波特兰水泥情有独钟。
新工艺以运用电解器为技能中心，这是人们在中学化学课上就学到过的常识。在运用进程中，电池将一个小水池中的两个电极衔接在一同，从一个电极发生氧气（O2）气泡， 当电流将水分子分化成它们的组成原子时，氢原子彼此之间构成氢气（H2）。重要的是，电解槽的放氧电极发生酸，而放氢的电极发生碱。
图 | 根据电解池的脱碳示意图：反响 1 和 2 别离是在挨近中性 pH 值的环境下析氧和析氢半电池反响；反响 3 是由其组成离子构成水；反响 4 和 5 代表碳酸钙的分化和 CO2 的开释（来历：Yet-Ming Chiang，MIT）
在新工艺中，粉末状的石灰岩—— CaCO3 溶解在发生酸的电极邻近，并开释出高纯度的二氧化碳；而氢氧化钙（ Ca(OH)2，一般称为石灰）在另一个电极邻近以固体方法分出。然后，研讨人员能够在另一个进程中处理氢氧化钙以便出产水泥，这种水泥的首要成分是硅酸钙。
立异工艺的附加值
在 Yet-Ming Chiang 研讨团队新规划的方法中，能够将电解之后发生的纯洁、浓缩的二氧化碳很轻松地分脱离，之后还能使用它来出产增值产品。例如，在液体燃料中替代汽油，或用于采油等作业，乃至还能够用于碳酸饮料和干冰。
Chiang 说：“在试验室的成果表明，整个制备进程中都没有任何二氧化碳被开释到环境中。相比之下，惯例水泥厂排放的二氧化碳会遭到氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳等其他资料的高度污染，使其难以被‘洁净地别离’而进行二次运用。”
一同，研讨人员经过核算，发现了在此进程中开释出的氢和氧还能够在燃料电池中从头使用，或许用来焚烧以发生满足的能量来为水泥整个出产进程的其他环节供给燃料。论文的首要作者、MIT 博士后 Ellis 表明：“除了水蒸气之外，其他什么都不会发生。”
图 | 麻省理工学院的资料科学与工程学院教授 Yet-Ming Chiang（来历：MIT 官网）
在 Chiang 研讨团队的试验室演示中，他们执行了反响所需的要害电化学进程，即从碳酸钙中出产石灰。不过现在来看，制备的规划还有限，悉数进程看起来有点像摇摆雪花球，由于跟着石灰从溶液中沉积出，它会在玻璃容器内发生许多的白色悬浮颗粒。
尽管这项技能简略易行，也不会进步许多本钱，而且从原则上能够很容易地扩展出产规划。但问题是，现现在，传统的水泥厂每年可出产约 700,000 吨的波特兰水泥，其出产制备的流水线已然是一个老练而且规划化的“庞然大物”。怎样能撬动出产惯性现已如此结实的传统制备商场？这是一个很严峻的问题。
针对这个问题，Leah Ellis 表明：现在的一种方法是测验单次只替换出产进程中的一部分，而不考虑一次性替换掉整个出产体系。然后，在慢慢地逐渐将新工艺添加到其他出产环节。
一同，研讨团队对提出的新工艺体系也表态说，“这并不一定是解决问题的最佳方法”。Yet-Ming Chiang 对此的情绪是，期望经过他们的研讨让电化学领域中的人开端对此进行更多的考虑，并测验提出新的主意。“咱们的研讨是重要的第一步，但现在的成果还并不是一个完美的解决计划。” Chiang 如是说。
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参阅：
http://news.mit.edu/2019/carbon-dioxide-emissions-free-cement-0916
https://www.pnas.org/content/early/2019/09/10/1821673116
https://dmse.mit.edu/people/yet-ming-chiang
