Ученые из Массачусетского технического института разработали технологию электрохимического разложения карбоната кальция. По словам авторов исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, образующиеся в процессе водород и кислород могут использоваться далее в производстве, например, в качестве источника электроэнергии, а углекислый газ можно легко утилизировать.
Авторы исследования исходят из данных, согласно которым около 8 % выбросов углекислого газа попадает в атмосферу производстве цемента, в результате разложения карбоната кальция. При этом спрос на цемент растет вслед за ростом темпов урбанизации. Учитывая, что на один килограмм произведенного цемента выбрасывается килограмм углекислого газа, существует угроза попадания в атмосферу гигатонн газа, вызывающего парниковый эффект. Сейчас проблему пытаются решить очисткой газовых отходов, использованием альтернативного топлива и материалов или обогащением цемента углекислым газом.
Лия Эллис и еще четыре ученых из Массачусетского технического института предложили пойти другим путем. Они поместили в электрохимическую ячейку карбонат кальция, образовали градиент (плавное изменение) рН раствора в этой ячейке, благодаря чему гидроксид кальция осаждался в противоположной части от места ввода карбоната. Затем гидроксид отделили и разложили, а образующийся оксид кальция прореагировал с оксидом кремния с образованием силиката кальция — важнейшего компонента, который составляет от 50 % до 70 % массы портландцемента.
Схема для электрохимического цементного завода с низким уровнем выбросов.
Перед тем как ввести известь, американские ученые электрохимически создали градиент кислотности раствора в ячейке, который они смогли увидеть, поместив кислотно-основный индикатор, изменяющий цвет в зависимости от рН среды.
Когда твердый карбонат кальция помещали в кислый раствор, он диссоциировал на ионы, и катион кальция начал движение в сторону анода и повышения основности раствора. Прореагировав с гидроксид-ионами, он выпал в виде осадка гидроксида кальция.
Порошок, полученный в реакторе декарбонизации.
Анализ полученного порошка методом рентгеновской дифракции показал: выпавший осадок оказался загрязнен карбонатом кальция (6 % по массе). Авторы предполагают, что загрязнение могло произойти при контакте с воздухом, когда порошок готовили к анализу, уже после эксперимента, или в случае, если в растворе карбонат-ион взаимодействовал с кальцием и снова образовывал карбонат кальция.
Схема электролизера на основе декарбонизационной ячейки.
Исследователи сравнили эффективность проведения реакции оксида кремния с карбонатом и с гидроксидом кальция, полученным электрохимическим методом. Оказалось, что реакция с гидроксидом прошла полностью, а 6 % карбоната так и не прореагировало.
Кулоновская эффективность реактора декарбонизации.
Авторы продемонстрировали технологию в лабораторных масштабах, но также предложили несколько вариантов применения подобного реактора на цементных фабриках с низким или даже нулевым выбросом углекислого газа. Прямой захват и вывод углекислого газа из ячейки, использование электроэнергии из выделяющихся в процессе электролиза водорода или кислорода и производство жидкого топлива позволят уменьшить расходы на производство цемента таким методом.