طريقة مبتكرة لإنتاج إسمنت صديق للبيئة

تتسبب الطريقة التقليدية لتصنيع الإسمنت في انبعاثات كربونية هائلة (جامعة غرونوبل)

طوّر باحثون من معهد إدارة الكربون التابع لجامعة كاليفورنيا الأميركية، طريقة جديدة يمكنها القضاء على نحو 98 في المائة من ثاني أكسيد الكربون المنبعث في أثناء عملية إنتاج الإسمنت، الذي يمثل نحو 8 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي العالمي.

وفي دراستهم الجديدة المنشورة في دورية «إيه سي إس سيستنابل كيمستري أند إنجينيرينج - (ACS Sustainable Chemistry & Engineering)»، يصف الباحثون كيف يمكن دمج هذا النهج الجديد بسهولة في عمليات إنتاج الإسمنت، مما يوفر بديلاً للحلول الحالية الأكثر تكلفة لإزالة الكربون من الصناعة.

وقال فابيان روزنر، المؤلف المشارك في الدراسة، والأستاذ المساعد في الهندسة المدنية والبيئية، في بيان منشور، الاثنين، على موقع الجامعة: «لقد أصبح من الواضح تماماً أن التخفيف من تغير المناخ يتطلب إجراءات عاجلة ومغايرة للنماذج القائمة حالياً، خصوصاً فيما يتعلق بإزالة الكربون».

ووفق الدراسة يُعد الإسمنت البورتلاندي العادي، وهو النوع الأكثر شيوعاً من الإسمنت، مادة أساسية تستخدم كعامل رابط لجميع الخرسانات الحديثة تقريباً، والمادة الأكثر استخداماً في العالم بعد الماء. ويتم تصنيع هذا الإسمنت باستخدام الحجر الجيري، وهو مصدر طبيعي متوفر وفعّال من حيث التكلفة.

ومع ذلك، فإن الطريقة التقليدية لإنتاج الإسمنت، التي تنطوي على تسخين الحجر الجيري في فرن يعمل بالوقود الأحفوري لكسر روابطه الكيميائية، تترك بصمة كربونية هائلة، مما يؤدي إلى انبعاث ما يقرب من كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوغرام واحد من الإسمنت المنتج.

ويقول الباحثون إن التحلل الكيميائي الحراري للحجر الجيري لإنتاج الجير، أو أكسيد الكالسيوم المادة الأولية لإنتاج الإسمنت يشكل نحو 60 في المائة من ثاني أكسيد الكربون المنبعث، في حين يشكل احتراق الوقود الأحفوري لتسخين الفرن الذي يحدث فيه التفاعل الكيميائي نحو 40 في المائة. كما تستهلك هذه العملية قدراً هائلاً من الطاقة. إذ يتطلب إنتاج طن متري من الجير نحو 1.4 ميغاواط/ساعة، وهو ما يكفي لتشغيل منزل ونصف منزل أميركي لمدة شهر كامل.

على النقيض من الحجر الجيري، فإن هيدروكسيد الكالسيوم، المادة الأولية الخالية من الكربون لإنتاج الجير والإسمنت، لا ينبعث منه سوى الماء عند تسخينه في فرن لإنتاج الجير.

وبإلهام من هذه الحقيقة العلمية، طوّر فريق من كلية صامويلي للهندسة بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجليس بقيادة جاراف سانت، مدير معهد إدارة الكربون، وأستاذ الهندسة المدنية والبيئية، نهجاً جديداً لإنتاج هيدروكسيد الكالسيوم.

وأطلق الباحثون على طريقتهم اسم «زيرو كال - (ZeroCAL)»، ويعني الجير الخالي من الكربون، وقالوا إن النهج يمكن أن يزيل 98 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بالعملية الكيميائية الحرارية لإنتاج الجير.

وتشمل المنتجات الثانوية لهذه الطريقة حمض الهيدروكلوريك المستخدم بشكل شائع هو وصودا الخبز في الصناعة، بالإضافة إلى غازي الأكسجين والهيدروجين، ويمكن استخدام الأخير كوقود نظيف لتسخين أفران الإسمنت.

وهو ما علّق عليه سانت، الباحث المراسل للدراسة وأستاذ الاستدامة في جامعة كاليفورنيا قائلاً: «يقدّم هذا النهج حلاً أنيقاً للقضاء على انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بعملية إنتاج الإسمنت».

وأضاف: «يعالج هذا النهج انبعاثات الكربون الناتجة عن تحلل الحجر الجيري مع توفير غازي الهيدروجين والأكسجين النظيفين لتسخين فرن الإسمنت. كما أنه يتيح إزالة الكربون مع الاستفادة من الأفران الحالية ومواد خام الحجر الجيري دون الحاجة إلى بناء مرافق منفصلة لالتقاط الكربون وتخزينه».

وبينما تتطلب العملية حالياً طاقة أكبر من طرق إنتاج الجير الحالية، فإن الأبحاث الجارية تشير إلى مسارات يمكن من خلالها لهذا النهج الجديد تحقيق التكافؤ في استخدام الطاقة من خلال تبسيط وإزالة العمليات المعقدة والاستفادة بشكل أفضل من المنتجات الثانوية.

ولتلبية الطلب على المياه، يقترح الفريق التركيز على مصانع الإسمنت الموجودة بالقرب من السواحل أو الأنهار، أو المصانع التي لديها إمكانية الوصول بسهولة إلى إمدادات المياه.