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综述

综述

人类文明的发展离不开建筑建造,而水泥作为建筑材料的核心元素,从古罗马的混凝土到现代的波特兰水泥,一直推动着人类社会的进步。但是你知道吗?水泥的大量使用已经对环境造成了严重的负面影响。

水泥生产过程中,会排放大量的二氧化碳,科学家也一直在研究如何实现水泥生产的低碳化。去年,美国 Sublime Systems公司开创了一种全新的电化学水泥生产法,实现了真正的零碳排放。这项技术的出现,或将改变我们对水泥生产的传统认知。

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水泥的发展史

水泥的发展史

水泥的使用可以追溯到8000年前,那时生活在叙利亚和约旦的古代居民就开始烧制石灰和火山灰,制备出简易的水泥,用于制作房屋,地板和储水室等。

到了古罗马时期,水泥的制备技术得到了进一步提升。古罗马人将石灰,火山灰,碎石混合骨料,制造出了一种被称为“opus caementitium”的混凝土,这种材料耐久性强,坚固耐用。古罗马人用它来建造渡槽,浴场和万神殿等著名建筑。

中世纪,水泥技术进步较少,但仍用于建造堡垒和运河。而制备水泥的知识通常通过石匠和炼金术士口头传承,他们以更秘密的方式试验各种材料和技术。

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在19世纪,英国石匠约瑟夫·阿斯普丁发明了波特兰水泥。这种水泥是通过将石灰石和黏土混合后进行高温煅烧制成的。由于其硬化后的特性与波特兰岛上的波特兰石相似,因此得名。

波特兰水泥强度高,耐久性强,易生产,一经发明就迅速在世界范围内得到推广,成为了现代建筑的主要材料。不过,水泥的生产却带来了严重的环境问题。

生产水泥的原材料是石灰石和硅酸盐黏土,生产时需要对这两种材料进行高温煅烧,温度至少要达到1400℃。烧制过程中,石灰石会分解生成氧化钙(CaO),同时排放出大量的二氧化碳。

而高温煅烧又需要消耗化石燃料,这一过程也会产生二氧化碳。每生产一吨水泥,就会排放1公斤的二氧化碳。每年,水泥生产的碳排放量已经达到了数十亿吨,已占到了人类总碳排放量的8%。

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近年来,有一些新技术尝试通过添加填充料,如添加胶凝材料与水泥中的活性成分发生反应,以减少碳排放量。

但这种策略只能在一定程度上有效。当填料的比例过高时,水泥的强度和使用寿命会受到影响。因此,传统水泥生产工艺在环保方面的改进空间十分有限,亟需一种根本性的技术变革。

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零碳排量新技术

零碳排量新技术

去年,美国麻省理工的蒋业明教授与博士后 Leah Ellis 及其团队,共同开发出了一种革命性的水泥生产方法,这种方法利用电解槽在常温下进行化学反应,彻底摆脱了高温煅烧和化石燃料的依赖,实现了零碳排放。

新技术的核心在于电解槽的使用。电池在水池内将两个电极连接,通过分解水生成氢气和氧气,同时形成酸性和碱性环境。在阳极区,含钙矿物在酸性环境下溶解,生成钙离子。这些钙离子随后会通过电解槽中的阳离子交换膜移动到阴极区。

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在阴极区,这些钙离子与电解水产生的氢氧离子(OH-)反应,生成氢氧化钙(Ca(OH)2),也称为熟石灰,以进一步用于制备水泥。

整个过程在常温下进行,不需要粉碎原料,也不需要高温煅烧,彻底避免了传统工艺中的二氧化碳排放。实验中产生的二氧化碳、氢气和氧气都会被收集和再利用。这不仅实现了零碳排放,还大大降低了能耗。

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此外,所需的材料不局限于传统水泥制备中的原材料,可以使用多种钙源材料,包括低品位石灰石和工业废料,进一步提高了资源利用效率。这种方法的灵活性意味着即使在资源有限或环境条件苛刻的地区,也可以实现低碳水泥的生产。

为了进一步推广这一技术,蒋业明团队成立了 Sublime Systems 公司,致力于将这一突破性的电化学水泥生产技术商业化。该公司的初衷是通过这项创新技术,彻底变革传统水泥工业,减少其对环境的负面影响。

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目前,Sublime Systems 公司已经建立了一条年产约100吨的试点生产线,他们计划在未来几年内进一步扩大生产规模,目标是在全球范围内推广这一低碳环保的水泥生产技术。

为了确保产品的市场竞争力和可接受性,Sublime Systems公司已经获得了多项行业认证,其中就包括 ASTM C1157。

ASTM C1157是美国材料和实验协会制定的关于液压水泥的规范标准,取得这项认证意味也着新技术的产品在强度,耐久性等性能上与传统水泥相当,能够满足建筑工程的严格要求。

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结尾

结尾

Sublime Systems公司的电化学水泥生产方法,成功地在常温下完成了钙源材料的转化,彻底摆脱了高温煅烧的桎梏,不仅避免了二氧化碳的排放,还实现了能量的高效利用。这种颠覆性的信技术无疑是水泥生产的一次革命,也标志着人类在环保领域的重大进步。

在环境问题日益严峻的今天,Sublime Systems 的新技术无疑为建筑行业带来了新的希望。随着试点生产线的成功运营和逐步扩大,该公司有望在未来几年真正实现新技术的商业化,将这种低碳环保的水泥推广到全球各地,助力各国实现碳中和的目标。

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