水泥电化学，工业硅生产工艺流程及设备

水泥在我们的生活中随处可见，也被用于修建道路、水坝、地下室和各种建筑物。但隐藏在这片无处不在的灰色石板之中的是气候威胁。水泥生产占全球二氧化碳排放总量的7%以上，超过航空、航运、垃圾填埋场等行业。数千年来，人类一直以这种或另一种形式制造水泥。古罗马人使用火山灰、碎石灰和海水（水泥的早期版本）建造渡槽和万神殿等标志性建筑。 “现代版”水泥的历史可以追溯到19 世纪初，与水混合后会变硬并变干。必要的材料很容易获得、廉价且易于制造。水泥现在是地球上使用最广泛的材料之一，每年生产约40 亿吨。工业规模的水泥生产带来了多种气候挑战。其制造过程是能源密集型的。传统水泥窑的内部比火山喷发的熔岩还要热。达到这样的温度通常需要燃烧煤炭等化石燃料。将破碎的矿物转化为水泥还需要一系列特定的化学反应，这些反应会释放二氧化碳，这是大气中最常见的温室气体。应对这一气候灾难的一个潜在解决方案可能是使用Sublime Systems 的技术。这家初创公司由麻省理工学院的两名电池科学家创立，正在开发一种全新的水泥制造方法。 Sublime 的技术不是在热火山窑中加热碎石，而是利用电力将碎石放入水中，引起化学反应，形成水泥的主要成分。在过去的几年里，这家初创公司已经从只生产小块水泥发展成为建设年产约100 吨水泥的试点工厂。虽然与每年生产超过100 万吨的传统水泥厂相比仍然很小，但这条中试线表明电化学可以解决生产水泥这一世界上最重要的建筑材料之一的挑战。我已经证明了这一点。重要的第一步已经迈出。到本世纪末，Sublime 计划建造一个完整的生产设施，每年能够生产100 万吨材料。然而，建造和装备传统大型水泥厂的成本可能高达10 亿美元。为了与现有的行业参与者竞争，Sublime 必须快速扩张，同时筹集支持增长所需的额外资本。低利率时代的结束使得这一挑战对于所有公司来说变得更加困难，特别是那些生产水泥等产品的公司。在建筑这样的高风险、低利润行业，Sublime 必须首先说服建筑商使用其材料。水泥工业每年向大气排放26亿吨二氧化碳。为了解决这个问题，我们需要解决水泥产生的温室气体排放的两种不同来源：热能和化学（过程）。如今，为了制造水泥，需要将通常含有石灰石、沙子和粘土的混合物研磨并在窑中加热至高达1500C（略高于2700F）的温度。高温引发将石灰石转化为石灰的反应，石灰与沙子和粘土中的二氧化硅结合。这些反应很复杂，但在大多数情况下，主要最终产物是几种硅、钙和氧化合物的混合物，当水泥与水混合（添加沙子或砾石）时，它们会硬化形成混凝土。坚固的建筑物。材料。按重量计算，人类使用的混凝土比水以外的任何其他材料都多。水泥是将材料粘合在一起的粘合剂，约占材料体积的10%。与水泥生产相关的温室气体排放量中大约40% 来自产生热量的化石燃料。这是整个重工业的普遍问题。

非营利性研究组织ClimateWorks 的行业组长丽贝卡·戴尔(Rebecca Dell) 表示，化石燃料在生产过程中根深蒂固，因为它们价格低廉。但成本较低的可再生能源正在进入电网，为更多行业转向电力打开了大门。可以使用电窑生产水泥。 Cemex 等一些领先的行业参与者正在测试这项技术，以减少因热要求而产生的排放。如果这些电窑由可再生电力供电，它们可以减少水泥对气候的影响。然而，这并不能补偿水泥制造过程中的其他排放源。大约60% 的排放不是由热量引起的，而是由将原材料转化为建筑材料所需的化学反应引起的。大多数水泥都是从石灰石开始的，石灰石是一种含有钙、氧和碳的沉积岩。在水泥窑中，石灰石通过一系列反应转化为石灰，这一过程通常会向大气中释放二氧化碳。从纯粹的质量角度来看，碳足迹不可低估。这意味着水泥行业的完全脱碳可能需要更彻底的改造，而这正是Sublime 的用武之地。 Sublime 联合创始人兼首席执行官Leah Ellis 表示：“我认为水泥没有得到应有的关注。”她语速很快，用轻微的加拿大口音吐露自己的想法，仿佛时间至关重要。她眼睛里闪烁着光芒，解释了水泥化学的复杂性。

图片| 江夜明与Sublime 首席执行官Leah Ellis 于2020 年共同创立该公司（来源：BOB O'CONNOR）

埃利斯原本并不想进入建材行业。在加拿大长大后，他师从著名的电池先驱杰夫·邓恩(Jeff Dern) 完成了研究生学业。随后，她前往麻省理工学院，与电池研究领域的另一位关键人物、连续创业者蒋业明合作。江业明创立了多家储能公司，包括A123 Systems、24M、Form Energy，现在与Ellis共同创立了Sublime Systems。当埃利斯第一次来到麻省理工学院时，陈为他在那里的研究提出了各种想法。她记得他带她到办公室，问她是否厌倦了电池。这让她很惊讶。 “我认为这是一个陷阱问题，因为他是一位著名的电池科学家，”她说，但当时江有一个想法，利用电化学（电池科学的一种工具）来制造水泥。蒋建议寻找一种方法，利用电力来引发制造水泥所需的化学反应，而不是燃烧化石燃料来加热水泥窑。他们后来发现一种称为电解器的设备可以帮助完成这一过程。电解槽是一种利用电来引发化学反应的装置。它通常用于分解水以产生氢气和氧气。但电解槽还可以进行其他化学反应，例如产生酸和碱，这是新水泥制造工艺的关键。到2019 年，埃利斯和她的同事找到了一种可能的方法来使陈的想法成为现实。他们发现，电解池可用于在电解池内产生pH 梯度，在酸性端使用溶解的石灰石，在另一端使用熟石灰。然后可以将石灰与活性二氧化硅混合，所得化合物与传统水泥（制造）形成的化合物相同。经过后续的技术开发和行业分析，两人决定将研究发展成一家由埃利斯掌舵的公司。 “没过多久我就明白了，这个想法需要一个人才能实现，”江也民说。

照片| 作为研发过程的一部分，Sublime 员工从设备中去除活性二氧化硅产品（来源：BOB O'CONNOR）

四年后，Sublime 开始运营一条试生产线。这比麻省理工学院之前的研究有了显着的进步。因此，埃利斯和她的实验室伙伴创造了几乎足够制造模具的材料。 Sublime 工程总监Mike Corbett 表示，该生产线将于2022 年末投入运营，规模将是该公司实验室运营的任何产品线的20 倍。在这家初创公司总部的一间宽敞的房间里，不锈钢盒子从左到右排列在墙壁上。房间一侧的盒子里装有碎石，另一侧的盒子里装有熟石灰，这是高级水泥的主要成分之一。各种实验和试验的结果存储在附近的桶中并堆放在金属架上。当科贝特和他的同事打开盖子时，里面的熟石灰是一种白色粉末，潮湿时会稍微变硬，很像小苏打。但那些桶里的东西不足以制造任何东西。当中试线满负荷运行时，大约需要一周的时间才能生产出足够装满一辆混凝土卡车的水泥。在美国，建造普通单户住宅的地基需要三到四卡车的水泥。目前，该初创公司正在制作材料样本并发送给潜在合作伙伴，测试水泥块，最重要的是，帮助设计下一批制造设施。这些计划中的新设施规模要大得多，可能是在水泥行业证明Sublime 工艺流程的最后一步。 Sublime 并不是唯一一家尝试将“灰胶”变绿的公司。气候势在必行基金会行业倡议主任、非营利研究组织落基山研究所前副教授拉迪卡·拉利特表示，减少水泥排放的早期努力侧重于效率。例如，添加称为补充胶凝材料的填料，与水泥中的活性成分发生反应，可以在不影响混凝土性能的情况下减少总体排放。拉利特指出，这种策略仅在一定程度上有效，因为这些填料会降低水泥的强度和寿命。还有其他方法可以在水泥中添加材料以减少其对气候的影响。例如，加拿大CarbonCure公司开发了一种将二氧化碳注入水泥混合物中的技术。根据CarbonCure 的说法，二氧化碳气体可以与混合物发生反应，使其矿化，使其与大气隔绝，并增加材料的强度。 CarbonCure 正在与Heirloom Carbon Technologies 等除碳公司合作，展示使用混凝土进行长期碳储存的潜力。但减少材料使用总量或添加辅料等方法对于减少排放具有局限性，且无法无限制地调整效率以实现零排放。拉利特表示，水泥行业的许多老牌公司正在寻求在其现有设施中添加碳捕获和储存设备。在工厂废气排放到大气中之前捕获二氧化碳可以减少设施排放，而无需更换整个设备，从而使整个行业更加清洁。在现有基础设施中添加碳捕获技术可能意味着延长传统设备的使用寿命。这是一个重要的优势，因为最近建造的工厂通常运行30 到50 年。然而，碳捕获在重工业中基本上尚未得到证实。拉利特表示，现有方法通常无法捕获所有排放量，而且现有的少数大型设施也面临着延误。

落基山研究所表示，为了实现净零目标，到2030 年，水泥行业将需要在33 至45 家现有水泥厂中增加碳捕获设施。该水泥厂的第一个工业规模设施计划于2024 年投入运营。这可能很昂贵。埃利斯说，碳捕获系统每去除一吨二氧化碳的成本高达120 美元，按目前的价格计算，这将是水泥最终成本的两倍。成本是Sublime 和其他初创公司避免碳捕获并致力于采取更积极的方法来减少水泥碳足迹的原因之一。另一家资金最充足的水泥初创公司是总部位于加利福尼亚州的Brimstone，该公司采用所谓的负碳水泥制造工艺。 Brimstone 首席执行官Cody Finke 表示，这意味着该产品从大气中吸收的二氧化碳将多于其排放的二氧化碳。该技术主要以两种方式发挥作用。首先，Brimstone 使用其他不含二氧化碳的硅酸盐矿物，而不是石灰石，因此该公司的水泥生产过程不会产生任何排放，Fienko 说。此外，硅酸盐废物是一种含镁物质，其作用就像海绵一样，吸收空气中的二氧化碳并将其变成石头。硫磺仍然有水泥生产过程中的排放，主要与所需的热量有关。然而，Fienko 解释说，其他工艺可以有效抵消这些影响，特别是因为该公司计划使用电窑。该初创公司表示，如果由美国常规电网供电，其材料最终将消除比制造过程中产生的更多的二氧化碳，从而减少其碳足迹。据称，1 吨水泥的重量约为负130 公斤。硫磺的高温过程仍然存在，尽管其能源需求和排放量仍然存在，这是因为用于使水泥的化学配方在当今的行业中占主导地位。波特兰水泥自19 世纪初就已出现，是世界上最常见的水泥类型。以生产可预测和强的混凝土而闻名。然而，有一个问题。 Alite（矿物A）是水泥的主要组成部分之一，只能在1,250C以上的温度下形成，因此其产量需要极高的温度。 Sublime 最初计划也生产波特兰水泥。 “对于像水泥这样的低成本产品，我们认为我们需要生产市场上常用的产品，”姜业明说。但是，温度要求导致崇高的重新考虑，当它开始大量生产其产品时：``我们在200年前的发明中创新了。混凝土与波特兰水泥（混凝土的原材料）一样坚固。 Sublime的材料遵循这些替代路线之一，使用石灰和反应性硅酸盐，它们与水反应形成最终材料，而不是Alite。水泥化学的选择似乎是一个小问题。但是，在建筑等高风险行业中，这可能是初创公司赢得还是未能达成主要合同或合伙企业的关键因素。 “我认为人们对新水泥持怀疑态度是很自然的，但它根本不是新水泥。”埃利斯说，Sublime 的材料与波特兰水泥一样坚固耐用，也许是后者。我声称就是这样。但气候势在必行的拉利特表示，开发商在决定是否放弃他们已经熟悉的材料时可能会犹豫不决，至少在最初是这样。 Sublime的主要挑战之一是以大规模建设项目所需的规模生产材料。

尽管现代水泥设施通常每年生产超过100万吨水泥，但Sublime的试点项目的生产能力仅为每年约100吨。埃利斯说，这本质上是“蚂蚁水泥厂”。崇高的目标是迅速扩展。该公司的下一步是建立一个示范商业设施，能够每年生产成千上万吨的材料，预计将在2026年初运行。埃利斯说：“在这个规模上，水泥行业将注意到。然后，将建造一家年产量为100万吨的全尺寸商业厂，以满足一般行业的需求。这将发生。这将发生。该公司仍在考虑在哪里建造它，但希望在2028年左右将其运行。 Sublime的创始二人组了解未来的挑战。埃利斯先生说： “水泥初创公司可能是你能想象到的最困难的企业之一。它不仅技术上困难，而且需要大量资金。规模庞大，没有吸引力.没有人使用和拥有水泥。但是，如果这“看不见的问题可以解决，世界可能会改变。水泥基础是我们的社会，并试图改变这种情况，尽管面临重大挑战，但对于更清洁的建筑业至关重要。作者简介：凯西·克朗哈特(Casey Crownhart) 是一名气候记者（电话号码：《麻省理工科技评论》），专注于可再生能源、交通和技术如何应对气候变化。她还担任自由科学和环境记者，为流行科学和Atlas Obscura等出版物做出了贡献。在新闻业工作之前，我是一名材料科学研究者。支持：伦