讓水泥搖身一變成為連續吸碳20年的環保高手,是什么材料？

混凝土是地球上最常見的材料之一，這要歸功于它的高強度和低成本--但它也是二氧化碳排放的最大單一來源之一。如今，全球水泥工業是造成二氧化碳排放量較高的行業之一。據統計，全球水泥行業每年的碳排放量高達28億噸。因此，研發出這種新型負碳環保水泥，無疑將給水泥行業帶來重大的環保和經濟效益，同時還將有利于促進全球減碳減排的進程。研究人員如今已經給出了相應對策，今天就來介紹兩種方案使水泥變為“負碳”材料！

在介紹方案之前，我們先來找找問題出現的根本，那就是為什么水泥會制造那么多二氧化碳？

一、為什么制造水泥會放出二氧化碳？

傳統水泥的制造，使用化石燃料運行，并且需要將窯爐加熱到2，500華氏度以上。而且即使水泥公司用可再生能源為整個過程提供動力，由于化學原因，仍然存在根本性的挑戰。“制作水泥從一塊叫做石灰石的巖石開始，而石灰石基本上是凝固的二氧化碳。”硫磺的聯合創始人兼首席執行官科迪芬克說，當石灰石或碳酸鈣被加熱到高溫時，它會產生石灰，這是水泥中的一種成分。但同時釋放出大量的二氧化碳。這雖然可以通過改用可再生能源來部分抵消，但混合物中的化學反應也會釋放大量的二氧化碳，這就更難避免了。據估計，水泥生產占人類二氧化碳排放總量的8%之多。

科學家們一直在調整配方，試圖減少混凝土的碳足跡，用石灰石代替火山巖，或添加二氧化鈦、建筑垃圾、小蘇打或采礦過程中通常被丟棄的粘土等成分。其他團隊甚至嘗試使用微藻來種植所需的石灰石。

二、首個硅酸鹽負碳水泥的誕生

一家名為Brimstone Energy的加利福尼亞州初創公司（該公司的財務支持者包括比爾蓋茨的突破能源風險投資公司）為一種新工藝申請了專利，該工藝將波特蘭水泥（最常用的類型）的排放量降至零。與可再生能源一起使用，該過程實際上是不會產生二氧化碳的，這意味著水泥可以從氣候問題變成解決方案。

“我們可以將水泥行業從氣候問題轉變為氣候解決方案，” Brimstone Energy在其網站上表示。他們通過制造負碳水泥的突破性工藝來改變這一點，這是制造商一百多年來所依賴的完全相同的材料，現在對氣候產生了積極影響。

Brimstone Energy改用另一種巖石，硅酸鈣，當它被加熱制成石灰時不會產生二氧化碳。它只會產生二氧化硅，這是一種可用于替代粉煤灰的副產品，粉煤灰是一種來自燃煤發電廠的廢物，是典型水泥中的另一種成分。而隨著燃煤電廠的消失，粉煤灰這種材料的可用性越來越低，而且它是標準產品中的另一個排放源。

“奇跡材料”

“Brimstone Energy不僅找到了一種方法來消除水泥制造過程中的排放，它的創新創造了一個機會，我們的建筑環境可以成為碳匯，“突破能源風險投資公司的Carmichael Roberts說，該公司去年領導了硫磺石的55萬美元A輪融資。Roberts稱這是“一種神奇的材料”，對社會和經濟的基礎設施至關重要。這意味著用負碳硫磺波特蘭水泥建造的建筑物和橋梁可以成為氣候解決方案的一部分，而不是棘手的責任。

“幾十年來，企業家一直在努力開發水泥配方，以吸收更多的二氧化碳，或者以更少的質量提供相同的強度，或者以污染較少的比例混合水泥成分，”DCVC的聯合創始人兼管理合伙人Zachary Bogue說，該公司剛剛與Breakthrough Energy Ventures一起投資了Brimstone Energy的種子輪融資。“沒有一個替代方案效果很好：封存只捕獲了二氧化碳的一小部分，而弄亂水泥的配方讓關注結構完整性的監管機構感到擔憂。

當Brimstone Energy處理硅酸鈣時，最終也會得到成堆的鎂，這是一種自然吸收空氣中二氧化碳的物質。這意味著即使水泥現在是用化石燃料制成的，它仍然可以是碳中和的。而如果它是用可再生能源制造的，它“將是高度負碳的”。

該公司目前正在設計其第一個試點工廠，并將與現有的水泥和混凝土制造商合作。當產品上市時，預計其成本將與傳統的波特蘭水泥相同，甚至更低。芬克說，這是它迅速被采用的唯一途徑，并指出，“我的變革理論是，事情從來沒有從更便宜到更昂貴。它們總是從更貴到更便宜。

三、生物炭使水泥能持續吸收二氧化碳20年

近日，華盛頓州立大學（WSU）的工程師已經開發出一種制造混凝土的新方法，吸收的碳要比排放的多。

在此項研究中，WSU的研究人員調查了一種涉及生物碳的新方法，生物碳是一種由有機廢物制成的木炭。雖然生物炭以前曾被添加到水泥中，但這次研究小組首先使用混凝土沖洗廢水對其進行處理。這提高了它的強度，并允許更高比例的添加劑被混合進去。鑒于生物炭能從空氣中吸收其重量23%的二氧化碳，因此，這種新型水泥的特殊之處在于注入生物炭，成功研制出了這種新型負碳環保水泥。這也就意味著可以幫助水泥生產廠家減少二氧化碳的排放，達到環保減排的效果。

在實驗中，研究小組制造了含有30%處理過的生物炭的水泥，并發現由此產生的混凝土是負碳的--它實際上吸收的二氧化碳比生產該材料時排放的二氧化碳還要多。根據研究人員的計算，1公斤（2.2磅）30%的生物碳混凝土比其生產過程中釋放的二氧化碳多出約13克（-0.5盎司）。這聽起來可能不多，但考慮到普通混凝土通常每1公斤材料要釋放約0.9公斤（2磅）的二氧化碳，有著鮮明的差異。

研究小組說，如果在他們的分析里考慮到下游的差異，總收益可能會更好。例如，將生物炭用于像這種混凝土這樣的環保目的，可以將其制成的生物質從可能釋放更多二氧化碳的其他命運中轉移出來。此外，新的混凝土預計將在其幾十年的工作壽命中繼續吸收二氧化碳。

重要的是，生物炭混凝土還能保持其強度。當28天后測量時，混凝土的抗壓強度為27.6兆帕（4,003磅/平方英寸），與普通混凝土差不多。

研究人員計劃繼續優化和擴大該方法，并測試所產生的混凝土的抗風化和其他類型的損害的程度。

該研究成果的發布，不僅受到了國內外媒體的廣泛關注，也得到了全球環保組織的一致好評。可以預見，這種新型負碳環保水泥將在未來得到廣泛應用，推動水泥行業實現可持續發展。