مهندسان سال‌هاست که به دنبال بهبود‌هایی مانند کوره‌های کارآمدتر و استفاده از سوخت‌های پاک‌تر مانند زیست‌توده یا هیدروژن بوده‌اند، اما این پیشرفت‌ها تنها به تغییرات سطحی محدود شده‌اند. واکنش شیمیایی پایه همچنان همان است. برای تجزیه CaCO₃ هنوز به دمای بالا نیاز است که خود موجب انتشار CO₂ می‌شود.
ایده جسورانه این است که ضایعات جامد فولاد که سرشار از آهن است را به عنوان کاتالیزور داخلی در فرآیند تولید سیمان استفاده کنند. این ضایعات که به نام سرباره فولاد شناخته می‌شوند، شامل عناصر مفیدی مانند کلسیم، سیلیکون، آلومینیوم، آهن و مقادیر کمی نیکل و روی هستند.
به جای هزینه زیاد برای کاتالیزور‌های کمیابی مانند نیکل و روتنیم (که قبل از ساخت کلینکر باید جدا شوند)، محققان کاتالیزوری ساخته‌اند که ترکیب شیمیایی آن شبیه سرباره فولاد است. این کاتالیزور مبتنی بر آهن، نه تنها تجزیه CaCO₃ را تسریع می‌کند، بلکه این فرآیند را در حضور گاز متان (CH₄) نیز امکان‌پذیر می‌سازد.
چرا متان؟ در این روش، متان نقش کلیدی در تبدیل محصولات جانبی واکنش به ماده‌ای با ارزش دارد: گاز سنتز یا سینگاز. سینگاز ترکیبی از مونوکسیدکربن و هیدروژن است که در سوخت‌ها، پلاستیک‌ها و محصولات شیمیایی متعددی کاربرد دارد.
نکته مهم این است که کاتالیزور قبل از مرحله کلینکر جدا نمی‌شود و در مخلوط باقی می‌ماند که این کار باعث صرفه‌جویی در زمان، هزینه و انرژی می‌شود. آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهد که این روش می‌تواند انتشار CO₂ مربوط به سیمان را تا ۸۰٪ نسبت به فرآیند‌های سنتی کاهش دهد. این رقم در صنعتی که به سختی می‌توان انتشار آن را کاهش داد، بسیار چشمگیر است.
تیم تحقیقاتی عمیقاً در شیمی واکنش کاوش کرد تا دلیل کارآمدی این روش را دریابد. آنها دو مسیر اصلی را شناسایی کردند:
مسیر واکنش مستقیم: مولکول‌های متان به سطح کاتالیزور در مرز کلسیم و آهن جذب می‌شوند. سپس متان پیوند‌های کربن-اکسیژن در CaCO₃ را می‌شکند و مونوکسید کربن و هیدروژن تولید می‌کند.
مسیر تجزیه-جذب: ابتدا CaCO₃ به اکسید کلسیم (CaO) و CO₂ تجزیه می‌شود. سپس CO₂ با متان فعال شده واکنش داده و CO و هیدروژن تولید می‌کند.
آزمایش‌ها نشان داد که مسیر مستقیم غالب است. به عبارت دیگر، متان نه تنها می‌سوزد بلکه به طور فعال ساختار کربنات را تجزیه می‌کند بدون اینکه مقدار زیادی CO₂ به هوا آزاد کند.
افزودن آلومینیوم و روی به کاتالیزور نتایج را بهتر کرد. این فلزات سطح کاتالیزور را افزایش داده و محل‌های فعال آهن را بهتر پخش کردند که باعث بهبود کارایی واکنش شد. محیط اطراف اتم‌های آهن برای فعال‌سازی متان مساعدتر شد و سرعت و انتخاب‌پذیری کلی فرآیند افزایش یافت.
چرا این موضوع برای کاهش عمیق کربن اهمیت دارد:
تولید سیمان به درستی به عنوان صنعتی «سخت برای کاهش» شناخته شده است. حتی اگر فردا همه کوره‌ها به برق تجدیدپذیر مجهز شوند، مرحله تجزیه کربنات همچنان CO₂ تولید می‌کند. به همین دلیل راهکار‌هایی که شیمی پایه را تغییر می‌دهند، بسیار نادر و مهم هستند.
با ترکیب ضایعات جامد فولاد و متان در این فرآیند کاتالیزوری، سه مزیت به دست می‌آید:
- کاهش چشمگیر انتشار CO₂
- تولید محصول جانبی ارزشمند یعنی سینگاز
- استفاده از ضایعات صنعتی که در غیر این صورت در تل‌های سرباره انباشته می‌شوند
تحلیل چرخه زندگی این فرآیند نشان می‌دهد که اگر در مقیاس بزرگ استفاده شود، کاهش قابل توجهی در ردپای کربنی دارد. این تنها یک تجربه آزمایشگاهی نیست بلکه قابلیت گسترش به کارخانه‌های واقعی سیمان را دارد و می‌تواند مشکل اقلیمی را به راه‌حلی چندوجهی تبدیل کند.
همزیستی صنعتی پایدار:
هوشمندی این رویکرد در همزیستی صنعتی است؛ استفاده از ضایعات یک بخش به عنوان ماده اولیه بخش دیگر. صنعت فولاد سالانه میلیون‌ها تن سرباره تولید می‌کند. به جای هزینه کردن برای انبار کردن آن، می‌توان آن را وارد تولید سیمان کرد و هزینه‌های کربنی هر دو صنعت را کاهش داد.
این استراتژی همچنین از مرحله پرهزینه جداسازی کاتالیزور‌ها قبل از تولید کلینکر جلوگیری می‌کند. در سیستم‌های سنتی، فلزات گران‌بهایی مثل نیکل باید جدا شوند تا ترکیب سیمان حفظ شود. اما در اینجا، کاتالیزور غنی از آهن بخشی از سیمان می‌شود که هم باعث صرفه‌جویی در هزینه و هم ساده‌تر شدن فرآیند می‌گردد.
همکاری متان و کاتالیزور به این معنی است که مرحله پرمصرف انرژی تجزیه کربنات با انرژی کمتر، انتشار کمتر و ارزش اقتصادی بالاتر در هر تن سیمان انجام می‌شود.
ایراسین
