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MIT蒋业明创业新项目:用电化学制造水泥,已建立年产约100吨的试点设施

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水泥遍布于我们的生活中却不显眼,它被用来建造道路、大坝、地下室和各种建筑物。但这些无处不在的灰色石板里面藏着气候威胁。

水泥生产占全球二氧化碳总排放量的 7% 以上,超过了航空、航运和垃圾填埋等行业。

数千年来,人类一直在以某种形式制造水泥。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。

“现代版本”的水泥可以追溯到 19 世纪初,它与水混合后会变硬并干燥。它所需的材料容易获取、价格低廉、易于制作。如今,水泥是地球上使用最多的材料之一,每年产量约 40 亿吨。

工业规模的水泥生产带来了多方面的气候难题。它的生产过程是能源密集型的:传统水泥窑的内部比火山喷发时的熔岩还热。

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,也就是大气中最常见的温室气体。

这场气候灾难的一个潜在解决方案可能是使用 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,它正在开发一种全新的水泥生产方法。

的技术不是在火山一样的热窑中加热破碎的岩石,而是用电将其放入水中, 借此引发化学反应,从而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能生产一小块水泥,发展到了建立了一个每年可生产约 100 吨水泥的试点设施。

尽管与每年可以生产 100 万吨以上的传统水泥厂相比,它的规模仍然很小,但该试验线证明了电化学能够帮助应对水泥(世界上最重要的建筑材料之一)生产的挑战,迈出了重要的第一步。

到本世纪末, 计划建立一个完整的生产设施,每年能够生产 100 万吨材料。但传统的大型水泥厂的建造和装备成本可能超过 10 亿美元。

与老牌行业参与者竞争将要求 快速扩张,同时筹集支持增长所需的额外资金。低利率时代的结束使任何企业都越来越难以完成这项任务,尤其是对生产水泥等大宗商品的企业来说。

在建筑等高风险、低利润的行业, 首先需要说服建筑商使用其材料。

水泥行业每年向大气中排放 26 亿吨二氧化碳。应对这一问题需要解决水泥温室气体排放的两个不同来源:热量和化学(过程)。

今天,为了制造水泥,我们通常将含有石灰石、沙子和粘土的混合物磨碎,并在温度高达 1500°C(略高于 2700°F)的窑中加热。高温会引发反应,将石灰石转化为石灰,并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,关键的最终产物是一些硅、钙和氧化合物的混合物,这些化合物使水泥在与水混合(并加入沙子和砾石)后硬化成混凝土,成为一种坚固的建筑材料。

按重量计算,人类使用的混凝土比除水以外的任何其他材料都多。水泥是将材料粘合在一起的胶水,约占其体积的 10%。

大约 40% 与水泥生产相关的温室气体排放来自那些产生热量的化石燃料。这是整个重工业的一个常见问题。

非营利研究组织 的行业小组负责人瑞贝卡·戴尔()说,由于化石燃料成本低廉,它们已经在生产过程中根深蒂固。

然而,成本较低的可再生能源正在进入电网,为更多工业领域转向电力打开了大门。

使用电窑生产水泥是可行的。一些主要的行业参与者,如 公司正在努力试验这项技术,以减少热量需求的排放。如果这些电窑由可再生电力供电,就可以成为一种减少水泥对气候影响的潜在途径。

但这并不能弥补水泥生产过程中的其他排放源:大约 60% 的排放源不是来自热量,而是将原材料转化为建筑材料时所需的化学反应。

大多数水泥都是从石灰石开始的,它是一种含有钙、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,这个过程通常会向大气中释放二氧化碳。

单纯从质量来看,二氧化碳的排放量不可小觑。这意味着水泥行业的完全脱碳可能需要更彻底的改造,而这就是 Sublime 公司的用武之地。

Sublime 的联合创始人兼 CEO 莉亚·埃利斯()表示:“我认为水泥并没有得到它应得的关注。”

她略带加拿大口音,讲话时语速很快,思绪倾泻而出,就好像时间很紧迫一样。当她解释水泥化学的复杂性时,眼睛在闪闪发光。


图 | 麻省理工学院教授和 Sublime 的 CEO 莉亚·埃利斯()于 2020 年共同创立了该公司(来源:BOB O'CONNOR)

并不是一开始就想进入建筑材料行业的。在加拿大长大后,她在著名的电池先驱杰夫·达恩()的指导下完成了研究生学业。

随后,她前往麻省理工学院,与电池研究领域的另一位重要人物、连续创业者合作。

创立了多家储能企业,包括 、 和 ,目前与共同创立了 。

当第一次来到麻省理工学院时,正是为她在那里的研究提出了不同的想法。她回忆说,他把她带进办公室,然后问她是否已经对电池感到厌倦。这让她很惊讶。

“我觉得这是一个有陷阱的问题。”她说,“因为他是一位著名的电池科学家。”但当时有一个想法,用电池科学中的一种工具来制造水泥:电化学。

建议,与其燃烧化石燃料来加热水泥窑,不如找到一种用电的方法,来引发制造水泥必要的化学反应。

他们后来发现,一种名为电解槽的设备可能会在这个过程中派上用场。电解槽是利用电来启动化学反应的装置。它们通常用于将水分解,产生氢气和氧气。

但电解槽也可以与其他化学反应一起工作,比如产生酸和碱,这是新水泥生产工艺的关键。

到 2019 年,埃利斯和她的同事们发现了一种有可能实现想法的方法。

他们发现,电解槽可以用来在槽中形成 pH 梯度,酸性端是溶解的石灰石,另一端是熟石灰。然后,石灰可以与活性二氧化硅结合,由此得到的化合物与传统水泥(制造)形成的化合物相同。

经过一些后续的技术开发和行业分析,两人决定将这项研究发展成一家由埃利斯掌舵的公司。说:“没过多久,我就意识到,这个想法要有一个人来实现它。”


图 | 作为研发过程中的一部分,一名 Sublime 员工正在将活性二氧化硅产品从其设备中移除(来源:BOB O'CONNOR)

四年后,Sublime 启动了一条试生产线的运营。相较于麻省理工学院的早期成果,这是一个重大进步。

在那里,埃利斯和她的实验室伙伴生产出了大约足够制造一个模具的材料。Sublime 的工程总监麦克·科贝特()表示,这条生产线于 2022 年底启动,比该公司在实验室运营的任何产品线都大 20 倍。

在这家初创公司总部的一个洞穴般的房间里,墙壁上的不锈钢箱子从左到右排列着。房间一侧的箱子里放着磨碎的岩石,另一侧的箱子中放着熟石灰,这是 Sublime 水泥的主要成分之一。

各种实验和试运行的结果就装在附近的桶里,堆放在金属架上。当和一位同事打开一个盖子时,里面的熟石灰是一种白色粉末,有点结块,就像受潮的小苏打一样。

不过这些桶里的东西还不够建造任何东西。在满负荷的情况下,试验线需要大约一周的时间才能制造出足够的水泥来填满一辆混凝土卡车。在美国,一个普通的独栋住宅需要三到四卡车的水泥才足以浇筑地基。

目前,这家初创公司正在制作材料样本,目的是送给潜在的合作伙伴,对水泥块进行测试,还有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要大得多,可能是证明 Sublime 的工艺可以在水泥行业发挥作用的最后一步。

Sublime 并不是唯一一个试图让“灰色胶水变绿色”的玩家。 基金会的工业倡议主任拉迪卡·拉利特()表示,早期减少水泥排放的努力主要集中在效率上,他曾在非营利研究机构落基山研究所()的工业小组工作。

例如,添加名为补充胶凝材料的填料,这种填料可以与水泥中的活性成分反应,有助于减少总排放,而不会影响混凝土的性能。

指出,这种策略只在一定程度上有效,因为这些填料会降低水泥的强度和使用寿命。

还有其他方法可以在水泥中添加材料以减少对气候的影响。例如,加拿大公司 已经开发出将二氧化碳注入水泥混合物的技术。

根据 的说法,二氧化碳气体可以与混合物反应并矿化,将其与大气隔绝,增加材料的强度。CarbonCure 正在与 等除碳公司合作,以展示使用混凝土长期储存二氧化碳的可能性。

但是,减少使用的总材料或添加辅料等方法在减少排放方面存在限制,它们不可能进行无限制的效率调整以实现零排放。拉利特说,水泥行业的许多老牌企业都在寻求在现有设施中增加碳捕获和封存设备。

在二氧化碳释放到大气中之前就从工厂废气中捕获它们,这可以帮助设施减少排放,使整个行业在不需要完全更换设备的情况下变得更清洁。

在现有基础设施中增加碳捕获技术,可能意味着延长了传统设备的使用寿命。这对最近建造的工厂来说是一个重要好处,因为它们通常可以运行 30 至 50 年。

但在重工业中,碳捕获在很大程度上仍未得到验证。拉利特说,现有的方法往往无法捕获所有排放物,现有的少数大型装置也面临延误的问题。

落基山研究所表示,为了实现净零目标,水泥行业需要在 2030 年前为 33 至 45 家现有水泥厂增加碳捕获设施。水泥厂的第一个工业规模设施计划于 2024 年上线。

这可能很昂贵。碳捕获系统每去除一公吨二氧化碳的成本可能高达 120 美元,埃利斯表示,按照目前的价格,这将把水泥的最终成本翻上一倍。

成本是 Sublime 和其他一些初创公司避开碳捕获,并致力于使用更激进的方法来减少水泥碳足迹的原因之一。

另一家资金最多的水泥初创公司是 ,总部位于美国加利福尼亚州,它拥有一套所谓的负碳水泥生产工艺。 的 CEO 库迪·费恩科()表示,这意味着该产品最终从大气中吸收的二氧化碳比排放的还要多。

它的技术主要在两个方面起作用。费恩科说,首先 使用的不是石灰石,而是其他不含二氧化碳的硅酸盐矿物,因此该公司的水泥(制造)工艺没有排放。

此外,硅酸盐的废物是一种含镁材料,其作用类似于海绵,可以吸收空气中的二氧化碳并使其矿化。

制造水泥仍有排放,这在很大程度上与所需的热量有关。但费恩科解释说,它们可以通过其他过程有效地抵消,尤其是因为该公司计划使用电窑。

这家初创公司声称,如果这些材料由美国普通电网供电,其材料最终去除的二氧化碳比其制造过程中产生的二氧化碳还要多,每吨水泥的碳排放约为负 130 公斤。

尽管 有能源需求和排放,但它坚持这种高温工艺的原因是,它生产水泥所用的化学配方在当今行业中占主导地位。

波特兰水泥从 19 世纪初就已经存在,这是世界上最常见的水泥类型。它以能生产可预测和坚固的混凝土而闻名。

然而,有一个问题:制造它需要超高温,因为水泥的一种关键成分,阿利特(A 矿),只能在 1250°C 以上的温度下形成。

最初, 也计划生产波特兰水泥。“对于像水泥这样低成本的东西,我们认为你需要生产市场普遍使用的东西。”蒋业明说。

但温度的要求促使 在开始大规模生产产品时重新考虑:“我们在围绕一项有 200 年历史的发明做创新。”

因此,研究小组进行了调查,发现还有其他途径可以形成化学键,使其混凝土的强度足以媲美波特兰水泥(制成的混凝土)。

Sublime 的材料采用了其中一种替代路线,它使用石灰和活性硅酸盐与水反应形成最终材料,而不是阿利特。

水泥化学过程的选择可能看起来像是一个小问题。但在建筑业这样的高风险行业,这可能是初创公司赢得大合同和合作伙伴关系的一个关键决定因素,也可能是失败的关键决定因素。

“我认为,人们理所当然地对新水泥持怀疑态度。”埃利斯说,“不过,它也不完全算是新水泥。”

埃利斯坚持认为,Sublime 的材料与波特兰水泥一样坚固耐用,甚至可能超过后者。但 的拉利特表示,开发商可能会犹豫,至少在最开始,因为他们要决定是否要放弃已经非常熟悉的材料。

Sublime 面临的主要挑战之一是以大型建筑项目所需的规模生产材料。现代水泥设施通常每年可生产 100 多万吨水泥,而 Sublime 的试点项目每年产能只有约 100 吨。埃利斯说,这基本上是“蚂蚁的水泥厂”。

将目光投向了快速扩大规模。该初创公司的下一阶段是,建造一个每年生产数万吨材料的示范商业设施,该设施预计于 2026 年初投产。说:“按这个规模,水泥世界将看到它的存在。”

在那之后,将有一个完整规模的商业工厂,年生产能力为百万吨,符合典型的行业需求。该公司仍在研究在哪里建造,但它希望能在 2028 年左右投入使用。

的创始二人组很了解未来的挑战。说:“水泥初创公司可能是你能想象到的最困难的公司之一。

它不仅在技术上很困难,而且需要大量资金。它的体量巨大,而且不性感……每个人都使用和拥有水泥,但他们看不到。”

但是,解决这个“看不见的问题”可能会改变我们的世界。水泥支撑着我们的社会,试图改变它对于更清洁的建筑业至关重要,尽管它们面临着巨大的挑战。

作者简介:凯茜·克龙哈特(Casey Crownhart),是《麻省理工科技评论》的气候记者,专注于可再生能源、交通以及技术如何应对气候变化。她还曾是一名自由科学和环境记者,为 Popular Science 和 Atlas Obscura 等媒体撰稿。在从事新闻工作之前,她是一名材料科学的研究员。

支持:Ren

运营/排版:何晨龙


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