Es bien sabido que la producción de cemento, el material de construcción líder en el mundo, es una fuente importante de emisiones de gases de efecto invernadero. que representan alrededor del 8 por ciento de todas esas emisiones. Si la producción de cemento fuera un país, sería el tercer emisor más grande del mundo.

Un equipo de investigadores del MIT ha ideado una nueva forma de fabricar el material que podría eliminar por completo estas emisiones. e incluso podría hacer algunos otros productos útiles en el proceso.

Los hallazgos se informan hoy en la revista PNAS en un artículo de Yet-Ming Chiang, el profesor Kyocera de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, con la postdoctora Leah Ellis, el estudiante de posgrado Andrés Badel, y otros.

"Se libera alrededor de 1 kilogramo de dióxido de carbono por cada kilogramo de cemento fabricado hoy, ", Dice Chiang. Eso suma de 3 a 4 gigatoneladas (miles de millones de toneladas) de cemento, y de las emisiones de dióxido de carbono, producido anualmente hoy, y se proyecta que esa cantidad crezca. Se espera que el número de edificios en todo el mundo se duplique para 2060, lo que equivale a "construir una nueva ciudad de Nueva York cada 30 días, ", dice. Y la materia prima ahora es muy barata de producir:cuesta sólo unos 13 centavos el kilogramo, lo que dice que la hace más barata que el agua embotellada.

Por lo tanto, es un verdadero desafío encontrar formas de reducir las emisiones de carbono del material sin que sea demasiado costoso. Chiang y su equipo han pasado el último año buscando enfoques alternativos, y se le ocurrió la idea de utilizar un proceso electroquímico para reemplazar el actual sistema dependiente de combustibles fósiles.

Cemento Portland ordinario, la variedad estándar más utilizada, se hace triturando piedra caliza y luego cocinándola con arena y arcilla a fuego alto, que se produce al quemar carbón. El proceso produce dióxido de carbono de dos formas diferentes:a partir de la quema del carbón, y de los gases liberados de la piedra caliza durante el calentamiento. Cada uno de estos produce contribuciones aproximadamente iguales a las emisiones totales. El nuevo proceso eliminaría o reduciría drásticamente ambas fuentes, Chiang dice. Aunque han demostrado el proceso electroquímico básico en el laboratorio, el proceso requerirá más trabajo para escalar a escala industrial.

En primer lugar, el nuevo enfoque podría eliminar el uso de combustibles fósiles para el proceso de calentamiento, sustituyendo la electricidad generada a partir de limpia, recursos renovables. "En muchas geografías, la electricidad renovable es la electricidad de menor costo que tenemos hoy, y su costo sigue bajando, ", Dice Chiang. Además, el nuevo proceso produce el mismo producto de cemento. El equipo se dio cuenta de que tratar de ganar aceptación para un nuevo tipo de cemento, algo que muchos grupos de investigación han perseguido de diferentes maneras, sería una batalla cuesta arriba. considerando cuán ampliamente utilizado es el material en todo el mundo y cuán reacios pueden ser los constructores a probar nuevos, materiales relativamente no probados.

El nuevo proceso se centra en el uso de un electrolizador, algo que muchas personas han encontrado como parte de las clases de química de la escuela secundaria, donde una batería está conectada a dos electrodos en un vaso de agua, produciendo burbujas de oxígeno de un electrodo y burbujas de hidrógeno del otro cuando la electricidad divide las moléculas de agua en sus átomos constituyentes. En tono rimbombante, El electrodo generador de oxígeno del electrolizador produce ácido, mientras que el electrodo que genera hidrógeno produce una base.

En el nuevo proceso, la piedra caliza pulverizada se disuelve en el ácido en un electrodo y se libera dióxido de carbono de alta pureza, mientras que el hidróxido de calcio, generalmente conocido como lima, precipita como un sólido en el otro. El hidróxido de calcio se puede procesar en otro paso para producir el cemento, que es principalmente silicato de calcio.

El dióxido de carbono, en forma de puro, corriente concentrada, luego se puede secuestrar fácilmente, aprovechado para producir productos de valor agregado, como un combustible líquido para reemplazar la gasolina, o se utiliza para aplicaciones como la recuperación de aceite o incluso en bebidas carbonatadas y hielo seco. El resultado es que no se libera dióxido de carbono al medio ambiente de todo el proceso, Chiang dice. Por el contrario, el dióxido de carbono emitido por las plantas de cemento convencionales está altamente contaminado con óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, monóxido de carbono y otros materiales que hacen que no sea práctico "fregar" para que el dióxido de carbono sea utilizable.

Los cálculos muestran que el hidrógeno y el oxígeno también emitidos en el proceso podrían recombinarse, por ejemplo en una pila de combustible, o quemado para producir suficiente energía para alimentar el resto del proceso, Ellis dice:produciendo nada más que vapor de agua.

En su demostración de laboratorio, el equipo llevó a cabo los pasos electroquímicos clave necesarios, produciendo cal a partir del carbonato de calcio, pero a pequeña escala. El proceso se parece un poco a sacudir una bola de nieve, ya que produce una ráfaga de partículas blancas suspendidas dentro del recipiente de vidrio a medida que la cal se precipita fuera de la solución.

Si bien la tecnología es simple y podría, en principio, ser fácilmente escalable, una planta de cemento típica produce hoy alrededor de 700, 000 toneladas del material por año. "¿Cómo penetrar en una industria como esa y poner un pie en la puerta?" pregunta Ellis, el autor principal del artículo. Una aproximación, ella dice, es intentar reemplazar solo una parte del proceso a la vez, en lugar de todo el sistema a la vez, y "de manera escalonada" agregue gradualmente otras partes.

El sistema propuesto inicialmente que se le ocurrió al equipo es "no porque necesariamente pensemos que tenemos la estrategia exacta" para el mejor enfoque posible, Chiang dice, "pero para que la gente del sector electroquímico empiece a pensar más en esto, "y proponer nuevas ideas". Es un primer paso importante, pero aún no es una solución completamente desarrollada ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.