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水泥熟料是水泥中的有效成分，可以将石块粘接起来形成高强度混凝土，是不可或缺的建筑材料。然而，在生产水泥熟料的过程中二氧化碳（CO2）排放量大约占据全球的 8%，对环境造成极大的不利影响。
在传统水泥生产过程中，排放出的二氧化碳主要有两方面的来源：一是碳酸钙高温分解生成氧化钙（CaO），会释放出等摩尔数的二氧化碳。这部分二氧化碳大约占总排放量的 60%；二是水泥生产过程中有三次不断加温的过程，从室温加热到 1450度左右，需要化石燃料加热反应器，然后燃烧产生二氧化碳。这部分二氧化碳占总排放量的 40% 左右。
图 | 英属哥伦比亚大学博士后张子帅（来源：张子帅）
近期，加拿大英属哥伦比亚大学（UBC，University of British Columbia）科学家为解决生产水泥熟料过程中二氧化碳的排放量过多问题提供一项全新思路，利用清洁能源产生的电能促使碳酸钙（CaCO3）分解，同时产生纯净的二氧化碳、氧气（O2） 和 氢气（H2）。高纯二氧化碳可以通过下游二氧化碳电解器转化为高价值目标产物。氧气和氢气可以用作燃料取代天然气，用来加热水泥窑。
本工作电流利用率高达 100%，全电池电压仅为 2.9V。通过产品生命周期估算，使用水泥电解器制备的水泥可以减少 75% 的碳排放。同时，研究者对于该项工作的经济可行性进行评估后发现，在碳税为 85 美元每吨时，两种制备水泥方式的成本几乎相同。
（来源：Energy & Environmental Science）
相关论文以《一种电解器生产低碳水泥熟料的方法》（Cement clinker precursor production in an electrolyser）为题发表在 Energy & Environmental Science 上[1]。加拿大英属哥伦比亚大学博士后张子帅为第一作者，加拿大英属哥伦比亚大学教授科特斯•伯灵盖德（Curtis Berlinguette）为通信作者。
三室电化学反应器快速生成可直接利用的纯净二氧化碳
论文中提到，研究者设计和建造出的三室电化学反应器（水泥电解器）可以快速产生氢氧化钙（Ca（OH）2），产生无需净化即可直接利用的纯二氧化碳，同时产生的氧气和氢气可以直接当做燃料使用。
图 | 设计的三室电化学反应器（来源：Energy & Environmental Science）
具体来讲，这种水泥电解器由阳极、化学室和阴极室组成，可以将碳酸钙转化为水泥熟料前驱体氢氧化钙。反应器中的双极膜将阳极室与化学室分开，阳离子交换膜将化学腔与阴极腔分开。碳酸钙原料以水浆形式被送入化学室。
在反向偏压下，双极膜介导水解离并将氢离子（H+）传送到化学腔室。碳酸钙被转换为钙离子（Ca2+）和二氧化碳。二氧化碳以纯气体流的形式离开化学腔室，而钙离子则通过阳离子交换膜被输送到阴极腔室。
在阴极室中，钙离子与电化学生成的氢氧离根（OH-）继续反应生成氢氧化钙。在 2.9V 和 100mAcm2的 100% 电流效率下，该装置中的电解器以 486mg/h 的速率产生氢氧化钙，并在阳极、化学室和阴极分别产生纯氧气、二氧化碳和氢气。
通过这种三室电解器的构型，不会使阳极产生的氧气和二氧化碳产生混合，所以该过程中释放出的二氧化碳不需要经过净化就能直接在下游使用。
总的来讲，这项工作解决了水泥分解需要消耗大量化石能源的问题以及相应的二氧化碳排放问题，并为生产低碳水泥熟料提供了一条可行途径。
热电生产水泥方式提升二氧化碳利用率，降低运行成本
该工作不仅关注水泥熟料的高效率生产，并且证明了水泥电解槽生成纯二氧化碳可以在下游被高效利用。实验结果表明，电解槽可以在高电流效率下长时间运行，并稳定生成纯二氧化碳、氢气和氧气。
从电解槽中释放出的 63% 的二氧化碳被下游串联电解器转化为一氧化碳（CO）。该实验进一步证明了，从水泥电解槽中释放的二氧化碳可以被直接利用，避免搜集和运输二氧化碳产生的额外成本。
图 | 水泥电解槽产生
的纯二氧化碳利用率
（来源：Energy & Environmental Science）
研究者还根据电力、窑炉燃料的成本，以及每吨二氧化碳 85 美元的碳税估算出整个过程的运营成本。同时，其还比较了传统的电化学方法生产水泥与现有电热法生产水泥过程中的能源、排放和运营成本。
图 | 水泥经济可行性分析对比（来源：Energy & Environmental Science）
电化学水泥和热电水泥生产运行成本对比分析后表明，电价、电池电压和电流效率是影响传统电化学水泥生产运行成本的主要因素。
在分析对比过程中，研究者还设计出短电极间距（3mm）的水泥电解器，并优化了电流效率。结果显示，电化学方法生产水泥的经济可行性并不受电解效率的限制，而是取决于与电解器电压、电力价格和排放管制等其它相关因素。而换成热电水泥生产方式时，与水泥熟料生产相关的二氧化碳排放量相应减少了 75%。
对比分析结果表明，如果满足一定的市场条件，电化学方法生产水泥可以与现有的热电水泥生产方法实现成本均等。
参考资料：
1.Zishuai Zhang，Benjamin A.W.Mowbray，Colin T.E.Parkyn，Chris T. E.Waizenegger，Aubry S.R.Williams.et al.Cement clinker precursor production in an electrolyse.Energy & Environmental Science（2022）.网页链接
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