Det är välkänt att produktionen av cement – ​​världens ledande byggmaterial – är en viktig källa till utsläpp av växthusgaser, står för cirka 8 procent av alla sådana releaser. Om cementproduktion var ett land, det skulle vara världens tredje största utsläppare.

Ett team av forskare vid MIT har kommit på ett nytt sätt att tillverka materialet som skulle kunna eliminera dessa utsläpp helt, och kunde till och med göra några andra användbara produkter i processen.

Fynden rapporteras idag i tidskriften PNAS i ett papper av Yet-Ming Chiang, Kyocera professor i materialvetenskap och teknik vid MIT, med postdoc Leah Ellis, doktorand Andres Badel, och andra.

"Omkring 1 kilo koldioxid släpps ut för varje kilo cement som tillverkas idag, " säger Chiang. Det ger upp till 3 till 4 gigaton (miljarder ton) cement, och koldioxidutsläpp, produceras årligen idag, och det beloppet förväntas växa. Antalet byggnader världen över förväntas fördubblas till 2060, vilket motsvarar "att bygga en ny New York City var 30:e dag, " säger han. Och varan är nu väldigt billig att producera:den kostar bara cirka 13 cent per kilogram, vilket han säger gör det billigare än vatten på flaska.

Så det är en verklig utmaning att hitta sätt att minska materialets koldioxidutsläpp utan att göra det för dyrt. Chiang och hans team har ägnat det senaste året åt att leta efter alternativa tillvägagångssätt, och slog på idén att använda en elektrokemisk process för att ersätta det nuvarande fossilbränsleberoende systemet.

Vanligt portlandcement, den mest använda standardsorten, tillverkas genom att mala upp kalksten och sedan tillaga den med sand och lera vid hög värme, som framställs genom förbränning av kol. Processen producerar koldioxid på två olika sätt:från förbränning av kol, och från gaser som frigörs från kalkstenen under uppvärmningen. Var och en av dessa ger ungefär lika stora bidrag till de totala utsläppen. Den nya processen skulle eliminera eller drastiskt minska båda källorna, säger Chiang. Även om de har visat den grundläggande elektrokemiska processen i labbet, processen kommer att kräva mer arbete för att skala upp till industriell skala.

För det första, det nya tillvägagångssättet skulle kunna eliminera användningen av fossila bränslen för uppvärmningsprocessen, ersätta el som genereras från ren, förnybara källor. "I många geografier är förnybar el den lägsta kostnaden vi har idag, och dess kostnad sjunker fortfarande, " säger Chiang. Dessutom, den nya processen ger samma cementprodukt. Teamet insåg att att försöka få acceptans för en ny typ av cement – ​​något som många forskargrupper har eftersträvat på olika sätt – skulle vara en kamp i uppförsbacke, med tanke på hur brett använt materialet är runt om i världen och hur ovilliga byggare kan vara att prova nya, relativt oprövade material.

Den nya processen fokuserar på användningen av en elektrolysator, något som många människor har stött på som en del av gymnasiets kemiklasser, där ett batteri är anslutet till två elektroder i ett glas vatten, producerar bubblor av syre från en elektrod och bubblor av väte från den andra när elektriciteten delar upp vattenmolekylerna i deras beståndsdelar. Viktigt, elektrolysatorns syreevolverande elektrod producerar syra, medan den väteutvecklande elektroden producerar en bas.

I den nya processen, den pulvriserade kalkstenen löses i syran vid en elektrod och högren koldioxid frigörs, medan kalciumhydroxid, allmänt känd som lime, fälls ut som ett fast ämne vid den andra. Kalciumhydroxiden kan sedan bearbetas i ett annat steg för att producera cement, som mestadels är kalciumsilikat.

Koldioxiden, i form av en ren, koncentrerad ström, kan sedan enkelt avskiljas, utnyttjas för att producera förädlade produkter såsom ett flytande bränsle för att ersätta bensin, eller används för applikationer som oljeåtervinning eller till och med i kolsyrade drycker och torris. Resultatet är att ingen koldioxid frigörs till miljön från hela processen, säger Chiang. Däremot koldioxiden som släpps ut från konventionella cementfabriker är mycket förorenad med kväveoxider, svaveloxider, kolmonoxid och annat material som gör det opraktiskt att "skura" för att göra koldioxiden användbar.

Beräkningar visar att väte och syre som också släpps ut i processen kan kombineras igen, till exempel i en bränslecell, eller bränns för att producera tillräckligt med energi för att driva hela resten av processen, Ellis säger, producerar inget annat än vattenånga.

I deras laboratoriedemonstration, teamet genomförde de viktiga elektrokemiska stegen som krävdes, producerar kalk från kalciumkarbonatet, men i liten skala. Processen ser lite ut som att skaka en snöglob, eftersom det producerar en uppsjö av suspenderade vita partiklar inuti glasbehållaren när kalken faller ut ur lösningen.

Även om tekniken är enkel och kan, i princip, lätt skalas upp, en typisk cementfabrik producerar idag cirka 700, 000 ton av materialet per år. "Hur går man in i en sådan bransch och får en fot innanför dörren?" frågar Ellis, tidningens huvudförfattare. Ett tillvägagångssätt, hon säger, är att försöka ersätta bara en del av processen åt gången, snarare än hela systemet på en gång, och "på ett stegvis sätt" gradvis lägga till andra delar.

Det första föreslagna systemet teamet kom fram till är "inte för att vi nödvändigtvis tror att vi har den exakta strategin" för bästa möjliga tillvägagångssätt, Chiang säger, "men för att få folk inom den elektrokemiska sektorn att börja tänka mer på detta, " och komma med nya idéer. "Det är ett viktigt första steg, men ännu inte en färdigutvecklad lösning."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.