تاثیرات کربن حاصل از تولید سیمان و مراحل تولید بتن

تولید سیمان یکی از صنایع، آلوده کننده کربنی در جهان است. سوال اینجاست که آیا فرآیندهای تولیدی همسو با محیط زیست می تواند به کاهش این روند کمک کند؟

در یکی از روزهای ماه ژوئیه در یک مرکز آزمایش در خارج از پاریس ، یک کادر متشکل از دانشمند، مهندس و معمار با پوشیدن کلاه و عینک ایمنی از شیشه محافظ به تماشای طرز کار دستگاهی ایستادند که یک مخلوط آبکی و خاکستری را به دسته هایی از بلوک های هم اندازه آجر تولید میکرد. در همین زمان، یک اپراتور لیفتراک با دقت بلوک ها را درون یک محفظه پخت مانند نان در نانوایی قرار می داد.

آنچه آنها شاهد آن بودند، آزمایشی از روند جدید ساخت بتن است كه توسط تکنولوژی سولیدیا ساخته شده است، یك شركت مستقر در نیوجرسی امیدوار است كه روش ساخت این مصالح ساختمانی را تا حد زیادی تغییر دهد. این شركت با استفاده از تركیب شیمیایی یكی از عناصر اصلی بتن (سیمان) و تغییر فرآیند پخت آن، می تواند ارزان تر از فرآیند سنتی باشد و در عین حال به شدت انتشار گازهای كربن مرتبط با تولید سیمان را كاهش می دهد.

سیمان یکی از صنایعی است که بیشترین آلودگی کربنی اقتصاد جهانی را در پی دارد. این ماده مسئول حدود 8 درصد از انتشار دی اکسید کربن جهانی CO2)) در سال 2015 است، که اگر در هر کشور بصورت جداگانه رتبه بندی شود، صنعت سیمان سومین منتشرکننده بزرگ گازهای گلخانه ای در جهان  تنها در چین و ایالات متحده است. انتظار می رود که این مقدار در دهه های آینده با رشد اقتصادی و توسعه سریع شهرنشینی در جنوب شرقی آسیا و کشورهای جنوب صحرای آفریقا افزایش یابد. بر طبق گزارشات  آژانس بین المللی انرژی و شورای جهانی توسعه پایدار صنعت سیمان (CSI) ، تا سال 2050 تولید سیمان می تواند تا 23 درصد افزایش یابد.

این وضعیت یک چالش مهم برای مبارزه با تغییرات آب و هوا است. یک مطالعه در سال 2018 تخمین زد که میزان انتشار گازهای گلخانه ای مربوط به تولید سیمان تا سال 2030 باید حداقل 16 درصد کاهش یابد و بعد از آن، کشورها می توانند درنشست آب و هوای 2015 پاریس شرکت کنند و با هدف اینکه افزایش دمای محیط زیست در قرن حاضر زیر 2 درجه سانتیگراد بماند به توافق برسند.

به گفته کارشناسان صنعت، کاهش در این مقیاس مستلزم اتخاذ گسترده گزینه هایی است که در آن سیمان از کربن بسیار ناچیزی استفاده می کند و هم اکنون در آزمایشگاه های سراسر دنیا برای دستیابی به این هدف تلاش می شود. اما تعداد معدودی از تولیدکنندگان عمده که  بر بازار حاکمند، نسبت به ایجاد تغییر در روش های تجاری خود با احتیاط عمل می کنند. عدم وجود سیاست های محکم و محرک فناوریهای سبز، و نگاه محتاطانه صنعت ساخت و ساز نسبت به مصالح ساختمانی جدید باعث شده است که چشم انداز چنین تغییر بنیادی دور از انتظارباشد.

اثر کربن متراکم  صنعت بتن عمدتا به دلیل استفاده از مواد در مقیاس زیاد است. شن و ماسه  ترکیبی است که با سیمان به هم چسبانده شده اند، این سنگ دست ساز به قدری فراگیر است که تقریباً هر سازه مدرن اطراف ما بخشی از آنست.

رابرت کورلند ، نویسنده کتاب " سیاره بتن " گفت: "جامعه امروز بدون وجود بتن امکان پذیر نیست." این ترکیب فراوانترین ماده مصنوعی موجود است و به گفته فدراسیون صنعت سیمان که یک گروه تجاری استرالیایی است، اگر هر سال کل بتن های مورد استفاده در سراسر جهان را تقسیم کنید، به هر شخص در روی کره زمین سه تن بتن می رسد، و آن را به دومین منبع پر مصرف جهان پس از آب تبدیل کرده است.

بدلیل فراوانی بتن، این ماده باعث خسارات زیادی به محیط زیست میشود. فرآیند ساخت سیمان پرتلند، رایج ترین شکل تولید بتن است. به عنوان مثال ،این روش یکی از پر مصرف ترین فرایندهای تولید کربن موجود است که تنها یک تن بازده بالای 1000 پوند دی اکسید کربن را به خود اختصاص می دهد.

این فرآیند با سنگ آهک خرد شده آغاز می شود و با مواد اولیه دیگر مخلوط می شود و سپس در یک کوره بزرگ استوانه ای چرخان تغذیه می شود و تا بیش از 2600 درجه فارنهایت گرم می شود. کوره با زاویه کمی خم شده است و مواد به انتهای آن ریخته می شوند. در حین حرکت به سمت شعله آتش در انتهای کوره، برخی از اجزاء به عنوان گاز سوخته می شوند، در حالی که عناصر باقی مانده برای تولید گلوله های خاکستری معروف به کلینکر بهم می پیوندند. کلوخه های مواد که به اندازه تیله هستند خنک می شوند و سپس بصورت ریز پودر و خرد می شوند تا عنصر اتصال دهنده اصلی تشکیل شود. این عنصر باعث سفت شدن بتن با آب میشود.

این فرآیند، که از زمان اختراع یعنی دو قرن پیش تغییرات اندکی داشته است، گاز کربن را از دو طریق تولید می کند. ابتدا سوخت های فسیلی برای گرم کردن کوره با دمای مورد نیاز برای تجزیه مواد، سوخته می شوند و در این فرآیند کربن منتشر می شود. علاوه بر این، فرآیند تجزیه حرارتی به خودی خود منجر به انتشار گازهای گلخانه ای می شود، زیرا کربن به دام افتاده در سنگ آهک با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می شود تا دی اکسید کربن به عنوان یک محصول فرعی ایجاد شود.

گوراو سانت، استاد مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه کالیفرنیای لس آنجلس گفت: تقریباً دو سوم از انتشار کربن مرتبط با سیمان ناشی از این واکنش است، به همین دلیل تولید سیمان فرآیندی واقعا دشوار در دفع کربن تلقی می شود. وی گفت، از آنجا که انتشار دی اکسید کربن بخشی از فرآیند شیمیایی است، حتی یک تغییر کامل و استفاده از منابع انرژی با کربن کم یا ناچیز برای گرم کردن کوره ها تنها بخشی از مشکل را حل می کند.

تولیدکنندگان سیمان قبلاً برای کاهش انتشار گازها اقداماتی انجام داده اند. به لطف پیشرفت در بهره وری انرژی و ترفندهای مربوط به مخلوط های بتونی، میانگین حدود دی اکسید کربن حاصل از تولید سیمان طی 20 سال گذشته 18 درصد در سطح جهان کاهش یافته است. همچنین برخی از شرکت ها فناوری هایی را برای جلوگیری از ورود و انتشار دی اکسید کربن به جو بکار میبرند، اگرچه چنین سیستم هایی موثرند ولی در مقیاس زیاد ممکن است نتوانند تأثیرگذاری قابل توجهی داشته باشند.

در حالی که اخیراً بزرگترین صنعتگران دنیا متعهد شده اند که میزان دی اکسید کربن کاهش بیشتری یابد، سنت هشدار می دهد که فناوری های موجود فقط می توانند بخشی از کاهش دی اکسید کربن را برای دستیابی به اهداف پاریس تحقق بخشند. وی گفت: "آنچه صنعت واقعاً باید انجام دهد، سرمایه گذاری و تلاش برای تولید انواع جدید یا جایگزین سیمان است که نیازی به کلینکر ندارند. این تنها روشی است که می تواند به مسئله انتشار گازهای بالادست CO2 ناشی از تولید سیمان بپردازد."

شرکت ها در حال آزمایش روش های مختلفی برای کاهش یا از بین بردن مقدار کلینکر مورد نیاز برای تهیه بتن هستند. به عنوان مثال، شرکت ساختمانی بیومیسن در کارولینای شمالی،از باکتری های طبیعی موجود به عنوان یک اتصال دهنده برای ساختن آجر بتنی

استفاده می کند، در حالی که شرکت CO2Concrete ، اسپین آف دانشگاه کالیفرنیای لس آنجلس، این فناوری را توسعه داده است و دی اکسید کربن مستقیماً از دودکش نیروگاه ها برای تولید کربناتهای معدنی جامد گرفته شده و سپس می تواند به جای سیمان سنتی پورتلند مورد استفاده قرار گیرد. برخی شرکتهای دیگر مانند  banahدر انگلستان و Zeobond در استرالیا توجه خود را بر استفاده از فرآورده های فرعی فرایندهای صنعتی دیگر برای ایجاد به اصطلاح "ژئوپلیمرها" برای جایگزینی کلینکر در ساخت سیمان متمرکز کرده اند.

کارشناسان می گویند Solidia ، شرکت نیوجرسی که درتابستان در فرانسه پا به عرصه فعالیت گذاشته است، یکی از امید بخشترین  شرکتها در این میان است. روش این موسسه برای اولین بار در سال 2008 در دانشگاه راتجرز اجرا شد وشامل دستکاری شیمیایی سیمان برای کاهش قابل توجه دمای کوره مورد نیاز برای تولید کلینکر، و سپس پخت بتن ساخته شده با سیمان آن با ضایعات دی اکسید کربن به جای آب است.

تام شولر، رئیس و مدیر عامل شرکت Solidia ، گفت: این فناوری ها كاهش اثر كربن را تا 70 درصد در مقایسه با بتن معمولی مبتنی بر سیمان پرتلند - و با هزینه كمتر فراهم می كنند و حمایت مالی از شرکتهای سرمایه گذاری شناخته شده Kleiner Perkins و Bright Capital ، غول نفتی BP و LafargeHolcim مستقر در سوئیس، بزرگترین تولیدکننده سیمان در جهان را جمع آوری کرده است.

شرکت دیگری که روی راه حل های جایگزین سیمان کار می کند، Carbon Cure است که مقر آن در هالیفاکس نوا اسکوشیا است.  راب نیون مهندس شهرسازی معتقد است که CarbonCure سیستمی ایجاد می کند که دی اکسید کربن مایع شده حین مخلوط شدن به بتن مرطوب پمپ می شود. با سخت شدن بتن، کربن حاصل از دی اکسید کربن با بتن واکنش نشان می دهد تا به یک ماده معدنی تبدیل شود، و بدین ترتیب بدون به خطر انداختن مقاومت و قیمت بتن به طور موثری نیاز به سیمان را کاهش می دهد.

کریستی گمبل ، مدیر بخش پایداری CarbonCure گفت: " درهر پروژه ساختمان یا زیرساخت، صدها کربن در روند این کانی سازی CO2 کاهش می یابد، وگرنه هزاران هکتار درخت در طی مدت یکسال آنرا جذب خواهد کرد" به گفته وی، گسترش جهانی آن می تواند حدود 550 میلیون تن دی اکسید کربن در هر سال را کاهش دهد که معادل خارج کردن 150 میلیون اتومبیل از جاده است.

در حال حاضر، فناوری CarbonCure ، که به یک مقاوم سازی کوچک متشکل از یک سیستم رایانه ای، یک مخزن برای ذخیره دی اکسید کربن و یک لوله برای پمپ کردن آن در مخلوط بتن نیاز دارد که هم اکنون تقریباً در 150 کارخانه بتن در سراسر آمریکای شمالی نصب شده است. این شرکت گفت این کشور همچنین در جنوب شرقی آسیا و اروپا گسترش می یابد.

نمایش محصول آنها در دنیای واقعی در جورجیا در یک ساختمان تجاری چند طبقه در حال ساخت در یکی از محله های دورافتاده آتلانتا است. ساختمان تا پایان سال تکمیل خواهد شد، و اولین ساختمانی است که در مقیاس بزرگ ساخته می شود و از بتن ساخته شده با CarbonCure در کل سازه استفاده می کند. به گفته گمبل ، این پروژه به تنهایی مانع از انتشار بیش از 750 تن دی اکسید کربن در جو خواهد شد، این مقدار معادل 800 هکتار از اراضی جنگلی است که به مدت یک سال دی اکسید کربن را ایزوله می کند.

اگرچه شرکتهایی مانند Solidia و CarbonCure در حال پیشرفت هستند، اما هنوز راه درازی برای بدست آوردن حتی سهم اندکی از بازار دارند. شولر می گوید یکی از مهمترین موانع محافظه کاری گسترده بخش ساختمان است. شولر گفت: "نگرش کلی صنعت این است که به چیزی که میبیند باور می کند." این شرکت حدود 100 میلیون دلار برای تحقیق و توسعه و آزمایشات مانند این در فرانسه هزینه کرده است تا مشتری های تجاری را ترغیب کند.

عدم تمایل به اتخاذ فن آوری های جدید قابل درک است. سان گفت: "وقتی در مورد اطمینان از امنیت زندگی در ساختمان صحبت می شود، باید مطمئن باشید آنچه انجام می دهید کارساز خواهد بود." وی همچنین اظهار داشت كه مقررات ایمنی امروز قادر به ارزیابی فرآیندهای جدید برای تولید بتن نیست در حالیکه به منظور كاهش قابل توجه انتشار كربن تولید شده از فرآیندهای صنعتی مورد نیاز است.

وی گفت: "مشكل این است كه بجای استفاده از معیارهای مبتنی بر كارایی وبرانگیختن نوآوری، بیش از حد به كدها و استانداردهای تجویز شده ای اعتماد داریم كه به ما می گویند بتن ریزی را به روشی خاص انجام دهیم."

مسئله مهم دیگر هزینه است. جرمی گرگوری مدیر اجرایی مرکز توزیع پایدار بتن MIT ، یک گروه تحقیقاتی با محوریت تولید و استفاده از بتن پایدار در اینباره گفت: "گرچه هزینه راه حل های جدید همیشه بیش از راه حل های معمولی نیست ولی تمایل به پرداخت هزینه های اضافی محدود است." یک مطالعه در سال 2015 نشان داد که سیمان های مبتنی بر ژئوپلیمر می توانند سه برابر روش سنتی هزینه بر باشند."

گمبل گفت:" سیاست هایی برای جبران هزینه های بالاتر و تشویق سرمایه گذاری در سیمان های سازگار با آب و هوا نیز وجود ندارد، پیشرفت تکنولوژیکی نمی تواند استخراج سیمان حاصل از خود را کاهش دهد. آنچه مورد نیاز است، اقداماتی از قبیل نصب درپوشهای انتشار و مجازات برای ارسال سیگنال های بازار و تشویق گسترده فناوری های همگام با محیط زیست است. "

در پایان ، وی تصدیق كرد كه سیمان كم كربن هنوز خیلی دور از دستیابی به مقیاس گسترده است. با این وجود همچنان روند مثبتی در جریان است: "شاید 20 ، 30 سال طول بکشد، شاید بیشتر. اما شاهد اولین پیشرفتها در این راه هستیم.

با توجه به مقیاس قابل توجه اثر کربن در این روند، نحوه تولید سیمان به تنهایی می تواند فرآیند گرم شدن کره زمین را کاهش دهد. برای گریگوری ، تنها راه پیش رو ادامه فشار به تمامی صنایع برای تسریع تلاش های خود است.

وی گفت: "تأخیر یا اجتناب از این چالش ،" واقعاً اختیاری نیست. "

 

مترجم

ن.قاسمی

 

اطلاعات مفید:

بازیافت بتن

بتن نسل جدید

کارخانه تولید بتن

چهارشنبه ۰۲-۱۱-۱۳۹۸