セメントの生産は毎年10億トン以上の二酸化炭素を排出し、世界の総排出量の約8%を占め、水に次いで世界で消費される第2の材料となっています。スタンフォード大学の研究チームは、電力駆動の方法を開発し、プラズマ加熱によって化石燃料を燃焼させる従来の窯を置き換えることで、関連する炭素排出を大幅に削減できる可能性があります。ポスドク研究員のQi Zhengと教授のYi CuiおよびPaolo Monteiroとの共同研究は、アメリカ化学会の秋季会議でシカゴにて発表される予定です。
プラズマ加熱による従来の窯の代替
セメントの配合は1824年に一人の左官職人によって発明されて以来、基本的な成分はほとんど変わっていません。生産プロセスでは、石灰石、粘土、およびその他の成分を大型の窯で2,552°F (1,400°C)まで加熱する必要があります。従来の窯は化石燃料を燃焼させて熱を生成し、その過程で発生する二酸化炭素がセメント製造業の炭素フットプリントの主要な原因となっています。Zhengは、従来のプロセスには多くの中間ステップが含まれており、その間に大量の熱エネルギーが無駄になっているため、研究チームは再設計の際にこれらの中間ステップを完全に排除することを中心に据えました。
スタンフォードチームのプラズマ方式は、電力をイオン化ガスに通すことで4,352°F (2,400°C)を超える高温を生成し、従来の窯が達成できる温度よりも高いです。この極めて高温は、数秒以内に原料をセメントクリンカーに溶融させることができ、従来の生産方法よりも約100倍速いです。従来のセメント窯の熱効率は30%から40%に過ぎず、大部分の生成された熱エネルギーは失われ、効果的に利用されていません。それに対して、研究者たちはプラズマ加熱が約80%の熱エネルギーをセメント生産に直接使用でき、熱エネルギーの散逸を大幅に削減できると指摘しています。
従来製品に劣らない性能
テスト結果は、チームが「低炭素セメント」と呼ぶものが、耐久性や扱いやすさなどの機械的特性において従来のセメントと同等であることを示しています。電子顕微鏡の画像は、プラズマ方式が材料にナノサイズの欠陥を導入することを示しており、これらの欠陥は水中で迅速に溶解し、セメントの凝固プロセスを加速させるだけでなく、標準的な窯で製造された従来のセメントと比較して全体的な強度も向上しています。さらに、プラズマ加熱技術は、リサイクル施設のセメント廃棄物を原料として使用することができ、新しい石灰石や粘土に依存せず、循環製造を支援し、原材料採掘に関連する排出をさらに削減することができます。
研究者たちは、完全に再生可能エネルギーで駆動される場合、プラズマ加熱プロセス自体がゼロ排出を実現できると指摘しています。チームは次のステップとして、セメント業界の利害関係者と協力し、この方法をテストし、量産規模に拡大する計画です。Zhengは、このステップが実験室の成果を実際の産業用途に転換するために重要であると述べています。また、別の優先事項として、プラズマ方式が異なる種類のセメント廃棄物を処理する効果をテストすることが挙げられています。廃棄物の成分は収集場所や時間によって大きく異なるため、研究者たちはこの技術が多様な廃棄物源を直接処理できるかどうかを確認する必要があり、システムは投入前に選別プロセスを追加する必要があるかもしれません。