صنعت تولید سیمان، یکی از بزرگترین منابع انتشار دی‌اکسید کربن (CO_2) در جهان است که حدود 8 درصد از کل انتشار CO_2 ناشی از فعالیت‌های انسانی را به خود اختصاص می‌دهد. این انتشار عظیم عمدتاً ناشی از کلسیناسیون (تجزیه حرارتی کربنات کلسیم) و سوزاندن سوخت‌های فسیلی برای تأمین گرمای مورد نیاز کوره‌ها است. سیمان سبز به مجموعه‌ای از روش‌ها، مواد جایگزین و فناوری‌ها اطلاق می‌شود که هدف آن‌ها کاهش چشمگیر این اثر کربنی در تولید و استفاده از سیمان و بتن است.
۱. منابع انتشار کربن در تولید سیمان پرتلند معمولی
برای درک اهمیت سیمان سبز، ابتدا باید منابع اصلی انتشار CO_2 در فرآیند سنتی سیمان پرتلند (OPC) را مشخص کرد:
- الف) انتشار فرآیندی (Process Emissions): این منبع حدود 60 درصد از کل انتشار CO_2 را تشکیل می‌دهد. در این مرحله، سنگ آهک (CaCO_3) در دمای حدود 1450^circ C حرارت داده می‌شود و به اکسید کلسیم (CaO) و CO_2 تبدیل می‌گردد (کلسیناسیون). این انتشار اجتناب‌ناپذیر است مگر با تغییر مواد اولیه.
CaCO_3 xrightarrowHeat CaO + CO_2
- ب) انتشار انرژی (Energy Emissions): حدود 40 درصد انتشار کربن ناشی از سوزاندن سوخت‌های فسیلی (زغال سنگ، گاز طبیعی یا مازوت) برای تولید گرمای مورد نیاز کوره است.
۲. راهکارهای اصلی سیمان سبز
سیمان سبز بر دو استراتژی اصلی متمرکز است: تغییر مواد اولیه (کاهش کلینکر) و کاهش انرژی و سوخت مصرفی.
الف) کاهش محتوای کلینکر (Clinker Substitution)
کلینکر جزء اصلی و پرکربن‌ترین ماده در سیمان است. هر چه سهم کلینکر در سیمان نهایی کمتر باشد، انتشار کربن پایین‌تر است.
- مواد جایگزین سیمانی مکمل (SCMs): جایگزینی جزئی کلینکر با مواد پسماند صنعتی یا معدنی. این مواد علاوه بر کاهش کربن، می‌توانند خواص بتن را نیز بهبود بخشند.
- سرباره کوره ذوب آهن (Slag): یک محصول جانبی از صنعت فولاد. رایج‌ترین جایگزین، به‌ویژه در مناطق دارای دسترسی به فولاد.
- خاکستر بادی (Fly Ash): یک پسماند نیروگاه‌های برق حرارتی (زغال سنگ). از نظر شیمیایی دارای خاصیت پوزولانی است.
- سنگ آهک کلسینه شده (Calcined Clay): به‌ویژه خاک رس کلسینه شده، به دلیل در دسترس بودن گسترده، به‌عنوان یک جایگزین پایدار برای جایگزینی بخشی از کلینکر مطرح است.
- مزیت: استفاده از پسماندهای صنعتی به جای دفن زباله و کاهش انتشار فرآیندی.
ب) سیمان‌های با کربن بسیار پایین (Low-Carbon Cements)
این‌ها نسل جدیدی از سیمان‌ها هستند که ساختار شیمیایی متفاوتی دارند و به کلینکر پرتلند متکی نیستند:
- سیمان‌های ژئوپلیمری (Geopolymer Cements):
- از مواد با آلومینیوم-سیلیکات بالا (مانند سرباره یا خاکستر بادی) استفاده می‌کنند و به جای آب‌دهی کلسیم سیلیکات، بر پایه فرآیند پلیمریزاسیون عمل می‌کنند.
- مزیت کربن: به دلیل عدم نیاز به کلسیناسیون سنگ آهک، می‌توانند انتشار CO_2 را تا 80 درصد کاهش دهند.
- سیمان‌های کلسیم سولفو آلومینات (CSA):
- نیاز به دمای پایین‌تری برای تولید دارند و در مقایسه با OPC، CO_2 کمتری منتشر می‌کنند.
ج) استفاده از انرژی‌های پاک و CCUS
- بهره‌وری انرژی و سوخت جایگزین: استفاده از سوخت‌های کم کربن مانند بیوماس، لاستیک‌های مستعمل یا پسماندهای صنعتی (به جای زغال سنگ) برای تأمین گرمای کوره.
- جذب و ذخیره کربن (CCUS): نصب سیستم‌های جذب کربن بر روی دودکش کارخانه‌های سیمان. این فناوری CO_2 منتشر شده را قبل از ورود به جو جذب کرده و به طور دائمی ذخیره می‌کند.
۳. نقش DAC و CCU در سیمان و بتن
فناوری‌های جذب کربن و استفاده از آن (CCU) راه حل‌های مهندسی برای حل مشکل انتشارات باقی‌مانده هستند:
- استفاده از CO_2 در عمل‌آوری بتن: تزریق CO_2 جذب شده به داخل مخلوط بتن یا استفاده در اتاق‌های عمل‌آوری پیش‌ساخته.
- CO_2 با هیدروکسید کلسیم واکنش داده و کربنات کلسیم تشکیل می‌دهد. این کار باعث می‌شود CO_2 به طور دائم در محصول نهایی قفل شود.
- مزیت: هم CO_2 حذف می‌شود و هم خواص بتن (مانند مقاومت اولیه و دوام) بهبود می‌یابد.
- سیمان‌های کربناته: نسل جدیدی از سیمان‌ها که در فرآیند ساخت، CO_2 را به جای آزاد کردن، جذب می‌کنند. این فناوری‌ها به دنبال ایجاد یک چرخه بسته کربن هستند.
۴. چالش‌ها و چشم‌انداز پیاده‌سازی
- استانداردسازی و پذیرش بازار: سیمان‌های جدید مانند ژئوپلیمرها هنوز به‌صورت گسترده در آیین‌نامه‌ها و استانداردهای ساختمانی پذیرفته نشده‌اند.
- در دسترس بودن مواد اولیه: منابع خاکستر بادی و سرباره (SCMs) محدود هستند، به‌خصوص با توجه به کاهش استفاده از زغال سنگ و روش‌های جدید تولید فولاد.
- هزینه اولیه: فناوری‌های CCUS و استفاده از سوخت‌های جایگزین نیازمند سرمایه‌گذاری اولیه بالایی هستند.
علی‌رغم این چالش‌ها، با افزایش تقاضای جهانی برای ساخت و ساز و فشارهای اقلیمی، انتقال به سمت سیمان سبز اجتناب‌ناپذیر است و کلید دستیابی به ساخت و ساز با کربن صفر در دهه‌های آینده خواهد بود.
