ผลิต ‘ปูนซีเมนต์’ จาก ‘คาร์บอน’ ดักจับจากอากาศ ลดก๊าซเรือนกระจก

“คอนกรีต” เป็นวัสดุที่ใช้ในการผลิตมากที่สุดบนโลก แต่ก็ต้องแลกมาด้วยต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมมหาศาล เพราะการผลิตซีเมนต์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของคอนกรีต ก่อให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 2,500 ล้านตันต่อปี หรือประมาณ 8% ของปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ทั้งหมดทั่วโลก นักวิจัยกำลังหาวิธีผลิตซีเมนต์ให้ยั่งยืนมากยิ่งขึ้น

การผลิตปูนซีเมนต์ทำให้เกิดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในทุกขั้นตอน เริ่มตั้งแต่กระบวนการผลิต “ปูนเม็ด” (Clinker) สารตั้งต้นของซีเมนต์ ที่จะต้องเปลี่ยนแคลเซียมคาร์บอเนตให้เป็นแคลเซียมออกไซด์ ปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง 1,400 องศาเซลเซียสในการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าว จึงจำเป็นต้องเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลจำนวนมาก

ปูนซีเมนต์ประเภทที่พบมากที่สุดคือ ปูนซีเมนต์พอร์ตแลนด์ ที่มักทำจากหินปูนและแร่ธาตุ เช่น แคลเซียมซิลิเกต กระบวนการนี้ต้องใช้พลังงานจำนวนมากและสร้างคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณมาก

เพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการผลิตปูนซีเมนต์พอร์ตแลนด์ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิชิแกนและมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียได้พัฒนาวิธีที่จะดักจับคาร์บอนไดออกไซด์ จากกระบวนการดังกล่าวและแปลงให้เป็น “เมทัลออกซาเลต”  ที่สามารถใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตวัสดุก่อสร้างทางเลือกที่ยั่งยืนได้

งานวิจัยนี้พัฒนามาจากโครงการที่เรียกว่า Center for Closing the Carbon Cycle (4C) ซึ่งได้รับทุนจากกระทรวงพลังงานของสหรัฐ เพื่อค้นหาวิธีปฏิบัติในการดักจับและนำคาร์บอนไดออกไซด์กลับมาใช้ใหม่ แทนที่จะปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์สู่บรรยากาศเพียงอย่างเดียว

ชาร์ลส์ แม็คโครรี ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านเคมี วิทยาศาสตร์โมเลกุลขนาดใหญ่ และวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยมิชิแกน กล่าวว่า “งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าเราสามารถนำคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งทุกคนทราบดีว่าเป็นของเสียที่แทบไม่มีมูลค่าเลย มาแปรรูปให้กลายเป็นสิ่งที่มีค่าได้อย่างไร และเราไม่ได้แค่นำคาร์บอนไดออกไซด์ไปฝังเท่านั้น แต่เรายังนำมันจากแหล่งต่าง ๆ มาปรับใช้ใหม่เพื่อให้เกิดประโยชน์”

วิธีการที่นักวิจัยพัฒนาขึ้นใช้ธาตุตะกั่วในปริมาณเล็กน้อยเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อช่วยเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเมทัลออกซาเลต แต่ปัญหาคือ โดยปกติแล้วกระบวนการนี้ต้องใช้ตะกั่วจำนวนมาก ซึ่งนำไปสู่ความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพอย่างร้ายแรง 

ดังนั้นทีมวิจัยจึงปรับแต่งกระบวนการเร่งปฏิกิริยาให้เหมาะสม ด้วยการจัดการสภาพแวดล้อมจุลภาครอบ ๆ ตัวเร่งปฏิกิริยาตะกั่ว พวกเขาสามารถลดความเข้มข้นของตะกั่วที่จำเป็นลง เหลือเพียงส่วนต่อพันล้านส่วน ซึ่งเป็นระดับที่ต่ำมากจนเทียบได้กับสิ่งเจือปนทั่วไปที่พบในวัสดุเชิงพาณิชย์แล้ว

“ในงานนี้ เรามีตัวอย่างของสิ่งเจือปนตะกั่วในปริมาณเล็กน้อยที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ฉันเชื่อว่ายังมีตัวอย่างอื่นๆ อีกมากมายที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในทางปฏิบัติ และนี่เป็นโอกาสที่ยังไม่ได้รับการพิจารณาสำหรับการค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยา” อานาสตาเซีย อเล็กซานโดรวา ศาสตราจารย์ด้านเคมีและวัสดุศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย และผู้เขียนร่วมกล่าวว่า

ตะกั่วปริมาณเล็กน้อยเหล่านี้ถูกนำไปใช้ขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าชุดหนึ่ง โดยใช้ขั้วไฟฟ้าคู่หนึ่ง ตรงขั้วไฟฟ้าหนึ่ง คาร์บอนไดออกไซด์จะถูกแปลงเป็นไอออนออกซาเลตผ่านการกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาตะกั่ว

ส่วนขั้วไฟฟ้าโลหะอีกขั้วจะถูกออกซิไดซ์และปลดปล่อยไอออนโลหะที่จับกับไอออนออกซาเลต ส่งผลให้เกิดตะกอนของเมทัลออกซาเลตที่สามารถเก็บเกี่ยวได้ในรูปผลิตภัณฑ์ของแข็ง

แม็คโครรี กล่าวว่า “ไอออนของโลหะเหล่านี้จะรวมตัวกับออกซาเลตเพื่อสร้างของแข็ง และของแข็งนั้นจะพุ่งออกมาจากสารละลาย นั่นคือผลิตภัณฑ์ที่เราเก็บรวบรวมและสามารถผสมเข้าไปเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการผลิตซีเมนต์ได้”

ขณะที่ อเล็กซานโดรวากล่าวว่า “เมทัลออกซาเลตถือเป็นผลิตภัณฑ์ที่ยังไม่ได้รับการสำรวจมากนัก โดยทำหน้าที่เป็นวัสดุประสานทางเลือก สารตั้งต้นในการสังเคราะห์ และแม้แต่สารละลายสำหรับกักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์”

เมื่อคาร์บอนไดออกไซด์ถูกแปลงเป็นของแข็งเมทัลออกซาเลตแล้ว พวกมันจะไม่ถูกปล่อยกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์อีกภายใต้สภาวะปกติ

แม็คโครรีกล่าวว่า “เป็นกระบวนการดักจับที่แท้จริงเนื่องจากคุณกำลังสร้างของแข็งจากมัน แต่ยังเป็นกระบวนการดักจับที่มีประโยชน์ด้วยเช่นกัน เนื่องจากคุณกำลังสร้างวัสดุที่มีประโยชน์และมีคุณค่าซึ่งสามารถนำไปใช้ในขั้นตอนต่อไปได้”

ขั้นตอนต่อไปจะเกี่ยวข้องกับการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการขยายขนาดส่วนของกระบวนการที่ผลิตผลิตภัณฑ์ของแข็ง ในการศึกษาล่าสุดอีกกรณีหนึ่ง นักวิจัยในญี่ปุ่นได้สร้างสารทำให้ดินแข็งตัวที่ปราศจากซีเมนต์จากแก้วรีไซเคิลและขยะจากการก่อสร้าง

ทีมงานเชื่อว่าในที่สุดวิธีการของพวกเขาอาจขยายขนาดเพื่อใช้ในอุตสาหกรรมได้ ยังคงมีงานอีกมากสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตผลิตภัณฑ์ของแข็งขั้นสุดท้าย แต่ระดับตะกั่วที่ต้องการต่ำเป็นขั้นตอนสำคัญในการทำให้กระบวนการนี้รับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อม

“เรายังห่างไกล แต่ฉันคิดว่ามันเป็นกระบวนการที่พัฒนาได้ เหตุผลส่วนหนึ่งที่เราต้องการลดปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาตะกั่วให้เหลือส่วนต่อพันล้านส่วนก็คือความท้าทายในการขยายขนาดตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีตะกั่วจำนวนมาก มิฉะนั้นแล้ว มันจะไม่สมเหตุสมผลต่อสิ่งแวดล้อม” แม็คโครรีกล่าว

ที่มา: Carbon Herald, Earth, Engineering and Technology, Interesting Engineering