电解提取废弃水泥中钙质实现低碳水泥熟料前驱体生产

《Nature Communications》：Low-emission cement clinker precursor production, enabled by electrolytic extraction of calcium from waste cement

本刊推荐：为解决水泥行业高CO2排放问题，研究人员开发了"水泥回收器"系统，通过电解法从废弃水泥中提取Ca(OH)2。实验表明该技术可使新鲜废弃水泥的CO2排放降低99.8%，老化水泥降低80%，为水泥行业碳中和提供了新路径。

　　

全球每年因水泥生产排放的二氧化碳高达30亿吨，相当于整个航空业的排放总量。这一惊人的数字背后，是传统水泥生产过程中对石灰石（CaCO₃）的高度依赖——不仅需要消耗大量天然矿产资源，更在高温分解石灰石时必然释放出化学计量的CO₂。更令人深思的是，尽管水泥生产如此碳密集，全球每年仍有1.2-2亿吨水泥因过剩或施工浪费而被丢弃，这些"被浪费的碳足迹"最终大多进入填埋场或降级使用。

面对这一双重挑战，不列颠哥伦比亚大学Curtis P. Berlinguette团队独辟蹊径，提出了一个革命性的问题：既然钙是石灰石中的活性成分，那么是否可以从废弃水泥中回收钙质，而非一味开采新的石灰石？这一思路引领他们开发出全球首套能够将废弃水泥转化为水泥熟料前驱体的电化学系统，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究人员采用集成化反应器设计，将水泥电解槽、废弃水泥消化容器和氢氧化钙分离单元有机结合。关键技术包括基于镍泡沫电极的电解系统、双极膜（BPM）介导的离子调控技术、以及针对老化水泥和新鲜水泥的差异化钙提取工艺。样本来源包括商业水泥产品（新鲜废弃水泥）和建筑拆除现场的混凝土废弃物（老化废弃水泥）。

水泥回收器设计

研究团队设计的"水泥回收器"由三个核心单元组成：水泥电解槽、废弃水泥消化容器（钙提取器）和氢氧化钙分离单元（石灰提取器）。电解槽采用镍泡沫电极，通过双极膜（BPM）和阳离子交换膜（CEM）实现酸、碱等效物的空间分离。阳极室循环3M KOH电解液进行析氧反应（OER），而化学室和阴极室共享封闭循环电解质（0.2M CaCl₂和1M KCl），实现H⁺离子向钙提取器的定向输送和Ca²⁺离子向阴极室的转移。

流速与pH值的关联性

研究发现封闭循环电解质的流速显著影响质子效率（PE）和钙提取效果。在200mA cm^-2电流密度下，当流速从2.5mL min^-1增至20mL min^-1时，钙提取器入口pH值（pH_{in, calcium}）从0.61急剧上升至11.28。优化流速（100-300mA cm^-2对应1.5-10.0mL min^-1）可实现85-90%的质子效率，确保高效钙溶解。

水泥回收器性能

系统在100-300mA cm^-2电流密度下需4.6-7.7V工作电压，钙离子浓度（[Ca²⁺]_{out, calcium}）在2小时电解过程中保持稳定（波动<2.5%）。通过聚苯胺涂层和PTFE疏水改性，将酸清洗间隔从1小时延长至10小时，实现100+小时连续稳定运行。

产物表征

气相色谱分析显示，新鲜废弃水泥电解产生的CO₂浓度低于280ppm，接近零排放；老化水泥的CO₂减排率达75-80%。X射线衍射证实氢氧化钙产物纯度达79-92%，副产无定形二氧化硅可循环利用。

该研究首次实现了废弃水泥到水泥熟料前驱体的闭环转化，建立了一条基于建筑废弃物的"城市矿山"开发路径。通过将电解产生的氢气与氧气高效燃烧（88%效率）为窑炉供能，结合近零排放的钙提取工艺，有望实现真正意义上的碳中和水泥生产。据估算，全球推广该技术每年可减少近10亿吨CO₂排放，同时消化数亿吨建筑废弃物，为高碳密度材料的循环经济转型提供了范式。