MITの研究者らが、セメント生産に伴う炭素排出を排除する方法を発見――セメントは世界の温室効果ガスの主要な排出源である。
セメント生産が温室効果ガス排出の主要な発生源であることはよく知られており、そのような排出の約8パーセントを占めている。セメント生産を一国とみなした場合、世界第3位の排出国となる。世界で最も広く使われている建設材料であるセメントの生産は、それほどの排出量を伴っている。
MITの研究チームは、この材料を製造する新たな方法を考案した。この方法により、これらの排出を完全になくせる可能性があり、その過程でほかの有用な製品も生産できる可能性がある。
今回の研究結果は本日、学術誌『PNAS』に論文として発表される。筆者は、MITのキョウセラ記念教授で材料科学工学を専門とするYet-Ming Chiang氏、ポスドクのLeah Ellis氏、大学院生のAndres Badel氏ら。
「現在製造されるセメント1キログラムにつき、約1キログラムの二酸化炭素が排出されている」とChiang氏は述べる。現在、年間に生産されるセメントおよびそれに伴う二酸化炭素排出は合計で30億～40億トン（ギガトン）に上り、その量は今後も増加すると予測されている。世界の建物数は2060年までに倍増すると見込まれており、これは「30日ごとに新しいニューヨーク市を一つ建設する」ことに相当するという。さらに、この材料は現在非常に安価に製造でき、1キログラムあたりの費用は約13セントにすぎず、ミネラルウォーターより安いとChiang氏は言う。
そのため、材料の炭素排出を、コストを過度に高めずに削減する方法を見つけることは大きな課題である。Chiang氏と研究チームは昨年一年間、代替手法を探してきた。そして、現在の化石燃料に依存した体系を置き換えるため、電気化学プロセスを用いるという着想に至った。
最も広く使われている標準的な種類である普通ポルトランドセメントは、石灰石を粉砕した後、砂や粘土と混ぜて高温で焼成することで製造される。この高温は石炭を燃焼させて得られる。このプロセスでは、二酸化炭素が2つの異なる経路で発生する。一つは石炭の燃焼によるもの、もう一つは加熱中に石灰石から放出されるガスによるものである。これら各経路は、総排出量にほぼ等しい割合で寄与している。Chiang氏によれば、新たなプロセスではこの両方の排出源を排除、あるいは大幅に削減できるという。研究チームは基本的な電気化学プロセスを実験室で実証したが、工業規模に拡大するにはさらなる研究が必要である。
まず、新たなアプローチによって、加熱工程で化石燃料を使用する必要をなくし、クリーンで再生可能な電力源から発電された電気に置き換えることができる。「多くの地域において、再生可能電力は現在利用可能な電力のなかで最も低コストであり、そのコストは今なお下がり続けている」とChiang氏は述べる。加えて、新たなプロセスでは従来と同じセメント製品が得られる。研究チームは、新しいタイプのセメントの受け入れを得ようとすることは困難であると認識していた。これは、多くの研究グループがさまざまな方法で取り組んできたことである。この材料が世界中で広く使われていること、また建設業者が比較的検証の進んでいない新素材を試すことにためらいを持ちがちであることを考えると、その道のりは険しいと考えられる。
新たなプロセスの中心となるのは電解槽である。これは多くの人が高校の化学の授業で目にしたことがあるものだ。そこではガラスのコップの水に二本の電極を入れ、電池に接続する。電気が水分子をそれぞれの構成原子に分解すると、一方の電極からは酸素の泡が、もう一方の電極からは水素の泡が発生する。重要な点として、電解槽の酸素を発生させる電極は酸を生成し、水素を発生させる電極は塩基を生成する。
新たなプロセスでは、粉砕した石灰石が一方の電極で酸に溶解し、高純度の二酸化炭素が放出される。一方、もう一方の電極では、一般に石灰として知られる水酸化カルシウムが固体として析出する。その後、水酸化カルシウムは別の工程で処理され、主にケイ酸カルシウムからなるセメントとなる。
純粋で濃縮された流れの形をとる二酸化炭素は、容易に隔離できるほか、ガソリンに代わる液体燃料などの付加価値のある製品を生産するために利用したり、石油回収などの用途に使用したり、さらには炭酸飲料やドライアイスに用いたりすることもできる。Chiang氏によれば、この結果、プロセス全体を通じて二酸化炭素が環境中に放出されることはないという。これに対し、従来のセメント工場から排出される二酸化炭素は、窒素酸化物、硫黄酸化物、一酸化炭素などの物質によって著しく汚染されており、利用可能な状態にするために「洗浄」することは実用的ではない。
Ellis氏によれば、計算上、このプロセスで同時に発生する水素と酸素は、例えば燃料電池で再結合させるか、あるいは燃焼させて、プロセスの残りの全工程を動かすのに十分なエネルギーを生み出すことができ、生成物は水蒸気のみであるという。
実験室での実証において、研究チームは必要な主要な電気化学工程を実施し、炭酸カルシウムから石灰を生成したが、その規模は小さかった。このプロセスは、石灰が溶液から析出する際にガラス容器内に白い粒子の懸濁した雪が舞うような様子を示すため、スノーグローブを振るのに少し似ている。
この技術は単純であり、原理的には容易に規模を拡大できるものの、現在の典型的なセメント工場は年間約70万トンの材料を生産している。「そのような産業にどのように参入し、足がかりを得るのか」と、論文の筆頭著者であるEllis氏は問いかける。同氏は、一度に全体の体系を置き換えるのではなく、プロセスの一部ずつを置き換え、「段階的に」ほかの部分を追加していく方法が一つのアプローチであると述べている。
研究チームが考案した初期の提案システムは、最善のアプローチとなる正確な戦略を「必ずしも持っていると考えているわけではない」が、Chiang氏は「電気化学分野の人々にこの点についてより深く考え始めてもらい」、新たなアイデアを生み出してもらうためのものだと述べる。「これは重要な第一歩ではあるが、まだ完全に開発された解決策ではない。」
本研究は、一部、スコルコボ科学技術研究所の支援を受けた。
