सीमेंट रीसाइक्लिंग से जलवायु समस्या के समाधान की चुनौती

 (cam.ac.uk)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-05-25 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • कंक्रीट दुनिया भर में पानी के बाद सबसे अधिक इस्तेमाल होने वाली सामग्री है, इसलिए सीमेंट के CO₂ उत्सर्जन को कम करने वाली तकनीक का निर्माण उद्योग की जलवायु प्रतिक्रिया पर सीधा असर पड़ता है
  • Cambridge के शोधकर्ताओं ने स्टील रीसाइक्लिंग में इस्तेमाल होने वाली electric arc furnace (EAF) में वेस्ट सीमेंट को साथ में प्रोसेस करके, कंक्रीट और स्टील उत्पादन—दोनों के उत्सर्जन को एक साथ कम करने का तरीका विकसित किया है
  • इस प्रक्रिया का मुख्य बिंदु स्टील रीसाइक्लिंग में उपयोग होने वाले lime flux को वेस्ट सीमेंट से बदलना है, जिससे आमतौर पर फेंके जाने वाले slag को नए कंक्रीट में इस्तेमाल होने वाले रीसाइकल्ड सीमेंट में बदला जा सकता है
  • Materials Processing Institute के परीक्षण में electric arc furnace आधारित बड़े पैमाने पर उत्पादन पहली बार प्रमाणित हुआ, और यदि EAF को नवीकरणीय ऊर्जा से चलाया जाए तो लंबे समय में शून्य-उत्सर्जन सीमेंट भी संभव है
  • Cambridge Electric Cement प्रक्रिया का लक्ष्य 2050 तक सालाना 1 अरब टन उत्पादन है, जो मौजूदा वार्षिक सीमेंट उत्पादन का लगभग एक-चौथाई है

electric arc furnace में सीमेंट को फिर से बनाने का तरीका

  • Cambridge के शोधकर्ताओं ने स्टील रीसाइक्लिंग में इस्तेमाल होने वाली electric arc furnace का उपयोग करके सीमेंट को साथ में रीसायकल करने की विधि विकसित की है
  • यह तरीका जर्नल Nature में प्रकाशित Electric recycling of Portland cement at scale शोध के जरिए सामने आया
  • पारंपरिक स्टील रीसाइक्लिंग में अशुद्धियाँ हटाने के लिए lime flux का उपयोग किया जाता है, और प्रक्रिया का परिणाम आमतौर पर slag waste होता है
  • जब वेस्ट सीमेंट lime flux की जगह लेता है, तो अंतिम उत्पाद नया कंक्रीट बनाने में इस्तेमाल होने वाला रीसाइकल्ड सीमेंट बन जाता है
  • यह प्रक्रिया कंक्रीट या स्टील उत्पादन पर कोई महत्वपूर्ण अतिरिक्त लागत डाले बिना lime flux की ज़रूरत कम करती है, जिससे दोनों पक्षों के उत्सर्जन घटते हैं

सीमेंट से उत्सर्जन इतना अधिक क्यों होता है

  • कंक्रीट रेत, बजरी, पानी और सीमेंट से बनता है, और सीमेंट बाइंडर की भूमिका निभाता है
  • कंक्रीट में सीमेंट की मात्रा कम होती है, लेकिन कुल कंक्रीट उत्सर्जन का लगभग 90% उसी से आता है
  • पारंपरिक सीमेंट उत्पादन में चूना पत्थर और कच्चे पदार्थों को पीसने के बाद बड़े kiln में लगभग 1,450°C तक गर्म कर clinkering प्रक्रिया की जाती है
  • इस प्रक्रिया में चूना पत्थर decarbonate होकर lime में बदलता है और बड़ी मात्रा में CO₂ उत्सर्जित होती है
  • पिछले 10 वर्षों में वैज्ञानिक fly ash जैसे विकल्पों से कंक्रीट में मौजूद लगभग आधे सीमेंट को बदलने के तरीके पर काम करते रहे हैं, लेकिन इन विकल्पों को सख्त होने के लिए बचे हुए सीमेंट की रासायनिक सक्रियता की ज़रूरत होती है
  • Julian Allwood का कहना है कि दुनिया भर में सीमेंट की सालाना मांग लगभग 4 अरब टन है, और केवल ऐसे विकल्पों के सहारे भौतिक रूप से पर्याप्त मात्रा जुटाना मुश्किल है

वेस्ट कंक्रीट और स्टीलमेकिंग slag को जोड़ने वाला प्रयोग

  • विचार यह था कि पुराने कंक्रीट को तोड़कर उसमें से रेत और पत्थर अलग किए जाएँ, फिर सीमेंट को गर्म करके उससे पानी निकाला जाए ताकि दोबारा clinker बनाया जा सके
  • clinkering के लिए ऊष्मा और उपयुक्त oxide संयोजन चाहिए, और वेस्ट सीमेंट में ये घटक मौजूद होते हैं, लेकिन इन्हें फिर से सक्रिय करना पड़ता है
  • शोधकर्ताओं ने demolition waste में lime, alumina और silica मिलाकर अलग-अलग slag तैयार किए, फिर उन्हें Materials Processing Institute के EAF में पिघले हुए स्टील के साथ प्रोसेस कर तेज़ी से ठंडा किया
  • Cyrille Dunant के अनुसार, सीमेंट clinker और iron oxide का संयोजन ऐसा steelmaking slag बनाता है जिसमें अच्छा foaming होता है और जो अच्छी तरह बहता है
  • यदि घटकों का संतुलन सही रखा जाए और slag को पर्याप्त तेज़ी से ठंडा किया जाए, तो स्टीलमेकिंग प्रक्रिया पर अतिरिक्त लागत डाले बिना पुनःसक्रिय सीमेंट हासिल किया जा सकता है
  • इस रीसाइकल्ड सीमेंट में पारंपरिक सीमेंट की तुलना में iron oxide की मात्रा अधिक है, लेकिन प्रदर्शन पर इसका असर मामूली माना गया है

2050 तक 1 अरब टन उत्पादन का लक्ष्य

  • Materials Processing Institute के हालिया परीक्षणों ने दिखाया कि electric arc furnace में रीसाइकल्ड सीमेंट का बड़े पैमाने पर उत्पादन संभव है, और यह पहली बार हासिल किया गया है
  • Cambridge Electric Cement प्रक्रिया तेज़ी से विस्तार कर रही है
  • 2050 तक सालाना 1 अरब टन उत्पादन संभव हो सकता है, जो मौजूदा वार्षिक सीमेंट उत्पादन का लगभग एक-चौथाई है
  • यदि EAF को नवीकरणीय ऊर्जा से चलाया जाए, तो यह तरीका लंबे समय में शून्य-उत्सर्जन सीमेंट उत्पादन तक ले जा सकता है
  • शोधकर्ताओं ने व्यावसायीकरण को समर्थन देने के लिए इस प्रक्रिया पर पेटेंट आवेदन दायर किया है

तकनीक जितनी महत्वपूर्ण है, उतना ही कंक्रीट के उपयोग में कमी लाना भी

  • Allwood का कहना है कि शून्य-उत्सर्जन सीमेंट उत्पादन एक “absolute miracle” है, लेकिन सीमेंट और कंक्रीट के उपयोग को भी कम करना होगा
  • उनका मानना है कि कंक्रीट सस्ता, मजबूत और लगभग हर जगह बनाया जा सकता है, लेकिन इसका मौजूदा उपयोग अत्यधिक है
  • सुरक्षा से समझौता किए बिना भी कंक्रीट के उपयोग को काफी कम किया जा सकता है, लेकिन इसके लिए राजनीतिक इच्छाशक्ति चाहिए
  • Cambridge Electric Cement केवल निर्माण उद्योग के लिए एक breakthrough नहीं है, बल्कि यह संकेत भी हो सकता है कि शून्य-उत्सर्जन परिवर्तन में नवाचार के अवसर ऊर्जा क्षेत्र से आगे भी मौजूद हैं

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-05-25
Hacker News की राय

  • हैरानी की बात है कि steel recycling में इस्तेमाल होने वाले बड़े electric arc furnace से concrete को recycle किया जा रहा है। अगर इस arc furnace को solar power से चलाया जाए, तो zero-emission concrete भी संभव हो सकता है
    अभी concrete मानव-जनित carbon emissions का 7.5% हिस्सा है, इसलिए इससे बड़ा फर्क पड़ सकता है। arc furnace बहुत ज्यादा energy खाता है, लेकिन अगर solar 2 साल में दोगुना बढ़ता रहा, तो दिन के कुछ खास घंटों में इतनी अतिरिक्त बिजली होगी कि उसे संभालना मुश्किल होगा, और arc furnace negative spot power prices को absorb करने का अच्छा तरीका बन सकता है

    • electric arc furnace के आंकड़ों का मोटा हिसाब लगाएँ तो, Wikipedia के अनुसार steel के 1 ton के लिए सैद्धांतिक रूप से 1.44GJ(0.4MWh) चाहिए, और 300 ton के लिए 132MWh तथा लगभग 37 मिनट का energization time चाहिए
      https://ourworldindata.org/grapher/electricity-prod-source-s... के अनुसार दुनिया की renewable electricity 2021 में 10,700TWh और 2023 में 11,600TWh थी, और 2023 में crude steel production 1.5 billion ton था, जिसमें से 30% electric furnace से बना। अगर मान लें कि इस 30% में से 20% पहले से ही renewable electricity पर है, तो 24%, यानी 360 million ton, को green power चाहिए होगा, और 360 million × 0.4MWh = 144TWh चाहिए। यह मान्यता हटाएँ तो लगभग 152TWh बनता है, इसलिए सिद्धांततः दुनिया की renewable electricity का लगभग 1.5% लगाकर electric furnace से बनने वाले crude steel के 24% हिस्से को बदला जा सकता है। global renewable electricity growth rate +5% थी, इसलिए सिद्धांततः steel production को green बनाना 1 साल में संभव लगता है, और अगर आंकड़े 100% गलत भी हों तो 2 साल के स्तर की बात है। लेकिन अगर वह 5% coal·gas consumption में 5% कमी के साथ न आए, तो उसका कोई फायदा नहीं, और वास्तविकता ऐसी नहीं है
    • अतिरिक्त solar power को इस्तेमाल करने की कोशिश में अक्सर यह समस्या आती है कि उस बिजली को consume करने वाली facility की capital cost इतनी ज्यादा होती है कि अगर उसे दिन के बाकी समय खाली छोड़ दिया जाए तो economics काम नहीं करती। desalination plants इसका एक उदाहरण हैं; सोच रहा हूँ कि क्या ऐसे arc furnace में भी यही समस्या होगी
    • यहाँ महत्वपूर्ण बात यह है कि यह तकनीक सिर्फ concrete recycling करती है। 7.5% emissions का अधिकांश हिस्सा नई सड़कों और नई इमारतों जैसे नए निर्माण से आता है, जहाँ कुल concrete usage बढ़ता है; पुरानी इमारतों या सड़कों को तोड़कर बदलने से आने वाला हिस्सा बहुत छोटा है
      scale बड़ा होने पर भी शायद यह 7.5% को बस थोड़ा ही कम करे
    • “अगर solar 2 साल में दोगुना बढ़े तो जल्द ही संभाल से ज्यादा बिजली बचेगी” — यहाँ जल्द से मतलब कितना समय है, यह जानना चाहता हूँ
      https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=50357
    • अतिरिक्त बिजली होना सिर्फ short-term बात है। इंसान बहुत जल्दी बिजली इस्तेमाल करने के नए तरीके ढूँढ लेते हैं। energy-intensive काम इतने ज्यादा हैं कि मानवता के लिए बिजली पर्याप्त हो जाना बहुत लंबे समय तक संभव नहीं लगता
      पानी का desalination किया जा सकता है, या cryptocurrency mining की जा सकती है, और अगर human-level capability वाले robots आ जाएँ तो हर चीज़ का production अनंत रूप से बढ़ाया जा सकता है

  • यह बहुत शानदार खोज है, लेकिन अभी भी used cement सीधे landfill में नहीं जाता
    अधिकांश cement concrete बन जाता है, और अलग-अलग आकार में तोड़ा गया concrete सड़क निर्माण आदि में crushed stone से सस्ता aggregate material होने के कारण एक मूल्यवान material है। जहाँ मैं रहता हूँ, वहाँ crushed concrete की बिक्री का विज्ञापन देखकर फोन करो तो अक्सर वह पहले ही बिक चुका होता है। आसपास की मिट्टी clay और sand वाली है, इसलिए लगता है कि ऐसे material की हमेशा कमी रहती है

    • यहाँ structures और pavement से निकला demolished concrete नए development sites पर structural fill के रूप में इस्तेमाल करना आम बात है। कभी उसी site पर reuse कर लेते हैं, और कुछ agencies residual value होने के कारण contractor को उसे बाहर ले जाने नहीं देतीं
      concrete debris की site पर भी recovery value होती है। इस तरीके से recycle करने के लिए पहले उसे mill तक ले जाना होगा, crush करना होगा, separate करना होगा, फिर furnace तक पहुँचाना होगा, और उसके बाद ही article में बताई गई process शुरू होती है

  • “अगर संभव हुआ तो बहुत बड़ी बात” वाला हिस्सा शायद concrete को hydrated cement paste में वापस बदलने में है
    वास्तविक paper: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07338-8
    paper में कहा गया है कि recovered cement paste (RCP) अभी commercial scale पर उपलब्ध नहीं है, और improved recovered aggregate की value इतनी नहीं है कि अतिरिक्त processing cost को cover कर सके, इसलिए RCP अभी landfill कर दिया जाता है। हालाँकि, large-scale RCP production के लिए जरूरी know-how और technology मौजूद है, और इसके लिए [22] को cite किया गया है
    22. Thermomechanical beneficiation of recycled concrete aggregates (RCA): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095006182...
    लेकिन cited paper इस दावे का समर्थन नहीं करता कि concrete को RCP में recycle करने की technology मौजूद है। वह paper recycled concrete aggregate (RCA) से attached mortar (AM) हटाने पर केंद्रित है

  • अच्छा है कि HN की flag प्रक्रिया से गुजरने के बाद भी यह विषय बचा रहा।
    अच्छा होगा अगर borehole geothermal जैसे दूसरे संभावनाशील non-carbon energy sources पर भी चर्चा हो। यह थोड़ा विषय से हटकर है, लेकिन आम लोग अक्सर यह सुनकर चौंक जाते हैं कि NET-ZERO == MAX-CO2 == MAX-HEAT. यह मान लेना आसान है कि net-zero emissions तक पहुंचते ही मिशन पूरा हो गया, लेकिन असल में महत्वपूर्ण चीज़ curve के नीचे का area है, यानी कुल CO2/greenhouse-gas equivalent की वह मात्रा जो हम वायुमंडल में भेज चुके हैं, और ये लंबे समय तक बनी रहती हैं।
    हम अभी ही +1.5°C के करीब पहुंच रहे हैं, और अगर मौजूदा परिस्थितियों में, जहां emissions ऊंचे plateau पर बने हुए हैं, तापमान हर 10 साल में लगभग 0.25~0.3°C बढ़ता रहा, तो 2050 के आसपास net-zero emissions तक पहुंचने तक हम शायद +2.5~+3.0°C की range में होंगे। मुझे यकीन नहीं कि +2.5°C बड़े पैमाने की आबादी के लिए रहने लायक होगा, इसलिए solar radiation management (SRM) जैसी चीज़ों पर भी नज़र जाती है। उदाहरण के लिए, sulfur particles ऊपर भेजकर cloud cover बढ़ाना और समुद्र द्वारा अवशोषित धूप को घटाना, ताकि net cooling effect मिले। हाल तक container ship fuel में मौजूद sulfur का ऐसा असर होता था, लेकिन बाद में fuel में sulfur content कम करने के लिए नियम बना दिए गए।
    आख़िरकार, हम इस गड़बड़ी में एक CO2-समृद्ध, गर्म biosphere को geoengineering करके ही आए हैं, और लगता है बाहर निकलने के लिए भी engineering की ज़रूरत पड़ेगी। फिर भी, यह राहत की बात है कि ऐसी कई technologies दिख रही हैं जो carbon fuel को replace कर सकती हैं, energy store कर सकती हैं और गर्मी कम कर सकती हैं।

    • मैं सहमत हूं कि sulfur injection की ज़रूरत पड़ सकती है, लेकिन इसे दो चीज़ों के साथ सख्ती से बांधना होगा। पहला, CO2 और methane आदि की forced reduction साथ-साथ चलनी चाहिए। SRM समस्या को आगे टालता है, और इसे ज्यादा pollution के लिए अस्थायी बहाना नहीं बनना चाहिए।
      दूसरा, लगातार funding की गारंटी होनी चाहिए। अगर 20 साल तक SRM किया जाए और फिर अचानक रोक दिया जाए, तो 20 साल के climate change की बढ़ोतरी एक साथ सामने आ जाएगी। साथ ही, मानव इतिहास की सबसे बड़ी diplomatic push की ज़रूरत होगी ताकि लगभग सभी देश इसमें शामिल हों। क्योंकि इसका असर सभी देशों पर पड़ेगा, इसलिए सहमति न होने पर टकराव हो सकता है। उदाहरण के लिए, रूस ऊंचे तापमान और फसलों के लंबे growing season की उम्मीद कर रहा है।

  • एक और तरीका यह है कि ऐसी चीज़ें बनाई ही न जाएं जिन्हें 10 साल बाद गिराना पड़े। शहरों की बड़ी concrete buildings में से काफी 20 साल से पहले ही गिरा दी गईं, और कुछ तो सिर्फ 10 साल में ही गायब हो गईं।
    यह काफी फिजूलखर्ची लगती है, और लगता है कि planning और foresight हो तो इसका बेहतर तरीका ज़रूर होगा।

  • इसमें steel recycling में इस्तेमाल होने वाले flux की जगह waste concrete का उपयोग किया जाता है, ताकि बेकार slag की बजाय recycled cement मिल सके।
    यह वाकई बहुत अच्छा विचार है, लेकिन यह याद रखना चाहिए कि अगर पूरी दुनिया का steel production भी इस तरीके पर चला जाए, तब भी cement production पर इसका असर बहुत मामूली होगा। Steel लगभग 10 करोड़ टन/वर्ष है, जबकि cement लगभग 400 करोड़ टन/वर्ष के पैमाने पर है।

    • मुझे लगता है आपने किसी एक देश के production को global production समझ लिया है।
      https://www.statista.com/statistics/267264/world-crude-steel...
      2022 में दुनिया का crude steel production लगभग 1.9 billion tons था। फिर भी, यह सहज अनुमान सही है कि cement production पर इसका प्रभाव छोटा ही होगा।
      इस रिपोर्ट के मुताबिक ore से नया steel बनाने पर प्रति टन steel लगभग 270kg limestone चाहिए होता है, और electric arc furnace में steel recycle करने पर 88kg चाहिए होता है।
      https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-raw-mat...
      दुनिया का लगभग 35% steel production recycled है और 65% ore-based है। इसलिए recycled steel पर लागू यह Cambridge research लगभग 5.9 करोड़ टन limestone consumption को replace कर सकती है। यह दुनिया की अरबों टन cement consumption की तुलना में छोटा है, लेकिन electric arc furnace वाले municipalities के लिए स्थानीय स्तर पर मायने रख सकता है।

  • Cambridge के शोधकर्ताओं ने पाया कि इस्तेमाल किया हुआ cement lime flux का प्रभावी विकल्प है। ऐसे में लगता है कि यह concrete सिर्फ steel making के दौरान एक substitute material के रूप में ही “recycle” हो रहा है।
    इस तरीके को scale करना कठिन होगा। अगर हम उस concrete का सिर्फ 1% भी process करना चाहें जिसे recycle करना है, तो हमें बहुत ज़्यादा steel बनाना पड़ेगा।

    • ऐसा नहीं है। Lime flux को replace किया गया, लेकिन side effect के रूप में cement फिर से activate हो जाता है और clinker बनता है, जिसे नए concrete में फिर से इस्तेमाल किया जा सकता है।
      यह काफी शानदार hack है।
    • मैं जानना चाहूंगा कि उस 1% आंकड़े को लेकर आप कितने आश्वस्त हैं। क्या आप पक्का कह सकते हैं कि यह 20% या 50% नहीं है?
    • मैं सोच रहा हूं कि वही steel बार-बार reuse करते हुए बड़े पैमाने पर cement process न कर पाने की कोई वजह है क्या?

  • Cement production दुनिया के carbon dioxide emissions का एक बड़ा कारण है। यह जानकर हैरानी होती है कि cement recycling का कोई प्रभावी तरीका विकसित किया जा रहा है।