- 史丹福團隊開發的電漿方法有望大幅減少水泥生產的碳排放。
- 電漿加熱技術速度較傳統方法快近 100 倍，並提高熱能利用率。
- 低碳水泥在機械性能上與傳統水泥相似，且強度有所提升。
- 若以可再生電力驅動，電漿加熱過程可實現零排放。
水泥生產每年產生超過 10 億公噸二氧化碳，佔全球碳排放總量約 8%,僅次於水，成為全球消耗量第二大的物料。史丹福大學研究團隊開發出一種以電力驅動的方法，透過電漿加熱取代燃燒化石燃料的傳統窯爐，有望大幅減少相關碳排放。博士後研究員 Qi Zheng 與教授 Yi Cui 及 Paolo Monteiro 合作的研究，將於美國化學學會秋季會議上於芝加哥發表。
水泥配方自 1824 年由一位泥水匠發明以來，基本組成幾乎沒有改變。生產過程需要將石灰石、黏土及其他成分，於大型窯爐內加熱至 2,552°F (1,400°C)。傳統窯爐依靠燃燒化石燃料產生熱力，而過程中產生的碳排放，正是水泥製造業碳足跡的主要來源。Zheng 表示，傳統工序涉及多個中間步驟，期間亦浪費大量熱能，因此研究團隊在重新設計時，以徹底消除這些中間步驟為核心方針。
電漿技術的高效能
史丹福團隊的電漿方法將電力通過電離氣體，產生超過 4,352°F (2,400°C) 的高溫，較傳統窯爐所能達到的溫度更高。這種極度高溫可於數秒內將原料熔合為水泥熟料，速度較傳統生產方法快近 100 倍。傳統水泥窯爐的熱效率僅為 30% 至 40%,大部分產生的熱能均流失而未能有效運用。相比之下，研究人員指出，電漿加熱可將約 80% 的熱能直接用於水泥生產，大幅減少熱能散失。
測試結果顯示，團隊所稱的低碳水泥在耐用性及和易性等機械性能上，均與傳統水泥相若。電子顯微鏡影像顯示，電漿方法會在物料中引入納米級缺陷，這些缺陷於水中迅速溶解，不僅加快水泥的凝固過程，相較標準窯爐製成的傳統水泥，整體強度亦有所提升。此外，電漿加熱技術亦能以回收設施的水泥廢料作為原料運作，無需依賴全新的石灰石及黏土，既能支援循環製造，亦可進一步減少與原材料開採相關的排放。
未來應用與挑戰
研究人員指出，若完全以可再生電力驅動，電漿加熱過程本身可實現零排放。團隊下一步計劃與水泥業界持份者合作，將有關方法測試並擴展至量產規模。Zheng 形容，這一步對將實驗室成果轉化為實際工業應用至關重要。他亦表示，另一項優先工作，是測試電漿方法處理不同類型水泥廢料的效果。由於廢料成分會因收集地點及時間不同而出現明顯差異，研究人員仍須確定該技術能否直接處理多元化的廢料來源，系統或需於入料前加入篩選程序。
電漿水泥技術的環保潛力
水泥生產是全球碳排放的主要來源之一，傳統方法的高能耗和碳排放問題亟需解決。史丹福團隊的電漿技術不僅能提高生產效率，還能顯著降低碳排放，特別是若結合可再生電力使用，將有助於實現更可持續的水泥生產。這項技術的成功應用將對水泥行業的環保轉型產生深遠影響，促進循環經濟及減少資源開採的需求，對應對氣候變化具有重要意義。