Один из старейших промышленных процессов может претерпеть серьезную технологическую модернизацию. Учёные из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Беркли разработали экспериментальный метод производства цементного клинкер с помощью электрической плазмы.
В ходе лабораторных испытаний сырьё превращалось в клинкер в течение нескольких секунд — примерно в 100 раз быстрее, чем в традиционном процессе. Результаты команда представила на конференции American Chemical Society Fall 2026.
Клинкер является основным промежуточным продуктом при производстве портландцемента. Обычно смесь известняка, глины и других компонентов в течение нескольких часов нагревают в больших вращающихся печах примерно до 1400 °C. После охлаждения полученные гранулы измельчают и превращают в цемент.
Новая система работает совершенно иначе. Электрический ток пропускают через ионизированный газ, образуя плазму с температурой свыше 2400 °C. Энергия подается непосредственно на сырьё, поэтому необходимые химические и фазовые превращения происходят практически мгновенно.
Почти вдвое меньше теплопотерь
Скорость оказалась не единственным преимуществом. По данным исследователей, традиционные цементные печи эффективно используют лишь около 30–40 % вырабатываемого тепла. Остальное теряется при нагреве самой печи, газов и на промежуточных этапах технологического процесса.
В плазменной установке почти 80 % тепловой энергии непосредственно использовалось для образования клинкер. Кроме того, система работает на электроэнергии и не требует сжигания угля, газа или другого топлива для достижения необходимой температуры.
Для цементной промышленности это особенно важно. По оценкам Американского химического общества, производство цемента ежегодно приводит к выбросам более миллиарда тонн CO₂ и составляет почти 8 % от глобальных выбросов углекислого газа.
Впрочем, простая замена печи на плазменную не сделает обычный цемент полностью безуглеродным. Значительная часть CO₂ образуется не из-за топлива, а непосредственно в ходе химического разложения известняка. Именно технологические выбросы остаются одной из самых сложных проблем декарбонизации цементной отрасли.
Старый цемент можно превратить в новый
Именно поэтому вторая часть эксперимента может оказаться даже важнее рекордной скорости.
Учёные использовали в качестве сырья отработанную цементную пасту, полученную в ходе переработки строительных отходов. С помощью плазмы этот материал удалось вновь превратить в клинкер.
Полученный цемент обладал механическими характеристиками, сопоставимыми с традиционным продуктом. Под электронным микроскопом исследователи также обнаружили в нём наноразмерные дефекты, которые быстро растворялись при контакте с водой и ускоряли затвердевание материала.
Сочетание переработанного сырья с электрическим нагревом открывает возможность создания гораздо более замкнутого цикла производства цемента. Если электроэнергия будет поступать из низкоуглеродных источников, это потенциально позволит резко сократить общий углеродный след процесса.
Однако до появления плазменных цементных заводов ещё далеко. На данный момент технология продемонстрирована лишь в качестве proof-of-concept. Исследователям предстоит проверить непрерывную работу установки, её стоимость, ресурс оборудования и способность перерабатывать строительные отходы различного состава.
В качестве следующего шага команда планирует наладить сотрудничество с производителями цемента и проверить, можно ли масштабировать систему с лабораторного уровня до промышленного производства.
