Teknologi penangkapan karbon:
Mengurangkan bahan pencemar super untuk mengehadkan pemanasan global

Shan Daniel

Pemanasan global menimbulkan beberapa siri risiko yang ketara kepada manusia di Bumi. Planet ini semakin panas akibat kesan rumah hijau, atau gas di atmosfera Bumi memerangkap sinaran gelombang panjang yang dipancarkan oleh permukaan Bumi di dalam atmosfera. Gas utama yang menyumbang kepada kesan ini ialah karbon dioksida, yang dipancarkan semasa pembakaran bahan api hidrokarbon untuk tenaga. Kesan negatif yang berpotensi akibat pelepasan dan pemanasan yang tidak terkawal mengakibatkan kejadian cuaca ekstrem, kerugian pertanian dan banjir di kawasan pantai akibat pencairan ais kutub. Akibatnya, menukar pergantungan tenaga global kepada sumber yang mengurangkan hasil negatif perubahan iklim adalah kritikal dan sensitif masa. Ini boleh dicapai dengan mengurangkan pergantungan global pada bahan api fosil dan bahan pemancar karbon lain dan beralih kepada tenaga boleh diperbaharui, seperti solar, angin, hidroelektrik, pasang surut, dan nuklear, yang tidak membebaskan CO2 semasa prosesnya (1).

Walau bagaimanapun, sejak permulaan Revolusi Perindustrian, kepekatan atmosfera CO2 telah meningkat daripada 280 ppm kepada 430 ppm, bersamaan dengan 1.18 × 10^12  tan metrik tambahan CO2 dalam atmosfera kita. Memandangkan magnitud perubahan ini, mengeluarkan karbon yang dipancarkan dari atmosfera dan menyimpannya dengan cara yang menghapuskan kesannya terhadap pemanasan global telah menjadi topik yang menarik minat saintis iklim baru-baru ini.

Proses penyerapan karbon semasa ditugaskan untuk mengambil udara dari persekitaran dan menumpukan ia untuk penyimpanan (2). Ini boleh dicapai melalui satu siri empat tindak balas: Tindak balas 1 melibatkan udara melalui larutan kalium hidroksida, di mana CO2 boleh bertindak balas dengan air untuk menjadi asid karbonik, yang menjalani peneutralan asid bes untuk menghasilkan kalium karbonat dan air. Tindak balas 2 menjana semula kalium hidroksida dengan bertindak balas kalium karbonat dengan kalsium hidroksida untuk menghasilkan kalsium karbonat, yang tidak larut dalam air. Dalam tindak balas 3, pepejal kalsium karbonat tertakluk kepada penguraian terma di bawah suhu yang sangat tinggi untuk menghasilkan kalsium oksida dan karbon dioksida, yang dipancarkan daripada tindak balas dalam persekitaran terkawal di mana ia boleh disimpan. Akhir sekali, tindak balas 4 melibatkan kalsium oksida yang menjana semula kalsium hidroksida apabila dilarutkan dalam air. Walaupun tindak balas 1, 2 dan 4 adalah eksergonik, tindak balas yang menggalakkan, penguraian terma kalsium karbonat adalah sangat endotermik dan memerlukan jumlah input tenaga yang melampau, menjadikan penyerapan karbon industri mahal dan sukar untuk dikekalkan (3). Setiap tan metrik CO2 yang dikeluarkan dari udara ambien, kosnya dianggarkan antara $600-$1000. Dengan menggunakan teknologi penyerapan karbon semasa semata-mata, kos untuk mengeluarkan CO2 yang mencukupi untuk kembali ke paras CO2 atmosfera pra-industri ialah $708 trilion, atau kira-kira 25 kali ganda KDNK AS pada tahun 2023 (4).

Metodologi ini pada masa ini bukanlah kaedah yang berdaya maju untuk memberi kesan bermakna kepada tahap CO2 dalam atmosfera kita. Inovasi dan penambahbaikan pada kedua-dua tindak balas ketiga proses penyerapan karbon dan penyimpanan/penjualan CO2 yang dihasilkan boleh mengurangkan kos keseluruhan proses ini, membolehkan pelaksanaannya pada skala yang lebih besar dan kesan positif keseluruhan yang lebih besar (4). Penahanan metana, bahan pencemar super yang membahayakan kesihatan dan mendorong perubahan iklim, boleh melengkapkan strategi penyerapan karbon dengan menyasarkan bahan pencemar iklim jangka pendek yang menawarkan faedah kesihatan dan iklim serta-merta. Walau bagaimanapun, dengan inovasi selanjutnya untuk mencipta proses yang lebih cekap kos dan gabungan dengan bentuk tenaga boleh diperbaharui yang lain, penyerapan karbon boleh menjadi alat penting untuk mengurangkan kesan negatif perubahan iklim.

Kaedah yang dipacu secara biologi yang telah mendapat pengiktirafan yang semakin meningkat dalam beberapa tahun kebelakangan ini ialah Pertanian Regeneratif (RA). Pertanian Regeneratif menawarkan pendekatan yang lebih bersepadu dan mampan untuk pertanian dengan memberi tumpuan kepada pemulihan tanah dan keseimbangan ekologi jangka panjang (5). Tidak seperti pertanian konvensional, yang sering bergantung kepada baja kimia dan racun perosak, RA menekankan amalan tradisional berasaskan alam semula jadi (6). Lima prinsip teras yang terutamanya bergantung kepada pertanian regeneratif untuk meningkatkan kesihatan tanah ialah: meminimumkan gangguan tanah, memaksimumkan kepelbagaian tanaman, mengekalkan penutup tanah yang berterusan, mengekalkan akar hidup di dalam tanah sepanjang tahun, dan mengintegrasikan ternakan, seperti lembu, ke dalam sistem pertanian.

Walaupun merupakan salah satu pendekatan yang paling berkesan untuk pertanian mampan dan penyimpanan karbon atmosfera, RA menghadapi beberapa halangan kepada pelaksanaan yang meluas (7). Pendekatan ini memakan masa dan memerlukan pengurusan yang teliti dan konsisten. Petani mesti menggunakan teknik baharu dan membangunkan pemahaman yang lebih mendalam tentang biologi tanah, interaksi tumbuhan, dan amalan berasaskan ekosistem untuk mengurus tanah mereka dengan berkesan. Peralihan ini selalunya memerlukan latihan teknikal dan komitmen jangka panjang, yang tidak boleh dilaksanakan untuk semua komuniti petani.

Walau bagaimanapun, jika RA disokong oleh pelaksanaan yang konsisten dan penyepaduan teknologi moden—seperti dron, penderia dan robotik pertanian—ia berpotensi untuk menjadi salah satu strategi jangka panjang yang paling boleh dipercayai untuk penyimpanan karbon (8). Teknologi ini boleh meningkatkan ketepatan dan kecekapan amalan pengurusan tanah, menjadikannya lebih mudah untuk memantau kesihatan tanah, mengoptimumkan putaran tanaman dan mengurangkan tugas intensif buruh. Sebagai contoh, kajian mendapati bahawa tanah mempunyai kapasiti untuk menyerap sehingga 3.4 gigaton karbon setahun melalui amalan pertanian (9). Walau bagaimanapun, untuk mencapai skala penyerapan ini, akan memerlukan penanaman kira-kira 5.72 × 10¹¹ pokok setiap tahun.

Proses RA melibatkan beberapa langkah biologi dan kimia yang saling berkaitan yang menyumbang kepada penyimpanan karbon jangka panjang dalam tanah. Ia bermula dengan peningkatan penanaman pokok, tanaman, dan tumbuhan, yang memainkan peranan penting dalam menangkap karbon dioksida atmosfera (CO₂) melalui proses fotosintesis. Semasa fotosintesis, tumbuhan menukar CO₂ dan air kepada glukosa (C₆H₁₂O₆) dan oksigen (O₂), berikutan tindak balas: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Glukosa yang dihasilkan bukan sahaja digunakan untuk pertumbuhan tumbuhan tetapi juga dipancarkan melalui akar ke dalam tanah untuk menyokong komuniti mikrob. Eksudat akar ini merangsang pernafasan dan aktiviti mikrob dalam rizosfera, meningkatkan kitaran nutrien. Sebahagian daripada karbon organik akhirnya distabilkan melalui proses yang dipanggil pelembapan, di mana sisa mikrob dan tumbuhan diubah menjadi bahan humik yang kompleks. Bahan-bahan ini membentuk bahan organik tanah yang stabil yang boleh kekal di dalam tanah selama beberapa dekad, dengan berkesan menyimpan karbon di dalam tanah.

Walaupun RA adalah pendekatan yang sangat mampan, kemajuan bermakna melalui kaedah ini memerlukan pengurangan serentak dalam pelepasan karbon antropogenik. Satu kajian menunjukkan bahawa jumlah tahunan karbon dioksida yang dikeluarkan oleh aktiviti manusia melebihi jumlah yang boleh diasingkan melalui amalan pertanian regeneratif (belanjawan tahunan global). Sebagai contoh, pada 2023, 36.8 gigaton CO2 telah dipancarkan, berbanding 3.4 gigaton karbon yang diasingkan setahun melalui RA.

Konkrit adalah bahan binaan di mana-mana; ia ada di jalan raya kita, kaki lima kita, bangunan kita, jambatan kita, dan terowong kita. Malah, konkrit adalah bahan kedua paling banyak digunakan di dunia, kedua selepas air, dan "dua kali lebih banyak konkrit digunakan dalam pembinaan berbanding semua bahan binaan lain digabungkan" (12). Pada masa ini, dunia menghasilkan 30 bilion tan konkrit setiap tahun, dan permintaan global untuk konkrit hanya meningkat, terutamanya apabila perindustrian semakin pesat di banyak negara di Selatan Global (13). Malangnya, konkrit datang dengan kos tenaga.

Simen, komponen utama konkrit, dicipta melalui proses yang dikenali sebagai pengkalsinan — campuran batu kapur dan tanah liat dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi, yang menyebabkan tindak balas kimia yang menghasilkan karbon dioksida (CO ₂ ) dan kapur (CaO). Kapur itu kemudiannya dicampur dengan lebih banyak tanah liat dan dipanaskan semula untuk membentuk simen. Akhirnya, simen itu bertindak balas dengan air untuk membentuk pelbagai produk penghidratan, yang mengeras dan mengikat agregat (terutamanya pasir, kerikil, dan batu hancur) bersama-sama, membentuk apa yang kita kenali sebagai konkrit.

Walau bagaimanapun, apabila input tenaga penting yang diperlukan untuk memanaskan simen dan CO ₂  yang dikeluarkan sebagai hasil sampingan semasa pengkalsinan kedua-duanya diambil kira, ternyata konkrit mempunyai jejak karbon yang cukup ketara. Malah, satu tan simen membebaskan 0.85 tan CO ₂ , dan industri konkrit menghasilkan 4-8% daripada pelepasan karbon dunia (14). Pada masa ini, tiada bahan binaan lain yang mampu memadankan fleksibiliti konkrit, kos rendah dan kemudahan pengeluaran, tetapi adakah terdapat cara untuk mengurangkan jejak karbon konkrit sambil juga berpotensi mengurangkan kos untuk industri?

Ternyata, walaupun fakta bahawa ia mengeluarkan karbon dioksida semasa proses pencampuran, konkrit juga menyerap karbon melalui tindak balas kimia pasif yang dikenali sebagai pengkarbonan luluhawa. Semasa proses ini, kalsium hidroksida (Ca(OH) ₂ , juga dikenali sebagai portlandite), hasil sampingan tindak balas penghidratan dalam konkrit, bertindak balas dengan karbon dioksida di udara untuk membentuk kalsium karbonat (CaCO ₃ , juga dikenali sebagai kalsit). Ini adalah satu bentuk penyerapan karbon - karbon dari udara (CO ₂ ) "diasingkan" dalam bentuk mineral dalam struktur molekul konkrit.

Walau bagaimanapun, sebagai strategi yang berpotensi untuk mengurangkan perubahan iklim dan mengurangkan jejak karbon industri konkrit, proses ini mempunyai beberapa kelemahan. Yang pertama ialah ia berlaku dengan sangat perlahan; satu tan konkrit menyerap sehingga 0.9 kg CO ₂  setahun melalui pengkarbonan luluhawa, walaupun nilai itu sangat bergantung pada keadaan persekitaran seperti kelembapan dan suhu (13). Ini bermakna pengambilan karbon yang berlaku semasa pengkarbonan luluhawa adalah jauh lebih rendah daripada karbon yang dikeluarkan oleh industri. Kelemahan kedua ialah, di bawah pendedahan lanjutan kepada CO ₂ , gel karbon silikat hidrat (CSH) yang membantu mengikat konkrit bersama-sama terurai dan konkrit mula merosot. Walau bagaimanapun, kita boleh menggunakan tindak balas kimia asas yang berlaku semasa pengkarbonan luluhawa sebagai pelan tindakan untuk mereka bentuk teknik untuk mengasingkan karbon dalam konkrit yang pantas dan aktif, berbanding dengan perlahan dan pasif.

Ternyata, industri pada masa ini mempunyai 2 kaedah. Yang pertama dipanggil pengkarbonan mineral, dan pada asasnya adalah "tiruan pantas luluhawa batu" (13). Pengkarbonan mineral mensasarkan sebatian pengikat; lazimnya, simen hanya dicampur dengan air untuk membentuk produk penghidratan yang mengikat agregat konkrit bersama-sama. Walau bagaimanapun, jika CO ₂  dilarutkan dalam air untuk membentuk asid karbonik (H ₂ CO ₃ ), ion hidronium daripada asid memecahkan oksida silikat dalam simen, membebaskan ion kalsium dan magnesium simen untuk membentuk karbonat yang stabil. Menurut satu kajian, pengkarbonan mineral komersial boleh menyerap sehingga 3 Gt karbon setahun.

Kaedah kedua menyasarkan konkrit itu sendiri. Konkrit sering diawet selepas dicampur untuk memastikan tindak balas penghidratan yang cepat, yang mempunyai kesan yang baik untuk ketahanan dan kekuatan jangka panjang konkrit. Stim ialah medium biasa di mana konkrit diawet, kerana ia membolehkan suhu tinggi dan kelembapan relatif (15), tetapi CO ₂  juga boleh digunakan untuk kesan yang sama. Proses ini, di mana CO ₂  gas disuntik ke dalam konkrit usia awal (iaitu, paling lama beberapa hari selepas pencampuran) dikenali sebagai pengawetan pengkarbonan. Begitu juga dengan pengkarbonan mineral, pengawetan pengkarbonan melibatkan tindak balas oksida silikat dengan air dan CO ₂  untuk membentuk CaCO ₃ .

Sudah tentu, mendapatkan CO tulen ₂  gas, serta mereka bentuk dan menyelenggara ruang reaksi tertutup yang diperlukan untuk pengawetan, bermakna kos tambahan untuk pengilang. Walau bagaimanapun, adalah mungkin untuk mengurangkan kos ini dengan menggantikan bahan pengikat dan agregat tradisional dengan alternatif kitar semula untuk menjadikan apa yang dikenali dalam industri sebagai "konkrit hijau." Sebagai contoh, simen Portland, pilihan tipikal untuk komponen simen konkrit, boleh digantikan sebahagian atau sepenuhnya dengan abu terbang (hasil sampingan industri arang batu) atau sanga keluli, kerana kedua-duanya mengandungi oksida yang diperlukan untuk tindak balas penghidratan berlaku. Satu kajian mendapati bahawa menggantikan simen Portland dengan campuran abu terbang dan kapur membawa kepada campuran konkrit dengan darjah pengkarbonan sebanyak 78%, berbanding darjah pengkarbonan 32% dalam campuran kawalan simen Portland (13).

Di samping itu, kerikil dan batu hancur, pilihan biasa untuk agregat kasar, boleh digantikan dengan hasil sampingan perobohan (bata hancur, konkrit, dll.). Pengkarbonan mineral juga boleh dilakukan pada agregat ini untuk meningkatkan kekuatan dan ketahanannya, serta keupayaannya untuk mengasingkan karbon. Akhir sekali, agregat halus (biasanya pasir) boleh digantikan dengan biochar, yang mempunyai faedah tambahan sebagai produk penyerapan karbon itu sendiri (biochar terbentuk melalui pembakaran bahan organik pada suhu yang sangat tinggi dalam persekitaran rendah oksigen, yang membawa kepada pembentukan struktur karbon yang stabil). Sesetengah kajian mendapati bahawa biochar boleh mempercepatkan tindak balas penghidratan semasa pengawetan karbonasi usia awal, yang membawa kepada kekuatan mampatan yang lebih tinggi (16). Biochar juga sangat berliang, bermakna ia mempunyai lebih banyak tapak di mana tindak balas pengkarbonan boleh berlaku.

Tidak seperti CCS atau pertanian regeneratif, konkrit hijau tidak memerlukan perubahan besar-besaran daripada industri sedia ada atau penciptaan yang baharu sama sekali; apa yang diperlukan ialah memasukkan produk sampingan kitar semula ke dalam campuran konkrit dan menggunakan teknologi pengawetan pengkarbonan dan bukannya wap. Pengilang simen pada masa ini mempunyai cara untuk melabur dalam masa depan yang lebih menyesuaikan diri dengan iklim — di mana kami membina bandar kami daripada CO yang diasingkan ₂ .