Des blocs de béton sans émission de carbone pourraient être fabriqués à partir de magnésium provenant de l'eau de mer

Un ciment à base de magnésium produit à partir d'eau de mer pourrait absorber du carbone au lieu d'en émettre comme le ciment classique. Bien que ses propriétés le rendent inadapté au béton armé, ce ciment "neutre en carbone" pourrait être utilisé dans des matériaux non armés, notamment les blocs de béton, qui représentent environ 15 % de toutes les applications du béton.

Des milliards de tonnes de ciment(ciment classique) sont fabriquées chaque année, ce qui représente environ 8 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone, en raison du processus de chauffage du calcaire contenant du carbone au moyen de combustibles fossiles pour produire de l'oxyde de calcium. En raison des préoccupations climatiques, il est urgent de trouver des alternatives plus durables.

Les ciments réactifs à base d'oxyde de magnésium sont l'une de ces alternatives à faible teneur en carbone qui ont été explorées ces dernières années, notamment parce qu'ils se solidifient en absorbant le dioxyde de carbone. Cependant, ces ciments sont généralement dérivés de la magnésite, un minéral contenant du carbone, qui n'est pas très répandu et qui libère du dioxyde de carbone lors du processus de calcination pour obtenir l'oxyde de magnésium.

Aujourd'hui, les laboratoires de Shiho Kawashima et de Daniel Esposito à l'université Columbia de New York ont réuni leurs compétences respectives en matière de traitement du ciment et d'électrochimie pour mettre au point un ciment au magnésium qui utilise de l'hydroxyde de magnésium récolté dans l'eau de mer au lieu de l'oxyde de magnésium. Cela évite la nécessité d'une étape de calcination qui libère du carbone. Le résultat est que ce produit pourrait potentiellement éliminer plus de carbone qu'il n'en libère lors de sa production.

Le procédé repose sur des électrolyseurs sans membrane mis au point par le laboratoire d'Esposito, qui produisent un courant acide et un courant alcalin lorsqu'on y fait passer de l'eau de mer. Cela permet un contrôle précis du pH qui permet à l'hydroxyde de magnésium de précipiter. L'équipe a montré comment ce procédé pouvait être utilisé pour produire un ciment qui absorbe le dioxyde de carbone pendant le processus de durcissement, produisant ainsi des carbonates solides qui gagnent en résistance avec le temps.

L'eau de mer est une matière première sans carbone et, combinée au durcissement par carbonatation, elle permet d'atteindre la négativité du carbone si le processus de récolte électrochimique est alimenté par des énergies renouvelables et si le dioxyde de carbone provient de l'atmosphère par capture directe dans l'air ou de l'océan par des technologies de capture directe dans l'océan", explique Kawashima.

Les auteurs ont réalisé un travail d'ingénierie des procédés vraiment élégant pour développer une nouvelle voie d'extraction du magnésium de l'eau de mer sous une forme qui pourrait convenir à la production de ciments", commente John Provis, qui étudie les matériaux de ciment à l'université de Sheffield, au Royaume-Uni.

Cependant, la chimiste des matériaux Karen Scrivener, de l'École polytechnique fédérale de Lausanne, émet des réserves. La concentration de magnésium dans l'eau de mer est très faible, environ 1300 ppm, et il faudrait donc traiter d'énormes volumes, dont le coût serait supérieur de plusieurs ordres de grandeur aux coûts actuels", explique-t-elle. De plus, ces matériaux potentiels ont une chimie complètement différente de celle du ciment classique, ce qui signifie qu'il faudra au mieux quelques décennies pour obtenir des normes industrielles, même si l'on parvient à résoudre les autres problèmes.

Kawashima reconnaît que le processus doit relever des défis tels que l'acceptation par l'industrie, mais reste optimiste. Des usines de dessalement à l'échelle industrielle, des réacteurs électrochimiques et des installations de production de béton durci par carbonatation sont déjà en service aujourd'hui", explique-t-elle. Des installations intégrées de taille similaire seraient nécessaires pour produire des ciments au magnésium à partir de l'eau de mer selon notre procédé".

Je pense qu'il est inévitable, et aussi très souhaitable, que la prochaine génération de ciments soit un ensemble diversifié de matériaux produits en plus petits volumes et utilisés dans des applications adaptées, plutôt que la situation actuelle où le ciment classique est essentiellement traité comme un matériau unique", ajoute Mme Provis. Dans ce contexte, ce procédé pourrait être un nouvel outil dans nos efforts pour décarboniser le secteur.