Новое исследование показывает, что оливин, минерал, отвечающий за блестящий зеленый цвет перидота драгоценного камня, может значительно сократить выбросы углекислого газа в строительную отрасль, на долю которой приходится 37 процентов мировых выбросов CO2.₂ выбросы. Авторы исследования показали, что оливин можно использовать для изготовления прочного, долговечного и углеродоотрицательного цемента.

Более того, продукты, полученные из этого минерала, могут заменить глиняный кирпич и гипсокартонные плиты, два широко используемых, но также очень углеродоемких строительных материала. Заменив кирпичи и цемент альтернативами на основе оливина, мы потенциально могли бы сократить глобальные выбросы почти на 11 процентов (на цемент и кирпич приходится восемь и 2,7 процента выбросов соответственно).

Самое приятное то, что на нашей планете много оливина. Магматические породы, образующие верхнюю мантию Земли (слой между ядром Земли и корой) и большую часть океанического дна, в основном состоят из оливина.

Проблема с традиционным цементом и кирпичом

Цемент производят из глины, воды и известняка. Эти ингредиенты смешиваются, измельчаются и нагреваются при высоких температурах, в результате чего образуются многочисленные крошечные комочки, известные под общим названием клинкер. На следующем этапе в клинкер добавляются такие материалы, как гипс и зола. Затем эту смесь измельчают до состояния цементного порошка.

Клинкер служит основным связующим веществом в цементе. Он содержит различные соединения, которые способствуют прочности и гидравлическим свойствам цемента при смешивании с водой. Однако он также является основным источником промышленных выбросов. Это связано с тем, что смешивание, дробление, нагрев и измельчение клинкера происходит за счет ископаемого топлива.

Кирпичи также производятся с использованием глины и воды. Чтобы сделать кирпичи твердыми и долговечными, их обжигают при высоких температурах от 1000 до 1200 °C (от 1832 до 2192 °F). Этот процесс также предполагает использование ископаемого топлива, что приводит к выбросу большого количества CO.₂ в атмосферу.

Производство цемента и кирпича также требует больших объемов воды. Исследование показывает, что для производства одной тонны обычного портландцемента требуется до 680 литров воды. Производственный процесс также способствует крупномасштабной добыче глины, что приводит к деградации земель, эрозии почвы и потере биоразнообразия.

Вот почему эти последние результаты являются захватывающими. Авторы исследования утверждают, что два продукта, полученных из оливина, аморфный кремнезем и несквехонит, можно использовать для изготовления углеродоотрицательного цемента и кирпича соответственно.

Изготовление цемента и кирпича на основе оливина

По химическому составу оливин представляет собой силикат магния. [(Mg, Fe)₂·SiO4]. При контакте с CO образуется карбонат магния.₂ в воздухе. Исследователи знали, что водный карбонат магния (MgCO3·3H2O), также называемый несквехонитом, можно использовать для изготовления строительных материалов. Однако естественная реакция между оливином и CO₂ работает очень медленно и не может быть использован в коммерческих целях.

Авторы исследования разработали новый способ получения карбоната магния. Они растворили измельченные образцы оливина в серной кислоте (H₂ТАК₄). Реакция привела к распаду оливина на кремнезем и сульфат магния, последний из которых был продут углекислым газом с образованием карбоната магния. Эта многоэтапная реакция по существу связывает углекислый газ, вызывающий парниковый эффект, и которому предлагается новая жизнь в качестве строительного материала.

«Кремнеземный продукт кислотного растворения оливина имеет аморфную структуру, что делает его высокореактивным и ценным в качестве дополнительного вяжущего материала (СКМ), который можно использовать для формирования углеродоотрицательного цемента и низкоуглеродистого бетона. Несквеонит потенциально может быть преобразован в низкоуглеродистые блоки, кирпичи и плиты», — отмечают авторы исследования из Имперского колледжа Лондона.

Они предполагают, что если заменить 35 процентов портландцемента в образце бетона кремнеземом, цемент станет углеродно-нейтральным. Увеличение содержания кремнезема до 75 процентов сделает цемент углеродоотрицательным. Хотя авторам исследования необходимо протестировать материал в реальных условиях, они предполагают, что, согласно действующим строительным стандартам, их кремнезем, полученный из оливина, потенциально может заменить 55 процентов цемента, используемого для изготовления бетона.

Более того, превращение оливина в кремнезем и нескехонит не требует большого количества энергии и может быть легко достигнуто с использованием электричества, полученного из возобновляемых источников.

«Это недорогой химический процесс улавливания углерода, который генерирует два конечных продукта, имеющих коммерческую ценность, в виде низкоуглеродных строительных материалов. Никакие другие процессы систем улавливания и утилизации углерода в настоящее время не обеспечивают таких уникальных преимуществ», — добавили авторы исследования.

Авторы уже запатентовали этот процесс и основали компанию Seratch, которая будет производить цемент на основе оливина и другие строительные материалы.

Исследование опубликовано в журнале Королевское общество открытой науки .