Используя простой подход, используя газированную (а не негазированную) воду при производстве бетона, исследователи нашли новый способ улавливания CO.₂ в бетоне. Учитывая, сколько этого материала используется в мире, это может стать столь необходимым благом для устойчивого развития.

Конкретные проблемы

Бетон является одним из наиболее широко используемых строительных материалов во всем мире, однако его производство является основным источником выбросов парниковых газов. Обычный портландцемент (OPC), ключевой ингредиент бетона, ответственен за около 8% мирового антропогенного CO.₂ выбросы. Если бы бетонная промышленность была отдельной страной, ее выбросы могли бы превзойти только США и Китай.

Однако новый подход обещает превратить эту экологическую ответственность в возможность путем секвестрации CO.₂ в бетоне при сохранении или повышении его прочности.

Традиционные методы карбонизации бетона часто приводят к ослаблению материала и требуют высокого энергопотребления из-за необходимости использования газа под давлением и CO.₂-богатая среда. Эти процессы обычно достигают CO₂ уровень поглощения составляет всего 5-20%. Исследователи Сяосюй Фу, Александр Герини, Давиде Зампини и Алессандро Ф. Ротта Лориа решили, что этого недостаточно.

Цементная и бетонная промышленность вносит значительный вклад в выбросы CO2, вызванные деятельностью человека.₂ выбросов», — сказал Алессандро Ротта Лория из Northwestern, возглавлявший исследование. «Мы пытаемся разработать подходы, позволяющие снизить выбросы CO.₂ выбросы, связанные с этими отраслями промышленности, и в конечном итоге могут превратить цемент и бетон в огромные «поглотители углерода». Мы еще не достигли этого, но теперь у нас есть новый метод повторного использования части CO.₂ излучаемый в результате производства бетона из этого же материала. А наше решение настолько просто технологически, что его будет относительно легко внедрить в промышленности».

«Что еще интереснее, этот подход к ускорению и усилению карбонизации материалов на основе цемента дает возможность разработать новые продукты на основе клинкера, в которых CO₂ становится ключевым ингредиентом», — сказал соавтор исследования Давиде Зампини, вице-президент по глобальным исследованиям и разработкам CEMEX.

Блестящие решения

Новый метод предполагает введение CO.₂ в бетонную суспензию (смесь бетона и воды), а не непосредственно в бетон. При традиционной карбонизации бетона CO₂ вводится в затвердевший или свежий бетон. Здесь он медленно диффундирует и реагирует с вяжущими материалами с образованием карбоната кальция (CaCO).₃). Этот процесс медленный и энергоемкий.

Между тем, новый подход позволяет добиться гораздо большего поглощения (45%) без какого-либо снижения прочности бетона. Эта суспензия подвергается быстрой карбонизации с образованием CaCO.₃ кристаллы более эффективны.

«Идея в том, что цемент уже вступает в реакцию с CO.₂— объяснила Ротта Лория. «Вот почему бетонные конструкции естественным образом поглощают CO.₂. Но, конечно, поглощенный CO₂ представляет собой небольшую долю CO₂ выбрасывается при производстве цемента, необходимого для создания бетона».

Затем цементную суспензию смешивают с дополнительным цементом и заполнителями для получения бетона. Эта многоступенчатая подготовка не только ускоряет реакцию карбонизации, но и обеспечивает сохранение структурной целостности полученного бетона.

Карбонизированная в нашем подходе цементная суспензия представляет собой жидкость с гораздо меньшей вязкостью по сравнению со смесью воды, цемента и заполнителей, которая обычно используется в современных подходах к карбонизации свежего бетона», — сказал Ротта Лориа. Таким образом, мы можем смешивать его очень быстро и использовать очень быструю кинетику химических реакций, которые приводят к образованию минералов карбоната кальция. В результате получается бетонное изделие со значительной концентрацией минералов карбоната кальция по сравнению с тем, когда CO₂ вводится в свежую бетонную смесь».

Команда протестировала полученный таким образом бетон в лаборатории, не обнаружив существенной разницы между «обычным» бетоном и бетоном, полученным с помощью нового метода.

Прочность и устойчивость

«Типичным ограничением подходов к карбонизации является то, что на прочность часто влияют химические реакции», — сказал он. «Но, основываясь на наших экспериментах, мы показываем, что сила на самом деле может быть еще выше. Нам еще предстоит это протестировать, но, по крайней мере, мы можем сказать, что это бескомпромиссно. Поскольку сила не меняется, приложения также не меняются. Его можно использовать в балках, плитах, колоннах, фундаментах — во всем, для чего мы сейчас используем бетон».

«Результаты этого исследования подчеркивают, что, хотя карбонизация материалов на основе цемента является хорошо известной реакцией, все еще есть возможности для дальнейшей оптимизации выбросов CO.₂ внедрение через лучшее понимание механизмов, связанных с обработкой материалов», — сказал Зампини.

Потенциальные экологические преимущества этого метода значительны. Преобразуя CO₂ в стабильные кристаллы карбоната внутри бетона, этот подход не только снижает выбросы углекислого газа при производстве бетона, но и создает долгосрочное хранение углерода. Образующиеся кристаллы стабильны и имеют более длительный срок службы, чем сами бетонные конструкции, эффективно изолируя CO.₂ на века.

При дальнейшей оптимизации и масштабировании этот метод может стать поворотным моментом в сокращении выбросов углекислого газа в цементной промышленности. Этот подход также открывает возможности для дальнейших исследований по оптимизации процесса карбонизации и изучения его применения в других вяжущих материалах.