Науковці створили матеріал, який може назавжди змінити цемент і бетон

Дослідники виявили, що морську воду та вуглекислий газ можна перетворити на твердий будівельний матеріал, який утримує більше вуглецю, ніж витрачається на його виробництво. Це відкриття перетворює основний будівельний інгредієнт на потенційний кліматичний актив, особливо там, де важка промисловість вже межує з узбережжям.

Використання морської води як сировини дозволяє отримувати мінеральні відкладення, здатні замінити природний пісок і гравій у бетонних сумішах, пише Earth. Така технологія не тільки вирішує проблему нестачі будівельних ресурсів, але й пропонує ефективний спосіб комерційної утилізації викидів CO2, перетворюючи їх на корисний продукт.

Морська вода і вуглекислий газ перетворюються на камінь

Усередині настільного реактора морська вода утворила бліді, схожі на пісок гранули, які могли б замінити видобутий заповнювач у бетоні. Працюючи з колегами з Північно-Західного університету, Алессандро Ротта Лоріа в дослідженні, опублікованому в журналі Advanced Sustainable System, продемонстрував, що матеріал можна вирощувати безпосередньо в цьому контрольованому хімічному середовищі. Тверді речовини з'являлися не в одній формі, а могли виглядати або як пухкі порошки в розчині, або як зерна, що наросли на електроді. Ця гнучкість залежить від вузького хімічного балансу, що ставить глибше питання про те, як матеріал змінюється в різних умовах.

Як тільки електрика починає проходити через морську воду, вода розщеплюється і утворює іони гідроксиду – заряджені частинки, які роблять прилеглу воду менш кислою. Водночас пропускання бульбашок вуглекислого газу через морську воду створює іони бікарбонату – розчинені сполуки вуглецю, готові до утворення мінералів. Ці інгредієнти з'єднуються з кальцієм і магнієм у морській воді та тверднуть у карбонат кальцію (мінерал, що міститься у вапняку та мушлях), а також у тверду речовину, багату на магній. Газоподібний водень виходить із тієї ж реакції, даючи системі другий продукт, який міг би допомогти окупити процес.

Формування мінеральної суміші

Невеликі зміни напруги і струму, потоку вуглекислого газу і циркуляції води давали частинки, діапазон яких варіювався від повітряних пластівців до щільних зерен. За одних умов тверді речовини прилипали до електрода, тоді як за інших бульбашки водню збивали їх у розчин. "Ми показали, що коли ми генеруємо ці матеріали, ми можемо повністю контролювати їхні властивості, такі як хімічний склад, розмір, форма та пористість", – підкреслив Ротта Лоріа. Такий рівень контролю важливий, тому що бетон, штукатурка та наповнювачі вимагають різних розмірів частинок, щільності та вільного простору.

Типова бетонна суміш спирається на наповнювачі – пісок і гравій, які додають об’єм – приблизно на 60–75 відсотків свого об’єму. Заміна частини цієї маси матеріалом, вирощеним у реакторі, могла б знизити попит на пісок, що видобувається з річок, узбережжя та морського дна. Оскільки вирощені в реакторі частинки можуть формуватися у вигляді порошків або більших зерен, одна й та сама хімія може слугувати для кількох будівельних виробів. Це перетворює уловлений вуглець на те, що виробнику вже потрібно у величезних кількостях, що набагато корисніше, ніж просто захоронення.

Деякі суміші стають вуглецево-негативними

У найкращих сумішах продукт стає вуглецево-негативним, зберігаючи більше вуглекислого газу, ніж створює процес. Суміш, розділена порівну між карбонатом кальцію та твердою речовиною, багатою на магній, може утримувати більше половини власної ваги вуглекислого газу.

Подальша обробка карбонізацією – реакцією, яка втягує вуглекислий газ у тверді тіла – дозволяє фракції, багатій на магній, фіксувати ще більше. Цей додатковий крок також змінює сам матеріал, переносячи його призначення від простого зберігання вуглецю до експлуатаційних характеристик всередині конструкції.

Міцність після затвердіння

Під час 30-денних циклів відкладення продовжували зростати навколо електрода, поки не утворили шматки розміром у кілька сантиметрів замість пухкого порошку. Усередині цих сантиметрових шматків пористість – кількість вільного простору в твердому тілі – дозволяла іонам продовжувати рух, а зростанню – тривати.

Після подальшої карбонізації міцність на стиск зросла з приблизно 14 кг/см² до понад 61 кг/см². Сильнолужні умови все ж зруйнували деякі наповнювачі, показуючи, що довговічність залежатиме від того, де будівельники в кінцевому підсумку їх використовуватимуть.

Замість того, щоб випускати вуглекислий газ у відкриту морську воду, команда бачить реалізацію цієї хімії всередині модульних реакторів біля берега. Усередині цих прибережних установок оператори могли б контролювати воду, що надходить, уловлювати побічні продукти та обробляти рідину, що залишилася, перед відправкою її назад. "Ми могли б створити циклічність, за якої ми ізолюємо CO2 безпосередньо біля джерела", – заявила Ротта Лоріа. Це важливо, тому що багатообіцяючий кліматичний інструмент стає набагато складніше захищати, якщо він порушує екосистеми поруч із ним.

Напрямки майбутніх досліджень

Аналіз Chatham House за 2018 рік оцінив виробництво цементу приблизно в 8 відсотків від світових викидів вуглекислого газу. Щоб цей новий матеріал міг знизити кліматичне навантаження цементу, електроенергія, що приводить його в дію, повинна залишатися чистою і досить дешевою.

Більш високі напруги також провокували хімічні реакції, пов'язані з хлором, на позитивному електроді – нагадування про те, що промислові конструкції повинні ретельно контролювати побічні реакції. Дослідникам все ще потрібні більш жорсткі випробування на зносостійкість, тому що будівельні матеріали виходять з ладу від стирання та ударів так само часто, як і від стиснення.

Будівельні інгредієнти, що зберігають викиди

Окрім бетону, той самий мінеральний вихід може живити виробництво цементу, штукатурки, фарби або реставраційні проєкти, яким потрібні тверді речовини, багаті на кальцій і магній. Оскільки частинки можуть рости на електроді або вільно падати в розчин, заводи можуть орієнтуватися на різні ланцюги постачання. Така виробнича гнучкість може пояснити інтерес промисловості, оскільки уловлювання вуглецю є більш тривалим, коли воно закінчується як товарний інгредієнт.

Те, що в одному процесі виглядає як відпрацьований газ, в іншому починає виглядати як сировина. Морська вода, електрика та уловлений вуглець тепер можуть виробляти будівельні інгредієнти, які зберігають викиди, замінюють видобутий матеріал і генерують корисний водень. Чи стане ця ідея звичайною будівельною практикою, залежатиме від конструкції реактора, чистої енергії, вартості та вагомих доказів із більш масштабних випробувань.