Исследователи обнаружили, что морскую воду и углекислый газ можно превратить в твердый строительный материал, который поглощает больше углерода, чем требуется для его производства.

Это открытие позволяет рассматривать один из основных строительных компонентов как потенциальный фактор, способствующий изменению климата, особенно в районах, где тяжелая промышленность уже граничит с побережьем.

Морская вода и углекислый газ превращаются в камень

Внутри настольного реактора морская вода давала светлые, похожие на песок зерна, которые могли заменить добываемый из месторождений щебень в бетоне.

В сотрудничестве с коллегами из Северо-Западного университета Алессандро Ротта Лориа продемонстрировал, что этот материал можно выращивать непосредственно в контролируемой химической среде. Твердые вещества образовывались не в одной единственной форме, а могли присутствовать либо в виде рыхлого порошка в растворе, либо в виде зерен, образовавшихся на электроде. Такая гибкость зависит от строгого химического баланса, что поднимает более глубокий вопрос о том, как материал изменяется в различных условиях.

Как происходит реакция

Когда в морской воде начинает проходить электрический ток, вода расщепляется и образует гидроксид-ионы — заряженные частицы, которые делают окружающую воду менее кислой.

Одновременно с этим, пропускание углекислого газа через морскую воду приводит к образованию бикарбонатных ионов — растворенных соединений углерода, готовых к образованию минералов.

Эти ингредиенты, взаимодействуя с кальцием и магнием в морской воде , затвердевают, образуя карбонат кальция — минерал, содержащийся в известняке и раковинах, а также богатое магнием твердое вещество.

Водородный газ вступает в ту же реакцию, образуя в системе второй продукт, который может помочь окупить затраты на этот процесс.

Формирование минерального состава

Небольшие изменения напряжения и тока, потока углекислого газа и циркуляции воды приводили к образованию частиц, варьирующихся от воздушных хлопьев до плотных зерен.

В одних условиях твердые частицы прилипали к электроду, а в других пузырьки водорода выбивали их в раствор.

«Мы показали, что при создании этих материалов мы можем полностью контролировать их свойства, такие как химический состав, размер, форма и пористость», — сказал Ротта Лориа.

Такая степень контроля важна, потому что бетон, штукатурка и наполнители требуют разных размеров частиц, плотности и количества открытых пространств.

Почему песок важен

В типичной бетонной смеси заполнители – песок и гравий, которые придают ей объем – составляют примерно 60–75 процентов от ее общего объема.

Замена части этой массы материалом, выращенным в реакторе, может снизить спрос на добываемый в реках, на побережьях и морском дне песок.

Поскольку частицы, выращенные в реакторе, могут иметь форму порошка или более крупных зерен, один и тот же химический процесс может применяться в нескольких строительных материалах.

Таким образом, уловленный углерод превращается в то, что уже в огромных количествах необходимо производителям, и это гораздо полезнее, чем простое захоронение.

Некоторые смеси становятся углеродно-отрицательными.

В оптимальных смесях продукт становится углеродно-отрицательным, поглощая больше углекислого газа, чем образуется в процессе производства.

Смесь, в которой карбонат кальция и богатое магнием вещество равномерно распределены, может удерживать более половины своего веса в углекислом газе.

Последующая обработка карбонизацией, реакцией, в результате которой углекислый газ превращается в твердые вещества, позволяет богатой магнием фракции еще больше укрепить свои свойства.

Этот дополнительный шаг также меняет сам материал, переводя задачу от простого хранения углерода к изучению его характеристик внутри конструкции.

Прочность после отвердевания

В течение 30-дневных циклов работы отложения вокруг электрода продолжали расти, пока не превратились из рыхлого порошка в куски размером в дюйм. Внутри этих крошечных частиц пористость — количество открытого пространства в твердом теле — позволяла ионам постоянно двигаться, и рост продолжался. После дальнейшей карбонизации прочность на сжатие увеличилась примерно с 200 фунтов на квадратный дюйм (14 килограммов на квадратный сантиметр) до более чем 870 (61). Даже в условиях высокой щелочности некоторые заполнители разрушались, что свидетельствует о том, что долговечность будет зависеть от того, где строители в конечном итоге их используют.

Сохранение океанов раздельными

Вместо того чтобы выбрасывать углекислый газ в открытое море, команда исследователей наблюдает, как эти химические процессы происходят внутри модульных реакторов у берега. В пределах этих прибрежных зон операторы могли контролировать поступление воды, собирать побочные продукты и обрабатывать остаточную жидкость, прежде чем отправлять ее обратно.

«Мы могли бы создать замкнутый цикл, в котором мы будем улавливать CO₂ непосредственно в источнике выбросов», — сказал Ротта Лориа.

Это важно, потому что перспективный инструмент борьбы с изменением климата становится гораздо сложнее защитить, если он нарушает экосистемы, расположенные рядом с ним.

Направления будущих исследований

Согласно анализу, проведенному компанией Chatham House в 2018 году , производство цемента составляет около 8 процентов от общемировых выбросов углекислого газа.

Для того чтобы этот новый материал снизил воздействие цемента на климат, электроэнергия, используемая для его производства, должна оставаться экологически чистой и относительно недорогой.

Более высокое напряжение также запускало химические реакции, связанные с хлором, на положительном электроде, что напоминает о необходимости тщательного контроля побочных реакций в промышленных конструкциях.

Исследователям по-прежнему необходимы более жесткие испытания на износостойкость, поскольку строительные материалы разрушаются от трения и ударов так же часто, как и от сжатия.

Создание компонентов, которые аккумулируют выбросы

Помимо бетона , те же самые минеральные вещества могут использоваться для производства цемента, штукатурки, краски или в реставрационных проектах, где необходимы твердые вещества, богатые кальцием и магнием.

Поскольку частицы могут расти на электроде или свободно оседать в растворе, заводы могут ориентироваться на разные цепочки поставок. Такая гибкость производства может объяснить интерес со стороны отрасли, поскольку технология улавливания углерода сохраняется дольше, когда ее продукт становится товаром. То, что в одном процессе выглядит как  отработанный газ, в другом может выглядеть как сырье .

Морская вода, электричество и улавливаемый углерод теперь могут использоваться для производства строительных материалов, которые аккумулируют выбросы, заменяют добытые материалы и генерируют полезный водород.

Станет ли эта идея общепринятой строительной практикой, будет зависеть от конструкции реактора, экологически чистой энергетики, стоимости и убедительных доказательств, полученных в ходе более масштабных испытаний.

Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Sustainable Systems .

Источник: www.earth.com