Используя морскую воду, электричество и углекислый газ (CO2), учёные Северо-Западного университета разработали новый углеродно-отрицательный строительный материал. Так как температура нашей планеты продолжает нагреваться, исследователи по всему миру изучают способы улавливания CO2 из воздуха и его хранения глубоко под землёй. Хотя такой подход имеет множество преимуществ для климата, он не позволяет максимально эффективно использовать огромное количество атмосферного CO2. Теперь новая стратегия Северо-Западного университета решает эту проблему, навсегда удерживая CO2 и превращая его в ценные материалы, которые можно использовать для производства бетона, цемента, штукатурки и краски. В процессе производства углеродно-отрицательных материалов также выделяется газообразный водород — экологически чистое топливо, которое можно использовать в различных сферах, в том числе в транспорте. Исследование будет опубликовано 19 марта в журнале "Передовые устойчивые системы"

Мы разработали новый подход, который позволяет использовать морскую воду для создания углеродно-отрицательных строительных материалов.

Алессандро Ротта Лориа из Северо-Западного университета, который руководил исследованием

Цемент, бетон, краска и штукатурка обычно состоят из минералов на основе кальция и магния или производятся из них. Эти минералы часто получают из заполнителей — того, что мы называем песком. В настоящее время песок добывают в горах, на руслах рек, побережьях и на дне океана. В сотрудничестве с Cemex разработан альтернативный способ добычи песка — не путём выкапывания его из земли, а с помощью электричества и CO2 для выращивания материалов, похожих на песок, в морской воде.

Наука, вдохновленная морскими раковинами

Новое исследование основано на предыдущих работах лаборатории Ротта Лориа, посвящённых хранению CO2в бетоне в течение длительного времени и электрификации морской воды для цементирования морских грунтов. Теперь он использует результаты этих двух проектов, закачивая CO2 и подавая электричество на морскую воду в лаборатории.

Наша исследовательская группа пытается использовать электричество для внедрения инноваций в строительные и промышленные процессы. Нам также нравится использовать морскую воду, потому что это природный ресурс в изобилии. Её не так мало, как пресной воды.

Алессандро Ротта Лориа из Северо-Западного университета, который руководил исследованием

Чтобы получить углеродоотрицательный материал, исследователи начали с введения электродов в морскую воду и подачи электрического тока. Слабый электрический ток расщепляет молекулы воды на газообразный водород и гидроксид-ионы. Оставляя электрический ток включенным, исследователи пропускали газ CO2 через морскую воду. Этот процесс изменил химический состав воды, увеличив концентрацию ионов бикарбоната.

Наконец, ионы гидроксида и бикарбоната вступили в реакцию с другими растворёнными ионами, такими как ионы кальция и магния, которые естественным образом присутствуют в морской воде. В результате реакции образовались твёрдые минералы, в том числе карбонат кальция и гидроксид магния. Карбонат кальция напрямую поглощает углерод, а гидроксид магния связывает углерод посредством дальнейшего взаимодействия с CO2. Ротта Лориа сравнивает этот процесс с методом, который кораллы и моллюски используют для формирования своих раковин. Они используют метаболическую энергию для преобразования растворённых ионов в карбонат кальция. Но вместо метаболической энергии исследователи использовали электрическую энергию для запуска процесса и ускорили минерализацию с помощью впрыскивания CO2.

Двойные открытия

В ходе экспериментов исследователи сделали два важных открытия. Они не только смогли превратить эти минералы в песок, но и смогли изменить состав этих материалов, контролируя экспериментальные факторы, включая напряжение и ток электричества, расход, время и продолжительность впрыска CO2, а также расход, время и продолжительность рециркуляции морской воды в реакторе. В зависимости от условий получаемые вещества могут быть более рыхлыми и пористыми или более плотными и твёрдыми, но всегда в основном состоят из карбоната кальция и/или гидроксида магния. Исследователи могут выращивать материалы вокруг электрода или непосредственно в растворе.

Мы показали, что при создании этих материалов мы можем полностью контролировать их свойства, такие как химический состав, размер, форму и пористость. Это даёт нам некоторую гибкость в разработке материалов, подходящих для различных целей.

Алессандро Ротта Лориа из Северо-Западного университета, который руководил исследованием

Эти материалы можно использовать в бетоне в качестве замены песка и/или гравия — важнейшего ингредиента, на который приходится 60–70% этого повсеместно используемого строительного материала. Или их можно использовать для производства цемента, штукатурки и краски — всех необходимых отделочных материалов в строительстве.

Хранение углерода в конструкциях

В зависимости от соотношения минералов материал может удерживать более половины своего веса в виде CO2. Например, если материал состоит наполовину из карбоната кальция и наполовину из гидроксида магния, то 1 метрическая тонна материала может удерживать более половины метрической тонны CO2. Компания утверждает, что материал, если использовать его вместо песка или порошка, не снизит прочность бетона или цемента. Ротта Лориа предполагает, что промышленность могла бы применять эту технологию в масштабируемых модульных реакторах, а не непосредственно в океане, чтобы не нарушать экосистемы и не беспокоить морских обитателей.

Такой подход позволит полностью контролировать химический состав источников воды и сточных вод, которые будут закачиваться в открытую морскую воду только после надлежащей очистки и экологической проверки.

Алессандро Ротта Лориа из Северо-Западного университета, который руководил исследованием

По данным Всемирного экономического форума, цементная промышленность, на долю которой приходится восемь процентов глобальных выбросов CO2, является четвёртым по величине источником выбросов углерода в мире. В сочетании с производством бетона этот показатель ещё выше. Компания Rotta Loria планирует использовать часть этого CO2 для производства более экологичных материалов для строительства и производства. Ротта Лориа добавил, что ученые могли бы создать замкнутый цикл, в котором мы будем поглощать CO2 прямо у источника. В том случае, если заводы по производству бетона и цемента расположены на береговой линии, то специалисты могли бы использовать океан рядом с ними для питания специальных реакторов, в которых CO2 преобразуется с помощью чистой электроэнергии в материалы, которые можно использовать в строительной отрасли. Тогда эти материалы действительно станут поглотителями углерода.

Напомним,  что Ротта Лориа — доцент кафедры гражданского и экологического строительства имени Луиса Бергера в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета. Джеффри Лопес, доцент кафедры химической и биологической инженерии в Инженерной школе Маккормика. Он был одним из ключевых соавторов исследования. . Ротта Лориа и Лопес консультировали других участников исследования из Северо-Западного университета, в том числе Нишу Деви, постдокторанта и ведущего автора; Сяохуэй Гун и Дайки Шоджи, аспирантов; и Эми Вагнер, бывшую аспирантку. В исследовании также приняли участие ключевые представители отдела глобальных исследований и разработок Cemex, международной компании по производству строительных материалов, которая занимается экологичным строительством. Эта работа является частью более масштабного сотрудничества между Северо-Западным университетом и Cemex.

Китайские ученые раскрыли тайну загадочных "красных молний" в Гималаях.

Фото: Northwestern University