В работе, подтверждающей концепцию, исследователи добавляли в обычный цемент экологически чистый биоуголь, разновидность древесного угля, получаемого из органических отходов, который предварительно был укреплен сточными водами бетона. Биоуголь был способен поглощать из воздуха до 23% углекислого газа от своего веса, сохраняя при этом прочность, сравнимую с обычным цементом.

Исследование могло бы значительно сократить выбросы углекислого газа в бетонной промышленности, которая является одной из самых энергоемких и углеродоемких из всех отраслей обрабатывающей промышленности. О работе, проведенной под руководством докторанта Чжипэн Ли, сообщается в журнале,Материалы Письма.

"Мы очень рады, что это внесет свой вклад в миссию создания среды с нулевым выбросом углерода", - сказал Сяньмин Ши, профессор кафедры гражданского строительства и охраны окружающей среды WSU и автор статьи.

Ежегодно в мире производится более 4 миллиардов тонн бетона. Для изготовления обычного цемента требуется высокая температура и сгорание топлива. Известняк, используемый при его производстве, также подвергается разложению, в результате которого образуется углекислый газ, так что считается, что на производство цемента приходится около 8% от общего объема выбросов углекислого газа в результате деятельности человека во всем мире.

Исследователи пытались добавлять биоуголь в качестве заменителя в цемент, чтобы сделать его более экологичным и уменьшить выбросы углекислого газа, но добавление даже 3% биоугля резко снизило прочность бетона. После обработки биоугля в сточных водах для промывки бетона исследователи WSU смогли добавить до 30% биоугля в свою цементную смесь. Паста, изготовленная из цемента с добавлением биоугля, смогла достичь прочности на сжатие через 28 дней, сравнимой с прочностью обычного цемента - около 4000 фунтов на квадратный дюйм.

"Мы стремимся найти новые способы направить потоки отходов на полезное использование в бетоне; как только мы определим эти потоки отходов, следующим шагом будет посмотреть, как мы можем взмахнуть волшебной палочкой химии и превратить их в ресурс", - сказал Ши. "На самом деле хитрость заключается в проектировании поверхностей - в том, как вы проектируете интерфейсы в бетоне".

Вода для промывки каустического бетона иногда является проблематичным отходом производства бетона. Сточные воды очень щелочные, но также служат ценным источником кальция, сказал Ши. Исследователи использовали кальций, чтобы вызвать образование кальцита, что благотворно сказывается на биоуглероде и, в конечном счете, на бетоне, содержащем биоуголь.

"Большинство других исследователей смогли добавить только до 3% биоугля для замены цемента, но мы демонстрируем использование гораздо более высоких доз биоугля, потому что мы выяснили, как спроектировать поверхность биоугля", - сказал он.

Синергия между высокощелочными сточными водами, содержащими много кальция, и высокопористым биоуглем привела к тому, что карбонат кальция осаждался на биоуголь или в него, укрепляя его и позволяя улавливать углекислый газ из воздуха. Ожидается, что бетон, изготовленный из этого материала, будет продолжать поглощать углекислый газ в течение всего срока службы бетона, обычно 30 лет для дорожного покрытия или 75 лет для моста.

Чтобы коммерциализировать эту технологию, исследователи сотрудничали с Управлением по коммерциализации для защиты интеллектуальной собственности и подали предварительную заявку на патент на свою работу с отрицательным содержанием углерода в бетоне. Недавно они получили начальный грант от Вашингтонского исследовательского фонда на получение большего количества данных для различных вариантов использования. Они также активно ищут отраслевых партнеров из строительного сектора для расширения производства для демонстрации на местах и лицензирования этой технологии WSU.