Поскольку климат Земли продолжает нагреваться, исследователи по всему миру изучают способы улавливания _CO2 из воздуха и хранения его глубоко под землей. Хотя такой подход обладает многочисленными климатическими преимуществами, он не позволяет максимально использовать огромные количества атмосферного _CO2.

Теперь новая стратегия Northwestern решает эту проблему, навсегда изолируя _CO2 и превращая его в ценные материалы, которые можно использовать для производства бетона, цемента, штукатурки и краски. В процессе получения углеродсодержащих материалов также выделяется газообразный водород - чистое топливо для различных применений, включая транспортировку.

Исследование будет опубликовано 19 марта в журнале Advanced Sustainable Systems.

"Мы разработали новый подход, который позволяет нам использовать морскую воду для создания углеродно-отрицательных строительных материалов", - сказал Алессандро Ротта Лория из Northwestern, возглавлявший исследование. "Цемент, бетон, краска и штукатурки обычно состоят из минералов на основе кальция и магния или получены из них, которые часто получают из заполнителей - того, что мы называем песком. В настоящее время песок добывается путем добычи полезных ископаемых в горах, руслах рек, на побережьях и на дне океана. В сотрудничестве с Cemex мы разработали альтернативный подход к получению песка - не путем закапывания в землю, а путем использования электричества и _CO2 для выращивания материалов, похожих на песок, в морской воде".

Ротта Лория - доцент кафедры гражданского строительства и охраны окружающей среды имени Луиса Бергера в Северо-Западной инженерной школе Маккормика. Джеффри Лопес, доцент кафедры химической и биологической инженерии в McCormick, был ключевым соавтором исследования. Среди других авторов, совместно консультируемых Роттой Лория и Лопес, из Северо-Западного университета - Нишу Деви, научный сотрудник и ведущий автор; Сяохуэй Гун и Дайки Седзи, аспиранты; и Эми Вагнер, бывшая аспирантка. В исследовании также приняли участие ключевые представители глобального отдела исследований и разработок Cemex, глобальной компании по производству строительных материалов, специализирующейся на устойчивом строительстве. Эта работа является частью более широкого сотрудничества между Northwestern и Cemex.

Наука, вдохновленная морскими раковинами

Новое исследование основано на предыдущей работе лаборатории Ротты Лории по длительному хранению _CO2 в бетоне и электризации морской воды для цементирования морских грунтов. Теперь он использует результаты этих двух проектов, вводя _CO2 и применяя электричество к морской воде в лаборатории.

"Наша исследовательская группа пытается использовать электроэнергию для инноваций в строительстве и промышленных процессах", - сказал Ротта Лория. "Нам также нравится использовать морскую воду, потому что это природный ресурс в изобилии. Это не такая редкость, как пресная вода."

Чтобы получить углеродоотрицательный материал, исследователи начали с того, что поместили электроды в морскую воду и подали электрический ток. Слабый электрический ток расщепляет молекулы воды на газообразный водород и ионы гидроксида. Оставляя электрический ток включенным, исследователи пропускали газообразный _CO2 через морскую воду. Этот процесс изменил химический состав воды, увеличив концентрацию бикарбонат-ионов.

Наконец, ионы гидроксида и бикарбоната вступили в реакцию с другими растворенными ионами, такими как кальций и магний, которые естественным образом содержатся в морской воде. В результате реакции образовались твердые минералы, включая карбонат кальция и гидроксид магния. Карбонат кальция непосредственно действует как поглотитель углерода, в то время как гидроксид магния поглощает углерод путем дальнейшего взаимодействия с _CO2.

Ротта Лория сравнивает этот процесс с технологией, которую кораллы и моллюски используют для формирования своих раковин, которая использует метаболическую энергию для преобразования растворенных ионов в карбонат кальция. Но вместо метаболической энергии исследователи применили электрическую энергию для инициирования процесса и усилили минерализацию с помощью инъекции _CO2.

Двойные открытия

В ходе экспериментов исследователи сделали два важных открытия. Они не только смогли вырастить эти минералы в песок, но и смогли изменить состав этих материалов, контролируя экспериментальные факторы, включая напряжение и ток электричества, скорость потока, время и продолжительность впрыска _CO2, а также скорость потока, время и продолжительность рециркуляции морской воды в бассейне. реактор.

В зависимости от условий получаемые вещества становятся более слоистыми и пористыми или более плотными и твердыми, 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, форма и пористость", - сказал Ротта Лория. "Это дает нам некоторую гибкость при разработке материалов, подходящих для различных применений".

Эти материалы могут быть использованы в бетоне в качестве замены песка и/или гравия - важнейшего ингредиента, на долю которого приходится 60-70% этого вездесущего строительного материала. Или же их можно было бы использовать для производства цемента, штукатурки и краски - всех необходимых отделочных материалов в застроенной среде.

Хранение углерода в конструкциях

В зависимости от соотношения минералов материал может содержать более половины своего веса в _CO2. Например, при композиции, состоящей наполовину из карбоната кальция и наполовину из гидроксида магния, 1 метрическая тонна материала способна удерживать более половины метрической тонны _CO2. Ротта Лория также говорит, что этот материал, если его использовать вместо песка или пудры, не ослабит прочность бетона или цемента.

Ротта Лория предполагает, что промышленность могла бы применить эту технологию в высокомасштабируемых модульных реакторах - не непосредственно в океане - чтобы избежать нарушения экосистем и морской флоры и фауны.

"Такой подход позволил бы полностью контролировать химический состав водных источников и сточных вод, которые можно было бы повторно закачивать в открытую морскую воду только после надлежащей очистки и экологических проверок", - сказал он.

По данным Всемирного экономического форума, цементная промышленность, ответственная за 8% глобальных выбросов _CO2, является четвертым по величине источником выбросов углерода в мире. В сочетании с производством бетона этот показатель еще выше. Ротта Лория планирует вернуть часть этого _CO2 обратно в бетон и цемент, чтобы получить более экологичные материалы для строительства и производства.

"Мы могли бы создать замкнутый круг, в котором мы изолируем _CO2 прямо у источника", - сказал Ротта Лория. "И, если бетонные и цементные заводы расположены на береговой линии, мы могли бы использовать океан прямо рядом с ними для питания специализированных реакторов, где _CO2 преобразуется с помощью чистой электроэнергии в материалы, которые могут быть использованы для множества применений в строительной промышленности. Тогда эти материалы действительно стали бы поглотителями углерода".