Исследователи обнаружили, что морскую воду и углекислый газ можно превратить в твердый строительный материал, который удерживает больше углерода, чем затрачивается на его производство. Это открытие превращает основной строительный ингредиент в потенциальный климатический актив, особенно там, где тяжелая промышленность уже соседствует с побережьем.
Использование морской воды в качестве сырья позволяет получать минеральные отложения, способные заменить природный песок и гравий в бетонных смесях, пишет Earth. Такая технология не только решает проблему нехватки строительных ресурсов, но и предлагает эффективный способ коммерческой утилизации выбросов CO2, превращая их в полезный продукт.
Внутри настольного реактора морская вода дала бледные, похожие на песок гранулы, которые могли бы занять место добываемого заполнителя в бетоне. Работая с коллегами из Северо-Западного университета, Алессандро Ротта Лориа в исследовании, опубликованном в журнале Advanced Sustainable System, продемонстрировал, что материал можно выращивать непосредственно в этой контролируемой химической среде. Твердые вещества появлялись не в одной форме, а могли выглядеть либо как рыхлые порошки в растворе, либо как зерна, наросшие на электроде. Эта гибкость зависит от узкого химического баланса, что ставит более глубокий вопрос о том, как материал меняется в различных условиях.
Как только электричество начинает проходить через морскую воду, вода расщепляется и производит ионы гидроксида – заряженные частицы, которые делают близлежащую воду менее кислой. В то же время пропускание пузырьков углекислого газа через морскую воду создает ионы бикарбоната – растворенные соединения углерода, готовые к образованию минералов. Эти ингредиенты встречаются с кальцием и магнием в морской воде и затвердевают в карбонат кальция (минерал, содержащийся в известняке и ракушках), а также в твердое вещество, богатое магнием. Газообразный водород покидает ту же реакцию, давая системе второй продукт, который мог бы помочь окупить процесс.
Небольшие изменения напряжения и тока, потока углекислого газа и циркуляции воды давали частицы, диапазон которых варьировался от воздушных хлопьев до плотных зерен. При одних условиях твердые вещества прилипали к электроду, в то время как при других пузырьки водорода сбивали их в раствор. "Мы показали, что когда мы генерируем эти материалы, мы можем полностью контролировать их свойства, такие как химический состав, размер, форма и пористость", – подчеркнул Ротта Лориа. Такая степень контроля важна, потому что бетон, штукатурка и наполнители требуют разных размеров частиц, плотности и свободного пространства.
Типичная бетонная смесь опирается на заполнители – песок и гравий, которые добавляют объем – примерно на 60–75 процентов своего объема. Замена части этой массы материалом, выращенным в реакторе, могла бы снизить спрос на добываемый песок из рек, побережий и морского дна. Поскольку выращенные в реакторе частицы могут формироваться в виде порошков или более крупных зерен, одна и та же химия может служить для нескольких строительных изделий. Это превращает уловленный углерод в то, что производителя уже нужно в огромных количествах, что гораздо полезнее, чем просто захоронение.
В лучших смесях продукт становится углеродно-отрицательным, сохраняя больше углекислого газа, чем создает процесс. Смесь, разделенная поровну между карбонатом кальция и богатым магнием твердым веществом, может удерживать более половины собственного веса углекислого газа.
Последующая обработка карбонизацией – реакцией, которая втягивает углекислый газ в твердые тела – позволяет фракции, богатой магнием, фиксировать еще больше. Этот дополнительный шаг также меняет сам материал, переводя историю от одного лишь хранения углерода к эксплуатационным характеристикам внутри конструкции.
В ходе 30-дневных циклов отложения продолжали расти вокруг электрода, пока не образовали куски размером в несколько сантиметров вместо рыхлого порошка. Внутри этих сантиметровых кусков пористость – количество свободного пространства в твердом теле – позволяла ионам продолжать движение, а росту – продолжаться.
После дальнейшей карбонизации прочность на сжатие выросла с примерно 14 кг/см² до более чем 61 кг/см². Сильнощелочные условия все же разрушили некоторые заполнители, показывая, что долговечность будет зависеть от того, где строители в конечном итоге их используют.
Вместо того чтобы выпускать углекислый газ в открытую морскую воду, команда видит осуществление этой химии внутри модульных реакторов у берега. Внутри этих прибрежных установок операторы могли бы контролировать поступающую воду, улавливать побочные продукты и обрабатывать оставшуюся жидкость перед отправкой ее обратно.
"Мы могли бы создать цикличность, при которой мы изолируем CO2 прямо у источника", – заявила Ротта Лориа.
Это важно, потому что многообещающий климатический инструмент становится гораздо труднее защищать, если он нарушает экосистемы рядом с ним.
Анализ Chatham House за 2018 год оценил производство цемента примерно в 8 процентов от мировых выбросов углекислого газа. Чтобы этот новый материал мог снизить климатическую нагрузку цемента, электричество, приводящее его в действие, должно оставаться чистым и достаточно дешевим.
Более высокие напряжения также провоцировали химические реакции, связанные с хлором, на положительном электроде – напоминание о том, что промышленные конструкции должны тщательно управлять побочными реакциями. Исследователям все еще нужны более жесткие испытания на износ, потому что строительные материалы выходят из строя от истирания и ударов так же часто, как и от сжатия.
Помимо бетона, тот же минеральный выход может питать производство цемента, штукатурки, краски или реставрационные проекты, которым требуются твердые вещества, богатые кальцием и магнием. Поскольку частицы могут расти на электроде или свободно падать в раствор, заводы могут ориентироваться на различные цепочки поставок. Такая производственная гибкость может объяснить интерес промышленности, так как улавливание углерода живет дольше, когда оно заканчивается как товарный ингредиент.
То, что в одном процессе выглядит как отработанный газ, в другом начинает выглядеть как сырье. Морская вода, электричество и уловленный углерод теперь могут производить строительные ингредиенты, которые хранят выбросы, заменяют добываемый материал и генерируют полезный водород. Станет ли эта идея обычной строительной практикой, будет зависеть от конструкции реактора, чистой энергии, стоимости и веских доказательств из более масштабных испытаний.
Напомним, в Великобритании создали материал, который способен самовосстанавливаться.
