Дослідники виявили, що морську воду та вуглекислий газ можна перетворити на твердий будівельний матеріал, який утримує більше вуглецю, ніж витрачається на його виробництво. Це відкриття перетворює основний будівельний інгредієнт на потенційний кліматичний актив, особливо там, де важка промисловість вже є сусідами з узбережжям.
Використання морської води як сировина дозволяє отримувати мінеральні відкладення, здатні замінити природний пісок та гравій у бетонних сумішах, пише Earth. Така технологія не лише вирішує проблему нестачі будівельних ресурсів, а й пропонує ефективний спосіб комерційної утилізації викидів CO2, перетворюючи їх на корисний продукт.
Усередині настільного реактора морська вода дала бліді, схожі на пісок гранули, які могли б зайняти місце заповнювача в бетоні. Працюючи з колегами з Північно-Західного університету, Алессандро Ротта Лоріа у дослідженні, опублікованому в журналі Advanced Sustainable System , продемонстрував, що матеріал можна вирощувати безпосередньо у цьому контрольованому хімічному середовищі. Тверді речовини з'являлися не в одній формі, а могли виглядати або пухкі порошки в розчині, або як зерна, що наросли на електроді. Ця гнучкість залежить від вузького хімічного балансу, що ставить глибше питання у тому, як матеріал змінюється у різних умовах.
Як тільки електрика починає проходити через морську воду, вода розщеплюється і виробляє іони гідроксиду – заряджені частинки, які роблять найближчу воду менш кислою. У той самий час пропускання бульбашок вуглекислого газу через морську воду створює іони бікарбонату – розчинені сполуки вуглецю, готові до утворення мінералів. Ці інгредієнти зустрічаються з кальцієм і магнієм у морській воді і тверднуть у карбонат кальцію (мінерал, що міститься у вапняку та черепашках), а також у тверду речовину, багату на магній. Газоподібний водень залишає ту ж реакцію, даючи системі другий продукт, який міг би окупити процес.
Невеликі зміни напруги та струму, потоку вуглекислого газу та циркуляції води давали частки, діапазон яких варіювався від повітряних пластівців до щільних зерен. За одних умов тверді речовини прилипали до електрода, тоді як за інших бульбашки водню збивали в розчин. "Ми показали, що коли ми генеруємо ці матеріали, ми можемо повністю контролювати їх властивості, такі як хімічний склад, розмір, форма та пористість", - наголосив Ротта Лоріа. Такий ступінь контролю важливий, тому що бетон, штукатурка та наповнювачі вимагають різних розмірів частинок, щільності та вільного простору.
Типова бетонна суміш спирається на заповнювачі – пісок та гравій, які додають обсяг – приблизно на 60–75 відсотків свого обсягу. Заміна частини цієї маси матеріалом, вирощеним в реакторі, могла б знизити попит на пісок, що видобувається з річок, узбереж і морського дна. Оскільки вирощені в реакторі частинки можуть формуватися у вигляді порошків або великих зерен, одна і та ж хімія може служити для декількох будівельних виробів. Це перетворює вловлений вуглець на те, що виробника вже потрібно у величезних кількостях, що набагато корисніше, ніж просто поховання.
У кращих сумішах продукт стає вуглецево-негативним, зберігаючи більше вуглекислого газу, ніж створює процес. Суміш, розділена порівну між карбонатом кальцію і багатим твердим магнієм, може утримувати більше половини власної ваги вуглекислого газу.
Подальша обробка карбонізацією – реакцією, яка втягує вуглекислий газ у тверді тіла – дозволяє фракції, багатою на магній, фіксувати ще більше. Цей додатковий крок також змінює сам матеріал, перекладаючи історію від лише зберігання вуглецю до експлуатаційних характеристик всередині конструкції.
У ході 30-денних циклів відкладення продовжували зростати навколо електрода, поки не утворили шматки розміром кілька сантиметрів замість пухкого порошку. Усередині цих сантиметрових шматків пористість – кількість вільного простору у твердому тілі – дозволяла іонам продовжувати рух, а зростанню – продовжуватись.
Після подальшої карбонізації міцність на стиск зросла приблизно з 14 кг/см² до більш ніж 61 кг/см². Сильнолужні умови все ж таки зруйнували деякі заповнювачі, показуючи, що довговічність залежатиме від того, де будівельники зрештою їх використовують.
Замість випускати вуглекислий газ у відкриту морську воду, команда бачить здійснення цієї хімії всередині модульних реакторів біля берега. Усередині цих прибережних установок оператори могли б контролювати воду, що надходить, вловлювати побічні продукти і обробляти рідину, що залишилася перед відправкою її назад.
"Ми могли б створити циклічність, за якої ми ізолюємо CO2 прямо біля джерела", - заявила Ротта Лоріа.
Це важливо, тому що багатообіцяючий кліматичний інструмент стає набагато важче захищати, якщо він порушує екосистеми поруч із ним.
Аналіз Chatham House за 2018 рік оцінив виробництво цементу приблизно 8 відсотків від світових викидів вуглекислого газу. Щоб цей новий матеріал міг знизити кліматичне навантаження цементу, електрика, що приводить його в дію, повинна бути чистою і досить дешевою.
Вищі напруги також провокували хімічні реакції, пов'язані з хлором, на позитивному електроді – нагадування про те, що промислові конструкції повинні ретельно керувати побічними реакціями. Дослідникам все ще потрібні жорсткіші випробування на знос, тому що будівельні матеріали виходять з ладу від стирання та ударів так само часто, як і від стиснення.
Крім бетону, той же мінеральний вихід може мати виробництво цементу, штукатурки, фарби або реставраційні проекти, яким потрібні тверді речовини, багаті на кальцій і магній. Оскільки частки можуть зростати на електроді або вільно падати в розчин, заводи можуть орієнтуватися на різні ланцюжки поставок. Така виробнича гнучкість може пояснити інтерес промисловості, оскільки уловлювання вуглецю живе довше, коли воно закінчується товарним інгредієнтом.
Те, що в одному процесі виглядає як відпрацьований газ, в іншому починає виглядати як сировина. Морська вода, електрика і вловлений вуглець тепер можуть виробляти будівельні інгредієнти, які зберігають викиди, замінюють матеріал, що видобувається, і генерують корисний водень. Чи стане ця ідея звичайною будівельною практикою, залежатиме від конструкції реактора, чистої енергії, вартості та вагомих доказів більш масштабних випробувань.
Нагадаємо, у Великій Британії створили матеріал, який здатний самовідновлюватися.
