简单的新工艺将二氧化碳储存在混凝土中而不会影响强度

Josiah02 · 发表于 2024-7-6 14:41:39

通过在混凝土制造过程中使用碳酸溶液（而非静止的水溶液），西北大学领导的工程师团队发现了一种在无处不在的建筑材料中储存二氧化碳（CO 2 ）的新方法。
新工艺不仅有助于从日益变暖的大气中封存二氧化碳，还能生产出强度和耐久性丝毫不打折扣的混凝土。
在实验室实验中，该工艺实现了高达 45% 的二氧化碳封存效率，这意味着混凝土制造过程中注入的二氧化碳中近一半被捕获和储存。研究人员希望他们的新工艺能够帮助抵消水泥和混凝土行业的二氧化碳排放，这些行业的温室气体排放量占全球排放量的8%。
该项研究今日发表在《Nature Portfolio》旗下期刊《Communications Materials》上。
“水泥和混凝土行业是人类活动产生的二氧化碳排放量的显著来源， ”领导这项研究的西北大学的亚历山德罗·罗塔·洛里亚说。“我们正在尝试开发降低这些行业二氧化碳排放量的方法，并最终将水泥和混凝土变成巨大的‘碳汇’。我们还没有做到这一点，但现在我们有了一种新方法，可以将混凝土制造过程中排放的部分二氧化碳重新用于这种材料。我们的解决方案在技术上非常简单，因此应该相对容易被行业实施。”
“更有趣的是，这种加速和加强水泥基材料碳化的方法为设计以二氧化碳为关键成分的新型熟料产品提供了机会， ”该研究的共同作者、CEMEX 全球研发副总裁 Davide Zampini 表示。
Rotta Loria 是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程系 Louis Berger 助理教授。这项研究是 Rotta Loria 实验室与 CEMEX（一家致力于可持续建筑的全球建筑材料公司）合作开展的。
先前流程的局限性
作为基础设施中不可或缺的一部分，混凝土是世界上消耗量最大的材料之一，仅次于水。为了制造最简单的混凝土，工人将水、细骨料（如沙子）、粗骨料（如砾石）和水泥混合在一起，将所有成分粘合在一起。自 20 世纪 70 年代以来，研究人员一直在探索将二氧化碳储存在混凝土中的各种方法。
“我们的想法是，水泥已经与二氧化碳发生反应， ”罗塔·洛里亚解释道。“这就是混凝土结构自然吸收二氧化碳的原因。但当然，吸收的二氧化碳只是生产混凝土所需水泥所排放的二氧化碳的一小部分。”
二氧化碳封存工艺分为两类：硬化混凝土碳化或新鲜混凝土碳化。在硬化方法中，固体混凝土块被放入室内，在室内以高压注入二氧化碳气体。在新鲜方法中，工人在生产混凝土时将二氧化碳气体注入水、水泥和骨料的混合物中。
在这两种方法中，注入的部分二氧化碳都会与水泥发生反应，变成固体碳酸钙晶体。然而，这两种技术都存在着一些致命的局限性。二氧化碳捕获效率低，能耗高，这些缺点阻碍了它们的应用。更糟糕的是：最终的混凝土通常会变弱，影响其适用性。
无与伦比的实力
在西北大学的新方法中，研究人员利用了新鲜混凝土的碳化过程。但是，他们不是在将所有成分混合在一起时注入二氧化碳，而是先将二氧化碳气体注入混有少量水泥粉的水中。将这种碳化悬浮液与其余水泥和骨料混合后，他们就得到了一种在制造过程中真正吸收二氧化碳的混凝土。
Rotta Loria 表示：“我们采用的方法中碳酸化的水泥悬浮液的粘度比目前碳化新鲜混凝土中常用的水、水泥和骨料混合物低得多。因此，我们可以非常快速地混合它，并利用产生碳酸钙矿物的化学反应的非常快的动力学。与将二氧化碳注入新鲜混凝土混合物相比，结果是混凝土产品中的碳酸钙矿物浓度更高。 ”
在分析了碳化混凝土后，罗塔·洛里亚 (Rotta Loria) 和他的同事发现其强度可与普通混凝土的耐久性相媲美。
“碳化方法的一个典型限制是强度经常受到化学反应的影响，”他说。“但根据我们的实验，我们发现强度实际上可能更高。我们仍需要进一步测试，但至少可以说它是不折不扣的。由于强度不变，应用也不会改变。它可以用于梁、板、柱、地基——我们目前使用混凝土的所有用途。”
赞皮尼说：“这项研究的结果强调，尽管水泥基材料的碳化是一种众所周知的反应，但通过更好地了解与材料加工相关的机制，仍有空间进一步优化二氧化碳的吸收。”
这项研究“通过在悬浮状态下碳化水泥来储存二氧化碳并增强混凝土”得到了CEMEX Innovation Holding Ltd.的支持。

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