Forscher entwickeln CO2-negativen Beton

An der Washington State University wurde eine praktikable Formel für einen CO2-negativen, umweltfreundlichen Beton entwickelt, der fast so stark ist wie normaler Beton.

In einer Proof-of-Concept-Arbeit infundierten die Forscher normalen Zement mit umweltfreundlicher Biokohle, einer Art Holzkohle aus organischen Abfällen, die zuvor mit Betonabwasser verstärkt worden war. Die Pflanzenkohle konnte bis zu 23 % ihres Gewichts an Kohlendioxid aus der Luft saugen und erreichte dennoch eine mit gewöhnlichem Zement vergleichbare Festigkeit.

Die Forschung könnte die Kohlenstoffemissionen der Betonindustrie, die eine der energie- und kohlenstoffintensivsten aller verarbeitenden Industrien ist, erheblich reduzieren. Die Arbeit unter der Leitung des Doktoranden Zhipeng Li wird in der Zeitschrift berichtet. Materialien Briefe.

„Wir freuen uns sehr, dass dies zur Mission einer kohlenstofffreien Bauumgebung beitragen wird“, sagte Xianming Shi, Professor an der Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen der WSU und korrespondierender Autor des Papiers.

Weltweit werden jährlich mehr als 4 Milliarden Tonnen Beton produziert. Die Herstellung von gewöhnlichem Zement erfordert eine hohe Temperatur und Verbrennung von Brennstoffen. Der bei seiner Herstellung verwendete Kalkstein durchläuft auch eine Zersetzung, die Kohlendioxid erzeugt, so dass angenommen wird, dass die Zementproduktion für etwa 8 % der gesamten Kohlenstoffemissionen durch menschliche Aktivitäten weltweit verantwortlich ist.

Forscher haben versucht, Pflanzenkohle als Ersatz für Zement hinzuzufügen, um ihn umweltfreundlicher zu machen und seinen CO2-Fußabdruck zu verringern, aber die Zugabe von sogar 3 % Pflanzenkohle hat die Festigkeit des Betons dramatisch verringert. Nach der Behandlung von Pflanzenkohle im Abwasser der Betonauswaschung konnten die WSU-Forscher ihrer Zementmischung bis zu 30 % Pflanzenkohle zusetzen. Die aus dem mit Biokohle angereicherten Zement hergestellte Paste konnte nach 28 Tagen eine Druckfestigkeit erreichen, die mit der von gewöhnlichem Zement von etwa 4.000 Pfund pro Quadratzoll vergleichbar ist.

„Wir sind bestrebt, neue Wege zu finden, um Abfallströme für nützliche Zwecke in Beton umzuleiten. Sobald wir diese Abfallströme identifiziert haben, besteht der nächste Schritt darin, zu sehen, wie wir den Zauberstab der Chemie schwingen und sie in eine Ressource verwandeln können“, sagte er Schi. „Der Trick liegt wirklich in der Grenzflächentechnik – wie man die Grenzflächen im Beton konstruiert.“

Das ätzende Betonauswaschwasser ist ein mitunter problematischer Abfallstoff aus der Betonherstellung. Das Abwasser ist sehr alkalisch, dient aber auch als wertvolle Kalziumquelle, sagte Shi. Die Forscher nutzten das Kalzium, um die Bildung von Calcit zu induzieren, was der Pflanzenkohle und schließlich dem Beton zugute kommt, der die Pflanzenkohle enthält.

„Die meisten anderen Forscher waren nur in der Lage, bis zu 3 % Biokohle hinzuzufügen, um Zement zu ersetzen, aber wir demonstrieren die Verwendung von viel höheren Dosierungen von Biokohle, weil wir herausgefunden haben, wie man die Oberfläche der Biokohle verändert“, sagte er.

Die Synergie zwischen dem stark alkalischen Abwasser, das viel Kalzium enthält, und der hochporösen Pflanzenkohle führte dazu, dass Kalziumkarbonat auf oder in die Pflanzenkohle ausfällt, sie stärkt und die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Luft ermöglicht. Von einem aus diesem Material hergestellten Beton wird erwartet, dass er während der gesamten Lebensdauer des Betons, typischerweise 30 Jahre im Straßenbelag oder 75 Jahre in einer Brücke, weiterhin Kohlendioxid bindet.

Um diese Technologie zu kommerzialisieren, haben die Forscher mit dem Office of Commercialization zusammengearbeitet, um das geistige Eigentum zu schützen, und eine vorläufige Patentanmeldung für ihre CO2-negative Betonarbeit eingereicht.