Μετά το νερό, το σκυρόδεμα είναι το δεύτερο πιο καταναλωτικό υλικό στον κόσμο και αντιπροσωπεύει τον ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης υποδομής.
Η παραγωγή σκυροδέματος αποτελεί το 8% των παγκόσμιων εκπομπών CO2.
Το μισό προέρχεται από την ενέργεια των ορυκτών που χρειάζονται και χρησιμοποιείται για την κατασκευή του (για την οποία, ελπίζουμε, μπορεί να μεταβεί σε καθαρή ενέργεια), και το άλλο μισό προέρχεται από το CO2 που διαφεύγει κατά τη διάρκεια του χημικού μετασχηματισμού, όπως επισημαίνει ο David Chandler καθηγητής στο MIT σε ανάλυσή του που δημοσιεύει το energypost.
Η θαυματουργή μαγειρική σόδα
Στην έρευνά του δείχνει πώς η απλή προσθήκη διττανθρακικού νατρίου (της απλής μαγειρικής σόδας που χρησιμοποιούμε στα μπισκότα) κατά τα πρώτα στάδια της παραγωγής μπορεί να αφαιρέσει, με ανοργανοποίηση, έως και 15% της συνολικής ποσότητας CO2 που σχετίζεται με παραγωγή τσιμέντου.
Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα είναι ότι το σκυρόδεμα που προκύπτει πήζει πολύ πιο γρήγορα και διπλασιάζει τη μηχανική απόδοση του σκυροδέματος πρώιμου σταδίου.
Φυσικά, η μακροπρόθεσμη απόδοση του νέου μείγματος χρειάζεται ακόμα δοκιμή, αλλά αυτό ανοίγει την πόρτα σε έναν απλό και χαμηλού κόστους τρόπο μετάβασης σε σκυρόδεμα χαμηλών εκπομπών άνθρακα γρήγορα και παγκοσμίως.
Νέα πρόσθετα θα μπορούσαν να κάνουν το σκυρόδεμα να «απορροφά» τον άνθρακα και οι μηχανικοί του MIT ανακαλύπτουν νέα μονοπάτια ενανθράκωσης για τη δημιουργία πιο φιλικού προς το περιβάλλον σκυροδέματος. Αναλυτικότερα...
8% του παγκόσμιου CO2
Παρά τα πολλά πλεονεκτήματα του σκυροδέματος ως σύγχρονου δομικού υλικού, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής αντοχής, του χαμηλού κόστους και της ευκολίας κατασκευής του, η παραγωγή του αντιπροσωπεύει σήμερα περίπου το 8% των παγκόσμιων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα.
Πρόσφατες ανακαλύψεις από μια ομάδα στο MIT αποκάλυψαν ότι η εισαγωγή νέων υλικών στις υπάρχουσες διαδικασίες παραγωγής σκυροδέματος θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά αυτό το αποτύπωμα άνθρακα, χωρίς να αλλοιωθούν οι μηχανικές ιδιότητες του σκυροδέματος.
Μετά το νερό, το σκυρόδεμα είναι το δεύτερο πιο καταναλωτικό υλικό στον κόσμο και αντιπροσωπεύει τον ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης υποδομής.
Κατά την κατασκευή του, ωστόσο, απελευθερώνονται μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα, τόσο ως χημικό υποπροϊόν της παραγωγής τσιμέντου όσο και στην ενέργεια που απαιτείται για την τροφοδοσία αυτών των αντιδράσεων.
Το CO2 διαφεύγει κατά τη διάρκεια του χημικού μετασχηματισμού
Περίπου οι μισές εκπομπές που σχετίζονται με την παραγωγή σκυροδέματος προέρχονται από την καύση ορυκτών καυσίμων όπως το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση ενός μείγματος ασβεστόλιθου και αργίλου που τελικά γίνεται η γνωστή γκρίζα σκόνη γνωστή ως συνηθισμένο τσιμέντο Πόρτλαντ (OPC). .
Ενώ η ενέργεια που απαιτείται για αυτή τη διαδικασία θέρμανσης θα μπορούσε τελικά να αντικατασταθεί με ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ανανεώσιμες ηλιακές ή αιολικές πηγές, το άλλο μισό των εκπομπών είναι εγγενές στο ίδιο το υλικό: καθώς το μείγμα ορυκτών θερμαίνεται σε θερμοκρασίες πάνω από 1.400 βαθμούς Κελσίου, υφίσταται χημική μετατροπή από ανθρακικό ασβέστιο και άργιλο σε μείγμα κλίνκερ (που αποτελείται κυρίως από πυριτικά ασβέστιο) και διοξείδιο του άνθρακα — με το τελευταίο να διαφεύγει στον αέρα.
Το πρόβλημα με την "μεταπολυμερισμό" της ενανθράκωσης
Όταν το OPC αναμιγνύεται με νερό, άμμο και χαλίκι κατά την παραγωγή του σκυροδέματος, γίνεται εξαιρετικά αλκαλικό, δημιουργώντας ένα φαινομενικά ιδανικό περιβάλλον για τη δέσμευση και τη μακροχρόνια αποθήκευση του διοξειδίου του άνθρακα με τη μορφή ανθρακικών υλικών (μια διαδικασία γνωστή ως ανθράκωση).
Παρά τη δυνατότητα του σκυροδέματος να απορροφά φυσικά διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, όταν αυτές οι αντιδράσεις συνήθως συμβαίνουν, κυρίως μέσα στο σκληρυμένο σκυρόδεμα, μπορούν να αποδυναμώσουν το υλικό και να μειώσουν την εσωτερική αλκαλικότητα, γεγονός που επιταχύνει τη διάβρωση της ράβδου οπλισμού.
Αυτές οι διαδικασίες καταστρέφουν τελικά τη φέρουσα ικανότητα του κτιρίου και επηρεάζουν αρνητικά τη μακροπρόθεσμη μηχανική του απόδοση.
Ως εκ τούτου, αυτές οι αργές αντιδράσεις ενανθράκωσης τελικού σταδίου, οι οποίες μπορούν να συμβούν σε χρονικές κλίμακες δεκαετιών, έχουν αναγνωριστεί εδώ και πολύ καιρό ως ανεπιθύμητες οδοί που επιταχύνουν τη φθορά του σκυροδέματος.
«Το πρόβλημα με αυτές τις αντιδράσεις ενανθράκωσης μετά τη σκλήρυνση», λέει ο Masic, «είναι ότι διαταράσσετε τη δομή και τη χημεία της μήτρας τσιμέντου που είναι πολύ αποτελεσματική στην πρόληψη της διάβρωσης του χάλυβα, η οποία οδηγεί σε υποβάθμιση».
Προσθήκη μαγειρικής σόδας: μια νέα μέθοδος δέσμευσης CO2
Αντίθετα, οι νέες οδοί δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα που ανακαλύφθηκαν από τους συγγραφείς βασίζονται στον πολύ πρώιμο σχηματισμό ανθρακικών αλάτων κατά την ανάμειξη και την έκχυση του σκυροδέματος, πριν πήξει το υλικό, κάτι που μπορεί να εξαλείψει σε μεγάλο βαθμό τις επιβλαβείς επιπτώσεις της πρόσληψης διοξειδίου του άνθρακα μετά τη σκλήρυνση του υλικού.
Το κλειδί για τη νέα διαδικασία είναι η προσθήκη ενός απλού, φθηνού συστατικού: το διττανθρακικό νάτριο, αλλιώς γνωστό ως μαγειρική σόδα.
Σε εργαστηριακές δοκιμές που χρησιμοποιούν υποκατάσταση διττανθρακικού νατρίου, η ομάδα έδειξε ότι έως και το 15% της συνολικής ποσότητας διοξειδίου του άνθρακα που σχετίζεται με την παραγωγή τσιμέντου θα μπορούσε να ανοργανοποιηθεί κατά τη διάρκεια αυτών των πρώιμων σταδίων - αρκετά για να δημιουργήσει ένα σημαντικό βαθούλωμα στο παγκόσμιο αποτύπωμα άνθρακα του υλικού.
«Είναι όλα πολύ συναρπαστικά», λέει ο Masic, «επειδή η έρευνά μας προωθεί την έννοια του πολυλειτουργικού σκυροδέματος ενσωματώνοντας τα πρόσθετα οφέλη της ανοργανοποίησης διοξειδίου του άνθρακα κατά την παραγωγή και τη χύτευση».
Προστέθηκαν προνόμια…
Επιπλέον, το προκύπτον σκυρόδεμα πήζει πολύ πιο γρήγορα μέσω του σχηματισμού μιας σύνθετης φάσης που δεν είχε περιγραφεί προηγουμένως, χωρίς να επηρεάζει τη μηχανική του απόδοση.
Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στον κατασκευαστικό κλάδο να είναι πιο παραγωγικός: τα έργα μπορούν να αφαιρεθούν νωρίτερα, μειώνοντας τον χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση μιας γέφυρας ή ενός κτιρίου.
Αυτό που προκύπτει, είναι ένα μείγμα ανθρακικού ασβεστίου και ένυδρου πυριτίου ασβεστίου, «είναι ένα εντελώς νέο υλικό», λέει ο Masic.
«Επιπλέον, μέσω του σχηματισμού του, μπορούμε να διπλασιάσουμε τη μηχανική απόδοση του σκυροδέματος πρώιμου σταδίου».
…αλλά η μακροπρόθεσμη απόδοση χρειάζεται δοκιμή
Ωστόσο, προσθέτει, αυτή η έρευνα εξακολουθεί να είναι μια συνεχής προσπάθεια.
«Αν και δεν είναι επί του παρόντος ασαφές πώς ο σχηματισμός αυτών των νέων φάσεων θα επηρεάσει τη μακροπρόθεσμη απόδοση του σκυροδέματος, αυτές οι νέες ανακαλύψεις υποδηλώνουν ένα αισιόδοξο μέλλον για την ανάπτυξη δομικών υλικών με ουδέτερο άνθρακα».
Αν και η ιδέα της ενανθράκωσης σκυροδέματος σε πρώιμο στάδιο δεν είναι νέα και υπάρχουν αρκετές υπάρχουσες εταιρείες που διερευνούν αυτήν την προσέγγιση για να διευκολύνουν την πρόσληψη διοξειδίου του άνθρακα μετά τη χύτευση του σκυροδέματος στο επιθυμητό σχήμα του, οι τρέχουσες ανακαλύψεις από την ομάδα του MIT τονίζουν το γεγονός ότι η ικανότητα πρόδρασης του σκυροδέματος να δεσμεύει διοξείδιο του άνθρακα έχει σε μεγάλο βαθμό υποτιμηθεί και υποχρησιμοποιηθεί.
«Η νέα μας ανακάλυψη θα μπορούσε περαιτέρω να συνδυαστεί με άλλες πρόσφατες καινοτομίες στην ανάπτυξη πρόσμικτων σκυροδέματος χαμηλότερου αποτυπώματος άνθρακα για να παρέχει πολύ πιο πράσινα, ακόμη και αρνητικά σε άνθρακα δομικά υλικά για το δομημένο περιβάλλον, μετατρέποντας το σκυρόδεμα από πρόβλημα σε μέρος λύσης », λέει ο Masic.
Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν τον Μάρτιο στο περιοδικό PNAS Nexus, σε μια δημοσίευση των καθηγητών Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής του MIT Admir Masic και Franz-Josef Ulm, του μεταδιδακτορικού Damian Stefaniuk και του διδακτορικού φοιτητή Marcin Hajduczek και του James Weaver από το Ινστιτούτο Wyss του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ.
www.worldenergynews.gr
Το μισό προέρχεται από την ενέργεια των ορυκτών που χρειάζονται και χρησιμοποιείται για την κατασκευή του (για την οποία, ελπίζουμε, μπορεί να μεταβεί σε καθαρή ενέργεια), και το άλλο μισό προέρχεται από το CO2 που διαφεύγει κατά τη διάρκεια του χημικού μετασχηματισμού, όπως επισημαίνει ο David Chandler καθηγητής στο MIT σε ανάλυσή του που δημοσιεύει το energypost.
Η θαυματουργή μαγειρική σόδα
Στην έρευνά του δείχνει πώς η απλή προσθήκη διττανθρακικού νατρίου (της απλής μαγειρικής σόδας που χρησιμοποιούμε στα μπισκότα) κατά τα πρώτα στάδια της παραγωγής μπορεί να αφαιρέσει, με ανοργανοποίηση, έως και 15% της συνολικής ποσότητας CO2 που σχετίζεται με παραγωγή τσιμέντου.
Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα είναι ότι το σκυρόδεμα που προκύπτει πήζει πολύ πιο γρήγορα και διπλασιάζει τη μηχανική απόδοση του σκυροδέματος πρώιμου σταδίου.
Φυσικά, η μακροπρόθεσμη απόδοση του νέου μείγματος χρειάζεται ακόμα δοκιμή, αλλά αυτό ανοίγει την πόρτα σε έναν απλό και χαμηλού κόστους τρόπο μετάβασης σε σκυρόδεμα χαμηλών εκπομπών άνθρακα γρήγορα και παγκοσμίως.
Νέα πρόσθετα θα μπορούσαν να κάνουν το σκυρόδεμα να «απορροφά» τον άνθρακα και οι μηχανικοί του MIT ανακαλύπτουν νέα μονοπάτια ενανθράκωσης για τη δημιουργία πιο φιλικού προς το περιβάλλον σκυροδέματος. Αναλυτικότερα...
8% του παγκόσμιου CO2
Παρά τα πολλά πλεονεκτήματα του σκυροδέματος ως σύγχρονου δομικού υλικού, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής αντοχής, του χαμηλού κόστους και της ευκολίας κατασκευής του, η παραγωγή του αντιπροσωπεύει σήμερα περίπου το 8% των παγκόσμιων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα.
Πρόσφατες ανακαλύψεις από μια ομάδα στο MIT αποκάλυψαν ότι η εισαγωγή νέων υλικών στις υπάρχουσες διαδικασίες παραγωγής σκυροδέματος θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά αυτό το αποτύπωμα άνθρακα, χωρίς να αλλοιωθούν οι μηχανικές ιδιότητες του σκυροδέματος.
Μετά το νερό, το σκυρόδεμα είναι το δεύτερο πιο καταναλωτικό υλικό στον κόσμο και αντιπροσωπεύει τον ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης υποδομής.
Κατά την κατασκευή του, ωστόσο, απελευθερώνονται μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα, τόσο ως χημικό υποπροϊόν της παραγωγής τσιμέντου όσο και στην ενέργεια που απαιτείται για την τροφοδοσία αυτών των αντιδράσεων.
Το CO2 διαφεύγει κατά τη διάρκεια του χημικού μετασχηματισμού
Περίπου οι μισές εκπομπές που σχετίζονται με την παραγωγή σκυροδέματος προέρχονται από την καύση ορυκτών καυσίμων όπως το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση ενός μείγματος ασβεστόλιθου και αργίλου που τελικά γίνεται η γνωστή γκρίζα σκόνη γνωστή ως συνηθισμένο τσιμέντο Πόρτλαντ (OPC). .
Ενώ η ενέργεια που απαιτείται για αυτή τη διαδικασία θέρμανσης θα μπορούσε τελικά να αντικατασταθεί με ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ανανεώσιμες ηλιακές ή αιολικές πηγές, το άλλο μισό των εκπομπών είναι εγγενές στο ίδιο το υλικό: καθώς το μείγμα ορυκτών θερμαίνεται σε θερμοκρασίες πάνω από 1.400 βαθμούς Κελσίου, υφίσταται χημική μετατροπή από ανθρακικό ασβέστιο και άργιλο σε μείγμα κλίνκερ (που αποτελείται κυρίως από πυριτικά ασβέστιο) και διοξείδιο του άνθρακα — με το τελευταίο να διαφεύγει στον αέρα.
Το πρόβλημα με την "μεταπολυμερισμό" της ενανθράκωσης
Όταν το OPC αναμιγνύεται με νερό, άμμο και χαλίκι κατά την παραγωγή του σκυροδέματος, γίνεται εξαιρετικά αλκαλικό, δημιουργώντας ένα φαινομενικά ιδανικό περιβάλλον για τη δέσμευση και τη μακροχρόνια αποθήκευση του διοξειδίου του άνθρακα με τη μορφή ανθρακικών υλικών (μια διαδικασία γνωστή ως ανθράκωση).
Παρά τη δυνατότητα του σκυροδέματος να απορροφά φυσικά διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα, όταν αυτές οι αντιδράσεις συνήθως συμβαίνουν, κυρίως μέσα στο σκληρυμένο σκυρόδεμα, μπορούν να αποδυναμώσουν το υλικό και να μειώσουν την εσωτερική αλκαλικότητα, γεγονός που επιταχύνει τη διάβρωση της ράβδου οπλισμού.
Αυτές οι διαδικασίες καταστρέφουν τελικά τη φέρουσα ικανότητα του κτιρίου και επηρεάζουν αρνητικά τη μακροπρόθεσμη μηχανική του απόδοση.
Ως εκ τούτου, αυτές οι αργές αντιδράσεις ενανθράκωσης τελικού σταδίου, οι οποίες μπορούν να συμβούν σε χρονικές κλίμακες δεκαετιών, έχουν αναγνωριστεί εδώ και πολύ καιρό ως ανεπιθύμητες οδοί που επιταχύνουν τη φθορά του σκυροδέματος.
«Το πρόβλημα με αυτές τις αντιδράσεις ενανθράκωσης μετά τη σκλήρυνση», λέει ο Masic, «είναι ότι διαταράσσετε τη δομή και τη χημεία της μήτρας τσιμέντου που είναι πολύ αποτελεσματική στην πρόληψη της διάβρωσης του χάλυβα, η οποία οδηγεί σε υποβάθμιση».
Προσθήκη μαγειρικής σόδας: μια νέα μέθοδος δέσμευσης CO2
Αντίθετα, οι νέες οδοί δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα που ανακαλύφθηκαν από τους συγγραφείς βασίζονται στον πολύ πρώιμο σχηματισμό ανθρακικών αλάτων κατά την ανάμειξη και την έκχυση του σκυροδέματος, πριν πήξει το υλικό, κάτι που μπορεί να εξαλείψει σε μεγάλο βαθμό τις επιβλαβείς επιπτώσεις της πρόσληψης διοξειδίου του άνθρακα μετά τη σκλήρυνση του υλικού.
Το κλειδί για τη νέα διαδικασία είναι η προσθήκη ενός απλού, φθηνού συστατικού: το διττανθρακικό νάτριο, αλλιώς γνωστό ως μαγειρική σόδα.
Σε εργαστηριακές δοκιμές που χρησιμοποιούν υποκατάσταση διττανθρακικού νατρίου, η ομάδα έδειξε ότι έως και το 15% της συνολικής ποσότητας διοξειδίου του άνθρακα που σχετίζεται με την παραγωγή τσιμέντου θα μπορούσε να ανοργανοποιηθεί κατά τη διάρκεια αυτών των πρώιμων σταδίων - αρκετά για να δημιουργήσει ένα σημαντικό βαθούλωμα στο παγκόσμιο αποτύπωμα άνθρακα του υλικού.
«Είναι όλα πολύ συναρπαστικά», λέει ο Masic, «επειδή η έρευνά μας προωθεί την έννοια του πολυλειτουργικού σκυροδέματος ενσωματώνοντας τα πρόσθετα οφέλη της ανοργανοποίησης διοξειδίου του άνθρακα κατά την παραγωγή και τη χύτευση».
Προστέθηκαν προνόμια…
Επιπλέον, το προκύπτον σκυρόδεμα πήζει πολύ πιο γρήγορα μέσω του σχηματισμού μιας σύνθετης φάσης που δεν είχε περιγραφεί προηγουμένως, χωρίς να επηρεάζει τη μηχανική του απόδοση.
Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στον κατασκευαστικό κλάδο να είναι πιο παραγωγικός: τα έργα μπορούν να αφαιρεθούν νωρίτερα, μειώνοντας τον χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση μιας γέφυρας ή ενός κτιρίου.
Αυτό που προκύπτει, είναι ένα μείγμα ανθρακικού ασβεστίου και ένυδρου πυριτίου ασβεστίου, «είναι ένα εντελώς νέο υλικό», λέει ο Masic.
«Επιπλέον, μέσω του σχηματισμού του, μπορούμε να διπλασιάσουμε τη μηχανική απόδοση του σκυροδέματος πρώιμου σταδίου».
…αλλά η μακροπρόθεσμη απόδοση χρειάζεται δοκιμή
Ωστόσο, προσθέτει, αυτή η έρευνα εξακολουθεί να είναι μια συνεχής προσπάθεια.
«Αν και δεν είναι επί του παρόντος ασαφές πώς ο σχηματισμός αυτών των νέων φάσεων θα επηρεάσει τη μακροπρόθεσμη απόδοση του σκυροδέματος, αυτές οι νέες ανακαλύψεις υποδηλώνουν ένα αισιόδοξο μέλλον για την ανάπτυξη δομικών υλικών με ουδέτερο άνθρακα».
Αν και η ιδέα της ενανθράκωσης σκυροδέματος σε πρώιμο στάδιο δεν είναι νέα και υπάρχουν αρκετές υπάρχουσες εταιρείες που διερευνούν αυτήν την προσέγγιση για να διευκολύνουν την πρόσληψη διοξειδίου του άνθρακα μετά τη χύτευση του σκυροδέματος στο επιθυμητό σχήμα του, οι τρέχουσες ανακαλύψεις από την ομάδα του MIT τονίζουν το γεγονός ότι η ικανότητα πρόδρασης του σκυροδέματος να δεσμεύει διοξείδιο του άνθρακα έχει σε μεγάλο βαθμό υποτιμηθεί και υποχρησιμοποιηθεί.
«Η νέα μας ανακάλυψη θα μπορούσε περαιτέρω να συνδυαστεί με άλλες πρόσφατες καινοτομίες στην ανάπτυξη πρόσμικτων σκυροδέματος χαμηλότερου αποτυπώματος άνθρακα για να παρέχει πολύ πιο πράσινα, ακόμη και αρνητικά σε άνθρακα δομικά υλικά για το δομημένο περιβάλλον, μετατρέποντας το σκυρόδεμα από πρόβλημα σε μέρος λύσης », λέει ο Masic.
Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν τον Μάρτιο στο περιοδικό PNAS Nexus, σε μια δημοσίευση των καθηγητών Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής του MIT Admir Masic και Franz-Josef Ulm, του μεταδιδακτορικού Damian Stefaniuk και του διδακτορικού φοιτητή Marcin Hajduczek και του James Weaver από το Ινστιτούτο Wyss του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ.
www.worldenergynews.gr
