Pretvaranje CO2 u vatrootporne građevinske materijale

Nova metoda inspirirana koraljnim grebenima može uhvatiti ugljični dioksid iz atmosfere i pretvoriti ga u izdržljive, vatrootporne građevinske materijale, nudeći obećavajuće rješenje za ugljično negativnu gradnju.

Pristup, koji su razvili američki istraživači USC-a (University of Southern California) i detaljno opisali u studiji objavljenoj u časopisu Advanced Manufacturing, crpi inspiraciju iz prirodne sposobnosti oceanskih koraljnih grebena da stvaraju robusne strukture izdvajanjem ugljičnog dioksida. Dobiveni mineralno-polimerni kompoziti pokazuju izvanrednu mehaničku čvrstoću, otpornost na lom i otpornost na vatru.

"Ovo je ključni korak u evoluciji pretvaranja ugljičnog dioksida", rekao je Qiming Wang, izvanredni profesor građevinarstva i inženjerstva okoliša na USC Viterbi School of Engineering. "Za razliku od tradicionalnih tehnologija za hvatanje ugljika koje se fokusiraju na pohranjivanje ugljičnog dioksida ili njegovo pretvaranje u tekuće tvari, otkrili smo da ovaj novi elektrokemijski proizvodni proces pretvara kemijski spoj u minerale kalcijevog karbonata u 3D tiskanim polimernim skelama."

Metoda je izravno inspirirana načinom na koji koralj stvara svoje aragonitne skeletne strukture, poznate kao koraliti. U prirodi koralj gradi koralite kroz proces koji se naziva biomineralizacija, u kojem koralj izdvaja ugljični dioksid iz atmosfere procesom fotosinteze. Zatim kombinira kemijski spoj s kalcijevim ionima iz morske vode kako bi istaložio kalcijeve minerale oko organskih šablona.

Istraživački tim replicirao je ovaj proces stvaranjem 3D ispisanih polimernih skela koje su oponašale organske predloške koralja. Zatim su ih obložili tankim vodljivim slojem. Ove obložene strukture zatim su spojene na elektrokemijske krugove kao katode i uronjene u otopinu kalcijevog klorida.

Kada je ugljični dioksid dodan u otopinu, podvrgnut je hidrolizi da bi se razgradio na bikarbonatne ione. Ti su ioni reagirali s kalcijem u otopini i formirali kalcijev karbonat, koji je postupno ispunio 3D ispisane pore. To je rezultiralo konačnim proizvodom, gustim mineralno-polimernim kompozitom.

Najiznenađujuće svojstvo eksperimentalnog kompozitnog materijala je njegova reakcija na vatru. Dok 3D ispisanim polimernim skelama nedostaju inherentna svojstva otpornosti na vatru, mineralizirani kompoziti zadržali su svoj strukturni integritet pod eksperimentalnim testovima plamena.

"Metoda proizvodnje otkrila je prirodni mehanizam za suzbijanje požara od 30 minuta izravnog izlaganja plamenu", rekao je Wang. "Kada su izloženi visokim temperaturama, minerali kalcijevog karbonata oslobađaju male količine ugljičnog dioksida za koje se čini da imaju učinak gašenja požara. Ova ugrađena sigurnosna značajka pruža značajne prednosti za građevinske i inženjerske primjene gdje je otpornost na vatru kritična."

Osim vatrootpornosti, napuknute konstrukcije mogu se popraviti spajanjem na niskonaponsku struju. Elektrokemijske reakcije mogu ponovno spojiti napuknute površine i vratiti mehaničku čvrstoću.
Nakon rigorozne procjene životnog ciklusa, istraživači su otkrili da proizvedene strukture imaju negativan ugljični otisak, otkrivajući da je hvatanje ugljika premašilo emisije ugljika povezane s proizvodnjom i radom.

Istraživači su također pokazali kako se proizvedeni kompoziti mogu sastaviti u veće strukture koristeći modularni pristup, stvarajući nosive strukture velikih razmjera. Kompozitni materijali potencijalno bi se mogli koristiti u građevinarstvu i drugim primjenama koje zahtijevaju visoku mehaničku otpornost.

Wang je rekao da se istraživači sad planiraju usredotočiti na komercijalizaciju patentirane tehnologije. Budući da su građevinski materijali i konstrukcija odgovorni za oko 11% globalnih emisija ugljika, nova proizvodna metoda studije postavlja temelje za mogućnost zgrada s negativnim ugljikom.