Жизнеспособная формула углеродоотрицательного, экологически чистого бетона, который почти так же прочен, как обычный бетон, была разработана в Университете штата Вашингтон. Результаты работы команды ученых под руководством Жипэн Ли были опубликованы в журнале Materials Letters.

В ходе проверки концепции исследователи смешали обычный цемент с экологически чистым биоуглем, разновидностью древесного угля, изготовленного из органических отходов, предварительно укрепленных бетонными сточными водами. Биоуголь смог поглощать до 23% своего веса углекислого газа из воздуха, при этом достигая прочности, сравнимой с обычным цементом.

Исследование может значительно сократить выбросы углерода в бетонной промышленности, которая является одной из самых энергоемких и углеродоемких из всех производственных отраслей. 

«Мы очень рады, что это будет способствовать созданию окружающей среды с нулевым выбросом углерода», — сказал одни из авторов исследования Сяньмин Ши.

Ежегодно в мире производится более 4 миллиардов тонн бетона. Изготовление обычного цемента требует высокой температуры и сжигания топлива. Известняк, используемый в его производстве, также подвергается разложению с образованием углекислого газа, поэтому считается, что на производство цемента приходится около 8% общих выбросов углерода в результате деятельности человека во всем мире.

Исследователи пытались добавить биоуголь в качестве заменителя цемента, чтобы сделать его более экологичным и уменьшить его углеродный след, но добавление даже 3% биоугля резко снизило прочность бетона. После обработки биоугля в сточных водах, промывающих бетон, исследователи WSU смогли добавить до 30% биоугля в свою цементную смесь. Паста, изготовленная из цемента с добавлением биоугля, смогла через 28 дней достичь прочности на сжатие, сравнимой с прочностью обычного цемента, составляющей около 4000 фунтов на квадратный дюйм.

«Мы стремимся найти новые способы перенаправить потоки отходов на полезное использование в бетоне; как только мы определим эти потоки отходов, следующим шагом будет посмотреть, как мы можем взмахнуть волшебной палочкой химии и превратить их в ресурс. Хитрость на самом деле заключается в проектировании интерфейсов — в том, как вы проектируете интерфейсы в бетоне», — сказал Ши. 

Вода для промывки едкого бетона иногда является проблематичным отходом производства бетона. По словам Ши, сточные воды очень щелочные, но они также служат ценным источником кальция. Исследователи использовали кальций, чтобы вызвать образование кальцита, который приносит пользу биоуглю и, в конечном итоге, бетону, включающему биоуголь.

«Большинство других исследователей смогли добавить только до 3% биоугля вместо цемента, но мы демонстрируем использование гораздо более высоких доз биоугля, потому что мы выяснили, как спроектировать поверхность биоугля», — пояснил Ши.

Синергия между сильнощелочными сточными водами, которые содержат много кальция, и высокопористым биоуглем означала, что карбонат кальция осаждался на биоуголь или в него, укрепляя его и позволяя улавливать углекислый газ из воздуха. Ожидается, что бетон, изготовленный из этого материала, будет продолжать улавливать углекислый газ в течение всего срока службы бетона, обычно 30 лет в дорожном покрытии или 75 лет в мосту.