Дорога к будущему с нулевыми выбросами должна быть вымощена экологически чистым бетоном, и ученые из Университета Райса знают, как это сделать.

На производство цемента, входящего в состав бетона, приходится примерно 8% ежегодных выбросов углекислого газа в мире, что делает его важной целью сокращения выбросов парниковых газов. Для этих целей лаборатория Райса химика Джеймса Тура использовала мгновенный джоулев нагрев для удаления токсичных тяжелых металлов из летучей золы, порошкообразного побочного продукта угольных электростанций, который часто используется в бетонных смесях. Использование очищенной угольной летучей золы снижает количество необходимого цемента и улучшает качество бетона.

В исследовании лаборатории замена 30 % цемента, используемого для изготовления партии бетона, очищенной угольной летучей золой повысила прочность и эластичность бетона на 51 % и 28 % соответственно, при одновременном снижении выбросов парниковых газов и тяжелых металлов на 30 % и 41%, соответственно, согласно статье, опубликованной в Communications Engineering.

«Сокращение выбросов при производстве цемента очень важно для смягчения глобальных выбросов парниковых газов», — сказал ведущий автор Бинг Денг, научный сотрудник лаборатории Тура. «Это общая картина этого исследования».

Инженер Сатиш Нагараджаия отметил, что «производство цемента является значительным источником выбросов углекислого газа. Снижение содержания цемента в бетоне поможет сократить выбросы».

«Вы можете использовать меньше бетона, если используете летучую золу угля. Однако летучая зола содержит тяжелые металлы», — сказал Тур. «Часто мы пытаемся исправить что-то одно, а что-то портим. Пытаясь что-то сделать с этими отходами, а именно с угольной летучей золой, мы загрязняем окружающую среду, потому что тяжелые металлы выщелачиваются. Вода переносит их в окружающую среду. и загрязнили нашу почву вдоль дорог и т. д.»

Ежегодно в мире производится около 750 миллионов тонн летучей золы. Исследователи риса разработали быстрый и безводный процесс, основанный на мгновенном джоулевом нагреве, который может удалить до 90% тяжелых металлов, что делает его более подходящим для использования в инфраструктуре.

«По сути, мы смешиваем летучую золу с сажей, потому что летучая зола не проводит электричество, а сажа делает смесь проводящей», — сказал Дэн. «Затем мы помещаем смесь между двумя графитовыми или медными электродами и используем конденсатор для подачи на образец короткого импульса тока. Этот ввод тока повышает температуру образца примерно до 3000 градусов по Цельсию (5432 по Фаренгейту). тяжелые металлы испаряются в летучий поток, который затем улавливается.

«Используя этот метод, мы можем удалить тяжелые металлы из летучей золы угля с очень высокой эффективностью», — продолжил он. «Для различных тяжелых металлов, таких как мышьяк, кадмий, кобальт, никель и свинец, эффективность удаления составляет от 70% до 90% всего за одну секунду. Это очень быстрый процесс удаления».

Было показано, что мгновенный джоулев нагрев работает с различными составами угольной летучей золы, образующейся в результате сжигания угля, добытого из разных географических мест.

«Существует два основных класса летучей золы с различным неорганическим составом: класс C и класс F», — сказал Дэн. «Мы обнаружили, что наш метод работает для обоих видов летучей золы угля. Он также работает для других опасных отходов, таких как красный шлам или остатки бокситов. Это показывает, что этот процесс может стать универсальным подходом для крупномасштабной дезактивации твердых промышленных отходов».

«Очищенная угольная летучая зола не только лучше для окружающей среды, но и повышает прочность и качество бетона», — сказал Вэй Мэн, научный сотрудник Rice, занимающийся гражданским и экологическим строительством , и соавтор исследования. «Мы обнаружили, что при замене 30% цемента в бетонной смеси очищенной угольной золой-уноса прочность на сжатие и модуль упругости композита значительно увеличились.

«Это очень важно для проектирования конструкций и строительной отрасли, потому что более прочные конструкции можно строить с меньшим количеством цемента», — продолжил он. «Вот почему это исследование ценно для инженеров-строителей».

Процесс лаборатории Tour позволяет собирать испаряемые тяжелые металлы в вакуумной камере, а не выбрасывать их в окружающую среду. Кроме того, энергия, потребляемая в процессе, относительно невелика.

«Мы подсчитали, что потребление энергии составляет около 532 киловатт на тонну», — сказал Мэн. «Если мы переведем это в цены на электроэнергию в Техасе, получится около 21 доллара за тонну. Анализ жизненного цикла показывает, что мы действительно можем извлечь выгоду из этих отходов».

«Это большая победа для окружающей среды», — сказал Тур. «Вы сокращаете выбросы, и при этом не выщелачиваете тяжелые металлы».