Forscher entwickeln Öko

Von der Washington State University, 22. April 2023

Forscher der Washington State University entwickelten eine kohlenstoffnegative Betonformel, indem sie Zement mit Pflanzenkohle anreicherten und so die Kohlenstoffemissionen der Industrie reduzierten. Dieser umweltfreundliche Beton erreicht eine mit normalem Zement vergleichbare Festigkeit und absorbiert gleichzeitig bis zu 23 % seines Gewichts an CO2 aus der Luft.

Forscher der Washington State University haben eine kohlenstoffnegative, umweltfreundliche Betonformel entwickelt, die fast so stark ist wie herkömmlicher Beton.

In einer Proof-of-Concept-Arbeit versetzten die Forscher der Washington State University Standardzement mit Biokohle, einer Art Holzkohle, die aus organischen Abfällen hergestellt wird, die zuvor mit Betonabwasser angereichert wurden. Die Biokohle war in der Lage, bis zu 23 % ihres Gewichts an Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu absorbieren und behielt dennoch eine Festigkeit bei, die mit normalem Zement vergleichbar war.

Die Forschung könnte die Kohlenstoffemissionen der Betonindustrie, die zu den energie- und kohlenstoffintensivsten aller Fertigungsindustrien zählt, deutlich reduzieren. Über die vom Doktoranden Zhipeng Li geleitete Arbeit wurde am 10. April in der Zeitschrift Materials Letters berichtet.

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

Doktorand Zhipeng Li und Professor Xianming Shi. Bildnachweis: Washington State University

Weltweit werden jedes Jahr mehr als 4 Milliarden Tonnen Beton produziert. Die Herstellung von gewöhnlichem Zement erfordert hohe Temperaturen und die Verbrennung von Brennstoffen. Der bei seiner Herstellung verwendete Kalkstein durchläuft auch einen Zersetzungsprozess, bei dem Kohlendioxid entsteht, so dass man davon ausgeht, dass die Zementproduktion für etwa 8 % der gesamten Kohlenstoffemissionen durch menschliche Aktivitäten weltweit verantwortlich ist.

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

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

Das ätzende Betonauswaschwasser ist ein mitunter problematischer Abfallstoff aus der Betonproduktion. Das Abwasser sei sehr alkalisch, diene aber auch als wertvolle Kalziumquelle, sagte Shi. Die Forscher nutzten das Kalzium, um die Bildung von Calcit anzuregen, was der Pflanzenkohle und schließlich dem Beton, in den die Pflanzenkohle eingearbeitet ist, zugute kommt.

„Die meisten anderen Forscher waren nur in der Lage, bis zu 3 % Biokohle hinzuzufügen, um Zement zu ersetzen, aber wir demonstrieren die Verwendung viel höherer 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 der Pflanzenkohle ausfiel, diese stärkte und die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Luft ermöglichte. Man geht davon aus, dass ein aus diesem Material hergestellter Beton während der gesamten Lebensdauer des Betons, typischerweise 30 Jahre bei Straßenbelägen oder 75 Jahre bei Brücken, 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-negativen Betonarbeiten eingereicht. Sie haben kürzlich einen Startzuschuss von der Washington Research Foundation erhalten, um mehr Daten für eine Vielzahl von Anwendungsfällen zu produzieren. Sie suchen außerdem aktiv nach Industriepartnern aus dem Bau- und Bausektor, um die Produktion für Felddemonstrationen zu steigern und diese WSU-Technologie zu lizenzieren.

Geben Sie Ihr Tagebuch ein: Referenz: „Auf dem Weg zu einer nachhaltigen industriellen Anwendung von kohlenstoffnegativem Beton: Synergistische Kohlenstoffabscheidung durch Betonauswaschwasser und Biokohle“ von Zhipeng Li und Xianming Shi, 10. April 2023, Materials Letters.DOI: 10.1016/j.matlet. 2023.134368