Carbonation-Based Recycling of Concrete Wash Water for Pollution Control and CO 2 Sequestration

Jedes Mal, wenn ein Betonmischer nach einem Arbeitstag ausgewaschen wird, spuckt er eine Suspension aus Wasser, Sand und übrig gebliebenem Zement aus. Diese Mischung, bekannt als Betonwaschwasser, ist ein erhebliches Problem für die Bauindustrie. Sie ist hochalkalisch, was bedeutet, dass sie chemisch aggressiv ist, und wenn sie unbehandelt entsorgt wird, kann sie Flüsse und Seen vergiften. Jahrzehntelang war die Standardpraxis, diese toxische Suspension entweder zu entsorgen oder sie mit frischem Trinkwasser zu verdünnen, um sie für die Wiederverwendung in neuem Beton sicher genug zu machen. Aber Verdünnung ist verschwenderisch, und das Wasser beeinträchtigt oft dennoch die Qualität des neuen Betons, indem es ihn schwächer macht oder dazu führt, dass er zu schnell abbindet. Währenddessen sucht die Welt nach Wegen, Kohlendioxid – das Gas, das den Klimawandel vorantreibt – einzufangen und sicher einzuschließen. Beton, das am häufigsten verwendete Baumaterial der Erde, ist bereits eine bedeutende Quelle für Kohlenstoffemissionen, besitzt aber auch die verborgene Fähigkeit, Kohlenstoff durch einen natürlichen chemischen Prozess namens Karbonatisierung zu absorbieren.

Ein Forschungsteam der Huaqiao-Universität in China hat diese beiden Probleme miteinander verknüpft und einen Weg vorgeschlagen, das Abwasser in ein Werkzeug zur Reinigung der Luft zu verwandeln. Sie entwickelten eine Methode, um Kohlendioxid direkt in das schmutzige Waschwasser zu blasen. Dieser Prozess, den sie beschleunigte Karbonatisierung nennen, erzwingt, dass das Kohlendioxid mit den im Wasser suspendierten Zementpartikeln reagiert. Das Ergebnis ist eine Transformation des Abfalls: Die toxische, hochalkalische Suspension wird zu einer neutralisierten Flüssigkeit, die reich an winzigen, harmlosen Mineralpartikeln ist. Die Forscher testeten anschließend, ob dieses behandelte Wasser zum Anmischen von neuem Zementmörtel verwendet werden konnte. Sie fanden heraus, dass das Wasser nicht nur den Abfall reinigte, sondern tatsächlich das Endprodukt verbesserte. Der neue Mörtel war stärker, schrumpfte beim Trocknen weniger und hielt besser zusammen als Mörtel, der mit gewöhnlichem Leitungswasser hergestellt wurde, vorausgesetzt, das behandelte Wasser wurde in den richtigen Proportionen verwendet.

Um zu verstehen, wie dies funktioniert, muss man betrachten, was im Tank geschieht. Die Forscher begannen mit einer simulierten Version des Waschwassers, das durch das Mischen von gewöhnlichem Zement mit Wasser und dem anschließenden Ruhenlassen über drei Stunden erstellt wurde. Sie pumpten diese Suspension durch eine spezialisierte Einheit, in die sie Kohlendioxidgas injizierten. Als das Gas sich mit der Flüssigkeit vermischte, fand eine chemische Reaktion statt. Das Kohlendioxid löste sich im Wasser auf und reagierte mit den Calciumverbindungen aus dem Zement. Diese Reaktion verbrauchte die schädlichen alkalischen Bestandteile, die das Wasser für die Umwelt gefährlich machten, und senkte den pH-Wert erheblich. In den Labortests sank der pH-Wert von 12,38 auf 6,49, wobei die Forscher anmerkten, dass der Prozess für Baustellenbeton typischerweise bei einem pH-Wert von etwa 8 gestoppt würde, um die langfristige Beständigkeit des Materials zu bewahren. Während dieses Prozesses wurde das Kohlendioxid effektiv im Wasser gefangen bzw. sequestriert, nämlich in Form von festen Mineralpartikeln. Die Forscher maßen dies durch das Wiegen des Tanks; während die Reaktion voranschritt, nahm das Wasser an Masse zu, da es das schwere Kohlendioxidgas absorbiert hatte. In ihren effizientesten Tests absorbierte das System Kohlendioxid mit einer Rate von 18,6 Gramm pro Minute.

Die durch diese Reaktion erzeugten festen Partikel waren nicht dieselben wie der ursprüngliche Zement. Unter Verwendung leistungsstarker Mikroskope und chemischer Scanner beobachtete das Team, dass die großen, nadelartigen Kristalle des ursprüngigen Zements verschwunden waren. An ihrer Stelle befanden sich unzählige extrem feine, runde Partikel aus Calciumcarbonat, ein Mineral, das Ähnlichkeiten mit Kalkstein oder Kreide aufweist. Diese neuen Partikel waren viel kleiner als die ursprünglichen Zementkörner, wobei die durchschnittliche Größe von fast 20 AE auf nur 3 AE schrumpfte. Diese Größenänderung ist entscheidend. Als die Forscher dieses behandelte Wasser zum Anmischen von neuem Mörtel verwendeten, wirkten diese winzigen Partikel wie ein superfeiner Füllstoff. Sie schlüpften in die winzigen Lücken zwischen den größeren Zementkörnern, packten das Material dichter und machten es kompakter. Diese Verdichtung war der Grund für die verbesserte Festigkeit des neuen Mörtels.

Die Leistungstests lieferten ein komplexes, aber vielversprechendes Bild. Wenn die Forscher das gesamte Frischwasser in einer Mörmischung durch dieses vollständig behandelte Wasser ersetzten, wurde die Mischung schwieriger zu verarbeiten. Sie floss weniger leicht, was ein Problem für Bauarbeiter darstellt, die benötigen, dass der Beton flüssig genug ist, um gegossen und verstrichen zu werden. Das ausgehärtete Material war jedoch signifikant besser. Der Mörtel, der mit dem behandelten Wasser hergestellt wurde, schrumpfte um 52,9 Prozent weniger als die Kontrollgruppe aus Leitungswasser, was bedeutet, dass er beim Trocknen weniger wahrscheinlich reißt. Seine Fähigkeit, Druckkräften zu widerstehen, stieg nach 28 Tagen um 13,0 Prozent. Die Forscher fanden auch heraus, dass das behandelte Wasser die Art und Weise veränderte, wie der Zement abbindet. Es ließ den Mörtel anfangs schneller hart werden, dauerte aber länger, um seinen endgültigen, vollständig ausgehärteten Zustand zu erreichen. Dieses Verhalten unterschied sich von der Verwendung von unbehandeltem Waschwasser, welches den Beton zu schnell abbinden ließ und oft zu einem schwächeren Endprodukt führte.

Um den idealen Punkt für die reale Anwendung zu finden, testete das Team verschiedene Mengen an behandeltem Wasser gemischt mit Frischwasser. Sie entdeckten, dass wenn sie mehr als die Hälfte des Frischwassers durch die behandelte Version ersetzten, die Mischung zu steif wurde und die endgültige Festigkeit unter akzeptable Standards fiel. Wenn sie jedoch bis zu 50 Prozent des Frischwassers ersetzten, erfüllte der Mörtel alle notwendigen Leistungsanforderungen. Er floss gut genug für den Bau, schrumpfte sehr wenig und war stärker als die Standardmischung. Dies deutet darauf an, dass eine Baustelle die Hälfte ihres Wasserbedarfs aus ihrem eigenen Abwasser recyceln und gleichzeitig Kohlendioxid binden könnte, ohne die Qualität des Baumaterials zu beeinträchtigen.

Die Forscher arbeiteten auch daran, die Maschine, die die Karbonatisierung durchführt, zu perfektionieren. Sie nutzten eine statistische Methode, um zu testen, wie drei verschiedene Einstellungen die Geschwindigkeit beeinflussten, mit der das Wasser das Gas absorbierte: die Menge an Zement im Wasser, die Geschwindigkeit des Gasflusses und die Temperatur des Kühlsystems. Sie fanden heraus, dass der Prozess viel Wärme erzeugt, und wenn das Wasser zu warm wird, fällt es dem Gas schwerer, sich aufzulösen. Durch die sorgfältige Abstimmung dieser Faktoren optimierten sie das System, um Kohlendioxid um 14,1 Prozent effizienter einzufangen als in ihren ersten Tests. Die besten Bedingungen bestanden aus einem spezifischen Verhältnis von Zement zu Wasser, einem hohen Gasfluss und einer sehr kühlen Temperatur von 2,7 Grad Celsius.

Diese Studie zeigt einen gangbaren Weg für die Betonindustrie auf, indem sie ein gefährliches Abfallprodukt in eine Ressource sowohl für die Schadstoffkontrolle als auch für die Kohlenstoffspeicherung verwandelt. Der Prozess erfordert keine exotischen Chemikalien oder massive neue Infrastrukturen; er beruht auf einer chemischen Reaktion, die mit Standardausrüstung gesteuert werden kann. Während sich die aktuelle Arbeit auf Mörtel konzentrierte, einer einfacheren Form von Beton, räumt das Team ein, dass der nächste Schritt darin besteht, diese Methode mit Vollbeton zu testen, der Kies und Sand enthält. Sie merken auch an, dass die langfristige Beständigkeit von Gebäuden, die mit diesem recycelten Wasser gebaut wurden, weiterer Untersuchungen bedarf. Die Kernbotschaft ist jedoch klar: Durch das Einblasen von Kohlendioxid in schmutziges Waschwasser ist es möglich, die Verschmutzung zu neutralisieren, das Treibhausgas einzufangen und ein stärkeres, haltbareres Baumaterial zu schaffen. Das Abwasser ist nicht länger nur ein Entsorgungsproblem; es ist zu einem Gefäß geworden, um die Luft zu reinigen und eine bessere Zukunft aufzubauen.