A Mini Review of Direct Aqueous Carbonation of Calcium Carbide Residue and Ferrous Slag for Carbon Mineralization and Cementitious Applications

Die Welt produziert riesige Mengen an Industrieabfällen, die oft auf Deponien landen, dort Platz beanspruchen und mitunter schädliche Chemikalien in den Boden und das Wasser sickern lassen. Gleichzeitig setzen die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Produktion von Zement enorme Mengen an Kohlendioxid in die Atmosphäre frei, was den Klimawandel vorantreibt. Wissenschaftler suchen schon lange nach Wegen, diese beiden Probleme in eine einzige Lösung zu verwandeln: Kohlendioxid einzufangen und in festen Materialien einzuschließen. Eine vielversprechende Methode ist ein Prozess namens Mineralisierung, bei dem Kohlendioxidgas durch eine wässrige Mischung geblasen wird, die Industrieabfälle enthält. Das Gas reagiert mit den Mineralien im Abfall zu stabilen, festen Gesteinen, wodurch das Kohlendioxid effektiv für immer eingeschlossen wird. Dieser Ansatz reduziert nicht nur Treibhausgase, sondern verwandelt nutzlosen Müll auch in etwas potenziell Nützliches für das Bauwesen.

Zwei spezifische Arten von Industrieabfällen haben in diesem Bereich besondere Aufmerksamkeit erregt. Das erste ist Kalziumkarbidrückstand, ein Nebenprodukt bei der Herstellung von Acetylengas, der reich an einer Verbindung ist, die bereitwillig mit Kohlendioxid reagiert. Das zweite ist Schlacke, ein glasartiges Material, das bei der Herstellung von Stahl und Eisen übrig bleibt. Obwohl beide Materialien vielversprechend sind, weist jedes für sich genommen einen großen Mangel auf. Der kalziumreiche Abfall reagiert so schnell, dass er sich selbst in einer harten Schicht aus festem Karbonat einschließt, was die weitere Reaktion blockiert und dazu führt, dass ein Großteil des Materials unumgewandelt bleibt. Die Stahlschlacke hingegen reagiert so langsam, dass sie sich kaum verändert. Eine neue Rezension des Forschers Fon Alain Zoum untersucht, wie die Kombination dieser beiden Abfälle beide Probleme lösen könnte, indem sie eine chemische Sackgasse in einen praktikablen Weg zur Reinigung der Luft und zur Schaffung neuer Baustoffe verwandelt.

Die Rezension synthetisiert aktuelle Studien, um zu erklären, was passiert, wenn diese beiden Abfälle gemischt werden, bevor Kohlendioxid zugeführt wird. Wenn Kalziumkarbidrückstand allein behandelt wird, beginnt die Reaktion schnell, stoppt aber abrupt. Das Kohlendioxid löst sich im Wasser und greift die Oberfläche der Abfallpartikel an, wodurch eine Schale aus festem Kalziumkarbonat entsteht. Diese Schale wirkt wie eine Schutzpanzerung, die verhindert, dass das Kohlendioxid das frische Material im Inneren erreicht, und stoppt die Reaktion, bevor sie abgeschlossen ist. Im Gegensatz dazu besteht Stahlschlacke aus einer komplexen, glasartigen Struktur, die ihre Mineralien fest hält, was es dem Kohlendioxid sehr erschwert, diese herauszulösen, um neue Gesteine zu bilden. Das Ergebnis ist, dass die Behandlung eines der beiden Materialien allein ineffizient ist und ein Großteil des potenziellen Kohlenstoffspeichers ungenutzt bleibt.

Wenn Forscher jedoch den Kalziumkarbidrückstand mit Stahl- oder Eisenschlacke mischen, ändert sich der gesamte Prozess. Die Rezension hebt hervor, dass die beiden Materialien auf eine Weise zusammenarbeiten, die das Blockierungsproblem umgeht. Der kalziumreiche Abfall löst sich schnell auf und setzt Kalziumionen in das Wasser frei. Anstatt dass diese Ionen sofort mit dem Kohlendioxid kollidieren und eine Schale auf dem Kalziumabfall selbst bilden, wandern sie durch das Wasser und landen auf der Oberfläche der Schlackepartikel. Dort reagieren sie, um feste Karbonatgesteine zu bilden. Diese Verlagerung des Ortes ist entscheidend. Indem die Bildung des festen Gesteins vom Kalziumabfall wegverlagert wird, dient die Schlacke als sichere Landezone, die verhindert, dass der Kalziumabfall beschichtet und blockiert wird. Dies ermöglicht es dem Kalziumabfall, sich weiter aufzulösen und zu reagieren, bis er fast vollständig aufgebraucht ist, während die Schlacke, die zuvor träge war, zu einem aktiven Teilnehmer des Prozesses wird.

Die Forscher fanden heraus, dass diese Partnerschaft stark von den spezifischen Reaktionsbedingungen abhängt, wie etwa der Temperatur, der Menge des verwendeten Gases und der Menge des Wassers, mit dem der Abfall gemischt wird. Es gibt keine einzelne „perfekte“ Einstellung, die für jede Mischung funktioniert. Wenn zu wenig Wasser vorhanden ist, wird die Mischung zu dickflüssig, um gut durchmischt zu werden; wenn zu viel Wasser vorhanden ist, werden die Chemikalien zu stark verdünnt, um effektiv zu reagieren. Ähnlich verhält es sich damit, dass wärmeres Wasser die Reaktion zwar im Allgemeinen beschleunigt, es aber auch weniger löslich machen kann, was einen Zielkonflikt erzeugt. Die Rezension legt nahe, dass der beste Ansatz darin besteht, diese Faktoren für jede spezifische Art von Abfall sorgfältig abzuwägen, anstatt eine universelle Regel anzuwenden. Das Ziel ist es, die Reaktion schnell genug ablaufen zu lassen, um effizient zu sein, aber langsam genug, um das System nicht vorzeitig zu verstopfen.

Sobald der Karbonisierungsprozess abgeschlossen ist, kann das resultierende feste Material als Ersatz für Zement in Beton und Mörtel verwendet werden. Die Rezension analysiert, wie diese neuen Materialien performen, wenn sie in Baustoffe eingemischt werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der karbonatisierte Abfall primlich als Füllstoff und als Helfer für das Erhärten des Zements fungiert, anstatt ein starkes chemisches Bindemittel an sich zu sein. Wenn er in geringen Mengen verwendet wird, typischerweise etwa zehn bis zwanzig Prozent der Gesamtmischung, kann das Material tatsächlich die Frühfestigkeit des Betons verbessern. Dies geschieht, weil die winzigen, festen Partikel eine Oberfläche bieten, an der der Zement ansetzen kann, was den Erhärtungsprozess beschleunigt. Wenn jedoch zu viel des karbonatisierten Abfalls hinzugefügt wird, verdünnt er den aktiven Zement, und die Festigkeit des Endprodukts sinkt. Auch die Form und Größe der Partikel spielen eine Rolle; einige Formen des festen Gesteins helfen der Mischung, besser zu fließen, während andere sie steif und schwer bearbeitbar machen.

Trotz dieser vielversprechenden Ergebnisse für Festigkeit und Verarbeitbarkeit weist die Rezension auf eine signifikante Wissenslücke hinsichtlich der langfristigen Sicherheit dieser Materialien hin. Obwohl die neuen Feststoffe stabil und hart sind, wurden bisher noch keine Studien durchgeführt, die testen, wie sie sich unter extremen Bedingungen wie Salzwasser, saurem Regen oder dem Gefrieren und Auftauen im Winter behaupten. Es ist unbekannt, ob der mit diesen Materialien hergestellte Beton so lange halten wird wie herkömmlicher Beton oder ob er im Laufe der Zeit reißen oder degradieren könnte. Die Rezension kommt zu dem Schluss, dass die Methode, diese Abfälle zur Kohlenstoffbindung zu mischen, wissenschaftlich fundiert und mechanisch effektiv ist, aber nicht weit verbreitet angewendet werden kann, bis diese Fragen der Dauerhaftigkeit geklärt sind. Der Weg nach vorn erfordert mehr Forschung, um sicherzustellen, dass die Gebäude der Zukunft, die aus dem Abfall von heute gebaut werden, über Jahrzehnte hinweg sicher und stabil bleiben.