A Mini Review of Direct Aqueous Carbonation of Calcium Carbide Residue and Ferrous Slag for Carbon Mineralization and Cementitious Applications
Cette mini-revue synthétise les avancées récentes de la carbonatation aqueuse directe des résidus de carbure de calcium (RCC) et du laitier ferreux, en soulignant comment leur combinaison surmonte les barrières de passivation et de cinétique individuelles pour permettre la séquestration du CO₂, tout en évaluant le potentiel des produits résultants en tant que matériaux cimentaires supplémentaires et en identifiant la vérification de la durabilité comme une priorité de recherche critique.
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Le monde produit de vastes quantités de déchets industriels qui finissent souvent par s'entasser dans des décharges, occupant de l'espace et laissant parfois fuir des substances chimiques nocives dans le sol et l'eau. Parallèlement, la combustion des combustibles fossiles et la production de ciment rejettent d'énormes quantités de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, alimentant le changement climatique. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un moyen de transformer ces deux problèmes en une seule solution : capturer le dioxyde de carbone et le verrouiller à l'intérieur de matériaux solides. Une méthode prometteuse implique un processus appelé minéralisation, où le dioxyde de carbone gazeux est injecté sous forme de bulles dans un mélange aqueux contenant des déchets industriels. Le gaz réagit avec les minéraux présents dans les déchets pour former des roches solides et stables, emprisonnant ainsi le carbone pour toujours. Cette approche non seulement réduit les gaz à effet de serre, mais transforme également des déchets inutiles en quelque chose de potentiellement utile pour la construction.
Deux types spécifiques de déchets industriels ont attiré une attention particulière dans ce domaine. Le premier est le résidu de carbure de calcium, un sous-produit de la fabrication du gaz acétylène, qui est riche en un composé réagissant facilement avec le dioxyde de carbone. Le second est le laitier, un matériau vitreux issu de la fabrication de l'acier et de la fonte. Bien que ces deux matériaux soient prometteurs, chacun présente un défaut majeur lorsqu'il est traité seul. Le déchet riche en calcium réagit si rapidement qu'il se recouvre d'une couche dure de carbonate solide, ce qui bloque la réaction ultérieure et laisse une grande partie du matériau non converti. Le laitier d'acier, quant à lui, réagit si lentement qu'il ne change presque pas. Une nouvelle revue du chercheur Fon Alain Zoum examine comment la combinaison de ces deux déchets pourrait résoudre ces deux problèmes, transformant une impasse chimique en une voie viable pour purifier l'air et créer de nouveaux matériaux de construction.
La revue synthétise des études récentes pour expliquer ce qui se passe lorsque ces deux déchets sont mélangés ensemble dans l'eau avant l'introduction du dioxyde de carbone. Lorsqu'un résidu de carbure de calcium est traité seul, la réaction commence rapidement mais s'arrête brusquement. Le dioxyde de carbone se dissout dans l'eau et attaque la surface des particules de déchets, créant une coque de carbonate de calcium solide. Cette coque agit comme une armure protectrice, empêchant le dioxyde de carbone d'atteindre le matériau frais à l'intérieur et stoppant la réaction avant qu'elle ne soit terminée. En revanche, le laitier d'acier possède une structure vitreuse complexe qui retient étroitement ses minéraux, rendant très difficile pour le dioxyde de carbone de les extraire pour former de nouvelles roches. Le résultat est que le traitement de l'un ou l'autre de ces matériaux pris isolément est inefficace, laissant une grande partie du potentiel de stockage de carbone inexploité.
Cependant, lorsque les chercheurs mélangent le résidu de carbure de calcium avec le laitier d'acier ou de fer, l'ensemble du processus change. La revue souligne que les deux matériaux travaillent ensemble de manière à contourner le problème de blocage. Le déchet riche en calcium se dissout rapidement, libérant des ions calcium dans l'eau. Au lieu que ces ions ne percutent immédiatement le dioxyde de carbone et ne forment une coque sur le calcium lui-même, ils voyagent à travers l'eau et se déposent sur la surface des particules de laitier. Là, ils réagissent pour former des roches de carbonate solides. Ce déplacement de localisation est crucial. En éloignant la formation de la roche solide du calcium, le laitier agit comme une zone de réception sécurisée, empêchant le calcium de se recouvrir et d'être bloqué. Cela permet au résidu de carbure de calcium de continuer à se dissoudre et à réagir jusqu'à ce qu'il soit presque entièrement utilisé, tandis que le laitier, qui était auparavant léthargique, devient un participant actif au processus.
Les chercheurs ont constaté que ce partenariat dépend fortement des conditions spécifiques de la réaction, telles que la température, la quantité de gaz utilisée et la quantité d'eau mélangée aux déchets. Il n'existe pas de réglage « parfait » unique qui fonctionne pour chaque mélange. Si l'eau est trop peu abondante, le mélange devient trop épais pour être bien mélangé ; s'il y a trop d'eau, les produits chimiques deviennent trop dilués pour réagir efficacement. De même, bien que l'eau plus chaude accélère généralement la réaction, elle peut aussi rendre le gaz moins soluble, créant ainsi un compromis. La revue suggère que la meilleure approche consiste à équilibrer soigneusement ces facteurs pour chaque type spécifique de déchet, plutôt que d'essayer d'appliquer une règle universelle. L'objectif est de maintenir la réaction suffisamment rapide pour être efficace, mais suffisamment lente pour éviter d'encombrer le système prématurément.
Une fois le processus de carbonatation terminé, le matériau solide résultant peut être utilisé comme substitut au ciment dans le béton et le mortier. La revue analyse les performances de ces nouveaux matériaux lorsqu'ils sont mélangés à des produits de construction. Les conclusions indiquent que le déchet carbonaté agit principalement comme une charge et un auxiliaire pour le durcissement du ciment, plutôt que comme un liant chimique fort en soi. Lorsqu'il est utilisé en petites quantités, typiquement environ dix à vingt pour cent du mélange total, le matériau peut en fait améliorer la résistance initiale du béton. Cela se produit parce que les minuscules particules solides fournissent une surface sur laquelle le ciment peut commencer à croître, accélérant ainsi le processus de durcissement. Cependant, si trop de déchet carbonaté est ajouté, il dilue le ciment actif, et la résistance du produit final chute. La forme et la taille des particules comptent également ; certaines formes de roche solide aident le mélange à mieux couler, tandis que d'autres le rendent rigide et difficile à travailler.
Malgré ces résultats prometteurs concernant la résistance et la maniabilité, la revue souligne une lacune importante dans nos connaissances concernant la sécurité à long terme de ces matériaux. Bien que les nouveaux solides soient stables et durs, aucune étude n'a encore testé leur résistance face à des conditions difficiles comme l'eau salée, la pluie acide ou les cycles de gel et dégel de l'hiver. On ignore si le béton fabriqué avec ces matériaux durera aussi longtemps que le béton traditionnel ou s'il pourrait se fissurer ou se dégrader avec le temps. La revue conclut que, bien que la méthode de mélange de ces déchets pour capturer le carbone soit scientifiquement fondée et mécaniquement efficace, elle ne peut être largement adoptée pour la construction tant que ces questions de durabilité ne seront pas tranchées. La voie à suivre nécessite davantage de recherche pour garantir que les bâtiments du futur, faits à partir des déchets d'aujourd'hui, resteront sûrs et solides pendant des décennies.
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