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

Ogni volta che un camion del calcestruzzo viene lavato dopo una giornata di lavoro, espelle una miscela di acqua, sabbia e cemento residuo. Questa miscela, nota come acqua di lavaggio del calcestruzzo, rappresenta un grosso problema per l'industria delle costruzioni. È altamente alcalina, il che significa che è chimicamente aggressiva, e se scaricata non trattata, può avvelenare fiumi e laghi. Per decenni, la pratica standard è stata quella di scaricare questa miscela tossica o di diluirla con acqua potabile fresca per renderla abbastanza sicura da riutilizzare in nuovo calcestruzzo. Ma la diluizione è uno spreco, e l'acqua spesso rovina comunque la qualità del nuovo calcestruzzo, rendendolo più debole o facendolo indurire troppo velocemente. Nel frattempo, il mondo sta cercando modi per catturare l'anidride carbonica, il gas che guida il cambiamento climatico, e per bloccarla in sicurezza. Il calcestruzzo, il materiale edilizio più usato sulla Terra, è già una delle principali fonti di emissioni di carbonio, ma possiede anche una capacità nascosta di assorbire il carbonio attraverso un processo chimico naturale chiamato carbonatazione.

Un team di ricercatori dell'Università Huaqiao in Cina ha collegato questi due problemi, proponendo un modo per trasformare l'acqua di scarto in uno strumento per pulire l'aria. Hanno sviluppato un metodo per far gorgogliare l'anidride carbonica direttamente nell'acqua di lavaggio sporca. Questo processo, che chiamano carbonatazione accelerata, costringe l'anidride carbonica a reagire con le particelle di cemento sospese nell'acqua. Il risultato è una trasformazione dello scarto: la miscela tossica e ad alto pH diventa un liquido neutralizzato pieno di minuscole, innocue particelle minerali. I ricercatori hanno poi testato se questa acqua trattata potesse essere utilizzata per mescolare nuova malta cementizia. Hanno scoperto che l'acqua faceva molto di più che pulire lo scarto; essa migliorava effettivamente il prodotto finale. La nuova malta era più resistente, si ritirava meno durante l'essiccazione e teneva insieme meglio rispetto alla malta realizzata con comune acqua di rubinetto, a condizione che l'acqua trattata venisse utilizzata nelle giuste proporzioni.

Per capire come ciò funzioni, bisogna osservare cosa accade all'interno del serbatoio. I ricercatori sono partiti da una versione simulata dell'acqua di lavaggio, creata mescolando cemento ordinario con acqua e lasciandolo riposare per tre ore. Hanno pompato questa miscela attraverso un'unità specializzata dove hanno iniettato gas di anidride carbonica. Mentre il gas si mescolava con il liquido, avveniva una reazione chimica. L'anidride carbonica si dissolveva nell'acqua e reagiva con i composti di calcio provenienti dal cemento. Questa reazione consumava le dannose componenti alcaline che rendevano l'acqua pericolosa per l'ambiente e abbassava significativamente il pH. Nei test di laboratorio, il pH è sceso da 12,38 a 6,49, sebbene i ricercatori abbiano osservato che, per il calcestruzzo sul campo, il processo verrebbe tipicamente interrotto a un pH di circa 8 per preservare la durabilità a lungo termine del materiale. Durante questo processo, l'anidride carbonica veniva efficacemente intrappolata, o sequestrata, all'interno dell'acqua come particelle minerali solide. I ricercatori hanno misurato questo fenomeno pesando il serbatoio; man mano che la reazione procedeva, l'acqua guadagnava massa perché aveva assorbito il pesante gas di anidride carbonica. Nei loro test più efficienti, il sistema assorbiva anidride carbonica a un ritmo di 18,6 grammi al minuto.

Le particelle solide create da questa reazione non erano uguali al cemento originale. Utilizzando microscopi potenti e scanner chimici, il team ha osservato che i grandi cristalli simili ad aghi del cemento originale erano scomparsi. Al loro posto c'erano innumerevoli particelle estremamente fini e rotonde di carbonato di calcio, un minerale simile al calcare o al gesso. Queste nuove particelle erano molto più piccole dei granuli di cemento originali, con una dimensione media che si riduceva da quasi 20 AU a soli 3 AU. Questo cambiamento di dimensione è cruciale. Quando i ricercatori hanno utilizzato questa acqua trattata per mescolare nuova malta, queste particelle minuscole hanno agito come un riempitivo ultrafine. Si sono inserite nei minuscoli spazi tra i granuli di cemento più grandi, compattando il materiale e rendendolo più denso. Questa densificazione è ciò che ha conferito alla nuova malta la sua migliore resistenza.

I test sulle prestazioni hanno rivelato una storia complaesa ma promettente. Quando i ricercatori hanno sostituito tutta l'acqua fresca in una miscela di malta con quest'acqua completamente trattata, la miscela è diventata più difficile da lavorare. Scorreva meno facilmente, il che è un problema per gli operai edili che hanno bisogno che il calcestruzzo sia abbastanza fluido da essere versato e steso. Tuttavia, il materiale indurito finale era significativamente migliore. La malta realizzata con l'acqua trattata si è ritirata il 52,9% in meno rispetto al gruppo di controllo realizzato con acqua di rubinetto, il che significa che è meno soggetta a crepe durante l'essiccazione. La sua capacità di resistere alle forze di compressione è aumentata del 13,0% dopo 28 giorni. I ricercatori hanno anche scoperto che l'acqua trattata ha cambiato il modo in cui il cemento indurisce. Ha fatto sì che la malta iniziasse ad indurire più velocemente all'inizio, ma impiegasse più tempo per raggiungere il suo stato finale di completa maturazione. Questo comportamento era diverso dall'uso di acqua di lavaggio non trattata, che faceva indurire il calcestruzzo troppo velocemente e spesso risultava in un prodotto finale più debole.

Per trovare il punto di equilibrio per l'uso nel mondo reale, il team ha testato diverse quantità di acqua trattata mescolata con acqua fresca. Hanno scoperto che se sostituivano più della metà dell'acqua fresca con la versione trattata, la miscela diventava troppo rigida e la resistenza finale scendeva al di sotto degli standard accettabili. Tuttavia, quando sostituivano fino al 50 percento dell'acqua fresca, la malta soddisfaceva tutti i requisiti di prestazione necessari. Essa scorreva abbastanza bene per la costruzione, si ritirava molto poco ed era più forte della miscela standard. Ciò suggerisce che un cantiere potrebbe riciclare metà del proprio fabbisogno idrico dal proprio flusso di scarti, catturando contemporaneamente l'anidride carbonica, senza compromettere la qualità del materiale edilizio.

I ricercatori hanno anche lavorato per perfezionare la macchina che effettua la carbonatazione. Hanno utilizzato un metodo statistico per testare come tre diversi parametri influenzassero la velocità con cui l'acqua assorbiva il gas: la quantità di cemento nell'acqua, la velocità del flusso di gas e la temperatura del sistema di raffreddamento. Hanno scoperto che il processo genera molto calore e che, se l'acqua diventa troppo calda, diventa più difficile per il gas sciogliersi. Bilanciando attentamente questi fattori, hanno ottimizzato il sistema per catturare l'anidride carbonica con un'efficienza superiore del 14,1% rispetto ai loro test iniziali. Le migliori condizioni prevedevano un rapporto specifico tra cemento e acqua, un alto flusso di gas e una temperatura molto fredda di 2,7 gradi Celsius.

Questo studio dimostra una via percorribile per l'industria del calcestruzzo, trasformando un prodotto di scarto pericoloso in una risorsa sia per il controllo dell'inquinamento che per l'accumulo di carbonio. Il processo non richiede sostanze chimiche esotiche o massicce nuove infrastrutture; si basa su una reazione chimica che può essere gestita con attrezzature standard. Sebbene il lavoro attuale si sia concentrato sulla malta, una versione più semplice del calcestruzzo, i ricercatori riconoscono che il passo successivo sarà testare questo metodo con calcestruzzo su larga scala che includa ghiaia e sabbia. Osservano inoltre che la durabilità a lungo termine degli edifici costruiti con questa acqua riciclata necessita di ulteriori indagini. Tuttavia, la scoperta fondamentale è chiara: facendo gorgogliare l'anidride carbonica attraverso l'acqua di lavaggio sporca, è possibile neutralizzare l'inquinamento, catturare il gas serra e creare un materiale edilizio più forte e durevole. L'acqua di scarto non è più solo un problema da smaltire; è diventata un contenitore per pulire l'aria e costruire un futuro migliore.