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

世界は膨大な量の産業廃棄物を生み出しており、それらはしばしば埋め立て地に積み上がり、スペースを占有し、時には土壌や水に有害な化学物質を漏出させています。同時に、化石燃料の燃焼やセメントの製造は、大量の二酸化炭素を大気中に放出し、気候変動を加速させています。科学者たちは、これら2つの問題を一つの解決策へと変える方法、すなわち二酸化炭素を捕らえて固形材料の中に閉じ込める方法を長年模索してきました。有望な手法の一つに「鉱物化」と呼ばれるプロセスがあります。これは、二酸化炭素ガスを産業廃棄物を含む水溶液の中に通すものです。ガスは廃棄物中のミネラルと反応して安定した固体の岩石を形成し、効果的に二酸化炭ドを永遠に閉じ込めます。このアプローチは、温室効果ガスの削減だけでなく、役に立たないゴミを、建設に利用できる可能性のある有用なものへと変貌させます。

この分野では、特に2種類の産業廃棄物が注目を集めています。一つ目は、アセチレンガスの製造過程で生じる副産物である炭化カルシウム残渣であり、これは二酸化炭素と容易に反応する化合物が豊富に含まれています。二つ目は、鉄鋼製造の際に残るガラス状の物質であるスラグです。どちらの材料も有望ではありますが、それぞれ単独で扱う場合には大きな欠点があります。カルシウムに富む廃棄物は反応が非常に速いため、自身が硬い炭酸塩の層で覆われてしまい、それがさらなる反応を妨げて未反応の材料を多く残してしまいます。一方、鉄鋼スラグは反応が非常に遅いため、ほとんど変化が見られません。研究者フォン・アラン・ズウムによる新しいレビューは、これら2つの廃棄物を組み合わせることで、どのようにして両方の問題を解決し、空気の浄化と新しい建築材料の創出に向けた実行可能な道へと、化学的な行き止まりを転換できるかを検証しています。

このレビューは、これら2つの廃棄物を混合した後に二酸化炭素を導入した場合に何が起こるのかを説明するために、最近の研究を統合しています。炭化カルシウム残渣を単独で処理すると、反応は速やかに始まりますが、突然停止します。二酸化炭素が水に溶け込み、廃棄物の粒子表面を攻撃して、固体の炭酸カルシウムの殻を作り出します。この殻は防護鎧のような役割を果たし、二酸化炭素が内部の新鮮な材料に到達するのを防ぎ、反応が完了する前に停止させてしまうのです。対照的に、鉄鋼スラグは複雑なガラス構造を持っており、ミネラルを固く保持しているため、二酸化炭素がそれらを引き出して新しい岩石を形成することが非常に困難です。その結果、いずれかの材料を単独で処理しても効率が悪く、潜在的な炭素貯留能力の多くが活用されないままになってしまいます。

しかし、研究者が炭化カルシウム残渣と鉄または鉄鋼スラグを混合すると、プロセス全体が変化します。レビューによれば、これら2つの材料は、阻止の問題を回避するように互いに作用します。カルシウムに富む廃棄物は速やかに溶解し、水中にカルシウムイオンを放出します。これらのイオンが直ちに二酸化炭素と衝突してカルシウム廃棄物自体に殻を形成するのではなく、水の中を移動してスラグ粒子の表面に到達します。そこで、それらは反応して固体の炭酸塩岩を形成します。この場所の変化が極めて重要です。固体の岩の形成場所をカルシウム廃棄物から遠ざけることで、スラグが安全な着地地点として機能し、カルシウム廃棄物が被覆されてブロックされるのを防ぎます。これにより、カルシウム廃棄物がほぼ使い果たされるまで溶解と反応を続けることができ、かつては動きの鈍かったスラグもプロセスにおける積極的な参加者となります。

研究者たちは、このパートナーシップが、温度、使用されるガスの量、廃棄物と混ぜる水の量といった、反応の特定の条件に大きく依存することを発見しました。あらゆる混合物に適合する単一の「完璧な」設定は存在しません。水が少なすぎると混合物が混ざりにくくなり、多すぎると化学物質が希釈されすぎて反応が効果的に進まなくなります。同様に、温かい水は一般的に反応を加速させますが、ガスの溶解度を下げることもあるため、トレードオフが生じます。レビューは、各廃棄物の種類に対してこれらの要因を慎重にバランスさせることが最善のアプローチであり、普遍的なルールを適用しようとすべきではないと示唆しています。目標は、反応を効率的に進めるのに十分な速さで動かしつつ、システムが時期尚早に詰まるのを避けるために十分に遅く保つことです。

炭酸化プロセスが完了すると、得られた固形材料はコンクリートやモルタルのセメントの代替品として使用できます。レビューでは、これらの新しい材料を建築製品に混合した際の性能を分析しています。調査結果によると、炭酸化された廃棄物は、それ自体で強力な化学的結合剤として機能するというよりも、主にセメントのフィラー（充填材）および硬化を助ける役割を果たします。通常、全混合物の10〜20パーセント程度の少量で使用する場合、その材料はコンクリートの初期強度を実際に向上させることができます。これは、微細な固形粒子がセメントの成長を開始するための表面を提供し、硬化プロセスを加速させるためです。しかし、炭酸化廃棄物の添加量が多すぎると、活性なセメントが希釈され、最終製品の強度が低下します。また、粒子の形状やサイズも重要です。ある種の固形岩は混合物の流動性を高める一方で、ある種は混合物を硬くし、扱いを困難にします。

強度と作業性に関するこれらの有望な結果にもかかわらず、レビューは、これらの材料の長期的な安全性に関する知識の重大な欠落を指摘しています。これらの新しい固形物は安定しており硬いものですが、塩水、酸性雨、あるいは冬の凍結融解といった過酷な条件に対してどのように耐えうるかをテストした研究はまだ存在しません。これらの材料で作られたコンクリートが従来のコンクリートと同じくらい長持ちするのか、あるいは時間の経過とともにひび割れたり劣化したりするのかは不明です。レビューは、これら2つの廃棄物を混合して炭素を捕捉する方法は科学的に妥当であり、機械的にも効果的であるが、これらの耐久性の問題が解決されるまで、建設業界で広く採用することはできないと結論付けています。今後の課題は、今日の廃棄物から作られる未来の建物が、数十年にわたって安全で強固であり続けることを保証するための、さらなる研究を必要としています。