استخدام مياه البحر والكهرباء وثاني أكسيد الكربون لجعل الخرسانة أكثر استدامة

باستخدام مياه البحر والكهرباء وثاني أكسيد الكربون (CO2 ) ، نجح علماء جامعة نورث وسترن في تطوير مادة بناء جديدة خالية من الكربون.

مع استمرار ارتفاع درجة حرارة مناخ الأرض، يستكشف الباحثون حول العالم سبلًا لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتخزينه في أعماق الأرض.

ورغم فوائده المناخية المتعددة، إلا أنه لا يُعظّم قيمة الكميات الهائلة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي .

الآن، تُعالج استراتيجية نورث وسترن الجديدة هذا التحدي باحتجاز ثاني أكسيد الكربون نهائيًا وتحويله إلى مواد قيّمة، تُستخدم في تصنيع الخرسانة والأسمنت والجص والطلاء.

كما تُطلق عملية إنتاج المواد السلبية للكربون غاز الهيدروجين، وهو وقود نظيف ذو استخدامات مُتعددة، منها النقل.

استخدام مياه البحر لإنشاء مواد بناء سلبية الكربون

نُشرت الدراسة، التي تحمل عنوان “الترسيب الكهربائي للمعادن التي تحبس الكربون في مياه البحر لإمكانات كهروكيميائية متغيرة وحقن ثاني أكسيد الكربون”، في مجلة Advanced Sustainable Systems.

وقال أليساندرو روتا لوريا من جامعة نورث وسترن، الذي قاد الدراسة: “لقد قمنا بتطوير نهج جديد يسمح لنا باستخدام مياه البحر لإنشاء مواد بناء سلبية الكربون”.

عادةً ما يتكون الأسمنت والخرسانة والطلاء والجص من معادن أساسها الكالسيوم والمغنيسيوم، أو تُشتق منها، والتي غالبًا ما تُستخرج من الركام – ما نُسميه الرمل.

حاليًا، يُستخرج الرمل من الجبال ومجاري الأنهار والسواحل وقاع المحيطات.

بالتعاون مع شركة سيمكس، ابتكرنا نهجًا بديلًا للحصول على الرمل – ليس عن طريق الحفر في باطن الأرض، بل عن طريق تسخير الكهرباء وثاني أكسيد الكربون لإنتاج مواد شبيهة بالرمل في مياه البحر.

لوريا هو أستاذ مساعد في الهندسة المدنية والبيئية من جامعة نورث وسترن، وهو منحة لويس بيرجر. جيفري لوبيز، أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في ماكورميك، كان مؤلفًا مشاركًا رئيسيًا في الدراسة.

استفادت الدراسة أيضًا من مساهمات ممثلين رئيسيين من قسم البحث والتطوير العالمي في شركة سيمكس، وهي شركة عالمية لمواد البناء متخصصة في البناء المستدام، ويُعد هذا العمل جزءًا من تعاون أوسع بين جامعة نورث وسترن وسيمكس.

علم مستوحى من الصدف

تعتمد الدراسة الجديدة على أعمال سابقة في مختبر لوريا لتخزين ثاني أكسيد الكربون على المدى الطويل في الخرسانة ، ولكهربة مياه البحر لتدعيم التربة البحرية.

والآن، يستفيد من نتائج هذين المشروعين بحقن ثاني أكسيد الكربون مع إمداد مياه البحر بالكهرباء في المختبر.

قال لوريا: “تسعى مجموعتنا البحثية إلى تسخير الكهرباء لتطوير عمليات البناء والصناعة، كما نفضل استخدام مياه البحر لأنها مورد طبيعي وفير، وليست نادرة كالمياه العذبة”.

لإنتاج المادة سالبة الكربون، بدأ الباحثون بإدخال أقطاب كهربائية في مياه البحر وتطبيق تيار كهربائي. قسّم التيار الكهربائي المنخفض جزيئات الماء إلى غاز الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد.

مع إبقاء التيار الكهربائي قيد التشغيل، قام الباحثون بضخ غاز ثاني أكسيد الكربون عبر مياه البحر.

غيّرت هذه العملية التركيب الكيميائي للماء، مما زاد من تركيز أيونات البيكربونات.

وأخيرًا، تفاعلت أيونات الهيدروكسيد والبيكربونات مع أيونات ذائبة أخرى، مثل الكالسيوم والمغنيسيوم، والموجودة طبيعيًا في مياه البحر.

نتج عن هذا التفاعل معادن صلبة، منها كربونات الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم.

يعمل كربونات الكالسيوم مباشرةً كمصرف للكربون، بينما يحتجز هيدروكسيد المغنيسيوم الكربون من خلال تفاعلات أخرى مع ثاني أكسيد الكربون .

يُشبّه لوريا هذه العملية بالتقنية التي تستخدمها المرجانيات والرخويات لتشكيل أصدافها، والتي تستغل الطاقة الأيضية لتحويل الأيونات المذابة إلى كربونات الكالسيوم.

ولكن، بدلاً من الطاقة الأيضية، استخدم الباحثون الطاقة الكهربائية لبدء العملية، وعززوا التمعدن بحقن ثاني أكسيد الكربون .

الاكتشافات المزدوجة

من خلال التجارب، توصل الباحثون إلى اكتشافين مهمين، لم يقتصر الأمر على قدرتهم على تحويل هذه المعادن إلى رمال، بل تمكنوا أيضًا من تغيير تركيبها من خلال التحكم في عوامل تجريبية، بما في ذلك جهد وتيار الكهرباء، ومعدل تدفق وتوقيت ومدة حقن ثاني أكسيد الكربون، ومعدل تدفق وتوقيت ومدة إعادة تدوير مياه البحر في المفاعل.

تبعًا للظروف، تكون المواد الناتجة أكثر قشريةً ومساميةً أو أكثر كثافةً وصلابةً، ولكنها تتكون دائمًا بشكل أساسي من كربونات الكالسيوم و/أو هيدروكسيد المغنيسيوم.

يمكن للباحثين زراعة هذه المواد حول قطب كهربائي أو مباشرةً في محلول.

قال لوريا: “أظهرنا أنه عند إنتاج هذه المواد، يُمكننا التحكم الكامل في خصائصها، مثل التركيب الكيميائي والحجم والشكل والمسامية، وهذا يمنحنا مرونةً لتطوير مواد مناسبة لتطبيقات مختلفة”.

يمكن استخدام هذه المواد في الخرسانة كبديل للرمل و/أو الحصى، وهو مكون أساسي يُشكل ما بين 60% و70% من مواد البناء الشائعة الاستخدام، أو يمكن استخدامها في تصنيع الأسمنت والجص والطلاء، وهي جميعها تشطيبات أساسية في البيئة المبنية.

تخزين الكربون في الهياكل

اعتمادًا على نسبة المعادن، يمكن للمادة أن تحتفظ بأكثر من نصف وزنها من ثاني أكسيد الكربون، على سبيل المثال، بفضل تركيبتها المكونة من نصف كربونات الكالسيوم ونصف هيدروكسيد المغنيسيوم، فإن طنًا واحدًا من المادة لديه القدرة على تخزين أكثر من نصف طن من ثاني أكسيد الكربون.

كما يقول لوريا إن المادة – إذا استُخدمت بدلًا من الرمل أو المسحوق – لن تُضعف قوة الخرسانة أو الأسمنت.

ويتصور لوريا، أن الصناعة قد تتمكن من تطبيق هذه التقنية في مفاعلات قابلة للتطوير بدرجة كبيرة، وليس مباشرة في المحيط، لتجنب إزعاج النظم البيئية والحياة البحرية.

وأضاف أن “هذا النهج من شأنه أن يتيح السيطرة الكاملة على كيمياء مصادر المياه ومياه الصرف، والتي لن يتم إعادة حقنها في مياه البحر المفتوحة إلا بعد المعالجة المناسبة والتحقق البيئي”.

تُعدّ صناعة الأسمنت، المسؤولة عن 8% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، رابع أكبر مُصدر للكربون في العالم، وفقًا للمنتدى الاقتصادي العالمي. وعند إضافة إنتاج الخرسانة، يرتفع هذا الرقم إلى أعلى.

ويتوقع لوريا إعادة بعض ثاني أكسيد الكربون إلى الخرسانة والأسمنت لإنتاج مواد أكثر استدامة للبناء والتصني، قائلا “يمكننا أن ننشئ دائرة حيث نقوم بحجز ثاني أكسيد الكربون مباشرة عند المصدر”.

وإذا وُضعت مصانع الخرسانة والأسمنت على الشواطئ، يُمكننا استخدام المحيط المجاور لها لتغذية مفاعلات مُخصصة، حيث يُحوّل ثاني أكسيد الكربون عبر الكهرباء النظيفة إلى مواد يُمكن استخدامها في تطبيقات لا تُحصى في قطاع البناء، حينها، ستصبح هذه المواد بمثابة أحواض كربون حقيقية.

استخدام مياه البحر والكهرباء وثاني أكسيد الكربون لجعل الخرسانة أكثر استدامة

حقن ثاني أكسيد الكربون مع إمداد مياه البحر بالكهرباء في المختبر

باستخدام مياه البحر والكهرباء وثاني أكسيد الكربون (CO2 ) ، نجح علماء جامعة نورث وسترن في تطوير مادة بناء جديدة خالية من الكربون.

مع استمرار ارتفاع درجة حرارة مناخ الأرض، يستكشف الباحثون حول العالم سبلًا لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتخزينه في أعماق الأرض.

ورغم فوائده المناخية المتعددة، إلا أنه لا يُعظّم قيمة الكميات الهائلة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي .

الآن، تُعالج استراتيجية نورث وسترن الجديدة هذا التحدي باحتجاز ثاني أكسيد الكربون نهائيًا وتحويله إلى مواد قيّمة، تُستخدم في تصنيع الخرسانة والأسمنت والجص والطلاء.

كما تُطلق عملية إنتاج المواد السلبية للكربون غاز الهيدروجين، وهو وقود نظيف ذو استخدامات مُتعددة، منها النقل.

استخدام مياه البحر لإنشاء مواد بناء سلبية الكربون

نُشرت الدراسة، التي تحمل عنوان “الترسيب الكهربائي للمعادن التي تحبس الكربون في مياه البحر لإمكانات كهروكيميائية متغيرة وحقن ثاني أكسيد الكربون”، في مجلة Advanced Sustainable Systems.

وقال أليساندرو روتا لوريا من جامعة نورث وسترن، الذي قاد الدراسة: “لقد قمنا بتطوير نهج جديد يسمح لنا باستخدام مياه البحر لإنشاء مواد بناء سلبية الكربون”.

عادةً ما يتكون الأسمنت والخرسانة والطلاء والجص من معادن أساسها الكالسيوم والمغنيسيوم، أو تُشتق منها، والتي غالبًا ما تُستخرج من الركام – ما نُسميه الرمل.

حاليًا، يُستخرج الرمل من الجبال ومجاري الأنهار والسواحل وقاع المحيطات.

بالتعاون مع شركة سيمكس، ابتكرنا نهجًا بديلًا للحصول على الرمل – ليس عن طريق الحفر في باطن الأرض، بل عن طريق تسخير الكهرباء وثاني أكسيد الكربون لإنتاج مواد شبيهة بالرمل في مياه البحر.

لوريا هو أستاذ مساعد في الهندسة المدنية والبيئية من جامعة نورث وسترن، وهو منحة لويس بيرجر. جيفري لوبيز، أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في ماكورميك، كان مؤلفًا مشاركًا رئيسيًا في الدراسة.

استفادت الدراسة أيضًا من مساهمات ممثلين رئيسيين من قسم البحث والتطوير العالمي في شركة سيمكس، وهي شركة عالمية لمواد البناء متخصصة في البناء المستدام، ويُعد هذا العمل جزءًا من تعاون أوسع بين جامعة نورث وسترن وسيمكس.

علم مستوحى من الصدف

تعتمد الدراسة الجديدة على أعمال سابقة في مختبر لوريا لتخزين ثاني أكسيد الكربون على المدى الطويل في الخرسانة ، ولكهربة مياه البحر لتدعيم التربة البحرية.

والآن، يستفيد من نتائج هذين المشروعين بحقن ثاني أكسيد الكربون مع إمداد مياه البحر بالكهرباء في المختبر.

قال لوريا: “تسعى مجموعتنا البحثية إلى تسخير الكهرباء لتطوير عمليات البناء والصناعة، كما نفضل استخدام مياه البحر لأنها مورد طبيعي وفير، وليست نادرة كالمياه العذبة”.

لإنتاج المادة سالبة الكربون، بدأ الباحثون بإدخال أقطاب كهربائية في مياه البحر وتطبيق تيار كهربائي. قسّم التيار الكهربائي المنخفض جزيئات الماء إلى غاز الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد.

مع إبقاء التيار الكهربائي قيد التشغيل، قام الباحثون بضخ غاز ثاني أكسيد الكربون عبر مياه البحر.

غيّرت هذه العملية التركيب الكيميائي للماء، مما زاد من تركيز أيونات البيكربونات.

وأخيرًا، تفاعلت أيونات الهيدروكسيد والبيكربونات مع أيونات ذائبة أخرى، مثل الكالسيوم والمغنيسيوم، والموجودة طبيعيًا في مياه البحر.

نتج عن هذا التفاعل معادن صلبة، منها كربونات الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم.

يعمل كربونات الكالسيوم مباشرةً كمصرف للكربون، بينما يحتجز هيدروكسيد المغنيسيوم الكربون من خلال تفاعلات أخرى مع ثاني أكسيد الكربون .

يُشبّه لوريا هذه العملية بالتقنية التي تستخدمها المرجانيات والرخويات لتشكيل أصدافها، والتي تستغل الطاقة الأيضية لتحويل الأيونات المذابة إلى كربونات الكالسيوم.

ولكن، بدلاً من الطاقة الأيضية، استخدم الباحثون الطاقة الكهربائية لبدء العملية، وعززوا التمعدن بحقن ثاني أكسيد الكربون .

الاكتشافات المزدوجة

من خلال التجارب، توصل الباحثون إلى اكتشافين مهمين، لم يقتصر الأمر على قدرتهم على تحويل هذه المعادن إلى رمال، بل تمكنوا أيضًا من تغيير تركيبها من خلال التحكم في عوامل تجريبية، بما في ذلك جهد وتيار الكهرباء، ومعدل تدفق وتوقيت ومدة حقن ثاني أكسيد الكربون، ومعدل تدفق وتوقيت ومدة إعادة تدوير مياه البحر في المفاعل.

تبعًا للظروف، تكون المواد الناتجة أكثر قشريةً ومساميةً أو أكثر كثافةً وصلابةً، ولكنها تتكون دائمًا بشكل أساسي من كربونات الكالسيوم و/أو هيدروكسيد المغنيسيوم.

يمكن للباحثين زراعة هذه المواد حول قطب كهربائي أو مباشرةً في محلول.

قال لوريا: “أظهرنا أنه عند إنتاج هذه المواد، يُمكننا التحكم الكامل في خصائصها، مثل التركيب الكيميائي والحجم والشكل والمسامية، وهذا يمنحنا مرونةً لتطوير مواد مناسبة لتطبيقات مختلفة”.

يمكن استخدام هذه المواد في الخرسانة كبديل للرمل و/أو الحصى، وهو مكون أساسي يُشكل ما بين 60% و70% من مواد البناء الشائعة الاستخدام، أو يمكن استخدامها في تصنيع الأسمنت والجص والطلاء، وهي جميعها تشطيبات أساسية في البيئة المبنية.

تخزين الكربون في الهياكل

اعتمادًا على نسبة المعادن، يمكن للمادة أن تحتفظ بأكثر من نصف وزنها من ثاني أكسيد الكربون، على سبيل المثال، بفضل تركيبتها المكونة من نصف كربونات الكالسيوم ونصف هيدروكسيد المغنيسيوم، فإن طنًا واحدًا من المادة لديه القدرة على تخزين أكثر من نصف طن من ثاني أكسيد الكربون.

كما يقول لوريا إن المادة – إذا استُخدمت بدلًا من الرمل أو المسحوق – لن تُضعف قوة الخرسانة أو الأسمنت.

ويتصور لوريا، أن الصناعة قد تتمكن من تطبيق هذه التقنية في مفاعلات قابلة للتطوير بدرجة كبيرة، وليس مباشرة في المحيط، لتجنب إزعاج النظم البيئية والحياة البحرية.

وأضاف أن “هذا النهج من شأنه أن يتيح السيطرة الكاملة على كيمياء مصادر المياه ومياه الصرف، والتي لن يتم إعادة حقنها في مياه البحر المفتوحة إلا بعد المعالجة المناسبة والتحقق البيئي”.

تُعدّ صناعة الأسمنت، المسؤولة عن 8% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، رابع أكبر مُصدر للكربون في العالم، وفقًا للمنتدى الاقتصادي العالمي. وعند إضافة إنتاج الخرسانة، يرتفع هذا الرقم إلى أعلى.

ويتوقع لوريا إعادة بعض ثاني أكسيد الكربون إلى الخرسانة والأسمنت لإنتاج مواد أكثر استدامة للبناء والتصني، قائلا “يمكننا أن ننشئ دائرة حيث نقوم بحجز ثاني أكسيد الكربون مباشرة عند المصدر”.

وإذا وُضعت مصانع الخرسانة والأسمنت على الشواطئ، يُمكننا استخدام المحيط المجاور لها لتغذية مفاعلات مُخصصة، حيث يُحوّل ثاني أكسيد الكربون عبر الكهرباء النظيفة إلى مواد يُمكن استخدامها في تطبيقات لا تُحصى في قطاع البناء، حينها، ستصبح هذه المواد بمثابة أحواض كربون حقيقية.