La route vers un avenir web zéro doit être pavée de béton furthermore vert, et les scientifiques de l’Université Rice savent remark le faire.
La production de ciment, un ingrédient du béton, représente approximativement 8 % des émissions mondiales annuelles de dioxyde de carbone, ce qui en fait une cible importante des objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Pour ces initiatives, le laboratoire Rice du chimiste James Tour a utilisé le chauffage flash Joule pour éliminer les métaux lourds toxiques des cendres volantes, un sous-produit pulvérulent des centrales électriques au charbon qui est fréquemment utilisé dans les mélanges de béton. L’utilisation de cendres volantes de charbon purifiées réduit la quantité de ciment nécessaire et améliore la qualité du béton.
Dans l’étude du laboratoire, le remplacement de 30 % du ciment utilisé pour fabriquer un good deal de béton par des cendres volantes de charbon purifié a amélioré la résistance et l’élasticité du béton de 51 % et 28 %, respectivement, tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre et de métaux lourds de 30 % et 41%, respectivement, selon l’article publié dans la revue Mother nature Communications Engineering.
“La réduction des émissions de la creation de ciment est très importante pour atténuer les émissions mondiales de gaz à effet de serre”, a déclaré l’auteur principal Bing Deng, associé de recherche postdoctoral au laboratoire Tour. “C’est la vue d’ensemble de cette étude.”
L’ingénieur rizicole Satish Nagarajaiaah a souligné que “la output de ciment est une resource importante d’émissions de dioxyde de carbone. La réduction de la teneur en ciment du béton contribuera à réduire les émissions”.
Cependant, les cendres volantes contiennent des métaux lourds”, a déclaré Tour. “Souvent, nous essayons de réparer une selected et nous gâchons autre chose. Dans notre effort pour faire quelque selected avec ces déchets, à savoir les cendres volantes de charbon, nous polluions notre environnement parce que les métaux lourds s’échappaient. L’eau l’a emporté dans notre environnement. et contaminé nos sols le extended des routes, etc.”
Approximativement 750 millions de tonnes de cendres volantes de charbon sont produites chaque année dans le monde. Les scientifiques du riz ont mis au point un procédé rapide et sans eau basé sur le chauffage flash Joule qui peut éliminer jusqu’à 90 % des métaux lourds qu’il contient, ce qui le rend additionally adapté à l’utilisation des infrastructures.
« Fondamentalement, nous mélangeons les cendres volantes avec du noir de carbone, motor vehicle les cendres volantes ne conduisent pas l’électricité, et le noir de carbone rend le mélange conducteur », a déclaré Deng. “Ensuite, nous plaçons le mélange entre deux électrodes en graphite ou en cuivre et utilisons un condensateur pour fournir une courte impulsion de courant à l’échantillon. Cette entrée de courant porte la température de l’échantillon à environ 3 000 degrés Celsius (5 432 Fahrenheit). La température élevée rend le les métaux lourds s’évaporent dans un flux volatil qui est ensuite capturé.
“En utilisant cette méthode, nous pouvons éliminer les métaux lourds des cendres volantes de charbon avec une très grande efficacité”, a-t-il poursuivi. “Pour différents métaux lourds comme l’arsenic, le cadmium, le cobalt, le nickel et le plomb, l’efficacité d’élimination atteint 70 à 90 % en une seconde seulement. Il s’agit d’un processus de décharge très rapide.”
Il a été démontré que le chauffage Flash Joule fonctionnait sur différentes compositions de cendres volantes de charbon résultant de la combustion de charbon extrait de divers emplacements géographiques.
“Il existe deux classes principales de cendres volantes avec différentes compositions inorganiques, la classe C et la classe F”, a déclaré Deng. “Nous avons constaté que notre méthode fonctionne pour les deux kinds de cendres volantes de charbon. Elle fonctionne également pour d’autres déchets dangereux comme la boue rouge ou les résidus de bauxite. Cela montre que le processus peut devenir une approche généralisée pour la décontamination des déchets solides industriels à grande échelle.”
« Les cendres volantes de charbon purifiées sont non seulement meilleures pour l’environnement, mais elles augmentent également la résistance et la qualité du béton », a déclaré Wei Meng, associé de recherche postdoctoral en génie civil et environnemental de Rice et co-auteur principal de l’étude. “Nous avons constaté qu’en remplaçant 30 % du ciment d’un mélange de béton par des cendres volantes de charbon purifiées, la résistance à la compression et le module d’élasticité du composite augmentaient considérablement.
“C’est très significant pour l’ingénierie structurelle et l’industrie de la building, vehicle des buildings additionally solides peuvent être construites avec moins de ciment”, a-t-il poursuivi. “C’est pourquoi cette recherche est précieuse pour les ingénieurs civils.”
Le processus du laboratoire Tour permet aux métaux lourds évaporés d’être collectés dans une chambre à vide plutôt que d’être rejetés dans l’environnement. De in addition, l’énergie consommée au cours du processus est relativement faible.
“Nous avons calculé que la consommation d’énergie est d’environ 532 kilowatts par tonne”, a déclaré Meng. “Si nous convertissons cela aux prix de l’électricité au Texas, cela revient à approximativement 21 bucks la tonne. L’analyse du cycle de vie montre que nous pouvons réellement extraire de la valeur de ces déchets.”
“C’est une grande victoire pour l’environnement”, a déclaré Tour. “Vous réduisez les émissions et vous ne lixiviez pas de métaux lourds dans le processus.”
Satish Nagarajaiaah, professeur Rice de génie civil et environnemental et de génie mécanique, et Tour, professeur de chimie TT et WF Chao et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie à la George R. Brown College of Engineering de Rice, sont co-auteurs du étude.
Les autres co-auteurs sont Paul Advincula, ancien élève de Rice, Weiyin Chen, Robert Carter et Gang Li Lucas Eddy, Kevin Wyss et Yi Cheng, étudiants diplômés, et Mine Ucak-Astarlioglu, chimiste du centre de recherche et de développement de l’ingénieur de l’armée américaine.
L’Air Pressure Business office of Scientific Analysis (FA9550-22-1-0526) et le US Military Corps of Engineers Engineer Study and Advancement Heart (W912HZ-21-2-0050) et la Shared Equipment Authority (SEA) de l’Université Rice ont soutenu la recherche.