Учёные из Хэфэйского технологического университета предложили нестандартный подход: интегрировать способность улавливать углерод прямо в структуру цемента. В основе разработки — модифицированный биоуголь, получаемый из отходов кукурузной соломы. Этот пористый углеродный материал не просто поглощает CO₂, но и усиливает прочностные характеристики бетона.
Долгое время биоуголь рассматривали как однородный материал, однако исследования выявили его сложную внутреннюю структуру. Особое внимание привлекли осаждённые частицы (ОП), поведение которых меняется в зависимости от температуры, механических нагрузок и химических реакций. Учёным удалось выделить компонент SP, продемонстрировавший рекордную способность к адсорбции CO₂ — заметно выше, чем у необработанного биоугля.
Секрет эффективности кроется в комбинированной обработке: контролируемый пиролиз в сочетании с щелочной модификацией. В результате получается материал, который:
- активнее поглощает углекислый газ;
- ускоряет процесс карбонизации цемента;
- уплотняет микроструктуру бетона, повышая его долговечность.
Предварительные эксперименты показали, что насыщенный углеродом биоуголь стимулирует образование кальцита — минерала, формирующего основу прочности цементного камня.
Важность разработки подчёркивает доктор Раймонда Кубилюте, отмечая, что цементная промышленность остаётся одним из ключевых источников загрязнения. По её словам, внедрение альтернативных вяжущих веществ — необходимый шаг к сокращению использования клинкера, самого углеродоёмкого компонента в производстве цемента.
Для детального изучения свойств биоугля команда применила комплекс современных методов анализа:
- адсорбцию азота (метод БЭТ);
- ИК‑Фурье‑спектроскопию;
- рамановскую спектроскопию;
- рентгеноструктурный анализ;
- кинетическое моделирование адсорбции CO₂;
- калориметрию;
- механические испытания;
- сканирующую электронную микроскопию;
- термический анализ (TG–DTG).
Результаты подтвердили:
- Щелочная обработка снижает общую площадь поверхности биоугля, но оптимизирует структуру микропор, создавая более эффективные зоны для захвата CO₂.
- При низких температурах пиролиза усиливается концентрация –OH‑групп и сложноэфирных соединений, что повышает реакционную способность материала.
- Нагрев провоцирует структурные изменения, улучшающие взаимодействие углеродных участков с молекулами CO₂.
Наивысшую адсорбционную способность продемонстрировали образцы, обработанные щелочью при 500 °C (MBC500). Кинетическое моделирование подтвердило, что процесс соответствует модели Аврами: преобладает быстрая физическая адсорбция с элементами химического взаимодействия.
Механические испытания выявили тонкую грань: малые и средние дозы биоугля улучшают гидратацию, карбонизацию и прочность на сжатие. Однако избыточное количество добавки увеличивает пористость, ослабляя материал. Это подчёркивает необходимость точного дозирования для достижения оптимального баланса.
Помимо экологического эффекта, технология решает ещё одну проблему — утилизацию сельскохозяйственных отходов. Кукурузная солома, ранее отправлявшаяся на свалки или сжигавшаяся с использованием ископаемого топлива, теперь становится ценным сырьём.
Таким образом, модификация микроструктуры биоугля открывает путь к созданию низкоуглеродных строительных материалов. Этот подход не просто снижает выбросы CO₂ — он переосмысливает саму концепцию производства цемента, приближая индустрию к принципам циркулярной экономики.