Beton ve Çimentoyu Daha İklim Dostu Hâle Getirebilecek Yeni Bir Malzeme

Yenilikçi bir süreç, CO₂’i karbonu hapseden katı ve dayanıklı malzemelere dönüştürüyor. Northwestern Üniversitesi’ndeki bilim insanları, deniz suyu, elektrik ve karbondioksit (CO₂) kullanarak yeni bir karbon negatif yapı malzemesi geliştirdiler.

İklim ısınmaya devam ederken, dünya çapındaki araştırmacılar atmosferden CO₂ yakalayıp yer altında depolamanın yollarını arıyor. Bu yöntem çeşitli iklim avantajları sunsa da atmosferdeki CO₂’in potansiyel değerinden tam olarak yararlanamıyor.

Northwestern’in yeni yaklaşımı, CO₂’i kalıcı olarak hapsederek onu beton, çimento, alçı ve boya üretiminde kullanılabilecek faydalı malzemelere dönüştürerek bu sorunu çözüyor. Bu süreç aynı zamanda ulaşım da dâhil olmak üzere çeşitli uygulamalara sahip temiz bir yakıt olan hidrojen gazı da üretiyor.

Çalışmaya liderlik eden Northwestern’den Alessandro Rotta Loria, “Deniz suyunu kullanarak karbon negatif inşaat malzemeleri üretmemizi sağlayan yeni bir yaklaşım geliştirdik. Çimento, beton, boya ve alçılar genellikle kalsiyum ve magnezyum bazlı minerallerden oluşur veya bunlardan türetilir; bu mineraller genellikle agregalardan, yani kum gibi maddelerden elde edilir. Şu anda kum, dağlardan, nehir yataklarından, kıyılardan ve okyanus tabanından madencilik yoluyla elde ediliyor. Biz kum kaynağına alternatif bir yaklaşım geliştirdik ve toprağı kazarak değil, elektrik ve CO₂ kullanarak deniz suyunda kum benzeri malzemeler geliştiriyoruz.” dedi.

Deniz kabuğundan ilham alan bilim

Rotta Loria, Northwestern Üniversitesi McCormick Mühendislik Fakültesinde İnşaat ve Çevre Mühendisliği alanında Louis Berger Yardımcı Doçenti olarak görev yapmaktadır.

Yeni çalışma, Rotta Loria’nın laboratuvarında betonda uzun süreli CO₂ depolamak ve deniz suyunu elektriklendirerek deniz tabanını çimentolamak için kullanılan önceki çalışmalara dayanıyor. Şimdi, laboratuvarda deniz suyuna elektrik uygularken CO₂ enjekte ederek bu iki projeden edindiği bilgilerden yararlanıyor.

Rotta Loria, “Araştırma grubumuz, inşaat ve endüstriyel süreçleri yenilemek için elektrikten yararlanmaya çalışıyor ayrıca deniz suyunu kullanmayı seviyoruz çünkü doğal olarak bol bulunan bir kaynak. Tatlı su gibi kıt değil.” diyor.

Karbon negatif malzemeyi üretmek için araştırmacılar, deniz suyuna elektrotlar yerleştirip elektrik akımı uygulayarak başladılar. Düşük elektrik akımı, su moleküllerini hidrojen gazı ve hidroksit iyonlarına ayırabiliyor. Araştırmacılar, elektrik akımını açık tutarken deniz suyundan CO₂ gazı geçirdiler. Bu işlem, suyun kimyasal bileşimini değiştirerek bikarbonat iyonlarının konsantrasyonunu artırdı.

Son olarak, hidroksit iyonları ve bikarbonat iyonları, deniz suyunda doğal olarak bulunan kalsiyum ve magnezyum gibi diğer çözünmüş iyonlarla reaksiyona girdi. Bu reaksiyon, kalsiyum karbonat ve magnezyum hidroksit de dâhil olmak üzere katı mineraller üretti. Kalsiyum karbonat doğrudan bir karbon yutağı görevi görürken, magnezyum hidroksit, CO₂ ile daha fazla etkileşime girerek karbonu hapseder.

Rotta Loria, bu süreci, çözünmüş iyonları kalsiyum karbonata dönüştürmek için metabolik enerjiyi kullanan mercan ve yumuşakçaların kabuklarını oluşturmak için kullandıkları tekniğe benzetiyor. Araştırmacılar, süreci başlatmak için metabolik enerji yerine elektrik enerjisi kullanarak, CO₂ enjeksiyonuyla mineralizasyonu artırdılar.

Çifte Keşif

Araştırmacılar, deneyler yoluyla iki önemli keşifte bulundular. Mineralleri kuma dönüştürdüler, ancak aynı zamanda deneysel faktörleri kontrol ederek bu malzemelerin bileşimini de değiştirebildiler. Bunlar arasında elektrik voltajı ve akımı, CO₂ enjeksiyonunun akış hızı, zamanlaması, süresi ve reaktördeki deniz suyu devridaiminin akış hızı, zamanlaması ve süresi de vardı.

Koşullara bağlı olarak ortaya çıkan maddeler, daha pullu ve daha gözenekli veya daha yoğun ve daha serttir, ancak her zaman esas olarak kalsiyum karbonat ve/veya magnezyum hidroksitten oluşurlar. Araştırmacılar, malzemeleri bir elektrot etrafında veya doğrudan çözelti içinde büyütebilirler.

Rotta Loria, “Bu malzemeleri ürettiğimizde, kimyasal bileşim, boyut, şekil ve gözeneklilik gibi özelliklerini tamamen kontrol edebileceğimizi gösterdik. Bu bize farklı uygulamalara uygun malzemeler geliştirme konusunda biraz esneklik sağlıyor.” dedi.

Bu malzemeler, betonda kum ve/veya çakıl yerine kullanılabilir ve her yerde bulunan bu yapı malzemesinin %60-70’ini oluşturan önemli bir bileşendir. Bir diğer alan ise inşa edilmiş çevrede temel kaplama malzemeleri olan çimento, sıva ve boya üretiminde kullanılabilir.

Yapılarda karbon depolama

Mineral oranına bağlı olarak, malzeme ağırlığının yarısından fazlasını CO₂ olarak tutabilir. Örneğin, yarı kalsiyum karbonat ve yarı magnezyum hidroksitten oluşan bu malzemenin 1 tonu, yarım tondan fazla CO₂ depolama kapasitesine sahiptir. Rotta Loria, ayrıca malzemenin kum veya toz yerine kullanılması durumunda beton veya çimentonun mukavemetini zayıflatmayacağını da belirtiyor.

Rotta Loria, endüstrinin ekosistemleri ve deniz yaşamını rahatsız etmemek için bu tekniği doğrudan okyanusa değil, son derece ölçeklenebilir, modüler reaktörlerde uygulayabileceğini öngörüyor. “Bu yaklaşım, su kaynaklarının ve su atıklarının kimyasının tam kontrolünü sağlayacak ve bunlar yalnızca yeterli arıtma ve çevresel doğrulamalardan sonra açık deniz suyuna yeniden enjekte edilecek.” diyor.

Dünya Ekonomik Forumu’na göre, küresel CO₂ emisyonlarının %8’inden sorumlu olan çimento endüstrisi, dünyanın dördüncü en büyük karbon salıcısıdır. Beton üretimiyle birleştirildiğinde bu rakam daha da yükselmektedir. Rotta Loria, bu CO₂’in bir kısmını beton ve çimentoya geri vererek inşaat ve imalat için daha sürdürülebilir malzemeler üretmeyi öngörüyor.

Rotta Loria, “CO₂’i kaynağında hapsederek bir döngüsellik yaratabiliriz. Beton ve çimento fabrikaları kıyı şeritlerinde yer alırsa, hemen yanlarındaki okyanusu, CO₂’in temiz elektrikle inşaat sektöründe sayısız uygulamada kullanılabilecek malzemelere dönüştürüldüğü özel reaktörleri beslemek için kullanabiliriz. Böylece bu malzemeler gerçek anlamda karbon yutakları haline gelir.” dedi.

Kaynak: scitechdaily.com/scientists-develop-new-material-that-could-make-concrete-and-cement-more-climate-friendly/