生态高效水泥可以为更绿色的未来铺平道路

通往净零未来的道路必须用更环保的混凝土铺就，莱斯大学的科学家知道如何做到这一点。

作为混凝土成分的水泥生产约占全球每年二氧化碳排放量的 8%，使其成为温室气体减排目标的重要目标。为实现这些努力， 化学家James Tour的赖斯实验室 使用闪蒸焦耳加热 去除飞灰 中的有毒重金属，飞灰是燃煤发电厂的粉状副产品，经常用于混凝土混合物中。使用纯化的煤粉煤灰可减少所需的水泥量并提高混凝土的质量。

在实验室的研究中，用纯化的粉煤灰代替 30% 的水泥来制造一批混凝土，使混凝土的强度和弹性分别提高了 51% 和 28%，同时减少了 30% 和 30% 的温室气体和重金属排放。根据 发表在《自然》杂志《通信工程》上的论文，分别为 41% 。

“减少水泥生产的排放对于减轻全球温室气体排放非常重要，”主要作者、Tour 实验室的博士后研究员 Bing Deng 说。“这是这项研究的大局。”

水稻工程师Satish Nagarajaiah 指出，“水泥生产是二氧化碳排放的重要来源。减少混凝土中的水泥含量将有助于减少排放。”

“如果使用粉煤灰，就可以使用更少的混凝土。然而，飞灰中含有重金属，”图尔说。“通常，我们试图解决一件事，却把另一件事搞砸了。在我们努力处理这种废物(即煤飞灰)的过程中，我们正在污染我们的环境，因为重金属被滤出。水将其带入我们的环境，并污染了道路沿线的土壤等。”

全世界每年大约 产生7.5 亿吨煤飞灰。水稻科学家开发了一种基于闪蒸焦耳加热的快速无水工艺，可以去除其中高达 90% 的重金属，使其更适合基础设施使用。

“基本上，我们将粉煤灰与炭黑混合，因为粉煤灰不导电，而炭黑使混合物导电，”邓说。“接下来，我们将混合物放在两个石墨或铜电极之间，并使用电容器向 样品提供短电流脉冲。该电流输入使样品温度高达约 3,000 摄氏度(5,432 华氏度)。高温使重金属蒸发成挥发性流，然后被捕获。

“通过使用这种方法，我们可以非常高效地去除煤飞灰中的重金属，”他继续说道。“对于砷、镉、钴、镍、铅等不同的重金属，只需一秒，去除效率可达70%~90%。这是一个非常快速的放电过程。”

闪蒸焦耳加热被证明对从不同地理位置提取的煤燃烧产生的不同煤飞灰成分起作用。

“有两种主要的粉煤灰，具有不同的无机成分，C 类和 F 类，”邓说。“我们发现我们的方法适用于两种煤飞灰。它还适用于其他危险废物，如赤泥或铝土矿残渣。这表明该过程可以成为大规模工业固体废物净化的通用方法。”

“经过净化的粉煤灰不仅对环境有益，而且还提高了混凝土的强度和质量，”赖斯土木与环境工程博士后研究员兼该研究的共同主要作者Wei Meng说。“我们发现，通过用净化后的粉煤灰替代混凝土混合物中 30% 的水泥， 复合材料的抗压强度 和弹性模量显着增加。

“这对结构工程和建筑行业非常有意义，因为可以用更少的水泥建造更坚固的结构，”他继续说道。“这就是为什么这项研究对土木工程师很有价值。”

Tour 实验室的工艺允许将蒸发的重金属收集在真空室中，而不是释放到环境中。而且，该过程中消耗的能量相对较低。

“我们计算出每吨能源消耗约为 532 千瓦，”孟说。“如果我们将其转换为德克萨斯州的电价，它的价格约为每吨 21 美元。生命周期分析 表明，我们实际上可以从这些废料中提取价值。”

“这对环境来说是一场巨大的胜利，”图尔说。“你正在减少排放，而且你不会在这个过程中浸出重金属。”

Satish Nagarajaiah是莱斯大学土木与环境工程和机械工程教授，Tour 是 TT 和 WF Chao 化学教授，也是莱斯大学乔治·R·布朗工程学院的材料科学与纳米工程教授，是该论文的合著者学习。

其他合著者包括莱斯校友 Paul Advincula、Weiyin Chen、Robert Carter 和 Gang Li;研究生 Lucas Eddy、Kevin Wyss 和 Yi Cheng，以及陆军工程师研发中心化学家 Mine Ucak-Astarlioglu。

空军科学研究办公室 (FA9550-22-1-0526) 和陆军工程兵团工程师研发中心 (W912HZ-21-2-0050) 和莱斯大学共享设备管理局 (SEA) 支持研究。

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