Material torna concreto e cimento mais ecológicos

Um processo inovador converte CO2 em materiais sólidos e duráveis que retêm carbono. Responsável por 8% das emissões globais de CO2, a indústria cimenteira é a quarta maior emissora de carbono do mundo, segundo o Fórum Econômico Mundial. Quando combinada com a produção de concreto, esse número é ainda maior.

Usando água do mar, eletricidade e dióxido de carbono (CO2 ), cientistas da Universidade Northwestern, acompanhados pelo WWI e coordenados por Alessandro F. Rotta Loria, desenvolveram um novo material de construção com emissão negativa de carbono. À medida que o clima continua a aquecer, pesquisadores em todo o mundo buscam maneiras de capturar CO₂ da atmosfera e armazená-lo no subsolo.

Embora esse método ofereça diversos benefícios climáticos, ele não aproveita totalmente o valor potencial do CO₂ atmosférico. A nova abordagem da Northwestern aborda esse problema retendo permanentemente o CO2 e convertendo-o em materiais úteis que podem ser usados na fabricação de concreto, cimento, gesso e tinta. O processo também produz gás hidrogênio, um combustível limpo com diversas aplicações, incluindo transporte.

“Desenvolvemos uma nova abordagem que nos permite usar a água do mar para criar materiais de construção com carbono negativo”, disse Alessandro Rotta Loria, da Northwestern, que liderou o estudo. “Cimento, concreto, tinta e reboco são normalmente compostos ou derivados de minerais à base de cálcio e magnésio, que frequentemente são obtidos de agregados — o que chamamos de areia. Atualmente, a areia é obtida por meio da mineração em montanhas, leitos de rios, costas e no fundo do oceano. Em colaboração com a Cemex, desenvolvemos uma abordagem alternativa para a obtenção de areia — não escavando a terra, mas aproveitando eletricidade e CO2 para cultivar materiais semelhantes à areia na água do mar.”

Ciência inspirada em conchas. O novo estudo baseia-se em trabalhos anteriores do laboratório de Rotta Loria para armazenar CO2 a longo prazo em concreto e eletrificar a água do mar para cimentar solos marinhos . Agora, ele aproveita os insights desses dois projetos injetando CO2 enquanto aplica eletricidade à água do mar no laboratório.

“Nosso grupo de pesquisa tenta aproveitar a eletricidade para inovar processos industriais e de construção”, disse Rotta Loria. “Também gostamos de usar água do mar porque é um recurso naturalmente abundante. Não é escassa como a água doce.”

Para gerar o material carbono-negativo, os pesquisadores começaram inserindo eletrodos na água do mar e aplicando uma corrente elétrica. A baixa corrente elétrica divide as moléculas de água em gás hidrogênio e íons hidróxido. Mantendo a corrente elétrica ligada, os pesquisadores borbulharam gás CO₂ na água do mar. Esse processo alterou a composição química da água, aumentando a concentração de íons bicarbonato.

Com metade do seu peso em dióxido de carbono, o material poderia substituir a areia no concreto e em outros materiais de construção, além de reter gases de efeito estufa.

Por fim, os íons hidróxido e bicarbonato reagiram com outros íons dissolvidos, como cálcio e magnésio, que ocorrem naturalmente na água do mar. A reação produziu minerais sólidos, incluindo carbonato de cálcio e hidróxido de magnésio. O carbonato de cálcio atua diretamente como um sumidouro de carbono, enquanto o hidróxido de magnésio sequestra carbono por meio de interações adicionais com o CO₂.

Rotta Loria compara o processo à técnica que corais e moluscos usam para formar suas conchas, que utiliza energia metabólica para converter íons dissolvidos em carbonato de cálcio. Mas, em vez de energia metabólica, os pesquisadores aplicaram energia elétrica para iniciar o processo e impulsionaram a mineralização com a injeção de CO₂.

Descobertas duplas. Por meio de experimentos, os pesquisadores fizeram duas descobertas significativas. Não apenas conseguiram transformar esses minerais em areia, como também alterar a composição desses materiais controlando fatores experimentais, incluindo a voltagem e a corrente elétrica, a vazão, o tempo e a duração da injeção de CO2, e a vazão, o tempo e a duração da recirculação da água do mar no reator.

“Mostramos que, ao gerar esses materiais, podemos controlar totalmente suas propriedades, como composição química, tamanho, forma e porosidade”, disse Rotta Loria. “Isso nos dá alguma flexibilidade para desenvolver materiais adequados a diferentes aplicações.” Esses materiais poderiam ser usados em concreto como substituto de areia e/ou cascalho — um ingrediente crucial que representa de 60 a 70% desse material de construção onipresente. Ou poderiam ser usados na fabricação de cimento, gesso e tinta — todos acabamentos essenciais no ambiente construído.

Dependendo da proporção de minerais, o material pode reter mais da metade de seu peso em CO₂. Com uma composição de metade carbonato de cálcio e metade hidróxido de magnésio, por exemplo, 1 tonelada métrica do material tem capacidade para armazenar mais de meia tonelada métrica de CO₂ . Rotta Loria também afirma que o material — se usado para substituir areia ou pó — não enfraqueceria a resistência do concreto ou do cimento.

Rotta Loria prevê que a indústria poderia aplicar a técnica em reatores modulares altamente escaláveis — não diretamente no oceano — para evitar perturbar os ecossistemas e a vida marinha. “Essa abordagem permitiria o controle total da química das fontes de água e dos efluentes hídricos, que seriam reinjetados em águas marinhas abertas somente após tratamento adequado e verificações ambientais”, disse ele.

A Rotta Loria prevê a recolocação de parte desse CO2 no concreto e no cimento para produzir materiais mais sustentáveis para construção e manufatura.

"Poderíamos criar uma circularidade onde sequestramos CO₂ diretamente na fonte”, disse Rotta Loria. “E, se as usinas de concreto e cimento estiverem localizadas em áreas costeiras, poderíamos usar o oceano bem próximo a elas para alimentar reatores dedicados, onde o CO₂ é transformado por meio de eletricidade limpa em materiais que podem ser usados para inúmeras aplicações na indústria da construção. Então, esses materiais se tornariam verdadeiros sumidouros de carbono.”

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