Produzione di corpi sinterizzati per lo stoccaggio del carbonio tramite microonde

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5122 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio è stata esaminata la sinterizzazione a microonde di campioni di ceneri volanti con grandi quantità di carbonio incombusto e CaCO3. A tal fine, CaCO3 è stato miscelato con un corpo sinterizzato di cenere volante per fissare la CO2. La decomposizione del CaCO3 è stata osservata quando la materia prima è stata riscaldata a 1000 °C mediante irradiazione con microonde; tuttavia, un impasto sinterizzato contenente aragonite è stato ottenuto riscaldando la materia prima a 1000°C con aggiunta di acqua. Inoltre, i carburi nelle ceneri volanti potrebbero essere riscaldati selettivamente controllando l'irradiazione delle microonde. Il campo magnetico a microonde ha creato un gradiente di temperatura di 100 °C in una regione ristretta di 2,7 μm o meno nel corpo sinterizzato e ha contribuito a sopprimere la decomposizione del CaCO3 nella miscela durante la sinterizzazione. Conservando l'acqua nella fase gassosa prima della diffusione, il CaCO3, che è difficile da sinterizzare utilizzando il riscaldamento convenzionale, può essere sinterizzato senza decomporsi.

La decarbonizzazione sta guadagnando notevole interesse per la realizzazione di una società sostenibile. Nel novembre 2021 si è tenuta nel Regno Unito la 26a Conferenza delle parti della Convenzione quadro delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici, durante la quale sono stati divulgati gli ambiziosi sforzi del Giappone nel campo dei cambiamenti climatici1. La rapida transizione verso una società a zero emissioni di carbonio entro il 2050 è necessaria non solo in Giappone ma anche in tutto il mondo. Parallelamente, una crescente attenzione è dedicata all’utilizzo efficace dei rifiuti industriali, come le ceneri volanti scaricate dalle centrali elettriche a carbone e le scorie di cemento. I tentativi di catturare e fissare la CO2 nel calcestruzzo e nelle scorie hanno avuto successo2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. La produzione di cemento produce circa 0,8 kg di CO2 per kg di cemento, pari a circa il 5–8% delle emissioni globali di CO22. Diversi studi sulla fissazione della CO2 nel calcestruzzo si sono concentrati sulla carbonatazione dei rifiuti di impasto cementizio (CSW). La ricerca sulla carbonizzazione termodinamica dei CSW in un ambiente controllato è stata riportata nella ricerca di base2,3,4, nella ricerca applicata4,5, nella teoria6 e nello scale-up7, e sta guadagnando crescente attenzione come tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio in grado di isolare permanentemente CO2. Inoltre, la carbonatazione delle scorie ha guadagnato interesse come tecnologia di stoccaggio della CO2 nel settore siderurgico. Le scorie sono un sottoprodotto della produzione del ferro. Si stima che la produzione globale di scorie di ferro nel 2021 sia compresa tra 340 e 410 milioni di tonnellate8 e la ricerca sulla precipitazione di CaCO3 mediante conversione chimica utilizzando composti alcalini ha attirato notevole attenzione9,10,11. Questi studi sono caratterizzati dalla capacità di ottenere CaCO3 di elevata purezza sotto forma di polvere. Tuttavia, è necessaria una tecnica per trasformare il CaCO3 sotto forma di polvere ottenuto in un materiale strutturale per fissare permanentemente la CO2.

Ci concentriamo sul riscaldamento a microonde come tecnologia per sinterizzare i materiali senza decomporre le polveri di CaCO3. Molti ricercatori hanno studiato il riscaldamento a microonde nel campo della sinterizzazione della ceramica perché consente il rapido riscaldamento degli oggetti12,13,14,15. Inoltre, ricerche degli ultimi anni hanno confermato che le microonde creano un gradiente di temperatura di diverse centinaia di gradi in una regione ristretta compresa tra 4,7 e 60 nm della miscela16,17,18. Pertanto, materiali diversi dalla polvere di CaCO3 possono essere riscaldati selettivamente sfruttando bene queste due caratteristiche e la miscela può essere sinterizzata prima che CaCO3 si decomponga.

Il nostro obiettivo è creare un corpo sinterizzato per ceneri volanti che contenga CaCO3 utilizzando le caratteristiche del riscaldamento a microonde. Le ceneri volanti sono un sottoprodotto delle centrali termoelettriche, che ne producono circa 500 milioni di tonnellate all'anno19,20,21,22. È costoso smaltire le ceneri volanti perché contengono circa il 10–20% di carbonio incombusto20,23. Un effetto di riduzione della CO2 può essere ottenuto se si può formare un corpo sinterizzato con il carbonio intrappolato nelle ceneri volanti. Pertanto, è possibile realizzare un doppio effetto di stoccaggio del carbonio se viene sviluppato un metodo di riscaldamento che non brucia in modo significativo il contenuto di carbonio delle ceneri volanti e non decompone il CaCO3.