研究人员开发负碳混凝土 减少人为二氧化碳排放

除去水，混凝土可能是人类使用最多的物质。但这是有代价的：水泥是一种把混凝土粘合在一起的胶浆。要制造水泥，需要将石灰石和其他材料放入窑炉内进行高温烧制，这导致了全球近8%的碳排放。航空业的排放量为2.5%，由此也受到了大量抨击，敦促该行业减少碳足迹。与此同时，水泥行业一直处于人们的关注之下。

今年1月，新泽西州成为美国第一个通过商业税收抵免促进低碳混凝土使用的州，这是人们对混凝土碳问题的认识日益提高的一个迹象。

与此同时，研究人员也在尽自己的一份力量来减少混凝土的碳足迹。华盛顿州立大学的工程师最近报告说，他们创造了一种能吸收比排放更多二氧化碳的混凝土。

他们用生物炭代替了三分之一的水泥，制成了负碳混凝土，生物炭是一种由农业和林业废物制成的木炭。WSU土木与环境工程教授Xiangming Shi表示：“有了这一点，我们应该能够帮助实现建成环境的碳中和。”Shi和他的研究生Zhipeng Li在《材料快报》杂志上：（https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167577X23005530）报道了他们的做法。

水泥在混凝土中所占比例不到15%，其余的是水和砾石或碎石的混合物。但制造混凝土所需的高温化学反应造成了混凝土不成比例的高碳足迹。Shi说：“生产每吨水泥大约会释放0.9吨二氧化碳。”

研究人员正试图通过处理混凝土生产过程的每一步来减少这种足迹。一些人通过提高水泥生产过程的能源效率或使用可再生能源来削减水泥生产的能源使用。其他人已经用建筑和工业废料、矿渣和粉煤灰部分取代了混凝土中的水泥。一些团队正在用捕获的二氧化碳排放物制造混凝土，而另一些团队则在混凝土中添加藻类、细菌和血液酶等生物材料，使其从空气中吸收二氧化碳。“每一块拼图都在进行中，”Shi说，“但即便如此，你也只能将混凝土的碳足迹减少70%到80%，而不是100%。”

Shi和Li通过用工程生物炭交换30%的水泥来制造负碳混凝土。如今，生物炭是通过在低氧环境中高温加热木屑、稻壳或水处理污泥等废料制成的。其他人以前曾尝试用生物炭代替水泥，但即使是5%的生物炭也会大大降低混凝土的强度和耐久性。

为了解决这个问题，两人首先用混凝土生产过程中产生的废水处理生物炭。含钙的碱性废水渗入多孔生物炭中，与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙。这种碳酸钙可以增强生物炭的强度，帮助它更好地与水泥结合，从而形成坚固的混凝土。

由于多种因素，生物炭水泥混合物会导致负碳混凝土。首先，生物炭是一个碳汇，其重量的23%吸收了空气中的二氧化碳。接下来，通过用生物炭部分取代水泥，“你正在用减碳材料取代碳密集型材料，”Shi说。最后，他补充道，“生物炭是由“生物质制成的，否则这些生物质将被填埋，释放二氧化碳或甲烷，这是一种比二氧化碳更强的温室气体。”

一家名为CarbiRete的初创公司也在开发负碳混凝土。该公司在混凝土混合物中使用炼钢产生的矿渣，并使用从工业工厂捕获的二氧化碳来固化混凝土，而不是水泥。一个缺点是混凝土必须预制，不能在现场浇筑和凝固。

Shi的团队正专注于使用工程生物炭来减少混凝土排放。虽然目前的论文报道了负碳混凝土，但他的团队也在努力减少水泥本身的排放，使其成为负碳混凝土。

生物炭是一种人类已经知道几个世纪的材料。它作为一种改善土壤健康的土壤改良剂，最近在农民和园丁中很受欢迎，它还可以吸收空气和有机物中的碳。Shi说，在水泥中使用它对封存碳更有意义。“当你把它放在土壤中时，比如说一百年后，碳会以二氧化碳或甲烷的形式回到大气中，所以它不会永远留在那里。但在混凝土中，碳会永远被锁住。”

Shi说，他的研究引起了混凝土行业的兴趣，他现在正计划分拆开发负碳混凝土。