UJ: Cement z dodatkiem odpadowym skuteczniej zwiąże dwutlenek węgla

Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali sposób zwiększenia zdolności materiałów budowlanych do naturalnego wiązania dwutlenku węgla z atmosfery. Opracowana metoda wykorzystuje łatwo dostępny materiał, który jest… odpadem. Daje to możliwość obniżenia kosztów materiałów budowlanych, zwiększając szanse na szersze wykorzystanie nowego rozwiązania w praktyce przemysłowej.

W ocenie naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowane rozwiązanie ma potencjał do zastosowania w skali przemysłowej. Przede wszystkim dlatego, że do uzyskania efektu środowiskowego, o który zabiega branża budowlana, wystarczy wykorzystanie łatwo dostępnego materiału odpadowego, jakim jest popiół ze spalania osadów ściekowych pochodzących z oczyszczalni. W przyszłości może to stanowić prosty i efektywny sposób na ograniczenie śladu węglowego w budownictwie, przy racjonalnym zagospodarowaniu odpadów. Nowe rozwiązanie może też przyczynić się do obniżenia kosztów materiałowych, co dodatkowo zwiększa jego potencjał wdrożeniowy w sektorze budowlanym. Badania prowadzone były wspólnie przez prof. Monikę Kasinę oraz mgr. Adama Wierzbickiego.

Popiół z osadów ściekowych

Rozwiązanie polega na wykorzystaniu popiołu pochodzącego ze spalania osadów ściekowych – ISSA (z ang. Incinerated Sewage Sludge Ash), który jest sklasyfikowany jako odpad inny niż niebezpieczny. Trzeba podkreślić, że osady ściekowe muszą być utylizowane, podobnie jak popiół ISSA. W opracowanej na UJ metodzie mamy więc do czynienia z wykorzystaniem kłopotliwego materiału do pożytecznych celów. Zastosowanie ISSA pozwoli nie tylko ograniczyć jego ilość kierowaną na składowiska, ale też zmniejszyć zapotrzebowanie na czysty cement zużywany do produkcji materiałów. Rezultatem środowiskowym może być redukcja emisji CO₂ związanej z produkcją cementu. Dodatkową zaletą jest to, że ISSA powstaje przez cały rok w zbliżonych ilościach – jest więc stabilne źródło surowca potrzebnego do zastosowania opracowanej metody.

ISSA powstaje w wyniku spalania odsączonych osadów ściekowych w wysokich temperaturach (około 900 stopni Celsjusza) w specjalnych piecach fluidalnych. Jako materiał charakteryzuje się stabilnym i powtarzalnym składem mineralnym o stałych właściwościach, dzięki czemu może być bezpiecznie stosowany jako dodatek do materiałów budowlanych na bazie cementu. ISSA ma charakterystyczny, bogaty skład mineralny – zawiera m.in. fazy węglanowe, krzemianowe i fosforanowe bogate w wapń, które mogą sprzyjać procesowi naturalnej karbonatyzacji. 

Po dodaniu ISSA do cementu w odpowiedniej proporcji, cement wykazuje większą zdolność do wiązania dwutlenku węgla z powietrza w postaci dobrze wykrystalizowanych węglanów wapnia (CaCO₃). Węglany te wypełniają mikrostrukturę cementu, zmniejszając jego porowatość i przepuszczalność. Dodatek popiołu ISSA nie zaburza przebiegu procesu wiązania i twardnienia materiału, co potwierdzono w badaniach jego właściwości technologicznych. 

Korzyści dla środowiska i przemysłu dzięki zastosowaniu odpadu

– ISSA oferuje nowe możliwości w zakresie zwiększania intensywności naturalnej karbonatyzacji w materiałach na bazie cementu. W odpowiednio dobranych proporcjach wspiera on proces wiązania dwutlenku węgla z powietrza. To rozwiązanie w oczywisty sposób wpisuje się w ideę zielonej gospodarki i jednocześnie społeczną odpowiedzialność biznesu, ponieważ umożliwia racjonalne wykorzystanie odpadu przemysłowego w sposób korzystny zarówno dla środowiska, jak i dla przemysłu – wyjaśnia dr hab. Monika Kasina, prof. UJ. Jak dodaje, materiał na bazie cementu z dodatkiem ISSA zachowuje swoje właściwości użytkowe i parametry jakościowe, co potwierdzono już w przeprowadzonych na UJ badaniach. 

– Od roku współpracujemy z partnerem z rynku, który wytwarza i dostarcza beton. Wspólnie przeprowadziliśmy badania eksperymentalne i testy na zaprawach zawierających różne udziały dodatku ISSA, kontrolując wytrzymałość na ściskanie oraz inne parametry technologiczne. Po sześciu miesiącach prób wyniki pokazują, że wymagane parametry technologiczne są zachowane – mówi Adam Wierzbicki z UJ, współtwórca nowej metody wzbogacania cementu. 

Kluczowa dla wdrożenia technologii wydaje się jednak korzyść ekonomiczna. Poprzez fakt dodania popiołu do mieszanek na bazie cementu, do produkcji wyrobów trzeba zużyć proporcjonalnie mniej czystego cementu. Pozwala to nie tylko ograniczyć zużycie surowców pierwotnych (co przekłada się na zmniejszenie śladu węglowego), ale także na potencjalne obniżenie kosztów materiałowych, a to stanowi konkretną przewagę konkurencyjną – potencjalnie w postaci zwiększenia marży lub możliwości rywalizowania niższymi cenami produktów.

Mniej CO2 w atmosferze dzięki naturalnej karbonatyzacji
W przeprowadzonych badaniach wykazano, że materiały na bazie cementu z dodatkiem popiołu ISSA wykazują zwiększoną zdolność do wiązania dwutlenku węgla w porównaniu z materiałami bez tego dodatku. Z obliczeń wynika, że zawartość związanego CO₂ była średnio o około 24 kilogramy większa na każdą tonę materiału niż w próbkach referencyjnych bez dodatku popiołu. Jednocześnie analiza wykazała wzrost zawartości CaCO3 w warunkach laboratoryjnych o około 13–16% objętościowych po karbonatyzacji. Na to, w jakim tempie to przebiega, mają wpływ różne czynniki zewnętrzne. 

– Skuteczność karbonatyzacji zależy od czynników środowiskowych, przede wszystkim od dostępu powietrza, temperatury i wahań wilgotności. Najlepsze efekty obserwuje się w warunkach umiarkowanego, ciepłego klimatu, gdzie cykliczne zmiany wilgotności sprzyjają powstawaniu dobrze wykrystalizowanych, stabilnych węglanów wapnia. – dodaje prof. Monika Kasina. 

Z tego względu materiały na bazie cementu z dodatkiem ISSA najlepiej sprawdzą się w elementach mających kontakt z atmosferą, takich jak tynki, posadzki, schody czy elementy dekoracyjne. Ze względu na przyspieszoną karbonatyzację nie są one jednak przeznaczone do konstrukcji zbrojonych, gdzie zwiększona zawartość CO₂ mogłaby sprzyjać korozji stali

Czas na transfer technologii

Metoda opracowana na UJ została zgłoszona do ochrony patentowej. Centrum Transferu Technologii CITTRU UJ, które odpowiada za komercjalizację tej technologii, poszukuje partnerów z branży budowlanej, zainteresowanych współpracą przy dalszym rozwoju technologii.
 
– Metodę warto poddać jeszcze innym testom, które pozwolą dokładnie ocenić parametry jakościowe materiałów z domieszką ISSA po upływie dłuższych okresów. Zespół naukowy ma w planie takie eksperymenty prowadzić, natomiast chcielibyśmy je realizować wspólnie z partnerami branżowymi. Jedną z opcji jest udzielenie licencji lub nawet sprzedaż praw do tej technologii graczowi z branży budowlanej – mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektorka CITTRU UJ.

Więcej o poszukiwaniu zielonych innowacji

Jednym z elementów przeciwdziałania zmianom klimatycznym jest wdrażanie nowych rozwiązań w branży budowlanej. Na świecie prowadzone są intensywne prace badawcze nad technologiami, które pozwolą ograniczyć emisje dwutlenku węgla w produkcji materiałów. Prace realizowane na Uniwersytecie Jagiellońskim wpisują się w ten trend, oferując podejście, które łączy recykling odpadu, redukcję śladu węglowego oraz trwałość wyrobów na bazie cementu.

W tego rodzaju nowych technologiach ważne jest też to, by pozwalały produkować innowacyjny cement i beton przy relatywnie niskich kosztach. Dzięki temu rośnie szansa na to, że znajdą one powszechne zastosowane, ponieważ materiały będą konkurencyjne cenowo.