Fabrication d'un corps fritté de stockage de carbone par micro-ondes

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5122 (2023) Citer cet article

644 accès

Détails des métriques

Le frittage par micro-ondes d’échantillons de cendres volantes contenant de grandes quantités de carbone imbrûlé et de CaCO3 a été examiné dans cette étude. À cette fin, du CaCO3 a été mélangé à des cendres volantes frittées pour fixer le CO2. La décomposition du CaCO3 a été observée lorsque la matière première a été chauffée à 1 000 °C par irradiation par micro-ondes ; cependant, un corps fritté contenant de l'aragonite a été obtenu lorsque la matière première a été chauffée à 1 000 °C avec de l'eau ajoutée. De plus, les carbures présents dans les cendres volantes pourraient être chauffés de manière sélective en contrôlant l’irradiation par micro-ondes. Le champ magnétique micro-ondes a créé un gradient de température de 100 °C dans une région étroite de 2,7 µm ou moins dans le corps fritté, et a contribué à supprimer la décomposition du CaCO3 dans le mélange pendant le frittage. En stockant l'eau en phase gazeuse avant épandage, le CaCO3, difficile à fritter par chauffage conventionnel, peut être fritté sans se décomposer.

La décarbonisation suscite un intérêt considérable pour la réalisation d’une société durable. En novembre 2021, la 26e Conférence des parties à la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques s'est tenue au Royaume-Uni, au cours de laquelle les efforts ambitieux du Japon dans le domaine du changement climatique ont été diffusés1. Une transition rapide vers une société neutre en carbone d’ici 2050 est nécessaire non seulement au Japon mais aussi dans le monde entier. Parallèlement, une attention croissante est portée à l'utilisation efficace des déchets industriels, tels que les cendres volantes rejetées par les centrales électriques au charbon et les scories de béton. Les tentatives de captage et de fixation du CO2 dans le béton et les scories ont été couronnées de succès2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. La production de ciment produit environ 0,8 kg de CO2 par kg de ciment, ce qui représente environ 5 à 8 % des émissions mondiales de CO22. Plusieurs études sur la fixation du CO2 au béton se sont concentrées sur la carbonatation des déchets de coulis de béton (CSW). La recherche sur la carbonisation thermodynamique des déchets chimiques dans un environnement contrôlé a été rapportée dans la recherche fondamentale2,3,4, la recherche appliquée4,5, la théorie6 et la mise à l'échelle7, et elle suscite de plus en plus d'attention en tant que technologie de captage et de stockage du carbone capable d'isoler de manière permanente CO2. En outre, la carbonatation des scories a suscité un intérêt croissant en tant que technologie de stockage du CO2 dans le domaine de l'acier. Les scories sont un sous-produit de la production de fer. La production mondiale de scories de fer en 2021 était estimée entre 340 et 410 millions de tonnes8, et les recherches sur la précipitation du CaCO3 par conversion chimique à l'aide de composés alcalins ont attiré une attention considérable9,10,11. Ces études se caractérisent par la capacité à obtenir du CaCO3 de haute pureté sous forme de poudre. Cependant, il existe un besoin pour une technique permettant de transformer le CaCO3 en poudre obtenu en un matériau structurel permettant de fixer de manière permanente le CO2.

Nous nous concentrons sur le chauffage par micro-ondes en tant que technologie permettant de fritter des matériaux sans décomposer les poudres de CaCO3. De nombreux chercheurs ont étudié le chauffage par micro-ondes dans le domaine du frittage de céramiques car il permet un chauffage rapide des objets12,13,14,15. De plus, les recherches menées ces dernières années ont confirmé que les micro-ondes créent un gradient de température de plusieurs centaines de degrés dans une région étroite allant de 4,7 à 60 nm du mélange16,17,18. Ainsi, des matériaux autres que la poudre de CaCO3 peuvent être chauffés sélectivement en utilisant bien ces deux caractéristiques, et le mélange peut être fritté avant que le CaCO3 ne se décompose.

Notre objectif est de créer un corps fritté de cendres volantes contenant du CaCO3 en utilisant les caractéristiques du chauffage par micro-ondes. Les cendres volantes sont un sous-produit des centrales thermiques, qui en produisent environ 500 millions de tonnes par an19,20,21,22. Il est coûteux d’éliminer les cendres volantes car elles contiennent environ 10 à 20 % de carbone non brûlé20,23. Un effet de réduction de CO2 peut être obtenu si un corps fritté peut être formé avec du carbone piégé dans les cendres volantes. Ainsi, un double effet de stockage de carbone peut être réalisé si une méthode de chauffage qui ne brûle pas de manière significative la teneur en carbone des cendres volantes et ne décompose pas le CaCO3 est développée.