Fabricação de corpo sinterizado para armazenamento de carbono usando micro-ondas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5122 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A sinterização por microondas de amostras de cinzas volantes com grandes quantidades de carbono não queimado e CaCO3 foi examinada neste estudo. Para este fim, o CaCO3 foi misturado com o corpo sinterizado de cinzas volantes para fixar o CO2. A decomposição do CaCO3 foi observada quando a matéria-prima foi aquecida a 1000 °C por irradiação de micro-ondas; entretanto, um corpo sinterizado contendo aragonita foi obtido quando a matéria-prima foi aquecida a 1000 °C com adição de água. Além disso, os carbonetos nas cinzas volantes podem ser aquecidos seletivamente controlando a irradiação de microondas. O campo magnético de micro-ondas criou um gradiente de temperatura de 100 °C em uma região estreita de 2,7 μm ou menos no corpo sinterizado e ajudou a suprimir a decomposição de CaCO3 na mistura durante a sinterização. Ao armazenar água na fase gasosa antes da propagação, o CaCO3, que é difícil de sinterizar com aquecimento convencional, pode ser sinterizado sem se decompor.

A descarbonização está ganhando considerável interesse para a realização de uma sociedade sustentável. Em Novembro de 2021, realizou-se no Reino Unido a 26.ª Conferência das Partes na Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Alterações Climáticas, onde foram divulgados os esforços ambiciosos do Japão no domínio das alterações climáticas1. A rápida transição para uma sociedade neutra em carbono até 2050 é necessária não só no Japão, mas também em todo o mundo. Em conjunto, é dada cada vez mais atenção à utilização eficaz de resíduos industriais, tais como cinzas volantes descarregadas de centrais eléctricas a carvão e escórias de betão. As tentativas de capturar e fixar CO2 em concreto e escória têm sido bem-sucedidas2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. A produção de cimento produz aproximadamente 0,8 kg de CO2 por kg de cimento, o que equivale a aproximadamente 5–8% das emissões globais de CO22. Vários estudos sobre a fixação de CO2 no concreto concentraram-se na carbonatação de resíduos de lama de concreto (CSW). A pesquisa sobre a carbonização termodinâmica de CSW em um ambiente controlado tem sido relatada em pesquisa básica2,3,4, pesquisa aplicada4,5, teoria6 e aumento de escala7, e vem ganhando cada vez mais atenção como uma tecnologia de captura e armazenamento de carbono que pode isolar permanentemente CO2. Além disso, a carbonatação da escória ganhou interesse como tecnologia de armazenamento de CO2 na área siderúrgica. A escória é um subproduto da produção de ferro. A produção global de escória de ferro em 2021 foi estimada entre 340 e 410 milhões de toneladas8, e a pesquisa sobre a precipitação de CaCO3 por meio da conversão química destes usando compostos alcalinos atraiu atenção considerável9,10,11. Esses estudos são caracterizados pela capacidade de obter CaCO3 de alta pureza na forma de pó. No entanto, existe uma necessidade de uma técnica para transformar o CaCO3 em forma de pó obtido num material estrutural para fixar permanentemente o CO2.

Nós nos concentramos no aquecimento por microondas como uma tecnologia para sinterizar materiais sem decompor os pós de CaCO3. Muitos pesquisadores têm investigado o aquecimento por microondas na área de sinterização cerâmica porque permite o rápido aquecimento de objetos12,13,14,15. Além disso, pesquisas realizadas nos últimos anos confirmaram que as microondas criam um gradiente de temperatura de várias centenas de graus numa região estreita que varia de 4,7 a 60 nm da mistura16,17,18. Assim, outros materiais além do pó de CaCO3 podem ser aquecidos seletivamente empregando bem essas duas características, e a mistura pode ser sinterizada antes que o CaCO3 se decomponha.

Nosso objetivo é criar um corpo sinterizado de cinza volante que contenha CaCO3, utilizando as características do aquecimento por microondas. As cinzas volantes são um subproduto das usinas termelétricas, que produzem aproximadamente 500 milhões de toneladas anualmente19,20,21,22. É caro descartar as cinzas volantes porque elas contêm aproximadamente 10–20% de carbono não queimado20,23. Um efeito de redução de CO2 pode ser alcançado se um corpo sinterizado puder ser formado com carbono preso nas cinzas volantes. Assim, um efeito de armazenamento duplo de carbono pode ser realizado se for desenvolvido um método de aquecimento que não queime significativamente o conteúdo de carbono das cinzas volantes e decomponha o CaCO3.