Команда профессора Сун Сяохуэя из Китайского университета Шэньчжэня совместно с командой профессора H.J.H. Brouwers из Технологического университета Эйндховена (Нидерланды) опубликовала исследование в журнале «Cement and Concrete Composites». Ученые предложили инновационную технологию карбонизированного покрытия (CC), впервые разработав заполнитель с ядерно-оболочечной структурой CaCO₃@IBA, одновременно получая высокоценный осажденный карбонат кальция (PCC).

Ежегодный объем городских твердых бытовых отходов в мире достиг 2,01 миллиарда тонн, и ожидается, что к 2050 году он возрастет до 3,4 миллиарда тонн. Зола от сжигания отходов (IBA) составляет 80% от общего веса остатков сжигания, причем только в Европе ежегодно образуется до 20 миллионов тонн. Традиционное захоронение не только приводит к нерациональному использованию земельных ресурсов, но и упускает потенциал утилизации твердых отходов. Прямая замена природных заполнителей в строительных материалах сопряжена с риском выщелачивания загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы, хлорид-ионы и сульфаты. Существующие технологии карбонизации сталкиваются с такими проблемами, как низкая эффективность улавливания углерода, неполная иммобилизация загрязнителей и сложность контроля растворимых солей.

Исследовательская группа использовала высокозагрязненную мелкую золу с размером частиц менее 2 мм в качестве объекта исследования. С помощью реакции жидкофазной карбонизации на поверхности частиц золы in situ выращивалась оболочка CaCO₃, формируя ядерно-оболочечную структуру CaCO₃@IBA. Данная технология позволяет зафиксировать до 246,45 мг CO₂ на грамм IBA, эффективность иммобилизации Zn, Cu и хлорид-ионов достигает 90%, 49% и 30% соответственно. Используя модифицированную модель покрытия поверхности, исследователи выяснили кинетику реакции карбонизированного покрытия и механизм формирования ядерно-оболочечной структуры. С помощью тестов на выщелачивание и молекулярно-динамического моделирования был раскрыт тройной механизм синергетической иммобилизации загрязнителей: физическая инкапсуляция, осаждение карбонатов и соосаждение в кристаллической решетке.

Верификация прикладных свойств показала, что при использовании заполнителя CaCO₃@IBA в качестве заменителя природного песка с содержанием 30% прочность на сжатие раствора была более чем на 16% выше, чем при использовании необработанной золы. Выщелачивание загрязнителей из затвердевшего раствора соответствовало установленным нормативам для строительных материалов. При проектировании промышленного процесса с ежедневной переработкой 100 тонн золы от сжигания отходов можно одновременно улавливать CO₂ из дымовых газов мусоросжигательных заводов. Анализ затрат и выгод с помощью моделирования Монте-Карло показал, что средняя чистая прибыль за 10-летний период эксплуатации проекта составила 32,9 миллиона евро, а срок окупаемости инвестиций – всего 2,11 года. Результаты оценки жизненного цикла показали, что каждая тонна продукции позволяет снизить потенциал глобального потепления на 30,8 кг CO₂-эквивалента.