Un nouveau matériau à teneur en carbone négative pourrait rendre le béton et le ciment plus durables

En utilisant de l’eau de mer, de l’électricité et du dioxyde de carbone (CO2), des scientifiques ont mis au point un nouveau matériau de construction neutre en carbone. Les chercheurs du monde entier explorent actuellement les moyens de capturer le CO2 de l’air et de le stocker en profondeur. Si cette approche présente de nombreux avantages pour le climat, elle ne permet pas de maximiser la valeur des énormes quantités de CO2 atmosphérique.

Aujourd’hui, la nouvelle stratégie de l’Université Northwestern relève ce défi en enfermant le CO2 de manière permanente et en le transformant en matériaux précieux, qui peuvent être utilisés pour fabriquer du béton, du ciment, du plâtre et de la peinture. Le processus de production des matériaux neutres en carbone libère également de l’hydrogène, un carburant propre aux applications diverses, notamment dans le domaine des transports.

« Nous avons mis au point une nouvelle approche qui nous permet d’utiliser l’eau de mer pour créer des matériaux de construction neutres en carbone », indique Alessandro Rotta Loria, de Northwestern, qui a dirigé l’étude. « Le ciment, le béton, la peinture et les enduits sont généralement composés ou dérivés de minéraux à base de calcium et de magnésium, qui proviennent souvent d’agrégats – ce que nous appelons le sable. Actuellement, le sable provient de l’exploitation minière des montagnes, du lit des rivières, des côtes et du fond des océans. En collaboration avec Cemex, nous avons mis au point une autre méthode d’approvisionnement en sable, non pas en creusant la terre, mais en exploitant l’électricité et le CO2 pour faire pousser des matériaux semblables au sable dans l’eau de mer. »

Exploiter l’eau de mer, une ressource naturellement abondante

La nouvelle étude s’appuie sur des travaux antérieurs du laboratoire de Rotta Loria visant à stocker le CO2 à long terme dans le béton et à électrifier l’eau de mer pour cimenter les sols marins. Aujourd’hui, il tire parti des connaissances acquises dans le cadre de ces deux projets en injectant du CO2 tout en électrifiant l’eau de mer en laboratoire.

« Notre groupe de recherche tente d’exploiter l’électricité pour innover en matière de construction et de processus industriels », précise M. Rotta Loria. « Nous aimons aussi utiliser l’eau de mer parce que c’est une ressource naturellement abondante. Elle n’est pas rare comme l’eau douce. »

Pour produire le matériau à carbone négatif, les chercheurs ont commencé par insérer des électrodes dans l’eau de mer et à appliquer un courant électrique. Le faible courant électrique a divisé les molécules d’eau en hydrogène gazeux et en ions hydroxyde. Tout en maintenant le courant électrique, les chercheurs ont fait barboter du CO2 dans l’eau de mer. Ce processus a modifié la composition chimique de l’eau, augmentant la concentration d’ions bicarbonate.

Enfin, les ions hydroxyde et les ions bicarbonate ont réagi avec d’autres ions dissous, tels que le calcium et le magnésium, naturellement présents dans l’eau de mer. La réaction a produit des minéraux solides, dont le carbonate de calcium et l’hydroxyde de magnésium. Le carbonate de calcium agit directement comme un puits de carbone, tandis que l’hydroxyde de magnésium séquestre le carbone en interagissant avec le CO2.

Rotta Loria compare ce processus à la technique utilisée par les coraux et les mollusques pour former leurs coquilles, qui exploite l’énergie métabolique pour convertir les ions dissous en carbonate de calcium. Mais au lieu de l’énergie métabolique, les chercheurs ont appliqué l’énergie électrique pour initier le processus et ont stimulé la minéralisation par l’injection de CO2.

« L’intérêt de cette approche réside dans l’attention portée à l’écosystème et dans l’utilisation de la science pour exploiter les éléments de l’environnement contemporain afin de développer des produits de valeur pour plusieurs industries et de préserver les ressources », a dit Davide Zampini, vice-président de la R&D mondiale chez Cemex.

Développer des matériaux pour différentes utilisations

Grâce à l’expérimentation, les chercheurs ont fait deux découvertes importantes. Non seulement ils ont pu transformer ces minéraux en sable, mais ils ont également pu modifier la composition de ces matériaux en contrôlant des facteurs expérimentaux, notamment la tension et le courant électrique, le débit, le moment et la durée de l’injection de CO2, ainsi que le débit, le moment et la durée de la recirculation de l’eau de mer dans le réacteur.

Selon les conditions, les substances obtenues sont plus floconneuses et plus poreuses ou plus denses et plus dures, mais toujours principalement composées de carbonate de calcium et/ou d’hydroxyde de magnésium. Les chercheurs peuvent cultiver les matériaux autour d’une électrode ou directement dans une solution.

« Nous avons montré que lorsque nous produisons ces matériaux, nous pouvons contrôler entièrement leurs propriétés, telles que la composition chimique, la taille, la forme et la porosité », a déclaré M. Rotta Loria. « Cela nous donne une certaine flexibilité pour développer des matériaux adaptés à différentes applications. »

Ces matériaux pourraient être utilisés dans le béton pour remplacer le sable et/ou le gravier – un ingrédient essentiel qui représente 60 à 70 % de ce matériau de construction omniprésent. Ils pourraient également être utilisés pour fabriquer du ciment, du plâtre et de la peinture, autant de finitions essentielles dans l’environnement bâti.

Stocker le carbone dans les structures

En fonction de la proportion de minéraux, le matériau peut contenir plus de la moitié de son poids en CO2. Avec une composition composée pour moitié de carbonate de calcium et pour moitié d’hydroxyde de magnésium, par exemple, une tonne métrique du matériau peut stocker plus d’une demi-tonne métrique de CO2. M. Rotta Loria affirme également que le matériau – s’il est utilisé pour remplacer le sable ou la poudre – n’affaiblirait pas la résistance du béton ou du ciment.

M. Rotta Loria envisage que l’industrie puisse appliquer cette technique dans des réacteurs modulaires hautement évolutifs – et non pas directement dans l’océan – afin d’éviter de perturber les écosystèmes et la vie marine.

« Cette approche permettrait un contrôle total de la chimie des sources d’eau et des effluents, qui ne seraient réinjectés dans l’eau de mer qu’après un traitement adéquat et des vérifications environnementales », a-t-il ajouté.

Responsable de 8 % des émissions mondiales de CO2, l’industrie du ciment est le quatrième émetteur de carbone au monde, selon le Forum économique mondial. Si l’on y ajoute la production de béton, ce chiffre est encore plus élevé. Rotta Loria envisage de réintégrer une partie de ce CO2 dans le béton et le ciment afin de créer des matériaux plus durables pour la construction et la fabrication.

« Nous pourrions créer une circularité en séquestrant le CO2 à la source », a conclu Mme Rotta Loria. « Et si les usines de béton et de ciment sont situées sur le littoral, nous pourrions utiliser l’océan juste à côté pour alimenter des réacteurs spécialisés où le CO2 est transformé, grâce à une électricité propre, en matériaux pouvant être utilisés pour une myriade d’applications dans l’industrie de la construction. Ces matériaux deviendraient alors de véritables puits de carbone ».

L’étude, publiée dans la revue Advanced Sustainable Systems, a été soutenue par Cemex et la McCormick School of Engineering de Northwestern.

Légende illustration : Les chercheurs ont créé des matériaux solides qui pourraient être utilisés dans le béton en remplacement du sable et/ou du gravier. Ils pourraient également être utilisés pour fabriquer du ciment, du plâtre et de la peinture, autant de finitions essentielles dans l’environnement bâti.

Rotta Loria est professeur associé Louis Berger en génie civil et environnemental à l’École d’ingénieurs McCormick de Northwestern. Jeffrey Lopez, professeur adjoint de génie chimique et biologique à McCormick, a été l’un des principaux coauteurs de l’étude.

Co-conseillés par Rotta Loria et Lopez, les autres contributeurs de Northwestern sont Nishu Devi, boursier postdoctoral et auteur principal, Xiaohui Gong et Daiki Shoji, étudiants en doctorat, et Amy Wagner, ancienne étudiante diplômée. L’étude a également bénéficié des contributions de représentants clés du département R&D mondial de Cemex, une entreprise mondiale de matériaux de construction qui se consacre à la construction durable. Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une collaboration plus large entre Northwestern et Cemex.

Traduction Enerzine.com