Kooldioxide (CO₂) is door de hoeveelheden waarmee de mens dat gas in de atmosfeer brengt een aanjager van de klimaatverandering, maar merkwaardig genoeg zou dat gas ook iets kunnen betekenen bij de bereiding van cement, momenteel een van de belangrijkste klimaatverpesters. Dat zou kunnen calciumsilicaathydraten (C-S-H) te carboneren, een proces dat carbonatie wordt genoemd (ook wel carbonatatie).  Probleem is echter dat dat proces vrij traag verloopt. Onderzoekers rond Takahiro Ohkubo van de universiteit van Chiba (Jap) denken nu aanknopingspunten gevonden te hebben voor een oplossing. Ik(=as) oet het nog zien gebeuren.
Opgelost in water vormt kooldioxide carbonaationen (CO₃^2-) die vormen met calciumionen (Ca²⁺) van calciumsilicaathydraat calciumcarbonaat. Ondanks uitgebreide onderzoeken met variërende parameters is kennelijk nog steeds niet duidelijk hoe dat (simpele) proces werkt vanwege, zo wordt gesteld, de onstabiele aard van cementpastaverbindingen.
Uit eerdere onderzoeken is gebleken dat carbonatie sterk wordt beïnvloed door relatieve vochtigheid, CO₂-oplosbaarheid, calcium/silicaat-verhouding en de concentratie en het verzadigingsniveau van water in C–S–H. Bovendien speelt ook de invloed van het ionen- en watertransport door de nanometergrote poriën in C–S–H- een belangrijke rol.
Ohkubo c.s. hebben het mechanisme van de carbonatiereactie onder verschillende Ca/Si-verhoudingen en vochtigheden bestudeerd. “De rol van watertransport en carbonatiegerelateerde structurele veranderingen blijft een open vraag. In dit onderzoek gebruikten we een nieuwe methode om deze factoren te bestuderen, met behulp van kernspinresonantie (NMR) en NMR-relaxometrie, dat een ideaal hulpmiddel is voor het bestuderen van watertransport in C–S–H”, zegt de universitair hoofddocent.

100% CO₂

Om het carbonatatieproces te bestuderen, synthetiseerden de onderzoekers C–S–H en stelden die bloot aan versnelde carbonatie met behulp van 100% CO₂. “Natuurlijke carbonatie in cementmaterialen vindt plaats gedurende meerdere decennia door atmosferische CO₂ te absorberen, waardoor het moeilijk is om het in een laboratoriumomgeving te bestuderen. Versnelde carbonatie bij verhoogde CO₂-concentraties bieden een praktische oplossing voor deze uitdaging”, stelt Ohkubo.
De monsters werden gesynthetiseerd bij wisselende reactieomstandigheden. Verder bestudeerden de onderzoekers de C–S–H-monsters met behulp van ²⁹Si NMR en de wateruitwisselingsprocessen met behulp van ¹H NMR-relaxometrie onder een deuteriumdioxide (D_{2O)^–atmosfeer (zwaar water; deuterium is een waterstofisotoop).}

De onderzoekers ontdekten dat de structurele veranderingen die werden veroorzaakt door de carbonatiereactie, waaronder de ineenstorting van de C–S–H-ketenstructuur en veranderingen in de poriegrootte, sterk werden beïnvloed door de Ca/Si-verhouding van de C–S–H-keten en en de relatieve vochtigheid. Bovendien resulteerden lagere relatieve vochtigheden en een hoge Ca/Si-verhouding in kleinere poriën, waardoor het uitlogen van Ca²⁺-ionen en water uit de tussenlaagruimte naar gelporiën werd onderdrukt, wat leidde tot inefficiëntere carbonatie. Ohkubo: “Ons onderzoek toont aan dat het carbonatieproces plaatsvindt door een combinatie van structurele modificaties en massaoverdracht, wat het belang aangeeft van het bestuderen van hun wisselwerking, in plaats van alleen structurele veranderingen.”

Ohkubo hoopt dat deze resultaten kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe bouwmaterialen die grote hoeveelheden atmosferische kooldioxide kunnen absorberen. Bovendien komen carbonatiereacties ook veel voor in organisch materiaal en dat deze aanpak ook zal helpen om de carbonatie van verbindingen in de natuurlijke omgeving te begrijpen.

Bron: Alpha Galileo