Optimierter Flash-Prozess zur Graphen-Herstellung könnte Kohlenstoff-Emissionen reduzieren
Wissenschaftler der Rice University haben ein Verfahren optimiert, um Abfälle aus Gummireifen in Graphen umzuwandeln, das wiederum zur Verstärkung von Beton verwendet werden kann. Die Vorteile für die Umwelt durch die Zugabe von Graphen zu Beton liegen auf der Hand und sind erheblich.
Dies könnte der Punkt sein, an dem im Rennen gegen den Klimawandel Gummi gegeben wird. "Beton ist das meistproduzierte Material der Welt, und allein seine Herstellung verursacht bis zu 9 % der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen", so der Chemiker James Tour. "Wenn wir weniger Beton in unseren Straßen, Gebäuden und Brücken verwenden können, können wir einen Teil der Emissionen von vornherein eliminieren."
Recycelte Reifenabfälle werden bereits als Bestandteil von Portlandzement verwendet, aber es ist erwiesen, dass Graphen zementartige Materialien, darunter Beton, auf molekularer Ebene verstärkt.
Während der Großteil der 800 Millionen Reifen, die jährlich weggeworfen werden, als Brennstoff verbrannt oder für andere Anwendungen zerkleinert wird, landen 16 % davon auf der Mülldeponie.
"Wenn wir auch nur einen Bruchteil davon als Graphen zurückgewinnen, werden Millionen von Reifen nicht auf Mülldeponien landen", sagte Tour.
Der "Flash"-Prozess, den Tour und seine Kollegen im Jahr 2020 eingeführt haben, wird zur Umwandlung von Lebensmittelabfällen, Plastik und anderen Kohlenstoffquellen verwendet, indem sie einem Stromstoß ausgesetzt werden, der alles außer den Kohlenstoffatomen aus der Probe entfernt.
Diese Atome setzen sich wieder zu wertvollem turbostratischem Graphen zusammen, dessen falsch ausgerichtete Schichten löslicher sind als Graphen, das durch Exfoliation aus Graphit hergestellt wird. Das macht es einfacher, es in Verbundwerkstoffen zu verwenden.
Die Umwandlung von Gummi in Graphen erwies sich als schwieriger als bei Lebensmitteln oder Kunststoffen, aber das Labor optimierte den Prozess, indem es kommerziellen pyrolysierten Abfallgummi aus Reifen verwendete. Nachdem nützliche Öle aus Altreifen extrahiert wurden, hatte dieser Kohlenstoffrückstand bis jetzt fast keinen Wert, so Tour.
Aus Reifen gewonnener Ruß oder eine Mischung aus geschredderten Gummireifen und kommerziellem Ruß kann zu Graphen geblitzt werden. Da turbostratisches Graphen löslich ist, kann es leicht zu Zement hinzugefügt werden, um umweltfreundlicheren Beton herzustellen.
Die von Tour und Rouzbeh Shahsavari von C-Crete Technologies geleitete Forschung wird in der Zeitschrift Carbon detailliert beschrieben.
Das Rice-Labor hat aus Reifen gewonnenen Ruß geflasht und festgestellt, dass sich etwa 70 % des Materials in Graphen umwandelt. Beim Flashen von geschredderten Gummireifen, die mit einfachem Ruß gemischt wurden, um die Leitfähigkeit zu erhöhen, wandelten sich etwa 47% in Graphen um. Elemente außer Kohlenstoff wurden für andere Verwendungszwecke ausgeschleust.
Die elektrischen Pulse dauerten zwischen 300 Millisekunden und 1 Sekunde. Das Labor berechnete, dass die für den Umwandlungsprozess verwendete Elektrizität etwa 100 Dollar pro Tonne Ausgangskohlenstoff kosten würde.
Die Forscher mischten winzige Mengen von aus Reifen gewonnenem Graphen - 0,1 Gewichtsprozent (Gew.-%) für Reifenruß und 0,05 Gew.-% für Ruß und geschredderte Reifen - mit Portlandzement und verwendeten es zur Herstellung von Betonzylindern. Nach einer Aushärtungszeit von sieben Tagen zeigten die Zylinder eine Steigerung der Druckfestigkeit von 30 % oder mehr. Nach 28 Tagen genügten 0,1 Gew.-% Graphen, um bei beiden Produkten einen Festigkeitszuwachs von mindestens 30 % zu erzielen.
"Dieser Festigkeitszuwachs ist zum Teil auf einen Seeding-Effekt von 2D-Graphen für ein besseres Wachstum der Zementhydratprodukte und zum Teil auf einen Verstärkungseffekt in späteren Stadien zurückzuführen", sagte Shahsavari.
Der Rice-Absolvent Paul Advincula ist Hauptautor der Arbeit. Co-Autoren sind der Rice-Postdoktorand Duy Luong und der Doktorand Weiyin Chen sowie Shivaranjan Raghuraman von C-Crete. Tour ist der T.T. und W.F. Chao-Lehrstuhl für Chemie sowie Professor für Informatik und für Materialwissenschaft und Nanoengineering an der Rice University.
Das Air Force Office of Scientific Research und das National Energy Technology Laboratory des Energieministeriums unterstützten die Forschung.
Originalveröffentlichung: Carbon
Advincula et al. (2021) – Flash graphene from rubber waste
Quelle: Rice University – Tires turned into graphene that makes stronger concrete