Биоцементация и микробные карбонаты

Портландцемент делают кальцинированием известняка — CaCO3 переходит в CaO с выделением CO2 при температурах клинкера около 1 450 °C, — и CO2 поступает едва ли не поровну из породы и из топлива, поэтому на цемент приходится примерно 8 процентов мировых выбросов. Микробиоиндуцированное карбонатное осаждение (MICP) предлагает пропустить кальцинацию целиком: связать песок карбонатом кальция, осаждённым при комнатной температуре.

Химия, которая связывает без нагрева

Уреолитические бактерии вроде Sporosarcina pasteurii несут уреазу — фермент, гидролизующий мочевину: CO(NH2)2 + 2 H2O → 2 NH4+ + CO3²−. В растворе с кальцием карбонат быстро выходит за пределы растворимости кальцита и осаждается в виде CaCO3 — преимущественно на самих клетках, чьи отрицательно заряженные стенки служат центрами нуклеации. Песчинки, между которыми сидят клетки и реагенты, обзаводятся кристаллическими мостиками в точках контакта; достаточно мостиков — и песок становится камнем. Механизм действительно низкотемпературный: ни один минерал не кальцинируется и процессного CO2 не возникает. Связующее выращивается, а не обжигается.

Чей углерод несёт камень

Вот вопрос честного учёта. Карбонат в мочевинном MICP приходит из молекулы мочевины, а промышленную мочевину делают соединением аммиака с CO2 — на практике концентрированным процессным CO2, часто уловленным на аммиачных производствах. Мочевинный MICP поэтому не изымает углерод из воздуха: он берёт CO2, уже находящийся в плену, одалживает его химии удобрений и запасает снова уже в минерале. Против портландского базиса это ценно — каждая тонна камня, выращенного без клинкера, избегает и топливных, и кальцинационных выбросов, — но это предотвращённые выбросы, а не удаление. Заявку на удаление могут нести лишь маршруты, где карбонат образуется из атмосферного или биогенного CO2 — например, ускоренная карбонация заполнителя уловленным CO2, — и даже тогда лишь пока камень стоит.

Что ограничивает масштаб

Мостики CaCO3 растут в точках контакта зёрен, поэтому прочность покупают дозой связующего — циклами растворов мочевины и кальция, пока контакты не заполнятся, — и именно в дозе маршрут платит. Каждый моль гидролизованной мочевины отдаёт два моля аммония, уходящих с рабочей жидкостью и требующих обработки или утилизации, а соль кальция — сама по себе промышленный сырьевой вход. Практические следствия: прочности и сроки твердения MICP (дни) подходят плиткам, тротуарным элементам, стабилизации грунтов и самозалечиванию — инкапсулированные споры прорастают в трещинной воде и осаждают кальцит, запечатывая трещину, — а не несущим каркасам. Доставка реагентов равномерно в глубину песчаной массы упирается в проницаемость, а выращивание стерильной бактериальной культуры кубометрами — или, взамен, поставка достаточного количества стойкого фермента — само по себе цепочка поставок. Предельная величина — доза связующего: моли CaCO3 на единицу объёма, нужные для прочности, потому что за каждым тянется его аммонийный отход и его кальциевая цепочка поставок.