Biocementace může proměnit odpadní beton v nový kompozit a vázat uhlík

Tříletý projekt podpořený Grantovou agenturou České republiky prokázal, že mikrobiálně indukované srážení uhličitanu vápenatého (MICP) umožňuje spojit problematické podsítné frakce recyklovaného betonu do soudržného materiálu a současně vázat uhlík v pevné fázi. Mezioborový tým ČVUT a VŠCHT dosáhl tuhosti odpovídající přibližně pětině tuhosti autoklávovaného pórobetonu. Vedle tradičně využívaných ureolytických bakterií vědci ověřili také ekologicky příznivější procesy založené na fakultativně anaerobních kmenech, při nichž nevzniká amoniak.

Podsítné frakce betonu jsou velkou výzvou

Cementářský průmysl postupně snižuje své emise, přesto stále významně přispívá ke globálním emisím oxidu uhličitého. Zatímco hrubé frakce recyklovaného betonu nacházejí uplatnění poměrně snadno, jeho nejjemnější podsítné frakce představují obtížně využitelný odpadní materiál. Ambicí vědců z Českého vysokého učení technického v Praze a Vysoké školy chemicko-technologické v Praze bylo prokázat, že tyto jemné částice lze spojit a přeměnit v materiál s potenciální užitnou hodnotou. Současně výzkum otevřel možnost vázání uhlíku v pevné fázi.

Vědci využili mikrobiálně indukované srážení uhličitanu vápenatého, při němž mikroorganismy za specifických podmínek vytvářejí krystaly uhličitanu vápenatého (CaCO₃). Ty propojují jemné částice recyklovaného betonu a podílejí se na vzniku pevného kompozitního vzorku.

Z vědeckého hlediska šlo o dosud málo prozkoumanou oblast. Podle řešitelů nebylo v dostupné odborné literatuře popsáno využití MICP přímo ke spojování nejjemnějších částic odpadního betonu. Dosavadní poznatky z oblasti biocementace však naznačovaly, že by tato metoda mohla propojit cirkulární využívání stavebních materiálů s biotechnologickými postupy.

VŠCHT vybírala bakterie, ČVUT hodnotilo vlastnosti

Náplní tříletého výzkumného projektu byla komplexní agenda rozdělená do několika vzájemně provázaných oblastí. Na Fakultě potravinářské a biochemické technologie VŠCHT v Praze pod vedením Hany Stiborové probíhal výběr vhodných bakteriálních kmenů, optimalizace kultivačních podmínek a sledování vlivu různých metabolických drah na tvorbu CaCO₃ v suspenzích podsítných frakcí recyklovaného betonu.

Na Fakultě stavební ČVUT v Praze pod vedením hlavního řešitele projektu Václava Nežerky probíhala mikrostrukturální a mechanická charakterizace vzniklých konglomerátů – od elektronové mikroskopie a fázové analýzy přes nanoindentaci až po makroskopické tlakové a lomové zkoušky a následné mikromechanické modelování. Oba týmy si průběžně předávaly vzorky, data i jejich interpretace, takže biologické experimenty byly bezprostředně propojeny s materiálovým hodnocením.

Spolupráce mezi oběma univerzitami byla zásadní pro komplexní pochopení zkoumaných procesů. Mikrobiologové z VŠCHT přinesli zkušenosti s kultivací bakterií, identifikací kmenů a hodnocením například ureasové a karbonátanhydrasové aktivity. Materiáloví inženýři a odborníci na mikroskopii z Fakulty stavební ČVUT se zaměřili na vztah mezi ději probíhajícími v mikrostruktuře a mechanickými vlastnostmi připravených vzorků.

Materiál pro experimenty dodaly společnosti ENVISAN-GEM, a. s., a MORAVOSTAV družstvo. Díky tomu bylo možné testovat navržené postupy na skutečném odpadním materiálu, nikoli pouze na laboratorních modelových směsích.

Od ureolytických bakterií k procesům bez vzniku amoniaku

Projekt přinesl výsledky, které podle řešitelů v několika směrech překonaly původní očekávání. V počáteční fázi se výzkum soustředil na ureolytické bakterie, zejména na druh Sporosarcina pasteurii. Experimenty ukázaly, že proces MICP může zvýšit obsah uhličitanu vápenatého, snížit porozitu a zlepšit tuhost materiálu až na úroveň odpovídající přibližně pětině tuhosti autoklávovaného pórobetonu.

Postupně se jako perspektivnější ukázaly fakultativně anaerobní kmeny Alkalihalophilus pseudofirmus a Sutcliffiella cohnii, využívající metabolickou dráhu oxidace organických sloučenin. Tyto mikroorganismy nejen podporovaly srážení CaCO₃, ale v materiálech bohatých na síru také významně urychlovaly tvorbu AFt fází, zejména ettringitu a thaumasitu. Tyto fáze se výrazně podílely na zvýšení soudržnosti vznikajícího konglomerátu.

Posun od ureolytických procesů má také environmentální význam. Rozklad močoviny ureolytickými bakteriemi je spojen se vznikem amoniaku, zatímco při zvolených alternativních metabolických procesech tento vedlejší produkt nevzniká.

Mikrostruktura, mechanické vlastnosti a mikromechanické modelování

Tým ČVUT souběžně podrobně zkoumal mikrostrukturu cementovaných vzorků pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM), energiově disperzní rentgenové spektroskopie (EDS), rentgenové difrakce (XRD), termogravimetrické analýzy (TGA) a nanoindentace. Experimentální data následně propojil s mikromechanickým modelem.

Model pomohl vysvětlit vztah mezi poklesem porozity a růstem efektivního Youngova modulu a potvrdil, že pozorovaný vývoj tuhosti lze předpovídat na základě parametrů mikrostruktury.

Během projektu se podařilo vybudovat stabilní mezioborový tým, zapojit doktorandy a studenty do řešení reálného aplikačního problému, navázat zahraniční spolupráci s odborníky na MICP a zahájit předběžnou diskusi s průmyslovým partnerem o možnostech dalšího rozvoje a škálování technologie.

Výzkum přinesl laboratorní důkaz funkčnosti navrženého principu, nikoli však zatím technologii připravenou k průmyslovému využití. Výsledný materiál nedosahuje pevnosti běžných stavebních výrobků, ale v budoucnu by mohl nalézt uplatnění například jako výplňový materiál nebo při výrobě zahradních a krajinářských prvků. K posouzení skutečného přínosu pro ukládání uhlíku a celkové environmentální bilance bude zapotřebí další výzkum včetně analýzy životního cyklu.*

-red-