بالتعاون مع فريق البروفيسور إتش.جي.إتش. براورز من جامعة آيندهوفن التكنولوجية الهولندية، نشر فريق البروفيسور صن شياوهوي من جامعة شنتشن الصينية بحثًا في مجلة "Cement and Concrete Composites" يقترح تقنية مبتكرة للتغليف الكربوني (CC)، حيث صمم لأول مرة هيكلًا نواته من الرماد السفلي المحروق وقشرته من كربونات الكالسيوم (CaCO₃@IBA)، وينتج بشكل متزامن كربونات الكالسيوم المترسبة عالية القيمة (PCC).
يبلغ الإنتاج السنوي العالمي من النفايات المنزلية الصلبة 2.01 مليار طن، ومن المتوقع أن يرتفع إلى 3.4 مليار طن بحلول عام 2050. يشكل الرماد السفلي الناتج عن الحرق (IBA) 80% من إجمالي وزن المخلفات المحترقة، حيث يبلغ إنتاجه السنوي في أوروبا وحدها 20 مليون طن. يؤدي الدفن التقليدي إلى إهدار موارد الأرض ويفقد إمكانية استغلال النفايات كموارد، بينما يؤدي الاستبدال المباشر للركام الطبيعي في مواد البناء إلى مخاطر تسرب الملوثات مثل المعادن الثقيلة وأيونات الكلوريد والكبريتات. تواجه تقنيات الكربنة الحالية تحديات شائعة مثل كفاءة احتجاز الكربون المنخفضة، وعدم تثبيت الملوثات بشكل شامل، وصعوبة التحكم في الأملاح القابلة للذوبان.
استهدف فريق البحث الرماد السفلي الناعم عالي التلوث بحجم حبيبات أقل من 2 مم، وقاموا بتنمية طبقة قشرية من كربونات الكالسيوم (CaCO₃) على سطح جزيئات الرماد السفلي من خلال تفاعل الكربنة في الطور السائل، مما أدى إلى بناء هيكل نواة وقشرة CaCO₃@IBA. حققت هذه التقنية تخزينًا صلبًا لثاني أكسيد الكربون يصل إلى 246.45 مجم لكل جرام من الرماد السفلي المحروق، وبلغت كفاءة تثبيت الزنك والنحاس وأيونات الكلوريد 90% و49% و30% على التوالي. باستخدام نموذج تغطية السطح المعدل، أوضحت الدراسة ديناميكيات تفاعل التغليف الكربوني وآلية تشكيل هيكل النواة والقشرة؛ ومن خلال اختبارات الترشيح والمحاكاة الديناميكية الجزيئية، كشفت عن آلية التثبيت المتزامن الثلاثي للملوثات من خلال التغليف الفيزيائي وترسب الكربونات والترسيب المشترك في الشبكة البلورية.
أظهر التحقق من أداء التطبيق أن استخدام ركام CaCO₃@IBA كبديل للرمل الطبيعي، أدى عند نسبة استبدال 30% إلى زيادة قوة ضغط الملاط بأكثر من 16% مقارنة بالرماد السفلي غير المعالج، وقيم ترشيح الملوثات من الملاط المتصلب استوفت الحدود التنظيمية لمواد البناء ذات الصلة. يعتمد التصميم الشامل للعملية الصناعية على معالجة 100 طن يوميًا من الرماد السفلي المحروق، ويمكنه بالتزامن امتصاص ثاني أكسيد الكربون من غاز مداخن حرق النفايات. أظهر تحليل التكلفة والفائدة باستخدام محاكاة مونت كارلو أن متوسط صافي الدخل خلال فترة تشغيل المشروع البالغة 10 سنوات يصل إلى 32.9 مليون يورو، مع فترة استرداد استثمار تبلغ 2.11 سنة فقط؛ وأشارت نتائج تقييم دورة الحياة إلى أن كل طن من المنتج يمكنه تحقيق خفض في إمكانية الاحترار العالمي يعادل 30.8 كجم من ثاني أكسيد الكربون.