Selvhelbredende cement kan forvandle geotermisk industri

En selvhelbredende cement udviklet af Pacific Northwest National Laboratory kan udkonkurrere konventionel beton, tilbyder en potentielt forureningsforebyggende teknologi til den voksende geotermiske industri.

Denne spilskiftende kombination bruger en fleksibel ingrediens, en polymer, at reparere brækkede overflader og udfylde revner, minimere risici for mekaniske fejl og tilbyde en bæredygtig energikilde.

Kemiker Carlos Fernandez og hans team i samarbejde med Simerjeet Gill fra Brookhaven National Laboratory, detaljer om polymerens helbredende egenskaber, og hvordan den kan forbedre den mekaniske ydeevne af cement i et papir, "Indsigt i de fysiske og kemiske egenskaber af en cement-polymer komposit udviklet til geotermiske brøndboringer, "ind Cement- og betonkompositter .

Finansiering til forskningen blev leveret af Department of Energy's Geothermal Technologies Office.

Polymerer under tryk

Cement, der anvendes i geotermiske brønde, er kendt for at revne under tryk og i højtemperaturmiljøer i forbindelse med boring efter geotermisk energi. Formålet med holdets papir var at se, hvordan dens selvhelbredende cement ville holde sig, når den blev testet mod konventionel cement under disse ekstreme varmeforhold. Gennem en række forskellige tests, opført på PNNL og BNL's National Synchroton Light Source II, holdet fandt ud af, at den selvhelbredende cementteknologi kunne eliminere behovet for at fjerne, reparere og udskifte revnede cementbrønde.

PNNL-forskere testede deres selvhelbredende cements styrke og reaktioner på mekanisk stress og udførte analyser af overfladeareal, kemisk sammensætning, og overfladetopografi. Testene bekræftede, at den selvhelbredende cement er et væsentligt alternativ til konventionel cement, fordi den er fleksibel og selvstændigt heler revner.

Fleksibiliteten tilskrives kemisk "blød" eller fleksibel binding mellem atomerne i polymeren og cementen. Denne bløde binding tillader store deformationer, der kan indeholdes i cementen uden at bryde bindingerne. Dette blev forudsagt gennem beregningsmodellering udført af PNNLs Vanda Glezakou. Polymeren tilføjer 60 til 70 procent mere elasticitet til cementen, når den tilsættes, reducere brud i cementen, Fernandez rapporterer i avisen.

På egen hånd, polymerer er store, kædelignende molekyler, der arbejder for at holde stoffer sammen og findes naturligt i menneskekroppen. Når det tilsættes til cement, polymerer tilføjer fleksibilitet til skørt materiale og forhindrer revner i at sprede sig hurtigt. Polymeren løsner sig, migrerer til revnen, og hæfter tilbage for at udfylde revnen. Der var en 87 procent reduktion i revnestørrelse, når polymeren blev tilsat betonen.

Cementerer fremtiden

Cement er den næststørste forbrugsvare i verden bag vand. Dermed, at finde en måde at gøre cement endnu mere effektiv på kunne være en game changer ikke kun for den geotermiske industri, men for byggeindustrien generelt.

"Idéen om nogle år ville være at udvide det til alt, " sagde Fernandez. "Himlen er grænsen."

Cementindustrien tjener mere end 37 milliarder dollars årligt. Imidlertid, cementknækning er i gennemsnit 12 milliarder dollars om året til at reparere infrastruktur alene. Polymer-cement-kombinationen kan beløbe sig til 3,4 milliarder dollars om året i besparelser til infrastrukturer som dæmninger, nukleare affaldsanlæg, og skyskrabere, Fernandez forudser. Det kan betyde færre vejlukninger og vedligeholdelsesreparationer, der tilstopper veje og skaber gener for den daglige pendling.

Som en LED-lampe, polymercementen kunne skabe langsigtede besparelser. Konventionel cement er 5 cents pr. pund. Den anslåede pris for polymercementen er 30 til 35 cents pr. pund. Imidlertid, det kan potentielt forlænge levetiden af ​​betonbaserede konstruktioner med 30 til 50 år, sagde Fernandez.

For olieindustrien, specifikt, hvor høje temperaturer er konstante, at fjerne og udskifte revnet beton er tidskrævende, dyrt foretagende, sagde Fernandez. Udskiftning af konventionel cement med selvhelbredende cement kan beløbe sig til millioner af dollars i besparelser.

Den selvhelbredende cement kan også bruges på nukleare affaldsanlæg og vandkraftdæmninger, hvor revner i strukturerne og mekaniske fejl kan resultere i oversvømmelser eller forurening. Bekostelige årlige og halvårlige inspektioner og reparationer kan falde i antal, sagde Fernandez. Den fleksible karakter af den selvhelbredende cement gør det også muligt at modstå større mekanisk belastning fra naturkatastrofer og ekstreme vejrforhold såsom jordskælvsrystelser eller kraftig vind.

Et konkret alternativ for miljøet

Selvhelbredende cement kunne løse store bekymringer omkring tætning af brøndboringer til olie, gas, og jordvarmeproduktion. Utætheder i brøndboringer forårsager forurening og begrænser muligheden for at levere rene energialternativer. Disse lækager forurener grundvandsmagasiner og overfladevand.

Andre selvhelbredende polymer-cementblandinger udviklet til olie- og gasindustrien har ofte dårlige mekaniske egenskaber og kan ikke modstå de høje temperaturmiljøer, der findes i geotermiske brønde.

"Udviklingen af ​​en selvhelbredende polymer-cement-kombination, som er funktionel i geotermiske miljøer, kan repræsentere en teknologi, der ændrer spil, mod væksten af ​​den geotermiske energiindustri, " rapporterede holdet i avisen.

Der er store geotermiske energireserver over hele landet og rundt om i verden, som ikke er i brug, fordi brøndboringscement svigter under høje temperaturforhold og i kemisk korrosive miljøer. Geotermisk energi er termisk energi, som Jorden genererer og lagrer. Med forbedringer som selvhelbredende cement, geotermisk energi har potentiale til at være en anvendelig, bæredygtig energikilde. Den selvhelbredende cement kan levere betydelig energi med minimal kulstoffrigivelse til atmosfæren.

Derudover titusindvis af tons konventionel cement ender på lossepladser, sagde Fernandez. Med forlængelsen af ​​mere end 30 års yderligere brug af kompositten, mindre cement ville gå til lossepladser.