水泥是混凝土的一种成分，其生产约占全球每年二氧化碳排放量的8%，使其成为温室气体减排目标的重要目标。为了实现这些目标，莱斯大学化学家詹姆斯·图尔(James Tour)的实验室使用闪焦耳加热技术去除粉煤灰中的有毒重金属。粉煤灰是燃煤发电厂的一种粉状副产品，经常用于混凝土混合物中。使用纯化粉煤灰可减少水泥用量，提高混凝土质量。

根据发表在《自然》杂志上的论文，在实验室的研究中，用纯化的粉煤灰代替30%的水泥来制造一批混凝土，混凝土的强度和弹性分别提高了51%和28%，同时温室气体和重金属的排放分别减少了30%和41%通信工程。

“减少水泥生产的排放对于减少全球温室气体排放非常重要，”首席作者、图尔实验室的博士后研究员邓兵说。“这是这项研究的总体情况。”

莱斯大学工程师Satish Nagarajaiah指出:“水泥生产是二氧化碳排放的一个重要来源。减少混凝土中的水泥含量将有助于减少排放。”

“如果使用粉煤灰，可以减少混凝土的使用量。然而，飞灰中含有重金属，”图尔说。“通常，我们试图解决一件事，却把其他事情搞砸了。在我们努力处理这些废物，即煤灰的过程中，我们污染了我们的环境，因为重金属被浸出了。水把它带到我们的环境中，污染了道路上的土壤等。”

全世界每年大约产生7.5亿吨粉煤灰。莱斯大学的科学家们开发了一种基于闪焦耳加热的快速无水工艺，可以去除其中高达90%的重金属，使其更适合基础设施的使用。

邓说:“基本上，我们把粉煤灰和炭黑混合起来，因为粉煤灰不导电，而炭黑使混合物导电。”“接下来，我们将混合物置于两个石墨或铜电极之间，并使用电容器向样品提供短电流脉冲。这种电流输入使样品温度高达约3000摄氏度(5432华氏度)。高温使重金属蒸发成易挥发的流，然后被捕获。

“通过使用这种方法，我们可以非常高效地去除煤飞灰中的重金属，”他继续说。“对于不同的重金属，如砷、镉、钴、镍和铅，在一秒钟内去除效率高达70%至90%。这是一个非常迅速的释放过程。”

闪速焦耳加热对不同地理位置提取的煤燃烧产生的不同煤飞灰成分有效。

邓说:“主要有两类无机成分不同的粉煤灰，C类和F类。”“我们发现我们的方法对两种粉煤灰都有效。它也适用于其他危险废物，如赤泥或铝土矿渣。这表明该工艺可以成为大规模工业固体废物净化的通用方法。”

莱斯大学土木与环境工程博士后研究员、该研究的共同主要作者孟伟(音译)表示:“净化后的粉煤灰不仅对环境更有利，而且还能提高混凝土的强度和质量。”“我们发现，用净化粉煤灰代替混凝土混合物中30%的水泥，复合材料的抗压强度和弹性模量显着提高。

“这对结构工程和建筑行业非常有意义，因为可以用更少的水泥建造更坚固的结构，”他继续说。“这就是为什么这项研究对土木工程师很有价值。”

图尔实验室的工艺允许将蒸发的重金属收集在真空室中，而不是释放到环境中。而且，在此过程中所消耗的能量相对较低。

“我们计算出每吨的能耗约为532千瓦，”孟说。“如果我们把这个换算成德克萨斯州的电价，大约是每吨21美元。生命周期分析表明，我们实际上可以从这些废物中提取价值。”

“这是环境的一大胜利，”图尔说。“你在减少排放，而且在这个过程中你不会浸出重金属。”

莱斯大学土木与环境工程与机械工程教授萨蒂什·纳加拉贾雅(Satish Nagarajaiah)和莱斯大学乔治·r·布朗工程学院材料科学与纳米工程教授、t.t.和w.f. Chao化学教授图尔(Tour)是这项研究的合著者。

其他合著者包括赖斯大学校友保罗·阿德温库拉、陈伟音、罗伯特·卡特和李刚;研究生Lucas Eddy, Kevin Wyss和Yi Cheng，以及美国陆军工程研究与发展中心化学家Mine Ucak-Astarlioglu。

空军科学研究办公室(FA9550-22-1-0526)、美国陆军工程兵团工程师研究与发展中心(W912HZ-21-2-0050)和赖斯大学的共享装备管理局(SEA)支持该研究。