Einem Forscherteam um Professor Wang Tao vom State Key Laboratory of Clean Energy Utilization und der Fakultät für Chemie der Zhejiang-Universität in China ist es gelungen, die Kohlendioxid-Fixierungseffizienz von Magnesiumschlacke signifikant zu steigern. Ihre in der Fachzeitschrift „Chemical Engineering Journal“ veröffentlichte Studie stellt einen hydrothermalen Aktivierungs-Vorbehandlungsprozess vor. Dieser beschleunigt die Karbonisierungsreaktion der Magnesiumschlacke um ein bis zwei Größenordnungen. Unter optimalen Bedingungen konnte die CO₂-Absorptionsrate im Vergleich zur direkten Karbonisierung um 38,3 % gesteigert werden. Pro Tonne Magnesiumschlacke können so 146,7 Kilogramm Kohlendioxid fixiert werden. Die Nettokohlenstoffbilanz über den gesamten Lebenszyklus beträgt -134,15 kg CO₂-Äquivalent pro Tonne Schlacke.
Magnesiumschlacke ist ein alkalischer Industrieabfall, der bei der Herstellung von metallischem Magnesium anfällt. Pro Tonne produziertem Magnesium entstehen 4,8 bis 5,5 Tonnen Schlacke. Im Jahr 2024 betrug die Magnesiumschlackeproduktion in China 4,9 bis 5,7 Millionen Tonnen, die historisch angesammelte Lagermenge übersteigt 60 Millionen Tonnen, und die umfassende Nutzungsrate liegt unter 20 %. Die Schlacke ist reich an Kalzium-Silikat-Mineralien. Herkömmliche Karbonisierungstechnologien stehen jedoch vor dem grundlegenden Problem, dass eine dichte Produktschicht den Stofftransport behindert und eine Temperaturerhöhung die Konkurrenz zwischen Hydratation und Karbonisierung um die wässrige Phase verschärft.
Das Forschungsteam verwendete Reduktionsschlacke aus der Pidgeon-Magnesiumgewinnung als Ausgangsmaterial. Sie stellten fest, dass beim direkten Karbonisierungsprozess bei Temperaturen über 40 °C die Hydratationsreaktion dominiert und die wässrige Phase verbraucht, was zu einer Verschlechterung der Karbonisierungseffizienz führt. Der hydrothermale Aktivierungs-Vorbehandlungsprozess entkoppelt erfolgreich den Temperaturkonflikt zwischen Hydratation und Karbonisierung durch einen dualen Mechanismus: die Schaffung von Reaktionsstellen durch die Erzeugung hochaktiver Hydratationsprodukte und die Verbesserung der Porenstruktur zur Verringerung des Stofftransportwiderstands. Die Versuche ergaben, dass eine Aktivierung bei 60 °C über 12 Stunden die optimalen Bedingungen darstellt.
Die Studie ergab zudem einen Schwellenwerteffekt der hydrothermalen Aktivierung. Eine moderate Aktivierung ermöglicht eine tiefgreifende Karbonisierung, während eine übermäßige Aktivierung dazu führt, dass Hydratationsprodukte die aktiven Stellen bedecken und die Transportwege blockieren. Eine Lebenszyklusanalyse zeigt, dass die Kombination dieses Verfahrens mit industrieller Abwärme oder Grünstrom die Kohlenstoffemissionen weiter reduzieren kann.
