L'équipe du Professeur Sun Xiaohui de l'Université de Shenzhen en Chine, en collaboration avec l'équipe du Professeur H.J.H. Brouwers de l'Université de Technologie d'Eindhoven aux Pays-Bas, a publié une étude dans la revue « Cement and Concrete Composites », proposant de manière innovante la technologie d'enrobage par carbonatation (CC). Pour la première fois, un agrégat à structure cœur-coquille CaCO₃@IBA a été conçu, produisant simultanément du carbonate de calcium précipité (PCC) à haute valeur ajoutée.
La production mondiale annuelle de déchets ménagers solides urbains a atteint 2,01 milliards de tonnes, et devrait grimper à 3,4 milliards de tonnes d'ici 2050. Les cendres de fond d'incinération (IBA) représentent 80 % du poids total des résidus d'incinération, avec une production annuelle rien qu'en Europe atteignant 20 millions de tonnes. L'enfouissement traditionnel gaspille non seulement les ressources foncières, mais manque également le potentiel de valorisation des déchets solides. En revanche, l'utilisation directe des IBA comme substitut aux granulats naturels dans les matériaux de construction présente des risques de lixiviation de polluants tels que les métaux lourds, les ions chlorure et les sulfates. Les technologies de carbonatation existantes souffrent généralement de problèmes tels qu'une faible efficacité de captage du CO₂, une immobilisation incomplète des polluants et une difficulté à contrôler les sels solubles.
L'équipe de recherche a pris pour objet les fines cendres de fond fortement polluées d'une taille inférieure à 2 mm. Grâce à une réaction de carbonatation en phase liquide, une couche de coquille de CaCO₃ a été développée in situ à la surface des particules de cendres, construisant ainsi une structure cœur-coquille CaCO₃@IBA. Cette technologie permet une fixation du CO₂ allant jusqu'à 246,45 mg/g d'IBA, avec des taux d'immobilisation respectifs de 90 %, 49 % et 30 % pour le Zn, le Cu et les ions chlorure. En combinant un modèle de couverture de surface modifié, l'étude a élucidé la cinétique de la réaction d'enrobage carbonaté et le mécanisme de formation de la structure cœur-coquille. Grâce à des essais de lixiviation et à des simulations de dynamique moléculaire, le mécanisme de co-immobilisation des polluants par triple action a été révélé : encapsulation physique, précipitation carbonatée et coprécipitation dans le réseau cristallin.
La validation des performances d'application montre que l'agrégat CaCO₃@IBA, utilisé comme substitut du sable naturel, permet d'augmenter la résistance à la compression du mortier de plus de 16 % à un taux de substitution de 30 % par rapport aux IBA non traitées, et les valeurs de lixiviation des polluants du mortier durci répondent aux limites réglementaires relatives aux matériaux de construction. La conception complète du procédé à l'échelle industrielle, basée sur un traitement quotidien de 100 tonnes d'IBA, permet de capter simultanément le CO₂ présent dans les gaz de combustion de l'incinération des déchets. L'analyse coûts-bénéfices réalisée par simulation Monte Carlo montre un bénéfice net moyen de 32,9 millions d'euros sur une période d'exploitation de 10 ans, avec une période de récupération de l'investissement de seulement 2,11 ans. L'évaluation du cycle de vie indique que chaque tonne de produit permet une réduction du potentiel de réchauffement global de 30,8 kg d'équivalent CO₂.