A Novel Approach of Utilizing Nano-Porous Carbon in CO2 Sequestration and Energy Storage in Cement-Based Composites. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Thesis) Khaled Kharma Fanalized PhD Eprint version.pdf Restricted to Repository staff only until 18 May 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

تساهم صناعة البناء بنحو 8% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية الناتجة عن تصنيع الأسمنت، بينما تواجه في الوقت ذاته طلباً متزايداً على بنية تحتية متطورة وذكية. تتناول هذه الأطروحة كلا التحديين من خلال تقصٍّ منهجي للمواد الكربونية، الثلج الجاف، والكربون المنشط المستخلص من الكتلة الحيوية، وألياف الكربون كإضافات وظيفية في المركبات الأسمنتية، مستهدفةً عزل وتخزين الكربون، وتكثيف البنية المجهرية، وتحسين الأداء الإنشائي متعدد الوظائف. في مجال عزل ثاني أكسيد الكربون (CO2)، تم استكشاف الثلج الجاف كعامل كربنة مباشر في الموقع بجرعات تصل إلى 20% من وزن الأسمنت. وقد عززت الإضافات المعتدلة (2–10%) تحويل هيدروكسيد الكالسيوم إلى كربونات الكالسيوم، مما أدى إلى إنتاج بنية مجهرية أكثر كثافة وتحسين الخواص الميكانيكية بنسبة تصل إلى 15%، في حين أثبتت الجرعات الزائدة أنها ذات نتائج عكسية بسبب التسامي المبكر. وتأسيساً على ذلك، استُخدم الكربون المنشط المُصنّع من أوراق شجر "ألبزيا بروسيرا" (Albizia procera) وهي نفايات زراعية متجددة كمادة ممتزة لثاني أكسيد الكربون ذات مساحة سطحية عالية ومحفز للنوى البلورية. وعند دمجها مع معالجة الكربنة تحت الضغط، أدت إضافة بنسبة 3% إلى زيادة تكوين كربونات الكالسيوم (CaCO3) بأكثر من 12 ضعفاً مقارنة بالعينة المرجعية، مع مكاسب متزامنة بلغت 31% في مقاومة الضغط، و67% في مقاومة الانحناء، وانخفاض بنسبة 43% في امتصاص الماء، مما يثبت التآزر القوي بين المضافات الكربونية المسامية وبيئات المعالجة الغنية بـ CO2. وانتقالاً نحو تعددية الوظائف، تم دمج ألياف الكربون في المونة (Mortar) جنباً إلى جنب مع رمل "عقيق الألماندين" الغني بالحديد لهندسة مركبات موصلة للكهرباء. أدت إضافة الألياف بنسبة 1% من الحجم إلى خفض المقاومية الكهربائية بمقدار أربعة أسس عشرية، بينما عزز رمل العقيق الموصلية ومقاومة الضغط وأداء الانحناء بشكل أكبر مقارنة برمل الكثبان التقليدي مما وضع أساساً عملياً لتطبيقات البنية التحتية الذكية. وفي الختام، تم توسيع هذا المفهوم متعدد الوظائف ليشمل تخزين الطاقة الإنشائية، حيث عملت الخرسانة الموصلة المُحسَّنة، والمنشطة سطحياً بالكربون المنشط، كقطب كهربائي لمكثف فائق (Supercapacitor) قدم سعة نوعية بلغت 217 كولوم/جرام، وكثافة طاقة قدرها 17.36 واط ساعي/كجم، مع الاحتفاظ بـ 78% من السعة بعد 5000 دورة شحن وتفريغ. تؤسس هذه الدراسات مجتمعةً انتقالاً مترابطاً من احتجاز الكربون إلى البنية التحتية الذكية المخزنة للطاقة، مما يقدم لصناعة البناء مسارات عملية نحو مواد قادرة على خفض الكربون، وذات أداء عالٍ، وذكية وظيفياً في آنٍ واحد.

English Abstract

The construction industry contributes approximately 8% of global CO₂ emissions through cement manufacturing, making it one of the most carbon-intensive sectors worldwide. At the same time, the growing demand for intelligent and energy-efficient infrastructure calls for construction materials that go beyond conventional structural functions. This thesis responds to both imperatives by investigating carbonaceous materials as multifunctional additives in cementitious composites, pursuing two interconnected goals: sequestering CO₂ directly within the cement matrix, and enabling concrete to store electrochemical energy as part of the built environment. On the CO₂ sequestration front, dry ice was first explored as a novel in-situ carbonation agent, with moderate dosages of 2–10% by cement weight promoting the conversion of calcium hydroxide into calcium carbonate, densifying the microstructure and improving mechanical properties by up to 15%. This strategy was then significantly enhanced by introducing activated carbon synthesized from Albizia procera leaves as a high-surface-area adsorbent and CO₂ nucleation promoter. Combined with pressurized carbonation curing, a 3% addition increased CaCO₃ formation by more than 12-fold relative to the control, while simultaneously improving compressive strength by 31%, flexural strength by 67%, and reducing water absorption by 43% demonstrating that carbon sequestration and material performance can be advanced together rather than traded off against each other. Shifting toward multifunctionality, carbon fibers were incorporated alongside iron-rich almandine garnet sand to produce electrically conductive mortar, reducing resistivity by four orders of magnitude and substantially improving mechanical performance. This conductive platform was then extended to structural energy storage, where the optimized concrete, surface-functionalized with activated carbon, served as a supercapacitor electrode delivering a specific capacity of 217 C g⁻¹, an energy density of 17.36 Wh kg⁻¹, and 78% capacitance retention after 5000 cycles. Together, these studies establish a coherent progression from carbon capture to smart energy-storing infrastructure, offering the construction industry practical pathways toward materials that are simultaneously carbon-reducing, high-performance, and functionally intelligent.