تكنولوجيا

يصنع العلماء الأسمنت بالكامل من النفايات

كومة من القمامة

اكتشف باحثون في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة طريقة جديدة لإنتاج الأسمنت من النفايات.

خلق بيئة حيوية متجددة بالكامل من النفايات

الأسمنت مادة رابطة ، وهي مادة تستخدم في البناء تصلب وتثبت وتلتصق بالمواد الأخرى لربطها ببعضها البعض. عندما يتم الجمع بين الرمل والحصى والأسمنت ، يتم إنتاج الخرسانة. يصنف الأسمنت على أنه هيدروليكي أو غير هيدروليكي ، حيث لا يتم ضبط الأسمنت غير الهيدروليكي في وجود الماء ، بينما يتطلب الأسمنت الهيدروليكي تفاعلًا كيميائيًا بين المواد الجافة والماء.

يعتبر الأسمنت من أكثر المواد استخدامًا على هذا الكوكب. قدر استهلاك الأسمنت في الولايات المتحدة بحوالي 109 مليون طن متري في عام 2021.

يؤثر تصنيع الأسمنت على البيئة في جميع مستويات العملية. تشمل بعض الأمثلة ملوثات الهواء على شكل غبار وأبخرة وضوضاء واهتزازات أثناء تشغيل المعدات والتفجير في المحاجر ، فضلاً عن الأضرار التي تلحق بالمناظر الطبيعية بسبب المحاجر.

العلماء في جامعة نانيانغ التكنولوجية ، سنغافورة (NTU سنغافورة) اكتشف طريقة لإنتاج الأسمنت الحيوي من النفايات ، مما يجعل البديل للأسمنت التقليدي أكثر خضرة واستدامة.

Biocement هو نوع من الأسمنت المتجدد الذي يستخدم البكتيريا لإنشاء تفاعل تصلب يربط التربة في كتلة صلبة.

ابتكر علماء NTU الآن عنصرًا حيويًا من نفايات شائعة: حمأة الكربيد الصناعية واليوريا (من بول الثدييات).

لقد ابتكروا طريقة لتكوين مادة صلبة صلبة ، أو راسب ، من تفاعل اليوريا مع أيونات الكالسيوم في عجائن الكربيد الصناعية. عندما يحدث هذا التفاعل في التربة ، فإن الراسب يربط جزيئات التربة ويملأ الفراغات بينها ، مما ينتج عنه كتلة مضغوطة من التربة. هذا ينتج كتلة قوية ومتينة وأقل نفاذية من biocement.

أظهر فريق البحث ، بقيادة البروفيسور تشو جيان ، رئيس كلية الهندسة المدنية والبيئية ، في ورقة بحثية لإثبات المفهوم نُشرت في 22 فبراير 2022 في مجلة الهندسة الكيميائية البيئية يمكن أن يصبح تكاملها الحيوي طريقة مستدامة وفعالة من حيث التكلفة لتحسين التربة ، مثل تقوية التربة لاستخدامها في البناء أو التنقيب ، والسيطرة على تآكل الشواطئ ، وتقليل الغبار أو تآكل الرياح في الصحراء ، أو بناء خزانات المياه العذبة على الشواطئ أو في الصحراء.

وو شيفان تشو جيان

(من اليسار إلى اليمين) الدكتور وو شيفان ، باحث أول ، مركز الحلول الحضرية ، كلية الهندسة المدنية والبيئية ، جامعة NTU ، والبروفيسور تشو جيان ، رئيس كلية الهندسة المدنية والبيئية ، جامعة NTU التي تمتلك كتلًا من العناصر الحيوية على أساس اليوريا وحمأة الكربيد. الائتمان: جامعة نانيانغ التكنولوجية ، سنغافورة

يمكن استخدامه أيضًا كجص بيولوجي لسد الشقوق في الصخور للتحكم في التسرب وحتى لمس وإصلاح الآثار مثل المنحوتات الصخرية والتماثيل.

“Biocement هو بديل مستدام ومتجدد للأسمنت التقليدي وله إمكانات كبيرة للاستخدام في مشاريع البناء التي تتطلب معالجة التربة ،” قال البروفيسور تشو ، وهو أيضًا مدير مركز NTU للحلول الحضرية. “يجعل بحثنا التسميد الحيوي أكثر استدامة من خلال استخدام نوعين من النفايات كمواد خام. على المدى الطويل ، لن يؤدي ذلك إلى جعل تصنيع الأسمنت الحيوي أرخص فحسب ، بل سيقلل أيضًا من تكاليف التخلص من النفايات.

يدعم البحث الذي أجراه علماء جامعة NTU الخطة الإستراتيجية NTU 2025 التي تهدف إلى معالجة بعض التحديات الكبرى للإنسانية ، بما في ذلك التخفيف من تأثير الإنسان على البيئة من خلال تعزيز البحث والتطوير في مجال المتانة.

البول والبكتيريا والكالسيوم: وصفة بسيطة للتسميد الحيوي

تتطلب عملية تصنيع الأسمنت الحيوي طاقة أقل وتولد انبعاثات كربونية أقل مقارنة بأساليب إنتاج الأسمنت التقليدية.

يتكون التعزيز الحيوي لفريق NTU من نوعين من النفايات: حمأة الكربيد الصناعية – النفايات الناتجة عن إنتاج غاز الأسيتيلين ، من المصانع في سنغافورة – واليوريا الموجودة في البول.

أولاً ، يعالج الفريق حمأة الكربيد ب حامض تنتج الكالسيوم القابل للذوبان. ثم تضاف اليوريا إلى الكالسيوم القابل للذوبان لتشكيل محلول تدعيم. ثم يضيف الفريق ثقافة بكتيرية إلى محلول التدعيم هذا. ثم تقوم البكتيريا الموجودة في المزرعة بتفكيك اليوريا في المحلول لتكوين أيونات الكربونات.

تتفاعل هذه الأيونات مع أيونات الكالسيوم القابلة للذوبان في عملية تسمى ترسيب الكالسيت الناجم عن الميكروبات (MICP). يشكل هذا التفاعل كربونات الكالسيوم ، وهي مادة صلبة صلبة توجد بشكل طبيعي في الطباشير والحجر الجيري والرخام.

عينة اختبار Biocement

تم تقديم عينة الاختبار ليد بوذا بواسطة Dazu Rock Carvings ، أحد مواقع التراث العالمي لليونسكو في الصين. تم إجراء أعمال الإصلاح باستخدام التعزيز الحيوي في جامعة تشونغتشينغ ، الصين ، من قبل الدكتور يانغ يانغ. المحلول الحيوي عديم اللون ، مما يسمح لأعمال الترميم بالحفاظ على اللون الأصلي للنحت. الائتمان: جامعة نانيانغ التكنولوجية ، سنغافورة

عندما يحدث هذا التفاعل في التربة أو الرمل ، فإن كربونات الكالسيوم المتولدة تربط التربة أو جزيئات الرمل ببعضها البعض لزيادة قوتها وتملأ المسام بينها لتقليل تسرب المياه من خلال المادة. يمكن أيضًا استخدام نفس العملية في المفاصل الصخرية ، مما يجعل من الممكن إصلاح المنحوتات والتماثيل الصخرية.

تتمتع التربة المعززة بالتسميد الحيوي بقوة ضغط غير محصورة تصل إلى 1.7 ميغا باسكال (MPa) ، وهي أكبر من تلك الموجودة في نفس التربة المعالجة بكمية معادلة من الأسمنت.

هذا يجعل biocement للفريق مناسبًا للاستخدام في مشاريع تحسين التربة مثل تعزيز التربة أو تقليل تسرب المياه لاستخدامها في البناء أو التنقيب أو التحكم في التربة وتآكل الشواطئ على طول السواحل.

المؤلف الأول للمقال هو د. قال طالب وباحث مشارك في مركز الحلول الحضرية ، وهو حاليًا زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة تشونغتشينغ بالصين: “إن ترسيب كربونات الكالسيوم على مستويات مختلفة من التثبيت يقوي التربة أو الرمل عن طريق ملء المسام تدريجيًا بين الجسيمات. يمكن أيضًا استخدام التخمير الحيوي لسد الشقوق في التربة أو الصخور لتقليل تسرب المياه.

بديل مستدام للأسمنت

يعتبر إنتاج الأسمنت الحيوي أكثر خضرة واستدامة من الطرق المستخدمة لإنتاج الأسمنت التقليدي.

يتضمن جزء من عملية تصنيع الأسمنت حرق المواد الخام في درجات حرارة عالية جدًا تزيد عن 1000 درجة. درجة مئوية لتشكيل الكلنكر – مادة رابطة الأسمنت. قال البروفيسور تشو إن هذه العملية تنتج الكثير من ثاني أكسيد الكربون. “ومع ذلك ، يتم إنتاج عنصرنا الحيوي في درجة حرارة الغرفة دون حرق أي شيء ، لذا فهي عملية أكثر اخضرارًا ، وأقل استهلاكًا للطاقة ، ومحايدة للكربون.”

قال الدكتور يانغ يانغ: “في سنغافورة ، تعتبر حمأة الكربيد نفايات. ومع ذلك ، فهي مادة خام جيدة لإنتاج الأسمنت الحيوي. من خلال استخراج الكالسيوم من حمأة الكربيد ، نجعل الإنتاج أكثر استدامة لأننا لسنا بحاجة إلى استخدام مواد مثل الحجر الجيري الذي يجب استخراجه من الجبل.

وأضاف البروفيسور تشو: “الحجر الجيري هو مورد محدود – بمجرد زواله ، يختفي. يؤثر تعدين الحجر الجيري أيضًا على بيئتنا الطبيعية ونظامنا البيئي.

يدعي فريق البحث أنه إذا أمكن زيادة إنتاج الأسمنت الحيوي إلى مستويات تصنيع الأسمنت التقليدي ، فإن التكلفة الإجمالية لإنتاجه مقارنة بالأسمنت التقليدي ستكون أقل ، مما يجعل الأسمنت الحيوي بديلاً أكثر خضرة وأرخص من الأسمنت.

ترميم الآثار وتقوية الشواطئ

ميزة أخرى لطريقة فريق NTU في صياغة التعزيز الحيوي هي أن الثقافة البكتيرية ومحلول التماسك عديم اللون. عند وضعها على التربة أو الرمل أو الصخور ، يتم الحفاظ على لونها الأصلي.

وهذا يجعله مفيدًا في ترميم الآثار الصخرية والتحف القديمة. على سبيل المثال ، استخدم الدكتور يانغ يانغ biocement لإصلاح آثار بوذا القديمة في الصين. يمكن استخدام Biocement لسد الفجوات في الآثار المتصدعة وقد تم استخدامه لاستعادة القطع المكسورة ، مثل أصابع أيدي بوذا. نظرًا لأن الحل عديم اللون ، فإن الآثار تحتفظ بلونها الأصلي ، مما يجعل أعمال الترميم متوافقة مع التاريخ.

من خلال العمل مع الوكالات الوطنية ذات الصلة في سنغافورة ، يقوم الفريق حاليًا باختبار biocement الجديد في East Coast Park ، حيث يتم استخدامه لتعزيز الرمال على الشاطئ. عن طريق رش المحاليل الحيوية على الرمال ، تتشكل قشرة صلبة تمنع الرمال من الانجراف إلى البحر.

يستكشف الفريق أيضًا تطبيقات أخرى واسعة النطاق للتضمين الحيوي في سنغافورة ، مثل إصلاح الطرق عن طريق سد الشقوق في الطرق ، وسد الفجوات في الأنفاق تحت الأرض لمنع تسرب المياه ، أو حتى كأرض خصبة للشعاب المرجانية مثل يرقات كارول. تنمو. على كربونات الكالسيوم.

المرجع: “استخدام حمأة الكربيد والبول من أجل الإنتاج الحيوي المستدام” بقلم يانغ يانغ ، جيان تشو ، ليانغ تشينغ ، هانلونغ ليو ، 22 فبراير 2022 ، مجلة الهندسة الكيميائية البيئية.
DOI: 10.1016 / j.jece.2022.107443


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button