العلماء يصنعون الأسمنت بالكامل من النفايات

العلماء يصنعون الأسمنت بالكامل من النفايات

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

إنشاء حيوي متجدد 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 ، مع عدم ضبط الأسمنت غير الهيدروليكي عند وجود الماء ، بينما يحتاج الأسمنت الهيدروليكي إلى تفاعل كيميائي بين المواد الجافة والماء.

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

يؤثر تصنيع الأسمنت على البيئة في كل مستوى من العملية. تشمل بعض الأمثلة الملوثات المحمولة جواً على شكل غبار وأبخرة وضوضاء واهتزاز أثناء تشغيل المعدات والتفجير في المحاجر ، فضلاً عن الأضرار التي لحقت بالمناظر الطبيعية بسبب المحاجر.

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

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

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

لقد ابتكروا طريقة لتشكيل مادة صلبة صلبة ، أو راسب ، من تفاعل اليوريا مع أيونات الكالسيوم في حمأة الكربيد الصناعية. عندما يحدث هذا التفاعل في التربة ، يربط الراسب جزيئات التربة ببعضها ويسد الفجوات بينها ، مما ينتج عنه كتلة مضغوطة من التربة. ينتج عن هذا كتلة حيوية قوية ومتينة وأقل نفاذية.

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 أن التعزيز الحيوي الخاص بهم يمكن أن يصبح طريقة مستدامة وفعالة من حيث التكلفة لتحسين التربة ، مثل تقوية الأرض لاستخدامها في البناء أو التنقيب ، أو التحكم في تآكل الشواطئ ، أو تقليل الغبار أو تآكل الرياح في الصحراء ، أو بناء خزانات للمياه العذبة على الشواطئ أو في الصحراء.

(من اليسار إلى اليمين) الدكتور وو شيفان ، زميل أبحاث أول ، مركز الحلول الحضرية ، كلية الهندسة المدنية والبيئية ، NTU ، والبروفيسور تشو جيان ، رئيس كلية الهندسة المدنية والبيئية ، NTU يحمل كتل من biocement مصنوعة من اليوريا وحمأة الكربيد.

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

قال البروفيسور تشو ، وهو أيضًا مدير مركز NTU للحلول الحضرية: "تعد Biocement بديلاً مستدامًا ومتجددًا للأسمنت التقليدي ولديها إمكانات كبيرة لاستخدامها في مشاريع البناء التي تتطلب معالجة الأرض". "يجعل بحثنا التسميد الحيوي أكثر استدامة من خلال استخدام نوعين من مواد النفايات كمواد خام لها. على المدى الطويل ، لن يجعل تصنيع الأسمنت الحيوي أرخص تكلفة فحسب ، بل يقلل أيضًا من التكلفة التي ينطوي عليها التخلص من النفايات ".

تدعم أبحاث العلماء في جامعة NTU الخطة الإستراتيجية NTU 2025 والتي تهدف إلى معالجة بعض التحديات الكبرى للإنسانية ، بما في ذلك التخفيف من تأثير الإنسان على البيئة من خلال تطوير البحث والتطوير في مجال الاستدامة.

البول والبكتيريا والكالسيوم: وصفة بسيطة للتسميد الحيوي

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

يتم إنشاء biocement فريق NTU من نوعين من مواد النفايات: حمأة الكربيد الصناعية - مواد النفايات من إنتاج غاز الأسيتيلين ، من مصانع سنغافورة - واليوريا الموجودة في البول.

أولاً ، يعالج الفريق حمأة الكربيد بحمض لإنتاج 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 من المزرعة بتفكيك اليوريا في المحلول لتكوين أيونات الكربونات.

تتفاعل هذه الأيونات مع أيونات الكالسيوم القابلة للذوبان في عملية تسمى ترسيب الكالسيت المستحث بالميكروبات (MICP). يشكل هذا التفاعل كربونات الكالسيوم - مادة صلبة صلبة توجد بشكل طبيعي في الطباشير والحجر الجيري والرخام.

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. محلول التسميد الحيوي عديم اللون ، مما يسمح لأعمال الترميم بالحفاظ على اللون الأصلي للنحت.

عندما يحدث هذا التفاعل في التربة أو الرمل ، تولد كربونات الكالسيوم الناتجة روابط التربة أو جزيئات الرمل معًا لزيادة قوتها وملء المسام بينها لتقليل تسرب المياه من خلال المادة. يمكن أيضًا استخدام نفس العملية في المفاصل الصخرية ، مما يسمح بإصلاح المنحوتات والتماثيل الصخرية.

تتمتع التربة المعززة بالتعزيز الحيوي بقوة ضغط غير محصورة تصل إلى 1.7 ميغا باسكال (MPa) ، وهي أعلى من تلك الموجودة في نفس التربة المعالجة باستخدام كمية معادلة من الأسمنت.

هذا يجعل biocement للفريق مناسبًا للاستخدام في مشاريع تحسين التربة مثل تقوية الأرض أو تقليل تسرب المياه لاستخدامها في البناء أو التنقيب أو التحكم في تآكل الشاطئ على طول السواحل.

المؤلف الأول للورقة الدكتور يانغ يانغ ، حاصل على دكتوراه NTU سابقًا. قال طالب وباحث مشارك في مركز الحلول الحضرية وهو حاليًا زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة تشونغتشينغ بالصين: "إن ترسيب كربونات الكالسيوم بمستويات تدعيم مختلفة يقوي التربة أو الرمل عن طريق ملء المسام تدريجيًا بين الجسيمات. يمكن أيضًا استخدام التسميد 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.

"يتمثل أحد أجزاء عملية صناعة الأسمنت في حرق المواد الخام عند درجات حرارة عالية جدًا تزيد عن 1000 درجة مئوية لتشكيل الكلنكر - عامل الربط للأسمنت. قال البروفيسور تشو: "هذه العملية تنتج الكثير من ثاني أكسيد الكربون". "ومع ذلك ، يتم إنتاج عنصرنا الحيوي في درجة حرارة الغرفة دون حرق أي شيء ، وبالتالي فهو عملية أكثر اخضرارًا ، وأقل تطلبًا للطاقة ، ومحايدة للكربون."

قال الدكتور يانغ يانغ: "في سنغافورة ، يُنظر إلى حمأة الكربيد على أنها نفايات. ومع ذلك ، فهي مادة خام جيدة لإنتاج الأسمنت الحيوي. من خلال استخراج الكالسيوم من حمأة الكربيد ، نجعل الإنتاج أكثر استدامة لأننا لا نحتاج إلى استخدام مواد مثل الحجر الجيري الذي يجب استخراجه من الجبل. "

وأضاف البروفيسور تشو: "الحجر الجيري هو مورد محدود - بمجرد ذهابه ، يختفي. يؤثر تعدين الحجر الجيري على بيئتنا الطبيعية ونظامنا البيئي أيضًا ".

يقول فريق البحث إنه إذا أمكن زيادة إنتاج الأسمنت الحيوي إلى مستويات صناعة الأسمنت التقليدية ، فإن التكلفة الإجمالية لإنتاجه مقارنةً بالإسمنت التقليدي ستكون أقل ، مما يجعل الأسمنت الحيوي بديلاً أكثر خضرةً وأرخص تكلفة للأسمنت.

ترميم الآثار وتقوية الشواطئ

ميزة أخرى لطريقة فريق NTU في صياغة التعزيز الحيوي هي أن كلاً من الثقافة البكتيرية ومحلول التدعيم 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 د. يانغ يانغ biocement لإصلاح آثار بوذا القديمة في الصين. يمكن استخدام التعزيز الحيوي لسد الفجوات في الآثار المتصدعة ، وقد تم استخدامه لاستعادة القطع المكسورة ، مثل أصابع يدي بوذا. نظرًا لأن الحل عديم اللون ، فإن الآثار تحتفظ بلونها الأصلي ، مما يجعل أعمال الترميم متوافقة مع التاريخ.

بالتعاون مع الوكالات الوطنية ذات الصلة في سنغافورة ، يقوم الفريق حاليًا بتجربة biocement الجديد في East Coast Park ، حيث يتم استخدامه لتقوية الرمال على الشاطئ. عن طريق رش المحاليل العضوية على سطح الرمال ، تتشكل قشرة صلبة تمنع الرمال من الانجراف إلى البحر.

يستكشف الفريق أيضًا المزيد من التطبيقات واسعة النطاق للتضمين الحيوي في سنغافورة ، مثل إصلاح الطرق عن طريق سد الشقوق على الطرق ، وسد الفجوات في الأنفاق تحت الأرض لمنع تسرب المياه ، أو حتى كمناطق زراعة للشعاب المرجانية مثل نمو يرقات كارول. على كربونات الكالسيوم.