دانشمندان دانشگاه فناوری نانیانگ، سنگاپور موفق به ساخت بیوسمان تجدیدپذیر از مواد زائد شده اند. برای اطلاعات بیشتر از ویژگی های این سیمان جدید تا پایان مطلب با های فن تک همراه باشید.
سیمان ماده ای است که در ساخت و سازهای ساختمانی استفاده می شود. کار آن، چسباندن سایر مواد به یکدیگر است. هنگامی که ماسه و شن با سیمان ترکیب می شوند، بتن تولید می شود. سیمان ها دارای دو نوع مختلف می باشد، هیدرولیک یا غیر هیدرولیک، سیمان غیر هیدرولیک با آب ترکیب نمی شود، در حالی که سیمان هیدرولیک نیاز به واکنش شیمیایی بین مواد خشک و آب دارد.
سیمان یکی از پرکاربردترین مواد روی کره زمین محسوب می شود. مصرف سیمان تنها در ایالات متحده در سال 2021 به میزان 109 میلیون تن برآورد شد.
تولید سیمان به هر کدام از آن دو روش، بر محیط زیست تأثیر می گذارد. برخی از نمونه ها عبارتند از آلاینده های موجود در هوا به شکل گرد و غبار، دود، صدا و ارتعاش در حین کار کردن تجهیزات، انفجار در معادن و همچنین آسیب های دراز مدت ناشی از استخراج.
دانشمندان دانشگاه فناوری نانیانگ، سنگاپور (NTU سنگاپور) روشی را برای تولید بیوسمان یا سیمان زیستی، کشف کرده اند که می تواند جایگزین سیمان سنتی شود.
سیمان زیستی نوعی سیمان تجدیدپذیر است که از باکتری‌ها، برای ایجاد یک واکنش سخت شدنی جهت اتصال خاک به یک بلوک جامد، استفاده می کند. دانشمندان NTU توانستند از دو ماده ضایعاتی رایج برای تولید بیوسمان استفاده کنند که شامل: لجن کاربید صنعتی و اوره ( ادرار پستانداران).
آنها روشی را برای تشکیل یک جسم سخت از طریق، برهمکنش اوره با یون های کلسیم موجود در لجن کاربید صنعتی، ابداع کردند. هنگامی که این واکنش در خاک اتفاق می افتد، رسوب ذرات خاک را به هم متصل می کند و شکاف های بین آنها را پر می کند و در نتیجه توده متراکم خاک ایجاد می شود. با این خاک متراکم، می توان یک بلوک بیوسمان قوی، بادوام با نفوذپذیری کمتر تولید کرد.
تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور چو جیان، رئیس دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست سنگاپور، در یک مقاله تحقیقاتی که در 22 فوریه 2022 در مجله مهندسی شیمی محیطی منتشر شد، نشان داد که بیوسمان آنها می تواند، به طور بالقوه تبدیل به یک روش پایدار و مقرون به صرفه برای بهبود خاک جهت تقویت زمین برای استفاده در ساخت و ساز یا حفاری، کنترل فرسایش ساحل، کاهش گرد و غبار یا فرسایش بادی در بیابان، یا ساخت مخازن آب شیرین در سواحل یا در بیابان شود.
همچنین می‌توان از آن به‌عنوان بیوگروت برای مهر و موم کردن شکاف‌های سنگ برای کنترل نشست و حتی برای لمس و تعمیر آثار تاریخی مانند کنده‌کاری‌های سنگی و مجسمه‌ها نیز استفاده کرد.
پروفسور چو که مدیر مرکز راه‌حل‌های شهری NTU نیز می باشد، گفت: «بیوسمان جایگزینی پایدار و تجدیدپذیر برای سیمان سنتی است و پتانسیل زیادی برای استفاده در پروژه‌های ساختمانی که نیاز به تصفیه زمین دارند، دارد. "تحقیق ما با استفاده از دو نوع مواد زائد به عنوان مواد خام، بیوسمان را پایدارتر می کند. در دراز مدت، نه تنها ساخت بیوسمان را ارزان‌تر می‌کند، بلکه هزینه‌های مربوط به دفع زباله را نیز کاهش می‌دهد.»
تحقیقات دانشمندان NTU بخشی از برنامه استراتژیک این دانشگاه در سال 2025 می باشد، که هدف آن رسیدگی به برخی از چالش های بزرگ بشریت، از جمله کاهش تأثیر انسان بر محیط زیست از طریق پیشرفت تحقیق و توسعه پایدار است.
مراحل ساخت بیوسمان
فرآیند ساخت سیمان زیستی به انرژی کمتری نیاز دارد و انتشار کربن کمتری را در مقایسه با روش‌های سنتی ساخت سیمان، تولید می‌کند.
بیوسمان تیم NTU از دو نوع مواد زائد ایجاد می‌شود: لجن کاربید صنعتی و مواد زائد حاصل از تولید گاز استیلن که از کارخانه‌های سنگاپور تهیه می‌شود و اوره موجود در ادرار حیوانات.
در مرحله اول، تیم لجن کاربید را با یک اسید تصفیه می کند تا کلسیم محلول تولید کند. سپس اوره به کلسیم محلول اضافه می شود تا محلول سماناسیون تشکیل شود. سپس تیم تحقیقاتی، یک کشت باکتریایی را به این محلول سیمانی اضافه می کند. سپس باکتری های حاصل از کشت، اوره را در محلول تجزیه کرده و یون های کربنات تشکیل می دهند.
این یون ها با یون های کلسیم محلول در فرآیندی به نام رسوب کلسیت ناشی از میکروبی به نام (MICP) واکنش می دهند. این واکنش کربنات کلسیم را تشکیل می دهد، که ماده ای سخت و جامد است که به طور طبیعی در گچ، سنگ آهک و مرمر یافت می شود.
هنگامی که این واکنش در خاک یا ماسه رخ می دهد، کربنات کلسیم ایجاد شده، خاک یا ذرات ماسه را به یکدیگر پیوند می دهد تا استحکام آنها را افزایش دهد و منافذ بین آنها را پر می کند تا نشت آب از طریق مواد کاهش یابد. همین فرآیند را می توان در اتصالات سنگی نیز به کار برد که امکان تعمیر کنده کاری ها و مجسمه های سنگی را فراهم می کند.
خاک تقویت شده با بیوسمان می تواند، فشاری تا حدود 1.7 مگا پاسکال (MPa) را تحمل کند، که بالاتر از خاک مشابهی است که با استفاده از مقدار معادل سیمان تیمار شده است. این عامل باعث می شود که بیوسمان برای استفاده در پروژه های تقویت خاک مانند تقویت زمین یا کاهش نشت آب برای استفاده در ساخت و ساز، حفاری یا کنترل فرسایش ساحل در امتداد خطوط ساحلی، مناسب ترین گزینه باشد.
نویسنده اول مقاله دکتر یانگ یانگ، دانشجو و دانشیار پژوهشی مرکز راه حل های شهری NTU ، که در حال حاضر دانشجوی فوق دکترا در دانشگاه چونگ کینگ چین است، می گوید: «بارش کربنات کلسیم در سطوح مختلف سیمان، با پر کردن تدریجی منافذ بین ذرات، خاک یا ماسه را تقویت می کند. همچنین می توان از بیوسمان برای مهر و موم کردن شکاف های خاک یا سنگ برای کاهش نشت آب استفاده کرد.»
جایگزینی پایدار برای سیمان
تولید بیوسمان سبزتر و پایدارتر از روش‌های تولید سیمان سنتی است.
یکی از بخش‌های فرآیند ساخت سیمان، سوزاندن مواد خام در دماهای بسیار بالا بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد برای تشکیل کلینکر عامل اتصال سیمان است. پروفسور چو گفت: این فرآیند دی اکسید کربن زیادی تولید می کند. با این حال، بیوسمان ما در دمای اتاق بدون سوزاندن چیزی تولید می‌شود و بنابراین فرآیندی سبزتر با انرژی کمتر و کربن خنثی است.
دکتر یانگ یانگ گفت: "در سنگاپور، لجن کاربید به عنوان مواد زائد دیده می شود. با این حال، ماده اولیه خوبی برای تولید بیوسمان است. با استخراج کلسیم از لجن کاربید، ما تولید را پایدارتر می کنیم زیرا نیازی به استفاده از موادی مانند سنگ آهک که باید از کوه استخراج شود، نیست."
پروفسور چو افزود: "سنگ آهک یک منبع محدود است، وقتی تمام شود، از بین می رود. علاوه بر این، استخراج سنگ آهک بر محیط طبیعی و اکوسیستم ما نیز تأثیر می گذارد.»
تیم تحقیقاتی می‌گوید که اگر بتوان تولید بیوسمان را تا سطوح سیمان‌سازی سنتی مقیاس‌بندی کرد، هزینه کلی تولید آن در مقایسه با سیمان معمولی کمتر خواهد بود، که این امر باعث می‌شود سیمان زیستی هم سبزتر و هم جایگزین ارزان‌تر برای سیمان باشد.
بازسازی بناهای تاریخی و تقویت خطوط ساحلی
مزیت دیگر روش تیم تحقیقاتی NTU در فرمولاسیون بیوسمان این است که هم محلول کشت باکتریایی و هم محلول سیمان سازی بی رنگ هستند. زمانی که روی خاک، ماسه یا سنگ اعمال می شود، رنگ اصلی آنها حفظ می شود.
این امر آن را برای بازسازی بناهای تاریخی و مصنوعات صخره ای قدیمی کاربردی می کند. برای مثال، دکتر یانگ یانگ از بیوسمان برای تعمیر بناهای قدیمی بودا در چین استفاده کرده است. سیمان زیستی را می توان برای مهر و موم کردن شکاف ها در بناهای تاریخی ترک خورده استفاده کرد. این سیمان، برای بازسازی قطعات شکسته شده نیز مانند انگشتان دست بودا به کار رفته است. از آنجایی که این محلول بی رنگ می باشد، بناهای تاریخی رنگ اصلی خود را حفظ می کنند و کار مرمت را به تاریخ وفادار نگه می دارند.
با همکاری آژانس‌های ملی مربوطه در سنگاپور، محققان در حال آزمایش بیوسمان جدید خود در پارک ساحل شرقی این کشور هستند، جایی که از آن برای تقویت شن‌های ساحل استفاده می‌شود. با پاشیدن محلول های بیوسمان بر روی ماسه، یک پوسته سخت تشکیل می شود که از شسته شدن شن و ماسه به دریا جلوگیری می کند.
این تیم همچنین در حال بررسی کاربردهای دیگر آن، در مقیاس بزرگ تر در این کشور هستند، مانند تعمیر جاده با آب بندی شکاف ها در جاده ها، آب بندی شکاف ها در تونل های زیرزمینی برای جلوگیری از نشت آب، یا حتی به عنوان زمین های کشت برای صخره های مرجانی.