به گزارش تیم خبری سوشال پورت

محققان دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور روش جدیدی برای تولید سیمان از زباله پیدا کردند.

ساخت بیوسمان تجدیدپذیر به طور کامل از زباله

سیمان چسبی است که در ساخت و ساز استفاده می شود که سخت می شود، گیر می کند و به مواد دیگر می چسبد و آنها را به هم می چسباند. هنگامی که ماسه و شن با سیمان ترکیب می شوند، بتن به دست می آید. سیمان به دو دسته هیدرولیک یا غیر هیدرولیک طبقه بندی می شود که سیمان غیر هیدرولیک در مجاورت آب گیر نمی کند، در حالی که سیمان هیدرولیک نیاز به واکنش شیمیایی بین مواد خشک و آب دارد.

سیمان یکی از پرکاربردترین مواد روی کره زمین است. مصرف سیمان آمریکا در سال 2021 حدود 109 میلیون تن برآورد شده است.

تولید سیمان در تمام مراحل فرآیند تولید تاثیرات زیست محیطی دارد. برخی از نمونه ها عبارتند از آلاینده های موجود در هوا به شکل گرد و غبار، دود، صدا و ارتعاش ناشی از تجهیزات و انفجار در معادن و آسیب های مناظر ناشی از استخراج.

دانشمندان دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور (NTU سنگاپور) راهی برای تولید بیوسمان از زباله ها کشف کرده اند که جایگزینی برای سیمان سنتی سازگارتر با محیط زیست و پایدارتر می کند.

سیمان زیستی نوعی سیمان تجدیدپذیر است که از باکتری ها برای ایجاد واکنش سخت شدنی استفاده می کند که خاک را به یک بلوک جامد متصل می کند.

دانشمندان NTU سیمان زیستی را از دو محصول ضایعات رایج ایجاد کردند: لجن کاربید صنعتی و اوره (از ادرار پستانداران).

آنها روشی را برای تشکیل یک جامد یا رسوب از برهمکنش اوره با یون های کلسیم در لجن کاربید صنعتی ابداع کردند. هنگامی که این واکنش در خاک رخ می دهد، رسوب ذرات خاک را به هم متصل می کند و شکاف های بین آنها را پر می کند و در نتیجه توده خاک فشرده می شود. نتیجه یک بلوک بیوسمان قوی، بادوام و کمتر نفوذپذیر است.

تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور چو جیان، رئیس دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، در یک مقاله تحقیقاتی اثبات مفهوم که در 22 فوریه 2022 منتشر شد، نشان داد. مجله مهندسی شیمی محیط زیست که سیمان زیستی آنها پتانسیل این را دارد که روشی پایدار و مقرون به صرفه برای بهبود خاک باشد، به عنوان مثال، برای تثبیت خاک برای استفاده در ساخت و ساز یا کارهای خاکی، کنترل فرسایش ساحل، کاهش گرد و غبار یا فرسایش بادی در بیابان، یا ساخت و ساز. مخازن آب شیرین در سواحل یا در صحرا.

وو شیفانگ چو جیان

(از چپ به راست) دکتر وو شیفان، پژوهشگر ارشد، مرکز راه حل های شهری، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست NTU، و پروفسور چو جیان، رئیس دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست NTU، بلوک های بیوسمان لجن اوره و کاربید را نگه می دارند. عکس: دانشگاه فنی نانیانگ، سنگاپور.

همچنین می تواند به عنوان یک دوغاب زیستی برای مهر و موم کردن ترک های سنگ برای جلوگیری از نشت و حتی لمس و تعمیر آثار تاریخی مانند نقاشی های غار و مجسمه ها استفاده شود.

پروفسور چو، که همچنین مدیر مرکز راه حل های شهری NTU است، گفت: «بیوسمان یک جایگزین پایدار و تجدیدپذیر برای سیمان سنتی است و پتانسیل زیادی برای استفاده در پروژه های ساختمانی که نیاز به کشت زمین دارند، دارد. “تحقیق ما با استفاده از دو نوع زباله به عنوان مواد خام، بیوسمان را پایدارتر می کند. در دراز مدت، این نه تنها هزینه تولید بیوسمان را کاهش می دهد، بلکه هزینه دفع زباله را نیز کاهش می دهد.

تحقیقات دانشمندان NTU از برنامه استراتژیک NTU 2025 پشتیبانی می کند که هدف آن رسیدگی به برخی از چالش های اصلی بشریت، از جمله کاهش تأثیر انسان بر محیط زیست با پیشبرد تحقیق و توسعه پایداری است.

ادرار، باکتری و کلسیم: یک دستور ساده بیوسمان

فرآیند تولید سیمان زیستی در مقایسه با روش‌های سنتی تولید سیمان به انرژی کمتری نیاز دارد و انتشار کربن کمتری تولید می‌کند.

بیوسمان تیم NTU از دو نوع زباله ساخته شده است: لجن کاربید صنعتی، ضایعات حاصل از تولید گاز استیلن از کارخانه های سنگاپور و اوره موجود در ادرار.

ابتدا تیم دوغاب کاربید را با آن پردازش می کند[{” attribute=””>acid to produce soluble calcium. Urea is then added to the soluble calcium to form a cementation solution. The team then adds a bacterial culture to this cementation solution. The bacteria from the culture then break down the urea in the solution to form carbonate ions.

These ions react with the soluble calcium ions in a process called microbially induced calcite precipitation (MICP). This reaction forms calcium carbonate – a hard, solid material that is naturally found in chalk, limestone, and marble.

Biocement Test Specimen

The test specimen of a Buddha hand was provided by Dazu Rock Carvings, a UNESCO World Heritage Site in China. Repair work using biocement was done at Chongqing University, China, by Dr. Yang Yang. The biocement solution is colorless, allowing restoration works to maintain the carving’s original color. Credit: Nanyang Technological University, Singapore

When this reaction occurs in soil or sand, the resulting calcium carbonate generated bonds soil or sand particles together to increase their strength and fills the pores between them to reduce water seepage through the material. The same process can also be used on rock joints, which allows for the repair of rock carvings and statues.

The soil reinforced with biocement has an unconfined compression strength of up to 1.7 megapascals (MPa), which is higher than that of the same soil treated using an equivalent amount of cement.

This makes the team’s biocement suitable for use in soil improvement projects such as strengthening the ground or reducing water seepage for use in construction or excavation or controlling beach erosion along coastlines.

Paper first author Dr. Yang Yang, a former NTU Ph.D. student and research associate at the Centre for Urban Solutions who is currently a postdoctorate fellow at Chongqing University, China, said: “The calcium carbonate precipitation at various cementation levels strengthens the soil or sand by gradually filling out the pores among the particles. The biocement could also be used to seal cracks in soil or rock to reduce water seepage.”

A sustainable alternative to cement

Biocement production is greener and more sustainable than the methods used to produce traditional cement.

“One part of the cement-making process is the burning of raw materials at very high temperatures over 1,000 degrees Celsius to form clinkers – the binding agent for cement. This process produces a lot of carbon dioxide,” said Prof Chu. “However, our biocement is produced at room temperature without burning anything, and thus it is a greener, less energy demanding, and carbon-neutral process.”

Dr. Yang Yang said: “In Singapore, carbide sludge is seen as waste material. However, it is a good raw material for the production of biocement. By extracting calcium from carbide sludge, we make the production more sustainable as we do not need to use materials like limestone which has to be mined from a mountain.”

Prof Chu added: “Limestone is a finite resource – once it’s gone, it’s gone. The mining of limestone affects our natural environment and ecosystem too.”

The research team says that if biocement production could be scaled to the levels of traditional cement-making, the overall cost of its production compared to that of conventional cement would be lower, which would make biocement both greener and cheaper alternative to cement.

Restoring monuments and strengthening shorelines

Another advantage of the NTU team’s method in formulating biocement is that both the bacterial culture and cementation solution are colorless. When applied to soil, sand, or rock, their original color is preserved.

This makes it useful for restoring old rock monuments and artifacts. For example, Dr. Yang Yang has used the biocement to repair old Buddha monuments in China. The biocement can be used to seal gaps in cracked monuments and has been used to restore broken-off pieces, such as the fingers of a Buddha’s hands. As the solution is colorless, the monuments retain their original color, keeping the restoration work true to history.

In collaboration with relevant national agencies in Singapore, the team is currently trialing their new biocement at East Coast Park, where it is being used to strengthen the sand on the beach. By spraying the biocement solutions on top of the sand, a hard crust is formed, preventing sand from being washed out to sea.

The team is also exploring further large-scale applications of their biocement in Singapore, such as road repair by sealing cracks on roads, sealing gaps in underground tunnels to prevent water seepage, or even as cultivation grounds for coral reefs as carol larvae like to grow on calcium carbonate.

Reference: “Utilization of carbide sludge and urine for sustainable biocement production” by Yang Yang, Jian Chu, Liang Cheng, Hanlong Liu, 22 February 2022, Journal of Environmental Chemical Engineering.
DOI: 10.1016/j.jece.2022.107443



منبع

لطفا ستاره بده (سمت چپ بیشترین امتیاز)
به اشتراک بگذارید:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.