دانشمندان با استفاده از مدفوع انسان بتن ساختند
به گزارش خبرگزاری آنا، به نقل از «ساینسآلرت» (ScienceAlert)؛ فرآیند حرارت دادن و فرآوری سنگ آهک برای تولید سیمان، یکی از مهمترین منابع انتشار دیاکسید کربن در جهان است؛ بنابراین، قابل درک است که دانشمندان به دنبال راههایی برای کاهش این مشکل بودهاند.
اکنون، پژوهشگرانی به سرپرستی راگووش تیوارای، مهندس عمران از دانشگاه مانیپال جیپور در هند، ممکن است به راهحلی مبتکرانه دست یافته باشند که با یک تیر، دو مشکل زیستمحیطی را هدف قرار میدهد.
دانشمندان این پژوهش در مقالهای که برای انتشار در نشریه «ساینتیفیک ریپورتز» (Scientific Reports) پذیرفته شده است، اینطور مینویسند:
«افزودن «بیوچار» (زغال زیستی) ساختهشده از دوغاب مدفوع انسانیِ فرآوریشده در تصفیهخانههای لجن مدفوع، «بهبودهای چشمگیری در ویژگیهای بتن ایجاد میکند».
بتن کاربرد فوقالعاده خود را مدیون ترکیبی از ویژگیهاست. این ماده در حالت خیس شکلپذیر است و میتوان آن را تقریباً به هر شکلی درآورد، اما پس از عملآوری به مادهای تبدیل میشود که به اندازه کافی استحکام دارد تا بارهای بسیار سنگین را تحمل کند و به اندازهای بادوام است که بتواند دههها (یا حتی هزارهها) دوام بیاورد. بتن معمولا از چند ماده با مقادیر مشخص ساخته میشود: ماسه، شن، آب و خود سیمان؛ که ماده اصلی آن عمدتا سنگ آهک است.
متأسفانه، این ترکیب مواد حساس است؛ تغییر تعادل میان آنها یا جایگزین کردن بخشی از سیمان با مادهای دیگر میتواند بتنی تولید کند که به اندازه بتن واقعی مستحکم یا بادوام نباشد. اگر بتن واقعا زیر فشار ترک بخورد، بهعنوان یک ماده ساختمانی چندان کاربردی نخواهد بود. یکی از جایگزینهای امیدوارکنندهتر برای سیمان، بیوچار است؛ مادهای غنی از کربن که از حرارت دادن مواد آلی در محیطی با اکسیژن کم تولید میشود.
مزیت بیوچار این است که میتوان آن را از انواع مختلف مواد آلی تولید کرد؛ و انسانها مقدار نسبتا زیادی ماده آلی تولید میکنند؛ هر فرد میتواند روزانه حدود ۴۰۰ گرم مدفوع تولید کند. این مقدار در سطح فردی چندان زیاد نیست، اما وقتی چند میلیون نفر چنین کاری انجام میدهند، شگفتآور است که سیستمهای فاضلاب ما تا این اندازه کارآمد هستند. به هر حال، تمام این تُنها مدفوع روزانه باید به جایی بروند و این همان جایی است که ارتباط میان این مسائل آغاز میشود.»
در هند، تصفیهخانههای لجن مدفوع برای مدیریت ایمن پسماند انسانی ایجاد شدهاند و این پسماند میتواند از طریق فرآیند پیرولیز به بیوچار تبدیل شود؛ بنابراین، پژوهشگران با خود فکر کردند: اگر خاکاره، چوب، پوسته برنج و دیگر انواع بیوچار در تولید بتن مؤثر هستند، چرا مدفوع نباشد؟
تیواری و همکارانش برای آزمایش این ایده، بیوچار حاصل از لجن مدفوع را از یک تصفیهخانه در وارنگال هند تهیه کردند.
بیوچار حاصل از لجن مدفوع قبل (چپ) و بعد از آسیاب و الک شدن برای استفاده در بتن. (تیواری و همکاران، مجله Scientific Reports، ۲۰۲۶)
برای تولید بیوچار، لجن مدفوع ابتدا خشک و سپس در محیطی با اکسیژن کم، در دمایی بین ۳۵۰ تا ۴۵۰ درجه سانتیگراد (۶۶۲ تا ۸۴۲ درجه فارنهایت) حرارت داده میشود تا بیوچار تولید شود. سپس بیوچار آسیاب و از الک عبور داده میشود تا به پودری ریز تبدیل شود.
پژوهشگران از این پودر برای جایگزین کردن مقادیر مختلفی از سیمان، یعنی ۵، ۱۰ و ۱۵ درصد، در بتن معمولی استفاده کردند و سپس بتن حاصل از مدفوع را تحت مجموعهای از آزمایشها قرار دادند تا ببینند تا چه اندازه در برابر عوامل مختلف مقاومت میکند؛ و باورکردنی نیست، اما مقدار کمی مدفوع باعث شد بتن عملکرد بهتری داشته باشد.
پژوهشگران میزان جمعشدگی، مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، جذب آب و تخلخل ترکیبات مختلف بتن خود را اندازهگیری کردند و اینجا بود که نتایج واقعا جالب شد.
مستحکمترین بتن زمانی تولید شد که ۵ درصد از سیمان با بیوچار مدفوع جایگزین شده بود
اما بتن حاصل از مدفوع یک ویژگی جالب دیگر هم داشت: این بتن در هنگام عملآوری همچنان به افزایش قابلتوجه مقاومت خود ادامه میداد. پژوهشگران گزارش میکنند که پس از ۹۱ روز، ترکیب حاوی ۵ درصد بیوچار، بهطور میانگین افزایش ۲۰ درصدی در مقاومت فشاری و ۳۶ درصدی در مقاومت خمشی را ثبت کرده بود. در صورت جایگزینی ۱۰ درصد از سیمان، این افزایشها حتی بیشتر بود: ۲۱ درصد برای مقاومت فشاری و رقم چشمگیر ۴۲ درصد برای مقاومت خمشی. به نظر نمیرسید افزایش مقاومت بتن حاصل از مدفوع، به قیمت افت عملکرد آن در برخی دیگر از ویژگیهایی تمام شده باشد که تیم پژوهشی آزمایش کرده بود.
در سطح ۵ درصد، این بتن عموما آب کمتری جذب میکرد و تخلخل آن نیز کمتر از بتن معمولی بود، در حالی که جمعشدگی آن هنگام خشک شدن نیز کمتر بود. در سطح ۱۰ درصد، عملکرد آن در مجموع با بتن معمولی قابل مقایسه باقی ماند.
چیزی به نام «مدفوع بیش از حد» هم وجود دارد
با جایگزینی ۱۵ درصد از سیمان، بتن همچنان در جریان عملآوری مستحکمتر میشد، اما مقاومت کلی آن از انواع حاوی ۵ و ۱۰ درصد بیوچار کمتر بود.
چرا افزودن مقدار کمی مدفوع باعث مستحکمتر شدن بتن میشود؟
پژوهشگران معتقدند چندین اثر در کنار یکدیگر عمل میکنند. نخست اینکه بیوچار مدفوع بسیار متخلخل است و پر از حفرههای بسیار ریزی است که میتوانند آب را جذب کنند و بهتدریج، همزمان با عملآوری بتن، آن را آزاد کنند.
این امر عملا ذرات بیوچار را به مخازن داخلی بسیار کوچکی تبدیل میکند و باعث میشود آب برای واکنشهای شیمیاییای که سیمان را سخت و مستحکم میکنند، در دسترس باقی بماند. اما مدفوع فقط برای نگهداشتن آب آنجا نیست.
بیوچار سرشار از سیلیس است؛ مادهای که میتواند با ترکیبات تولیدشده در جریان عملآوری سیمان واکنش دهد و مقدار بیشتری از سیلیکاتهای کلسیم را تشکیل دهد؛ ترکیباتی که به ایجاد استحکام در بتن کمک میکنند. به عبارت دیگر، این ماده دارای خاصیت پوزولانی است؛ یعنی در همان دسته کلی از واکنشهای شیمیایی قرار میگیرد که بهطور مشهور در بتن باستانی روم مورد استفاده قرار گرفتهاند، با این تفاوت که اینجا، خب، به جای مواد آتشفشانی مورد استفاده رومیها، مدفوع انسان به کار رفته است. در نهایت، ذرات ریز بیوچار میتوانند فضاهای خالی موجود در بتن را پر کنند و نحوه قرار گرفتن و بههمپیوستن مواد تشکیلدهنده آن را بهبود بخشند.
پژوهشگران در واقع توانستند نتیجه این فرآیند را زیر میکروسکوپ مشاهده کنند. بتن حاوی ۵ درصد بیوچار، ساختاری متراکمتر و با پیوندهای محکمتر نسبت به بتن معمولی داشت اما در سطح ۱۵ درصد، این ساختار شروع به تخریب کرد و منافذ، ترکها و نواحی با پیوند ضعیف بیشتری پدیدار شدند.
ساخت آسمانخراشها با بتن حاصل از مدفوع هنوز ایدهای دور است
پژوهشگران اشاره میکنند که برای ارزیابی عملکرد این ماده در شرایط واقعی، از جمله چرخههای یخزدگی و ذوب، شوری و دماهای شدید، به تحقیقات بیشتری نیاز است. موضوع تجمع فلزات سنگین نیز مطرح است؛ مشکلی که در لجن فاضلاب شناختهشده است. محبوس کردن فلزات سنگین بالقوه مضر در بتن میتواند یک مزیت باشد، اما مشخص نیست این فلزات تا چه اندازه در بتن محبوس باقی خواهند ماند یا اینکه آیا به مرور زمان از آن خارج خواهند شد.
این مطالعه همچنین تأثیر این روش بر انتشار کربن را ارزیابی نکرده است. با این حال، جایگزین کردن حتی بخشی از سیمان موجود در بتن با مادهای که از جریانی از پسماند تولید میشود که انسانها در مقادیر پایانناپذیر تولید میکنند، میتواند بالقوه دو مشکل را بهطور همزمان هدف قرار دهد؛ و اگر یک چیز وجود داشته باشد که بتوانیم روی تولید آن توسط انسانها در مقادیر زیاد و بهطور مستمر حساب کنیم، قطعا آن چیز مدفوع است.
انتهای پیام/
