في اختراق جديد.. تحويل فضلات البشر إلى خرسانة بخصائص قوية

وتعد الخرسانة من أكثر مواد البناء استخداما في العالم، لكن إنتاج أحد مكوناتها الأساسية، وهو الأسمنت، يمثل مصدرا رئيسيا لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، بسبب الطاقة والحرارة اللازمتين لمعالجة الحجر الجيري.

ولهذا، يبحث الباحثون عن مواد يمكن أن تحل مكان جزء من الأسمنت من دون الإضرار بقوة الخرسانة ومتانتها. وفي هذا الإطار، اختبر فريق من الباحثين بقيادة المهندس المدني راغوفيش تيواري من جامعة مانيبال في جايبور بالهند، استخدام فحم حيوي مصنوع من حمأة الصرف الصحي في إنتاج الخرسانة.

وأظهرت النتائج، الواردة في ورقة بحثية قبلت للنشر في مجلة Scientific Reports، أن إضافة كميات محددة من هذا الفحم الحيوي حسنت عددا من خصائص الخرسانة.

من حمأة الصرف إلى الخرسانة

ينتج الفحم الحيوي عن طريق تسخين المواد العضوية في بيئة منخفضة الأكسجين. ويمكن تصنيعه من مصادر مختلفة، مثل نشارة الخشب وقشور الأرز، لكن الباحثين اختبروا هذه المرة مصدرا غير معتاد: حمأة الصرف الصحي الناتجة عن معالجة الفضلات البشرية.

وحصل الفريق على الحمأة من محطة معالجة في مدينة وارانغال بالهند، ثم جففها وسخنها عند درجات حرارة تراوحت بين 350 و450 درجة مئوية في بيئة منخفضة الأكسجين. وبعد ذلك، طحن المادة ونخلها للحصول على مسحوق ناعم من الفحم الحيوي.

استخدم الباحثون هذا المسحوق لاستبدال 5% و10% و15% من الأسمنت في خلطات الخرسانة، ثم قارنوا أداءها بالخرسانة التقليدية من خلال قياس مقاومة الضغط والانحناء، إضافة إلى امتصاص الماء والمسامية والانكماش.

الخرسانة الأقوى عند نسب محددة

إقرأ المزيد

اختراق تاريخي في الهندسة البيولوجية.. إنشاء أول خلية اصطناعية تتكاثر وتنمو

أظهرت الاختبارات أن أفضل النتائج تحققت عند استبدال جزء من الأسمنت بالفحم الحيوي بنسبة 5% أو 10%.

وبعد 91 يوما من المعالجة، زادت مقاومة الضغط في الخلطة التي تحتوي على 5% من الفحم الحيوي بنحو 20% في المتوسط، بينما ارتفعت مقاومة الانحناء بنحو 36%.

وعند رفع نسبة الاستبدال إلى 10%، بلغت الزيادة نحو 21% في مقاومة الضغط و42% في مقاومة الانحناء.

كما أظهرت الخرسانة التي تحتوي على 5% من الفحم الحيوي امتصاصا أقل للماء ومسامية أقل وانكماشا أقل أثناء الجفاف مقارنة بالخرسانة التقليدية. أما عند نسبة 10%، فظل أداؤها قريبا من أداء الخرسانة العادية في هذه الخصائص.

لكن زيادة نسبة الفحم الحيوي إلى 15% أدت إلى نتائج أقل جودة، إذ بقيت الخرسانة تكتسب القوة أثناء المعالجة، إلا أن قوتها الإجمالية انخفضت مقارنة بالخلطات التي احتوت على 5% و10%.

كيف أسهم الفحم الحيوي في زيادة القوة؟

يربط الباحثون هذه النتائج بعدة خصائص للفحم الحيوي. فمساميته العالية تسمح له بامتصاص الماء والاحتفاظ به ثم إطلاقه تدريجيا أثناء تصلب الخرسانة، ما يوفر المياه اللازمة للتفاعلات الكيميائية التي تساعد الأسمنت على اكتساب قوته.

كما يحتوي الفحم الحيوي على السيليكا، التي يمكن أن تتفاعل مع مركبات ناتجة عن تصلب الأسمنت لتكوين مزيد من سيليكات الكالسيوم، وهي من المواد التي تساهم في منح الخرسانة قوتها. وتعرف هذه التفاعلات بالخصائص البوزولانية.

إضافة إلى ذلك، يمكن للجزيئات الدقيقة من الفحم الحيوي أن تملأ بعض الفراغات داخل الخرسانة وتحسن تراص مكوناتها وترابطها.

وأكد الفحص المجهري هذه الفكرة، إذ أظهرت العينات التي تحتوي على 5% من الفحم الحيوي بنية أكثر كثافة وترابطا. وفي المقابل، ظهرت عند نسبة 15% مسام وشقوق ومناطق ترابط أضعف، وهو ما قد يفسر تراجع قوتها.

نتائج واعدة لكنها تحتاج إلى مزيد من الاختبارات

ورغم النتائج المشجعة، لا تزال هذه التقنية في مرحلة البحث، ولا يمكن اعتبارها جاهزة للاستخدام واسع النطاق في قطاع البناء.

ويحتاج الباحثون إلى اختبار أداء الخرسانة في ظروف واقعية، مثل دورات التجمد والذوبان، والتعرض للملوحة، ودرجات الحرارة القصوى.

كما تثير حمأة الصرف الصحي مسألة وجود المعادن الثقيلة، التي قد تبقى محبوسة داخل الخرسانة بعد استخدامها. ويحتاج الباحثون إلى التأكد من مدى استقرار هذا الحبس على المدى الطويل، وما إذا كانت هذه المعادن يمكن أن تتسرب إلى البيئة بمرور الوقت.

كذلك، لم تقيم الدراسة تأثير استخدام الفحم الحيوي المصنوع من الحمأة على إجمالي انبعاثات الكربون، وهو عامل أساسي لتحديد حجم الفائدة البيئية الفعلية لهذه الطريقة.

المصدر: ساينس ألرت

إقرأ المزيد

اكتشاف مثير عن أصل الحياة.. وآراء علمية متناقضة

أعاد باحثون من جامعة "هاينريش هاينه" في دوسلدورف بناء شبكة أيضية قديمة كانت مشتركة بين جميع الكائنات الحية المعاصرة.

اكتشاف معدن لا مثيل له في حطام قنبلة هيروشيما الذرية

بعد مرور 81 عاما على القصف الذري الذي دمر مدينة هيروشيما وأودى بحياة أكثر من 70 ألف شخص فورا، عثر العلماء على مادة لم تعرف من قبل داخل حبيبات رملية في شواطئ خليج هيروشيما.

مشروع روسي ضخم لإعادة تدوير الوقود النووي

تُعد مؤسسة "روساتوم" الحكومية مشروعا لإنشاء مجمع كيميائي إشعاعي كبير يقوم بإعادة تدوير الوقود النووي المستهلك وإعادة إدماج المواد الانشطارية في دورة الطاقة.