Thermal activation of flexographic wastewater sludge and its influence on Portland cement hydration

في عالم البناء، تُعد الخرسانة المادة الأكثر استخداماً على وجه الأرض، وهي عبارة عن خليط من الماء والرمل والحجر ومسحوق خاص يسمى الإسمنت البورتلاندي الذي يعمل كلاصق. ولجعل هذه المادة أكثر استدامة وأقل تكلفة، غالباً ما يبحث المهندسون عن طرق لاستبدال جزء من مسحوق الإسمنت هذا بنفايات صناعية. والأمل يكمن في أن بعض النفايات، بمجرد تسخينها إلى درجات حرارة عالية، يمكن أن تتحول إلى مادة تفاعلية ترتبط كيميائياً بالإسمنت، مما يقوي المنتج النهائي مع إبقاء النفايات بعيداً عن المكبات. تعتمد هذه العملية على مفهوم يُسمى التفاعل البوزولاني، حيث تصبح المادة الغنية بالسيليكا والألومنيوم، عند تسخينها، متلهفة للتفاعل مع هيدروكسيد الكالسيوم الناتج أثناء تصلد الإسمنت. وإذا نجح الأمر، فإن هذا يحول مشكلة التخلص من النفايات إلى حل إنشائي. ومع ذلك، ليست كل النفايات متساوية، إذ يمكن للمزيج المعقد من المواد الكيميائية في بعض المنتجات الثانوية الصناعية أن يتصرف بطرق غير متوقعة عند خلطه مع الإسمنت، مما قد يعيق التفاعلات ذاتها التي يأمل المهندسون في تحفيزها.

لقد شرع باحثون في الأرجنتين في استقصاء نوع معين من النفايات الصناعية: وهي الحمأة المتبقية بعد تنظيف مياه الصرف الصحي الناتجة عن آلات الطباعة الفلكسوغرافية. هذه الحمأة عبارة عن خليط سميك وفوضوي من الأحبار المائية، والمواد اللاصقة، والمواد الكيميائية المستخدمة لفصل المواد الصلبة عن الماء. وهي تحتوي على كمية عالية من المواد العضوية ومزيج من المعادن، بما في ذلك الطين. وتساءل الفريق عما إذا كان بإمكانهم أخذ هذه الحمأة، وتجفيفها، وتسخينها في فرن لحرق "القاذورات" العضوية وتحويل الطين إلى مادة مضافة مفيدة للإسمنت. وقد اختبروا المادة عند درجات حرارة مختلفة، وتحديداً تسخين العينات إلى 550 درجة مئوية و700 درجة مئوية، لمعرفة ما إذا كان الحرارة ستخلق الهيكل الزجاجي التفاعلي المطلوب للارتباط بالإسمنت.

لق la عملية التسخين كما تمنى الباحثون تماماً من حيث التنظيف وتغيير البنية. فعند تسخين الحمأة، احترقت المواد العضوية، وفقدت معادن الطين جزيئات الماء الخاصة بها وانهارت إلى حالة غير منظمة وعشوائية. هذه الحالة الجديدة، المشابهة لمادة تُعرف باسم "الميتاكاولين"، هي عادةً المفتاح لجعل المنتج من النفايات مفيداً في الخرسانة. وقد أكد الفريق هذا التغيير من خلال فحص المادة تحت مجاهر قوية واستخدام التحليل الضوئي لرؤية كيف تغيرت روابطها الكيميائية. ووجدوا أن المادة قد تحولت بالفعل من حمأة عضوية رطبة إلى مسحوق جاف وتفاعلي ذي بنية قادرة على التفاعل مع الإسمنت.

ومع ذلك، عندما خلط الباحثون هذا المسحوق الساخن مع الإسمنت البورتلاندي والماء لاختبار أدائه الفعلي، كانت النتائج مفاجئة ومعقدة. فقد توقعوا أن تعمل المادة مثل أي بوزولان تقليدي، بحيث تستهلك كيميائياً هيدروكسيد الكالسيوم الناتج عن الإسمنت وتساعد الخرسانة على التصلد بشكل أسرع أو أقوى. وبدلاً من ذلك، أظهرت الاختبارات أن المادة لم تتصرف كبوزولان حقيقي. ورغم أن المسحوق كان يمتلك البنية الداخلية المناسبة للتفاعل، إلا أنه فشل في الاختبارات الكيميائية القياسية المستخدمة لإثبات النشاط البوزولاني. ولم يكن السبب في ذلك أن المادة كانت خاملة أو عديمة الفائدة، بل لأنها كانت نشطة للغاية بطريقة مختلفة؛ فقد أطلقت الحمأة المسخنة أيونات الكالسيوم والهيدروكسيد الخاصة بها في مزيج الماء، مما أغرق المحلول بالمواد الكيميائية ذاتها التي كان من المفترض أن تستهلكها. هذا التدفق من المواد الكيميائية الإضافية حجب أي قدر ضئيل من التفاعل الذي قد يكون يحدث، مما جعل من المستحيل على المادة اجتياز الاختبارات القياسية لكونها مادة مضافة تفاعلية للإسمنت.

وعلى الرغم من فشلها في الاختبارات الكيميائية للبوزولانية، لم تكن المادة مجرد مادة مالئة خاملة. فعندما درس الباحثون كيفية تصلد الإسمنت بمرور الوقت باستخدام أدوات قياس حرارية حساسة، وجدوا أن الحمأة تغير بالفعل سرعة وكثافة التفاعل. وعند مستوى خلط محدد بنسبة استبدال عشرة بالمائة، ساهمت المادة في جعل الإسمنت يطلق مزيداً من الحرارة خلال المراحل المبكرة من التصلد، مما يشير إلى أنها تساعد التفاعل بطريقة ما. ومن المرجح أن هذا الارتفاع في النشاط يعود إلى الوجود الفيزيائي لجسيمات المسحوق التي تعمل كأسطح يمكن للإسمنت أن يبدأ النمو عليها، بدلاً من وجود رابط كيميائي عميق. بدا الإسمنت المتصلد النهائي مشابهاً جداً للإسمنت العادي تحت المجهر، مع امتلاكه لنفس اللبنات الأساسية الرئيسية، لكن المسار للوصول إلى تلك الحالة كان مختلفاً قليلاً.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما ينجح تسخين حمأة الطباعة الفلكسوغرافية في تنظيفها وتغيير هيكلها، إلا أنه لا يحولها إلى مكون تفاعلي قياسي للإسمنت. المادة ليست عديمة الفائدة، فهي تغير بوضوح سلوك الإسمنت، لكن تفاعلها محكوم أكثر بالوجود الفيزيائي للجسيمات والأيونات التي تطلقها في الماء بدلاً من التفاعل الكيميائي الذي يبحث عنه المهندسون عادةً. وتعد هذه النتيجة مهمة لأنها تظهر أن ليس كل النفايات الصناعية يمكن الحكم عليها بنفس القواعد. فقد تبدو المادة مثالية على الورق وتتحول بشكل رائع تحت الحرارة، ومع ذلك تفشل في العمل كشريك كيميائي حقيقي للإسمنت بسبب تركيبها الكيميائي الفريد. ويقترح الباحثون أنه بالنسبة لهذه النفايات الهجينة والمعقدة، نحتاج إلى النظر لما هو أبعد من الاختبارات البسيطة وفهم الصورة الكاملة لكيفية تفاعلها مع الإسمنت، مع الإدراك بأن قيمتها قد تكمن في تعديل العملية بدلاً من العمل كمكون تفاعلي تقليدي.