Carbonation-Based Recycling of Concrete Wash Water for Pollution Control and CO 2 Sequestration

في كل مرة يتم فيها غسل شاحنة خرسانة بعد انتهاء يوم عمل، فإنها تقذف مزيجاً من الماء والرمل وبقايا الإسمنت. هذا المزيج، المعروف باسم مياه غسيل الخرسانة، يمثل مشكلة كبيرة لصناعة البناء. فهو شديد القلوية، مما يعني أنه عدواني كيميائياً، وإذا تم التخلص منه دون معالجة، يمكنه تسميم الأنهار والبحيرات. لعقود من الزمن، كان الممارسة القياسية هي إما إلقاء هذا المزيج السام أو تخفيفه بمياه شرب عذبة لجعله آمناً بما يكفي لإعادة استخدامه في خرسانة جديدة. لكن التخفيف هو عملية هدر، وغالباً ما تزال المياه تفسد جودة الخرسانة الجديدة، مما يجعلها أضعف أو يتسبب في جفافها بسرعة كبيرة. وفي الوقت نفسه، يبحث العالم عن طرق لالتقاط ثاني أكسيد الكربون، وهو الغاز المحرك لتغير المناخ، وحبسه بأمان. والخرسانة، وهي أكثر مواد البناء استخداماً على وجه الأرض، هي بالفعل مصدر رئيسي لانبعاثات الكربون، لكن لديها أيضاً قدرة خفية على امتصاص الكربون من خلال عملية كيميائية طبيعية تسمى الكربنة.

لقد ربط فريق من الباحثين في جامعة هواكياو في الصين بين هاتين المشكلتين، مقترحين طريقة لتحويل مياه الغسيل إلى أداة لتنقية الهواء. فقد طوروا طريقة لضخ ثاني أكسيد الكربون مباشرة في مياه الغسيل المتسخة. هذه العملية، التي يسمونها الكربنة المتسارعة، تجبر ثاني أكسيد الكربون على التفاعل مع جزيئات الإسمنت المعلقة في الماء. والنتيجة هي تحول للنفايات: يتحول المزيج السائل السام ذو الرقم الهيدروجيني المرتفع إلى سائل متعادل مليء بجزيئات معدنية دقيقة وغير ضارة. ثم اختبر الباحثون ما إذا كان يمكن استخدام هذه المياه المعالجة لخلط مونة إسمنتية جديدة. ووجدوا أن المياه لم تكتفِ فقط بتنظيف النفايات، بل حسنت المنتج النهائي فعلياً. فالمونة الجديدة كانت أقوى، وانكمشت بنسبة أقل أثناء جفافها، وتماسكت بشكل أفضل من المونة المصنوعة من مياه الصنبور العادية، بشرط استخدام المياه المعالجة بالنسب الصحيحة.

لفهم كيفية عمل ذلك، يجب النظر فيما يحدث داخل الخزان. بدأ الباحثون بنسخة محاكية لمياه الغسيل، تم إنشاؤها عن طريق خلط الإسمنت العادي بالماء وتركه لمدة ثلاث ساعات. قاموا بضخ هذا المزيج عبر وحدة متخصصة حيث حقنوا غاز ثاني أكسيد الكربون. ومع اختلاط الغاز بالسوائل، حدث تفاعل كيميائي؛ حيث ذاب ثاني أكسيد الكربون في الماء وتفاعل مع مركبات الكالسيوم من الإسمنت. هذا التفاعل استهلك المكونات القلوية الضارة التي جعلت الماء خطيراً على البيئة وخفض الرقم الهيدروجيني بشكل كبير. في الاختبارات المختبرية، انخفض الرقم الهيدروجيني من 12.38 إلى 6.49، رغم أن الباحثين أشاروا إلى أن العملية في الخرسانة الميدانية ستتوقف عادة عند رقم هيدروجيني يبلغ حوالي 8 للحفاظ على المتانة طويلة الأمد للمادة. خلال هذه العملية، تم حبس أو عزل ثاني أكسيد الكربون بفعالية داخل الماء كجزيئات معدنية صلبة. وقد قاس الباحثون ذلك عن طريق وزن الخزان؛ فمع تقدم التفاعل، اكتسب الماء كتلة لأنه امتص غاز ثاني أكسيد الكربون الثقيل. وفي أكثر اختباراتهم كفاءة، امتص النظام ثاني أكسيد الكربون بمعدل 18.6 جراماً في الدقيقة.

الجزيئات الصلبة الناتجة عن هذا التفاعل لم تكن هي نفسها الإسمنت الأصلي. وباستخدام مجاهر قوية وماسحات كيميائية، لاحظ الفريق أن البلورات الكبيرة الشبيهة بالإبر للإسمنت الأصلي قد اختفت. وفي مكانها، ظهرت أعداد هائلة من الجزيئات المستديرة الدقيقة جداً من كربونات الكالسيوم، وهو معدن يشبه الحجر الجيري أو الطباشير. كانت هذه الجزيئات الجديدة أصغر بكثير من حبيبات الإسمنت الأصلية، حيث تقلص متوسط الحجم من ما يقرب من 20 وحدة فلكية (AU) إلى 3 وحدات فقط. هذا التغيير في الحجم أمر بالغ الأهمية؛ فعندما استخدم الباحثون هذه المياه المعالجة لخلط مونة جديدة، عملت هذه الجزيئات الصغيرة جداً كحشوة فائقة النعومة، حيث انزلقت في الفجوات الصغيرة بين حبيبات الإسمنت الأكبر، مما أدى إلى حشو المادة بإحكام وجعلها أكثر كثافة. وهذا التكثيف هو ما منح المونة الجديدة قوتها المحسنة.

كشفت اختبارات الأداء عن قصة معقدة ولكنها واعدة. فعندما استبدل الباحثون كل المياه العذبة في خليط المونة بهذه المياه المعالجة بالكامل، أصبح الخليط أصعب في التعامل معه؛ إذ قلّت سيولته، وهي مشكلة لعمال البناء الذين يحتاجون إلى أن تكون الخرسانة سائلة بما يكفي للصب والفرد. ومع ذلك، كانت المادة الصلبة النهائية أفضل بكثير. فالمونة المصنوعة من المياه المعالجة انكمشت بنسبة أقل بـ 52.9 بالمائة مقارنة بالمجموعة الضابطة المصنوعة من مياه الصنبور، مما يعني أنها أقل عرضة للتشقق أثناء الجفاف. كما زادت قدرتها على مقاومة قوى السحق بنسبة 13.0 بالمائة بعد 28 يوماً. ووجد الباحثون أيضاً أن المياه المعالجة غيرت طريقة تصلب الإسمنت؛ فقد جعلت المونة تبدأ في التصلب بشكل أسرع في البداية، لكنها استغرقت وقتاً أطول للوصول إلى حالتها النهائية المتصلبة تماماً. كان هذا السلوك مختلفاً عن استخدام مياه الغسيل غير المعالجة، والتي جعلت الخرسة تتصلب بسرعة كبيرة وأدت غالباً إلى منتج نهائي أضعف.

لإيجاد النقطة المثالية للاستخدام في العالم الحقيقي، اختبر الفريق كميات مختلفة من المياه المعالجة ممزوجة بالمياه العذبة. واكتشفوا أنه إذا استبدلوا أكثر من نصف المياه العذبة بالنسخة المعالجة، يصبح الخليط صلباً للغاية وتنخفض القوة النهائية دون المعايير المقبولة. ومع ذلك، عندما استبدلوا ما يصل إلى 50 بالمائة من المياه العذبة، استوفت المونة جميع متطلبات الأداء اللازمة؛ حيث كانت تتدفق بشكل كافٍ للبناء، وانكمشت قليلاً جداً، وكانت أقوى من الخليط القياسي. وهذا يشير إلى أن موقع البناء يمكنه إعادة تدوير نصف احتياجاته من المياه من تدفق نفاياته الخاصة مع التقاط ثاني أكسيد الكربون في الوقت نفسه، دون المساس بجودة مادة البناء.

عمل الباحثون أيضاً على إتقان الآلة التي تقوم بعملية الكربنة. استخدموا طريقة إحصائية لاختبار كيف تؤثر ثلاثة إعدادات مختلفة على سرعة امتصاص الماء للغاز: كمية الإسمنت في الماء، وسرعة تدفق الغاز، ودرجة حرارة نظام التبريد. ووجدوا أن العملية تولد الكثير من الحرارة، وإذا ارتفعت درجة حرارة الماء كثيراً، يصبح من الصعب على الغاز الذوبان. ومن خلال الموازنة بعناية بين هذه العوامل، قاموا بتحسين النظام لالتقاط ثاني أكسيد الكربون بكفاءة أعلى بنسبة 14.1 بالمائة من اختباراتهم الأولية. تضمنت أفضل الظروف نسبة محددة من الإسمنت إلى الماء، وتدفقاً عالياً للغاز، ودرجة حرارة باردة جداً تبلغ 2.7 درجة مئوية.

توضح هذه الدراسة مساراً قابلاً للتطبيق أمام صناعة الخرسانة، حيث تحول منتجاً من النفايات الخطرة إلى مورد لكل من التحكم في التلوث وتخزين الكربون. لا تتطلب هذه العملية مواد كيميائية غريبة أو بنية تحتية ضخمة جديدة؛ بل تعتمد على تفاعل كيميائي يمكن إدارته باستخدام معدات قياسية. وبينما ركز العمل الحالي على المونة، وهي نسخة أبسط من الخرسانة، يقر الباحثون بأن الخطوة التالية هي اختبار هذه الطريقة مع الخرسانة كاملة النطاق التي تتضمن الحصى والرمل. كما يشيرون أيضاً إلى أن المتانة طويلة الأمد للمباني المصنوعة من هذه المياه المعاد تدويرها تحتاج إلى مزيد من البحث. ومع ذلك، فإن النتيجة الجوهرية واضحة: من خلال ضخ ثاني أكسيد الكربون عبر مياه الغسيل المتسخة، يمكن تحييد التلوث، والتقاط غاز الاحتباس الحراري، وإنشاء مادة بناء أقوى وأكثر متانة. لم تعد مياه الغسيل مجرد مشكلة يجب التخلص منها، بل أصبحت وعاءً لتنقية الهواء وبناء مستقبل أفضل.