A Mini Review of Direct Aqueous Carbonation of Calcium Carbide Residue and Ferrous Slag for Carbon Mineralization and Cementitious Applications

ينتج العالم كميات هائلة من النفايات الصناعية التي ينتهي بها المطاف غالباً في مكبات النفايات، مما يشغل مساحات واسعة ويؤدي أحياناً إلى تسرب مواد كيميائية ضارة إلى التربة والمياه. وفي الوقت نفسه، يؤدي حرق الوقود الأحفوري وإنتاج الإسمنت إلى إطلاق كميات ضخمة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، مما يدفع بتغير المناخ. لطالما بحث العلماء عن طرق لتحويل هاتين المشكلتين إلى حل واحد: وهو التقاط ثاني أكسيد الكربون وحبسه داخل مواد صلبة. وتتضمن إحدى الطرق الواعدة عملية تسمى "المعدنة" (mineralization)، حيث يتم تمرير غاز ثاني أكسيد الكربون عبر خليط مائي يحتوي على نفايات صناعية. يتفاعل الغاز مع المعادن الموجودة في النفايات لتكوين صخور صلبة ومستقرة، مما يحبس الكربون للأبد بشكل فعال. لا يقلل هذا النهج من غازات الاحتباس الحراري فحسب، بل يحول أيضاً النفايات عديمة الفائدة إلى شيء قد يكون مفيداً للبناء.

وقد استرعى انتباه هذا المجال نوعان محددان من النفايات الصناعية. الأول هو بقايا كربيد الكالسيوم، وهو منتج ثانوي لصناعة غاز الأسيتيلين، وهو غني بمركب يتفاعل بسهولة مع ثاني أكسيد الكربون. والثاني هو "الخبث" (slag)، وهي مادة زجاجية متبقية من صناعة الصلب والحديد. وبينما يحمل كلا المادتين وعوداً، إلا أن لكل منهما عيباً رئيسياً عند معالجته بمفرده؛ فالنفايات الغنية بالكالسيوم تتفاعل بسرعة كبيرة لدرجة أنها تغلف نفسها بطبقة صلبة من الكربونات، مما يعيق المزيد من التفاعل ويترك جزءاً كبيراً من المادة دون تحويل. أما خبث الصلب، فمن ناحية أخرى، يتفاعل ببطء شديد لدرجة أنه لا يتغير تقريباً. وتستعرض مراجعة جديدة للباحث "فون آلان زوم" كيف يمكن لدمج هاتين النفايتين أن يحل كلتا المشكلتين، محولاً طريقاً مسدوداً كيميائياً إلى مسار قابل للتطبيق لتنظيف الهواء وإنشاء مواد بناء جديدة.

تلخص المراجعة الدراسات الحديثة لتشرح ما يحدث عندما يتم خلط هاتين النفايتين معاً في الماء قبل إدخال ثاني أكسيد الكربون. فعندما تُعالج بقايا كربيد الكالسيوم بمفردها، يبدأ التفاعل بسرعة ولكنه يتوقف فجأة؛ إذ يذوب ثاني أكسيد الكربون في الماء ويهاجم سطح جزيئات النفايات، مكوناً غلافاً من كربونات الكالسيوم الصلبة. يعمل هذا الغلاف مثل درع واقٍ، مما يمنع ثاني أكسيد الكربون من الوصول إلى المادة الطازجة في الداخل ويوقف التفاعل قبل اكتماله. وفي المقابل، يتكون خبث الصلب من بنية زجاجية معقدة تحتفظ بمعادنها بإحكام، مما يجعل من الصعب جداً على ثاني أكسيد الكربون سحبها لتكوين صخور جديدة. والنتيجة هي أن معالجة أي من المادتين بمفرده هي عملية غير فعالة، مما يترك الكثير من إمكانات تخزين الكربون دون استغلال.

ومع ذلك، عندما يخلط الباحثون بقايا كربيد الكالسيوم مع خبث الصلب أو الحديد، تتغير العملية برمتها. وتوضح المراجعة أن المادتين تعملان معاً بطريقة تتجاوز مشكلة الانسداد؛ إذ تذوب النفايات الغنية بالكالسيوم بسرعة، مطلقة أيونات الكالسيوم في الماء. وبدلاً من أن تصطدم هذه الأيونات فوراً بثاني أكسيد الكربون وتكون غلافاً على نفايات الكالسيوم نفسها، فإنها تنتقل عبر الماء وتستقر على سطح جزيئات الخبث، وهناك تتفاعل لتكوين صخور كربونات صلبة. هذا التحول في الموقع أمر بالغ الأهمية؛ فمن خلال نقل تكوين الصخر الصلب بعيداً عن نفايات الكالسيوم، يعمل الخبث كمنطقة هبوط آمنة، مما يمنع نفايات الكالسيوم من التغلف والانسداد. وهذا يسمح لنفايات الكالسيوم بالاستمرار في الذوبان والتفاعل حتى تُستهلك بالكامل تقريباً، بينما يصبح الخبث، الذي كان خاملاً سابقاً، مشاركاً نشطاً في العملية.

وجد الباحثون أن هذه الشراكة تعتمد بشكل كبير على الظروف المحددة للتفاعل، مثل درجة الحرارة، وكمية الغاز المستخدم، وكمية الماء المختلطة مع النفايات. فلا يوجد "إعداد مثالي" واحد يصلح لكل خليط؛ فإذا كانت كمية الماء قليلة جداً، يصبح الخليط سميكاً للغاية بحيث يصعب خلطه، وإذا كانت كمية الماء كبيرة جداً، تصبح المواد الكيميائية مخففة جداً بحيث لا تتفاعل بفعالية. وبالمثل، بينما تعمل المياه الدافئة عموماً على تسريع التفاعل، إلا أنها قد تجعل ذوبان الغاز أقل كفاءة، مما يخلق حالة من المقايضة. وتقترح المراجعة أن النهج الأفضل هو موازنة هذه العوامل بعناية لكل نوع محدد من النفايات، بدلاً من محاولة تطبيق قاعدة عالمية. والهدف هو الحفاظ على حركة التفاعل سريعة بما يكفي لتكون فعالة، ولكن بطيئة بما يكفي لتجنب انسداد النظام قبل الأوان.

بمجرد اكتمال عملية الكربنة، يمكن استخدام المادة الصلبة الناتجة كبديل للإسمنت في الخرسانة والملاط. وتحلل المراجعة كيفية أداء هذه المواد الجديدة عند خلطها في منتجات البناء. وتشير النتائج إلى أن النفايات المتكربنة تعمل أساساً كمادة مالئة ومعينة للإسمنت ليتصلب، بدلاً من كونها مادة رابطة كيميائية قوية بحد ذاتها. وعند استخدامها بكميات صغيرة، تتراوح عادة بين عشرة إلى عشرين بالمائة من الخليط الإجمالي، يمكنها في الواقع تحسين القوة المبكرة للخرسانة؛ ويحدث هذا لأن الجزيئات الصلبة الصغيرة توفر سطحاً يبدأ الإسمنت بالنمو عليه، مما يسرع عملية التصلب. ومع ذلك، إذا تمت إضافة الكثير من النفايات المتكربنة، فإنها تخفف الإسمنت النشط، وتنخفض قوة المنتج النهائي. كما أن شكل وحجم الجزيئات يهمان أيضاً؛ فبعض أشكال الصخور الصلبة تساعد الخليط على التدفق بشكل أفضل، بينما تجعل أشكال أخرى الخليط صلباً وصعب التعامل معه.

وعلى الرغم من هذه النتائج الواعدة فيما يتعلق بالقوة وقابلية التشغيل، تشير المراجعة إلى وجود فجوة كبيرة في معرفتنا فيما يتعلق بالسلامة طويلة الأمد لهذه المواد. فبينما تعد المواد الصلبة الجديدة مستقرة وصلبة، لم تختبر أي دراسات بعد مدى صمودها أمام الظروف القاسية مثل المياه المالحة، أو الأمطار الحمضية، أو دورات التجمد والذوبان في فصل الشتاء. ومن غير المعروف ما إذا كانت الخرسانة المصنوعة من هذه المواد ستدوم بنفس طول عمر الخرسانة التقليدية، أو ما إذا كانت قد تتشقق أو تتدهور بمرور الوقت. وتخلص المراجعة إلى أنه على الرغم من أن طريقة خلط هذه النفايات لالتقاط الكربون سليمة علمياً وفعالة ميكانيكياً، إلا أنه لا يمكن اعتمادها على نطاق واسع في قطاع البناء حتى تتم الإجابة على أسئلة المتانة هذه. ويتطلب المسار المستقبلي مزيداً من البحث لضمان أن تظل مباني المستقبل، المصنوعة من نفايات اليوم، آمنة وقوية لعقود قادمة.