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

निर्माण की दुनिया में, कंक्रीट पृथ्वी पर सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सामग्री है, जो पानी, रेत, पत्थर और पोर्टलैंड सीमेंट नामक एक विशेष पाउडर का मिश्रण है जो गोंद के रूप में कार्य करता है। इस सामग्री को अधिक टिकाऊ और कम खर्चीला बनाने के लिए, इंजीनियर अक्सर उस सीमेंट पाउडर के कुछ हिस्से को औद्योगिक कचरे से बदलने के तरीकों की तलाश करते हैं। उम्मीद यह है कि कुछ कचरे, एक बार उच्च तापमान पर गर्म होने के बाद, एक ऐसी प्रतिक्रियाशील पदार्थ में बदल सकते हैं जो सीमेंट के साथ रासायनिक रूप से जुड़ सके, जिससे अंतिम उत्पाद मजबूत हो सके और कचरा लैंडफिल से बाहर रहे। यह प्रक्रिया 'पोज़ोलैनिक रिएक्टिविटी' (pozzolanic reactivity) नामक एक अवधारणा पर निर्भर करती है, जहाँ सिलिका और एल्युमीनियम से भरपूर एक सामग्री, गर्म होने पर, सीमेंट के सख्त होने के दौरान उत्पन्न होने वाले कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए उत्सुक हो जाती है। यदि सफल रहे, तो यह निपटान की समस्या को एक निर्माण समाधान में बदल देता है। हालाँकि, सभी कचरे समान नहीं होते हैं, और कुछ औद्योगिक उपोत्पादों में रसायनों का जटिल मिश्रण सीमेंट के साथ मिश्रित होने पर अप्रत्याशित व्यवहार कर सकता है, जो कभी-कभी उन्हीं प्रतिक्रियाओं में बाधा डाल सकता है जिन्हें इंजीनियर प्रोत्साहित करने की आशा करते हैं।

अर्जेंटीना के शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार के औद्योगिक कचरे की जांच करने का निर्णय लिया: फ्लेकोग्राफिक प्रिंटिंग प्रेस के अपशिष्ट जल की सफाई के बाद बचा हुआ कीचड़ (sludge)। यह कीचड़ पानी आधारित स्याही, एडहेसिव (adhesives) और पानी से ठोस पदार्थों को अलग करने के लिए उपयोग किए जाने वाले रसायनों का एक गाढ़ा, मैला मिश्रण है। इसमें कार्बनिक पदार्थों की उच्च मात्रा और मिट्टी सहित खनिजों का मिश्रण होता है। टीम ने सोचा कि क्या वे इस कीचड़ को सुखा सकते हैं और इसे उपयोगी सीमेंट योजज (additive) में बदलने के लिए कार्बनिक गंदगी को जलाने के लिए भट्टी में गर्म कर सकते हैं। उन्होंने सामग्री का विभिन्न तापमानों पर परीक्षण किया, विशेष रूप से नमूनों को 550 डिग्री सेल्सियस और 700 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया, यह देखने के लिए कि क्या गर्मी उस प्रतिक्रियाशील, कांच जैसी संरचना को बना सकती है जो सीमेंट के साथ जुड़ने के लिए आवश्यक है।

गर्म करने की प्रक्रिया शोधकर्ताओं की उम्मीदों के अनुसार सफाई और संरचना बदलने के मामले में बिल्कुल सटीक रही। जब कीचड़ को गर्म किया गया, तो कार्बनिक पदार्थ जल गए, और मिट्टी के खनिज अपने पानी के अणुओं को खो बैठे और एक अव्यवस्थित, अमोर्फस (amorphous) अवस्था में ढह गए। यह नई अवस्था, जो मेटालोकिन (metakaolin) नामक सामग्री के समान है, आमतौर पर कचरे को कंक्रीट के लिए उपयोगी बनाने की कुंजी होती है। टीम ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) का उपयोग करके और प्रकाश-आधारित विश्लेषण के माध्यम से यह पुष्टि की कि उनके रासायनिक बंधन कैसे बदल गए हैं। उन्होंने पाया कि सामग्री वास्तव में एक गीले, कार्बनिक कीचड़ से एक शुष्क, प्रतिक्रियाशील पाउडर में बदल गई है जिसकी संरचना सीमेंट के साथ परस्पर क्रिया करने में सक्षम है।

हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने इस गर्म पाउडर को पोर्टलैंड सीमेंट और पानी के साथ मिलाकर इसके वास्तविक प्रदर्शन का परीक्षण किया, तो परिणाम आश्चर्यजनक और जटिल थे। उन्हें उम्मीद थी कि यह सामग्री एक पारंपरिक पोज़ोलन (pozzolan) की तरह काम करेगी, जो सीमेंट द्वारा उत्पन्न कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड को रासायनिक रूप से सोख लेगी और कंक्रीट को तेजी से या अधिक मजबूत बनाने में मदद करेगी। इसके बजाय, परीक्षणों ने दिखाया कि सामग्री एक सच्चे पोज़ोलन की तरह व्यवहार नहीं करती है। भले ही पाउडर में प्रतिक्रिया करने के लिए सही आंतरिक संरचना थी, फिर भी यह पोज़ोलनिक गतिविधि को सिद्ध करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक रासायनिक परीक्षणों में विफल रही। इसका कारण यह नहीं था कि सामग्री निष्क्रिय या बेकार थी, बल्कि यह था कि वह एक अलग तरीके से बहुत अधिक सक्रिय थी। गर्म कीचड़ ने पानी के मिश्रण में अपने स्वयं के कैल्शियम और हाइड्रॉक्साइड आयनों को छोड़ दिया, जिससे उस घोल में उन रसायनों की बाढ़ आ गई जिन्हें उसे उपभोग करना चाहिए था। इन अतिरिक्त रसायनों के प्रवाह ने उस छोटी सी प्रतिक्रिया को भी ढक दिया जो शायद हो रही थी, जिससे सामग्री के एक प्रतिक्रियाशील सीमेंट योजक के रूप में गुजरने वाले मानक परीक्षणों में विफल होना असंभव हो गया।

रासायनिक परीक्षणों में पोज़ोलानिसिटी (pozzolanicity) के लिए विफल होने के बावजूद, सामग्री केवल एक निष्क्रिय फिलर (filler) नहीं थी। जब शोधकर्ताओं ने संवेदनशील ऊष्मा-मापन उपकरणों का उपयोग करके यह अध्ययन किया कि सीमेंट समय के साथ कैसे सख्त होता है, तो उन्होंने पाया कि कीचड़ ने प्रतिक्रिया की गति और तीव्रता को वास्तव में बदल दिया। दस प्रतिशत प्रतिस्थापन के एक विशिष्ट मिश्रण स्तर पर, सामग्री ने वास्तव में शुरुआती चरणों में सीमेंट को अधिक ऊष्मा छोड़ने में मदद की, जिससे पता चलता है कि वह किसी तरह से प्रतिक्रिया को आगे बढ़ाने में मदद कर रही है। इस बढ़ी हुई गतिविधि का कारण संभवतः पाउडर कणों की भौतिक उपस्थिति थी, जो सतहों के रूप में कार्य करते हैं जहाँ सीमेंट शुरू हो सकता है, न कि कोई गहरा रासायनिक बंधन। अंतिम कठोर सीमेंट सूक्ष्मदर्शी के नीचे नियमित सीमेंट के समान ही दिखता था, जिसमें मुख्य निर्माण खंड भी समान थे, लेकिन वहां तक पहुँचने का मार्ग थोड़ा अलग था।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि फ्लेकोग्राफिक प्रिंटिंग कीचड़ को गर्म करना इसे सफलतापूर्वक साफ करता है और इसकी संरचना को बदल देता है, लेकिन यह इसे एक मानक प्रतिक्रियाशील सीमेंट घटक में नहीं बदलता है। यह सामग्री बेकार नहीं है, क्योंकि यह स्पष्ट रूप से सीमेंट के व्यवहार को बदल देती है, लेकिन इसकी अंतःक्रिया (interaction) इंजीनियरों द्वारा आमतौर पर देखे जाने वाले रासायनिक प्रतिक्रिया के बजाय कणों की भौतिक उपस्थिति और पानी में छोड़े गए आयनों द्वारा नियंत्रित होती है। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दिखाता है कि सभी औद्योगिक कचरे का मूल्यांकन एक ही नियमों से नहीं किया जा सकता है। एक सामग्री कागज पर एकदम सही दिख सकती है और गर्मी के तहत खूबसूरती से बदल सकती है, फिर भी वह सीमेंट के लिए एक सच्चे रासायनिक साथी के रूप में कार्य करने में विफल हो सकती है क्योंकि इसकी अपनी अनूठी रासायनिक संरचना होती है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इस तरह के जटिल, हाइब्रिड कचरे के लिए, हमें सरल परीक्षणों से परे देखने और यह समझने की आवश्यकता है कि वे सीमेंट के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, यह पहचानते हुए कि उनका मूल्य एक पारंपरिक प्रतिक्रियाशील घटक के रूप में कार्य करने के बजाय प्रक्रिया को संशोधित करने में हो सकता है।