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

जब भी एक दिन के काम के बाद कंक्रीट के ट्रक को धोया जाता है, तो वह पानी, रेत और बचे हुए सीमेंट का एक घोल उगल देता है। इस मिश्रण को, जिसे कंक्रीट वॉश वॉटर (concrete wash water) कहा जाता है, निर्माण उद्योग के लिए एक बड़ी समस्या माना जाता है। यह अत्यधिक क्षारीय (alkaline) होता है, जिसका अर्थ है कि यह रासायनिक रूप से आक्रामक है, और यदि इसे बिना उपचार के छोड़ा गया, तो यह नदियों और झीलों को जहरीला बना सकता है। दशकों से, मानक अभ्यास या तो इस जहरीले घोल को फेंक देना या इसे नए कंक्रीट में पुन: उपयोग करने के लिए सुरक्षित बनाने हेतु ताजे पीने के पानी के साथ पतला करना रहा है। लेकिन पतला करना संसाधनों की बर्बादी है, और वह पानी अक्सर नए कंक्रीट की गुणवत्ता को भी खराब कर देता है, जिससे वह कमजोर हो जाता है या बहुत जल्दी जम जाता है। इस बीच, दुनिया कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने के तरीकों की तलाश कर रही है, जो जलवायु परिवर्तन को बढ़ावा देने वाली गैस है, और उसे सुरक्षित रूप से कहीं कैद करने की कोशिश कर रही है। कंक्रीट, दुनिया में सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली निर्माण सामग्री है, जो पहले से ही कार्बन उत्सर्जन का एक बड़ा स्रोत है, लेकिन इसमें कार्बोनेशन नामक एक प्राकृतिक रासायनिक प्रक्रिया के माध्यम से कार्बन को अवशोषित करने की एक छिपी हुई क्षमता भी है।

चीन में हुआकियाओ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन दो समस्याओं को जोड़ दिया है, और इस बात का प्रस्ताव दिया है कि कैसे इस अपशिष्ट जल को हवा को साफ करने के एक उपकरण में बदला जा सकता है। उन्होंने एक विधि विकसित की है जिसमें गंदे वॉश वॉटर में सीधे कार्बन डाइऑक्साइड के बुलबुले छोड़े जाते हैं। इस प्रक्रिया को, जिसे वे त्वरित कार्बोनेशन (accelerated carbonation) कहते हैं, पानी में निलंबित सीमेंट कणों के साथ कार्बन डाइऑक्साइड को प्रतिक्रिया करने के लिए मजबूर करती है। परिणाम इस कचरे का रूपांतरण है: जहरीला, उच्च-pH वाला घोल एक तटस्थ तरल में बदल जाता है जो सूक्ष्म, हानिरहित खनिज कणों से भरा होता है। शोधकर्ताओं ने फिर यह परीक्षण किया कि क्या इस उपचारित पानी का उपयोग नए सीमेंट मोर्टार (mortar) को मिलाने के लिए किया जा सकता है। उन्होंने पाया कि इस पानी ने न केवल कचरे को साफ करने का काम किया, बल्कि अंतिम उत्पाद को वास्तव में बेहतर भी बनाया। नया मोर्टार नियमित नल के पानी से बने मोर्टार की तुलना में अधिक मजबूत था, सूखने पर कम सिकुड़ा, और बेहतर तरीके से जुड़ा रहा, बशर्ते कि उपचारित पानी का सही अनुपात में उपयोग किया जाए।

यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, एक को टैंक के भीतर क्या होता है, उसे देखना होगा। शोधकर्ताओं ने एक सामान्य सीमेंट को पानी के साथ मिलाकर और उसे तीन घंटे तक छोड़ कर, वॉश वॉटर का एक कृत्रिम संस्करण तैयार किया। उन्होंने इस घोल को एक विशेष इकाई के माध्यम से पंप किया जहाँ उन्होंने कार्बन डाइऑक्साइड गैस को इंजेक्ट किया। जैसे ही गैस तरल के साथ मिली, एक रासायनिक प्रतिक्रिया हुई। कार्बन डाइऑक्साइड पानी में घुल गई और सीमेंट से प्राप्त कैल्शियम यौगिकों के साथ प्रतिक्रिया की। इस प्रतिक्रिया ने उन हानिकारक क्षारीय घटकों को सोख लिया जो पानी को पर्यावरण के लिए खतरनाक बनाते थे और pH को काफी कम कर दिया। प्रयोगशाला परीक्षणों में, pH 12.38 से गिरकर 6.49 हो गया, हालांकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि फील्ड कंक्रीट के लिए, प्रक्रिया को आमतौर पर लगभग 8 के pH पर रोक दिया जाएगा ताकि सामग्री के दीर्घकालिक स्थायित्व को बनाए रखा जा सके। इस प्रक्रिया के दौरान, कार्बन डाइऑक्साइड को प्रभावी रूप से पानी के भीतर ठोस खनिज कणों के रूप में कैद या अनुक्रमित (sequestered) कर दिया गया। शोधकर्ताओं ने टैंक को तौलकर इसे मापा; जैसे-जैसे प्रतिक्रिया आगे बढ़ी, पानी का द्रव्यमान बढ़ गया क्योंकि इसने भारी कार्बन डाइऑक्साइड गैस को अवशोषित कर लिया था। उनके सबसे कुशल परीक्षणों में, प्रणाली ने 18.6 ग्राम प्रति मिनट की दर से कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित किया।

इस प्रतिक्रिया द्वारा निर्मित ठोस कण मूल सीमेंट के समान नहीं थे। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और रासायनिक स्कैनरों का उपयोग करते हुए, टीम ने देखा कि मूल सीमेंट के बड़े, सुई जैसे क्रिस्टल गायब हो गए थे। उनके स्थान पर कैल्शियम कार्बोनेट के अत्यंत महीन, गोल कणों की विशाल संख्या थी, जो चूना पत्थर या चाक के समान एक खनिज है। ये नए कण मूल सीमेंट के दानों की तुलना में बहुत छोटे थे, जिनका औसत आकार लगभग 20 AU से घटकर केवल 3 AU रह गया। आकार में यह परिवर्तन महत्वपूर्ण है। जब शोधकर्ताओं ने इस उपचारित पानी का उपयोग करके नया मोर्टार बनाया, तो ये नन्हे कण एक अति-सूक्ष्म फिलर (filler) की तरह काम करने लगे। वे बड़े सीमेंट दानों के बीच के सूक्ष्म अंतराल में समा गए, जिससे सामग्री अधिक सघन (dense) हो गई। यही घनत्व (densification) उनके बेहतर मजबूती का कारण बना।

प्रदर्शन परीक्षणों ने एक जटिल लेकिन आशाजनक कहानी पेश की। जब शोधकर्ताओं ने मोर्टार मिश्रण में सभी ताजे पानी को इस पूरी तरह से उपचारित पानी से बदल दिया, तो मिश्रण के साथ काम करना कठिन हो गया। इसका प्रवाह कम हो गया, जो उन निर्माण श्रमिकों के लिए एक समस्या है जिन्हें कंक्रीट को डालने और फैलाने के लिए पर्याप्त तरल रूप में चाहिए। हालांकि, अंतिम कठोर सामग्री काफी बेहतर थी। उपचारित पानी से बना मोर्टार नियंत्रण समूह (जो नल के पानी से बना था) की तुलना में 52.9 प्रतिशत कम सिकुड़ा, जिसका अर्थ है कि सूखने पर इसमें दरारें आने की संभावना कम थी। कुचलने वाले बलों (crushing forces) को सहने की इसकी क्षमता 28 दिनों के बाद 13.0 प्रतिशत बढ़ गई। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि उपचारित पानी ने सीमेंट के जमने के तरीके को बदल दिया। इसने मोर्टार को शुरू में तेजी से सख्त होने के लिए प्रेरित किया लेकिन इसे अपनी अंतिम, पूरी तरह से सेट अवस्था तक पहुँचने में अधिक समय लगा। यह व्यवहार बिना उपचारित वॉश वॉटर के उपयोग से अलग था, जो कंक्रीट को बहुत जल्दी जमा देता था और अक्सर एक कमजोर अंतिम उत्पाद का परिणाम देता था।

वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए सही संतुलन खोजने के लिए, टीम ने ताजे पानी के साथ इस उपचारित पानी की विभिन्न मात्राओं को मिलाकर परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि यदि उन्होंने ताजे पानी के आधे से अधिक हिस्से को उपचारित संस्करण से बदल दिया, तो मिश्रण बहुत सख्त हो गया और अंतिम मजबूती स्वीकार्य मानकों से नीचे गिर गई। हालांकि, जब उन्होंने ताजे पानी के 50 प्रतिशत तक को उपचारित पानी से बदला, तो मोर्टार ने सभी आवश्यक प्रदर्शन आवश्यकताओं को पूरा किया। यह निर्माण के लिए पर्याप्त रूप से प्रवाहित हुआ, बहुत कम सिकुड़ा, और मानक मिश्रण से अधिक मजबूत था। यह सुझाव देता है कि एक निर्माण स्थल अपने पानी की जरूरतों के आधे हिस्से को अपने ही अपशिष्ट प्रवाह से पुनर्चक्रित कर सकता है और साथ ही कार्बन डाइऑक्साइड को भी कैप्चर कर सकता है, बिना निर्माण सामग्री की गुणवत्ता से समझौता किए।

शोधकर्ताओं ने कार्बन उत्पादन करने वाली मशीन को भी बेहतर बनाने पर काम किया। उन्होंने यह देखने के लिए एक सांख्यिकीय पद्धति का उपयोग किया कि तीन अलग-अलग सेटिंग्स ने गैस को अवशोषित करने की गति को कैसे प्रभावित किया: पानी में सीमेंट की मात्रा, गैस प्रवाह की गति, और कूलिंग सिस्टम का तापमान। उन्होंने पाया कि यह प्रक्रिया बहुत अधिक गर्मी पैदा करती है, और यदि पानी बहुत गर्म हो जाता है, तो गैस का घुलना कठिन हो जाता है। इन कारकों को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, उन्होंने प्रणाली को कार्बन डाइऑक्साइड को उनके प्रारंभिक परीक्षणों की तुलना में 14.1 प्रतिशत अधिक कुशलता से कैप्चर करने के लिए अनुकूलित किया। सर्वोत्तम स्थितियों में सीमेंट और पानी का एक विशिष्ट अनुपात, गैस का उच्च प्रवाह, और 2.7 डिग्री सेल्सियस का बहुत ठंडा तापमान शामिल था।

यह अध्ययन कंक्रीट उद्योग के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदर्शित करता है, जो एक खतरनाक अपशिष्ट उत्पाद को प्रदूषण नियंत्रण और कार्बन भंडारण दोनों के संसाधन में बदल देता है। इस प्रक्रिया के लिए किसी विदेशी रसायनों या बड़े नए बुनियादी ढांचे की आवश्यकता नहीं है; यह एक ऐसी रासायनिक प्रतिक्रिया पर निर्भर करता है जिसे मानक उपकरणों के साथ प्रबंधित किया जा सकता है। जबकि वर्तमान कार्य मोर्टार पर केंद्रित था, जो कंक्रीट का एक सरल रूप है, शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि अगला कदम इस विधि का पूर्ण-स्तरीय कंक्रीट के साथ परीक्षण करना है, जिसमें बजरी और रेत शामिल हो। वे यह भी नोट करते हैं कि इस पुनर्चक्रित पानी से बने भवनों के दीर्घकालिक स्थायित्व की और अधिक जांच की आवश्यकता है। हालांकि, मुख्य निष्कर्ष स्पष्ट है: गंदे वॉश वॉटर के माध्यम से कार्बन डाइऑक्साइड को प्रवाहित करके, प्रदूषण को बेअसर करना, ग्रीनहाउस गैस को कैप्चर करना और एक अधिक मजबूत, अधिक टिकाऊ निर्माण सामग्री बनाना संभव है। अपशिष्ट जल अब केवल निपटान की समस्या नहीं है; यह हवा को साफ करने और एक बेहतर भविष्य के निर्माण का एक माध्यम बन गया है।