Optimization, synergistic mechanisms, and environmental safety of low-carbon cementitious materials incorporating blast-furnace slag, electrolytic manganese residue, and tailings

कंक्रीट पृथ्वी पर सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली निर्माण सामग्री है, जो हमारे शहरों और बुनियादी ढांचे की रीढ़ बनाती है। हालांकि, पारंपरिक कंक्रीट का प्राथमिक घटक, साधारण पोर्टलैंड सीमेंट, वैश्विक कार्बन उत्सर्जन में एक बड़ा योगदानकर्ता है। इसे बनाने के लिए चूना पत्थर को अत्यधिक तापमान पर गर्म करना आवश्यक होता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो भारी मात्रा में कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ती है। इसी समय, खनन और प्रगलन (smelting) जैसी औद्योगिक गतिविधियाँ ठोस कचरे के विशाल ढेर उत्पन्न करती हैं। ये ढेर, जिन्हें अक्सर खुले वातावरण में भंडारण के लिए छोड़ दिया जाता है, इनमें भारी धातुएं और जहरीले रसायन होते हैं जो मिट्टी और भूजल में रिस सकते हैं, जिससे पर्यावरण और मानव स्वास्थ्य के लिए गंभीर जोखिम पैदा होता है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से एक साथ दोनों समस्याओं को हल करने का तरीका खोजा है: एक ऐसा निर्माण सामग्री बनाना जो कम सीमेंट का उपयोग करे और साथ ही खतरनाक औद्योगिक उपोत्पादों को सुरक्षित रूप से कैद कर सके।

हुनान विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सीमेंट की एक छोटी मात्रा के साथ तीन विशिष्ट प्रकार के औद्योगिक कचरे को मिलाकर इस चुनौती के लिए एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है। उन्होंने ग्रेनुलेटेड ब्लास्ट-फर्नेस स्लैग (इस्पात निर्माण का उपोत्पाद), इलेक्ट्रोलाइटिक मैंगनीज अवशेष (मैंगनीज प्रसंस्करण से प्राप्त अपशिष्ट), और लेड-जिंक माइन टेलिंग्स (अयस्क से धातुओं को निकालने के बाद बचा हुआ महीन धूल) को मिलाया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या इन सामग्रियों को, जिन्हें आमतौर पर निष्क्रिय भराव या खतरनाक कचरा माना जाता है, एक मजबूत, कम-कार्बन वाले बाइंडर के मुख्य संरचनात्मक घटक के रूपए बनने के लिए रासायनिक रूप से प्रेरित किया जा सकता है। घटकों के अनुपात को सावधानीपूर्वक समायोजित करके और रासायनिक प्रतिक्रियाओं को शुरू करने के लिए एक विशिष्ट क्षारीय घोल जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री बनाई जो न केवल प्रभावी ढंग से सख्त होती है, बल्कि जहरीले तत्वों को अपने ढांचे के भीतर भी कैद कर लेती है, जिससे उन्हें पर्यावरण में रिसने से रोका जा सके।

शोधकर्ताओं ने एक महत्वपूर्ण बाधा को संबोधित करते हुए शुरुआत की: मैंगनीज अवशेषों में अमोनिया का उच्च स्तर होता है, जो गैस में बदल सकता है और कठोर हुई सामग्री में कमजोर बिंदु बना सकता है। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने मिश्रण से पहले अवशेषों को एक हल्के क्षारीय घोल के साथ उपचारित किया, जिससे अमोनिया प्रभावी रूप से निकल गया और सामग्री को उपयोग के लिए तैयार किया गया। इसके बाद उन्होंने तीन अपशिष्ट सामग्रियों के बीच सही संतुलन खोजने के लिए प्रयोगों की एक श्रृंखला डिजाइन की। उन्होंने पाया कि हालांकि प्रत्येक अपशिष्ट उत्पाद की एक अनूठी भूमिका थी, लेकिन उन्हें केवल आपस में मिला देना पर्याप्त नहीं था। मैंगनीज अवशेष ने एक प्राकृतिक सल्फेट स्रोत के रूप में कार्य किया, जिसने कठोर होने की प्रक्रिया को शुरू करने में मदद की, जबकि माइन टेलिंग्स ने बारीक पाउडर प्रदान किया जिसने रिक्तियों को भरा और नए क्रिस्टल के बढ़ने के लिए सतहें प्रदान कीं। स्टील स्लैग ने उन आवश्यक सक्रिय घटकों को प्रदान किया जो उस मजबूत जेल को बनाने के लिए आवश्यक थे जो सब कुछ एक साथ थामे रखता है।

हालांकि, मिश्रण को अपनी पूर्ण क्षमता तक पहुँचने के लिए एक विशिष्ट ट्रिगर की आवश्यकता थी। टीम ने पाया कि पारंपरिक सीमेंट की एक छोटी मात्रा, जो कुल मिश्रण का लगभग दस प्रतिशत थी, जोड़ना अत्यंत महत्वपूर्ण था। यह छोटा सा जुड़ाव बिना सिस्टम को प्रभावित किए, सही मात्रा में कैल्शियम और ऊष्मा प्रदान करता था। जब उन्होंने सीमेंट को बहुत अधिक कम किया, तो सामग्री में एक ठोस संरचना बनाने के लिए प्रारंभिक शक्ति की कमी थी। जब उन्होंने इसका बहुत अधिक उपयोग किया, तो प्रतिक्रिया बहुत तेजी से हुई, जिससे एक भंगुर उत्पाद बना। आदर्श संतुलन ने मिश्रण को लगभग डेढ़ घंटे के व्यावहारिक समय में जमने की अनुमति दी, और अंततः 28 दिनों के बाद 43 मेगापास्कल की संपीड़न शक्ति (compressive strength) के साथ एक कठोर सामग्री में बदल गया। यह शक्ति कई मानक निर्माण कंक्रीट्स के बराबर है, जो यह सिद्ध करता है कि अपशिष्ट-आधारित मिश्रण पारंपरिक विकल्पों के समान प्रदर्शन कर सकता है।

इस खोज को जो बात विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाती है, वह यह है कि रासायनिक वातावरण ने अपशिष्ट सामग्रियों के व्यवहार को कैसे बदल दिया। सामान्य परिस्थितियों में, माइन टेलिंग्स निष्क्रिय रहतीं, केवल स्थान भरने का काम करतीं। लेकिन शोधकर्ताओं के मिश्रण द्वारा बनाए गए अत्यधिक क्षारीय वातावरण में, टेलिंग्स थोड़ा घुलने लगीं, जिससे कार्बोनेट आयन मुक्त हुए। इन आयनों ने अन्य घटकों के साथ प्रतिक्रिया की और एक सघन, त्रि-आयामी जेल नेटवर्क बनाया। यह जेल नेटवर्क इतना घना था कि इसने अपशिष्ट में मौजूद भारी धातुओं और सल्फेट्स को भौतिक रूप से कैद कर लिया। परीक्षणों से पता चला कि कठोर सामग्री से रिसने वाले जहरीले मैंगनीज, अमोनियम नाइट्रोजन और सल्फेट की मात्रा में भारी गिरावट आई। वास्तव में, सामग्री के आसपास के पानी में इन प्रदूषकों का स्तर भूजल के लिए निर्धारित सख्त सुरक्षा सीमाओं से काफी नीचे था, जो यह दर्शाता है कि यह सामग्री भूमिगत खानों के खाली स्थानों को भरने के लिए सुरक्षित है।

अध्ययन ने उन जटिल रासायनिक चरणों (chemical phases) को भी उजागर किया जो सामग्री के पुराने होने (aging) के दौरान घटित हुए। प्रारंभ में, मिश्रण ने अस्थायी, अस्थिर क्रिस्टल संरचनाएं बनाईं जिन्होंने एक मचान (scaffold) के रूप में कार्य किया। समय के साथ, ये संरचनाएं टूट गईं और एक अधिक स्थायी, अमोर्फस जेल में पुनर्गठित हो गईं। इस परिवर्तन ने सामग्री के छिद्रों को सील कर दिया, जिससे यह और भी सघन और जल प्रवेश के प्रति अधिक प्रतिरोधी बन गई। शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करके और परमाणुओं की गति तथा नए यौगिकों के निर्माण को ट्रैक करने के लिए विभिन्न विश्लेषणात्मक उपकरणों का उपयोग करके इस प्रक्रिया की पुष्टि की। उन्होंने पाया कि अंतिम परिणाम एक ठोस ब्लॉक था जहाँ अपशिष्ट सामग्रियां केवल वहां पड़ी नहीं थीं; वे उस रासायनिक संरचना का अभिन्न अंग बन गई थीं, जिसे उस जेल द्वारा मजबूती से बांध दिया गया था जिसने सामग्री को ताकत दी।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि सुरक्षा या प्रदर्शन से समझौता किए बिना खतरनाक औद्योगिक कचरे को एक मूल्यवान संसाधन में बदलना संभव है। स्लैग, मैंगनीज अवशेष और माइन टेलिंग्स के मिश्रण को अनुकूलित करके, और सटीक मात्रा में क्षारीय सक्रियण का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक कम-कार्बन बाइंडर बनाया जो कठोर पर्यावरणीय मानकों को पूरा करता है। सामग्री सफलतापूर्वक खतरनाक भारी धातुओं को स्थिर करती है और उन्हें आसपास की मिट्टी और पानी को दूषित करने से रोकती है। हालांकि अध्ययन प्रयोगशाला स्तर पर केंद्रित था, इसके परिणाम संकेत देते हैं कि निर्माण उद्योग के पास अपने कार्बन फुटप्रिंट को कम करने और साथ ही औद्योगिक खनन की विरासत को साफ करने का एक व्यवहार्य मार्ग है। यह दृष्टिकोण दो गंभीर वैश्विक मुद्दों के लिए एक ठोस समाधान प्रदान करता है: टिकाऊ निर्माण सामग्री की आवश्यकता और औद्योगिक कचरे को सुरक्षित रूप से प्रबंधित करने की तत्काल आवश्यकता।