Waste-Derived Thermal Insulation Bricks from Kaolin–Sawdust–Periwinkle Shell Ash Composites: Multi-Response Taguchi–Grey Relational Optimization for Sustainable Construction

ईंटें निर्मित दुनिया के मौन कार्यवाहक हैं, जो सदियों से छतों और दीवारों को थामे हुए हैं। फिर भी, उन्हें बनाने का पारंपरिक तरीका एक विरोधाभास पैदा करता है: वही प्रक्रिया जो उन्हें मजबूत बनाती है, उन्हें गर्मी को अंदर रोकने में कमजोर भी बनाती है। जब मिट्टी को भट्टी (किलन) में पकाया जाता है, तो यह एक सघन, ठोस ब्लॉक बन जाती है जो गर्मी का आसानी से संचालन करती है, जिसका अर्थ है कि इमारतें सर्दियों में गर्मी खो देती हैं और गर्मियों में गर्मी प्राप्त कर लेती हैं, जिससे हीटिंग और कूलिंग सिस्टम को अधिक काम करना पड़ता है। दशकों से, इंजीनियर इन ब्लॉकों को संरचना को संभालने की क्षमता से समझौता किए बिना हल्का और अधिक इन्सुलेट करने योग्य बनाने के तरीके खोज रहे हैं। समाधान अक्सर मिट्टी में हवा की छोटी जेबों, या छिद्रों (पोर्स) को जोड़ने में निहित होता है। ये छिद्र गर्मी के प्रवाह के लिए बाधा के रूप में कार्य करते हैं, लेकिन उन्हें बनाने से आमतौर पर ईंट कमजोर हो जाती है। चुनौती इतनी हवा को शामिल करने का तरीका खोजने में है जो ऊष्मा स्थानांतरण को रोकने के लिए पर्याप्त हो, जबकि सामग्री को निर्माण में उपयोग करने के लिए पर्याप्त मजबूत बनाए रखे।

हाल ही में एक अध्ययन में, नाइजीरिया के अहुमाद बेलो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने लकड़ी प्रसंस्करण से निकलने वाली बुरादा (sawdust) और पेरीविंकल्स (एक प्रकार का समुद्री घोंघा जो तटीय क्षेत्रों में प्रचुर मात्रा में होता है) के खोल जैसे दो सामान्य अपशिष्ट उत्पादों की ओर मुड़कर इस समस्या का समाधान किया। इन्हें कचरा मानने के बजाय, टीम ने एक नए प्रकार की ईंट बनाने के लिए इन्हें मिट्टी के साथ मिलाया। उन्होंने बुरादे को एक अस्थायी 'प्लेसहोल्डर' के रूप में इस्तेमाल किया; जब ईंट को भट्टी में पकाया जाता है, तो जैविक लकड़ी के रेशे पूरी तरह से जल जाते हैं, जिससे छोटे छेदों का एक नेटवर्क पीछे रह जाता है। कुचले हुए खोल, जो खनिजों से भरपूर होते हैं, उन्हें मिश्रण में इसलिए डाला गया था ताकि इन छेदों के बावजूद ईंट मजबूत बनी रहे। एक सटीक नुस्खा खोजने के लिए, वैज्ञानिकों ने केवल अनुमान नहीं लगाया। उन्होंने 'टागुची डिजाइन' नामक एक व्यवस्थित पद्धति का उपयोग किया, जिसने उन्हें अलग-अलग मात्रा में बुरादा, अलग-अलग मात्रा में शेल ऐश (खोल की राख) और अलग-अलग फायरिंग तापमान का एक संरचित तरीके से परीक्षण करने की अनुमति दी। इसके बाद उन्होंने ग्रे रिलेशनल एनालिसिस नामक एक सांख्यिकीय उपकरण का उपयोग किया ताकि वे दो प्रतिस्पर्धी लक्ष्यों को संतुलित कर सकें: ईंट को गर्मी रोकने में जितना संभव हो सके उतना अच्छा बनाना और साथ ही इसे एक इमारत को सहारा देने के लिए पर्याप्त मजबूत रखना।

शोधकर्ताओं ने कच्चे माल को समझने के लिए उनका सावधानीपूर्वक परीक्षण करके शुरुआत की। उन्होंने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो खनिजों के लिए फिंगरप्रिंट स्कैनर की तरह कार्य करती है, ताकि वे देख सकें कि मिट्टी, बुरादा और शेल ऐश वास्तव में किससे बने हैं। उन्होंने पाया कि मिट्टी में काओलिनाइट (kaolinite) नामक खनिज है, जो उच्च तापमान पर गर्म होने पर अधिक मजबूत, ताप-प्रतिरोधी क्रिस्टल में बदल जाता है। यह पुष्टि की गई कि बुरादा सेलुलोज से बना है, जो पौधों में पाया जाने वाला कठोर फाइबर है, जो साफ तरीके से जल जाता है। शेल ऐश मुख्य रूप से कैल्शियम कार्बोनेट था, जो गर्म होने पर गैस छोड़ने के लिए टूट जाता है और ऐसे प्रतिक्रियाशील खनिज छोड़ता है जो ईंट को आपस में बांधने में मदद कर सकते हैं। सामग्रियों की इस विस्तृत समझ ने टीम को विश्वास दिलाया कि उनका मिश्रण इच्छित रूप से काम करेगा।

इसके बाद, उन्होंने छोटे परीक्षण ईंटों की एक श्रृंखला बनाई, जिनमें से प्रत्येक का नुस्खा थोड़ा अलग था। कुछ में अधिक बुरादा था, कुछ में अधिक शेल ऐश था, और कुछ को कम तापमान पर पकाया गया था जबकि कुछ को अधिक गर्म तापमान पर पकाया गया था। उन्होंने मापा कि प्रत्येक ईंट ने कितनी अच्छी तरह से गर्मी को गुजरने से रोका और टूटने से पहले वह कितना वजन सह सकती थी। परिणाम स्पष्ट थे: भट्टी का तापमान इन्सुलेशन के लिए सबसे महत्वपूर्ण कारक था। ईंट को जितना अधिक गर्म किया गया, उसने गर्मी को उतनी ही बेहतर तरीके से रोका, क्योंकि उच्च ताप ने यह सुनिश्चित किया कि बुरादा पूरी तरह से जल जाए और मिट्टी के खनिज अपने सबसे मजबूत रूपों में बदल जाएं। हालांकि, बुरादे की मात्रा मजबूती के लिए सबसे महत्वपूर्ण कारक थी। बहुत अधिक बुरादा डालने से बहुत अधिक छेद हो गए, जिससे ईंट दीवार को संभालने के लिए बहुत कमजोर हो गई। शेल ऐश ने एक सहायक भूमिका निभाई, जो मध्यम स्तर पर ईंट को मजबूत करने में मदद करता है, लेकिन अधिक मात्रा में डालने पर कम लाभ देता है।

इन सभी मापों को जोड़कर, टीम ने एक एकल "गोल्डन" रेसिपी की पहचान की जो सर्वोत्तम संतुलन प्रदान करती थी। इस आदर्श मिश्रण में दस प्रतिशत बुरादा, दस प्रतिशत शेल ऐश था, और इसे 1100 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर पकाया गया था। जब उन्होंने इस फॉर्मूले का उपयोग करके एक पूर्ण आकार की ईंट बनाई, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। नई ईंट ने 0.407 वॉट प्रति मीटर प्रति केल्विन की दर से ऊष्मा का संचालन किया, जो एक मानक ईंट के 1.8 वॉट प्रति मीटर प्रति केल्विन की तुलना में एक बड़ा सुधार है। सरल शब्दों में, यह नई ईंट पारंपरिक ईंट की तुलना में गर्मी को अंदर रखने में लगभग चार गुना बेहतर है। साथ ही, यह निर्माण के लिए पर्याप्त मजबूत बनी रही, जिसकी संपीड़न शक्ति (compressive strength) 7.83 मेगापास्कल थी, जो निर्माण मानकों द्वारा आवश्यक 5 मेगापास्कल से काफी अधिक है।

अध्ययन ने पुष्टि की कि यह दृष्टिकोण न केवल सिद्धांत में, बल्कि व्यवहार में भी काम करता है। उनके द्वारा बनाए गए सांख्यिकीय मॉडल ईंट के प्रदर्शन की भविष्यवाणी करने में अत्यधिक सटीक थे, जो वास्तविक परीक्षण परिणामों से लगभग पूरी तरह मेल खाते थे। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि यह प्रक्रिया पर्यावरण के लिए दोहरा लाभ पैदा करती है। यह दो प्रकार के कचरे—लकड़ी का बुरादा और समुद्री गोले—को लैंडफिल से हटाकर उन्हें एक मूल्यवान निर्माण सामग्री में बदल देती है। यह विशेष रूप से पश्चिम अफ्रीका जैसे क्षेत्रों के लिए प्रासंगिक है, जहाँ ये अपशिष्ट सामग्रियां प्रचुर मात्रा में हैं। अंतिम उत्पाद एक ऐसी ईंट है जो हमारे द्वारा उपयोग की जाने वाली ईंटों की तुलना में हल्की और ठंडी है, फिर भी निर्माण के लिए पर्याप्त मजबूत है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि सामग्रियों और फायरिंग प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, हम टिकाऊ निर्माण सामग्री बना सकते हैं जो इन्सुलेशन और मजबूती के बीच के पुराने संघर्ष को हल करती है, और अधिक ऊर्जा-कुशल निर्माण की ओर एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करती है।