Waste valorization of coconut shell char as a partial cement replacement in sustainable mortar: fresh-state, setting, and mechanical performance
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पायरोलिसिस के माध्यम से उत्पादित 5-10% नारियल के छिलके के चार (चार्) को सीमेंट के आंशिक प्रतिस्थापन के रूप में शामिल करना टिकाऊ मोर्टार में ताज़ा अवस्था के गुणों और यांत्रिक प्रदर्शन के बीच संतुलन को अनुकूलित करता है, जिसमें 5% की खुराक नियंत्रण (कंट्रोल) की तुलना में बेहतर संपीड़न और लचीलेपन की ताकत प्रदान करती है।
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कंक्रीट पृथ्वी पर सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली निर्माण सामग्री है, जो हमारे शहरों, पुलों और घरों का कंकाल बनाती है। फिर भी, कंक्रीट का प्राथमिक घटक, पोर्टलैंड सीमेंट, एक भारी पर्यावरणीय लागत वहन करता है। इसे बनाने की प्रक्रिया भारी मात्रा में कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ती है और महत्वपूर्ण खनिज संसाधनों का उपभोग करती है, जिससे इंजीनियर अंतिम संरचना की मजबूती से समझौता किए बिना इसके उपयोग को कम करने के तरीकों की तलाश कर रहे हैं। एक आशाजनक मार्ग में एक हिस्से के रूप में सीमेंट को उन अपशिष्ट सामग्रियों से बदलना शामिल है जिन्हें एक महीन, कार्बन-समृद्ध पाउडर में बदल दिया गया है। इस दृष्टिकोण का उद्देश्य कृषि अवशेषों को उपयोगी निर्माण घटकों में बदलना है, जो निर्माण के कार्बन फुटप्रिंट को कम करने के साथ-साथ कचरे का प्रबंधन भी कर सकता है। चुनौती सही मात्रा खोजने में है; बहुत कम होने से कोई अंतर नहीं पड़ेगा, जबकि बहुत अधिक होने से सामग्री कमजोर हो सकती है या जमने से पहले इसे ढालना और आकार देना असंभव हो सकता है।
एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने जांच की कि क्या नारियल के छिलके, जो उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में एक सामान्य अपशिष्ट उत्पाद है, इस तरह के प्रतिस्थापन के रूप में काम कर सकते हैं। उन्होंने फेंके गए नारियल के छिलकों को कम ऑक्सीजन वाले वातावरण में 750 डिग्री सेल्सियस के उच्च तापमान पर दो घंटे तक गर्म किया। इस प्रक्रिया को, जिसे पायरोलिसिस (pyrolysis) कहा जाता है, ने कठोर छिलकों को एक काले, हल्के पाउडर में बदल दिया जिसे नारियल के छिलके का चार (char) कहा जाता है। परिणामी सामग्री एक महीन, छिद्रयुक्त पदार्थ थी जिसमें उच्च कार्बन सामग्री थी, जो उस भारी, खनिज-आधारित सीमेंट से अलग थी जिसे यह बदलने के लिए बनाया गया था। टीम ने इस चार को मानक मोर्टार—जो सीमेंट, रेत और पानी का मिश्रण है—में विभिन्न स्तरों पर मिलाया, जो मिश्रण में ठोस सामग्री के एक छोटे से हिस्से से लेकर लगभग एक तिहाई तक था। उनका लक्ष्य यह देखना था कि इस जुड़ाव ने मिश्रण के व्यवहार, इसके जमने के समय और इसके एक महीने तक पकने (curing) के बाद इसकी मजबूती को कैसे प्रभावित किया।
परिणामों ने दिखाया कि नारियल के छिलके के चार को मिलाने से मोर्टार में अनुमानित बदलाव आए। क्योंकि चार हल्का और छोटे छिद्रों से भरा होता है, इसलिए जैसे-जैसे अधिक मात्रा मिलाई गई, ताजा मिश्रण कम घना हो गया। हालांकि, इस सरंध्रता (porosity) ने मिश्रण को काम करने के लिए कठिन बना दिया। चार के कणों की खुरदरी, स्पंज जैसी सतह ने मिश्रण के कुछ पानी को सोख लिया और कणों के बीच घर्षण को बढ़ा दिया, जिससे चार की मात्रा बढ़ने के साथ मोर्टार का प्रवाह काफी कम हो गया। मिश्रण को सख्त होने में अधिक समय लगा; मोर्टार के जमने और पूरी तरह से सख्त होने में लगने वाला समय भी बढ़ गया क्योंकि इसमें अधिक चार शामिल किया गया था, संभवतः इसलिए क्योंकि सामग्री को बांधने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं को शुरू करने के लिए कम सीमेंट उपलब्ध था।
इस ताज़ा अवस्था में हुए परिवर्तनों के बावजूद, कठोर मोर्टार की यांत्रिक शक्ति ने एक आश्चर्यजनक पैटर्न दिखाया। जब शोधकर्ताओं ने 28 दिनों के बाद नमूनों की मजबूती का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि चार की थोड़ी मात्रा मिलाने से वास्तव में मोर्टार मजबूत हुआ। आयतन के अनुसार 5 प्रतिशत नारियल के छिलके के चार वाले मिश्रण ने 38.1 मेगापास्कल की संपीड़न शक्ति (compressive strength) प्राप्त की, जो बिना चार वाले नियंत्रण मिश्रण के 31.6 मेगापास्कल से काफी अधिक थी। इसी 5 प्रतिशत मिश्रण ने बेहतर लचीलापन भी दिखाया, जो मानक मोर्टार की तुलना में झुकने वाले बलों का बेहतर प्रतिरोध करता है। हालांकि, यह लाभ अनिश्चित काल तक जारी नहीं रहा। जैसे ही शोधकर्ताओं ने 10 प्रतिशत से अधिक मात्रा में चार बढ़ाया, मजबूती घटने लगी। उच्च स्तरों पर, सीमेंट की मात्रा में कमी और बहुत अधिक छिद्रपूर्ण, गैर-प्रतिक्रियाशील कणों के प्रवेश ने लाभों को कम कर दिया, जिससे एक कमजोर संरचना उत्पन्न हुई।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि एक विशिष्ट सीमा (window) है जहाँ नारियल के छिलके का चार सबसे प्रभावी होता है। 5 से 10 प्रतिशत के बीच का प्रतिस्थापन स्तर सबसे अच्छा संतुलन प्रदान करता है, जिससे सीमेंट के उपयोग में कमी लाने के साथ-साथ संरचनात्मक प्रदर्शन को बनाए रखने या सुधारने में मदद मिलती है। इस सीमा ने भार वहन करने की क्षमता या दरारें झेलने की क्षमता से समझौता किए बिना, द्रव्यमान के अनुसार लगभग 3.6 से 7.2 प्रतिशत तक सीमेंट की आवश्यकता को कम कर दिया। हालांकि चार ने अन्य कुछ योजकों (additives) की तरह सीमेंट को मजबूत करने के लिए एक रासायनिक अभिकारक के रूप में कार्य नहीं किया, लेकिन इसके भौतिक गुणों ने कम मात्रा में मिश्रण के अंतराल को भरने और पैकिंग में सुधार करने में मदद की। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि यह दृष्टिकोण कचरे को एक उपयोगी संसाधन में बदलने की दिशा में आशाजनक है, लेकिन यह अपने आप में एक पूर्ण समाधान नहीं है। पर्यावरणीय लाभ चार बनाने में उपयोग की जाने वाली ऊर्जा और सामग्री के दीर्घकालिक स्थायित्व पर निर्भर करते हैं, जो आगे के अध्ययन के क्षेत्र हैं। फिलहाल, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि संसाधित नारियल के छिलके की एक मामूली मात्रा टिकाऊ मोर्टार में एक व्यवहार्य घटक हो सकती है, जो पारंपरिक सीमेंट पर निर्भरता को कम करने की दिशा में एक व्यावहारिक कदम है।
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