Design Optimization and Hydration Mechanism of a Composite Gypsum-Based Cementitious Material Made Entirely from Solid Waste Using Smelting Slag
यह अध्ययन डेसल्फराइजेशन जिप्सम, ग्रेन्यूलेटेड स्लैग, कॉपर स्लैग और एक मिश्रित सक्रियक (कंपोजिट एक्टिवेटर) का उपयोग करके एक कम-कार्बन, पूर्ण-ठोस-अपशिष्ट-आधारित सीमेंटयुक्त सामग्री को डिजाइन और अनुकूलित करता है, जो एट्रिंगाइट और C-(A)-S-H जेल के सहक्रियात्मक निर्माण के माध्यम से अर्ध-कठोर सड़क आधार प्रदर्शन प्राप्त करता है और साधारण पोर्टलैंड सीमेंट की तुलना में कार्बन उत्सर्जन को 89.1% तक कम करता है।
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हर साल, दुनिया औद्योगिक कचरे के पहाड़ पैदा करती है। कारखाने बड़ी मात्रा में बचे हुए अवशेष जैसे कि धुंआ साफ करने से निकलने वाला पाउडर जैसा अवशेष, पिघली हुई धातु के कांच जैसे टुकड़े, और तांबे के शोधन से प्राप्त भारी उपोत्पाद (byproducts) उत्पन्न करते हैं। आमतौर पर, ये सामग्रियां विशाल ढेरों में पड़ी रहती हैं, जो जगह घेरती हैं और पर्यावरणीय जोखिम पैदा करती हैं। साथ ही, निर्माण उद्योग सड़कों और नींव बनाने के लिए साधारण सीमेंट पर बहुत अधिक निर्भर करता है। इस पारंपरिक सीमेंट को बनाना एक गंदी प्रक्रिया है; इसके लिए चूना पत्थर (limestone) को अत्यधिक तापमान पर गर्म करना पड़ता है, एक ऐसा चरण जो वायुमंडल में भारी मात्रा में कार्बन डाइऑक्साइड पंप करता है। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती लंबे समय से यह रही है कि इन औद्योगिक अवशेषों को निर्माण के लिए उपयोगी चीज़ में कैसे बदला जाए, वह भी बिना किसी नई पर्यावरणीय समस्या को पैदा किए। लक्ष्य एक ऐसा बंधन बनाने वाला पदार्थ (binding material) बनाना है जो चट्टानों और रेत को पारंपरिक सीमेंट की तरह ही मजबूती से जोड़ सके, लेकिन कच्चे पत्थर के बजाय कचरे का उपयोग करे और उस उच्च ताप से बचे जो प्रदूषण का कारण बनता है।
चीन में शोधकर्ताओं की एक टीम ने पूरी तरह से ठोस कचरे से बने एक नए प्रकार के निर्माण सामग्री को डिजाइन करके इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने तीन विशिष्ट प्रकार के औद्योगिक उपोत्पादों को मिलाया: डेसल्फराइजेशन जिप्सम (desulfurization gypsum), जो बिजली संयंत्रों के उत्सर्जन को साफ करने से आता है; ग्रेनुलेटेड स्लैग (granulated slag), जो स्टील उत्पादन से प्राप्त कांच जैसा कचरा है; और कॉपर स्लैग (copper slag), जो तांबे के निष्कर्षण से प्राप्त भारी अवशेष है। इन सामग्रियों को प्रतिक्रिया करने और सख्त होने के लिए, उन्होंने कैल्शियम कार्बाइड स्लैग और सोडियम सिलिकेट से बने एक विशेष मिश्रण को मिलाया। शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों को केवल बेतरतीब ढंग से नहीं मिलाया; उन्होंने सैकड़ों अलग-अलग संयोजनों का परीक्षण करने के लिए एक परिष्कृत गणितीय दृष्टिकोण का उपयोग किया। उनका लक्ष्य एक ऐसा सटीक नुस्खा खोजना था जो एक ऐसी सामग्री बना सके जो सड़क के आधार के लिए पर्याप्त मजबूत हो, लेकिन इतनी स्थिर भी हो कि खतरनाक रूप से न फटे या न फैले।
टीम ने पाया कि पूर्ण संतुलन के लिए लगभग 18 प्रतिशत जिप्सम, दोनों प्रकार के स्लैग का एक विशिष्ट अनुपात, और एक्टिवेटर मिश्रण की एक छोटी मात्रा का उपयोग करना आवश्यक था। जब उन्होंने इस विशिष्ट नुस्खे का परीक्षण किया, तो परिणामी सामग्री एक ठोस ब्लॉक में बदल गई जो महत्वपूर्ण दबाव झेल सकती थी, और 28 दिनों के बाद लगभग 24 मेगापास्कल की मजबूती तक पहुँच गई। मजबूती का यह स्तर अर्ध-कठोर सड़क आधार (semi-rigid road bases) के लिए पर्याप्त है, जो राजमार्गों पर डामर (asphalt) के नीचे स्थित सामग्री की परतें होती हैं। महत्वपूर्ण बात यह है कि यह सामग्री केवल 0.4 प्रतिशत तक फैली, जो कि एक सुरक्षित मात्रा है जो सड़क को सूखने के कारण फटने से बचाने में मदद करती है, न कि खतरनाक विस्तार जो फुटपाथ को तोड़ दे।
इस कचरे पर आधारित सामग्री वास्तव में कैसे काम करती है, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने इसके सख्त होने के दौरान इसके आंतरिक भाग का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि इसका व्यवहार पारंपरिक सीमेंट से काफी अलग है। साधारण सीमेंट शुरू में तेजी से सख्त होता है, फिर धीमा हो जाता है, जिससे अक्सर ऐसे क्रिस्टल पीछे रह जाते हैं जो कमजोर बिंदु या असमान संरचनाएं बना सकते हैं। इसके विपरीत, यह नई सामग्री धीरे-धीरे शुरू होती है। अपशिष्ट कण धीरे-धीरे घुलते हैं, और समय के साथ, वे जेल और सुई जैसे क्रिस्टल का एक घना, आपस में जुड़ा हुआ नेटवर्क बनाते हैं। यह प्रक्रिया एक ऐसी संरचना बनाती है जो उम्र बढ़ने के साथ और अधिक मजबूत और जटिल होती जाती है। शोधकर्ताओं ने देखा कि सामग्री एक अद्वितीय आंतरिक वास्तुकला विकसित करती है जहाँ क्रिस्टल इस तरह बढ़ते हैं कि वे सूक्ष्म अंतराल को भर देते हैं, जिससे सामग्री समय के साथ अधिक सघन और टिकाऊ हो जाती है, न कि केवल सख्त होकर रुक जाती है।
शायद इस अध्ययन का सबसे उल्लेखनीय निष्कर्ष इसका पर्यावरणीय प्रभाव है। क्योंकि यह सामग्री पारंपरिक सीमेंट के लिए आवश्यक उच्च-तापमान वाली पकाने की प्रक्रिया को छोड़ देती है, इसलिए इसका कार्बन फुटप्रिंट नाटकीय रूप से कम है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस नई सामग्री के एक टन उत्पादन से केवल 0.072 टन कार्बन डाइऑक्साइड निकलती है। इसकी तुलना में, एक टन साधारण सीमेंट के उत्पादन से 0.66 टन से अधिक कार्बन डाइऑक्साइड निकलती है। यह लगभग 90 प्रतिशत की कमी को दर्शाता है। इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए भी कि नई सामग्री सबसे मजबूत पारंपरिक सीमेंट की तुलना में थोड़ी कम मजबूत है, यह प्रति इकाई मजबूती के लिए बहुत कम कार्बन पैदा करती है। कचरे की सामग्रियों को महीन पाउडर में पीसने में लगने वाली ऊर्जा ही इसके शेष उत्सर्जन का मुख्य हिस्सा है, लेकिन भट्टी (kiln) से बचने से होने वाली भारी बचत की तुलना में यह एक छोटा सा मूल्य है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि औद्योगिक कचरे को एक उच्च-प्रदर्शन वाली निर्माण सामग्री में बदलना संभव है जो मजबूत और पर्यावरण के अनुकूल दोनों है। विभिन्न प्रकार के कचरे के मिश्रण को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो न केवल उन सामग्रियों को पुनर्चक्रित (recycle) करती है जिन्हें अन्यथा फेंक दिया जाता, बल्कि भविष्य के बुनियादी ढांचे के निर्माण के लिए एक व्यवहार्य, कम-कार्बन विकल्प भी प्रदान करती है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि सही नुस्खे के साथ, कचरा एक संसाधन बन सकता है, जो भारी उद्योगों के उपोत्पादों को एक स्वच्छ दुनिया की नींव में बदल देता है।
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