Reaction kinetics and microstructural evolution of alkali-activated electric arc furnace slag
यह अध्ययन स्पष्ट करता है कि कैसे सोडियम- और पोटेशियम-आधारित सक्रियकर्ताओं (activators) का रसायन विज्ञान अल्कली-एक्टिवेटेड इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस स्लैग की प्रतिक्रिया गतिकी (reaction kinetics), सूक्ष्म संरचनात्मक विकास और यांत्रिक प्रदर्शन को नियंत्रित करता है, जो यह प्रकट करता है कि जहाँ सोडियम प्रणालियाँ उच्च प्रारंभिक प्रतिक्रियाशीलता और शक्ति प्रदान करती हैं, वहीं पोटेशियम प्रणालियाँ निरंतर विकास प्रदान करती हैं, जिसमें सरल सरंध्रता (porosity) के परे पोर कनेक्टिविटी और जेल संगठन दोनों महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
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स्टील उत्पादन के पीछे कचरे का एक पहाड़ बच जाता है जिसे इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस स्लैग (slag) के रूप में जाना जाता है। दशकों से, यह सामग्री स्टील बनाने का एक उपोत्पाद रही है, जो अक्सर लैंडफिल में जाती है या कम मूल्य वाले अनुप्रयोगों में उपयोग की जाती है। हालांकि, वैज्ञानिकों को लंबे समय से संदेह था कि यह स्लैग, जो कैल्शियम, आयरन और ग्लास-जैसे सिलिकेट्स से समृद्ध है, इसे किसी बहुत अधिक उपयोगी चीज़ में बदला जा सकता है: एक ऐसा बाइंडर (binder) जो बिना सीमेंट के निर्माण कार्य कर सके। विचार यह है कि इस औद्योगिक कचरे को एक रासायनिक घोल के साथ मिलाया जाए ताकि एक ऐसी प्रतिक्रिया शुरू हो सके जो ठोस कणों को एक कठोर, पत्थर जैसे पदार्थ में बदल दे। यह प्रक्रिया, जिसे 'अल्कली-एक्टिवेशन' (alkali-activation) कहा जाता है, अपशिष्ट को पुनर्चक्रित करने का एक तरीका प्रदान करती है जबकि पारंपरिक सीमेंट उत्पादन से जुड़े विशाल कार्बन फुटप्रिंट को भी कम करती है। चुनौती यह समझने में निहित है कि यह परिवर्तन वास्तव में कैसे होता है, विशेष रूप से तब जब शुरुआती सामग्री में आयरन (लोहा) की मात्रा बहुत अधिक हो, जो एक ऐसा तत्व है जो सीमेंट के सामान्य घटकों की तुलना में अलग व्यवहार करता है।
यूनिवर्सिटैट पोलिटेक्निका डी कैटालुन्या के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस परिवर्तन का विस्तार से मानचित्रण करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस स्लैग के महीन कणों को सोडियम या पोटेशियम युक्त विभिन्न तरल घोलों के साथ मिलाया। इन तरल पदार्थों की केमिस्ट्री को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने कई पेस्ट और मोर्टार बनाए ताकि यह देखा जा सके कि कौन से संयोजन सबसे अच्छा सख्त होते हैं और समय के साथ सामग्री की आंतरिक संरचना कैसे बदलती है। उनका लक्ष्य केवल यह मापना नहीं था कि अंतिम ब्लॉक कितने मजबूत बनते हैं, बल्कि अदृश्य प्रक्रियाओं को घटित होते देखना था: प्रतिक्रिया कितनी तेजी से शुरू होती है, उन्हें जोड़ने वाले सूक्ष्म जेल (gel) का विकास कैसे होता है, और ये परिवर्तन सामग्री की पानी का प्रतिरोध करने और सूखने पर सिकुड़ने की क्षमता को कैसे प्रभावित करते हैं।
शोधकर्ताओं ने पाया कि उपयोग किए गए रासायनिक घोल के प्रकार ने प्रतिक्रिया के शुरुआती चरणों में नाटकीय अंतर पैदा किया। सोडियम द्वारा सक्रिय मिश्रण तेजी से प्रतिक्रिया करते थे, गर्मी उत्पन्न करते थे और पहले कुछ दिनों के भीतर तेजी से मजबूती प्राप्त करते थे। इसके विपरीत, पोटेशियम द्वारा सक्रिय मिश्रण धीरे-धीरे प्रतिक्रिया करते थे, वे अपनी मजबूती बनाने में समय लेते थे लेकिन महीनों तक लगातार विकसित होते रहे। एक विशिष्ट सोडियम-आधारित मिश्रण, जिसमें रसायनों की सांद्रता अधिक थी, ने केवल 7 दिनों में 17.23 मेगापास्कल की संपीड़ित शक्ति (compressive strength) प्राप्त की, जबकि समान केमिस्ट्री वाले पोटेशियम-आधारित मिश्रण ने सात दिनों में ही 12.83 मेगापास्कल तक पहुँच लिया। हालांकि, कहानी यहीं समाप्त नहीं हुई। 120 दिनों की अवधि में, धीमी गति से प्रतिक्रिया करने वाले मिश्रणों ने बढ़त बना ली और कुछ मामलों में शुरुआती लीडरों से भी आगे निकल गए, जिससे उन्होंने 30 मेगापास्कल से अधिक की शक्ति प्राप्त की। इससे यह संकेत मिलता है कि हालांकि एक तेज शुरुआत प्रभावशाली है, लेकिन एक धीमी और निरंतर प्रतिक्रिया एक सघन और अधिक टिकाऊ अंतिम उत्पाद की ओर ले जा सकती है।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, टीम ने एक ऐसी तकनीक का उपयोग करके सामग्री के भीतर देखा जो इन्फ्रारेड प्रकाश को अवशोषित करने की क्षमता को मापती है, जो परमाणुओं को जोड़ने वाले रासायनिक बंधों (chemical bonds) को प्रकट करती है। उन्होंने देखा कि जेल में मुख्य रासायनिक बंध समय के साथ धीरे-धीरे अपनी स्थिति बदलते हैं, जो निम्न आवृत्तियों (lower frequencies) की ओर बढ़ते हैं। यह बदलाव इंगित करता कि जेल बनने के बाद केवल स्थिर नहीं बैठा था; यह लगातार खुद को पुनर्गठित कर रहा था, महीनों बीतने के साथ अधिक व्यवस्थित और जटिल होता जा रहा था। यह आंतरिक पुनर्गठन ही सामग्री के प्रदर्शन की कुंजी था। शोधकर्ताओं ने पाया कि सामग्री की मजबूती और स्थायित्व केवल इस बात का मामला नहीं था कि इसके अंदर कितने खाली स्थान या छिद्र (pores) मौजूद थे। दो नमूनों में खुले छिद्रण (porosity) की मात्रा बिल्कुल समान हो सकती है, फिर भी एक दूसरे की तुलना में बहुत अधिक मजबूत होगा और पानी के प्रवाह का बेहतर प्रतिरोध करेगा।
अंतर इस बात में था कि उन छिद्रों का नेटवर्क कैसे जुड़ा हुआ था। जिस सामग्री ने सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन किया, उसका छिद्र नेटवर्क अधिक घुमावदार और नेविगेट करने में कठिन था, जो प्रभावी रूप से आयनों को फंसा देता था और पानी की गति को धीमा कर देता था। यह संरचनात्मक परिष्कार सीधे उस रासायनिक पुनर्गठन से जुड़ा था जो इन्फ्रारेड स्कैन में देखा गया था। जैसे-जैसे जेल नेटवर्क अधिक परिष्कृत और सजातीय (homogeneous) होता गया, सामग्री अधिक मजबूत और कम पारगम्य (permeable) होती गई, भले ही खाली स्थान का कुल आयतन महत्वपूर्ण रूप से न बदला हो। यह खोज इस सामान्य धारणा को चुनौती देती है कि मजबूती केवल छेदों को भरने के बारे में है; इसके बजाय, यह इस बारे में है कि उन छेदों के चारों ओर ठोस संरचना कैसे व्यवस्थित है।
अध्ययन में स्लैग की उच्च आयरन सामग्री पर भी विचार किया गया, जो सामग्री के वजन का एक तिहाई से अधिक है। हालांकि शोधकर्ता वर्तमान उपकरणों का उपयोग करके यह प्रत्यक्ष रूप से सिद्ध नहीं कर सके कि आयरन परमाणु मुख्य जेल संरचना का हिस्सा बन रहे हैं, उन्होंने नोट किया कि आयरन संभवतः सामग्री के दीर्घकालिक विकास में भूमिका निभाता है। आयरन की उपस्थिति इस बात को प्रभावित कर सकती है कि जेल समय के साथ खुद को कैसे व्यवस्थित करता है, जो संभावित रूप से इन आयरन-समृद्ध बाइंडर्स के अद्वितीय गुणों में योगदान देता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि इस सामग्री का व्यवहार जेल निर्माण और संरचनात्मक परिष्कार की एक निरंतर प्रक्रिया द्वारा नियंत्रित होता है, न कि केवल एक साधारण सूखने या सख्त होने की घटना द्वारा। यह अंतर्दृष्टि बताती है कि क्यों कुछ मिश्रण दूसरों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करते हैं और यह भी सुझाव देती है कि इन टिकाऊ निर्माण सामग्रियों की दीर्घकालिक स्थिरता उनके सूक्ष्म निर्माण खंडों के सूक्ष्म, निरंतर पुनर्गठन पर निर्भर करती है।
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