امکان استفاده مجدد از زباله های لجن (قسمت اول) - ساختمان سبز ایرانیان

  • Home
  • امکان استفاده مجدد از زباله های لجن (قسمت اول)

نکات برجسته

چکیده

این کار استفاده مجدد از ضایعات لجن تولید شده توسط ساخت و ساز (CGSM) را برای تولید مصالح ساختمانی با ارزش افزوده با استفاده از کانی سازی هیدروترمال (HM) گزارش می دهد. بهینه‌سازی نسبت‌های مخلوط و عوامل تأثیرگذار دما و مدت زمان پخت مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که بلوک‌های HM-CGSW با مقاومت بالا بیش از 50 مگاپاسکال با نسبت استحکام به کلسیم 2.95 MPa / درصد می‌توانند تحت نسبت بهینه Ca/Si 0.5 و پخت HM 200 درجه سانتی‌گراد به مدت 12 ساعت تولید شوند. تولید بلوک HM-CGSW 305.81 کیلوگرم e-CO2/ m3و هزینه 222.44 CNY / m3که کمتر از بلوک بتنی و بلوک خاکستر بادی اتوکلاو شده است. یک کاربرد صنعتی HM-CGSW برای ارتقاء استفاده از CGSW برای تولید مصالح ساختمانی برای ساخت و سازهای جدید پیشنهاد شد. یافته‌های این مطالعه نه تنها درک مکانیکی درمان HM زباله لجن را عمیق‌تر می‌کند، بلکه نور زیادی را بر توسعه یک مسیر صنعتی که تولید مصالح ساختمانی پایدار را امکان‌پذیر می‌سازد، روشن می‌کند.

کلمات کلیدی

کانی سازی هیدروترمال
قدرت
ریزساختار
انتشار CO 2

1 . مقدمه

ساخت و سازهای جدید و نوسازی ساختمان های موجود در سراسر جهان منجر به تجمع سریع زباله های ساختمانی و تخریب (CDW) شده است. در ایالات متحده، کانادا، بریتانیا، استرالیا و هنگ کنگ، CDW به ترتیب 33، 35، 50، 30 درصد و 65 درصد از کل زباله های عمده را تشکیل می دهد ( حمادو و آنجلی، 2024 ). در چین، به دلیل دور جدیدی از نوسازی شهری و شهرنشینی مستمر، انباشت CDW همچنان برای مدت نسبتاً طولانی ادامه خواهد داشت، که بنابراین می‌تواند تنش‌های زیادی را به منابع زمین محلی و محیط زیست وارد کند. تخمین زده شد که تولید سالانه CDW چین به 2.19 میلیارد تن در سال 2020 رسیده است، با میانگین نرخ رشد سالانه تقریباً 10.5٪ از سال 2004 تا 2020 ( Wang et al., 2014 ). در حالی که، بخشی از CDW که دارای خواص مهندسی نسبتاً خوبی است، به عنوان مثال، فلزات، بتن، ملات و سنگ، می تواند مستقیماً بازیافت شود و برای ساخت و سازها مورد استفاده مجدد قرار گیرد، نرخ بازیابی CDW نوسانات زیادی بین 7 تا 90 درصد از مکان به بعد نشان می دهد. محل، و حدود یک سوم از CDW جهان (35٪) در محل های دفن زباله باقی می ماند ( دوان و همکاران، 2019 ؛ سوتو-پاز و همکاران، 2023 ). انسداد در بازیافت کامل CDW ناشی از فقدان فناوری برای تصفیه CDW با خواص مهندسی ضعیف است، به عنوان مثال، ضایعات لجن تولید شده توسط ساختمان (CGSW) از حفاری پایه شمع و تونل زنی محافظ ، که ذرات بسیار ریز، نفوذپذیری کم، محتوای آب بالا را نشان می دهد . و محتوای آلی بالا ( ژانگ و همکاران، 2022 ؛ جیانگ و همکاران، 2023 ). تخلیه مستقیم مستقیم CGSW با رطوبت بالا با انباشته شدن در محل و/یا خارج از محل در بسیاری از شهرهای چین طبق سیاست “شهرهای بدون زباله” ممنوع است ( ژانگ و همکاران، 2023 ). بنابراین تنش های بالا برای درمان CGSW عظیم در جوامع علمی و صنعتی ایجاد می شود.
به طور کلی، CGSW با فیلتراسیون پرس جامد می شود و با عوامل عمل آوری واکنش دهنده مانند سیمان و آهک مخلوط می شود تا خواص شیمیایی و فیزیکی آن تغییر کند. مخلوط های جامد CGSW را می توان به عنوان ماده پرکننده برای خاکریزی و/یا زیرسازی استفاده کرد ( Cui et al., 2022 ). علاوه بر این، پیشنهاد شد که CGSW حاصل از حفر تونل سپر می تواند به طور بالقوه به عنوان یک جایگزین سازگار با محیط زیست برای دوغاب های سنکرون معمولی استفاده شود ( ژانگ و همکاران، 2022 ). در آن روش‌های انجماد CGSW، واکنش‌های مواد پخت با آب (برای عوامل مبتنی بر سیمان) یا هوا (برای عوامل مبتنی بر اکسید کلسیم/منیزیم) می‌تواند ژل‌های کلسیم سیلیکات هیدرات (CSH) یا کربنات کلسیم/منیزیم را تشکیل دهد. برای اتصال ذرات به یکدیگر ( وانگ و همکاران، 2024 ، وانگ و همکاران، 2024 ؛ لیو و همکاران ، 2024 . با این وجود، سیلیس و آلومینا نسبتا بی اثر در لجن را نمی توان فعال کرد، بنابراین خواص مهندسی مخلوط لجن-عامل به طور قابل ملاحظه ای محدود است. در نتیجه، دستیابی به استفاده روزافزون از لجن با تصفیه عامل ساده تقریباً ممکن نیست.
یکی دیگر از درمان های پرکاربرد، تف جوشی لجن در دماهای بالا است که امکان حذف مواد آلی و افزایش فعالیت پوزولانی را برای کاربردهای گسترده فراهم می کند. ژانگ و همکارانش از لجن لایروبی فعال مکانیکی-حرارتی به عنوان یک ماده سیمانی مکمل برای تولید سیمان لجن متخلخل با انتشار کربن کم استفاده کردند ( ژانگ و همکاران، 2024a ، b؛ تانگ و همکاران، 2024 ). این تصفیه ممکن است برای برخی از انواع لجن خطرناک، به عنوان مثال، لجن لایروبی، با تولید نسبتاً کم اما اثرات زیست محیطی شدید بسیار مناسب باشد. با این حال، برای CGSW، عملیات تف جوشی در مقیاس بزرگ باعث مصرف انرژی بالا، انتشار گسترده کربن و هزینه های دفع زیادی می شود ( ژانگ و همکاران، 2023 ). بنابراین، این درمان‌های سنتی هرچند مؤثر با مصرف انرژی بالا و انتشار CO 2 نمی‌توانند سیاست‌های توسعه سبز و توسعه پایدار شهری چین را برآورده کنند ( لیو و همکاران، 2023 ). بنابراین، توسعه تکنیک‌های مناسب برای درمان CGSW در مقیاس بزرگ با توازن میان راندمان استفاده، خواص مهندسی و انتشار CO2 ، یک کار فوری است.
کانی‌سازی هیدروترمال (HM) تکنیکی است که اجازه می‌دهد واکنش‌هایی بین سیلیس/آلومینا و فعال‌کننده‌های اکسید فلزی مانند CaO، MgO، Na2Oو K2Oدریک راکتور مهر و موم شده در شرایط گرمابی انجام شود ( ژانگ و همکاران، 2023 ). . بسته به فعال‌کننده‌های مورد استفاده، HM می‌تواند در دمای نسبتاً کم یا متوسط، به عنوان مثال، 120 تا 330 درجه سانتی‌گراد ( Galvankova et al., 2016 ; Hartmann et al., 2014 ; Nguyen et al., 2022 )، به شدت کمتر از فرآیند پخت که اغلب به دمای بیش از 900 درجه سانتیگراد نیاز دارد ( لی و همکاران، 2021 ). در واقع، HM برای مدت طولانی در ساخت و تولید بتن هوادهی اتوکلاو شده (AAC)استفاده شده است ( چائو و همکاران، 2024 ؛ نگوین و همکاران، 2022 ؛ فاج و همکاران، 2019 ). فنگ و همکاران (2024) با موفقیت یک نوع AAC با محتوای بالای دوغاب ضایعات بتن تا 60٪ تولید کرده بود. به دلیل دمای نسبتاً پایین تصفیه، نه تنها ترکیبات جامد موجود در لجن را می توان حفظ کرد، بلکه فرآیند تصفیه HM نیز بی خطر است. بنابراین، تبدیل ضایعات لجن و سایر ضایعات جامد به محصولات مفید با استفاده از تصفیه HM یک راه حل ترجیحی خواهد بود ( فان و همکاران، 2023 ؛ ژانگ و همکاران، 2023 ).
هنگامی که به درمان HM CGSW مربوط می شود، مکانیسم فیزیکی و شیمیایی اصلی شامل کانی سازی سیلیس و آلومینا در CGSW با منابع فعال کلسیم برای تشکیل محصولات کلسیم سیلیکات هیدرات (CSH) است. با این حال، فعالیت شیمیایی نسبتاً خنثی سیلیس و آلومینا در CGSW واکنش‌های کانی‌سازی خود به خودی و سریع در دمای اتاق را ممنوع یا مسدود می‌کند ( لین و همکاران، 2022 ). در شرایط گرمابی، واکنش‌ها بسیار تسریع می‌شوند و محصولات CSH تشکیل‌شده، در کریستال‌ها، آمورفیسم یا چندشکلی، می‌توانند به‌عنوان چسبنده برای پیوند فازهای مختلف به یکدیگر برای تشکیل ساختارهای جامد مداوم عمل کنند ( شرینر و همکاران، 2020 ؛ Chen et al . همکاران، 2017 ، چن و همکاران، 2017 ؛ 2022 ). بایندرهای CSH ممکن است ساختارهای متفاوتی را تحت شرایط سنتز متفاوت نشان دهند که در نتیجه عملکردهای برجسته ای را به همراه خواهد داشت ( Geng et al., 2024 ; Tang et al., 2021 ; Wang et al., 2020 , Wang et al., 2020 , 2021 ). . در بیشتر موارد تیمار HM، توبرموریت با ساختار فیبری و/یا صفحه ای در محدوده نسبتاً وسیعی از نسبت مخلوط مواد، شرایط تصفیه و مواد افزودنی سنتز می شود ( هارتمن و همکاران، 2014 ؛ ژانگ و همکاران، 2023 ؛ چائو و همکاران. ، 2024 ).
در حالی که شرایط سنتز نسبتاً قوی توبرموریت و سایر محصولات CSH توسط HM، درمان CGSW با پیچیدگی مواد بالا را تسهیل می‌کند، چالش‌ها همچنان به وجود می‌آیند زیرا تقریباً هیچ نسبت مخلوط و شرایط یکنواختی برای ضایعات لجن با ترکیبات مختلف وجود ندارد. به عنوان مثال، در سواحل ژجیانگ-فوجیان، فعال ترین مناطق در اقتصاد چین، رسوبات گل آلود با محتوای مواد آلی بالا ( چن و همکاران، 2017 ) ممکن است مشکلاتی را برای درمان HM ایجاد کند، ناگفته نماند که ژجیانگ ممکن است سختگیرانه ترین اقدامات را داشته باشد. سیاست مدیریت پسماندهای ساختمانی در کشور مدتهاست که تشخیص داده شده است که بیشتر مواد آلی طبیعی یا پلیمرهای مصنوعی می توانند واکنش های کلسیم-سیلیس را در مواد مبتنی بر سیمان ( Peng et al., 2020 ; Xu et al., 2022 ) و همچنین سیستم های آهک-سیلیکا ( Harvey et al. al.، 2010 ). بنابراین، برای CGSW از مناطق ساحلی با رسوبات گل آلود، نیاز فوری به بررسی نسبت های مخلوط بهینه برای HM و همچنین مناسب ترین شرایط HM وجود دارد.
اهداف این کار دو دسته است: اول، روشن کردن نسبت مخلوط بهینه برای درمان HM. دوم، بررسی تأثیرات دما و مدت زمان پخت HM بر خواص مکانیکی و ریزساختار ضایعات لجن تیمار شده با HM. یک نوع CGSW از Wenzhou، یک شهر ساحلی چین، به عنوان ماده خام مورد استفاده قرار گرفت. برای هدف اول، نسبت‌های مختلف کلسیم به سیلیس از 0.4 تا 1.0 طراحی شده و چگالی و مقاومت فشاری ضایعات لجن تولید شده توسط ساختمان‌های معدنی هیدروترمال (HM-CGSW) اندازه‌گیری می‌شود. برای هدف دوم، دماها و مدت زمان پخت HM مختلف تنظیم می‌شوند و آزمایش‌های خمشی برای اندازه‌گیری استحکام HM-CGSW انجام می‌شود . در نهایت، انتشار CO 2 (e-CO 2 ) معادل HM-CGSW تخمین زده می شود و یک سناریوی صنعتی شامل تولید در محل CGSW، پیش تصفیه ، فرآیند HM و کاربرد مهندسی پیشنهاد شده است. این کار مسیری پایدار برای ارتقاء استفاده مجدد از CGSW و سایر ضایعات لجن برای تولید مصالح ساختمانی فراهم می کند.

Leave A Comment