Bilim İnsanları, Atık Malzemelerden Yenilenebilir Biyo-Çimento Ürettiler

Bir Buda elinin test örneği, Çin’deki UNESCO Dünya Mirası Listesi’ndeki Dazu Rock Carvings tarafından sağlanmıştır.

Singapur Nanyang Teknoloji Üniversitesi(NTU)’nden bilim insanları, sıradan çimentoya daha çevreci ve sürdürülebilir bir alternatif oluşturarak atıklardan biyo-çimento üretmenin bir yolunu buldular.

Biyo-çimento, toprağı katı bir bloğa bağlayan bir sertleşme reaksiyonu oluşturmak için tipik olarak bakterilerin kullanıldığı yenilenebilir bir çimento şeklidir. NTU bilim insanları, biyo-çimento oluşturmak için iki yaygın atık malzeme olan endüstriyel barbür çamuru ve üreyi kullanmayı başarmışlardır.

Endüstriyel karbür çamurunda ürenin kalsiyum iyonları ile reaksiyonunun sert bir katı veya çökelti oluşturduğu bir süreç geliştirmişlerdir. Bu reaksiyon toprakta gerçekleştiğinde, çökelti toprak parçacıklarını birbirine bağlar ve aralarındaki boşlukları doldurarak kompakt bir toprak kütlesi oluşturur. Bu, güçlü, sağlam ve daha az geçirgen bir biyo-çimento bloğu ile sonuçlanır.

İnşaat ve Çevre Mühendisliği Okulu Başkanı Prof. Chu Jian liderliğindeki araştırma ekibi, Şubat 2022’de Çevre Kimya Mühendisliği Dergisi’nde yayınlanan bir kavram kanıtlama araştırma makalesinde, biyo-çimentolarının inşaat veya kazıda kullanılmak üzere zeminin güçlendirilmesi, kumsal erozyonunun kontrol edilmesi, çölde toz veya rüzgar erozyonunun azaltılması veya kumsallarda veya çölde tatlı su rezervuarlarının inşa edilmesi gibi toprak iyileştirme için sürdürülebilir ve uygun maliyetli bir yöntem olabileceğini göstermişlerdir.

Ayrıca, sızıntı kontrolü için kayadaki çatlakları kapatmak ve hatta kaya oymaları ve heykeller gibi anıtları rötuşlamak ve onarmak için biyo-harç olarak kullanılabilir.

NTU Kentsel Çözümler Merkezi Müdürü olan Prof. Chu, “Biyo-çimento, geleneksel çimentoya sürdürülebilir ve yenilenebilir bir alternatiftir ve zeminin işlenmesini gerektiren inşaat projelerinde kullanılmak için büyük bir potansiyele sahiptir,” demiştir. “Araştırmamız, hammadde olarak iki tür atık malzeme kullanarak biyo-çimentoyu daha da sürdürülebilir kılmaktadır. Uzun vadede, biyo-çimento üretimini daha ucuz hale getirmekle kalmayacak, aynı zamanda atık bertarafı için gereken maliyeti de azaltacaktır.”

NTU bilim insanlarının araştırması, sürdürülebilirlik alanında araştırma ve geliştirmeyi ilerleterek çevre üzerindeki insan etkisini azaltmak da dahil olmak üzere, insanlığın bazı büyük zorluklarını ele almayı amaçlayan NTU 2025 stratejik planını desteklemektedir.

İdrar, Bakteri ve Kalsiyum: Biyo-Çimento İçin Basit Bir Tarif

Biyo-çimento yapım süreci, geleneksel çimento üretim yöntemlerine kıyasla daha az enerji gerektirir ve daha az karbon emisyonu üretir.

NTU ekibinin biyo-çimentosu iki tür atık malzemeden oluşmaktadır: Endüstriyel karbür çamuru (Singapur fabrikalarından elde edilen asetilen gazı üretiminden kaynaklanan atık malzeme) ve idrarda bulunan üre.

Ekip ilk olarak, çözünür kalsiyum üretmek için karbür çamurunu bir asitle işletmektedir. Üre daha sonra bir sementasyon çözeltisi oluşturmak için çözünür kalsiyuma eklenir. Ekip daha sonra bu sementasyon çözeltisine bir bakteri kültürü ekler. Kültürdeki bakteriler daha sonra çözeltideki üreyi parçalayarak karbonat iyonları oluşturur.

Bu iyonlar, mikrobiyal olarak indüklenen kalsit çökeltme (MICP) adı verilen bir süreçte çözünür kalsiyum iyonları ile reaksiyona girer. Bu reaksiyon, tebeşir, kireçtaşı ve mermerde doğal olarak bulunan sert, katı bir malzeme olan kalsiyum karbonatı oluşturur.

Bu reaksiyon toprakta veya kumda meydana geldiğinde oluşan kalsiyum karbonat, toprak veya kum parçacıklarını kuvvetlerini artırmak için birbirine bağlar ve malzeme içinden su sızmasını azaltmak için aralarındaki gözenekleri doldurur. Aynı işlem kaya derzlerinde de kullanılabilir, bu da kaya oymaları ve heykellerin onarımına olanak tanımaktadır.

Biyo-çimento ile güçlendirilmiş zemin, eşdeğer miktarda çimento kullanılarak işlenmiş aynı zeminden daha yüksek olan 1,7 megapaskal’a (MPa) kadar sınırsız bir sıkıştırma mukavemetine sahiptir.

Bu, ekibin biyo-çimentosunu, zemini güçlendirme veya inşaat veya kazıda kullanım için su sızıntısını azaltma veya kıyı şeridi boyunca kumsal erozyonunu kontrol etme gibi toprak iyileştirme projelerinde kullanıma uygun hale getirmektedir.

Makalenin ilk yazarı Dr. Yang Yang, şunları söylemiştir: “Çeşitli sementasyon seviyelerindeki kalsiyum karbonat çökeltisi, parçacıklar arasındaki gözenekleri yavaş yavaş doldurarak toprağı veya kumu güçlendirir. Biyo-çimento su sızıntısını azaltmak için toprak veya kayadaki çatlakları kapatmak için de kullanılabilir.”

Çimentoya Sürdürülebilir Bir Alternatif

Biyo-çimento üretimi, geleneksel çimento üretmek için kullanılan metotlara göre daha çevre dostu ve sürdürülebilirdir.

Prof. Chu, “Çimento yapım sürecinin bir parçası, -çimento için bağlayıcı madde olan- klinker oluşturmak için 1000˚C’nin üzerindeki çok yüksek sıcaklıklarda ham maddelerin yakılmasıdır. Bu işlem çok fazla karbondioksit üretir,” demiştir. “Ancak, biyo-çimentomuz oda sıcaklığında hiçbir şey yakmadan üretilmekte ve bu nedenle daha çevre dostu, daha az enerji gerektiren ve karbonsuz bir süreçtir.”

Dr. Yang Yang, “Singapur’da karbür çamuru, atık malzeme olarak görülmektedir. Ancak biyo-çimento üretimi için iyi bir hammaddedir. Karbür çamurundan kalsiyum elde ederek, bir dağdan çıkarılması gereken kireçtaşı gibi malzemelere ihtiyaç duymadığımız için üretimi daha sürdürülebilir hale getiriyoruz.”

Prof. Chu eklemiştir: “Kireçtaşı sınırlı bir kaynaktır – bir kez biterse, biter. Kireçtaşı madenciliği doğal çevremizi ve ekosistemimizi de etkiler.”

Araştırma ekibi, biyo-çimento üretimi geleneksel çimento yapımı seviyelerine gelebilirse, üretimin genel maliyetinin geleneksel çimentoya kıyasla daha düşük olacağını ve bunun da çimentoya hem daha çevre dostu hem de daha ucuz bir alternatif haline geleceğini söylemiştir.

Anıtların Restorasyonu ve Kıyı Şeritlerinin Güçlendirilmesi

NTU ekibinin biyo-çimento formüle etme yönteminin bir başka avantajı, hem bakteri kültürünün hem de sementasyon çözeltisinin renksiz olmasıdır. Toprağa, kuma veya kayaya uygulandığında orijinal rengi korunur.

Bu da bu malzemeyi eski kaya anıtlarını ve eserlerini restore etmek için kullanışlı hale getirmektedir. Örneğin, Dr. Yang Yang, Çin’deki eski Buda anıtlarını onarmak için biyo-çimentoyu kullanmıştır. Biyo-çimento, çatlak anıtlardaki boşlukları kapatmak için kullanılabilir ve bir Buda’nın el parmakları gibi kırılmış parçaları onarmak için kullanılmıştır. Çözüm renksiz olduğundan, anıtlar orijinal renklerini koruyarak restorasyon çalışmalarını tarihe sadık tutmaktadır.

Ekip, şu anda Singapur’daki ilgili ulusal kurumlarla işbirliği içinde, sahildeki kumu güçlendirmek için kullanıldığı East Coast Park’ta yeni bio-çimentolarını deniyor. Biyo-çimento çözeltilerinin kumun üzerine püskürtülmesiyle sert bir kabuk oluşur ve kumun denize dökülmesini engeller. Ekip ayrıca Singapur’daki biyo-çimentolarının, yollardaki çatlakları kapatarak yol onarımı, su sızıntısını önlemek için yeraltı tünellerindeki boşlukları kapatmak gibi daha büyük ölçekli uygulamalarını araştırmaktadır.

Environmental Chemical Engineering Dergisi’nde “Sürdürülebilir Biyoçimento Üretimi İçin Karbür Çamuru ve İdrar Kullanımı” başlıklı makale yayınlanmıştır.

Kaynak: techxplore.com