نحو إنتاج أسمنت صديق للبيئة

يعتبر الأسمنت من أكثر المواد الخام أهمية في الحضارة الإنسانية، حيث يستخدم على نطاق واسع في كثير من عمليات البناء والتشييد، وتتعدد أنواعه، إذ يوجد حاليا نحو 42 أسمنتا معياريا، وهذه الأنواع المختلفة يتم استخدامها في عدد كبير من التطبيقات المهمة، ومن أكثر أنواع الأسمنت استخداما "أسمنت بورتلاند".

وبالرغم من أهمية الأسمنت فإن عملية إنتاجه تتسبب في انبعاث كميات كبيرة من الغازات الضارة، ومن أهمها غاز ثاني أكسيد الكربون، المتهم الرئيسي في حدوث ظاهرة الاحتباس الحراري، حيث يتسبب إنتاج طن واحد من الأسمنت في انبعاث نحو طن من هذا الغاز، وتقدر الأبحاث أن العملية التصنيعية للأسمنت في العالم تسهم بنحو 5% من مجمل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ذي الآثار السلبية على بيئة الأرض.

ويتم صنع الأسمنت عن طريق خلط الحجر الجيري مع طين الومينوسيليكات، ثم يسخن في فرن ضخم على درجة حرارة تبلغ 1500 درجة مئوية، لتنتج كتلا رمادية تعرف باسم "كلنكر"، والتي هي عبارة عن مجموعة من الأكاسيد (كأكسيد الحديد والسليكون والأمونيوم والألمنيوم والكالسيوم)، وبعد أن يتم تبريد هذا الخليط، يضاف إليه الجبس ويطحن بشكل ناعم لإنتاج "أسمنت بورتلاند"، ويعبأ في أكياس خاصة أو يوضع في حاويات معدة لهذه الغاية.

وفي العادة، يتم خلط بودرة الأسمنت مع كميات محددة من الماء للحصول على مادة ذات قوام كثيف لاستخدامها في عمليات البناء، وأحيانا تضاف بعض المواد المحسنة لهذا الخليط من أجل إكسابها صفات محددة، كتحمل درجات الحرارة العالية أو الضغط أو المياه المالحة، كما يمزج هذا المعجون مع الحصى والرمل والحجارة للحصول على الخرسانة التي تصب في قوالب خاصة سرعان ما تتصلب وتجف، إلا أن اكتمال صلابتها يحتاج إلى عدة أشهر.

إن عملية تفاعل الأسمنت مع الماء بوجود الرمل والحصى، هي في الحقيقة تفاعل كيميائي معقد، حيث تحدث سلسلة من التفاعلات التي تعرف باسم تفاعلات "الإماهة" والتي يكون الناتج عنها حجر صناعي هو هيدرات سيليكات الكالسيوم "CaO – SiO₂ – H₂O"، والذي يشكل الآن المادة الأهم في العالم لبناء المساكن والعمارات والجسور والطرقات والسدود وغيرها من المنشآت.

ونظرا لأن صناعة الأسمنت من الصناعات التي ينتج عنها انبعاثات كربونية عالية، فإن هذا شكل تحديا للباحثين من أجل إنتاج أنواع جديدة من الأسمنت الصديقة للبيئة أو الأسمنت الأخضر، حيث يبلغ الإنتاج العالمي من الأسمنت حوالي 2.2 مليار طن سنويا، ويتوقع أن هذه الكمية سوف تتضاعف لتبلغ 4.2 مليار طن عام 2050، وهذا يزيد من نسبة إسهام هذه الصناعة في انبعاث غاز ثاني أكسيد الكربون بنسبة 10%. 

أسمنت صديق للبيئة
يعود انبعاث كميات ضخمة من غاز ثاني أكسيد الكربون عند صناعة الأسمنت إلى عملية تسخين الحجر الجيري ومادة الكلنكر الأسمنتي، وكذلك حرق الوقود الأحفوري للحصول على الحرارة العالية اللازمة لعملية التسخين.

لقد أُجريت كثير من الأبحاث من أجل إجراء تعديلات على عملية تصنيع الأسمنت بهدف تقليل الانبعاثات الغازية الناجمة عن صناعته، واقتُرح أن تتم إضافة نحو 50% من البوزلانا الصناعية (رماد الفحم أو خبث الحديد) إلى الأسمنت، مما يقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون التي سوف تنجم عن توفير حرق الوقود للحصول على الكلنكر الأسمنتي، كما سيقلل من ماء الخلط اللازم لتكوين الخرسانة البوزلانية.

كذلك اتجهت أنظار الباحثين نحو استخدام البوزلانا الطبيعية التي استخدمها عمال البناء قبل ألفي سنة في روما، وهي عبارة عن الرماد البركاني الذي يمكن أن يستخدم كبديل لخبث الأفران أو الكلنكر، إذ كان الرومان يخلطون الجير مع الرماد البركاني وقطع الصخور والماء لعمل مادة بناء صلبة ومتماسكة استخدمت في تشييد المباني والمسارح والمعابد.

وفي عشرينيات القرن الـ19، وفي منطقة ليدز بإنجلترا، استطاع "جوزيف إسبن" تصنيع الأسمنت الحديث، والذي أنتجه من تسخين الحجر الجيري المطحون مع الطين، وبعد أن أضاف إليه الماء لاحظ تصلبه، وقد أطلق عليه "أسمنت بورتلاند" نسبة إلى حجارة أبنية جزيرة بورتلاند، وحصل هذا المنتج على براءة اختراع عام 1824، ثم أعقب ذلك إدخال بعض التحسينات على عملية إنتاج الأسمنت.

وتعد شركة "سيراتيك" في فرجينيا من الشركات المتخصصة في تقديم بدائل عن الأسمنت التقليدي، وقد استخدمت نوعا من البوزلانا الصناعية وهو الرماد المتطاير الذي يتم تجميعه بواسطة مرشحات خاصة من غازات الاحتراق في محطات توليد الطاقة الكهربائية عن طريق حرق الفحم، حيث يكون هذا الرماد ناعما جدا، وتنتج المنشآت الأميركية نحو سبعين مليون طن منه سنويا، ويتم التخلص من هذا الرماد في مكبات النفايات، وقد استفادت شركة سيراتيك من هذا الرماد ومزجته ببعض الإضافات الخاصة لإنتاج نوع من الأسمنت، وقد أثبتت خرسانة هذا الأسمنت أنها أقوى من خرسانة الأسمنت التقليدي.

وبالإضافة إلى أهمية تخفيض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عند استخدام البوزلانا سواء الطبيعية أو الصناعية، فقد بينت التجارب أيضا أن هذا النوع من الأسمنت يتميز بعدد من الصفات المهمة، كمقاومته العوامل الطبيعية وديمومته ومقاومته الأملاح الموجودة في التربة والمياه الجوفية، وكذلك قلة مساميته ونفاذيته ومقاومته التشققات الحرارية التي تصيب الأسمنت التقليدي.

وقد سعى فريق من الباحثين الأستراليين إلى إنتاج خلطة جديدة من الأسمنت، وذلك باستخدام أكسيد المغنيسيوم مع "أسمنت بورتلاند" ليحل مكان جزء من الحجر الجيري، وبالتالي تنخفض درجة حرارة فرن التسخين إلى نحو سبعمائة درجة مئوية، والتي يمكن الحصول عليها من خلال حرق الوقود الحيوي وبعض أنواع الوقود الأخرى ذات الانبعاثات الكربونية القليلة.

وبالرغم من أهمية هذا المقترح، فإنه سرعان ما تبين عدم جدواه في تقليل الانبعاثات، إذ إن عملية إنتاج أكسيد المغنيسيوم تتم من خلال تسخين كربونات المغنيسيوم، وهذه العملية تتسبب في انبعاث كميات كبيرة من الغاز الكربوني، وقد اقترح الباحث "نيكلوس فسابلوس" من كلية أمبريال في لندن استخدام سيليكات المغنيسيوم الخالية من مركبات الكربون، كما طور عدد من المركبات الكيميائية التي يمكن أن تخلط مع الماء و"أسمنت بورتلاند" واستخدم أيضا غاز ثاني أكسيد الكربون في صناعة أسمنت جديد، والذي أسست لإنتاجه شركة "نوفاكم" ليكون هذا المنتج قادرا على استيعاب بعض من الغاز الكربوني الملوث للبيئة.

 أما في كاليفورنيا، فتسعى شركة "كاليرا" إلى استخدام غاز ثاني أكسيد الكربون المنبعث من محطات توليد الطاقة الكهربائية في صناعة الأسمنت من خلال خلط هذا الغاز مع المياه المالحة لإنتاج الكربونات اللازمة لصناعة الأسمنت، حيث سيقلل من كمية الحجر الجيري المستخدمة، علما بأن استثمارات هذه الشركة في هذا المجال قد بلغت خمسين مليون دولار.

ويبين مؤسس "كاليرا" برنت كونستنتس أهمية هذه التكنولوجيا بقوله "إننا نأخذ غاز ثاني أكسيد الكربون من الجو ونحوله إلى أسمنت"، إلا أن هذه التكنولوجيا ما زالت في طور الاختبار، وقد أسس شراكة مع المجموعة الصينية لبناء مصنع أسمنت بالقرب من منجم للفحم في منغوليا، بهدف استغلال انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لتصنيع نوع جديد من الأسمنت الصديق للبيئة.

خرسانة أكثر استدامة
من جهة أخرى، وبموازاة عملية تصنيع أنواع جديدة من الأسمنت، يسعى فريق من الباحثين من جامعة "ساليرنو" الإيطالية إلى استخدام الألياف الصناعية المعاد تدويرها في الخرسانة الأسمنتية من أجل إنتاج مادة بناء أكثر استدامة.

وقد استخدمت الألياف الصناعية في الخرسانة الأسمنتية منذ زمن، إلا أن هدف الباحثين الآن هو استخدام الألياف الصناعية المعاد تدويرها مع المحافظة على جودة المادة المتكونة، وخصوصا أن أشكال تلك الألياف تكون في العادة غير منتظمة هندسيا، وبالتالي فإنها تتوزع بشكل غير منتظم داخل الأسمنت، وهذا يختلف عن توزع الألياف الصناعية التي يتم إنتاجها لاستخدامها خصيصا في الخرسانة الأسمنتية.

 ويجري الباحثون الآن تجاربهم على تلك الخرسانة التي تستخدم فيها ألياف صناعية معاد تدويرها، حيث يتم إخضاعها لاختبارات الضغط والسحب والتكسير، للتأكد من مدى مطابقتها لمعايير الجودة، وهم يتطلعون إلى استخدام الإطارات القديمة والنفايات المطاطية والبلاستيكية لإنتاج خرسانة أبنية المستقبل الصديقة للبيئة.
___________________
* كاتب علمي متخصص في هندسة تكنولوجيا الصناعات الكيميائية.