للبناء بغازات دفيئة أقل

تتسبب عمليات إنتاج الأسمنت في انبعاث كمية كبيرة من الغازات الدفيئة. فهل هناك طريقة للحد من التلوث الناتج؟

أبي موصل | جاليليو

"وقال رجل لصاحبه: ليصنع من لبنة فيحترق، فيصير لهم اللبن حجرًا، ويكون لهم الطين طينًا" (تك 11: 3).

في قصة محاولة بناء برج بابل في سفر التكوين، يتم وصف أحد الابتكارات التكنولوجية في العالم القديم: كبديل لاستخراج الحجارة وتقطيعها لأغراض البناء، من الممكن استخدام الخام المحلي المواد، وإخضاعها لعملية حرق والحصول على الطوب في شكل مناسب للبناء. تم استخدام هذه الطريقة منذ مئات السنين (ولا تزال تستخدم حتى اليوم في أجزاء مختلفة من العالم).

وتم لصق هذا الطوب ببعضه البعض باستخدام مواد مختلفة: الجير - وهو منتج محترق من الحجر الجيري، والملاط الذي يحتوي على خليط طيني من الطين ومواد أخرى، والجبس والمواد البيتومينية. وعلى مر الأجيال، تم تطوير خلطات هذه المواد مع مواد طبيعية مختلفة بهدف زيادة قوة مواد البناء ومقاومتها للماء وإنتاج مادة ذات خصائص موحدة.
المواد الخام لصناعة البناء

تم التطوير الرئيسي لمواد البناء في العصر الحديث خلال المائتي عام الماضية، حيث تم تطوير مادة البناء الرئيسية، من بين أمور أخرى، وهي الأسمنت (أسمنت بورتلاند)، الذي يتميز بالقوة ومقاومة الماء والجودة التي يمكن التحكم فيها.

من المعروف أن الرومان القدماء استخدموا الرماد البركاني، وهو منتج مشابه للأسمنت الرئيسي المستخدم اليوم، أسمنت بورتلاند من حيث العملية - تحميص مادة الطين والجير في درجة حرارة عالية.

الفرق بين المادة القديمة والحديثة يكمن في التجانس الكيميائي: فالرماد البركاني ليس منتجا موحدا وبالتالي لا يمكن التحكم في خصائصه. وفي المقابل فإن الأسمنت الحديث هو نتاج تكليس الحجر الجيري والطين عند درجة حرارة عالية. يحتوي على الجير والجبس وأكاسيد معدنية مختلفة يضاف إليها رماد الفحم والمواد المضافة الأخرى.

يعتبر الأسمنت من أهم المواد الخام المستخدمة في صناعة البناء اليوم. توجد في معظم دول العالم صناعة محلية لإنتاج الأسمنت، ويتم معظم الاستهلاك على مسافة قصيرة من مكان الإنتاج بسبب ارتفاع تكاليف نقل الأسمنت وانخفاض سعر الوحدة نسبياً. وزن.
إنتاج الأسمنت وانبعاثات الغازات الدفيئة

يعد إنتاج الأسمنت لأغراض البناء إحدى العمليات الصناعية التي تنطوي على احتمالية كبيرة لانبعاثات غازات الدفيئة. ووفقاً للتقديرات الحالية، فإن عملية إنتاج الأسمنت مسؤولة عن حوالي 7-5% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في العالم. ومن المتوقع أن تؤدي التنمية الاقتصادية المتسارعة في دول العالم الثالث إلى مضاعفة إنتاج الأسمنت في العالم بحلول عام 2030.

العملية الرئيسية في إنتاج الأسمنت هي التحميص على درجة حرارة عالية (أكثر من 1,450 درجة مئوية) لخليط من المواد الخام، أهمها الحجر الجيري والطين لتكوين الكلنكر، وهو خليط رمادي من مسحوق وكتل مختلفة الأحجام ( يصل قطرها إلى عدة سنتيمترات). يتم بعد ذلك طحن الكلنكر مع إضافات مختلفة ويتم تسويقه كأسمنت.

إن انبعاث ثاني أكسيد الكربون في إنتاج الأسمنت يرجع إلى سببين: الأول، لأن الوقود يتم احتراقه في العملية (عادةً الوقود المستخدم في صناعة الأسمنت هو فحم الكوك البترولي، وهو عبارة عن بقايا ثقيلة من عمليات تكرير الوقود، ويحتوي على نسبة عالية نسبياً من الكربون لكل وحدة طاقة). والثاني يرجع إلى حقيقة تحويل الحجر الجيري إلى جير مع انبعاث ثاني أكسيد الكربون:

كاو + ثاني أكسيد الكربون. → كربونات الكالسيوم 2
الحد من عملية التلوث

في عملية إنتاج طن واحد من الكلنكر، ينبعث ما بين 700 إلى 1,000 كجم من ثاني أكسيد الكربون. وتعتمد الكمية على كفاءة الطاقة في عملية الاحتراق (كما سيتم تفصيله أدناه)، وكمية الوقود من المصادر المتجددة المستخدمة (إذا تم استخدام الوقود من مصادر متجددة، فإن مصدر ثاني أكسيد الكربون هو المادة النباتية التي كانت في السابق يمتصه من الجو، ولذلك يعتبر "محايدا" من حيث الإضافة إلى الغلاف الجوي). وتعتمد الانبعاثات لكل طن من الأسمنت الذي يتم تسويقه في نهاية المطاف على كمية الكلنكر الموجودة فيه، وتبلغ في المتوسط ​​500 إلى 700 كجم من ثاني أكسيد الكربون المنبعث لكل طن من الأسمنت المنتج.

على مر السنين، تم تطوير تقنيات مختلفة بهدف تقليل استهلاك الطاقة واستهلاك المواد الخام وانبعاثات الغازات الدفيئة من مرافق إنتاج الأسمنت البورتلاندي. كانت العمليات الأولى لإنتاج الأسمنت "رطبة"، وتضمنت خلط المواد الخام في حالة رطبة. تضمن هذه الطريقة خلطًا بسيطًا نسبيًا للمواد الخام للحصول على منتج متجانس، ولكنها تتطلب استخدام الكثير من الطاقة لتجفيف المواد الخام عند دخولها الفرن.

إن أهم التحسينات التي طرأت على عملية إنتاج الأسمنت خلال القرن الماضي كانت تهدف إلى تقليل كمية الطاقة اللازمة لتقليل نسبة الرطوبة في المواد الخام. وتدريجياً تم التحول من العملية "الرطبة"، كما كان الحال في مصنع شركة "نيشر" في منطقة حيفا، الذي تأسس عام 1925 ولا يعمل اليوم، إلى العملية "شبه الرطبة"، و ثم إلى عملية "شبه جافة"، مثل مصنع "نيشر" بالمنطقة الصناعية الرطبة الذي أنشئ عام 1974. ويتم اليوم بناء مصانع حديثة، حيث يتم خلط المواد الأولية في حالة "جافة"، مثل هذا مثلاً في مصنع شركة "نيشر" في الرملة. أدى تغيير العملية من "الرطب" إلى "الجاف" إلى توفير أكثر من 50% من استهلاك الطاقة في هذه العملية.

وبما أن جزءًا كبيرًا من انبعاث الغازات الدفيئة في عملية إنتاج الأسمنت ينتج عن تحلل الحجر الجيري، فإن التحسين المهم الآخر لتقليل الانبعاثات هو استبدال بعض المواد الخام وبعض مكونات الأسمنت النهائي بمواد أخرى . إحدى النقاط الرئيسية في هذه العملية هي استخدام رماد الفحم، الذي يتم إنشاؤه كنفايات في محطات الطاقة التي تعمل بالفحم ويتم إضافته على عدة مراحل.

يحتوي رماد الفحم على خليط من المواد اللازمة لعملية إنتاج الكلنكر، ولذلك يتم إضافة كمية معينة من رماد الفحم إلى المواد الخام التي يتم إدخالها إلى الفرن. كما يتم إضافة رماد الفحم لاحقاً إلى الأسمنت نفسه وفي بعض أنواع الخرسانة يوجد إضافة رماد الفحم كمكون في الخرسانة. إن إضافة رماد الفحم يقلل الحاجة إلى كميات أكبر من الكلنكر وبالتالي يساهم في تقليل الطاقة اللازمة للعملية وتقليل كمية الحجر الجيري الموضوعة في الفرن.

طرق تقليل النفايات

في العقود الأخيرة، زاد استخدام مواد النفايات المختلفة ذات المحتوى العالي من الطاقة كبديل لجزء من الوقود من المصادر الأحفورية المستخدمة في أفران الأسمنت. وبهذه الطريقة، يتم استخدام مواد النفايات كوقود لعملية إنتاج الأسمنت، وهي مواد يمكن دفنها لولا ذلك. وتشمل مواد النفايات المذيبات الصناعية بمختلف أنواعها، والحمأة عالية الطاقة المتولدة في الصناعة، والإطارات، والنفايات الصناعية، والنفايات المنزلية بعد فرزها.

ويتم استخدام مواد النفايات كبديل للوقود بعد اختبارها للتأكد من أن استخدامها لا يزيد من انبعاث الملوثات القاسية من الأفران. ليس من الممكن عادةً استبدال كل الوقود العادي بمواد النفايات بشكل كامل، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن محتوى الطاقة لمعظم منتجات النفايات منخفض نسبيًا، ولا يسمح بالوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة للعملية. إن استخدام أنواع مختلفة من النفايات يقلل من انبعاث الغازات الدفيئة من الأفران لأن البديل هو أن يتم دفن النفايات وإخضاعها لعمليات التحلل التي ينبعث فيها ثاني أكسيد الكربون والميثان، وهو يعتبر من الغازات الدفيئة ذات إمكانات أعلى 21 مرة لتسببها في ظاهرة الاحتباس الحراري مقارنة بثاني أكسيد الكربون.

لا يتم التعبير عن التحسينات التكنولوجية لتقليل استهلاك الطاقة وتقليل الغازات الدفيئة في عمليات إنتاج الأسمنت في استبدال الوقود والمواد الخام فقط. هناك العديد من الطرق الأخرى لتحسين عمليات الإنتاج مع تقليل إجمالي الانبعاثات بشكل أكبر. إحدى الطرق هي استخدام الحرارة المنبعثة من الفرن والمنتجات الساخنة الخارجة منه، لتسخين المواد الخام الداخلة في العملية (إعادة التدوير الحراري). مع هذه الطريقة، يتم تقليل كمية الطاقة اللازمة لتسخين المواد الخام حتى قبل دخولها الفرن، وبالتالي تسمح هذه الطريقة باستغلال الطاقة بشكل أفضل. بالإضافة إلى ذلك فإن الاستفادة من حرارة الغازات العادمة المنبعثة من الفرن تسمح بتبريدها السريع، وهو التبريد المطلوب لتقليل انبعاث بعض ملوثات الهواء فيها.

الاتجاه الآخر هو البحث عن بديل للإنتاج التقليدي للأسمنت. أحد التطورات في هذا المجال تعود إلى الشركة الإسرائيلية I-Tec-W Ltd. وقامت الشركة بتطوير خليط من المواد ذات الأصل البيولوجي، والذي يتضمن إنزيمات مختلفة ومواد أخرى، وخلطها مع أنواع مختلفة من التربة يخلق نسيجًا مدمجًا وصلبًا، مما يسمح باستخدامها كبديل للأسمنت أو البنية التحتية للطرق. يُسمى خليط المواد هذا بمحلول Zym-tec (مادة اخترعتها الشركة وتم تعريفها كبراءة اختراع في إسرائيل وفي جميع أنحاء العالم). يؤدي خلط هذه المادة مع التربة إلى تغيير خصائصها ويسمح باستخدام المنتج الناتج في رصف أو تثبيت الطرق أو سد خزانات السوائل أو القنوات أو مناطق التخلص من النفايات. عندما يتم خلط المادة المركزة مع الماء كمحلول ووضعها في التربة قبل عصرها، فإنها تعمل على مكونات الحبوب الدقيقة في التربة ولها تأثير لاصق قوي.

إن تطبيق التقنية في مجال صناعة الخرسانة يجعل من الممكن تقليل كمية الأسمنت في الخلطة الخرسانية واستبدالها بكميات (أصغر) من مادة زيم-تك مع الحفاظ على كامل مواصفات الأداء. تتمتع المادة الجديدة التي اخترعتها شركة I-Tec-W Ltd بالعديد من المزايا التي تنعكس بالفعل في عشرات المشاريع التي تتولى الشركة مسؤوليتها في إسرائيل وحول العالم: وفقًا لهذه الطريقة، يتم خلط المادة مع التربة المحلية والتثبيت معًا بعد ذلك، يتم تمكين بناء البنية التحتية للطرق وإنشاء الطوب للبناء.

إن تطبيق هذه الطريقة يقلل بشكل كبير من انبعاثات الغازات الدفيئة التي تحدث في عمليات الرصف والبناء، ليس فقط بسبب التخفيض في عملية تصنيع المنتج نفسها، ولكن أيضًا بسبب حقيقة أنه تم استخدام المواد المحلية في عمليات البناء وأن وسائل النقل تم حفظ عمليات نقل مواد البناء من مناطق المحاجر البعيدة إلى موقع البناء أو الرصف. وهناك ميزة أخرى لهذه الطريقة وهي تقصير كبير في أوقات تنفيذ المشروع، مما يعني انخفاضًا في عدد ساعات عمل المعدات الميكانيكية الثقيلة، ونتيجة لذلك، مزيد من التخفيض الكبير في انبعاثات غازات الدفيئة.

عندما ترغب في تطبيق الطريقة لغرض رصف طريق أو بنية تحتية للطرق، يجب عليك معالجة التربة المحلية، وخلط المادة المركزة مع الماء ثم مع التربة بنسبة تختلف حسب رطوبة التربة المحلية. في تشييد المباني، يمكنك إضافة كمية صغيرة نسبيا من الأسمنت العادي لزيادة القوة.

خفض تكاليف البنية التحتية

الميزة الكبيرة لهذه الطريقة هي عملية تسوية الأرض وإعداد البنية التحتية لبناء الطرق. اليوم يتم استخدام مواد المحاجر بكميات كبيرة، والتي يتم نقلها إلى موقع الطريق من المحاجر ومن الضروري شد وتثبيت هذه الطبقات تمهيداً لبناء الطريق. ويسمح تطبيق المادة الجديدة باستخدام الأراضي المحلية لتلبية هذه الاحتياجات، وبالتالي تقليل تكاليف البنية التحتية نفسها وكمية الأوساخ الزائدة التي يجب التخلص منها اليوم.

إن تطبيق التقنية في مجال صناعة الخرسانة يجعل من الممكن تقليل كمية الأسمنت في الخلطة الخرسانية واستبدالها بكميات (أصغر) من مادة زيم-تك، مع الحفاظ على كامل مواصفات الأداء. يعد هذا حلاً فريدًا وحاصل على براءة اختراع للشركة، مما يساهم في تقليل الغازات الدفيئة المنبعثة بشكل كبير. حتى الآن، تم شق عدة عشرات الكيلومترات من الطرق في إسرائيل وفي جميع أنحاء العالم وتم بناء المباني باستخدام هذه الطريقة.

لمزيد من القراءة:

رصف الطرق في إثيوبيا بطريقة جديدة

الكاتب خريج علم الأحياء ومجاز في العلوم البيئية باسم الجامعة العبرية في القدس. عمل لسنوات في وزارة حماية البيئة في مجالات تتعلق بالحد من تلوث الهواء ومنع انبعاث الغازات الدفيئة، من بين أمور أخرى كنائب رئيس الدائرة ومدير دائرة جودة الهواء. يشغل حاليًا منصب مستشار للجنة البنية التحتية الوطنية والعديد من الشركات في قضايا جودة الهواء وتغير المناخ

تم نشر المقال كاملا في مجلة جاليليو عدد يونيو 2012