فراورده چند سازه چوب- سیمان با استفاده از ضایعات لیگنوسلولزی

معرفی امکان ساخت فراورده ی چند سازه چوب- سیمان با استفاده از ضایعات لیگنوسلولزی

چکیده :

حجم عظیمی از پسماند های لیگنوسلولزی در سراسر جهان از منابع مختلفی از قبیل کشاورزی،ساختمان ها ،صنایع چوب و مبلمان تولید می شود و این مسئله سبب نگرانی های زیست محیطی شده است. لذا کاربرد این مواد در ساخت یک ماده ساختمانی نظیر کامپوزیتهای سیمانی می تواند از میزان این مشکل بکاهد.[3] الیاف مورد استفاده اغلب الیاف حاصل از ضایعات کشاورزی از قبیل باگاس ، کاه گندم ، سبوس و ساقه برنج هستند.

واژه های کلیدی: پسماندهای لیگنوسلولوزی، کامپوزیت سیمان،ضایعات کشاورزی

     مقدمه:

از اوایل قرن بیستم تا کنون در ایران از الیاف آزبست برای تقویت این کامپوزیتها استفاده می شود که خواص منحصر به فردی در کامپوزیت ایجاد می کند . هر چند در دهه اخیر ، اغلب کشورها الیاف آزبست را در صنعت ساختمان به دلیل تاثیر الیاف آزبست بر سلامتی انسان ، ممنوع کرده اند. در این راستا ،الیاف طبیعی به عنوان گزینه های مناسب برای جایگزینی الیاف آزبست مطرح هستند که می توانند سازکاری نسبتا مناسبی با خمیر سیمان ایجاد کنند. [1] مواد لیگنوسلولزی از چوب و گیاهان طبیعی حاصل می شوند. بخش عمده آنها شامل لیگنین و ترکیبات سلولزی است. بیشترین میزان این پسماندها در اطراف صنایع و بواسطه محصولات کشاورزی تولید می شوند. سبوس و پوشال برنج، پوشال گندم، تفاله نیشکر و خاک اره به سرعت تولید می شوند. جدول 1 میزان برخی از زباله های لیگنوسلولزی تولید شده در کشورهای مختلف را نشان می دهد. به زودی این زباله ها باید سوزانده شوند یا در زمین دفع شوند. این روشها باعث مشکلات محیطی گوناگونی نظیر آلودگی هوا ، نشر گازهای گلخانه ای و از بین رفتن زمینهای مثمر می شود.مشکل عمده ، عوارض دفع زباله است. علاوه بر این روشهای انهدام که سبب کاهش منابع اولیه می شود همچنین با تجریه ی بیولوژیکی زباله های لیگنوسلولزی در محل دفن زباله گاز متان که یک گاز گلخانه ای ست متصاعد می شود[3]  با توجه به این وضعیت پیدا کردن روشهای دیگری برای دفع این زباله ها مهم و ضروری است. پژوهشهای متعددی روی استفاده از چوب در شکلهای مختلف در ساخت  فراورده ی چوب سیمان به کار رفته است که این امر سبب تخلیه منابع جنگلی خواهد شد . با توجه به این نگرانی های محیطی لازم است مطالعات به سمت جایگزینی مواد اولیه با ضایعات لیگنوسلولزی و پسماندهای کشاورزی جهت دهی شوند.[3] بنابراین استفاده از ضایعات لیگنوسلولزی برای پیوند خوردن با سیمان برای جایگزینی جالب توجه خواهد بود.

مواد اولیه:

باگاس :

باگاس پس مانده ی فیبری و باقیماده ی حاصل از فشردن گیاه نیشکرو فرایند تولید شکراست . بخشی از باگاس برای تولید گرما و استفاده در فرایند تولید شکر سوزانده می شود ، بخشی به زمین کشاورزی بازگردانده می شود و بخش دیگر برای تولید انواع مختلف اوراق فشرده به کار می رود . الیاف باگاس فقط برای تولید پانل های با کیفیت بالا به کار می رود. [2] در این ترکیب حدود 50% فیبر وجود دارد که شامل 30% مغز و 20% مواد جامد میباشد. گر چه کیفیت الیاف بستگی به پارامترهای مختلفی از قبیل کیفیت نیشکر، رسیده بودن و بازدهی ماشینهای کارخانه دارد. باگاس در بسیاری از کشورهای جهان در دسترس است و ترکیبی از مغز و فیبرهای با ضخامت دیواره ای به طول 1-4 میلی متر است. در حال حاضر کاربرد صنعتی باگاس در تولید تخته خرده و تخته فیبر است. برای استفاده از باگاس در ساخت کامپوزیت سیمان توصیه میشود با مش 2 میلی متر الک شود.[3] زیرا در حین عمل آوری کوتاه شدن الیاف رخ می دهد و حتی الامکان بایستی سعی نمود تا از این عمل جلوگیری شود. در حین عمل آوری با کنده شدن فیبریلها از سطح خارجی امکان تولید خاکه وجود دارد . این مواد در ساخت کامپوزیت اثر مخربی دارند و تا جایی که امکان دارد قبل از استفاده توسط الک جدا می شوند.[1] معمولا پیشنهاد می شود برای ساخت تخته های با دانسیته 1.00 kg/m3  باید باگاس-سیمان به نسبت 1:2 ترکیب شوند . ویل اگراوال پیشنهاد کرد اگر ترکیب باگاس 16-12% باشد ، فشار قالب پرس 2-3 مگاپاسکال و زمان شکل گیری بیشتر از 6 ساعت باشد. بیلبا و همکاران دریافتند که اگر باگاس را در ترکیب باگاس-سیمان با حرارات 200 درجه سانتیگراد تیمار حرارتی دهند ،مشابه هیدراتاسیون سیمان عمل می کند. با توجه به اینکه عملیات حرارتی الیاف باگاس قبل از مخلوط شدن برای یک محصول مشابه تخته ساختمانی، یک پروسه پرهزینه است . بنابراین سایر پروسه های تیمار یا افزایش تقویت کننده های شیمیایی باید بررسی شود.[3]

کاه گندم :

گندم یکی از غلات مهم مورد استفاده در کشورهای مختلف است که بعد از برداشت محصول حجم زیادی کاه به صورت پسماند بر جای می ماند. سالانه 709,000,000 تن کاه در سراسر جهان تولید می شود.[4] گزارش شده که کاه گندم از لحاظ نوع و اندازه سلول ساختار پیچیده تری از چوب دارد . درمقایسه با چوب الیاف کاه کوتاهتر و دیواره سلول نازکتر دارد و مقدار سلولز آن تقریبا معادل چوب(45%) اما مقدار همی سلولز(28%) که بیشتر از چوب(23%) و مقدار لیگنین(18%) که در مقایسه با چوب(27%) کمتر است.[2] کامپوزیت سیمان کاه گندم ویژگی های مکانیکی مطلوبی را دارد اما در هیدراتاسیون سیمان محدودیت هایی را ایجاد می کند.[5] مقدار زیاد همی سلولز بیشترین تاثیر را در محدودیت هیدراتاسیون داراست. با این وجود استفاده از تکنیکهای تسریع کننده واکنش کربن دار کردن در تخته پوشال گندم-سیمان، ساخت تخته موفقیت آمیز بود. این تخته ها حداقل استاندارد فیزیکی، مکانیکی و ماندگاری لازم را داشتند[3].

 

کاه برنج :

 سبوس برنج یکی از پسماندهای محصولات کشاورزی ست که در حجم زیاد در یک منطقه قابل دسترس است . کارخانه های شالیکوبی ، دانه های برنج را برای استفاده ی خود در طول سال انبار می کنند. این مسئله موجب می شود که در طول سال به طور یکنواخت و رضایت بخشی در دسترس باشد. دانه های برنج با رطوبت 8 درصد وارد کارخانه می شوند. سبوس برنج به طور طبیعی نسبتا فیبری است و برای آماده شدن و استفاده در تولید تخته به انرژی کمی نیاز دارد.[2] تخمین زده اند تولید سالیانه کاه برنج در سطح جهان 673000000 تن است. فرناندز و تاجا دو عدد تخته سیمان-کاه برنج ساختند که نسبت سیمان : کاه برنج 60:40 و 50:50 بود.دانسیته تخته ها به ترتیب1670kg/m3  و 1430 kg/m3  بودند. مقاومت خمشی تخته ها بین 1.5 و 7.0 بسته به مصرف ماده کمکی سیمان متفاوت بود.جذب آب تخته ها بالا نبود و بین 24% و 42% متغیر بود. [3]

      بحث و نتایج:

مقدار زیادی مواد زائد از منابع لیگنوسلولزی مختلف تولید می شود که باعث مشکلات مختلفی می شود (جدول 1). مطالعات اخیر در مورد استفاده از این زباله ها نشان می دهد که این ضایعات را می توان در ساخت کامپوزیت های سیمانی که می تواند برای ساخت قطعات مختلف ساختمان استفاده شود به کار برد. در چند مورد قبل از استفاده از این زباله ها لازم است از کاتالیزورهای شیمیایی استفاده شود.[3] در پانل های ساخته شده با چسب های معدنی ، الیاف لیگنوسلولزی مورد استفاده با اتصال دهنده های معدنی نظیر اکسی سولفات منیزیم ، گچ منیزیم دار و سیمان پرتلند مخلوط شدند . دانسیته پانل ها 290-1250 kg/m3 است . الیاف لیگنوسلولزی می توانند با سیمان مخلوط شوند و تشکیل یک کیک دهند و سپس تا دانسیته 460-640  kg/m3 فشرده شوند تا یک پانل چهار گوش تشکیل گردد. [2]  فراورده های ساخته شده از سیمان با محدودیت ها و نواقصی مواجه اند. این فراورده ها در بازار به عنوان محصولات شکننده شناخته شده اند. این تردی و شکنندگی به طور مستقیم مربوط به محیط قلیایی است که توسط ماتریس سیمان به وجود می آید. به علاوه همی سلولزها ، نشاسته، تانن ها، قندها و لیگنین با درجات مختلف بر سرعت سخت شدن و مقاومت نهایی کامپوزیت تاثیر می گذارند . برای استحکام و دوام چندسازه ها باید اقداماتی صورت گیرد تا ثبات مواد زراعی در طولانی مدت در ماتریس سیمان فراهم آید. برای غلبه بر این مشکلات ، روش های مختلفی توسعه یافته است. معمولترین آنها ، آبشویی است ، در این روش مواد زراعی برای 1 تا 2 روز در آب خیسانده می شوند تا ترکیبات زیان آور آنها حذف گردد. نسبت های کم آب به سیمان با استفاده از کاتالیزوری نظیر کربنات کلسیم نیز امیدوار کننده بوده است همچنین سیمان هایی با قلیائیت کم نیز گسترش یافته اند ، لکن هنوز در همه نقاط جهان در دسترس نیستند . دو فن مهم دیگر پوزولان های طبیعی و تیمار دی اکسی کربن است. پوزولان ها به مواد سیلیس دار یا سیلیس و آلومینیوم داری اطلاق می گردد که بتواند به صورت شیمیایی با هیدروکسید کلسیم(آهک) در آب و درجه ی حرارت معمولی واکنش دهند تا تر کیبات سیمانی به وجود آورند(ASTM , 1988) . در شرایط عادی ، هنگامی که سیمان پرتلند با پوزولان ها مخلوط می گردد ، این مواد مقاومت سیمان را افزایش می دهند، اما سرعت سفت شدن را کند می کنند. از همه مهمتر اینکه این قبیل مواد، قلیاییت سیمان پرتلند را کاهش می دهند، این مسئله بیانگر آن است که اضافه کردن مواد  لیگنوسلولزی به سیمان ممکن است مفید باشد. در تولید صفحات چوب-سیمان، واکنش هیدراتاسیون معمولا به 8 تا 24 ساعت زمان نیاز دارد تا مقاومت و چسبندگی تخته به اندازه کافی باشد تا بتواند از فشار فشردگی آزاد شود . اگر چنانچه سیمان در معرض  CO2 قرار گیرد، مدت زمان مرحله ابتدایی سخت شدن می تواند به کمتر از 5 دقیقه کاهش یابد. نتیجه واکنش شیمیایی  CO2 با هیدروکسید کلسیم ، تشکیل کربنات کلسیم و آب است. کاهش مدت زمان مرحله ابتدایی سخت شدن صفحات چوب-سیمان ، تنها مزیت CO2 نیست ، بلکه همچنین اثر قندها و تانن ها را بر واکنش هیدراتاسیون سیمان تا حدود بسیار زیادی کاهش می دهد، این مسئله بویژه برای مواد زراعی حائز اهمیت است. بعلاوه تحقیقات بوضوح نشان داده اند که سختی و استحکام چند سازه های تیمار شده با CO2 ، دو برابر چند سازه های تیمار نشده است و سرانجام به واسطه عدم حرکت هیدروکسیدکلسیم به سطح مواد، در فراورده های تیمار شده با CO2 ، اثری از بلورهای نمک مشاهده نمی گردد، بنابراین ظاهر محصول نهایی تغییری نمی کند.[2]

جدول 1 -  تولید ضایعات لیگنوسلولوزی در کشورهای مختلف[3]

کشور

منبع

نوع ضایعات

مقدار در سال

مالزی

صنعت خرمای روغنی

پوست خرمای روغنی

2.6 میلیون تن

هند

کشاورزی

ضایعات آلی

350 میلیون تن

جهان

کشاورزی

ساقه گندم

709.2 میلیون تن

جهان

کشاورزی

ساقه برنج

67303 میلیون تن

جهان

کشاورزی

لیف نارگیل

0.1 میلیون تن

جهان

کشاورزی

باگاس

102 میلیون تن

جهان

کشاورزی

ساقه غلات

2 بیلیون تن

 

 جدول 2-سود و زیان مصرف ضایعات لیگنوسلولزی[3]

فایده

ضرر

سبک وزن،ثبات ابعاد،کامپوزیت زیستی و مقاوم به آتش با رسانایی حرارتی کم

مهار کننده اثر هیدراتاسیون سیمان

کاهش انتشارco2  با ایجاد کپسولهای مواد لیگنوسلولزی که هر کدام حدود 50%کربن دارند

کیفیت نامتناقض ضایعات می تواند منجر به تغییر در کیفیت کامپوزیت شود

مصرف ضایعات موثرو بی خطر

برای پروسه زمان طولانی لازم است

کاهش در زمین مصرفی برای دفن زباله

برای انبار کردن این ضایعات فضای زیاد و زمان طولانی لازم است

 

 

منابع :

 

1-مرتضی خرمی و همکاران،"افزایش ظرفیت باربری خمشی کامپوزیتهای سیمانی با استفاده از الیاف طبیعی"، تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران،جلد24،شماره 2،1388، 206-207

2- فائزي پور،مهدي،عليرضا كبوراني،داوود پارسا پژوه،1381،كاغذ و مواد چند سازه از منابع زراعي،انتشارات دانشگاه تهران.

3-S.R. Karade.,” Cement-bonded composites from lignocellulosic wastes”, Construction and Building Materials,Volume24,2010,Pages1323-1333

4-Conservatree. Environmental paper listening study: tree free paper issues; 26 September 2004. 104 p.

5-Soroushian P, Aouadi F, Chowdhury H, Nossoni A, Sarwar G. Cement-bonded  straw board subjected to accelerated processing. Cem Concr    Compos  2004;26:797–802 

تاریخ ارسال: 1393/2/20
تاریخ بروزرسانی: 1393/2/20
تعداد بازدید: 3451
ارسال نظر