Procedeu Inovativ de Fabricare a Cărămizilor din Materie Vegetală Uscată: "BioMatrix CarbonLock"
În fiecare primăvară vedem incendii de materie vegetală uscată, aprinse de proprietari incomodați de spațiul ocupat de aceasta. Putem valorifica materia vegetală uscată și prin utilizarea ei ca materie primă pentru materiale de construcții astfel se vor stopa incendiile, va fi mai puțină poluare și vom avea în plus și materiale de construcții. In prima parte voi prezenta câteva inovații în valorificare materii vegetale uscate ca materiale de construcții iar in a doua parte soluții existente.
CAP. I. Soluții inovative pentru valorificarea materiei vegetale uscate ca material de construcții
1. Concept Revoluționar: Sinteză Hibridă Bio-Geopolimerică cu Nanotehnologie
Combinăm biotehnologia, geopolimerii și nanomateriale pentru a crea caramizi autoregenerante, carbon-negative și super-izolante, cu rezistență comparabilă cu betonul ușor.
2. Materii Prime și Componenți Avansați
A. Nucleul Vegetal (60-70%)
Fibre tratate enzimatic: Tulpini de cânepă/așchii de lemn (1-3 mm) tratate cu laccază (enzimă) pentru a activa lignină naturală ca adeziv.
Biochar nanocavități: Praf de biochar (din piroliză la 500°C) cu pori nanoestructurați, care captează CO₂ și sporesc rezistența.
B. Matricea Geopolimerică (25-30%)
Geopolimer hibrid:
Zgură de furnal + cină de orz (50%): Surse de siliciu și aluminiu.
Activator alcalin: Soluție de silicat de potasiu (K₂SiO₃) + hidroxid de sodiu (NaOH) 8M (raport 2:1).
Lignină modificată: Lignină sulfonată (deșeu din industria hârtiei) ca plastifiant și legant.
C. Nanoaditivi și Agenți Smart (5-10%)
Aerogel de celuloză: 2% aerogel derivat din celuloză de cânepă pentru izolație termică extremă (0.015 W/mK).
Bacterii sporulate (Bacillus pseudofirmus): Microbi încapsulați în microsfere de alginat, care activează la umiditate, secretând CaCO₃ pentru autoregenerare.
Graphen funcționalizat: 0.5% graphene oxide modificat cu grupări hidrofobe (-SiCH₃) pentru impermeabilizare.
3. Procesul Unic "BioMatrix" (7 Pași Clavi)
A. Activare Enzimatică a Fibrelor
Fibrele sunt încălzite la 60°C într-o baie cu laccază (5 U/g) și H₂O₂ 3%, transformând lignină în polimeri naturali ce leagă fibrele.
Se adaugă nanoparticule de SiO₂ (sintetizate din cină de orez) pentru a acoperi porii.
B. Formarea Nucleului Biochar-Fibră
Fibrele activate sunt amestecate cu biochar nanocavități (raport 3:1).
Se impregnă cu soluție de CaCl₂ 5% pentru a pregăti ionii de calciu necesari bacteriei.
C. Sinteza Geopolimerului Hibrid
Se amestecă zgura, cina de orz și lignină sulfonată.
Se adaugă activatorul alcalin (raport lichid/solid = 0.3) până la pastă vâscoasă.
D. Asamblarea 3D "Layer-Fusion"
Se utilizează o imprimantă 3D cu două capete:
Cap 1: Depune strat alternat fibră-biochar.
Cap 2: Injectează geopolimerul hibrid cu bacterii și aerogel.
Structura este construită în straturi intercalate pentru rezistență multidirecțională.
E. Carbonatare Accelerată cu CO₂ Supercritic
Cărămizile sunt introduse într-un reactor cu CO₂ supercritic (31°C, 73 bar) timp de 6 ore.
Reacții simultane:
Geopolimerizare: SiO₂ + Al₂O₃ + K⁺ → K-A-S-H gel.
Carbonatare: Ca²⁺ (din biochar) + CO₂ → CaCO₃ nanocristalin.
F. Activarea Bacteriilor Autoregenerante
După carbonatare, cărămizile sunt ținute la umiditate 80% timp de 48h.
Bacteriile metabolizează Ca²⁺ și CO₂, umplând microfisuri cu CaCO₃ suplimentar (+15% rezistență).
G. Acoperire cu "Piele Smart"
Se aplică un strat subțire de chitosan + grafen funcționalizat prin pulverizare electrostatică.
Stratul formează o membrană auto-curățitoare care respinge apa și particulele.
4. Proprietăți Ultra-Avansate
Rezistență la compresiune: 15-25 MPa (ca betonul armat!).
Izolație termică: 0.025 W/mK (de 10x mai bună decât caramida tradițională).
Autoregenerare: Închide fisuri de până la 0.5 mm în 72h.
Carbon negativ: Stochează 300 kg CO₂/tonă de material.
Rezistență la foc: Clasa A1 (neinflamabil datorită geopolimerului și biochar-ului).
5. Inovații Cheie
Bio-Geopolimeri: Prima utilizare a enzimelor și a bacteriei în geopolimeri.
CO₂ Supercritic: Carbonatare de 100x mai rapidă decât metodele clasice.
Membrană Smart: Combinația chitosan-grafen nu există în niciun alt material de construcții.
6. Impact Global
1 tonă de deșeu vegetal → 500 de cărămizi premium.
Reducere 95% a emisiilor vs. betonul Portland.
Aplicații: Structuri portante, dome geodezice, clădiri cu emisii negative.
Inovație : materii vegetale uscate cu bacterii pentru transformare în materiale de construcții
Iată o rețetă detaliată pentru a cultiva și aplica bacterii Bacillus pseudofirmus (sau alte specii calcifilice) care transformă umiditatea și CO₂ în carbonat de calciu (CaCO₃), oferind proprietăți de autoregenerare și întărire a materialelor de construcții:
A. Cultivarea Bacteriilor și Pregătirea Suspensiei
Materiale necesare:
Bacterii: Bacillus pseudofirmus (disponibil la ATCC sau companii biotehnologice).
Alternativ: Sporosarcina pasteurii (eficientă în biomineralizare).
Mediu de cultură:
20 g/L nutrient broth (extract de carne + peptonă).
10 g/L uree.
2 g/L clorură de calciu (CaCl₂).
pH ajustat la 9-10 cu NaOH 1M (mediu alcalin).
Echipament: Incubator la 30°C, agitator orbital, centrifuge.
Procedeu:
Cultivare:
Inoculați bacteria în mediu de cultură și incubați la 30°C timp de 48h, la 150 rpm.
Bacteriile vor metaboliza ureea, producind ioni de carbonat (CO₃²⁻) și creșteri de pH.
Inducerea sporilor:
După 48h, transferați cultiva într-un mediu sărac (0.5 g/L nutrient broth) timp de 24h pentru a induce formarea de spori rezistenți.
Recoltare:
Centrifugați suspensia la 4000 rpm timp de 15 minute.
Spălați pelletul cu soluție salină sterilă (NaCl 0.9%) pentru a elimina reziduuri.
B. Encapsularea Bacteriilor în Microsfere Bioactive
Materiale:
Alginat de sodiu (2% în apă): Polimer natural pentru microencapsulare.
Clorură de calciu (CaCl₂ 5%): Pentru gelificare.
Hrană pentru bacterii:
5% lactat de calciu (CaC₆H₁₀O₆) – sursă de Ca²⁺.
3% extract de drojdie – sursă de nutrienți.
Nanoparticule de SiO₂ (opțional): Pentru protecție mecanică.
Procedeu:
Amestecare:
Combinați spori bacterieni (1 parte), lactat de calciu (1 parte), extract de drojdie (1 parte), și SiO₂ (0.5 parte) în alginat de sodiu 2%.
Formare microsfere:
Folosiți un sering cu ac subțire pentru a picura amestecul într-o soluție de CaCl₂ 5%.
Microsferele se vor gelifica instantaneu (diametru 1-2 mm).
Uscare:
Microsferele sunt uscate la 25°C timp de 24h, păstrându-le spori vii.
C. Integrarea în Materialul de Construcție
Rețeta finală (pentru 1 kg de material):
Microsfere cu bacterii: 50-100 g (5-10% din greutate).
Ligant (geopolimer sau ciment): 400 g.
Agregat (nisip, fibră vegetală): 500 g.
Apă: 200-300 ml (pentru activare).
Proces:
Amestecare:
Combinați toate componentele uscate, apoi adăugați apă treptat până la consistență omogenă.
Turnare:
Turnați amestecul în matrițe și compactați (presare sau vibrare).
Uscare:
Lăsați la întărire timp de 7 zile la umiditate 60-70% (pentru activare parțială a sporilor).
D. Mecanismul de Autoregenerare
Activare: Când apare o fisură și umezește materialul, apa activează sporii bacterieni.
Metabolism:
Bacteriile consumă lactatul de calciu și CO₂ din aer, producând CaCO₃ prin reacția:
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓
Efect:
CaCO₃ umple fisurile în 24-72h, crescând rezistența cu 10-30%.
E. Optimizare și Testare
Condiții ideale: Temperatură 15-35°C, pH 8-10, umiditate >70%.
Test de eficiență:
Creați fisuri artificiale de 0.3-0.5 mm.
Expuneți la apă și CO₂ (ex: pulverizare cu soluție de CaCl₂ 2%).
Măsurați rezistența după 7 zile cu un sclerometru.
F. Avantaje:
Rezistență crescută: Până la 25 MPa în materiale geopolimerice.
Durată de viață: Sporii supraviețuiesc până la 50 de ani în material.
Eco-friendly: Reduce emisiile de CO₂ prin captare și carbonatare.
Această rețetă transformă materialele de construcții în structuri "vii" care se repară singure, reducând costurile de întreținere și extinzând durata de viață a clădirilor
Acest proces transformă deșeurile vegetale într-un material de construcții al viitorului, demonstrând că ingineria chimică poate reconcilia tehnologia cu natura!
CAP. II. Soluții existente de valorificare a materiei vegetale uscate ca material de construcții
Pentru a valorifica tulpinile de cânepă, fibre vegetale uscate și așchii de lemn în caramizi durabile, propun următorul proces tehnologic și compoziție chimică, bazat pe principii de economie circulară și sustenabilitate:
1. Materii Prime și Componenți Chimici
Materie vegetală (50-60% din volum):
Tulpini de cânepă, fibre vegetale, așchii de lemn (tăiate în dimensiuni de 2-5 mm).
Rol: Structură de armare, reducere a densității, izolație termică.
Liganti și Materiale Pozzolanice (30-40%):
Hidrat de var (Ca(OH)₂) (20-25%): Principalul liant, reacționează cu CO₂ pentru a forma carbonat de calciu (CaCO₃).
Cenușă zburătoare sau zgură de furnal (10-15%): Material pozzolanic care reacționează cu varul pentru a forma compuși cementanți (C-S-H gel).
Argilă calcinată (opțional, 5-10%): Crește rezistența mecanică.
Aditivi Chimici (5-10%):
Silicat de sodiu (Na₂SiO₃) (3-5%): Impermeabilizează și mărește rezistența la apă.
Borax (Na₂B₄O₇·10H₂O) și acid boric (H₃BO₃) (1-2%): Retardante de flacără și biocid împotriva mucegaiurilor și insectelor.
Emulsie de amidon modificat (opțional, 2-3%): Legare temporară înainte de carbonatare.
Apă: Utilizată pentru activarea reacțiilor chimice și formarea pastei.
2. Procesul de Fabricare
A. Pregătirea materiei vegetale
Sortare și uscare: Materia vegetală este uscată la umiditate sub 15% pentru a preveni degradarea.
Fragmentare: Tulpini și fibre sunt măcinate/mărunțite la dimensiuni uniforme (2-5 mm).
Tratament chimic preliminar:
Fibrele sunt înmuiate într-o soluție de borax (1%) + acid boric (1%) pentru protecție contra incendiilor și dăunători.
Se adaugă silicat de sodiu (3%) pentru hidrofobizare.
B. Amestecarea componentelor
Se combină:
50% materie vegetală tratată.
25% hidrat de var.
15% cenușă zburătoare.
5% silicat de sodiu.
5% emulsie de amidon (opțional).
Se adaugă apă (10-15% din masa totală) până la obținerea unei paste omogene.
C. Formarea cărămizilor
Presare la rece:
Amestecul este turnat în matrițe metalice și presat la 10-15 MPa pentru compactare.
Presiunea elimină aerul și asigură densitate uniformă.
Extrudare (opțional): Pentru forme complexe, se utilizează o extrudoare cu șurub.
D. Uscare și Carbonatare
Uscare inițială: Cărămizile sunt uscate la umbră timp de 48 de ore.
Carbonatare accelerată:
Expunerea la CO₂ concentrat (20-30%) într-o cameră controlată (umiditate 70%, temperatură 25-30°C) timp de 7-10 zile.
Reacția: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O (câștig de rezistență).
E. Finisare
Tratament superficial cu silicat de sodiu (prin pulverizare) pentru hidrofobizare suplimentară.
Testare conform standardelor de construcție (rezistență la compresiune, absorbție de apă, rezistență la foc).
3. Proprietăți Tehnice Estimate
Rezistență la compresiune: 5-10 MPa (suficient pentru zidărie nestructurală).
Conductivitate termică: 0.1-0.2 W/mK (izolație superioară față de caramida ceramică).
Absorbție de apă: <15% (datorită silicatului de sodiu).
Rezistență la foc: Clasa B1 (autoextingibil datorită boraxului).
4. Avantaje Economice și Ecologice
Reducere a deșeurilor: Valorificarea a 1 tonă de materie vegetală ≈ 2000 de cărămizi.
Scădere a emisiilor: Procesul la temperatură ambiantă reduce consumul de energie cu 80% față de caramida arsă.
Carbon negativ: Fibrele de cânepă stochează 150-200 kg CO₂/tonă.
5. Aplicații Practice
Zidărie nestructurală, blocuri de izolație, panouri acustice.
Compatibil cu mortar de var pentru construcții eco.
Prin acest proces, materialele vegetale devin resurse valoroase, reducând dependența de resursele finite și poluarea din ardere.
Comments
Post a Comment