Cientistas criam cimento totalmente a partir de resíduos

Pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura, descobriram uma nova maneira de criar cimento a partir de resíduos.

Criando biocimento renovável inteiramente a partir de resíduos

O cimento é um aglutinante, uma substância usada na construção que endurece, endurece e adere a outros materiais para ligá-los. Quando areia e cascalho são combinados com cimento, o concreto é produzido. O cimento é classificado como hidráulico ou não hidráulico, com o cimento não hidráulico não pegando na presença de água, enquanto o cimento hidráulico necessita de uma reação química entre os materiais secos e a água.

O cimento é um dos materiais mais utilizados no planeta. O consumo de cimento nos Estados Unidos foi estimado em 109 milhões de toneladas métricas em 2021.

A fabricação de cimento tem um impacto no meio ambiente em todos os níveis do processo. Alguns exemplos incluem poluentes no ar na forma de poeira, fumaça, ruído e vibração durante a operação de equipamentos e detonações em pedreiras, bem como danos à paisagem causados ​​pela pedreira.

Cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura (NTU Cingapura) descobriram um método para produzir biocimento a partir de resíduos, tornando a alternativa ao cimento tradicional mais verde e sustentável.

O biocimento é um tipo de cimento renovável que usa bactérias para criar uma reação de endurecimento que liga o solo em um bloco sólido.

Os cientistas da NTU agora criaram biocimento a partir de dois materiais residuais comuns: lodo de carboneto industrial e ureia (da urina de mamíferos).

Eles desenvolveram um método para formar um sólido duro, ou precipitado, a partir da interação da uréia com íons de cálcio em lodo de carboneto industrial. Quando essa reação ocorre no solo, o precipitado une as partículas do solo e preenche as lacunas entre elas, resultando em uma massa compacta de solo. Isso produz um bloco de biocimento que é forte, durável e menos permeável.

A equipe de pesquisa, liderada pelo professor Chu Jian, presidente da Escola de Engenharia Civil e Ambiental, mostrou em um trabalho de pesquisa de prova de conceito publicado em 22 de fevereiro de 2022 no Jornal de Engenharia Química Ambiental que seu biocimento pode potencialmente se tornar um método sustentável e econômico para melhorar o solo, como fortalecer o solo para uso em construção ou escavação, controlar a erosão da praia, reduzir a poeira ou a erosão eólica no deserto ou construir reservatórios de água doce em praias ou em o deserto.

(da esquerda para a direita) Dr. Wu Shifan, Pesquisador Sênior, Centro de Soluções Urbanas, Escola de Engenharia Civil e Ambiental, NTU, e Professor Chu Jian, Presidente da Escola de Engenharia Civil e Ambiental, NTU segurando blocos de biocimento feito de uréia e lodo de carboneto. Crédito: Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura

Ele também pode ser usado como biogrout para selar rachaduras na rocha para controle de infiltração e até mesmo para retocar e reparar monumentos como esculturas rupestres e estátuas.

“O biocimento é uma alternativa sustentável e renovável ao cimento tradicional e tem grande potencial para ser usado em projetos de construção que exigem tratamento do solo”, disse o professor Chu, que também é diretor do Centro de Soluções Urbanas da NTU. “Nossa pesquisa torna o biocimento ainda mais sustentável usando dois tipos de resíduos como matéria-prima. A longo prazo, não apenas tornará mais barato a fabricação de biocimento, mas também reduzirá o custo envolvido no descarte de resíduos”.

A pesquisa dos cientistas da NTU apóia o plano estratégico NTU 2025, que visa abordar alguns dos grandes desafios da humanidade, incluindo mitigar o impacto humano no meio ambiente por meio do avanço da pesquisa e desenvolvimento em sustentabilidade.

Urina, bactérias e cálcio: uma receita simples para biocimento

O processo de fabricação de biocimento requer menos energia e gera menos emissões de carbono em comparação com os métodos tradicionais de produção de cimento.

O biocimento da equipe da NTU é criado a partir de dois tipos de resíduos: lodo de carboneto industrial – o material residual da produção de gás acetileno, proveniente de fábricas de Cingapura – e uréia encontrada na urina.

Em primeiro lugar, a equipe trata o lodo de carboneto com um[{” attribute=””>acid to produce soluble calcium. Urea is then added to the soluble calcium to form a cementation solution. The team then adds a bacterial culture to this cementation solution. The bacteria from the culture then break down the urea in the solution to form carbonate ions.

These ions react with the soluble calcium ions in a process called microbially induced calcite precipitation (MICP). This reaction forms calcium carbonate – a hard, solid material that is naturally found in chalk, limestone, and marble.

The test specimen of a Buddha hand was provided by Dazu Rock Carvings, a UNESCO World Heritage Site in China. Repair work using biocement was done at Chongqing University, China, by Dr. Yang Yang. The biocement solution is colorless, allowing restoration works to maintain the carving’s original color. Credit: Nanyang Technological University, Singapore

When this reaction occurs in soil or sand, the resulting calcium carbonate generated bonds soil or sand particles together to increase their strength and fills the pores between them to reduce water seepage through the material. The same process can also be used on rock joints, which allows for the repair of rock carvings and statues.

The soil reinforced with biocement has an unconfined compression strength of up to 1.7 megapascals (MPa), which is higher than that of the same soil treated using an equivalent amount of cement.

This makes the team’s biocement suitable for use in soil improvement projects such as strengthening the ground or reducing water seepage for use in construction or excavation or controlling beach erosion along coastlines.

Paper first author Dr. Yang Yang, a former NTU Ph.D. student and research associate at the Centre for Urban Solutions who is currently a postdoctorate fellow at Chongqing University, China, said: “The calcium carbonate precipitation at various cementation levels strengthens the soil or sand by gradually filling out the pores among the particles. The biocement could also be used to seal cracks in soil or rock to reduce water seepage.”

A sustainable alternative to cement

Biocement production is greener and more sustainable than the methods used to produce traditional cement.

“One part of the cement-making process is the burning of raw materials at very high temperatures over 1,000 degrees Celsius to form clinkers – the binding agent for cement. This process produces a lot of carbon dioxide,” said Prof Chu. “However, our biocement is produced at room temperature without burning anything, and thus it is a greener, less energy demanding, and carbon-neutral process.”

Dr. Yang Yang said: “In Singapore, carbide sludge is seen as waste material. However, it is a good raw material for the production of biocement. By extracting calcium from carbide sludge, we make the production more sustainable as we do not need to use materials like limestone which has to be mined from a mountain.”

Prof Chu added: “Limestone is a finite resource – once it’s gone, it’s gone. The mining of limestone affects our natural environment and ecosystem too.”

The research team says that if biocement production could be scaled to the levels of traditional cement-making, the overall cost of its production compared to that of conventional cement would be lower, which would make biocement both greener and cheaper alternative to cement.

Restoring monuments and strengthening shorelines

Another advantage of the NTU team’s method in formulating biocement is that both the bacterial culture and cementation solution are colorless. When applied to soil, sand, or rock, their original color is preserved.

This makes it useful for restoring old rock monuments and artifacts. For example, Dr. Yang Yang has used the biocement to repair old Buddha monuments in China. The biocement can be used to seal gaps in cracked monuments and has been used to restore broken-off pieces, such as the fingers of a Buddha’s hands. As the solution is colorless, the monuments retain their original color, keeping the restoration work true to history.

In collaboration with relevant national agencies in Singapore, the team is currently trialing their new biocement at East Coast Park, where it is being used to strengthen the sand on the beach. By spraying the biocement solutions on top of the sand, a hard crust is formed, preventing sand from being washed out to sea.

The team is also exploring further large-scale applications of their biocement in Singapore, such as road repair by sealing cracks on roads, sealing gaps in underground tunnels to prevent water seepage, or even as cultivation grounds for coral reefs as carol larvae like to grow on calcium carbonate.

Reference: “Utilization of carbide sludge and urine for sustainable biocement production” by Yang Yang, Jian Chu, Liang Cheng, Hanlong Liu, 22 February 2022, Journal of Environmental Chemical Engineering.
DOI: 10.1016/j.jece.2022.107443