Cement tvořený bakteriemi z odpadních materiálů  
Singapurští vědci smíchali odpadní produkty z místních chemických výrob, přidali moč a bakterie, čímž získali kapalinu, jež stmeluje nejen písek lépe než ve vodě rozmíchaný cement.

Zkušební vzorek poškozené Buddhovy ruky ze známých Skalních reliéfů v čínském Ta-cu (památka UNESCO). Opravu pomocí biocementu provedl Dr. Yang Yang na univerzitě v Chongqingu v Číně. Roztok biocementu je bezbarvý, takže restaurátorské práce umožňují zachovat původní barvu památky. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore.
Zkušební vzorek poškozené Buddhovy ruky ze známých Skalních reliéfů v čínském Ta-cu (památka UNESCO). Opravu pomocí biocementu provedl Dr. Yang Yang na univerzitě v Chongqingu v Číně. Roztok biocementu je bezbarvý, takže restaurátorské práce umožňují zachovat původní barvu památky. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore.

Že i stavební materiály postihl překotný růst cen, vědí i ti, co zrovna nic nestaví a nerekonstruují. I v této oblasti pravděpodobně půjde vývoj, jestli na něj při inflaci a výdajích na zbrojení zůstanou finance, cestou hledání alternativních levnějších zdrojů a výrobních postupů – navíc zohledňujících i ekologickou stránku. Jak ale například  nahradit ve stavebnictví nezbytný cement, k jehož výrobě je nutné vytěžit vápenec a jíl, rozdrtit je, rozemlít a vypálit při vysoké teplotě až 1450 °C. Vznikne takzvaný slinek, jenž se po zchlazení opět mele na výsledný cementový prach (1 a 2).

 

První autor studie, postdoktorand Yang Yang ze Stavební fakulty čínské University v Chongqingu při precizní práci s biocementem na rekonstrukci poškozené ruky kamenného Buddhy. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore
První autor studie, postdoktorand Yang Yang ze Stavební fakulty čínské University v Chongqingu při precizní práci s biocementem na rekonstrukci poškozené ruky kamenného Buddhy. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore

Na straně druhé jsou výroby, při nichž vzniká velké množství odpadních produktů, kterých je nutné se nějak zbavit, nejlépe pro přírodu i lidi bezpečným způsobem, což představuje dodatečné náklady. Hledání způsobů, jak právě takové odpady využít na suroviny pro další energeticky nenáročnou výrobu něčeho potřebného, patří k těm nejracionálnějším ekonomickým a ekologickým cílům. Vytyčit si je ale musí v první řadě vědci s dostatkem vědomostí a technických možností pro výzkum, ne ziskuchtivé neziskovky.


V odborném časopisu Journal of Environmental Chemical Engineering se nedávno objevil volně dostupný článek, v němž čtyřlístek singapurských a čínských výzkumníků popisuje, jak z nevyužitých vedlejších produktů chemických výrob, moče a běžných bakterií připravili roztok, kterým lze nahradit cement. Stačí ho smíchat třeba s pískem. Po nalití na povrch sypkého materiálu zkompaktní v mezerách mezi částicemi, čímž ho zpevní do hloubky, kterou prosákne. Stmelující tekutina je sice zakalená, ale bezbarvá, lze ji v kombinaci s vhodným materiálem použít na opravu kamenných památek a dosáhnout jejich původního odstínu, nebo téměř neviditelně lepit úlomky či spravovat praskliny. Vědci nyní zkoušejí další aplikace, například vytmelení trhlin v tunelech, i těch podvodních, nebo použití s vhodnou, například asfaltovou drtí při opravách výmolů na silnicích. Zkoušky totiž prokázaly, že bio-cement vytvrzuje lépe a pevněji než běžný cement.

Z jakých tajných odpadních ingrediencí se nadějný vytvrzující roztok zatím jen v laboratorní kuchyni „vařil“?


1) Kal, který je odpadním produktem při výrobě acetylenu (C2H2) z karbidu vápenatého a vody. Vedlejší chemikálií reakce je roztok hydroxidu vápenatého (Ca(OH)2). Pro výrobu nového biocementu se tento odpadní kal stal zdrojem nezbytného vápníku.


2) Kyselina dusičná, kterou, jak autoři studie uvádějí, získali jako vedlejší odpadní látku v lokální chemické fabrice. Je to zvláštní poznámka, protože jinde se HNO3 cíleně vyrábí i relativně draze prodává. Je ale možné, že jako vedlejší produkt nějakého výrobního procesu není dostatečně chemicky čistá nebo vhodně koncentrovaná.

Vedoucí výzkumný pracovník dr. Shifan Wu (vlevo) a profesor Jian Chu (vpravo) z Fakulty stavebního a environmentálního inženýrství Technické university v Nanyangu se vzorky biocementu v rukou. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore
Vedoucí výzkumný pracovník dr. Shifan Wu (vlevo) a profesor Jian Chu (vpravo) z Fakulty stavebního a environmentálního inženýrství Technické university v Nanyangu se vzorky biocementu. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore.

 

Smícháním obou ingrediencí – zásaditého vápenatého kalu a kyseliny dusičné dochází k neutralizaci, výsledkem které je ve vodě rozpuštěný dusičnan vápenatý. Chemizmus takového prostředí již umožňuje metabolickou aktivitu hlavního živého aktéra dalšího procesu:


3) Bakterie. Ne však ledajaké. Singapurští vědci použili vzorky biologicky aktivovaného kalu používaného v čističce odpadních vod s vysokým obsahem půdních anaerobních, heterotrofních bakterií rodu Sporosarcina. Jako bezpočet jiných mikroorganismů, i tyto nám pomáhají na naší planetě přežít tím, že likvidují naše odpadní produkty. Do svého bezprostředního okolí totiž vylučují enzym ureázu, kterým rozkládají močovinu CO(NH2)2 – podstatnou složku nejen naší moče. Bakterie ji potřebují jako zdroj dusíku a uhlíku. Z toho je zřejmé, že do seznamu surovin pro výrobu biocementu musíme přidat:


4) Moč. Tu vědci nejdříve sterilizovali UV zářením, aby ji zbavili nežádoucích patogenů a pak přefiltrovali. Část takto upravené tělní tekutiny použili k namnožení bakterií.

 

Budova známá jako Úl (The Hive), jedna z několika architektonických skvostů singapurské Technické university v Nanyangu (Nanyang Technological University, Singapore). Universita patří k světové špičce, její hlavní kampus se rozkládá na ploše 200 hektarů (2 km2)  Kredit: Wikipedia, autor Supanut Arunoprayote
Budova známá jako Úl (The Hive), jedna z několika architektonických skvostů singapurské Technické university v Nanyangu (Nanyang Technological University, Singapore). Universita patří k světové špičce, její hlavní kampus se rozkládá na ploše 200 hektarů (2 km2) Kredit: Wikipedia, autor Supanut Arunoprayote.

 

Co se stane, když smícháme tři takto připravené tekutiny – roztok dusičnanu vápenatého (vznikl reakcí složek 1+2), moč a koncentrovanou bakteriální kulturu? Mikroorganismy se pustí do práce a hydrolyzují močovinu na ionty NH4+ a CO32-. Rozpuštěný hydroxid vápenatý nabízí ionty Ca2+ a OH-. Příznivci chemie již tuší, kam to spěje – k uhličitanu vápenatému, CaCO3. Ve směsi surovin však vede k tomuto cíli delší kaskáda reakcí souvisejících s bakteriálním metabolizmem a díky ní z tuhnoucího biocementu neuniká žádný čpavek, jak by to z jednoduchých chemických rovnic vyplývalo, protože ho mikroby využijí.


Třísložkový roztok biocementu prý umožňuje stmelit písek pevněji než naše pracně vyráběné cementy. Přesto s velikou pravděpodobností tato metoda – i když se ukáže být perspektivní alespoň pro nějaké aplikace, jistě pytle se šedým prachem zcela nenahradí. Aniž by to snižovalo význam výzkumu, který si snad najde cestu k praktické realizaci, je vhodné dodat, že biomineralizační schopnost bakterií Sporosarcina je již nějakou dobu známa, a v přírodě, kde mají zdroj vápníku a močoviny, dokážou tyto neviditelné, asi jen 2 až 4 μm podlouhlé mikroorganismy odolným vápenatým pojivem stmelit okolní zrna písku doslova do podoby horniny – pískovce.

 

Video: Vědci z NTU (Nanyang Technological University) v Singapuru vynalezli ekologický způsob, jak využít odpadní materiály, jako je moč a průmyslové kaly, na produkci pevného biobetonu. Nová metoda prý umožňuje zpevnit stavební půdu lépe než běžným betonem a v dohledné době ji v Singapuru vyzkouší na ochranu pláží před erozí. Na rozdíl od vysokoteplotních procesů používaných k výrobě konvenčního betonu, biobetonu stačí běžné teploty, přičemž neprodukuje žádný oxid uhličitý. Kredit: Nanyang Technological University, Singapore

Datum: 16.05.2022
Tisk článku

Související články:

S grafenem je lepší všechno. I beton!     Autor: Stanislav Mihulka (24.04.2018)
Beton s nanosazemi je elektricky vodivý a vyrábí teplo     Autor: Stanislav Mihulka (24.04.2021)
V UK vyrobili první betonovou základovou desku s grafenem     Autor: Stanislav Mihulka (07.06.2021)
Použité roušky nalezly nový život v betonu     Autor: Stanislav Mihulka (02.05.2022)



Diskuze:

Radim Polášek,2022-05-17 13:07:44

Za prvé, je podstatné, jak dlouho to pojivo vydrží kompaktní v běžném venkovním prostředí, s vodou, třeba i znečištěno u a případně v mrazu.
Za druhé výsledné pojivo není průhledné, ale bílé nebo bělavé. Tudíž se nedá počítat, že by materiál byl nějak ideální pro opravu stávajících historických kamenných výrobků. Výsledný vzhled materiálu vytvořeného z písku a tohoto pojiva bude nejspíš velmi podobný současným známým bílým betonovým cihlám lisovaným ze směsi písku, bílého cementu a vody.
Za třetí odpadní surovina, hydroxid vápenatý se má podle článku získávat podobně energeticky náročnou výrobou karbidu vápníku z vápence jako je energeticky náročná výroba cementu z vápence a jílovitých půd. Navíc na výrobu cementu lze použít defakto odpadní či obtěžující hmoty z vápencového lomu, okolních a nadložních vápenitých zemin. Nebo tak lze ekologicky zlikvidovat zeminy zamořené třeba ropnými látkami nebo zamořené do určité míry těžkými kov a další silikátové odpady atd Na výrobu karbidu se naopak musí používat co nejčistší vápenec. Navíc využívání acetylénu klesá, protože to je plyn nebezpečný a drahý. Acetylénové lampy se přestaly používat dávno. Využivání acetylénu ve svařování a dělení kovů taky klesá, protože jiné metody jsou levnější a bezpečnější. Jako syntézní plyn pro chemické reakce je zase oproti metanu, etanu a propanu příliš drahý, i když na některé chemické syntézy může být nezbytný. Neboli hydroxid vápenatý produkovaný jako odpad z výroby acetylenu je k dispozici jen málokde. Podobné to je s odpadní kyselinou dusičnou, je k dispozici jen málokde. Nakonec může být jako aktivní složka k tomuto pojivu dusičnan vápenatý vyrobený jakýmikoliv jiným více klasičtějším postupem.
Za čtvrté dusičnan vápenatý je velmi kvalitní a velmi vyhledávané hnojivo. není to žádná odpadní látka. Hydroxid vápenatý je zase velmi vhledávaná látka pro zlepšování vlastností některých půd stejně jako je kyselina dusičná velmi vyhledávaná látka pro výrobu kvalitních hnojiv. Ale.... v odpadním hydroxidu vápenatém po výrobě acetylenu mohou být všelijaké organické příměsi vyšších uhlovodíků nebo stopy toxických příměsí z vápence. Odpadní kyslina dusičná může být tak zněčištěna něčím, co by na poli činilo problémy. Potom je využití takhle vzniklého dusičnanu vápenatého na produkci stavebních hmot dobré využití. Pokud to nebude avdit těm bakteriím a nebude vadit lidem, co budou stavby z tohoto materiálu využívat.
Za páté moč neobsahuje jen močovinu, ale taky významné množství rozpustných fosforečnanů. Může to tak být vzhledem k vyčerpávání stávajících nerostných fosfátových ložisek, v blízké budoucnosti velmi hledaná surovina pro výrobu hnojiv. A ne na stavební materiály.
Za šesté při procesu výroby té hmoty smícháním složek nastává jako první anorganická reakce rozpustných iontů vápníků Ca2+ a fosforečných (PO4)3- ke vzniku nerozpustného fosforečnanu vápenatého Ca3(PO4)2. Ve vodném prostředí mezi částmi písku tak vzniká základní mřížka, na které se usadí ty bakterie a začnou dále ten volný prostor plnit vyloučeným uhličitanem vápenatým. Současně zřejmě buď z zbývající fosforečné hnoty v roztoku nebo z mřížky tuhého fosforečnanu vápenatého berou mikroorganismy fosfor potřebný k jejich výživě.

Odpovědět


Re:

Florian Stanislav,2022-05-17 23:33:12

Píšete "známým bílým betonovým cihlám lisovaným ze směsi písku, bílého cementu a vody."
Komentář:
Běžné bílé cihly jsou vápnopískové.
Suroviny pro výrobu vápenopískových cihel jsou: nehašené vápno, křemičitý písek a voda.
Cena vápnopískové cihly je zhruba poloviční proti tzv. bílé (= světle šedé) betonové cihle. Rozdíl je daný hlavně teplotou výpalu -vápenec na 1000 °C a výroba cementu 1450°C.
Bílý cement ( hlinitanový) je dražší než šedý, při jeho výrobě se užívá bauxit.

Odpovědět

Jen tak dál

Tomáš Novák,2022-05-16 11:49:13

...jisté je, že odpadní materiál nebude nikdy zcela nedostatkovým zbožím :-/

Odpovědět


Re: Jen tak dál

Jan Novák9,2022-05-16 14:36:12

Jakmile ho k něčemu důležitému využijete není to už odpadní materiál ale důležitá (a drahá, nedostatková...) surovina - takže odpadní materiál to už není :-)))
Benzin byl kdysi odpadní produkt při výrobě petroleje do lamp.

Vápenec má tu výhodu že jde zpracovávat snadno, rychle a ve velkém množství. Jsem zvědav kde mají miliony tun těchto "odpadů". Na cement už byly zpracovány doslova celé hory vápence. Proto nepoužíváme sopečný popel jako staří Římané přesto že dělá mnohem lepší beton - je ho prostě málo.

Odpovědět


Re: Re: Jen tak dál

Dagmar Gregorová,2022-05-16 16:26:35

Jasně, není možné touto metodou nahradit ani jen relevantní část klasicky vyráběného cementu. Ale musíme si uvědomit, že těžba, pálení vápence, drcení….rozvoz již hotového cementu – každý krok od lomu po spotřebitele se nyní zdražuje a zdražuje. Samozřejmě postihne to stavebnictví, pracovní místa… Nevíme, co a jak bude při naší snaze si upilovat vlastní větev a v souvislosti s tím se možná budeme muset zabývat více lokálními náhradními technologiemi. Nakonec i ta moč při nedostatku hnojiv již nebude odpadním produktem. A když nějakým bakteriím stačí spolu se zdrojem vápníku na vytvrzovací substrát, časem snad někdo dojde na relativně všudepoužitelnou metodu, jak nahradit v malém lokálním měřítku třeba i ten cement. Snad naše potomky neuvrhneme až do takového krizového stavu… (A propos - i za ty haldy vápence, který ale není všude dostupný, vděčíme breberkám mořským)

Odpovědět


Re: Re: Re: Jen tak dál

Vojta Ondříček,2022-05-17 06:11:03

známe "pecunia non olet".

Odpovědět


Re: Re: Re: Jen tak dál

Florian Stanislav,2022-05-17 08:00:13

Článek :
"Kal, který je odpadním produktem při výrobě acetylenu (C2H2) z karbidu vápenatého a vody."
Tzv. odpad při výrobě acetylenu je bělostně čistá kaše hašeného vápna, házel jsem to pár dní do míchačky. Je z toho ale lehce cítit fosfan (PH3), který vzniká v malém množství jako vedlejší produkt rozkladem fosfidu vápenatého, který v malé míře vzniká při výrobě karbidu vápenatého. Fosfan je toxický srovnatelně s kyanovodíkem, takže jeho závany pro bakterie nic moc.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Jen tak dál

Radim Polášek,2022-05-17 13:16:23

Fosfan se zase má velmi snadno rozkládat vzdušným kyslíkem. Jako produkty rozkladu by měly vznikat tuším jedovaté fosforné či fosfornaté sloučeniny. Další problém tam bude, že při výrobě karbidu vápníků a při reakci s vodou vzniká vedle acetylénu i nějaké malé množství vyšších organických sloučenin.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Jen tak dál

Florian Stanislav,2022-05-17 15:25:07

Jak píšete nahoře
Radim Polášek,2022-05-17 13:07:44
brát Ca(OH)2 z výroby acetylenu z karbidu vápenatého pro výrobu betonu je energeticky hodně mimo, přímo dokola. Acetylid vápenatý se průmyslově vyrábí z koksu, uhlí a oxidu vápenatého při vysoké teplotě (cca 2 000 °C) bez přístupu vzduchu v elektrické obloukové peci. Jinak řečeno vyrobit z CaO hašené vápno Ca(OH)2, na to stačí rozumně sypat do otevřené velké nádoby s větším množstvím vody a míchat motykou. Dělalo se to stovky let.
Když už máme čistý Ca(OH)2 z karbidu jako vedlejší produkt, není důvod ho nepoužít při výrobě staveních hmot do malty.. Fosfan se acetylenovém hašeném vápně drží celé dny, uvolní se nabíráním a mícháním, je poznat typickým česnekových zápachem provázeným bolestí hlavy. Na vzduchu je nestálý, jak píšete.

Odpovědět


Re: Re: Re: Jen tak dál

Jan Novák9,2022-05-17 09:04:53

Přechod k malovýrobě je jinými slovy návrat do středověku. Tahle civilizace se dostala tam kde je dělbou práce a výrobou ve velkém. Hromadný přechod k malovýrobě je návrat do středověku a regrese. To bude platit až do vynálezu molekulárního assembleru který by dokázal vyrobit svoji kopii. To platí nejen pro věci ale i pro energii.

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku








Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace