TECNOLOGÍA. Crean un biocemento renovable hecho íntegramente a partir de materiales de desecho

  El espécimen de prueba de una mano de Buda fue proporcionado por Dazu Rock Carvings, un sitio del Patrimonio Mundial de la UNESCO en China...

 

El espécimen de prueba de una mano de Buda fue proporcionado por Dazu Rock Carvings, un sitio del Patrimonio Mundial de la UNESCO en China. El trabajo de reparación con biocemento fue realizado en la Universidad de Chongqing, China, por el Dr. Yang Yang. La solución de biocemento es incolora, lo que permite que los trabajos de restauración mantengan el color original de la talla. Fuente: Universidad Tecnológica de Nanyang

Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) han encontrado una manera de crear biocemento a partir de desechos, haciendo que la alternativa al cemento regular sea aún más ecológica y sostenible.

El biocemento es una forma renovable de cemento que generalmente usa bacterias para formar una reacción de endurecimiento que une el suelo en un bloque sólido. Los científicos de la NTU ahora han logrado utilizar dos materiales de desecho comunes, lodo de carburo industrial y urea, de la orina de los mamíferos, para crear biocemento.

Desarrollaron un proceso en el que la reacción de la urea con iones de calcio en lodos de carburo industrial forma un sólido duro o precipitado. Cuando esta reacción tiene lugar en el suelo, el precipitado une las partículas del suelo y llena los espacios entre ellas, creando una masa compacta de suelo. Esto da como resultado un bloque de biocemento fuerte, resistente y menos permeable.

El equipo de investigación, dirigido por el profesor Chu Jian, presidente de la Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental, mostró en un artículo de investigación de prueba de concepto publicado en febrero de 2022 en el Journal of Environmental Chemical Engineering que su biocemento podría convertirse potencialmente en una solución sostenible y un método rentable para mejorar el suelo, como fortalecer el suelo para su uso en la construcción o excavación, controlar la erosión de las playas, reducir la erosión por polvo o viento en el desierto, o construir depósitos de agua dulce en las playas o en el desierto.

También se puede usar como biolechada para sellar grietas en la roca para controlar filtraciones e incluso para retocar y reparar monumentos como estatuas y grabados en roca.

"El biocemento es una alternativa sostenible y renovable al cemento tradicional y tiene un gran potencial para ser utilizado en proyectos de construcción que requieren que se trate el suelo", dijo el profesor Chu, quien también es director del Centro de Soluciones Urbanas de NTU. "Nuestra investigación hace que el biocemento sea aún más sostenible mediante el uso de dos tipos de materiales de desecho como  . A largo plazo, no solo hará que sea más barato fabricar biocemento, sino que también reducirá el costo que implica la eliminación de desechos".

La investigación de los científicos de la NTU respalda el  de la NTU 2025, que tiene como objetivo abordar algunos de los grandes desafíos de la humanidad, incluida la mitigación del impacto humano en el medio ambiente mediante el avance de la investigación y el desarrollo en sostenibilidad.

Orina, bacterias y calcio: una receta sencilla de biocemento

El proceso de fabricación de biocemento requiere menos energía y genera menos emisiones de carbono en comparación con los métodos tradicionales de producción de cemento.

El biocemento del equipo de NTU se crea a partir de dos tipos de material de desecho: lodo de carburo industrial, el material de desecho de la producción de gas acetileno, procedente de las fábricas de Singapur, y la urea que se encuentra en la orina.

En primer lugar, el equipo trata el lodo de carburo con un ácido para producir calcio soluble. Luego se agrega urea al calcio soluble para formar una solución de cementación. Luego, el equipo agrega un cultivo bacteriano a esta solución de cementación. Luego, las bacterias del cultivo descomponen la urea en la solución para formar iones de carbonato.

Estos iones reaccionan con los  solubles en un proceso llamado precipitación de calcita inducida por microbios (MICP). Esta reacción forma carbonato de calcio, un material sólido y duro que se encuentra naturalmente en la tiza, la piedra caliza y el mármol.

Cuando esta reacción ocurre en el suelo o la arena, el carbonato de calcio generado une las partículas de suelo o arena para aumentar su resistencia y llena los poros entre ellas para reducir la filtración de agua a través del material. El mismo proceso también se puede utilizar en las juntas de roca, lo que permite la reparación de esculturas y estatuas de roca.

El suelo reforzado con biocemento tiene una resistencia a la compresión libre de hasta 1,7 megapascales (MPa), superior a la del mismo suelo tratado con una cantidad equivalente de cemento. Esto hace que el biocemento del equipo sea adecuado para su uso en proyectos de mejora del suelo, como fortalecer el suelo o reducir la filtración de agua para su uso en la construcción o excavación o controlar la erosión de las playas a lo largo de las costas.

La precipitación de carbonato de calcio en varios niveles de cementación fortalece el suelo o la arena al llenar gradualmente los poros entre las partículas. El biocemento también podría usarse para sellar grietas en el suelo o la roca para reducir la filtración de agua.

Una alternativa sostenible al cemento

La producción de biocemento es más ecológica y sostenible que los métodos utilizados para producir cemento tradicional.

Una parte del proceso tradicional de fabricación de cemento es la quema de materias primas a temperaturas muy altas de más de 1000 grados centígrados para formar clínker, el agente aglutinante del cemento. Este proceso produce una gran cantidad de dióxido de carbono. Sin embargo, el biocemento se produce a temperatura ambiente sin quemar nada y, por lo tanto, es un proceso más ecológico, menos exigente en energía y neutral en carbono.

En Singapur, el lodo de carburo se considera un material de desecho. Sin embargo, es una buena materia prima para la producción de biocemento. Al extraer calcio del lodo de carburo, hacemos que la producción sea más sostenible, ya que no se necesita usar materiales como la piedra caliza que tiene que ser extraída de una montaña.

Además, la piedra caliza es un recurso finito: una vez que se ha ido, se ha ido. La extracción de piedra caliza también afecta a nuestro entorno natural y ecosistema.

El equipo de investigación dice que si la producción de biocemento pudiera escalarse a los niveles de la fabricación de cemento tradicional, el coste total de su producción en comparación con el cemento convencional sería menor, lo que haría del biocemento una alternativa al cemento más ecológica y económica.

Restauración de monumentos y fortalecimiento de las costas

Otra ventaja del método del equipo de la NTU en la formulación de biocemento es que tanto el cultivo bacteriano como la solución de cementación son incoloros. Cuando se aplica al suelo, arena o roca, se conserva su color original.

Esto lo hace útil para restaurar monumentos y artefactos rocosos antiguos. Por ejemplo, los investigadores han utilizado el biocemento para reparar antiguos monumentos de Buda en China. El biocemento se puede utilizar para sellar huecos en monumentos agrietados y se ha utilizado para restaurar piezas rotas, como los dedos de las manos de un Buda. Como la solución es incolora, los monumentos conservan su color original, manteniendo el trabajo de restauración fiel a la historia.

En colaboración con las agencias nacionales relevantes en Singapur, el equipo está probando actualmente su nuevo biocemento en East Coast Park, donde se está utilizando para fortalecer la arena de la playa. Al rociar las soluciones de biocemento sobre la arena, se forma una costra dura que evita que la arena sea arrastrada al mar.

El equipo también está explorando otras aplicaciones a gran escala de su biocemento en Singapur, como la reparación de carreteras mediante el sellado de grietas en las carreteras, el sellado de brechas en túneles subterráneos para evitar la filtración de agua, o incluso como terrenos de cultivo para los arrecifes de coral, ya que a las larvas de villancicos les gusta crecer. sobre carbonato de calcio.

Más información: Yang Yang et al, Utilization of carbide sludge and urine for sustainable biocement production, Journal of Environmental Chemical Engineering (2022). DOI: 10.1016/j.jece.2022.107443

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