Investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur han encontrado una nueva forma de crear cemento a partir de desechos.
Crear biocemento renovable íntegramente a partir de residuos
El cemento es un aglutinante, una sustancia utilizada en la construcción que endurece, fragua y se adhiere a otros materiales para unirlos. Cuando la arena y la grava se combinan con cemento, se produce hormigón. El cemento se clasifica como hidráulico o no hidráulico, el cemento no hidráulico no fragua en presencia de agua, mientras que el cemento hidráulico requiere una reacción química entre los materiales secos y el agua.
El cemento es uno de los materiales más utilizados en el planeta. El consumo de cemento en los Estados Unidos se estimó en 109 millones de toneladas métricas en 2021.
La fabricación de cemento tiene un impacto sobre el medio ambiente en todos los niveles del proceso. Algunos ejemplos incluyen contaminantes del aire en forma de polvo, humos, ruido y vibraciones durante la operación de equipos y voladuras en canteras, así como daños al paisaje causados por la explotación de canteras.
Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur (NTU Singapur) han descubierto un método para producir biocemento a partir de residuos, haciendo que la alternativa al cemento tradicional sea más ecológica y sostenible.
El biocemento es un tipo de cemento renovable que utiliza bacterias para crear una reacción de endurecimiento que une el suelo en un bloque sólido.
Los científicos de NTU ahora han creado biocemento a partir de dos desechos comunes: lodo de carburo industrial y urea (de orina de mamífero).
Idearon un método para formar un sólido duro, o precipitado, a partir de la interacción de la urea con los iones de calcio en lodos industriales de carburo. Cuando esta reacción ocurre en el suelo, el precipitado une las partículas del suelo y llena los espacios entre ellas, dando como resultado una masa compacta de suelo. Esto produce un bloque de biocemento resistente, duradero 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 trabajo de investigación de prueba de concepto publicado el 22 de febrero de 2022 en la Revista de ingeniería química ambiental que su biocemento podría convertirse potencialmente en un método sostenible y rentable de mejora del suelo, como fortalecer el suelo para su uso en la construcción o excavación, controlar la erosión de las playas, reducir la erosión del viento o el polvo en el desierto, o la construcción de depósitos de agua dulce en las playas o en el desierto.
(de izquierda a derecha) Dr. Wu Shifan, Investigador Principal, Centro de Soluciones Urbanas, Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental, NTU, y Profesor Chu Jian, Presidente, Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental, NTU sosteniendo bloques de biocemento a base de urea y lodo de carburo. Crédito: Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur
También se puede usar como biolechada para sellar grietas en la roca para controlar la filtración e incluso para retocar y reparar monumentos como esculturas y estatuas rupestres.
«El biocemento es una alternativa sostenible y renovable al cemento tradicional y tiene un gran potencial para su uso en proyectos de construcción que requieren tratamiento del suelo», dijo el profesor Chu, quien también es director del Centro de Soluciones Urbanas de la NTU. . “Nuestra investigación hace que el biocemento sea aún más sostenible al utilizar dos tipos de residuos como materia prima. A largo plazo, esto no solo abaratará la fabricación de biocemento, sino que también reducirá los costes de eliminación de residuos.
La investigación de los científicos de NTU respalda el plan estratégico 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 el campo de la durabilidad.
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 la NTU se crea a partir de dos tipos de residuos: lodos de carburo industrial -residuos de la producción de gas acetileno, de fábricas en Singapur- y urea que se encuentra en la orina.
Primero, el equipo trata el lodo de carburo con un[{» 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