Povu la geopolymer linalotokana na taka za granite ni nyenzo ya ujenzi ya aluminosilicate yenye vinyweleo inayoundwa kwa kuingiza taka za viwandani za granite zilizo tajiri kwa silikoni na alumini katika mmenyuko na viamilishaji vikali vya alkali na, katika utafiti huu, kutumia ukaushaji/sintering ulioharakishwa kwa nishati ya microwave. Katika utafiti huo, mchanganyiko mitano G1–G5 iliandaliwa ambapo uwiano wa unga wa granite uliongezwa kwa uzito kutoka %70 hadi %78 na uwiano wa suluhisho la alkali ukapunguzwa kutoka %28 hadi %20; sampuli tatu zilitengenezwa kwa kila mchanganyiko.

Sampuli zilitibiwa kwanza kwa dakika 3 kwa nguvu ya microwave ya takriban 650 W hadi kufikia nguvu ya awali inayoruhusu kuondolewa kwenye ukungu, na baada ya kuondolewa kwenye ukungu zilitibiwa kwa microwave kwa dakika nyingine 3. Kisha ziliwekwa kwa saa 24 katika hali za mazingira kwa ajili ya uthabiti kabla ya majaribio ya mitambo. Hata hivyo, matokeo makuu ya nguvu ya kubana yaliyotolewa katika makala yanahusu sampuli za siku 28; kwa hiyo thamani za nguvu za 13–20 MPa hazipaswi kufasiriwa kama “nguvu ya mwisho ya kubana iliyopatikana ndani ya dakika 6”.

Kulingana na Jedwali 3 la chanzo, nguvu ya kubana ni 13 MPa kwa G1, 14 MPa kwa G2, 15 MPa kwa G3, 18,34 MPa kwa G4 na 20 MPa kwa G5. G5 pia ndiyo mchanganyiko unaojitokeza zaidi katika mfululizo kwa 1,49 g/cm³ bulk density, 1,79 g/cm³ apparent density na faharisi ya ufyonzaji maji ya %2,02. G1, kwa upande mwingine, ilivunjika wakati wa kuzamishwa kwenye maji kwa saa 24, hivyo thamani ya kiasi ya ufyonzaji maji haikuweza kupatikana.

Katika uchambuzi wa FTIR, kuhama kwa bendi ya Si–O–Si/Al inayohusishwa na uti wa mgongo wa geopolymer kutoka eneo la takriban 1000 cm⁻¹ katika mtangulizi wa granite hadi eneo la 900–860 cm⁻¹ katika sampuli za geopolymer kulihusishwa na upangaji upya wa mtandao wa aluminosilicate baada ya uamilishaji wa alkali. Eneo lililojumuishwa la bendi ya Si–O–T liliongezeka kutoka 41.900 a.u. kwa G1 hadi 44.680 a.u. kwa G5. Katika uchambuzi wa XRF, uwiano wa moli wa Si/Al uliongezeka kutoka 6,50 kwa G1 hadi 11,4 kwa G5.

Picha za SEM zinaonyesha mabadiliko kutoka muundo wa vinyweleo ulio wazi na usio sawia katika G2 kuelekea matriksi ya geopolymer iliyo mnene zaidi na yenye ulinganifu katika G5. Watafiti wanaeleza ongezeko la nguvu ya kubana si kwa mabadiliko ya porosity ya jumla pekee, bali pia kwa mofolojia ya vinyweleo, ulinganifu wa matriksi na maendeleo ya mitandao ya Si–O–Si / Al–O–Si.

Utafiti unadai kuwa mbinu ya usindikaji wa microwave inaweza kupunguza nishati hai ya usindikaji kwa zaidi ya %90 ikilinganishwa na ukaushaji wa kawaida wa joto. Hata hivyo, hitimisho hili halitokani na tathmini ya kina ya mzunguko wa maisha wala ukaguzi wa moja kwa moja wa nishati ya viwandani. Zaidi ya hayo, kuna kutokuwiana ndani ya hesabu ya nishati katika chanzo: katika sehemu ya mbinu, mchakato wa 650 W × dakika 6 umeandikwa kama 1,08 Wh, ilhali katika sehemu ya matokeo imetolewa takriban 0,065 kWh/batch. Thamani ya pili inalingana na hesabu ya vipimo ya kuendesha 650 W kwa dakika 6.

Tatizo kuu la utafiti

Sekta ya kukata na kuchakata granite huzalisha kiasi kikubwa cha taka zenye chembe ndogo. Utafiti wa chanzo unasema kuwa takriban %20–25 ya uzalishaji wa granite duniani unaweza kugeuka kuwa taka na kwamba unga mwembamba wa granite unapochanganyika na maji unaweza kutengeneza taka ya colloidal na kuweka shinikizo la mazingira kwa udongo na maji ya chini ya ardhi.

Kwa upande mwingine, uzalishaji wa kawaida wa saruji, kauri na matofali unaweza kuhitaji joto la juu, muda mrefu wa mchakato na matumizi makubwa ya nishati. Teknolojia ya geopolymer ni mkabala mbadala wa nyenzo unaolenga kuunda mitandao ya vifungamanishi isiyotegemea Portland cement kwa kuamilisha kwa alkali madini au taka za viwandani zenye silica na alumina.

Tatizo mahsusi la utafiti huu linaunganisha maswali mawili katika muundo mmoja wa majaribio:

• Je, taka za uchakataji wa granite zinaweza kubadilishwa moja kwa moja kuwa povu la geopolymer kama mtangulizi wa aluminosilicate?
• Je, uthabiti wa kutosha wa mitambo, kimwili na joto unaweza kupatikana kwa kutumia usindikaji wa microwave wa dakika chache badala ya ukaushaji wa kawaida wa muda mrefu?

Povu la Geopolymer ni Nini na Lilitengenezwa Vipi katika Utafiti Huu?

Povu la geopolymer katika utafiti huu ni matriksi yenye vinyweleo ya aluminosilicate inayoundwa kwa kuamilisha awamu zenye Si na Al katika taka za granite zilizosagwa ndani ya mazingira yenye alkali kali yenye 14 M NaOH na sodium silicate, kisha kuharakisha mmenyuko kwa nishati ya microwave. Muundo wa “povu” una vinyweleo; hata hivyo, kadiri mchanganyiko unavyoongezeka, mtandao wa vinyweleo unakuwa mnene na wenye ulinganifu zaidi.

Muundo wa oksidi wa taka za granite zilizotumika kama malighafi

Utawala wa SiO₂ na Al₂O₃ ndio msingi mkuu wa kikemia wa kutathmini taka za granite kama mtangulizi wa aluminosilicate unaoweza kutoa aina za silikoni na alumini zinazohitajika kwa geopolymerization.

Mchanganyiko wa G1–G5

Maelezo ya mbinu katika chanzo pia yanafafanua sodium hydroxide kuwa %7 kwa uzito na sodium silicate kuwa %18. Hata hivyo, ingawa thamani hizi mbili zina jumla ya %25, kiasi cha jumla cha suluhisho la alkali kwa G1–G5 hubadilika kutoka %28 hadi %20. Makala haielezi kwa undani jinsi thamani hizi zisizobadilika za %7/%18 zilivyopatanishwa kikamilifu na asilimia zinazobadilika za jumla ya suluhisho la alkali. Kwa hiyo, katika maandishi ya Verianla uwiano huo haukutafsiriwa upya, na taarifa hizi mbili kutoka chanzo zimehifadhiwa kando.

Mchakato wa kuandaa sampuli

Uandaaji wa unga wa granite

Taka za granite zilikusanywa kutoka kiwanda cha ndani cha kuchakata marumaru huko Lahore, Punjab. Nyenzo zilisagwa kwanza kwa TECHTONGDA 100 × 60 Mini Jaw Crusher, kisha zikafinyangwa katika ball mill ambayo chanzo kinaeleza kuwa na ukubwa wa 6′ × 48′, uwezo wa tani 4/saa, 200 mesh, 26 rpm na 70 HP.

Unga uliosagwa ulichujwa kwa electric sieve shaker kwa msingi wa ASTM C136/C136M-19 na chembe za 50–200 µm zilitumika.

Ukungu na idadi ya marudio

Ukungu za silinda za Teflon zina kipenyo cha 32 mm na urefu wa 46 mm. Ukungu ziligawanywa kwa urefu katika sehemu mbili na kuunganishwa kwa utepe wa kufungia ili kurahisisha kuondolewa kwa sampuli na matumizi ya tena.

Kwa kila mchanganyiko wa G1–G5, sampuli tatu (n=3) ziliandaliwa. Hata hivyo, makala haijaripoti takwimu za kina za inferential kama standard deviation, confidence interval au p-value katika majedwali ya matokeo. Ingawa error bars zinaonekana katika Kielelezo 6 cha chanzo, thamani zao za nambari na aina ya hitilafu hazijaelezwa wazi katika maandishi.

Usindikaji wa Microwave ni wa Haraka Kiasi Gani kwa Kweli?

Kulingana na mbinu ya chanzo, usindikaji wa kwanza wa microwave wa dakika 3 kwa takriban 650 W uliipa sampuli nguvu ya awali ya kutosha kuondolewa kwenye ukungu, na baada ya kuondolewa sampuli ilipata dakika nyingine 3 za usindikaji wa microwave; muda hai wa microwave kwa jumla ni dakika 6. Kisha ilifanywa uthabiti wa saa 24 katika hali za mazingira kabla ya majaribio. Hata hivyo, nguvu za kubana zilizoripotiwa za 13–20 MPa zinahusu sampuli za siku 28; kwa hiyo faida ya “dakika 6” ya uzalishaji/kuondoa kwenye ukungu haipaswi kuchanganywa na matokeo ya “jaribio la mwisho la mitambo la siku 28”.

Faida inayolengwa ya mbinu ya microwave

Katika uzalishaji wa kawaida wa geopolymer, muda mrefu wa ukaushaji unaweza kuhitajika ili sampuli zipate nguvu ya awali ya kutosha zikiwa ndani ya ukungu. Chanzo kinasema kuwa katika njia ya kawaida kuondoa kwenye ukungu kunaweza kuchukua angalau siku saba, na kinadai kuwa kwa njia yake muda wa kukaa kwa ukungu umepunguzwa hadi dakika.

Kusubiri kwa saa 24 katika hali za mazingira kulichukuliwa na waandishi si kama mchakato hai, bali kama muda wa uthabiti usiohitaji vifaa au nishati. Kwa hiyo dai la makala la “kupunguza muda wa usindikaji hadi saa 24” halimaanishi kuwa microwave hufanya kazi kwa saa 24 mfululizo.

Mbinu za uainishaji

FTIR ilionyesha nini kuhusu geopolymerization?

Bendi ya mtetemo wa uti wa mgongo wa Si–O–Si/Al iliyokuwa takriban 1000 cm⁻¹ katika granite mbichi ilihama hadi eneo la takriban 900–860 cm⁻¹ katika geopolymer za G1–G5. Chanzo kinahusisha uhamaji huu na upangaji upya wa mazingira ya vifungo wakati wa uamilishaji wa alkali na uundaji wa mtandao wa geopolymer ulio amorphous zaidi.

Bendi za takriban 3650 cm⁻¹ na 1640 cm⁻¹ zilihusishwa mtawalia na mitetemo ya kuvutika na kupinda ya –OH pamoja na maji yaliyofyonzwa/yaliyofungwa ndani ya muundo. Kupungua kwa bendi hizi katika viwango vya juu vya granite kulitafsiriwa kama matokeo ya polycondensation inayoendelea.

Bendi ya takriban 1470 cm⁻¹ ilihusishwa na aina za carbonate zinazoweza kutokea kutokana na mmenyuko wa ioni za alkali zilizozidi na CO₂ ya anga.

Kwa Nini Mchanganyiko wa G5 Ndio Sampuli Yenye Nguvu Zaidi katika Utafiti?

Kulingana na tafsiri ya chanzo, G5 ina uwiano wa juu zaidi wa mtangulizi wa granite (%78), uwiano wa juu zaidi wa Si/Al (11,4), eneo lililojumuishwa la juu zaidi la bendi ya FTIR Si–O–T (44.680 a.u.) na nguvu ya kubana ya juu zaidi (20 MPa) katika mfululizo; uchunguzi wa SEM pia unaonyesha matriksi ya G5 kuwa mnene na yenye ulinganifu zaidi. Hata hivyo, si sahihi kusema G5 ndiyo optimum kamili katika kila kigezo cha kimwili; katika Jedwali 3 la chanzo, porosity ya jumla ya G4 ni %17,22, chini ya %18,58 ya G5.

Mabadiliko ya Si/Al na Na/Al kwa XRF

Chanzo kinadai kuwa katika G1 na G2, kiasi kikubwa zaidi cha suluhisho la alkali ikilinganishwa na mtangulizi kilipunguza upatikanaji wa silica reaktivu na uunganishaji wa mtandao; katika G3–G5, ongezeko la silica lilichangia uti wa mgongo wa aluminosilicate wa pande tatu ulioendelea zaidi.

Kiwango cha geopolymerization

Eneo lililojumuishwa la bendi ya kunyoosha ya Si–O–T katika FTIR lilitumika kama kiashirio cha kiasi cha “kiwango cha geopolymerization”. Thamani iliongezeka kutoka 41.900 a.u. kwa G1 hadi 44.680 a.u. kwa G5.

Kulingana na chanzo, ongezeko kubwa zaidi hutokea kati ya G1 na G3, na baada ya G3 ongezeko hupungua kasi. Ongezeko la mwisho kuelekea G4 na G5 limetajwa kuwa takriban 120 na 60 a.u. mtawalia. Waandishi wanaeleza tabia hii ya plateau kwa kuanza kushindwa kwa suluhisho la alkali lililopo kuamilisha kikamilifu kiasi kinachoongezeka cha granite.

Mikrostruktura ya SEM

Paneli ya SEM katika ukurasa wa 11 wa chanzo inaonyesha sampuli za G2, G3, G4 na G5 kwa viwango tofauti vya ukuzaji. Kwa kuwa hizi ni picha halisi za microscopy zinazowakilisha uchunguzi wa kisayansi, Verianla haikutengeneza picha bandia za SEM.

Tafsiri ya chanzo ni kwamba G2 ina mtandao wa vinyweleo ulio wazi na uliounganishwa zaidi, gel ya geopolymer iliyokua kwa sehemu na chembe za granite ambazo hazijaitika; G3 inaonyesha matritsi iliyozidi kuwa mnene kwa sehemu; G4 na hasa G5 zina mtandao wa aluminosilicate ulio kompakt zaidi, wenye ulinganifu na ulioendelea.

Uongezekaji huu wa msongamano wa mikrostruktura ulitafsiriwa pamoja na ongezeko la nguvu ya kubana na kupungua kwa ufyonzaji maji.

Nguvu ya kubana

Nguvu ya kubana huongezeka kwa utaratibu kutoka G1 hadi G5. Chanzo kinahusisha hili si tu na ongezeko la asilimia ya granite, bali pia na kiwango cha geopolymerization na mikrostruktura yenye ulinganifu zaidi.

Kuna kikomo muhimu cha muda: nguvu hizi za kubana zimeripotiwa katika chanzo kwa sampuli za siku 28. Haiwezi kuhitimishwa kuwa 20 MPa ilipimwa mara tu baada ya kutoka kwenye microwave.

Ufyonzaji maji na uthabiti ndani ya maji

Sampuli ya G1 ilivunjika wakati wa kuzamishwa kwenye maji kwa saa 24 na kwa hiyo haikujumuishwa katika hesabu ya kiasi ya ufyonzaji maji.

Ufyonzaji maji uliripotiwa kuwa %3,10 kwa G2, %2,33 kwa G3, %2,06 kwa G4 na %2,02 kwa G5. Chanzo kilihusisha ufyonzaji mkubwa zaidi wa maji na kiasi kikubwa cha vinyweleo vilivyo wazi.

Chanzo kinahusisha thamani ya takriban %2 ya ufyonzaji maji katika G4 na G5 na uti wa mgongo wa aluminosilicate ulio mnene zaidi na porosity ya wazi iliyo chini.

Hesabu ya kihisabati ya density na porosity

Katika chanzo, apparent density inayotokana na pycnometer imepewa kama ifuatavyo:

\[ \rho_{a}=\rho_{w}\times\frac{m_2-m_1}{m_2-m_3} \tag{1} \]

Hapa \(m_1\) ni wingi wa pycnometer + maji; \(m_2\) ni wingi wa maji + pycnometer + sampuli iliyoko nje; \(m_3\) ni wingi wa maji + pycnometer + sampuli iliyoko ndani; na \(\rho_w\) ni density ya maji.

Porosity ya jumla:

\[ P_{\mathrm{toplam}} = \left( 1-\frac{\rho_{\mathrm{bulk}}}{\rho_{\mathrm{true}}} \right)\times100 \tag{2} \]

ilihesabiwa kwa usemi huu. Bulk density inajumuisha ujazo wote wa sampuli, yaani nyenzo imara pamoja na vinyweleo vilivyo wazi na vilivyofungwa, wakati true density inawakilisha ujazo wa awamu imara pekee. Kwa hiyo, kadiri tofauti kati ya density hizi mbili inavyoongezeka, ndivyo uwiano wa porosity ya jumla unaohesabiwa unavyoongezeka.

Porosity iliyofungwa:

\[ P_{\mathrm{kapalı}} = \left( 1-\frac{\rho_{\mathrm{apparent}}}{\rho_{\mathrm{true}}} \right)\times100 \tag{3} \]

na porosity iliyo wazi:

\[ P_{\mathrm{açık}} = P_{\mathrm{toplam}}-P_{\mathrm{kapalı}} \tag{4} \]

zimetolewa.

Mlinganyo wa ufyonzaji maji

\[ WA= \frac{W_2-W_1}{W_1}\times100 \tag{5} \]

Hapa \(W_1\) ni wingi wa sampuli kavu na \(W_2\) ni wingi wa sampuli yenye unyevunyevu. Mlinganyo huhesabu kwa asilimia kiasi cha maji ambacho sampuli imepata ikilinganishwa na wingi wake wa awali ukiwa mkavu.

Matokeo ya TGA

Uchambuzi wa thermogravimetric hufuatilia mabadiliko ya wingi wa sampuli kadiri joto linavyoongezeka. Kulingana na tafsiri ya chanzo, upotevu wa wingi karibu 100 °C ulihusishwa na unyevunyevu, mabadiliko ya 90–200 °C na kuondoka kwa misombo tete, eneo la 200–500 °C na kuondoka kwa maji ya kioo, na eneo la takriban 500–590 °C na baadhi ya michakato ya carbonization.

Sampuli ya G2 ilionyesha upotevu mkubwa zaidi wa wingi pamoja na maudhui ya juu ya suluhisho la alkali; G4 na G5 zilionyesha upotevu mdogo wa jumla wa wingi pamoja na maudhui ya chini ya suluhisho la alkali.

Matokeo ya DTA

Katika mikondo ya Differential Thermal Analysis, matukio ya endothermic katika eneo la takriban 123–130 °C yalihusishwa na water desorption. Chanzo kinahusisha eneo chini ya 120 °C na maji huru ya hygroscopic, 120–300 °C na maji yaliyofungwa kimwili, na mabadiliko juu ya 300 °C na kuvunjika kwa aina zilizofungwa kwa nguvu zaidi.

Je, Dai la Kuokoa Nishati ni Uchambuzi wa Kina wa Alama ya Kaboni?

Hapana. Utafiti haukufanya tathmini kamili ya mzunguko wa maisha, hesabu ya kina ya alama ya kaboni wala ukaguzi wa kimfumo wa nishati. Faida ya nishati inatokana na kulinganisha nguvu ya kawaida ya microwave na muda hai wa usindikaji dhidi ya masharti ya muda mrefu ya ukaushaji katika tanuri ya maabara yaliyoripotiwa kwenye fasihi; kupungua kwa CO₂ kulitafsiriwa kama matokeo yanayotarajiwa kutokana na mahitaji madogo ya nishati.

Ulinganisho wa nishati uliotolewa katika chanzo

Katika sehemu ya mbinu, ukaushaji wa kawaida wa geopolymer katika tanuri umeelezwa kuwa unaweza kutumia takriban 24–96 kWh kwa 60–80 °C kwa saa 24–48 kwa tanuri ya maabara ya 1000–2000 W. Kwa matofali ya kawaida yaliyooka, joto la 900–1100 °C kwa saa kadhaa na matumizi ya takriban 2–3 MJ/kg pia yametolewa.

Mfumo wa microwave hutumia mizunguko miwili ya dakika 3 kwa takriban 650 W.

Kutokuwiana ndani ya chanzo katika hesabu ya nishati

Sehemu ya mbinu ya chanzo hutumia usemi huu:

“6 min × 650 W = 3900 J = 1.08 Wh per sample.”

Ubadilishaji huu haulingani kihisabati. Hesabu ya moja kwa moja ya vitengo vya nguvu na muda ni:

\[ 650\,W\times\frac{6}{60}\,h=65\,Wh=0.065\,kWh \]

na kwa joule:

\[ 650\,J/s\times360\,s=234\,000\,J \]

ambayo hutoa matokeo hayo.

Sehemu ya matokeo ya makala pia hutoa takriban 0,065 kWh/batch. Kwa hiyo Verianla haijarudia thamani ya 1,08 Wh ya chanzo kana kwamba ni sahihi wala kuibadilisha kimya kimya, bali imeandika wazi kwamba thamani hizo mbili hazilingani.

Kutokuwiana huku hakuondoi mwelekeo wa jumla kwamba usindikaji wa microwave una muda mfupi sana na uingizaji mdogo wa nishati hai kuliko hali ya tanuri ya maabara ya 24–96 kWh; hata hivyo, uwiano sahihi wa kuokoa nishati unahitaji upimaji wa kimfumo wa nguvu na mpaka wa mfumo uliofafanuliwa.

Tafsiri ya CO₂ na uendelevu

Chanzo kinaunganisha mahitaji madogo ya nishati hai na uwezekano wa chini wa uzalishaji wa CO₂, na kinaunganisha mbinu hiyo na SDG 7, SDG 12 na SDG 13. Sehemu ya matokeo pia inajadili uhusiano na SDG 9 na SDG 11.

Hata hivyo, makala haikufanya LCA kamili inayojumuisha orodha ya kina ya mzunguko wa maisha, emission factor ya gridi ya umeme, footprint ya uzalishaji wa viamilishaji vya alkali, usafirishaji wa taka za granite au upotevu wa nishati wakati wa kuongeza ukubwa wa mfumo wa microwave viwandani.

Kwa hiyo kauli inayoungwa mkono moja kwa moja na utafiti ni: “muda hai wa usindikaji wa microwave na uingizaji wa nishati uliokokotolewa ni mdogo kuliko katika hali ya kawaida ya ukaushaji.” Hitimisho kwamba “bidhaa ina kaboni ya chini katika mzunguko wote wa maisha” halijathibitishwa na utafiti huu.

Ulinganisho wa G5 na nyenzo nyingine za ujenzi

Katika Kielelezo 11, chanzo kinalinganisha G5 na tofali la povu la saruji, autoclaved aerated concrete (AAC), povu la geopolymer lililokaushwa kwa joto kwa njia ya kawaida na povu la geopolymer la fly ash kwenye mihimili mitano ya utendaji iliyosanifishwa: nguvu ya kubana, faharisi ya wepesi, upinzani wa maji, ufanisi wa nishati na alama changamano ya uendelevu.

Chanzo kinalinganisha nguvu ya kubana ya G5 ya 20 MPa na 2,5–6 MPa kwa AAC na 9,6–13 MPa kwa matofali ya povu ya saruji yaliyoripotiwa katika fasihi. Kwa upande mwingine, pia imeelezwa kuwa AAC ina faida zaidi kwa wepesi kutokana na density yake ya chini sana ya 400–700 kg/m³.

Thamani ya ufyonzaji maji ya G5 ya %2,02 imewasilishwa katika chanzo kama ya chini kuliko %20–30 ya matofali ya povu ya saruji na %50–65 ya AAC zilizoripotiwa kwenye fasihi.

Hata hivyo, kwa kuwa fomula kamili ya hesabu ya alama changamano ya uendelevu iliyosanifishwa katika grafu ya rada haikutolewa kwa undani, Verianla haikuzalisha grafu mpya ya rada.

Je, utendaji wa insulation ya joto ulipimwa moja kwa moja?

Hapana. Makala inachunguza tabia ya uthabiti wa joto kupitia TGA na DTA na kujadili uwezekano wa povu la geopolymer kufaa kwa matumizi ya insulation; hata hivyo, chanzo hakiripoti thermal conductivity coefficient, thermal resistance au kipimo kingine cha moja kwa moja cha insulation kwa kiasi. Kwa hiyo kauli kwamba “ni nyenzo ya insulation ya joto” haipaswi kuwasilishwa kama matokeo ya utendaji yaliyopimwa moja kwa moja.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Taka za viwandani za granite ziliweza kubadilishwa kuwa povu la geopolymer kwa msaada wa microwave kwa kutumia uamilishaji wa NaOH na sodium silicate.
• Katika mfululizo wa G1–G5, nguvu ya kubana iliongezeka kutoka 13 MPa hadi 20 MPa kadiri uwiano wa granite ulivyoongezeka.
• G5 ina thamani ya chini zaidi ya ufyonzaji maji kati ya sampuli zilizoweza kupimwa, ikiwa %2,02.
• G1 ilivunjika wakati wa kuzamishwa kwenye maji.
• Uwiano wa Si/Al uliongezeka kutoka 6,50 katika G1 hadi 11,4 katika G5.
• Eneo lililojumuishwa la bendi ya FTIR Si–O–T liliongezeka kutoka G1 hadi G5 na chanzo kilihusisha hili na kuongezeka kwa geopolymerization.
• Picha za SEM zinaonyesha mabadiliko kuelekea mikrostruktura yenye msongamano na ulinganifu zaidi kadiri maudhui ya granite yanavyoongezeka.
• Usindikaji wa microwave ulipunguza muda hai unaohitajika kwa kuondoa kwenye ukungu hadi kiwango cha dakika.
• Hesabu ya kulinganisha nishati ya chanzo inaonyesha kuwa mbinu ya microwave inaweza kuwa na mahitaji ya chini sana ya nishati hai kuliko ukaushaji wa kawaida wa tanuri.

Ujumla ambao utafiti hauungi mkono

• Haijaonyeshwa kuwa nguvu ya 20 MPa ilipatikana mara tu baada ya dakika 6 za usindikaji wa microwave; thamani hii inahusu jaribio la kubana la siku 28.
• Haijathibitishwa kuwa matumizi hayo hayo ya nishati yatadumishwa kwa kiwango cha viwandani.
• Alama ya kaboni ya kina ya mzunguko wa maisha haijahesabiwa.
• Thermal conductivity haijapimwa moja kwa moja.
• Ustahimilivu wa muda mrefu dhidi ya freeze–thaw, chumvi, sulfate, carbonation au mazingira ya nje kwa miaka haujaonyeshwa.
• Kwa sampuli ya tofali kompakt iliyotengenezwa, kiwango kamili cha ujenzi au jaribio la kufuzu kama bidhaa ya kibiashara halijaripotiwa.
• Haijaonyeshwa kuwa sampuli za maabara zimeidhinishwa moja kwa moja kama nyenzo ya kubeba mzigo katika ujenzi.
• Haiwezi kusemwa kwamba G5 ni optimum bila kukatika katika sifa zote za kimwili; katika Jedwali 3 la chanzo, porosity ya jumla ya G4 ni ya chini zaidi.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Uandaaji wa suluhisho la alkali

Chanzo kinaeleza kuwa suluhisho la 14 M NaOH liliandaliwa kwa kuyeyusha 560 g za pellets za NaOH katika lita moja ya maji. NaOH iliyotumiwa ilikuwa na usafi wa %99,9. Specific gravity ya kioevu cha sodium silicate ilitolewa kuwa 2,13 g/cm³ na silica modulus 2,1.

Kutokana na reactivity ya juu ya suluhisho la NaOH, suluhisho lililoandaliwa lilifunikwa kwa mfuko wa polyethylene.

Kuchanganya na kumimina

Granite na mfumo wa alkali uliopimwa kwa G1–G5 ulichanganywa katika beaker kwa takriban dakika 2 hadi paste inayoweza kufanyiwa kazi ipatikane. Pale ilipohitajika, kiasi kidogo sana cha maji kiliongezwa ili kuboresha workability.

Paste zilimiminwa mara moja kwenye ukungu za Teflon na ukungu zikagongwa kwa upole kwa mkono ili kupunguza mashimo/uvujaji.

Mizunguko ya microwave

1. Takriban 650 W, katika mpangilio wa kati-juu, dakika 3 za usindikaji wa microwave.
2. Kuondoa kwenye ukungu baada ya kupata nguvu ya awali.
3. Dakika 3 za ziada za microwave sintering kwa takriban 650 W.
4. Saa 24 za uthabiti katika joto la chumba.
5. Uainishaji na tathmini ya mitambo.

Chanzo pia kinaeleza kuwa sampuli kompakt yenye umbo la tofali ilitengenezwa chini ya shinikizo la ziada kwa kutumia hali zilezile za kupasha na sintering. Jaribio hili lilifanywa kuchunguza uwezekano wa matumizi ya kibiashara; hata hivyo, hakuna jedwali tofauti la kina la utendaji wa mitambo lililotolewa kwa tofali hilo kompakt.

Uhusiano wa nguvu ya kubana–porosity

G1 ina porosity ya jumla iliyo juu zaidi katika Jedwali 3 (%33,33) na nguvu ya kubana iliyo chini zaidi (13 MPa). Katika G3, porosity ya jumla ilishuka hadi %21,23 huku nguvu ikiongezeka hadi 15 MPa. G4 katika Jedwali 3 la chanzo ina porosity ya %17,22 na nguvu ya 18,34 MPa. G5 hutoa nguvu ya juu zaidi ya 20 MPa.

Matokeo haya yanaunga mkono kwa ujumla maendeleo ya pamoja ya matriksi kompakt zaidi na utendaji wa juu wa mitambo. Hata hivyo, porosity ya G5 katika Jedwali 3 ni %18,58, kiasi juu ya %17,22 ya G4. Kwa hiyo hitimisho la chanzo kwamba nguvu haiwezi kupunguzwa kuwa porosity ya jumla pekee ni muhimu; aina ya vinyweleo, muunganisho wa matriksi na ubora wa mtandao wa aluminosilicate pia vina mchango.

Kutokuwiana ndani ya chanzo kuhusu porosity

Kwa hiyo katika makala ya Verianla, hakuna thamani moja ya “sahihi” ya porosity iliyochaguliwa kupitia hesabu au makadirio upya. Namba za Jedwali 3 la chanzo zimehifadhiwa kama jedwali kuu la kiasi, na tofauti katika maandishi ya baadaye imetajwa kando.

XRF na kemia ya mtandao

Katika uchambuzi wa elementi wa XRF, takriban %28,3 Si na %5,9 Al ziliripotiwa katika taka mbichi za granite. Katika mfululizo wa sampuli, uwiano uliokokotolewa wa Si/Al uliongezeka kwa mpangilio.

Uwiano mkubwa wa Si/Al katika G5 na bendi ya FTIR Si–O–T iliyoendelea zaidi vimetafsiriwa na chanzo kama ishara ya uti wa mgongo wa aluminosilicate uliofungamana vizuri zaidi.

Hata hivyo, si sahihi kujumlisha uwiano mkubwa wa Si/Al peke yake kuwa maana ya “geopolymer bora” kwa kila hali. Hitimisho la utafiti linatumika tu kwa upeo wa mchanganyiko G1–G5 uliotafitiwa na masharti haya ya uamilishaji wa alkali/microwave.

Kwa nini XRD haikutumika?

Waandishi wa chanzo wanaeleza kuwa kwa kuwa matriksi ya geopolymer kwa kiasi kikubwa ni amorphous na XRD ingetoa taarifa za ziada hasa kwa utambuzi wa awamu za crystalline, uchambuzi wa XRD haukufanywa.

Kikomo cha tafsiri ya jaribio la ufyonzaji maji

Jaribio la kiasi la ufyonzaji maji lilifanywa kwa G2–G5. Kuvunjika kwa G1 kunaonyesha moja kwa moja uthabiti dhaifu wa mchanganyiko huo dhidi ya maji.

Hata hivyo, jaribio moja la kuzamishwa la saa 24 si sawa na uimara wa muda mrefu wa nyenzo ya ujenzi. Utafiti pia unakubali katika sehemu ya matokeo kwamba tathmini ya uimara wa muda mrefu inahitaji kufanywa katika tafiti zijazo.

Kikomo cha tafsiri ya uchambuzi wa joto

TGA na DTA zinaonyesha tabia ya upotevu wa wingi na mtiririko wa joto wa sampuli kadiri joto linavyoongezeka. Majaribio haya ni muhimu kwa kuelewa miitikio ya joto na maeneo ya uthabiti wa nyenzo; hata hivyo, hayapimi moja kwa moja utendaji wa insulation ya joto wa ganda la jengo.

Kwa kuwa hakuna thamani ya λ ya W/(m·K) iliyoripotiwa kwa thermal conductivity, utendaji halisi wa insulation wa povu la geopolymer katika jengo lazima uthibitishwe kwa majaribio tofauti.

Kikomo cha tathmini ya takwimu

Kwa kila mchanganyiko zilitumika sampuli n=3. Hata hivyo, chanzo hakiripoti standard deviation, confidence interval, ANOVA au jaribio jingine la significance katika majedwali ya msingi ya matokeo.

Kwa hiyo mielekeo ya nambari kati ya G1–G5 inapaswa kufasiriwa kama wastani/thamani zilizoripotiwa zilizozingatiwa kimajaribio; hazipaswi kuwasilishwa kana kwamba statistical significance ilijaribiwa.

Nguvu za utafiti

• Matumizi ya taka halisi za viwandani za granite kama mtangulizi mkuu wa aluminosilicate.
• Kulinganisha uwiano mitano tofauti wa mtangulizi/alkali chini ya mchakato uleule.
• Kuunganisha uainishaji wa mitambo, kimwili, kikemia, mikrostruktura na joto katika seti moja ya majaribio.
• Kuweka uhusiano wa kimuundo kati ya FTIR, XRF na SEM na matokeo ya mitambo.
• Usindikaji wa microwave kupunguza kwa kiasi kikubwa sana muda wa ukungu kuwa na sampuli.
• Kuchukulia pamoja uongezaji thamani wa taka na maendeleo ya nyenzo za ujenzi zisizo za saruji.

Vikwazo vikuu

• Sampuli ndogo za silinda za kiwango cha maabara zilitumika.
• Majaribio ya kuongeza ukubwa wa microwave hadi kiwango cha viwandani hayakufanywa.
• Hakuna kipimo cha kina cha kifaa/ukaguzi wa nishati ulioripotiwa kwa matumizi ya nishati.
• Kuna kutokuwiana wazi kwa hesabu katika ubadilishaji wa kitengo cha nishati katika chanzo.
• Tathmini kamili ya mzunguko wa maisha haikufanywa.
• Thermal conductivity haikupimwa moja kwa moja.
• Majaribio ya uimara wa mazingira wa muda mrefu ni machache.
• Ni sampuli tatu pekee zilizotumika kwa kila mchanganyiko na takwimu za kina za inferential hazikutolewa.
• Baadhi ya thamani za porosity katika chanzo haziendani kati ya jedwali, maelezo ya micrograph na maandishi.
• Utendaji wa tofali la kibiashara la kiwango kamili haujathibitishwa.
• Athari ya utofauti wa kikemia wa vyanzo tofauti vya taka za granite kwenye mchakato haikuchunguzwa.

Mahitaji ya utafiti wa baadaye

Sehemu ya matokeo ya chanzo inaeleza kuwa tafiti zijazo zinapaswa kujumuisha uchambuzi wa kina wa nishati, uainishaji wa vinyweleo ulioendelea zaidi, uimara wa muda mrefu, kuongeza ukubwa wa viwandani, uchambuzi wa gharama, utofauti wa malighafi na tathmini ya utendaji wa tofali la kiwango kamili.

Mada hizi ni muhimu hasa kwa sababu kutengeneza sampuli kwa usindikaji wa microwave wa dakika chache katika maabara na kufanya uzalishaji endelevu na wa kiuchumi katika kiwango cha viwandani si tatizo lilelile la uhandisi.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asilia: Rapidly Synthesized Microwave-Sintered Geopolymer Foam Utilizing Granite Waste: A Sustainable Approach for High-Performance Construction Materials

Waandishi: Tooba Shafiq; Faseeh U. Rehman Khokhar; Ehsan Ul Haq; Muhammad Zaka Emad; Syed Farhan Raza; Rana Muhammad Asad Khan.

Corresponding authors: Muhammad Zaka Emad na Syed Farhan Raza.

Corresponding author e-mail: muhammadzaka.emad@kfupm.edu.sa; sf.raza@uet.edu.pk.

Uhusiano wa taasisi 1: Department of Metallurgical and Materials Engineering, University of Engineering and Technology, Lahore, Pakistan.

Uhusiano wa taasisi 2: Department of Mechanical Engineering, Engineering Institute of Technology (EIT), Melbourne, Australia.

Uhusiano wa taasisi 3: College of Petroleum Engineering and Geoscience, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Dhahran, Saudi Arabia.

Uhusiano wa taasisi 4: Department of Industrial and Manufacturing Engineering, University of Engineering and Technology, Lahore, Pakistan.

Uhusiano wa taasisi 5: Department of Mineral Resources Engineering, Pak-Austria Fachhochschule Institute of Applied Sciences and Technology, Haripur, Pakistan.

Jarida: Sustainability.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Juzuu / toleo / namba ya makala: Volume 18, Issue 10, Article 4754.

DOI: 10.3390/su18104754.

Tarehe ya kuwasilishwa: 4 Aprili 2026.

Tarehe ya marekebisho: 29 Aprili 2026.

Tarehe ya kukubaliwa: 5 Mei 2026.

Tarehe ya uchapishaji wa PDF: 10 Mei 2026.

Aina ya chanzo: Utafiti wa majaribio wa nyenzo uliopitiwa na wenzao; usanisi na uainishaji wa geopolymer kwa kiwango cha maabara.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Kiungo rasmi: https://doi.org/10.3390/su18104754

Malighafi: Taka za viwandani za granite kutoka kiwanda cha ndani cha kuchakata marumaru huko Lahore, Punjab, Pakistan.

Idadi ya sampuli: Mchanganyiko mitano; n=3 kwa kila mchanganyiko.

Kiamilishaji cha alkali: 14 M NaOH + Na₂SiO₃.

Hali ya microwave: Takriban 650 W kwa dakika 3 za usindikaji wa kwanza + kuondoa kwenye ukungu + dakika 3 za usindikaji wa pili.

Uthabiti wa mazingira: Saa 24.

Umri wa kuripoti nguvu ya kubana: Siku 28.

Uainishaji: FTIR, XRF, SEM, TGA, DTA, jaribio la kubana, density/porosity na ufyonzaji maji.

Ufadhili: Utafiti haukupokea ufadhili wa nje.

Kamati ya maadili: Haitumiki.

Ridhaa iliyoelezwa: Haitumiki.

Upatikanaji wa data: Michango asilia imewasilishwa katika makala; maswali ya ziada yanaweza kuelekezwa kwa corresponding author.

Shukrani: Waandishi wanaishukuru University of Engineering and Technology, Lahore kwa kutoa ufikiaji wa vifaa vya utafiti.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kutokuwa na mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: T.S. conceptualization, uchambuzi wa data, rasilimali, mbinu na rasimu ya kwanza; F.U.R.K. mbinu, uchambuzi wa data, uandishi na utafiti; E.U.H. rasilimali, mbinu, uchambuzi wa data, uandishi, utafiti na mapitio/uhariri; M.Z.E., S.F.R. na R.M.A.K. walichangia mapitio na uhariri.

Kutokuwiana ndani ya chanzo 1 — hesabu ya nishati: Usemi “6 min × 650 W = 3900 J = 1.08 Wh” katika sehemu ya mbinu haulingani na ubadilishaji wa nguvu-muda. Thamani ya ~0,065 kWh/batch katika sehemu ya matokeo inalingana na hesabu ya 650 W × dakika 6.

Kutokuwiana ndani ya chanzo 2 — porosity ya jumla: Jedwali 3 linatoa %17,22 kwa G4 na %18,58 kwa G5, ilhali maelezo ya baadaye ya mikrostruktura yanaelezea G5 kama sampuli yenye porosity ya chini zaidi ya takriban %17,74.

Kikomo cha tafsiri ndani ya chanzo — nishati/CO₂: Energy audit ya kina na tathmini ya mzunguko wa maisha havimo ndani ya wigo wa utafiti. Athari ya chini ya CO₂ ni faida ya mazingira inayowezekana inayotokana na mahitaji madogo ya nishati hai.

Kikomo cha tafsiri ndani ya chanzo — insulation: Ingawa chanzo kinajadili kufaa kwa povu la geopolymer kwa matumizi ya insulation, hakiripoti thermal conductivity coefficient ya moja kwa moja.

Kikomo cha tafsiri ndani ya chanzo — matumizi ya kibiashara: Sampuli ya ziada yenye umbo la tofali iliandaliwa; hata hivyo, kufuzu kwa bidhaa ya kibiashara ya kiwango kamili, ulinganifu na kanuni za ujenzi au utendaji wa uzalishaji wa viwandani haujathibitishwa.