از ضایعات گرفته تا بتن خودترمیم شونده: اثبات مفهوم کاربرد جدید پلی هیدروکسی آلکانوات
چکیده
تولید پلی هیدروکسی آلکانوات (PHA)یک فرصت امیدوار کننده برای بازیابی کربن آلی ناشی از زباله است. با این حال، کاربرد گسترده PHA مشتق شده از ضایعات به عنوان پلاستیک زیست تخریب پذیر توسط مراحل تصفیه گران، الزامات با کیفیت بالا و رقابت شدید با بازار پلاستیک معمولی محدود شده است. برای غلبه بر این چالش‌ها، ما یک برنامه جدید برای PHA به دست امده از ضایعات به عنوان بستر باکتری در بتن خودترمیم کننده پیشنهاد می‌کنیم. بتن خودترمیم کننده یک تکنولوژی ایجاد شده برای غلبه بر مشکل اجتناب‌ناپذیر شکل‌گیری ترک در سازه‌های بتنی، با ترکیب یک عامل ترمیم دهنده مبتنی بر باکتری است. در حال حاضر، این تکنولوژی به خاطر هزینه‌های مربوط به آماده سازی این عامل ترمیم دهنده، لغو شده است. این مطالعه یک اثبات مفهومی برای استفاده از PHA مشتق شده از زباله را به عنوان یک بستر باکتریایی در عامل ترمیم دهنده فراهم می‌کند. نتایج به دست امده نشان می‌دهد که یک عامل ترمیم دهنده مبتنی بر PHA، که از PHA نامناسب برای کاربردهای ترموپلاستیک تولید شده است، می‌تواند ترمیم شدگی ترک را در نمونه‌های بتنی به ارمغان اورد، در نتیجه نفوذپذیری آب در ترک‌ها را در مقایسه با نمونه‌های بدون عامل ترمیم دهنده به طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. برای اولین بار این دو زمینه در حال ظهور مهندسی، PHA به دست امده از زباله و بتن خود ترمیم شونده، که هر دو ناشی از نیاز به پایداری زیست محیطی هستند، با موفقیت به هم مرتبط شده‌اند. ما پیش‌بینی می‌کنیم که این کاربرد جدید، اجرای فن‌آوری PHA به دست امده از زباله ها را تسهیل خواهد کرد، در حالی که به طور همزمان مواد خام مدور و به طور بالقوه مقرون به صرفه‌تر را برای بتن خود ترمیم شونده تامین می‌کند.
1.مقدمه
پلی هیدروکسی آلکانوات (PHA)به عنوان جایگزینی برای پلاستیک‌های مبتنی بر پتروشیمی، توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است. PHA کاملا زیست تخریب پذیر بوده و ویژگی‌های ترموپلاستیک را دارد. (Lee, 1996) یکی از فرصت ها برای تولید مقرون به صرفه PHA، استفاده از جوامع میکروبی مخلوط و جریان زباله‌های آلی به عنوان خوراک است. این تکنولوژی‌ها هزینه‌های نسبتا بزرگ برای بسترهای خام و عقیم سازی را کاهش داده و در نتیجه از بخشی از هزینه‌های دفع زباله جلوگیری می‌کنند. (Kleerebezem and Loosdrecht, 2007; Fernandez-Dacosta et al., 2015) تا به امروز، بسیاری از جریان‌های زباله آلی برای تولید PHA در آزمایش‌های آزمایشگاهی با موفقیت ارزیابی شده‌اند. (Rodriguez-Perez et al., 2018) علاوه بر این، پروژه‌های آزمایشی، با استفاده از پساب (ضایعات) صنعتی یا لجن موجود در فاضلاب فعال به عنوان خوراک، به بهره‌وری PHA امیدوار کننده برای دستیابی به یک فرآیند پایدار اقتصادی رسیدند (Jia و همکاران، ۲۰۱۴؛ جیانگ و همکاران، ۲۰۱۲؛ تامس و همکاران، ۲۰۱۴).
Abstract
Polyhydroxyalkanoate (PHA) production is a promising opportunity to recover organic carbon from waste streams. However, widespread application of waste-derived PHA as biodegradable plastic is restricted by expensive purification steps, high quality requirements, and a fierce competition with the conventional plastic market. To overcome these challenges, we propose a new application for waste-derived PHA, using it as bacterial substrate in self-healing concrete. Self-healing concrete is an established technology developed to overcome the inevitable problem of crack formation in concrete structures, by incorporating a so-called bacteria-based healing agent. Currently, this technology is hampered by the cost involved in the preparation of this healing agent. This study provides a proof-of-concept for the use of waste-derived PHA as bacterial substrate in healing agent. The results show that a PHA-based healing agent, produced from PHA unsuitable for thermoplastic applications, can induce crack healing in concrete specimens, thereby reducing the water permeability of the cracks significantly compared to specimens without a healing agent. For the first time these two emerging fields of engineering, waste-derived PHA and self-healing concrete, both driven by the need for environmental sustainability, are successfully linked. We foresee that this new application will facilitate the implementation of waste-derived PHA technology, while simultaneously supplying circular and potentially more affordable raw materials for self-healing concrete.
1. Introduction
Polyhydroxyalkanoate (PHA) has attracted widespread attention as an alternative to petrochemical-based plastics. PHA is biobased, completely biodegradable, and has thermoplastic properties (Lee, 1996). An opportunity to produce PHA cost-effectively is by using mixed microbial communities and organic waste streams as feedstock. These technologies diminish the relatively large expenses for raw substrates and sterilization (Kleerebezem and Loosdrecht, 2007), and consequently, avoid part of the waste disposal costs (Fernandez-Dacosta et al., ´ 2015). To date, a multitude of organic waste streams have been assessed successfully for PHA production in laboratory experiments (Rodriguez-Perez et al., 2018). Moreover, pilot projects, using industrial waste water or activated waste water sludge as feedstock, reached promising PHA productivities for achieving an economically viable process (Jia et al., 2014; Jiang et al., 2012; Tamis et al., 2014).
چکیده
۱.مقدمه
۲. مواد و روش‌ها
۲.۱ منبع زیست توده غنی از PHA
۲.۲ فرآیند استخراج PHA
۲.۳ آزمایش رشد محوری
۲.۴ فرمول‌بندی عامل ترمیم دهنده
۲.۵ آماده‌سازی نمونه‌های بتنی
۲.۶. تشکیل ترک و incubation
۲.۷. ارزیابی ترک
۲.۸. آزمایش نفوذپذیری آب
۲.۹ ویژگی های PHA
۳. نتایج و بحث
۳.۱ مشخصات پلیمر PHA
۳.۲. آزمایش رشد محوری
۳. ۳ ارزیابی ترک
۳.۴. آزمایش نفوذپذیری آب
۳.۵. خلاصه نتایج: PHA مشتق‌شده از پسماند را می توان به عنوان عامل ترمیم دهنده در بتن به کار برد.
۳.۶. خواص عملکردی بتن
۳.۷. ویژگی‌های پلیمر PHA
۸. ملاحظات کلی برای توسعه زنجیره ارزش مواد مشتق‌شده از پسماندها
۴. نتیجه‌گیری
منابع
Abstract
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1. Source of PHA-rich biomass
2.2. PHA extraction process
2.3. Axenic growth experiment
2.4. Healing agent formulation
2.5. Preparation of concrete specimens
2.6. Crack formation and incubation
2.7. Crack evaluation
2.8. Water permeability experiment
2.9. PHA characterization
3. Results and discussion
3.1. Characterization of the PHA polymer
3.2. Axenic growth experiment
3.3. Crack evaluation
3.4. Water permeability experiment
3.5. Summary of results: waste-derived PHA can be applied as healing agent in concrete
3.6. Functional properties of concrete
3.7. Specifications of the PHA polymer
3.8. General considerations for value chain development of waste-derived materials
4. Conclusions
CRediT author statement
Declaration of Competing Interest
Acknowledgments
References
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه