نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• ایمان رضوانی ¹
• مهدی جنوبی ¹
• علیرضا عشوری ²
• پیمان احمدی ¹
• سیما سپهوند ³

¹ گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.

² پژوهشکده فناوری‌های شیمیایی، سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران

³ گروه سامانه‌های زیستی، دانشکده فناوری‌های نوین و مهندسی هوافضا، پردیس زیراب، دانشگاه شهید بهشتی، زیراب

چکیده

سابقه و هدف: صنعت خمیر و کاغذ سالانه حجم قابل توجهی لجن کاغذ تولید می‌کند که دفع آن علاوه بر تحمیل هزینه‌های اقتصادی، پیامدهای زیست‌محیطی متعددی به همراه دارد. استفاده مجدد از این پسماند در تولید مصالح ساختمانی می‌تواند ضمن کاهش مصرف سیمان، به مدیریت پایدار پسماندهای صنعتی و کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن ناشی از تولید سیمان کمک کند. با وجود مطالعات متعدد درباره استفاده از لجن کاغذ در مواد سیمانی، هنوز اطلاعات محدودی درباره اثر همزمان درصد جایگزینی و اندازه ذرات این ماده بر خواص مکانیکی و فیزیکی کامپوزیت‌های سیمانی و همچنین مدل‌سازی این اثرات وجود دارد. ازاین‌رو، هدف این پژوهش بررسی تأثیر درصد جایگزینی و اندازه ذرات لجن کاغذ بر مقاومت فشاری، مدول گسیختگی، مدول الاستیسیته، جذب آب، چگالی و تخلخل کامپوزیت‌های سیمانی و همچنین ارزیابی قابلیت روش سطح پاسخ (Response Surface Methodology) در مدل‌سازی و تحلیل این رفتارها بود.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، کامپوزیت‌های سیمانی با استفاده از لجن کاغذ در سه سطح جایگزینی شامل 10، 20 و30 درصد وزنی سیمان همراه با نمونه شاهد (صفر درصد لجن) و چهار محدوده اندازه ذرات 5/0، ۱، 5/1 و ۲ میلی‌متر تولید شدند. آزمایش‌ها بر اساس طرح فاکتوریل کامل و در سه تکرار انجام شد و در مجموع 48 نمونه مورد ارزیابی قرار گرفت. پس از عمل‌آوری، مقاومت فشاری، مدول گسیختگی، مدول الاستیسیته، جذب آب ۷۲ ساعته، چگالی و تخلخل اندازه‌گیری شدند. به‌منظور بررسی اثر درصد جایگزینی و اندازه ذرات و ارزیابی اثرات متقابل آن‌ها، تحلیل واریانس (ANOVA) و مدل رگرسیونی درجه دوم در چارچوب روش سطح پاسخ (RSM) به‌کار گرفته شد. معنی‌داری مدل‌ها و اثرات عوامل در سطح 05/0 و کیفیت برازش مدل‌ها با استفاده از ضرایب تعیین (R²) و ضریب تعیین تعدیل‌شده (Adjusted R²) ارزیابی شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که درصد جایگزینی لجن کاغذسازی در بیشتر پاسخ‌های مورد بررسی عامل غالب بود، در حالی که اثر اندازه ذرات در محدوده مورد مطالعه عمدتاً محدود بود و تنها برای مدول الاستیسیته معنی‌دار بود (023/0P=). اثر متقابل درصد جایگزینی و اندازه ذرات نیز برای هیچ‌یک از پاسخ‌ها از نظر آماری معنی‌دار نبود (05/ 0P>). با افزایش درصد جایگزینی، مقاومت فشاری و چگالی روند کاهشی، و جذب آب و تخلخل روند افزایشی نشان دادند. مقاومت فشاری از حدود 34/18 به 26/10 مگاپاسکال کاهش یافت، در حالی که جذب آب از 85/8 به 21/38 درصد و تخلخل از 89/11 به 93/35 درصد افزایش یافت. همچنین، چگالی کامپوزیت‌ها با افزایش میزان لجن کاهش یافت که بیانگر کاهش وزن مخصوص کامپوزیت‌های حاصل بود. در سطوح پایین جایگزینی، به‌ویژه حدود 10 درصد، افزایش نسبی مقاومت فشاری و مدول گسیختگی مشاهده شد؛ با این حال، این روند برای مدول گسیختگی از نظر آماری معنی‌دار نبود. افزایش میزان لجن در سطوح بالاتر با افزایش تخلخل و جذب آب و کاهش کلی عملکرد مکانیکی همراه بود. در تحلیل RSM، مدل جذب آب بهترین برازش را نشان داد (% 9/83 R²=و 5/72 Adjusted R²=)، در حالی که مدل‌های برخی پاسخ‌ها از نظر آماری معنی‌دار نبودند و بنابراین قابلیت پیش‌بینی کمی محدودی داشتند. در مجموع، نتایج نشان داد که درصد جایگزینی لجن عامل مؤثرتری نسبت به اندازه ذرات در تعیین بیشتر خواص کامپوزیت‌های سیمانی بود.
نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که درصد جایگزینی لجن کاغذ نقش تعیین‌کننده‌ای در رفتار فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت‌های سیمانی دارد، در حالی که اثر اندازه ذرات در محدوده 5/0 تا ۲ میلی‌متر نسبتاً محدود است. استفاده از مقادیر پایین لجن، به‌ویژه در حدود ۱۰ درصد، موجب حفظ مناسب خواص مکانیکی همراه با کاهش مصرف سیمان شد، اما افزایش بیشتر مقدار لجن باعث افزایش جذب آب و تخلخل و در نتیجه کاهش مقاومت و سختی کامپوزیت گردید. به طور کلی، لجن کاغذ قابلیت استفاده به عنوان یک ماده جایگزین در تولید مصالح سیمانی پایدار را دارد و می‌تواند علاوه بر کاهش مصرف سیمان، به مدیریت ارزشمند پسماندهای صنعت کاغذ و توسعه مصالح سازگار با محیط‌زیست، به‌ویژه در کاربردهای غیرسازه‌ای، کمک کند.

کلیدواژه‌ها

• روش سطح پاسخ
• پسماند صنعتی
• کامپوزیت سیمانی
• مقاومت مکانیکی
• توسعه پایدار
• بهینه سازی

موضوعات

• فراورده های مرکب چوب