خبث النحاس

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
خبث النحاس، حديقة كيلستون
خبث النحاس، حديقة كيلستون

خبث النحاس هو منتج ثانوي لعملية استخلاص النحاس بالصهر . أثناء الصهر، تتحول الشوائب إلى خبث يطفو على سطح المعدن المنصهر. ينتج عن تبريد الخبث بالماء حبيبات زاوية الشكل، يتم التخلص منها كنفايات أو استخدامها كما هو موضح أدناه.

صفات

تحتوي الخبث الناتج عن الخامات التي يتم تركيزها ميكانيكياً قبل الصهر في الغالب على أكاسيد الحديد وأكاسيد السيليكون.

تحليل دورة حياة ركام خبث النحاس

تُنتج خبث النحاس خلال عملية صهر النحاس، ويبلغ إنتاجه السنوي حوالي 4.5 مليون طن. ورغم استخدامه في عمليات السفع الرملي وردم النفايات، إلا أن نسبة استخدامه الفعلية لا تتجاوز 15 إلى 20% حتى عام 2015. ونظرًا لكونه مادة تُهدر بكميات كبيرة، فإن إيجاد طرق لاستخدامه في مختلف الصناعات من شأنه أن يقلل من إجمالي النفايات. وقد أجرت كلية هندسة الموارد والسلامة بجامعة وسط جنوب في تشانغشا، الصين، دراسةً تناولت استخدام خبث النحاس كمادة مُضافة للخرسانة. [ 1 ] وتركز هذه الدراسة تحديدًا على الفوائد البيئية لخبث النحاس. ومن خلال إجراء تقييم لدورة حياة الخرسانة العادية والخرسانة المُضاف إليها خبث النحاس، تمكن الباحثون من مقارنة انبعاثات الكربون لكلا المادتين ومدى تأثرهما بالتغيرات البيئية.

أُجري تقييم دورة حياة المنتج على أربع مراحل: تحديد الهدف والنطاق، وتحليل جرد دورة الحياة، وتقييم أثر دورة الحياة، وتفسير دورة الحياة. كان الهدف والنطاق من تقييم دورة الحياة هو تقييم الأثر البيئي للإسمنت من مرحلة الإنتاج وحتى تسليمه للاستخدام. تشمل هذه المرحلة جمع بيانات عن مدخلات ومخرجات الطاقة خلال عملية إنتاج الإسمنت ضمن حدود الهدف والنطاق. شملت المدخلات المواد الخام والطاقة، بينما شملت المخرجات انبعاثات متنوعة مثل ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون. خلال تقييم أثر دورة الحياة، أُجريت تحليلات توصيف وتطبيع وحساسية لتحديد إمكانية استنزاف الموارد غير الحيوية، وإمكانية الاحترار العالمي ، وإمكانية السمية البشرية، وإمكانية التحمض، وإمكانية التخثث، وإمكانية الأكسدة الكيميائية الضوئية خلال عملية الإنتاج. بعد اكتمال التحليل، تُقارن النتائج بدراسات أخرى كجزء من مرحلة تفسير دورة الحياة.

خلص تحليل دورة الحياة إلى أن أسمنت خبث النحاس أكثر استدامة من أسمنت بورتلاند العادي . ففي جميع فئات تقييم الأثر البيئي الرئيسية لدورة الحياة، باستثناء احتمالية السمية البشرية، كان لأسمنت بورتلاند العادي أثر سلبي أكبر من خبث النحاس. ويعود ارتفاع احتمالية السمية البشرية في خبث النحاس إلى استهلاك الكهرباء في طحنه، نظرًا لضعف قابليته للطحن. وكان التباين الأكبر في فئة احتمالية استنزاف الموارد غير الحيوية، حيث بلغ الفرق 46.5%. وتُعرف احتمالية استنزاف الموارد غير الحيوية بأنها استنزاف الموارد غير الحية، مثل الوقود الأحفوري. وبما أن معالجة خبث النحاس تتطلب كميات أقل من المواد الخام والفحم، فمن المنطقي أن يكون لأسمنت خبث النحاس تأثير أقل على احتمالية استنزاف الموارد غير الحيوية. وبشكل عام، كان إجمالي الأثر البيئي لأسمنت بورتلاند أعلى بنسبة 13.95% من أسمنت خبث النحاس، مما يُظهر الأثر الإيجابي لاستخدام ركام خبث النحاس.

الخواص الميكانيكية لركام خبث النحاس

في عام ٢٠١٥، أجرى قسم الهندسة المدنية في معهد باريسوثام للتكنولوجيا والعلوم دراسةً حول سلوك ركام خبث النحاس. [ ٢ ] هدفت الدراسة إلى اختبار جدوى استخدام خبث النحاس كركام. ولتحديد مدى إمكانية تطبيقه في قطاع البناء، تم تقييم نسب مختلفة من خبث النحاس والرمل في الخرسانة لفهم تأثيرات خبث النحاس عليها. وشملت الدراسة فحص خصائص مثل مقاومة الضغط ، ومقاومة الشد، والهبوط، وقابلية التشغيل.

تم تحديد تأثير خبث النحاس على مقاومة الخرسانة للضغط من خلال إجراء اختبارات مقاومة الضغط على خلطات خرسانية مختلفة، تم تحضيرها بعد 7 و28 يومًا من التصلب. تفاوتت نسبة خبث النحاس إلى الرمل في كل خلطة بزيادات قدرها 20%، من 0% إلى 100%. ونظرًا لاحتواء كل خلطة على كمية محددة من النحاس، فقد لوحظ تأثير خبث النحاس على الخرسانة. أظهرت نتائج اختبار مقاومة الضغط أن مقاومة الضغط تزداد مع زيادة كمية خبث النحاس في الخلطة. ففي خلطة عمرها 28 يومًا تحتوي على 0% من خبث النحاس، بلغت مقاومة الضغط 35.66 ميجا باسكال، بينما بلغت 48.76 ميجا باسكال في الخلطة التي تحتوي على 100% من خبث النحاس.

تم اختبار ركام خبث النحاس أيضًا في اختبار مقاومة الشد الانشطاري لفهم تأثيره على مقاومة الخرسانة للشد. كانت معايير الاختبار مماثلة لاختبار الضغط، حيث احتوت الخلطات التي مضى عليها 7 و28 يومًا على كميات متفاوتة من ركام خبث النحاس بزيادات قدرها 20%. أثبت خبث النحاس أنه يزيد من مقاومة الشد، إذ أظهرت الخلطات التي تحتوي على نسبة أعلى من خبث النحاس قدرة تحمل أعلى. بلغت قدرة تحمل خلطة عمرها 28 يومًا وخالية من ركام خبث النحاس 4.75 ميجا باسكال، بينما بلغت قدرة تحمل خلطة تحتوي على 100% من خبث النحاس 8.64 ميجا باسكال. في كلا الاختبارين، تمت ملاحظة هبوط الخرسانة. الهبوط هو مقياس لقوام الخرسانة قبل تصلبها، حيث يشير الهبوط الأعلى إلى سيولة أكبر. وكما هو الحال في نتائج اختبارات المقاومة، ازداد الهبوط مع زيادة نسبة خبث النحاس. بلغ هبوط الخليط الخالي من خبث النحاس 25 مم، بينما بلغ هبوط الخليط المحتوي على 100% من خبث النحاس 82 مم. ويُعزى هذا الاختلاف في النتائج إلى انخفاض امتصاص الماء في خبث النحاس (0.16%) مقارنةً بالرمل (1.25%).

بناءً على قوتها، تُعدّ ركامات خبث النحاس بديلاً ممتازاً للرمل. وللحصول على أقصى قوة، يُفضّل استبدال الرمل بخبث النحاس بنسبة 100%. مع ذلك، يتميّز خبث النحاس بانخفاض امتصاصه للماء، مما يُؤدي إلى زيادة الهبوط، وبالتالي حدوث نزف في الخرسانة. والنزف هو عملية يتم فيها دفع الماء من الخرسانة إلى الأعلى نتيجةً لهبوط الجزيئات الثقيلة في خليط الخرسانة. ولحلّ هذه المشكلة، يُوصي الباحثون باستخدام نسبة تصل إلى 60% من خبث النحاس مقارنةً بالرمل. [ 3 ]

التطبيقات

السفع الرملي

يُستخدم خبث النحاس بشكل أساسي في تنظيف الأسطح بالرمل. وتُستخدم عملية السفع الرملي لتنظيف وتشكيل أسطح المعادن والأحجار والخرسانة وغيرها من المواد. في هذه العملية، يُقذف تيار من حبيبات كاشطة تُسمى حبيبات السفع الرملي باتجاه قطعة العمل. يُعد خبث النحاس أحد المواد العديدة التي يُمكن استخدامها كحبيبات كاشطة. ويتأثر اختيار مادة حبيبات السفع الرملي بمعدل استهلاكها، وكمية الغبار المتولد، وجودة تشطيب السطح.

يتم تصنيع الوسائط الموصوفة دوليًا وفقًا لمعيار ISO 11126-3 [ 4 ]

تُعدّ وسائط التفجير المصنوعة من خبث النحاس أقل ضرراً على الإنسان والبيئة من الرمل، كما أنها تُلبي أشدّ المعايير الصحية والبيئية صرامة.

بناء

يمكن استخدام خبث النحاس في إنتاج الخرسانة كبديل جزئي للرمل. كما يُستخدم خبث النحاس كمادة بناء ، حيث يُشكّل على هيئة قوالب. كان هذا الاستخدام شائعًا في المناطق التي كانت تُجرى فيها عمليات الصهر، بما في ذلك سانت هيلينز وكورنوال [ 5 ] في إنجلترا . في السويد (منطقة سكيلفتيا) ، يُستخدم خبث النحاس المُحبّب المُدخّن والمُترسب من مصهر بوليدن للنحاس كمادة لبناء الطرق. يتميز الخبث المُحبّب (بحجم حبيبات أقل من 3 مم) بخصائص العزل والتصريف، مما يجعله مناسبًا لتجنب تجمد التربة في الشتاء، وبالتالي منع تشققات الرصف. يُقلل استخدام هذا الخبث من استهلاك المواد الأولية، كما يُقلل من عمق البناء، مما يُقلل بدوره من استهلاك الطاقة في المباني. وللأسباب نفسها، يُستخدم الخبث المُحبّب كمادة مالئة وعازلة في أساسات المنازل في المناخ البارد. وقد بُنيت العديد من المنازل في المنطقة نفسها بأساسات معزولة بالخبث. [ 6 ]

الحماية من أشعة جاما

تتمتع الخرسانة الثقيلة بقدرة فائقة على الحماية من الإشعاع، وذلك بفضل زيادة كثافة الخلطات. في الواقع، يلعب استخدام مواد عالية الكثافة كركام دورًا هامًا في تعزيز قدرة الخرسانة على امتصاص الإشعاع، حيث يشكل الركام حوالي ثلاثة أرباع حجم الخرسانة. يُعزز العدد الذري العالي في هذه المواد امتصاص النيوترونات لأشعة جاما ويُبطئها، مما يُقلل بدوره من عمق اختراق أشعة جاما الضارة داخل الخرسانة. يُغني استخدام الخرسانة الثقيلة عن الحاجة إلى الجدران السميكة التي تُشكل عوائق معمارية وتُحد من المساحة المتاحة. في هذه الدراسة، تم تحضير خلطات خرسانية بنسب مختلفة من خبث الأفران العالية المحبب (GGBFS) ورماد الفحم (CS) كبديل جزئي للأسمنت والركام الناعم الطبيعي، على التوالي. تم تعريض الخلطات الخرسانية لمصادر نقطية من السيزيوم-137 والكوبالت-60. تم تقييم قدرة الخلطات الخرسانية على الحماية من الإشعاع من خلال معامل التوهين الخطي (μ) وطبقة نصف القيمة (HVL). أدى استخدام خبث الأفران العالية المحبب كبديل جزئي للأسمنت عمومًا إلى زيادة طفيفة في معامل التوهين الخطي للخلطات. من جهة أخرى، كان تأثير الركام الخشن على معامل التوهين الخطي أكثر وضوحًا، حيث زاد معامل التوهين الخطي بنسبة 31% عند استخدام ركام خشن ثقيل الوزن. وقد أكدت نتائج الاختبارات أن الاستبدال الجزئي للرمل الطبيعي بالركام الخشن يقلل من سُمك طبقة نصف القيمة (HVL). وأظهرت النتائج أن الخرسانة المصنوعة من 60% من خبث الأفران العالية المحبب و100% من الركام الخشن تتمتع بقدرة فائقة على الحماية من الإشعاع وتفي بمتطلبات القوة للتطبيقات الإنشائية. ولذلك، فهي مناسبة للحماية من الإشعاع في منشآت مثل المراكز الصحية. [ 7 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ تشانغ، كيو.، تشانغ، بي.، ووانغ، دي. (2022). تقييم الفائدة البيئية للأسمنت المخلوط مع خبث النحاس المحبب المعدل. المواد، 15(15)، 5359. https://doi.org/10.3390/ma15155359
  2. ↑ فيجاياراغافان، ج.، وجود، أ.ب.، وثيفيا، ج. (2017). تأثير خبث النحاس، وخبث الحديد، وركام الخرسانة المعاد تدويره على الخواص الميكانيكية للخرسانة. سياسة الموارد، 53، 219-225. https://doi.org/10.1016/j.resourpol.2017.06.012
  3. ↑ فيجاياراغافان، ج.، وجود، أ.ب.، وثيفيا، ج. (2017). تأثير خبث النحاس، وخبث الحديد، وركام الخرسانة المعاد تدويره على الخواص الميكانيكية للخرسانة. سياسة الموارد، 53، 219-225. https://doi.org/10.1016/j.resourpol.2017.06.012
  4. ↑ ISO 11126-3:1993 تحضير الركائز الفولاذية قبل تطبيق الدهانات والمنتجات ذات الصلة - مواصفات المواد الكاشطة غير المعدنية المستخدمة في التنظيف بالرمل - الجزء 3: خبث مصفاة النحاس: تحضير الركائز الفولاذية قبل تطبيق الدهانات والمنتجات ذات الصلة.
  5. ↑ فيرغسون، جون (1996). "كتل خبث النحاس في هيل" (ملف PDF) . تاريخ التعدين . 13 (2). الجمعية التاريخية لمناجم منطقة بيك. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 4 مارس 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 ديسمبر 2015 .
  6. ^ "ستارتسيدا" . يارنساند (بالسويدية) . تم الاسترجاع بتاريخ 2021-08-12 .
  7. ↑ رسول عبد الأصفهاني، SM، زاري، SA، مدخان، م.، أميري، ف.، رشيدياني، ج.، & طاهري، ر.أ (2021). خصائص التدريع الميكانيكية وأشعة جاما والفوائد البيئية للخرسانة التي تتضمن GGBFS وخبث النحاس. مجلة هندسة البناء، 33، 101615. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101615