Anastasiia Stepanova | BUŇKY

Výroba cementu významně ovlivňuje životní prostředí, a to jak emisemi do atmosféry, tak i vlivem na přírodní zdroje. Některé klíčové aspekty dopadu výroby cementu na životní prostředí zahrnují:

□ Emise oxidu uhličitého (CO2): Výroba cementu je jedním z největších zdrojů antropogenních emisí CO2. Hlavním zdrojem CO2 je vápenec obsažený v vápenci, který se při procesu vypalování přeměňuje na oxid vápenatý (CaO), přičemž se uvolňuje oxid uhličitý.

□ Emise dalších škodlivých látek: Během procesu vypalování cementu se uvolňují různé znečišťující látky do vzduchu, jako jsou dusíkové oxidy (NOx), oxid siřičitý (SO2) a pevné částice, které mohou negativně ovlivnit lidské zdraví a životní prostředí.

□ Využívání přírodních zdrojů: Těžba surovin pro výrobu cementu, jako jsou vápenec a jíl, může vést k eksploataci přírodních zdrojů a degradaci přírodních ekosystémů.

□ Odpady a výstupy v průběhu procesu: Proces vypalování a další výrobní kroky vytvářejí odpady, jako jsou prachy, kalové látky a další látky. Tyto materiály mohou negativně ovlivnit vodní systémy a půdu.

□ Spotřeba energie: Proces vypalování cementu vyžaduje značné množství energie, a část z ní může pocházet z nízkouhlíkových zdrojů, jako je uhlí.

K redukci dopadu výroby cementu na životní prostředí a udržitelnosti průmysl zkoumá a implementuje různé technologie a metody, jako jsou obnovitelné zdroje energie, zdokonalené vypalovací procesy, efektivní využívání surovin a recyklace odpadů. Tyto inovace jsou zaměřeny na snížení emisí skleníkových plynů a omezení negativních dopadů na životní prostředí.


Chemické rovnice pro vytvoření portlandského cementu zahrnuje vypalování vápence a hlíny v rotační peci při vysokých teplotách. Během vypalování probíhají různé chemické reakce, které tvoří základní složky cementu.

Oxid vápenatý (CaO) nebo vápno, též nazývané necalcinovaný vápenec, lze získat kalcinací (ohříváním) vápence (CaCO3) při vysokých teplotách. Tento proces se nazývá kalcinace a je chemicky popsán následující reakcí:

CaCO3 → CaO + CO2

V teto rovnici se vápenec rozkládá za vysokých teplot na oxid vápenatý a oxid uhličitý. Tento proces probíhá při teplotách nad 825 stupňů Celsia (1500 stupňů Fahrenheita).

OSOОВNÍ SLOŽKY CEMENTU
Tricalciumsilikát:
Chemický vzorec: 3CaO * SiO2
Zajišťuje pevnost a tvrdost betonu.​

Dicalciumsilikát:
Chemický vzorec: 2CaO * SiO2
Poskytuje dodatečnou pevnost a ovlivňuje dobu tvrdnutí cementu.

Tricalciumaluminát:
Chemický vzorec: 3CaO * Al2O3
Ovlivňuje časnou pevnost a účastní se procesu tuhnutí.

Tetracalciumaluminoferrat:
Chemický vzorec: 4CaO * Al2O3 * Fe2O3
Účastní se formování pevnosti a barvy cementu.

CaCO3 + SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 → Ca3SiO5 + Ca2SiO4 + Ca3Al2O6 + Ca4Al2Fe2O10 + CO2

Vápenec (CaCO3), křemen (SiO2), hlína (Al2O3) a oxid železa (Fe2O3) jsou vypalovány ve rotační peci. Výsledkem chemických reakcí jsou základní složky cementu: tricalciumsilikát (C3S), dicalciumsilikát (C2S), tricalciumaluminát (C3A) a tetracalciumaluminoferrat (C4AF).

Uvolňuje se oxid uhličitý (CO2). Při výrobě 1,0 kg cementu vzniká 0,6 kg emisí CO2.



Cyanobakterie, také známé jako modrozelené řasy, představují rozmanitou skupinu bakterií, které mají schopnost fotosyntézy. Jejich významným rozlišovacím znakem oproti jiným bakteriím je přítomnost pigmentu chlorofylu a, který se používá k zachycení světelné energie během fotosyntézy. V důsledku toho mají modrozelenou barvu, což vysvětluje jejich název.

Cyanobakterie mohou být jednobuněčné, vláknité (tvořící řetězce) nebo koloniální (tvořící kolonie z několika buněk).

Mohou být využívány v různých oblastech, včetně výroby biobetonu. Biobeton je stavební materiál, ve kterém biologické procesy přispívají k zpevnění materiálu. Využití cyanobakterií při vytváření biobetonu může vést k zlepšení ekologických a strukturálních vlastností materiálu.

Zde jsou některé způsoby využití cyanobakterií při vytváření biobetonu:

Karbonatace: Cyanobakterie mohou být použity k stimulaci procesu karbonatace, při němž se oxid uhličitý z vzduchu mění na vápenatý karbonát. Tento proces může vést k postupnému zpevňování betonu časem.

Výroba biocementu: Cyanobakterie mohou uvolňovat vápenatý karbonát během svého růstu. Tento karbonát může být pak použit jako hlavní složka k vytvoření biocementu. Biocement představuje ekologičtější alternativu k tradičnímu cementu.

Vytváření biologických agregátů: Cyanobakterie mohou být využity k vytvoření biologických agregátů v matrici betonu. Tyto agregáty mohou zlepšit mechanické vlastnosti betonu, jako je pevnost a odolnost vůči prasklinám.

Zlepšení environmentální udržitelnosti: Použití cyanobakterií může snížit dopad výroby betonu na životní prostředí, protože cyanobakterie mohou fixovat oxid uhličitý.
Nicméně, i přes potenciální výhody se použití cyanobakterií při tvorbě biobetonu setkává s některými technickými a technologickými problémy, jako je kontrola růstu cyanobakterií a zajištění stability procesu.

V současné době neexistuje konkrétní druh cyanobakterií, který by byl jednoznačně označen jako nejlepší pro tvorbu biobetonu. Výzkum v této oblasti stále pokračuje ve vývoji, a různé druhy cyanobakterií mohou mít různou účinnost v různých podmínkách.

Nicméně, lze zvážit různé typy cyanobakterií a jejich potenciální výhody:

Jednobuněčné cyanobakterie: Jednoduchost řízení: Jednobuněčné cyanobakterie mohou být snazší řídit a kontrolovat v podmínkách výroby biobetonu.

Vláknité cyanobakterie: Tvorba struktur: Vláknité cyanobakterie mohou tvořit dlouhé vlákna, což může být užitečné pro vytvoření pevnější a odolnější struktury v matrici betonu.

Koloniální cyanobakterie: Tvorba kolonií: Koloniální cyanobakterie mohou tvořit kolonie, což rovněž může ovlivnit mechanické vlastnosti biobetonu.


Dá se-li nutit cyanobakterie k výstavbě betonu podle určitého směru? Ano, to vyžaduje kombinaci biologických a inženýrských přístupů.

Inženýrské konstrukce:

Vývoj betonové matrice: Vytvoření betonové matrice, která poskytne oporu a směr pro růst cyanobakterií. Tato matrice musí být také pevná a schopná udržet vápenatý karbonát, který cyanobakterie uvolňují.

Použití forem: Použití forem nebo určitých povrchů, které budou sloužit jako směrovky pro růst cyanobakterií a tvorbu betonu.

Výběr vhodných cyanobakterií:

Genetická modifikace: Studium možnosti genetické modifikace cyanobakterií k zlepšení jejich schopnosti tvořit karbonát a přizpůsobení se konkrétním podmínkám.

Řízení podmínek růstu:

Optimalizace podmínek: Vytváření podmínek pro fotosyntézu a tvorbu karbonátu, což vyžaduje řízení osvětlení, teploty, pH a živin v systému.
Monitorování a regulace: Použití automatizovaných monitorovacích systémů k sledování a regulaci růstových parametrů.
Biomimikrie:

Napodobování přírodních procesů: Studium přirozených podmínek, za kterých cyanobakterie stavějí struktury, a vytváření betonových prostředí, která tyto podmínky imitují.

Inovativní stavební metody:

Bioprinting: Rozvoj bioprintovacích technologií pro přesné ovládání distribuce cyanobakterií ve třírozměrném prostoru.
Metody formování: Použití metod formování a směrování růstu pro vytváření požadovaných forem a struktur.



DNA (dezoxyribonukleová kyselina) cyanobakterií je podobná DNA jiných organismů a obsahuje genetickou informaci nezbytnou pro jejich fungování a vývoj. DNA cyanobakterií se skládá z dvou dlouhých řetězců nukleotidů, které jsou spojeny dohromady podél spirály. Každý nukleotid se skládá ze cukru (deoxyribózy), fosfátu a jedné ze čtyř dusíkatých bází: adeninu (A), thyminu (T), cytosinu (C) a guaninu (G).

Struktura DNA cyanobakterií obsahuje informace o pořadí těchto dusíkatých bází, a toto pořadí určuje sekvenci aminokyselin v proteinech, které cyanobakterie mohou syntetizovat. Tento proces je klíčový pro mnoho funkcí, jako je fotosyntéza, růst a reprodukce.

Obecný vzorec DNA cyanobakterií vypadá přibližně takto:

5′−P−[A, T, C, G]−[A, T, C, G]−…−[A, T, C, G]−3’

kde P značí fosfát a [A, T, C, G] představuje sekvenci dusíkatých bází (adenin, thymin, cytosin a guanin).

Tato struktura umožňuje DNA plnit svou základní funkci, tj. kódovat informace nezbytné pro syntézu proteinů a řízení dalších procesů v buňkách cyanobakterií.

Proces tvorby biocementu s využitím cyanobakterií zahrnuje přeměnu oxidu uhličitého na uhličitan vápenatý. Jednou z běžných metod je biomineralizační proces, který provádí cyanobakterie rodiny Synechococcus nebo jiné podobné organismy. Zde je zjednodušený přehled chemických reakcí probíhajících v procesu:

Fotosyntéza cyanobakterií:
Cyanobakterie provádějí fotosyntézu, při které využívají světlo k přeměně oxidu uhličitého a vody na organické sloučeniny a kyslík. Proces fotosyntézy lze představit následovně:

6CO2 + 6H2O ->(světlo) C6H12O6 + 6O2

Proces biomineralizace:
V procesu biomineralizace mohou cyanobakterie vyvolat vylučování uhličitanu vápenatého (CaCO3) z iontů vápníku (Ca2+) a vodíkového uhličitanu (HCO3-), který vzniká v důsledku reakce oxidu uhličitého s vodou:
Ca2+ + 2HCO3- -> (světlo) CaCO3 + CO2 + H2O

Získaný uhličitan vápenatý se pak usazuje v betonové matrici, což vede k posílení struktury.

Takto cyanobakterie ovlivňují oxid uhličitý a ionty vápníku, vytvářejí uhličitan vápenatý a integrují jej do materiálu biocementu. Tento proces probíhá za světelného působení a závisí na fotosyntéze cyanobakterií.