ผสม ‘อุจจาระ’ กับ ‘ปูนซีเมนต์’ ช่วย ‘คอนกรีต’ แข็งแรงขึ้น ลดก๊าซเรือนกระจก-กำจัดขยะชีวภาพ

แต่ละปีทั่วโลก “คอนกรีต” มากถึง 4,000 ล้านตัน เพื่อใช้ในการสร้างบ้านเรือน อาคารสำนักงาน ถนน และสะพาน แต่ส่วนผสมหลักในคอนกรีตอย่าง “ปูนซีเมนต์” กลับสร้างผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรง เพราะมีการเผาหินปูน ซึ่งปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มหาศาล โดยคิดเป็น 88% ของก๊าซเรือนกระจกทั้งหมดในอุตสาหกรรมคอนกรีต และสูงถึง 8% ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกทั่วโลก

นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรทั่วโลก จึงพยายามหาวัสดุทดแทนเพื่อลดปริมาณการใช้ปูนซีเมนต์ในการผสมคอนกรีต ก่อนหน้านี้ได้มีการทดลองนำกากกาแฟ เปลือกหอย หรือแม้กระทั่งวัสดุจากปะการังมาใช้ประโยชน์ จนกระทั่งล่าสุด นักวิจัยจากอินเดียได้นำ “อุจจาระของมนุษย์” มาผสม ซึ่งนอกจากจะลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกแล้ว ยังช่วยลดขยะชีวภาพที่มีอยู่อย่างมหาศาล

ทีมวิจัยนี้ นำโดย รากูเวช ติวารี วิศวกรโยธาจาก มหาวิทยาลัยมานิปาล ชัยปุระ ค้นพบวิธีเปลี่ยนอุจจาระของมนุษย์ให้กลายเป็น “ไบโอชาร์” เพื่อใช้เป็นส่วนผสมทดแทนปูนซีเมนต์บางส่วน 

โดยเฉลี่ยแล้ว ในแต่ละวันมนุษย์จะขับถ่ายอุจจาระออกมาประมาณ 400 กรัมต่อคน แม้ดูเหมือนเป็นตัวเลขที่ไม่มากในระดับบุคคล แต่เมื่อรวมกันหลายล้านคน ก็จะกลายเป็นปริมาณมหาศาล ซึ่งจำเป็นต้องได้รับการจัดการอย่างถูกต้อง ในประเทศอินเดีย มีการจัดตั้งโรงงานจัดการกากปฏิกูลจากอุจจาระขึ้น เพื่อกำจัดขยะเหล่านี้อย่างปลอดภัย ทีมวิจัยจึงนำกากปฏิกูลจากโรงงานในเมืองวรังคัล มาใช้เป็นวัตถุดิบต้นแบบ

นักวิจัยนำเอาอุจจาระมาตากแห้ง จากนั้นนำไปผ่านความร้อนในสภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ หรือที่เรียกว่า “กระบวนการไพโรไลซิส” (Pyrolysis) ที่อุณหภูมิระหว่าง 350-450 องศาเซลเซียส จนได้ออกมาเป็นไบโอชาร์ แล้วนำไปบดและร่อนจนกลายเป็นผงละเอียด เพื่อนำไปใช้ทดแทนปูนซีเมนต์ในสัดส่วน 5%, 10% และ 15% ในการผสมคอนกรีตมาตรฐาน

คณะวิจัยนำ “คอนกรีตผสมอุจจาระ” ไปทดสอบคุณสมบัติต่าง ๆ ทั้งการหดตัว แรงอัด แรงดัด การดูดซึมน้ำ และความพรุน พบว่าการเติมไบโอชาร์จากอุจจาระในปริมาณที่เหมาะสม ทำให้คอนกรีตมีประสิทธิภาพดียิ่งขึ้นกว่าคอนกรีตทั่วไป 

เมื่อผ่านระยะเวลาการบ่มคอนกรีตไป 91 วัน คอนกรีตที่มีการทดแทนปูนซีเมนต์ด้วยไบโอชาร์ 10% มี “ความแข็งแรงดัดงอ” (Flexural strength) เพิ่มขึ้นถึง 42% และมี “กำลังรับแรงอัด” (Compressive strength) เพิ่มขึ้น 21% ในขณะที่การใช้ไบโอชาร์ในสัดส่วน 5% ให้ผลดีที่สุดในภาพรวม โดยมีความแข็งแรงดัดงอเพิ่มขึ้น 36% และกำลังรับแรงอัดเพิ่มขึ้น 20% เมื่อเทียบกับคอนกรีตสูตรมาตรฐาน

นอกจากเรื่องความแข็งแกร่งแล้ว คอนกรีตสูตรไบโอชาร์ 5% และ 10% ยังช่วยปรับปรุงโครงสร้างทางกายภาพอื่น ๆ อีกด้วย โดยพบว่ามีการดูดซึมน้ำต่ำลง มีความพรุนน้อยลง และมีการหดตัวขณะแห้งลดลง เมื่อเทียบกับคอนกรีตทั่วไป ซึ่งคุณสมบัติเหล่านี้ จะส่งผลให้โครงสร้างอาคารมีความทนทาน ทนต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ต้องการการซ่อมแซมน้อยลง และมีอายุการใช้งานยาวนานยิ่งขึ้น

ทีมวิจัยอธิบายว่า ไบโอชาร์จากอุจจาระมีโครงสร้างรูพรุนคล้ายรังผึ้ง ซึ่งทำหน้าที่เหมือนอ่างเก็บน้ำขนาดเล็กภายในเนื้อคอนกรีต จึงสามารถกักเก็บน้ำและกระจายน้ำออกมาเพื่อช่วยในการบ่มจากภายใน อีกทั้ง ไบโอชาร์ยังมี “สารซิลิกา” ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับแคลเซียมไฮดรอกไซด์ที่เกิดขึ้นระหว่างการบ่มตัวของปูนซีเมนต์ เกิดเป็นแคลเซียมซิลิเกตที่มั่นคงและช่วยเสริมความแข็งแรง ปฏิกิริยานี้เรียกว่า “ปฏิกิริยาปอซโซลาน” (Pozzolanic reaction) ซึ่งเป็นหลักการทางเคมีแบบเดียวกับที่เคยใช้ใน คอนกรีตโรมันโบราณ เพียงแต่เปลี่ยนจากการใช้เถ้าภูเขาไฟมาเป็นอุจจาระของมนุษย์แทน

อย่างไรก็ดี ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าการใส่ไบโอชาร์ในปริมาณที่มากเกินไปกลับส่งผลเสีย โดยที่สัดส่วนการทดแทน 15% แม้คอนกรีตจะมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นตามเวลา แต่ประสิทธิภาพโดยรวมกลับลดลงกว่าสูตร 5% และ 10% เมื่อส่องดูด้วยกล้องจุลทรรศน์พบรอยแตกร้าว รูพรุน และการยึดเกาะที่อ่อนแอลง 

ขณะเดียวกัน การทดลองพบว่า ไบโอชาร์ช่วยลดการรั่วซึมของโลหะหนักได้ดี แต่ยังต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมว่าโลหะหนักจะถูกกักเก็บไว้อย่างปลอดภัยในระยะยาวหรือไม่

คณะวิจัยหวังว่า หากการทดสอบความคงทนต่อสภาพแวดล้อมจริง เช่น สภาวะแช่แข็งและคลายตัว หรือความต้านทานต่อเกลือ ประสบความสำเร็จ นวัตกรรมนี้อาจถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการสร้างถนน บ้านเรือน และอาคารสาธารณะต่อไป

ที่มา: BBC, Popular Mechanics, Science Alert, The Cool Down