Dönüştürülemeyen plastikler betonun yapısında

Dünya’da her gün milyonlarca ton plastik atık meydana geliyor. Günümüzde plastik atık miktarı yaklaşık 370 milyon ton’a ulaşmıştır. Halkın, geri dönüşüm için ilgisi ne kadar yüksek olsa da geri dönüştürülen plastik miktarı var olan plastiklerin anca %10’u kadardır. Plastik türlerinden bir kısmı kimyasal yapılarına uygun yöntemlerle geri dönüştürülebilirler. Özellikle büyük hacimli plastik atıkların dönüştürülmesi için geliştirilecek yöntemler, bu atıkların çevresel etkisini düşürmek adına büyük önem arz ediyor. Büyük hacimli bu atıkların faydalı şekilde kullanılması adına plastik takviyeli harç (PRM) ve onu oluşturan plastik takviyeli çimentolu malzemeler (PRC’ler) plastiklerin geri kazanılma yollarından biri olarak görünüyor¹. Bu potansiyeli değerlendirme adına Montana Eyalet Üniversitesi’ndeki (MSU) bilim insanları mikrobiyal bakterileri kullanarak plastik katkılı beton üretmişlerdir.

Yakın zamanda, MSU’nun Norm Asbjornson Mühendislik Koleji’ndeki araştırmacılar tarafından yapılan çalışmalarda belirli bakterilerle işlenen plastiğin, yapısal malzemenin dayanım kaybı olmadan önemli miktarlarda betona ilave edilebileceğini buldular. 

Makine ve Endüstri Mühendisliği Bölümü’nden Dr. Cecily Ryan bu çalışmaların gerçekten heyecan verici olduğunu söylüyor ve “potansiyel uygulamaları düşündüğümüz için ilk sonuçlar heyecan verici” diye ekliyor.

Dünyanın en yaygın yapı malzemesi olan betona, tipik olarak plastik ya da farklı dolgu malzemelerinin eklenmesi, ağır yükleri birbirine bağlamayı ve desteklemeyi sağlayan kum, agrega ve çimento birlikteliğinin büyüsünü bozmaktadır. Bu bozulmanın önüne geçmek için, bakterileri kullanarak plastiği ince bir mineral tabakayla kaplayıp çimentoya daha iyi bağlanması sağlandı. Bu kaplama işlemi kalsiyum karbonat biyomineralizasyon teknikleri kullanılarak yapıldı. Bu kaplama işlemleri için enzimatik olarak indüklenen kalsiyum karbonat (EICP) ve mikrobiyal olarak indüklenen kalsiyum karbonat (MICP) çökeltileri olarak iki biyomineralizasyon işlemi incelendikten sonra elde edilen sonuçlara göre, özellikle geri dönüştürülmesi zor, tip 3-7* plastiklerin işlenmesi için MICP tekniği kullanıldı². Çalışma süresince hiçbir plastiğin MICP sürecini engellemediği görülmüştür. Bunun yanı sıra yaklaşık %5 MICP ile işlenmiş tip 3-7* ve polivinil klorür (PVC) plastikleri içeren beton numunelerin, geleneksel betonla neredeyse aynı dayanıma sahip olduğu görüldü. Bu sonuçlar plastik atıkların dönüştürülmesi adına umut vadeden bir yöntem olduğu düşünülüyor. Bu konuda Dr. Chelsea Heveran şöyle diyor: “%5’lik artış, şimdiye kadarki en uygun seviyedeki bir artış, etkileri de oldukça şaşırtıcı.” 

Heveran, betonun büyük hacimlerde ve oldukça yaygın kullanılması göz önünde bulundurulduğunda, MICP oranının %5’inde yapılacak bir değişimin bile plastiğin büyük miktarlarda tekrar dönüştürülmesine büyük etki edeceğini vurguluyor. Ayrıca beton üretiminde ortaya çıkan yoğun enerji kaynaklı karbondioksit emisyonlarını da plastik dolgu sayesinde azaltılabileceğini söylüyor. ABD Çevre Koruma Ajansı tarafından da beton üretiminde ortaya çıkan ve iklim değişikliğine sebep olan karbondioksit gazının, ülkenin en büyük endüstriyel enerji kaynaklarından biri olduğu aktarılıyor.

MSU’nun Biyofilm Mühendisliği Merkezi’ndeki araştırmacılar, biyofilm oluşturmak adına bazı çalışmalar yaptılar. Biyofilm, hücrelerin kendi aralarında ya da bulundukları yüzeye yapışmasıyla oluşan bir mikroorganizma kümesi olarak tanımlanabilir³. Tamda bu tanıma uygun, zararsız ve yüzeylerde büyüyen bir bakteri türü olan Sporosarcina pasteurii bulunduran su bazlı çözeltiye plastiği batırdılar. 24-48 saat boyunca çözeltide bırakılan mikroplar, plastiğe kireçtaşı oluşturan ince, beyaz bir kalkit kaplaması vermek için ekstra kalsiyum ve azot bazlı maddeler olarak bilinen üreyi tükettiler. Bu bakteri türünün tercih edilmesinin en büyük sebebi patojenik (hastalığa sebep olan) olmamasıyla birlikte üre, karbonat ve amonyağı hidrolize eden üreaz enzimini yüksek miktarlarda üretilebilmesidir⁴. Bir sonraki aşamada plastikler, dayanımlarını ölçmek amacıyla özel ekipmanlar tarafından ezilerek hazırlanan silindirik küçük betonlarla karıştırıldı.

Araştırmacılar çalışmalara başlarken genellikle tek kullanımlık pet şişe üretiminde kullanılan 1 numaralı plastikleri ufalanmış bir biçimde kullanarak başarılı sonuçlar elde ettiler. Çeşitli kapların üretiminde tercih edilen ancak çoğu geri dönüşüm tesisinde kabul edilmeyen 3-7* numaralı plastik karışımları ile de benzer sonuçlar görülmüştür.

İnşaat Mühendisliği bölümünden Doçent Adrienne Phillips, aynı mineralleri oluşturan bakterileri, gaz ve petrol kuyularında sızıntıya sebep olan ulaşılması zor ve küçük çatlakları kapatmak için kullanıyordu. Plastikler üzerinden yapılan bu çalışmaların başarıyla sonuçlanmasını “bu sonucu geri dönüştürülemeyen plastiklerin karışımıyla elde etmek oldukça heyecan verici” diye yorumladı. Ayrıca Phillips, çalışmalarda bir sonraki adımın, malzemenin kullanılabilmesi için yeterli miktarda üretilmesi ve uzun vadede dayanıklılığını sağlamak için sürecin nasıl ölçeklendirilebileceği konusunda incelemeler yapılması gerektiğini vurguladı. Araştırmacılar, Jake Jabs İşletme ve Girişimcilik Koleji’nde doçent olarak görev alan Frank Kerins ile ortaklık kurarak, ticari uygulamaların keşfi adına ilk adımı atmışlardır.

Heveran son olarak “bu projeyi muhteşem yapan şey yaygın bir malzemede küçük bir değişiklik yapmak için mikroorganizmaları kullanıyor olmamız, ancak topluma faydası büyük olabilir” dedi.

 
* Tip 3: Polivinil Klorür (PVC)
   Tip 4: Düşük Yoğunluklu Polietilen (LDPE)  
   Tip 5: Polipropilen (PP)
   Tip 6: Polistiren (PS)
   Tip 7: Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS)

Kaynaklar

1. ↲ Kane, S., Thane, A., Espinal, M., Lunday, K., Armağan, H., Phillips, A., Heveran, C., & Ryan, C. (2021). Biomineralization of plastic waste to improve the strength of plastic-reinforced cement mortar. Materials, 14(8), 1–19. https://doi.org/10.3390/ma14081949
2. ↲ https://phys.org/news/2021-05-potential-recycled-plastic-concrete.html
3. ↲ Hall-Stoodley, L., Costerton, J. W., & Stoodley, P. (2004). Bacterial biofilms: From the natural environment to infectious diseases. Nature Reviews Microbiology, 2(2), 95–108. https://doi.org/10.1038/nrmicro821
4. ↲ Henze, J., & Randall, D. G. (2018). Microbial induced calcium carbonate precipitation at elevated pH values (>11) using Sporosarcina pasteurii. Journal of Environmental Chemical Engineering, 6(4), 5008–5013. https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.07.046