قشور البيض تتحول إلى مادة تقوي المعادن الخفيفة.. تجربة علمية تفتح آفاقًا لإعادة تدوير المخلفات

توصل مهندسون إلى إمكانية استخدام قشور البيض المطحونة في تصنيع المعادن الخفيفة، بعدما نجحوا في دمج مسحوقها داخل كتلة من المغنيسيوم باستخدام تقنية تعتمد على الاحتكاك والضغط، ما أدى إلى توزيع جزيئات القشور داخل المعدن وارتباط بعضها به كيميائيًا.

وأظهرت التجربة أن إضافة مسحوق قشور البيض لم تجعل المغنيسيوم أكثر صلابة بصورة قابلة للقياس في الاختبارات التقليدية، لكنها عززت مقاومته للانضغاط في اختبارات مجهرية، إذ سجلت العينات المدعمة بالقشور مقاومة قصوى بلغت نحو 225 ميجاباسكال، مقابل 200 ميجاباسكال للمغنيسيوم العادي.

وأُجريت الدراسة في مختبر بهارات جوالاني، الأستاذ المساعد بقسم علوم وهندسة المواد في جامعة ولاية كارولينا الشمالية الأمريكية، بالتعاون مع باحثين من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني والمعهد الهندي للتكنولوجيا في دلهي.

ونُشرت الدراسة كاملة في دورية Journal of Magnesium and Alloys.

وأكد الباحثون أن التجربة تمثل اختبارًا أوليًا على قضبان معدنية صغيرة، وأن هدفهم الأساسي كان فهم التغيرات الكيميائية والفيزيائية التي تحدث لقشور البيض داخل المغنيسيوم أثناء عملية التصنيع، وليس إنتاج أقوى مادة معدنية ممكنة.

قشور البيض مصدر محتمل للكالسيوم في صناعة المعادن

تنتهي معظم قشور البيض في سلة المهملات أو صناديق السماد العضوي، رغم أنها تتكون في معظمها من كربونات الكالسيوم، وهو المركب نفسه الذي يحصل عليه مصنعو المعادن عادةً من الصخور المستخرجة من المحاجر.

ويُعد المغنيسيوم من المعادن خفيفة الوزن، وله استخدامات في تطبيقات تتطلب تقليل الكتلة، ومن بينها تصميم هوائي حديث لطائرات الهليكوبتر المخصصة للعمل على سطح المريخ، استُخدم فيه إطار مصنوع من المغنيسيوم.

وقال جوالاني، إن الكالسيوم يُضاف عادةً إلى المغنيسيوم لتحسين خواصه الميكانيكية، موضحًا أن فريقه أراد اختبار إمكانية الاستفادة من المخلفات الحيوية، مثل قشور البيض، لإنتاج المواد المحتوية على الكالسيوم خلال عملية التصنيع نفسها.

وتشير المخلفات الحيوية إلى المواد المتبقية من الكائنات الحية، وتندرج قشور البيض ضمن قائمة مخلفات الطعام التي يمكن استعادتها وإعادة استخدامها، في حين نجحت مختبرات أخرى في تحويل بعض مخلفات الأغذية إلى مواد بلاستيكية.

وتنتج الصناعة أحد مركبات الكالسيوم، وهو أكسيد الكالسيوم، من خلال تسخين الحجر الجيري داخل أفران صناعية، حتى يتحلل مطلقًا ثاني أكسيد الكربون.

وسبق أن نجحت فرق بحثية في خلط مسحوق قشور البيض بالمغنيسيوم، إما عن طريق صهر المعدن أو تقليب المسحوق على سطحه، لكن المعلومات كانت محدودة بشأن ما يحدث للقشور داخل المعدن عند استخدام عملية ضغط تعتمد على الاحتكاك، وهي التقنية التي تناولتها الدراسة الجديدة.

كيف دُمج مسحوق قشور البيض داخل المغنيسيوم؟

حصل الباحثون على قشور البيض من منازل عادية، ثم غسلوها وجففوها داخل فرن عند درجة حرارة تبلغ نحو 150 درجة مئوية لمدة أربع ساعات، قبل طحنها باستخدام الهاون والمدقة.

بعد ذلك، حفر الفريق أخاديد صغيرة في أسطوانة قصيرة من المغنيسيوم، يبلغ قطرها نحو 25.4 ملليمتر، وكان عرض كل أخدود نحو 3 ملليمترات.

وملأ الباحثون هذه الأخاديد بمسحوق قشور البيض، الذي شكّل نحو 8.4% من الحجم الإجمالي للكتلة المعدنية.

واستخدم الفريق قالبًا دوارًا يدور بسرعة 300 دورة في الدقيقة، وضغطه داخل الكتلة المعدنية بمعدل نحو 75 ملليمترًا في الدقيقة، قبل دفع المادة إلى الخارج على هيئة قضيب.

وأدى الاحتكاك والضغط إلى تسخين المغنيسيوم حتى نحو 500 درجة مئوية، وهي درجة حرارة كافية لتليين المعدن دون الوصول إلى مرحلة الانصهار.

وأظهرت القياسات أن معظم جزيئات قشور البيض تراوح قطرها بين 2 و4 ميكرومترات، وهي أبعاد أصغر بكثير من سُمك شعرة الإنسان، كما توزعت هذه الجزيئات بصورة متجانسة داخل القضيب المعدني الناتج.

صغر حجم الحبيبات عزز مقاومة المعدن للتشوه

تتكون المعادن من بلورات صغيرة تُعرف باسم الحبيبات، ويؤثر حجمها في الخواص الميكانيكية للمادة.

وفي قضيب المغنيسيوم العادي، الذي صُنع باستخدام التقنية نفسها، بلغ متوسط حجم الحبيبات نحو 16 ميكرومترًا، بينما انخفض المتوسط إلى 8 ميكرومترات في العينة التي أضيف إليها مسحوق قشور البيض.

وعادةً ما يؤدي صغر حجم الحبيبات إلى زيادة قوة المعدن، لكن الاختبارات التقليدية التي استخدم فيها الباحثون طرفًا من الألماس للضغط على سطح العينات لم تُظهر فرقًا قابلًا للقياس في صلابة المغنيسيوم المدعم بالقشور مقارنة بالمغنيسيوم العادي.

وظهر تأثير قشور البيض بصورة أوضح عندما بدأ المعدن في التشوه تحت الضغط.

ولفهم هذه الاستجابة، استخرج الباحثون أعمدة مجهرية من حبيبات معدنية متشابهة الاتجاه في كلتا العينتين، ثم أخضعوها لاختبارات الانضغاط.

وأظهرت النتائج أن الأعمدة في المادتين بدأت في التشوه عند مستويات متقاربة من الإجهاد، لكن الأعمدة التي تحتوي على قشور البيض واصلت إظهار مقاومة أكبر مع زيادة الانضغاط.

وبلغت أقصى مقاومة سجلتها الأعمدة المجهرية في المغنيسيوم المدعم بقشور البيض نحو 32,600 رطل لكل بوصة مربعة، بما يعادل 225 ميجاباسكال، مقارنة بنحو 29 ألف رطل لكل بوصة مربعة، أو 200 ميجاباسكال، في المغنيسيوم العادي.

ويرجح الباحثون، أن جزيئات القشور تساعد على تراكم العيوب المجهرية داخل البلورات المعدنية أثناء تعرضها للتشوه، وأن زيادة هذه العيوب تجعل استمرار انضغاط المعدن أكثر صعوبة، وهو ما يفسر ارتفاع مقاومته في الاختبارات المجهرية.

تفاعلات كيميائية بين قشور البيض والمغنيسيوم

لم تقتصر نتائج الدراسة على التغيرات الميكانيكية، إذ رصد الباحثون أيضًا تفاعلات كيميائية حدثت بين بعض جزيئات قشور البيض والمغنيسيوم المحيط بها أثناء عملية الضغط.

وتتحلل كربونات الكالسيوم عادةً إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون عند درجات حرارة تتراوح بين 900 و950 درجة مئوية، في ظروف الضغط الجوي العادية.

لكن درجة الحرارة المسجلة داخل عملية التصنيع لم تتجاوز نحو 500 درجة مئوية، ورغم ذلك تحللت بعض الأجزاء الأصغر من القشور، جزئيًا على الأقل.

وتوصل الباحثون إلى ذلك من خلال قياس توزيع عناصر الكالسيوم والأكسجين والكربون داخل الجزيئات بصورة منفردة.

ويرجح الفريق أن مناطق التلامس بين قشور البيض والمعدن تعرضت لدرجات حرارة أعلى بكثير من درجة الحرارة الإجمالية المسجلة أثناء العملية، كما يعتقد أن التغيرات المفاجئة في الضغط أسهمت في حدوث التحلل.

وأظهرت القياسات وجود أكسيد المغنيسيوم بالقرب من حواف بعض جزيئات القشور، وخلص الباحثون إلى أن المصدر الأرجح له هو تفاعل ثاني أكسيد الكربون الناتج عن تحلل القشور مع المغنيسيوم المحيط بها.

لكن التفاعل لم يحدث بصورة متجانسة؛ إذ ظلت الجزيئات الأكبر، التي يبلغ حجمها عدة ميكرومترات أو أكثر، دون تغير يُذكر.

وبذلك احتوى القضيب المعدني النهائي على مزيج من قشور البيض التي لم تتغير، وأجزاء تحللت جزئيًا، ومناطق غنية بأكسيد الكالسيوم.

مركب مهم لم يتكون.. وخطوات إضافية مطلوبة

رغم التفاعلات التي رصدها الباحثون، لم يتكون أحد المركبات التي كانوا يأملون في ظهورها، وهو مركب ماغنسيوم-كالسيوم المعروف بالصيغة الكيميائية Mg2Ca، الذي يمكن أن يسهم في تقوية سبائك المغنيسيوم.

وبقي الكالسيوم في معظمه مرتبطًا في صورة أكسيد الكالسيوم، دون أن يتحرر ويدخل في تركيب المغنيسيوم بالطريقة التي تسمح بتكوين المركب المستهدف.

وأوضح الباحثون أن الدراسة لم تستهدف الوصول إلى أقوى مادة ممكنة، وإنما فهم ما يحدث داخل المعدن خلال عملية دمج مسحوق القشور.

كما اختبر الفريق سرعة دوران واحدة ومعدل تغذية واحدًا فقط، ولم يجرِ قياس ما إذا كانت التقنية تستهلك طاقة أقل من الطرق الصناعية المستخدمة لاستخراج مركبات الكالسيوم من الصخور، رغم أن جوالاني يرى أن العملية الجديدة قد تكون أقل استهلاكًا للطاقة.

وقال جوالاني: «هناك عدد أقل من الخطوات، كما أن سلسلة الإمداد موثوقة ومستدامة، وقشور البيض منخفضة التكلفة».

تسخين مسحوق القشور قبل التصنيع

يعمل فريق جوالاني في قسم علوم وهندسة المواد بجامعة ولاية كارولينا الشمالية على تطوير استخدامات أخرى للتقنية نفسها، إذ سبق أن استخدمها لإدخال مسحوق مغناطيسي داخل خردة الألومنيوم.

وتتمثل الخطوة التالية في تطوير التفاعلات الكيميائية بين قشور البيض والمغنيسيوم، واقترح الباحثون تسخين مسحوق القشور قبل إدخاله في عملية التصنيع، أو إطالة مدة الضغط، أو رفع درجة الحرارة، أو إجراء العملية داخل حجرة مغلقة تحتوي على كمية أقل من الأكسجين.

وقد تساعد هذه التعديلات على تحرير الكالسيوم من أكسيد الكالسيوم وإدخاله في تركيب المغنيسيوم نفسه، وهي الخطوة التي لم تنجح التجربة الأولية في تحقيقها.