Hver eneste dag produceres der store mængder affald som restprodukter fra industriel produktion eller fra forbrænding i kraftværker. Stigende mængder af dette affald udgør i dag et alvorligt samfundsproblem, og gør det nødvendigt at gentænke måden, vi forvalter vore ressourcer. Det betyder, at vi i langt højere grad end vi gør i dag bør genbruge affaldet.
En del af affaldet anvendes allerede i dag til forskellige formål i industriel produktion. Men affald er ikke en ressource, før det finder en egnet anvendelse, og der er stadigvæk mange typer affald, der ikke anvendes. Nogle af disse affaldstyper består grundlæggende af partikler og produceres i store mængder – det gælder fx forskellige asker (fra forbrænding af spildevandsslam, halm eller træ samt affald), havnesedimenter og forurenet jord.
I forskningsgruppen ZeroWaste Byg ved DTU Byg har vi sat os for at undersøge, hvordan disse potentielle sekundære ressourcer kan anvendes inden for byggeteknologi og dermed gøre affald og biprodukter mere værdifulde. Vi betragter derfor affald som et muligt råstof, som kan bruges til at re-designe byggematerialer. Det kan både give adgang til at producere bæredygtige byggematerialer med kendte egenskaber og give inspiration til design af helt nye materialetyper, der kan møde fremtidens krav.
Erfaringer med affald som ressource
Byggeindustrien er storforbruger af råstoffer og står alene for 40–50 % af verdens ressourceforbrug (på volumenbasis). Byggeindustrien er derfor en vægtig samfundsmæssig medspiller i bestræbelserne på at reducere mængden af affald. Presset på byggeindustrien for at aftage flere sekundære ressourcer forventes at stige pga. af det øgede politiske fokus på anvendelsen af disse ressourcer. Ideen om at anvende affald som ressource i byggematerialer er ikke en ny tanke.
I beton har man i en årrække anvendt forskellige restprodukter som tilslag (dvs. den del, der ikke er cement og vand). Det gælder flyveaske fra kulforbrænding, mikrosilika (et biprodukt fra fremstillingen af legeringsmetallet ferrosilicium) og stenmel (fra knusning af granit). Gevinsten er en tættere og stærkere beton. Oprindeligt blev disse materialer betragtet som aff ald, men nu er de eksempler på, at sekundære ressourcer kan forbedre materialeegenskaberne i byggematerialer.
Man har også forsøgt at anvende flere andre affaldsprodukter direkte som fx cementerstatning i beton, men med varierende succes. Nogle af materialerne indeholder kemiske stoffer, som hindrer anvendelsen. Det kan fx være klorid, der forårsager korrosion af armeringsstål i armeret beton, eller det kan være høj koncentration af opløselige salte, som vil give problemer med saltudblomstring på både tegl og beton.
Andre materialer indeholder toksiske elementer som tungmetaller eller organiske forbindelser, som gør det vanskeligt at anvende dem, da de kan udvaskes fra byggematerialet til miljøet eller afgasse. Under produktionen af byggematerialet kan nogle af materialerne forårsage allergi, hvis de fx indeholder krom eller nikkel. Og hvis der findes toksiske elementer i materialerne, når de ender som affald, er der problemer med håndtering og destruktion af affaldet.
Forbedring af affaldets kvalitet
Med den elektrodialytiske separationsmetode kan partikulære affaldsprodukter omdannes til værdifulde ressourcer. Materialet, som skal opgraderes, opslæmmes i vand, og når det elektriske felt påtrykkes, frigives og fjernes tungmetallerne mod den negative elektrode. Fra væskerne ved elektroderne kan ressourcerne indvindes, og det opgraderede materiale kan anvendes.
Forskningen i ZeroWaste Byg-projektet er både rettet mod direkte anvendelse af sekundære ressourcer i byggematerialer og mod opgradering af det affald, som ikke umiddelbart kan anvendes i den form, det har. Opgraderingen kan være en forholdsvis simpel proces, fx formaling af aske til fint pulver. Vi har vist eksperimentelt, at en formaling af slamaske til finere partikelstørrelse betyder, at slamasken kan anvendes som delvis cementerstatning i beton, uden at dette forringer trykstyrken.
Formalingen betyder en øget trykstyrke af betonen på 7-10 % i forhold til trykstyrken for tilsvarende beton, hvor der er tilsat slamaske den formaling. Andre asker, fx flyveaske fra samfyring af træ og halm, består af en høj procentdel af vandopløselige salte (typisk 50-75 %), og disse salte skal fjernes, inden asken kan anvendes. Det kan gøres ved en simpel opslæmning i vand efterfulgt af filtrering. Efter en sådan vask er det eksperimentelt vist, at det er muligt at anvende asken som delvis cementerstatning, uden at det forringe trykstyrken.
Hvis en potentiel sekundær ressource indeholder toksiske elementer, skal disse miljøfarlige elementer fjernes, inden materialet kan anvendes. Forskere med tilknytning til ZeroWaste Byg har gennem en årrække udviklet en elektrokemisk metode til at fjerne tungmetaller fra partikulære materialer. Metoden kaldes elektrodialytisk separation, og den går ud på at opslæmme det partikulære materiale i vand og påtrykke et elektrisk felt.
Med ionbyttermembraner adskilles suspensionen fra væsker, som pumpes omkring elektroderne. Ved den negative elektrode placeres en membran, som kun tillader passage af positive ioner og ved den positive elektrode tillader membranen kun passage af negative ioner. Under påtrykning af det elektriske felt frigives tungmetaller til ionform og simultant tømmes væsken for ioner.
De positive ioner – fx de fleste tungmetaller – transporteres til den negative elektrode, og de negative ioner, som fx klorid, transporteres til den positive elektrode. Elektrodialytisk separation er en robust metode, idet den har vist sig egnet til at fjerne tungmetaller fra alle de materialer, den er testet på, fx jord, havnesedimenter og en række forskellige asker.
Mange af de potentielle sekundære ressourcer indeholder andre kemiske elementer i varierende koncentrationer, hvis effekt på byggematerialerne, man ikke kender. Vi vil i vores forskning forsøge at kortlægge disse effekter, så det bliver muligt at optimere opgraderingen af materialerne – bl.a. den elektrodialytiske separations-metode. Vores vision er at udvikle en ny palet af opgraderede sekundære råstoffer, som kan anvendes i byggematerialer.
Fuld udnyttelse af ressourcer
Partikulære affaldsprodukter kan også indeholde værdifulde grundstoffer, som kan udvindes og bruges til andre formål end byggematerialer. Det gælder fx fosfor i slamaske og kobber i flyveaske fra affaldsforbrænding. Affald kan således populært sagt udgøre “miner”, som vi har tilgængelige lige uden for døren. Man kalder da også denne form for genanvendelse af knappe ressourcer for “urban mining”.
Beton er det mest anvendte konstruktionsmateriale i verden. Betons store popularitet skyldes, at den er formbar, når den er frisk, og meget stærk, når den er hærdet. I visse tilfælde anvendes tilsætningsstoffer for at opnå særlige egenskaber fx holdbarhed eller formbarhed.
Vores metode med elektrodialytisk separation kan også anvendes til at udvinde grundstoffer, enten alene eller i kombination med andre teknikker. Ved at justere procesparametrene i forbindelse med elektrodialytisk separation er det muligt at koncentrere de knappe ressourcer i procesvæskerne ved elektroderne, og derfra kan de indvindes.
I procesvæskerne vil der også være toksiske elementer, som typisk har for lav koncentration til, at det er rentabelt at indvinde dem, eller som har en meget begrænset industriel anvendelse (det gælder fx kadmium). Men da disse tungmetaller udgør et meget lille volumen i forhold til hele affaldsproduktet, er det muligt at deponere dem forsvarligt. Den resterende partikulære fraktion anvendes i byggematerialer.
Med elektrodialytisk separation er det altså muligt at opnå en fuld udnyttelse af ressourcerne samt en sikker håndtering af de toksiske grundstoffer, der ikke kan anvendes.
Udviklingen af innovative byggematerialer
At re-designe byggematerialer med nye råstoffer er en opgave, der kræver mange forskellige ekspertiser. I forskningsgruppen ZeroWaste Byg er vi en grundstamme af 12 forskere og 3 ph.d.-studerende fra forskellige fagområder, som forsøger at løse denne udfordring gennem faglig nytænkning og utraditionelt samarbejde på tværs af instituttets konventionelle fag- og sektionsopdelte forskning. I første omgang fokuserer vi forskningen på tegl og beton, men efterhånden vil vi inkludere flere materialer. Vi arbejder både på mikroskalaniveau fx med de enkelte grundstoffers direkte effekt på materialeegenskaber, og på den store skala med tekniske løsninger på, hvordan man kan anvende det re-designede materiale i konstruktionen.
Vi undersøger også effekten af de nye materialer på indeklimaet for at sikre, at der ikke sker afgasning fra materialet, som kan give et dårligt indeklima. Men også med det konstruktive formål at forbedre indeklimaet ved at bruge nye materialer, der fx kan holde en rumfugtighed, hvor mennesker har den bedste komfort, eller materialerne kan adsorbere gasser fra elektronisk udstyr.
Det er et vigtigt udgangspunkt for forskningen, at der ikke bliver gået på kompromis med materialernes holdbarhed. Udover at afdække den fysiske og kemiske holdbarhed af materialerne undersøger vi også, hvordan materialet ældes og patinerer, idet dette selvfølgelig er væsentligt, hvis materialerne skal anvendes i arkitekturen. Desuden beskæftiger vi os også med, hvorledes de nye materialer kan anvendes i vejbelægninger.
Mange gevinster ved at anvende affald
Som beskrevet kan man ved at anvende sekundære ressourcer i produktionen af byggematerialer transformere affald til værdifulde ressourcer. Men der er også andre direkte gevinster. Cementproduktion står i dag for ca. 5 % af den menneskeskabte CO2-udledning. Ved at erstatte en del af cementen i beton med sekundære ressourcer, vil udledningen af CO2 blive mindsket tilsvarende. Der kan være en økonomisk gevinst ved cementerstatning i beton, da cementen er den dyreste delkomponent. Desuden vil det lette presset på vores naturressourcer og dermed også reducere de miljøproblemer, der stammer fra indvindingen af disse naturressourcer.
