השפעת החלפה חלקית של אפר געשי בזפת על ביצועי חומרים מופעלים בבסיס אלקלי בני קיימא לטיפול בקרקעות מזוהמות בעופרת

ניקוי קרקע רעילה בעזרת סלע ופסולת תעשייתית

עופרת בקרקע היא סכנה שקטה שיכולה להתמיד עשורים סביב מפעלים, מכרות, כבישים ואתרי פסולת, ולחדור בהדרגה למזון, למים ולגופנו. המחקר הזה בוחן דרך מבטיחה לנעול את העופרת בבטחה במקומה באמצעות שני חומרים זולים: אפר געשי, אבקה טבעית שנוצרה בהתפרצויות עתיקות, וזפת (slag), תוצר זכוכיתי של יצור פלדה. יחד הם יוצרים מעין "סלע מלאכותי" פחמני נמוך שיכול להפוך קרקע מסוכנת למסה מוצקה ובטוחה יותר.

מתכון חדש לקרקע בטוחה יותר

החוקרים שאפו לענות על שאלה מעשית: האם אפשר להפוך קרקע מזוהמת לבטוחה וחזקה יותר באמצעות חומר קשירה שהוא נקי יותר מבטון רגיל? במקום מלט פורטלנד השתמשו בתערובת "מופעלת בבסיס אלקלי" המבוססת בעיקר על אפר געשי, כאשר חלק מהאפר הוחלף בזפת טחונה דק. כאשר אבקות אלו מעורבבות בתמיסת נתרן־הידרוקסיד מרוכזת ובקרקע, הן מגיבות ויוצרות רשת קשה בדמות אבן. לצורך ניסוי בתנאים קשים, הצוות הוסיפו בכוונה כמות גבוהה של עופרת לחול חימרי אמיתי — חמש עד שמונה פעמים מעל רמות התערבות טיפוסיות — כדי לבדוק את השיטה במצבים קשים. הם השתנו את תכולת הזפת מ‑0 עד 40 אחוז מהצמנט וקיררו את המדגמים בתנאי חדר או בתנור חם, ומדדו כיצד הקרקע התייצבה וכמה עופרת עדיין יכולה להישטף החוצה.

קרקע חזקה יותר שמתנגדת להתפוררות

מבחינה הנדסית, חומר הקישור ההיברידי הפך קרקע מזוהמת ורופפת לחומר הקרוב יותר לחומר בנייה. ככל שהוסיפו יותר זפת, חוזק הלחיצה של הקרקע המוקשה עלה בהתמדה, במיוחד בזמן התקשות ארוך יותר. עם 40 אחוז זפת, מדגמי התנור הגיעו לכמעט שמונה פעמים חוזק הקרקע הבלתי מטופלת לאחר 90 יום, ואפילו מדגמי חדר רשמו עליות של יותר מ‑50 אחוז בהשוואה לתערובות שמבוססות על אפר בלבד. זיהום עופרת בדרך כלל מחליש מערכות אלו, אך הזפת סייעה לחומר "לעבור" את ההפרעה, כך שבזמן המדידות המדגמים המזוהמים עם זפת התקרבו לחוזק של מדגמים נקיים. מיקרוסקופיה הסבירה מדוע: הזפת עודדה צמיחה של ג'לים מגבילים נוספים שמילאו נקבוביות וסדקים מיקרוסקופיים, ויצרו שלד צפוף ורציף סביב גרגרי הקרקע.

נעילת העופרת ברשת מינרלית צפופה

הבטיחות תלוית יותר מאשר בחוזק; יש גם לוודא שהעופרת תישאר במקום כאשר מי גשם ניצבים דרך הקרקע. במבחני דליפה סטנדרטיים, הקרקע הבלתי מטופלת שחררה עופרת ברמות גבוהות מהמגבלות הרגולטוריות. הוספת חומר קישור המבוסס רק על אפר געשי כבר הקטינה את השחרור מתחת לסף הסוכנות להגנת הסביבה של ארה"ב. אבל כאשר 40 אחוז מהאפר הוחלף בזפת, השיפור היה דרמטי: יותר מ‑99 אחוז מהעופרת שיכלה לדלוף מהקרקע הגולמית נבלמה, עם ריכוזי מים סופיים שנפלו מתחת לאחוז מהגבול הבטוח במקרים הטובים ביותר. מדידות בקרינת איקס ובאינפרה‑אדום, יחד עם תמונות ממיקרוסקופ אלקטרונים, הראו שהעופרת לא רק היתפסה בנקבוביות אלא גם נקשרה לג'לים מינרליים חדשים העשירים בסודיום, אלומיניום, סיליקון וסידן. ג'לים אלה גדלו כסרט רציף סביב החלקיקים, הקטינו את גדלי הנקבוביות וכללו את העופרת שנותרה באופן פיזי.

איזון עלויות וסביבתיות

מכיוון שהמטרה היא ניקוי ידידותי יותר לסביבה, הקבוצה ביצעה גם הערכת מחזור חיים שהשוותה בין חומר קישור מאפר געשי בלבד לבין התערובת עם אפר וזפת. החלפת חלק מהאפר בזפת קיצצה את פליטות הגזים המתחממים את האקלים בכ‑כ‑5 אחוז לכל מטר מעוקב של קרקע מטופלת והקטינה במעט כמה אינדיקטורים של רעילות לאדם. עם זאת, האופציה המבוססת על זפת קיבלה ציונים מעט פחות טובים בקטגוריות הקשורות לאקוטוקסיות ולדלדול מתכות, המשקפים הן שימוש במשאבים והן את הזיהומים האפשריים הכרוכים בתוצרי פלדה. בסך הכל, אף מתכון לא היה מנצח סביבתי ברור בכל המדדים; במקום זאת הופיעו חילופי פשרות בין יתרונות אקלימיים לבין סוגי השפעה אחרים.

מה משמעות זה לניקויים בשטח

לציבור הרחב, המסר המרכזי הוא שפסולת אפר געשי וזפת פלדה ניתנים לשילוב ליצירת חומר קשירה חזק בדמות סלע שמחזק קרקעות מזוהמות בעופרת ונועל את המתכת כך שהיא כמעט ולא נעה עם המים. בתנאי מעבדה קשים החומר ההיברידי הזה הקטין דליפת עופרת ביותר מ‑99 אחוז והגביר משמעותית את חוזק הקרקע, ועשה זאת עם עלות סביבתית נוספת צנועה בהשוואה לחומר המבוסס על אפר בלבד. לפני שמערכות כאלה יאומצו בקנה מידה רחב, יש לבחון אותן באתרים מזוהמים טבעית, בתנאי מזג אוויר משתנים וביחס למתכות נוספות. עם זאת, התוצאות מציעות נתיב מעשי להפיכת שתי פסולות רבות זמינות לכלים לשמירה על קרקעות בטוחות ולשיקום בר־קיימא.

ציטוט: Komaei, A., Molaei, M.A. Effect of partial replacement of volcanic ash with slag on the performance of sustainable alkali-activated materials for lead-contaminated soil remediation. Sci Rep 16, 6380 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36132-x

מילות מפתח: קרקע מזוהמת בעופרת, חומרים מופעלים בבסיס אלקלי, צמנט אפר געשי-זפת, ייצוב קרקע, שיקום בר־קיימא