הערכה ברת-קיימא של פסולת מכרות נחושת לחומרי בניין באמצעות הפעלה אלקלית

הפיכת פסולת מכרה ליחידות בניין

מכרות נחושת משאירים כרכסים עצומים של סלעים ובוצת שארית שיכולים לזהם מקורות מים ולשחוק נופים לעשרות שנים. מחקר זה בוחן דרך להפוך את הפסולת המטרידה הזו לחומר בנייה שימושי, מה שעשוי להפחית פליטות גזי חממה מבטון ולהפוך את אתרי המכרה לבטוחים יותר בו-זמנית. באמצעות תמיסות אלקליות נפוצות כדי "להפעיל" את פסולת מכרות הנחושת, החוקרים מראים שהיא יכולה להתייצב לבלילה קשיחה ועמידה המתאימה לעבודות אדמה ותשתיות אחרות.

למה פסולת נחושת היא בעיה והזדמנות

ייצור נחושת מודרני מייצר כמויות אדירות של פסולת: עבור כל טון נחושת נותרות מאחורי לעתים למעלה ממאה טונות של שפכים. שפכים אלה מאוחסנים בדרך כלל בסכרים או בריכות גדולות שעלולים לדלוף מתכות אל נהרות ומי תהום, ליצור אבק או אף להיבקע באסון. יחד עם זאת, מבחינה כימית הפסולת עשירה בסיליקה, אלומינה וברזל — מרכיבים שיכולים לייצר רשתות מוצקות דמויות-אבן כאשר מטפלים בהם כראוי. במקביל, מלט פורטלנד רגיל, חומר הקשירה הסטנדרטי בבנייה העולמית, אחראי לכ־7–8% מפליטות הפחמן הדו-חמצני המיוחסות לבני אדם בעולם. מציאת דרכים להחליף חלק מהמלט בחומרים המיוצרים מפסולת מכרה יכולה להפחית פליטות ולנקות אתרים תעשייתיים ישנים.

מתכון פשוט: פסולת, תמיסה אלקלית וזמן

החוקרים אספו פסולת מכרות נחושת דקה ממכרה סארצ'שם באיראן, ייבשו ונסנו אותה לאבקה בגודל חול, ואז ערבבו אותה עם כמויות קטנות של מים ותמיסות אלקליות. הם בחנו הידרוקסיד נתרן (בסיס חזק), סודיום סיליקט (תמיסת זכוכית נוזלית) ותערובות של השניים במינונים שונים. התערובות נדחסו לצילינדרים קטנים ונרפאו בטמפרטורת החדר למשך 7 או 28 ימים, המדמים את התנהגות קרקע מייצבת או מילוי בשטח. הצוות מדד לאחר מכן עד כמה המבחנים יכלו לשאת עומס לפני כתישה, עד כמה הם נוקשים, כיצד הגיבו למחזורי הקפאה-הפשרה, כמה מתכות שחררו למים ומה המראה המיקרו-מבני שלהם תחת מיקרוסקופים רבי-עוצמה.

חוזק, עמידות ונוזל הדלפה נקי

הביצועים תלויים במידה רבה בסוג התמיסה האלקלית. דגימות שהופעלו רק בסודיום סיליקט הפכו לחזקים ביותר, והגיעו לכ־16.5 מגה-פסקל לחוזק לחיצה לאחר 28 ימים — יותר מכפול מחוזק הדגימות שהוכנו רק עם הידרוקסיד נתרן, והרבה מעל רבים מחומרי הקשירה מפסולת מכרה שתוארו בעבר. מפעילים מעורבים נתנו תוצאות בינוניות. כל התערובות התקשו והתחזקו עם הזמן כאשר נוצר רשת דחוסה ודביקה בין החלקיקים. כאשר אחת התערובות הטובות הונתה דרך מחזורי הקפאה והפשרה עד שתים-עשרה פעמים, היא איבדה רק כ־23% מחוזקה, הראתה כמעט אין איבוד מסה והציגה סדקים שטחיים קלים בלבד — סימן לעמידות מבטיחה לתנודות טמפרטורה קיצוניות.

נעלימת מתכות בתוך מיקרו-מבנה צפוף

מכיוון שפסולת מכרות נחושת מכילה כמויות זעירות של מתכות כגון נחושת, אבץ, עופרת וארסן, הצוות גם בדק כמה מהן עלולות לדלוף כשחומר התקשה נשרף במים. נוזל ההדלפה נשאר בסמוך לנייטרלי בחומציותו והיה בעל מוליכות חשמלית ומומסים נמוכים — בטווח הדרישות הבינלאומיות למי שתייה ולהשקייה. בהשוואה לפסולת שלא טופלה, החומרים המופעלים שחררו 50–85% פחות מהמתכות שנמדדו, כאשר תערובות סודיום-סיליקט הראו את הריכוזים הנמוכים ביותר. מיקרוסקופיה וניתוח יסודי הראו ג’לים צפופים, ברובם זכוכיתיים, שקושרים את החלקיקים יחד, כאשר ברזל ונחושת שולבו ישירות ברשת זו. במילים אחרות, אותה תגובה שיצרה חוזק גם סייעה ללכוד מרכיבים פוטנציאלית מזיקים בתוך המטריצה המוצקה.

מדגמי מעבדה למחסומים בעולם האמיתי

בסך הכל, המחקר מראה כי פסולת מכרה נחושת עשירה בברזל יכולה להפוך לבלילה מכנית-חסונה וכימית-יציבה באמצעות תמיסות אלקליות בלבד וריפוי בסביבה, ללא הוספת מלט או פרקורסורים אחרים. החומר המתקבל חזק דיו לשימושים גיאו-סביבתיים רבים, כגון סוללות, מילוי חזרה במכרות ומחסומים מהונדסים, והוא עמיד גם לנזקי הקפאה–הפשרה ולדליפת מתכות בתנאים שנבדקו. בעוד שדרוש מחקר נוסף לבחינת ביצועים ארוכי-טווח ושונות בהרכב הפסולת בקנה מידה מלא, הגישה מציעה נתיב מבטיח להפוך זרם פסולת גדול ומסוכן לחומרי בנייה פחמניים-נמוכים במסגרת כלכלת מעגל.

ציטוט: Fattahi, S.M., Nastooh, M.Y., Heydari, A. et al. Sustainable valorization of copper mine waste into construction materials by alkali activation. Sci Rep 16, 7043 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38224-0

מילות מפתח: פסולת מכרות נחושת, קשירה מ מונעת-אלקלית, בנייה פחמנית-נמוכה, שימוש חוזר בשפכי מכרה, הטמעת מתכות כבדות