Rice hulls in construction/ar

قشور الأرز فريدة من نوعها في الطبيعة. فهي تحتوي على حوالي 20% من السيليكا الأوبالينية، بالإضافة إلى كمية كبيرة من بوليمر فينيل بروبانويد الهيكلي المعروف باسم اللجنين. تتمتع هذه النفايات الزراعية الوفيرة بجميع الخصائص التي يمكن توقعها من أفضل مواد العزل. وقد كشفت اختبارات ASTM الحديثة التي أجرتها خدمات البحث والتطوير في كوكفيل، تينيسي، أن قشور الأرز لا تشتعل أو تتبخر بسهولة، كما أنها شديدة المقاومة لنفاذ الرطوبة والتحلل الفطري، ولا تنقل الحرارة بشكل جيد، ولا تنبعث منها رائحة أو غازات، وليست مسببة للتآكل مقارنةً بالألمنيوم أو النحاس أو الفولاذ. تُشكل قشور الأرز، في حالتها الخام وغير المعالجة، مادة عازلة من الفئة أ أو الفئة الأولى، وبالتالي، يمكن استخدامها بشكل اقتصادي للغاية لعزل تجاويف الجدران والأرضيات والأسقف في منازل قشور الأرز فائقة العزل. كما تشرح هذه الورقة البحثية كيفية بناء مثل هذا المنزل من مجموعة متنوعة من منتجات الأخشاب الهندسية المشتقة من قشور قصب السكر.

الورقة

عندما قررت الطبيعة كيفية تعبئة حبة أرز، غلّفت هذه الحزمة الصغيرة من العناصر الغذائية بما يُشار إليه غالبًا باسم "أوبال حيوي". ^{[ 1 ]} التركيب الكيميائي لقشر الأرز، الذي يحتوي على سيليكا غير متبلورة مرتبطة بالماء، يشبه إلى حد كبير تركيب الأوبال، وهذا ما يمنح قشر الأرز خصائص مذهلة. لم نجد في أي مكان منتجًا ثانويًا للحبوب منخفض البروتين والكربوهيدرات المتاحة إلى هذا الحد، وفي الوقت نفسه غنيًا بالألياف الخام والرماد الخام والسيليكا. ^{[ 2 ]} من بين جميع المنتجات الثانوية للحبوب، يحتوي قشر الأرز على أقل نسبة من إجمالي العناصر الغذائية القابلة للهضم (أقل من 10%). ^{[ 3 ]}

يحتوي قشر الأرز على ما يقرب من 20٪ من السيليكا الأوبالينية مع كمية كبيرة من البوليمر الهيكلي فينيل بروبانويد يسمى اللجنين. هذه النسبة العالية من السيليكا غير عادية للغاية في الطبيعة، ^{[ 4 ]} وهذا المزيج الوثيق من السيليكا واللجنين يجعل قشر الأرز ليس فقط مقاومًا لاختراق الماء والتحلل الفطري، ولكن أيضًا مقاومًا لأفضل جهود الإنسان للتخلص منه. نظرًا لأن الأرز يُزرع في كل قارة باستثناء القارة القطبية الجنوبية، ولأنه يحتل المرتبة الثانية بعد القمح من حيث المساحة والإنتاج في جميع أنحاء العالم، ^{[ 5 ]} ولأن القشرة تمثل في المتوسط ​​حوالي 20٪ من الوزن الخام المحصود من الأرز، ^{[ 6 ]} فإن كوكبنا ينتهي به الأمر بوفرة من هذه البقايا المتقشرة.

يتم إنتاج أكثر من 100 مليون طن متري من قشور الأرز سنويًا في جميع أنحاء العالم. ^{[ 7 ]} في عام 1995، أنتجت الولايات المتحدة حوالي 1,260,000 طن متري من قشور الأرز ^{[ 8 ]} في حوالي 50 مطحنة ^{[ 9 ]} تقع في لويزيانا وتكساس وأركنساس وميسوري وميسيسيبي وفلوريدا وكاليفورنيا. ونظرًا لأن معظم المطاحن تخزن الأرز الخام وتعالجه يوميًا، فإن القشور الجافة الطازجة متوفرة على مدار العام. ونظرًا لأن القشور لا تتحلل بيولوجيًا أو تحترق بسهولة، فإنها تتوفر أحيانًا مجانًا.

تباع القشور عادة بحوالي 6 دولارات للطن، على الرغم من أن أحد المطاحن أشار إلى أنه باع القشور بأسعار تتراوح بين 2 إلى 20 دولارًا للطن. ^{[ 10 ]}

الغلاف مادة تغليف متينة للغاية وكاشطة، تتكون من نصفين متشابكين. يغلف هذا الغلاف المساحة الصغيرة التي تخلو منها الحبوب المطحونة، وبقربه من العديد من الغلافات الأخرى، يُشكل حاجزًا حراريًا يُضاهي في فعاليته مواد العزل الممتازة. ^{[ 11 ]} تشير اختبارات المقاومة الحرارية لقشور الأرز الكاملة إلى أن قيم R أكبر من 3.0 لكل بوصة. ^{[ 12 ]} إذا كانت قيمة R لقشور الأرز مُرضية لهذه الدرجة، فلماذا لم تُستخدم على نطاق واسع لعزل المباني السكنية والتجارية؟ ^{[ 13 ]}

ربما يركز علماؤنا ومهندسونا فقط على ابتكار مواد ومنتجات يمكن تصنيفها وتسويقها على أنها مملوكة. ولعل الاستخدام المتواضع لقشر الأرز كمادة عازلة لا يُلهم الخيال العلمي أو التجاري بما يكفي. ولكن لماذا التركيز على المنتجات المصنعة بينما تتوافر المواد الطبيعية بكثرة؟ لا بد من وجود سبب وجيه وواضح يجعل قشر الأرز الخام غير مناسب للاستخدام كمادة عازلة.

هل تحترق قشور الأرز؟ نعم، تحترق، ولكن بصعوبة، كما شرح إلدون بيجل ببراعة:

يُنتج الترتيب الهيكلي الغريب للقشور، المصنوع من السيليكا والسليلوز، على شكل حزمة من قش الشرب، مادةً لا تحترق ولا تُطلق حرارةً تُشبه أي مادة عضوية. تُوفر هذه الهياكل الأنبوبية الدقيقة المُغطاة بالسيليكا مقاومةً طبيعيةً للاحتراق. وغالبًا ما تُغلق وتمنع الاحتراق الكامل والمنتظم، وهو أمرٌ أساسيٌّ للحصول على المنتج النهائي المطلوب. ^{[ 14 ]}

كل من حاول إشعال عود ثقاب لحرق قشور الأرز السائبة يدرك صعوبة احتراقها. فبما أن الهواء لا يتدفق بحرية عبر كومة من قشور الأرز لتوفير الأكسجين اللازم لاحتراقها بسرعة، فإنها لا تحترق بسهولة ونظافة. كثافة قشور الأرز السائبة مماثلة لكثافة القش المُكدس في بالات، وكل من حاول حرق بالة من القش يدرك مشكلة توافر الأكسجين. لكن مجرد توافر الأكسجين لا يُفسر كل شيء.

كما ذكرنا سابقًا، تُعدّ النسبة العالية من السيليكا الأوبالينية داخل قشور الأرز نادرةً للغاية مقارنةً بالمواد النباتية الأخرى، ويرى بعض العلماء أنه أثناء احتراق قشور الأرز، قد يُشكّل رماد السيليكا "شرنقة" تمنع وصول الأكسجين إلى الكربون داخلها. ويتكهن علماء آخرون بأنه نظرًا لاحتمالية ارتباط السيليكا والكربون جزئيًا على المستوى الجزيئي، فإن كربيد السيليكون يتشكل أثناء الاحتراق في درجات حرارة عالية، وأن وجود هذه المادة الخزفية المقاومة للحرارة يعيق الاحتراق السهل لقشر الأرز. ^{[ 15 ]} ويرى علماء آخرون أنه عند درجات حرارة معينة، تتعزز الرابطة الجزيئية بين السيليكا والكربون في القشرة، مما يمنع احتراقها بالكامل وبشكل متساوٍ. ^{[ 16 ]} على أي حال، حتى لو نجحنا في إشعال كومة من قشرة الأرز، نجد أنها تميل إلى الاحتراق بدلًا من اللهب.

قشور الأرز مُثبطة للهب، وتنطفئ ذاتيًا في درجات الحرارة العادية. عادةً ما يحترق عود ثقاب مشتعل يُلقى على كومة من قشور الأرز دون أن يُنتج لهبًا ذاتيًا في القشور. ^{[ 17 ]}

يتطلب عزل السليلوز التقليدي إضافة كميات كبيرة من مثبطات اللهب والدخان. قد يصل تركيز المواد الكيميائية المثبطة للهب والدخان (مثل حمض البوريك، وبورات الصوديوم، وكبريتات الأمونيوم، وكبريتات الألومنيوم، وثلاثي هيدرات الألومنيوم، وفوسفات أحادي أو ثنائي الأمونيوم) في عزل السليلوز التقليدي إلى 40% وزنًا. ^{[ 18 ]} هذه المواد الكيميائية مكلفة في الشراء والتحضير، ويجب أن تخضع الألياف السليلوزية لتحضير مكثف لاستقبالها.

من المثير للدهشة أن قشور الأرز لا تتطلب أي مثبطات للهب أو الاحتراق. فقد منحت الطبيعة هذا المنتج الزراعي من النفايات جميع خصائص الاحتراق اللازمة لاجتياز اختبار التدفق الإشعاعي الحرج (ASTM C739/E970-89)، واختبار الاحتراق المتوهج (ASTM C739، القسم 14)، واختبار خصائص الاحتراق السطحي (ASTM E84). تشير الاختبارات الحديثة التي أجرتها خدمات البحث والتطوير إلى متوسط ​​تدفق إشعاعي حرج (CRF) يبلغ 0.29 واط/سم²، وخسارة في وزن الاحتراق المتوهج تتراوح بين 0.03% و0.07%، ومؤشر انتشار اللهب (FSI) يبلغ 10، ومؤشر انبعاث الدخان (SDI) يبلغ 50. ونظرًا لأن قوانين البناء الأمريكية تشترط مؤشر FSI يبلغ 25 أو أقل، ومؤشر SDI يبلغ 450 أو أقل، فقد اجتازت قشور الأرز هذه الاختبارات بسهولة. في حالته الخام وغير المعالجة، يشكل قشر الأرز مادة عازلة من الفئة أ أو الفئة الأولى.

تمتص جميع المواد العضوية الرطوبة أو تطلقها حتى تصل إلى حالة توازن مع الرطوبة النسبية للهواء المحيط. يعيق التركيز العالي للسيليكا الأوبالينية على السطح الخارجي لقشر الأرز انتقال الرطوبة من الغلاف الجوي إلى القشرة. كما يتكون ما بين 2.1% و6.0% من قشرة الأرز من بوليستر حيوي يسمى الكيوتين، ^{[ 19 ]} والذي يشكل، بالاشتراك مع الشمع الذي ينتجه نبات الأرز، حاجزًا شديد النفاذية. تستخدم الطبيعة العديد من الاستراتيجيات الفعالة للغاية لحماية حبة الأرز من الماء والرطوبة العالية المرتبطة عمومًا بزراعة ونمو هذا النبات.

وبالتالي، تشير الدراسات التي أجريت على قشور الأرز عند درجة حرارة 25 درجة مئوية إلى أن محتوى الرطوبة المتوازن لقشور الأرز عند رطوبة نسبية 50% يكون عند أو أقل من 10%، بينما عند رطوبة نسبية 90%، يظل محتوى الرطوبة المتوازن لقشور الأرز عند أو أقل من 15%. ^{[ 20 ]} يشير اختبار امتصاص بخار الرطوبة (ASTM C739، القسم 12) الذي أجرته خدمات البحث والتطوير إلى زيادة في الوزن بنسبة 3.23% فقط. وهذا أقل بكثير من محتوى الرطوبة اللازم لدعم نمو الفطريات والعفن.

تتطلب مواصفة ASTM القياسية لعزل السليلوز إجراء اختبار لمدة 28 يومًا لمقاومة نمو الفطريات (انظر القسم 10 من ASTM C1497، أو ASTM C1338، أو القسم 6.6 من ASTM C1149، أو القسم 11 من ASTM C739). باتباع هذه المعايير، قامت خدمات البحث والتطوير بتلقيح قشور الأرز بخمسة أنواع مختلفة من الفطريات، وقد اجتازت قشور الأرز هذه الاختبارات دون إضافة مبيدات فطريات أو أي مواد كيميائية أخرى.

كما أن التركيز العالي من السيليكا الأوبالية على السطح الخارجي لقشر الأرز يثبت أيضًا الصلابة الفعالة لقشر الأرز بنفس القيم تقريبًا كما هو موضح للأوبال (6 على مقياس موس). ^{[ 21 ]} ومع ذلك، نظرًا لوجود اللجنين داخل قشر الأرز، يتم تعديل هذه الصلابة بالمرونة والليونة. ونظرًا لأن قشر الأرز صلب ولكنه مرن، فإنه يقاوم الترسيب والضغط بشكل أفضل بكثير من الصحف الممزقة. يمكن أن يؤدي ترسيب عزل السليلوز في تجويف الجدار إلى تقليل ارتفاعه المثبت بنسبة تصل إلى 25٪. ولهذا السبب غالبًا ما يكون من الضروري تثبيت عزل السليلوز عن طريق أسيتات البولي فينيل أو لاصق الأكريليك. لا تكون هناك حاجة إلى أي من مركبات التثبيت هذه مع قشر الأرز، إذا تم اهتزازه بقوة أو تعبئته في تجويف الجدار.

عادةً ما تكون زاوية استقرار قشور الأرز السائبة حوالي 35 درجة. ^{[ 22 ]} ولكن بمجرد تعبئتها بإحكام في تجويف الجدار، تتشابك أطرافها وحوافها وشعيراتها الصغيرة لتحقيق زاوية استقرار سلبية. ونظرًا لهذا الترابط الغريب لقشور الأرز تحت ضغط خفيف، فإنها تستقر بطريقة موحدة للغاية، ولا يمكن حدوث مزيد من الترسيب. أيضًا، نظرًا لأنه ليس من الضروري إضافة مثبطات الحريق أو مبيدات الفطريات أو أي مواد كيميائية أخرى إلى قشور الأرز، فقد قررت خدمات البحث والتطوير أن هذه الكتلة الحيوية الحميدة والمستقرة لا تنبعث منها روائح كريهة (ASTM C739). وبالمثل، قررت خدمات البحث والتطوير أن قشور الأرز لا تسبب تآكل الألومنيوم أو النحاس أو الفولاذ (ASTM C739، القسم 9).

مع قشور الأرز، لا نحتاج إلى الانخراط في عملية تعدين أو تصنيع تولد تلوث الهواء أو تلوث المياه أو التعرية. ^{[ 23 ]} مع قشور الأرز، لا نحتاج إلى الانخراط في عملية تصنيع تستنزف احتياطياتنا من الوقود الأحفوري (كما هو الحال مع البوليسترين، ^{[ 24 ]} بولي إيزوسيانورات وعزل البولي يوريثين). مع قشور الأرز، لا نستخدم المواد الكيميائية القائمة على الكلور مثل الفوسجين أو البروبيلين كلورو هيدرين ^{[ 25 ]} أو أي مركبات الكلورو فلورو كربون المستنفدة للأوزون. ^{[ 26 ]} مع قشور الأرز، لا نستخدم اليوريا فورمالدهيد، وبالتأكيد لا نستخدم أيًا من الفينول فورمالدهيد المستخدم في معظم عوازل الألياف الزجاجية. ^{[ 27 ]} مع قشور الأرز، لا داعي للقلق بشأن تهيج أو تسبب الغبار والألياف في التسمم. ^{[ 28 ]} علاوة على ذلك، لا ينبغي لأولئك الذين يعانون من حساسية كيميائية حادة أن يقلقوا بشأن انبعاث الغازات المرتبطة بالمواد الرابطة في عزل الخفاش، أو بالحبر في الصحف المعاد تدويرها أو بالمركبات العضوية المتطايرة المنبعثة من عزل الرغوة. ^{[ 29 ]} ونظرًا لأن قشور الأرز لا تتطلب التقطيع أو الطحن بالمطرقة أو النفش أو التليف أو الربط أو التثبيت، فإنها تمتلك، بالتأكيد في تلك الحالات التي تتوفر فيها القشور، طاقة مجسدة أقل بكثير من عزل السليلوز. ^{[ 30 ]} ونظرًا لأن قشور الأرز لا تحترق بسهولة، فإنها لا تتطلب مثبطات اللهب أو الدخان، ونظرًا لأنها قوية ومتينة للغاية، فلا شيء يمنع استخدامها وإعادة تدويرها مرارًا وتكرارًا.

ربما تكون التكلفة الأكثر أهمية المرتبطة باستخدام قشر الأرز هي نقله. بكثافة كبيرة تبلغ حوالي 9 أرطال لكل قدم ^مكعب ، ^{[ 31 ]} يمكن نقل القشور السائبة بنفس تكلفة القش المضغوط تقريبًا. ومع ذلك، لتقليل تكلفة النقل، يمكن ضغط قشور الأرز إلى ما يصل إلى 25 رطلاً لكل قدم ^مكعب دون تدمير مرونتها. ^{[ 32 ]} تعود بسهولة إلى كثافتها الأصلية بمجرد إزالة قوة الضغط. ولكن لنقل قشور الأرز اقتصاديًا، لن يكون من الضروري ضغط قشور الأرز إلى كثافة 25 رطلاً / قدم ^مكعب . بكثافة 14.50 رطلاً / قدم ^مكعب فقط ، تحقق المقطورة القياسية التي يبلغ طولها 53 قدمًا كفاءة نقل مثالية عند أقصى وزن قانوني لها وهو 24 طنًا. إذا دفعنا، عند هذه الكثافة النقلية، رسوم نقل متوسطة قدرها 1.45 دولار لكل ميل، فسوف يكلف نقل طن واحد من قشور الأرز لمسافة 250، 500، 750، 1000، 1250 و1500 ميل على التوالي ما يقرب من 15، 30، 45، 60، 75 و90 دولاراً (انظر الرسم البياني أدناه).

بكثافة تركيب تبلغ 9 أرطال/قدم ^مكعب ، يكفي طن واحد من قشور الأرز لعزل 222 قدمًا ^مربعًا من تجويف جداري بقطر 12 بوصة. وبالتالي، تبلغ تكلفة النقل لكل قدم ^مربع عبر هذه المسافات نفسها 0.07 دولار، و0.14 دولار، و0.20 دولار، و0.27 دولار، و0.34 دولار، و0.41 دولار على التوالي (انظر الرسم البياني التالي).

من يسكن على بُعد أقل من 200 ميل من مطاحن الأرز، يجد صعوبة في تبرير استخدام أي نوع آخر من مواد العزل. فعندما تُحجم العديد من المطاحن عن بيع قشور الأرز بأقل من 5 دولارات للطن، تُصبح الحجة لصالح قشور الأرز أكثر إقناعًا. فبسعر 5 دولارات للطن، تبلغ تكلفة قشور الأرز للقدم المربع ^من جدار بعمق 12 بوصة 0.02 دولار فقط.

بافتراض أننا ندفع 25 دولارًا للطن بدلًا من 5 دولارات (وهو سعر أعلى بكثير من القيمة السوقية الحالية)، نجد أن سعر شراء قشور الأرز لكل قدم ^مربع من الجدار المعزول هو 0.11 دولار فقط. وبإضافة هذا المبلغ إلى تكلفة النقل عبر نفس هذه المسافات، نصل إلى التكلفة الإجمالية لكل قدم ^مربع من قشور الأرز المُسلّمة إلى موقع العمل وهي 0.18 دولار، و0.25 دولار، و0.32 دولار، و0.38 دولار، و0.45 دولار، و0.52 دولار على التوالي (انظر الرسم البياني أدناه).

بهذه الحسابات البسيطة، نلاحظ أن نقل قشور الأرز لا ينبغي أن يحدّ من استخدامها على نطاق واسع كعازل. تتيح لنا هذه الحسابات إجراء مقارنتين، إحداهما مع القش المُكدّس والأخرى مع عزل السليلوز الكثيف. مقارنةً بجميع أنواع العوازل الأخرى المتوفرة في السوق حاليًا، يتميز هذان النوعان من العوازل بأعلى نسبة إعادة تدوير وأقل نسبة طاقة مُجسّدة.

في المتوسط، تزن بالة القش ذات الخيطين (14×18×36 بوصة) 45 رطلاً، وتُباع بسعر 2.50 دولار، وتُنقل إلى موقع العمل مقابل دولار واحد إضافي. ^{[ 33 ]} عند وضعها بشكل مسطح داخل جدار، تُمثل البالة ذات الخيطين مساحة 3.5 قدم ^مربع من سطح الجدار. هذا يُعطي سعر شراء قدره 0.71 دولار لكل قدم ^مربع من الجدار، والذي يجب أن نضيف إليه 0.29 دولار أخرى للنقل. بناءً على ذلك، تبلغ التكلفة الإجمالية للقش المُحزم لكل قدم ^مربع من جدار البالة حوالي دولار واحد. هذا يُمثل أكثر من خمسة أضعاف سعر قشر الأرز المنقول لمسافة 250 ميلاً، وضعف سعر قشر الأرز المنقول لمسافة 1500 ميل تقريبًا. علاوة على ذلك، توفر 12 بوصة من قشور الأرز عند 3.0 راند لكل بوصة عزلًا أكثر بنسبة 37% من 18 بوصة من القش المضغوط عند 1.45 راند لكل بوصة، ^{[ 34 ]} وهذا، بتكلفة أقل من خمس إلى نصف التكلفة، باستخدام مساحة حائط أقل بنسبة 33%.

يُدخل عزل السليلوز في تطبيق كثيف التغليف في جدار بكثافة تقارب 3.5 رطل/قدم ^مكعب . وبناءً على ذلك، يكفي طن واحد من عزل السليلوز لعزل 571 قدمًا ^مربعًا من جدارنا المقترح بعمق 12 بوصة. وبمتوسط ​​سعر تسليم 540 دولارًا أمريكيًا للطن، تبلغ تكلفة عزل السليلوز حوالي 0.95 دولارًا أمريكيًا للقدم ^المربع من الجدار المعزول. وهذا أرخص قليلاً من القش المُعبأ في بالات، ولكنه لا يزال يُعادل خمسة أضعاف سعر قشر الأرز المنقول لمسافة 250 ميلًا، وضعف سعر قشر الأرز المنقول لمسافة 1500 ميل.

إذا كان عزل قشر الأرز يُضاهي عزل بالات القش والسليلوز، فكم بالحري أن يكون أفضل من أنواع العزل ذات المحتوى المنخفض من إعادة التدوير والمحتوى العالي من الطاقة المُضمنة؟ يتطلب قطاع البناء في الولايات المتحدة ملايين الأطنان من العزل سنويًا. ألا ينبغي لمطاحن الأرز أن تُشكّل تحالفًا مع المهندسين المعماريين والبنائين للاستعاضة عن جميع أنواع العزل غير المُنتجة بطريقة فعالة وصديقة للبيئة؟

ردًا على ذلك، قد يجادل البعض، محقًا تمامًا، بأن جدارًا من بالات القش الحاملة للأحمال يوفر أكثر بكثير من مجرد عزل. وقد يجادل البعض أيضًا بأننا قارنا القيمة العازلة النظرية لقشور الأرز بقيمة العزل المُركّبة لبالات القش - وهي حالة شائعة بين التفاح والبرتقال. ولكن ما دام نظام الجدار مصممًا بشكل صحيح (بدون توصيل حراري عبر العناصر الهيكلية)، وما دامت قشور الأرز موزعة ومتراصة بشكل متساوٍ داخل الجدار (بدون مساحات خالية من القشور)، فيجب أن تكون القيمتان النظرية والتركيبية متماثلتين.

في عام ١٩٩٤، استهلكت صناعة عزل السليلوز ٤٢٠ ألف طن من الصحف المعاد تدويرها. ^{[ ٣٥ ]} وهذا نشاطٌ ينبغي الترويج له وتعزيزه بكل السبل الممكنة. لو ساهمت مطاحن الأرز بكمية مماثلة في صناعة العزل، لما شكّل ذلك سوى ثلث الإنتاج السنوي من قشور الأرز في الولايات المتحدة.

بمتوسط ​​سعر بيع يبلغ 25 دولارًا للطن ومتوسط ​​مسافة نقل تبلغ 600 ميل، فإن هذا من شأنه أن يولد كل عام ما يقرب من 10.5 مليون دولار من الإيرادات لمطاحن الأرز وأكثر من 15 مليون دولار لشركات النقل. ونظرًا لأن الولايات المتحدة تنتج أقل من 1.3٪ من الإنتاج العالمي من قشور الأرز، فإن بقية العالم لديه الكثير ليكسبه من هذا الاستخدام البسيط وغير المتطور لمثل هذا المنتج الزراعي الثانوي الوفير. لنفترض أننا مقتنعون بأن قشور الأرز توفر العديد من المزايا مقارنة بالمواد العازلة التقليدية، فكيف ينبغي لنا أن نبدأ في بناء منزل معزول للغاية باستخدام قشور الأرز؟ لنفترض أيضًا أننا أردنا بناء هيكل هذا المنزل بالكامل تقريبًا من مواد النفايات الزراعية، فكيف ينبغي لنا المضي قدمًا؟ ونظرًا لأن قشور الأرز السائبة، على عكس بالات القش، ليس لها قيمة هيكلية، فكيف ينبغي لنا بناء تجاويف الأرضية والجدران والسقف لمنزل قشور الأرز؟ تتوفر بالفعل التكنولوجيا التي تُمكّننا من إنشاء أنظمة أرضيات وجدران وأسقف من مواد سليولوزية منخفضة الجودة. تتخصص شركات مثل جورجيا-باسيفيك، ولويزيانا باسيفيك، وويرهاوزر، وبويز في مجموعة متنوعة من منتجات الأخشاب الهندسية، مثل عوارض I، وخشب القشرة الرقائقي (LVL)، وخشب الخيوط المتوازية (PSL)، وخشب الخيوط الرقائقي (LSL)، وخشب الخيوط الموجهة (OSL)، والخشب الرقائقي الملتصق (GLULAM)، وغيرها. تُقدم هذه المنتجات الخشبية الهندسية مزايا واسعة مقارنةً بالخشب الصلب المنشور التقليدي.

إنها خالية من العقد والعيوب الأخرى. فهي لا تتقلص، أو تتجعد، أو تلتوي، أو تنحني، أو تنقسم، أو تتجعد، أو تتشوه. وهي أقوى، وأكثر صلابة، وأخف وزنًا، وأكثر استقامة، وأكثر دقة بكثير من الخشب المنشور الصلب. ويمكن تصميمها لتمتد لمسافات طويلة نسبيًا، مع قدرة تحمل أكبر بكثير لكل وحدة وزن. ويمكن للمهندسين المعماريين تصميم هياكل ذات مساحات أكثر ملاءمة للعيش والاستفادة، ولا يواجه البناؤون مشكلة النفايات والنفايات، ويجدها النجارون سهلة القطع والتركيب.

يُعدّ الحور الرجراج حاليًا المادة الخام الأساسية المستخدمة في تصنيع العديد من منتجات الأخشاب المُصنّعة هندسيًا. ينمو الحور الرجراج في الغابات، وحتى الآن، كان تدمير هذه الغابات نتيجة حتمية لإنتاج الأخشاب المُصنّعة هندسيًا. يجذب بناء بالات القش انتباهنا بقوة لسبب بسيط وهو أنه يستخدم كميات وفيرة من النفايات الزراعية. عند بناء جدار قوي من بالات القش، لا نحتاج إلى قطع شجرة واحدة أو التأثير بأي شكل من الأشكال على الحياة الوفيرة والمتنوعة التي تعتمد على الأشجار. علاوة على ذلك، لا نحتاج إلى إشغال فدان إضافي من الأراضي الزراعية لإنتاج البالات اللازمة لبنائه. بالة القش هي منتج ثانوي أو ناتج ثانوي لزراعة القمح وإنتاج الدقيق.

كما تُعطينا الزراعة قشر الأرز كمنتج ثانوي، ألا يُمكنها أيضًا أن تُعطينا أليافًا خشبية قوية كمنتج ثانوي لشيء آخر؟ نحن نبحث عن منتج ثانوي زراعي، يُشبه الخيزران في نواحٍ عديدة، كما لو كان ذلك بمنطق طبيعي داخلي. لا ينبغي أن يكون سريع النمو وقويًا فحسب، بل قد نتوقع أيضًا وجود تشابه ملحوظ مع الخيزران من حيث بنية النبات نفسه، وتحديدًا، سلسلة العقد والعقد التي تُميز الساق أو الساق. ومثل الخيزران، ينبغي أن يكون عشبًا معمرًا طويلًا ذا قشرة خارجية سميكة الجدران، ولكن على عكس الخيزران، قد نأمل في إمكانية حصاده واستخدامه كمجرد منتج ثانوي لشيء آخر. لن نحتاج إلى تخصيص أي أرض لزراعته، ويجب أن تكون جميع المعدات اللازمة لحصاده ونقله ومعالجته الأولية متوفرة مسبقًا. أين نذهب للعثور على مثل هذا النبات الرائع؟

إنه موجود بالفعل. قدم كريستوفر كولومبوس قصب السكر إلى العالم الجديد في عام 1493، ولا يمثل قصب السكر شيئًا جديدًا على الزراعة داخل الولايات المتحدة. ^{[ 36 ]} ولكن منذ تقديمه إلى الأمريكتين، تمت زراعته في المقام الأول من أجل كمية كبيرة من السكروز التي تملأ لبه الداخلي. وعلى الرغم من أن كل السكروز عالي القيمة يكمن في المقام الأول في داخله، إلا أن الساق بأكملها تُسحق وتُضغط وتُعالج، وبذلك يتم تدمير سلامة وقوة وقيمة القشرة الخارجية الخشبية تمامًا. في أفضل الأحوال، يعمل كوقود منخفض الدرجة، وفي أسوأ الأحوال، يتم التخلص منه في الهواء الطلق في أكوام كبيرة حيث قد يشتعل ذاتيًا في النهاية من خلال عمل البكتيريا المحبة للحرارة. من الصعب فهم ما نتخلص منه عندما نحرق القشرة الخارجية لنبات قصب السكر. إذا قارنا معدل نمو وجودة ألياف غابة نموذجية في شمال غرب المحيط الهادئ بمزرعة قصب سكر نموذجية في لويزيانا، لوجدنا، ولدهشتنا الكبيرة، أن حقل قصب السكر يتفوق بوضوح على الغابة بفارق كبير. ففي فترة زمنية مماثلة، يمكن لفدان واحد من قصب السكر أن ينتج ما يقارب ضعفي إنتاج فدان واحد من الغابة.

بمجرد مرور الساق أو الكتلة الخشبية كاملةً عبر مكبس مطحنة تقليدي، لا يقتصر الأمر على تدمير بنية القشرة فحسب، بل يختلط اللب والقشرة معًا بشكل وثيق، مما يُفقِد أي إمكانية لفصلهما اقتصاديًا. يُمثل اللب الداخلي لنبات قصب السكر أليافًا نصف سليولوزية قابلة للتحلل الحيوي، وقيمتها الهيكلية ضئيلة للغاية، وإذا كنا نبحث عن بدائل لمنتجات الغابات التقليدية، فإن وجود كمية صغيرة من اللب في منتجات الأخشاب المصنعة سيكون غير مرغوب فيه على الإطلاق. لذلك، ينصب كل الاهتمام على إيجاد وسائل لفصل القشرة عن اللب قبل تقطيع قصب السكر وطحنه في المطحنة.

يُحصد معظم قصب السكر في الدول المتقدمة اليوم باستخدام آلة حصاد العروق. تُسقط آلة حصاد العروق الساق وتُقضم سطح الصف، آخذةً معها كميات كبيرة من المخلفات، مثل الحديد المتناثر والرمل والطين وكرات الطين والأحجار والطوب وأوراق الأشجار والقمم. ثم تُقطع الساق إلى قضبان بطول حوالي 8 بوصات. في أفضل الأحوال، في الظروف الجافة، يحتوي طن القصب على 8% من المخلفات غير العضوية من حيث الوزن، وفي الظروف الرطبة، يحتوي طن القصب على ما يصل إلى 30% من المخلفات غير العضوية من حيث الوزن. لا يقتصر الأمر على تدمير الألياف السليلوزية الصلبة للقصب تمامًا أثناء عملية الطحن في المطحنة، بل تختلط هذه الألياف بشكل وثيق أحيانًا بكميات متساوية من المخلفات غير العضوية.

هذه النفايات الداخلة إلى المطحنة لا تحتوي على سكر، وعندما تخرج على شكل كعكة ترشيح أو تفل قصب السكر، فإنها تحمل معها السكر. يمثل كل واحد بالمائة من النفايات في الكتل خسارة في إنتاج ثلاثة أرطال من السكر لكل طن من قصب السكر. المزيد من النفايات يعني المزيد من الصيانة، والمزيد من المواد المتكتلة، والمزيد من الجير، والمزيد من الغاز الطبيعي، والمزيد من تفل قصب السكر غير المحترق، والمزيد من كعكة الترشيح، والمزيد من آلات التحميل الأمامية، والمزيد من معالجة المياه، والمزيد من أحواض الترسيب، والمزيد من حبال السحب لتنظيف أحواض الترسيب، والمزيد من النقل، والمزيد من الانعكاس، والمزيد من الدبس، وسكر أقل، والمزيد من التكلفة. لا شك أن هناك طريقة لزيادة استخلاص السكر وتقليل تكلفة إنتاجه، مع الحفاظ في الوقت نفسه على سلامة القشرة تمامًا.

لحل هذه المشكلة، يلزم نوعان من الفصل. الأول، وهو فاصل متوسط ​​الكثافة، يزيل جميع الحطام غير العضوي من قصب السكر المُكدس، والثاني، وهو فاصل ميكانيكي، يفصل اللب عن القشرة.

صممت شركة الهندسة والفصل وإعادة التدوير ذ.م.م. في واشنطن، لويزيانا، أكثر من 20 فاصلًا كثيفًا للوسط، يُستخدم على نطاق واسع في المعالجة المسبقة لمجموعة كبيرة ومتنوعة من الخضراوات الجذرية، مثل البطاطس والجزر والسالسفي والبنجر. يمكن استخدام هذا الفاصل الخضري نفسه بفعالية عالية لفصل الكتل عن المخلفات غير العضوية (انظر الصورة أدناه). بما أن كتلة قصب السكر تبلغ كثافتها حوالي 1.09 RD (مشابهة لكثافة البطاطس)، ولأن كثافة كرات الطين والأحجار والطوب أعلى بكثير من 2.00 RD، فإن هذا الفصل سهل ومباشر.

بعد إزالة جميع المواد غير العضوية من الكتل، تُنقل إلى فاصل ميكانيكي حديث ومتطور يُسمى "فاصل تيلبي". يتكون فاصل تيلبي من مجموعة بكرات أولية (محطة فصل) تُقطع فيها الكتل إلى نصفين طوليين. بعد ذلك، تنقسم العملية إلى مجموعتين من البكرات اليمنى واليسرى (محطة إزالة النخاع)، حيث تقوم كل مجموعة بكشط النخاع وفصله عن القشرة. تمر الكتل عبر محطتي الفصل وإزالة النخاع بسرعة مذهلة تبلغ 20 قدمًا في الثانية. يُنقل النخاع فقط إلى آلة استخلاص العصير، بينما تُرسل القشرة إلى المجفف. بمجرد تجفيفها إلى نسبة رطوبة أقل من 2%، يمكن تحويل القشرة إلى أي نوع من أنواع الأخشاب الهندسية تقريبًا.

بما أن بنية الألياف وطول الكتلة الأصلية محفوظة بالكامل في عملية تيلبي، فإن تصنيع الأخشاب الهندسية يتطلب كمية أقل بكثير من الغراء مقارنةً بالحالة العادية. إذا تم تشكيلها على شكل أعمدة خشبية هندسية، فسيكون لدينا كل ما يلزم لإنشاء تجاويف جدران منزلنا المقترح المصنوع من قشر الأرز. وإذا تم تشكيلها على شكل عوارض خشبية هندسية على شكل حرف I، فسيكون لدينا كل ما نحتاجه لإنشاء تجاويف الأرضيات والأسقف. يمكن تصنيع عتبات النوافذ، وبلاط الأرضيات، وهزات الأسقف، وحتى الألياف اللازمة لتصنيع ألواح الألياف الأسمنتية، من ألياف قشور قصب السكر شديدة المتانة. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

من خلال استخدام الأخشاب المصنعة، فإن خيار رفع الهيكل بأكمله عن الأرض (الرصيف والعارضة) يقدم نفسه بتكلفة معقولة ويسمح بالموقع في المناطق المنخفضة أو على أرض غير مستوية. وبالمثل، تتحول العلية بسهولة إلى مساحة معيشة مفتوحة وغير معوقة ومفيدة، مما يقلل بشكل كبير من متوسط ​​التكلفة لكل قدم مربع من الهيكل. ^{[ 39 ]} ونظرًا لأن الإنتاج السنوي العالمي من قصب السكر الخام يقع عند حوالي مليار طن، فإن حوالي 75 مليون طن من القشور الجافة متاحة بشكل محتمل لصناعة الأخشاب المصنعة. وهذا يطابق تقريبًا 100 مليون طن من قشور الأرز المتاحة كل عام في جميع أنحاء العالم. مع هذين المنتجين الثانويين من السكر والأرز، يمكننا بناء وعزل ملايين المنازل كل عام.

بصفتنا مواطنين في مجتمع صناعي كبير، نجد صعوبة في إنجاز أمور تُحدث فرقًا حقيقيًا. باختيارنا بناء مبنى مُشتقّ إلى حد كبير من مواد النفايات الزراعية، فإننا لا نكتفي بما هو صحيح بيئيًا، بل نُصمّم لأنفسنا أيضًا مبنىً يتفوق بكثير على أي مبنى متوفر تقليديًا. هذا المنزل فائق العزل المصنوع من قشر الأرز/قصب السكر، عند تصميمه بشكل صحيح، ^{[ 40 ]} يُفترض أن يكون أرخص بكثير في البناء من المبنى التقليدي، مع الحفاظ على مصلحة مالكه من خلال فواتير خدمات عامة لا تتجاوز في المتوسط ​​دولارًا أمريكيًا واحدًا يوميًا.

إذن، لماذا نبني بالطرق التقليدية بينما يكون البناء بطريقة أخرى أرخص بكثير وأكثر منطقية من جميع النواحي؟ حتى الآن، كان بإمكاننا دائمًا اللجوء إلى حقيقة أنه طالما نجهل الممكن، فلن نتمكن من تحقيقه. لكن الأمر لا يتعلق بالواجب والالتزام بقدر ما يتعلق بإيجاد طرق جديدة ومثيرة للتفاعل بإبداع مع الجمال المذهل والساحر في كوننا.

الملحق

أول منزل من قشر الأرز، اكتمل بناؤه في فبراير 2004، هو منزل بول ولي أوليفييه. يقع في مدينة واشنطن التاريخية، لويزيانا، المعروفة بصناعة السفن البخارية، قبالة مزرعة ماغنوليا ريدج الرائعة، ^{[ 41 ]} وهو لا يختلف عن المنازل التي بُنيت في المنطقة قبل أكثر من 150 عامًا. وقد طُبقت العديد من تقنيات البناء الموصوفة في هذه الورقة في بناء هذا المنزل.

بول أوليفييه

الهندسة والفصل وإعادة التدوير ذ.م.م.

صندوق بريد 250

واشنطن، لويزيانا 70589

الهاتف: 1-337-826-5540

البريد الإلكتروني: xpolivier@hotmail.com

ملاحظات