Tạo hình vật liệu xây dựng có khả năng hấp thụ được khí CO₂ khi đông kết và đóng rắn.

Chế tạo từ phế thải công nghiệp

Thông thường, sản phẩm bê tông và vữa xây dựng thông dụng trên thị trường hiện nay được làm từ 4 thành phần chính là: xi măng Portland, cốt liệu tự nhiên, nước và phụ gia. Theo kết quả nghiên cứu trên thế giới, cứ trong mỗi mét khối bê tông truyền thống đã phát thải ra môi trường khoảng 250 kg khí CO₂. Trong đó xi măng Portland là loại chất kết dính chính trong thành phần của bê tông và vữa xây dựng, nhưng các loại xi măng Portland cũng là tác nhân hàng đầu phát thải khí CO₂. Theo thông kế từ các nhà máy xi măng, để sản xuất ra mỗi tấn xi măng Portland thì quá trình này đã thải ra môi trường khoảng 0,8 tấn khí CO₂. Do đó, biện pháp thông thường để giảm lượng carbon trong sản xuất các loại vật liệu xây dựng truyền thống có thể sử dụng phương pháp đơn giản như thay đổi các thành phần chính và giảm hàm lượng xi măng.

Để hướng đến mục tiêu tổng thể của toàn thế giới là hạn chế sự nóng lên ở mức không quá 1,5^oC so với mức tiền công nghiệp, nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã phát triển vật liệu xây dựng từ phế thải công nghiệp như: tro bay, bùn thải khai thác chế biến khoáng sản, phế thải gốm sứ, vôi bột... kết hợp với dung dịch hoạt hóa đặc biệt, hoàn toàn không sử dụng xi măng có khả năng hấp thụ khí thải carbon.

Các thành phần chế tạo vật liệu xây dựng có khả năng hấp thụ khí carbon.

Điểm đặc biệt trong nghiên cứu này là vật liệu xây dựng có khả năng hấp thụ được khí CO₂ khi đông kết và đóng rắn. Trong quá trình này, khí thải CO₂ sẽ tham gia phản ứng với các thành phần vật chất, sau đó được lưu giữ bên trong khối vật liệu. Từ kết quả khảo sát thực nghiệm thu được, mỗi mẫu sản phẩm dạng hình hộp chữ nhật kích thước 200x110x60 mm với 02 lỗ rỗng hoặc 06 lỗ rỗng, có khả năng hấp thụ tự nhiên được khoảng 15-20 g khí thải CO₂. Khi tính toán dự kiến, mỗi mét khối vật liệu này có khả năng hấp thụ tự nhiên được khoảng 15-20 kg khí thải CO₂ và khả năng hấp thụ CO₂ này có thể còn được gia tăng thêm trong thời gian tới.

Mẫu vật liệu hấp thụ khí thải CO₂ trong phòng thí nghiệm.

Quá trình dẫn khí CO₂ vào trong thùng dưỡng hộ mẫu sản phẩm sau khi tạo hình

Trong nghiên cứu này, khí CO₂ được dẫn vào trong từ bình chứa qua các đường ống để dẫn vào trong cấu trúc của sản phẩm. Theo TS Tăng Văn Lâm ( Trường Đại học Mỏ - Địa chất), đây là kết quả nghiên cứu quan trọng đầu tiên về vật liệu xây dựng từ phế thải với khả năng hấp thụ khí CO₂ ở Việt Nam hiện nay. Từ thành phần cấp phối vật liệu khi thí nghiệm cho thấy, trong mỗi mét khối mẫu bê tông đã tái sử dụng khoảng 1,5-1,8 tấn các loại phế thải công nghiệp (tro bay nhiệt điện, tro bay điện rác, xỉ luyện kim, bột gốm sứ, bùn thải khai thác khoáng sản, hạt kính phế thải, hạt xỉ than tổ ong sau khi sử dụng…) và không sử dụng các nguồn vật liệu tự nhiên (cát sông, đá vôi, đất sét…). Kết quả của nghiên cứu sẽ góp phần thúc đẩy nền kinh tế xanh tuần hoàn bền vững, giảm thâm hụt nguồn tài nguyên thiên nhiên và giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường từ các nguồn khí thải nhà kính.

Nghiên cứu đã sử dụng dung dịch hoạt hóa chứa nhiều thành phần (Na₂SiO₃, NaOH, Ca(OH)₂…) có khả năng phản ứng với khí thải CO₂ để tạo thành hợp chất kết tủa dạng keo và sản phẩm dạng đá, ít tan (CaCO₃). Quá trình hấp thụ khí CO₂ thực hiện theo các phương trình hóa học số (1) và số (2):

Các sản phẩm kết tủa dạng keo này đã tạo ra cường độ và tính chất cơ học cho sản phẩm sau khi tạo hình. Đây là cơ sở khoa học quan trọng trong quá trình nghiên cứu và chế tạo vật liệu xây dựng “xanh” hấp thụ tự nhiên khí thải CO₂

So sánh sự hấp thụ CO₂ của cây xanh và vật liệu nghiên cứu.

Ưu điểm của sản phẩm

Những ưu điểm chính của sản phẩm vật liệu xây dựng hấp thụ khí thải CO₂ có thể kể đến:

Giảm phát thải khí nhà kính: ước tính trong mỗi mét khối vật liệu này có khả năng hấp thụ tự nhiên được khoảng 15-20 kg khí thải CO₂, giảm khói bụi và khí độc, cải thiện chất lượng không khí trong lành.

Bảo tồn nguồn tài nguyên thiên nhiên: bằng cách sử dụng tối đa các nguồn phế thải công nghiệp, hoàn toàn không sử dụng các nguồn nguyên vật liệu tự nhiên, không sử dụng xi măng Portland, giảm thâm dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên.

Giải quyết triệt để hơn các nguồn chất thải rắn công nghiệp: sử dụng thành phần tro xỉ nhiệt điện, xỉ luyện kim, phế thải gốm sứ, phế thải rắn trong quá trình khai thác khoáng sản, vôi bột… làm thành phần nguyên liệu chính trong quá trình sản xuất, thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn khép kín trong dài hạn.

Có khả năng ứng dụng đa dạng trong nhiều kết cấu của công trình xây dựng khác nhau: do thành phần và tính chất của sản phẩm tương tự như bê tông và vữa xây dựng truyền thống nên phạm vị ứng dụng đa dạng trong nhiều kết cấu công trình khác nhau.

Thành quả thu được mỗi mét khối vật liệu này đã tái sử dụng được 1,5-1,8 tấn phế thải công nghiệp. Mặt khác, mỗi mét khối vật liệu này có khả năng hấp thụ tự nhiên được khoảng 15-20 kg khí thải CO₂, sử dụng một lượng lớn khí thải CO₂ để hình thành các thành phần vật chất đóng rắn tự nhiên trong vật liệu, thu được vật liệu có các tính chất cơ học cao hơn. Đặc biệt hơn, quá trình hấp thụ CO₂ tự nhiên trong sản phẩm này sẽ dẫn đến giảm lượng khí thải CO₂ ròng trong môi trường trong thời gian tới. Đây sẽ là một giải pháp có tính đột phá cho ngành sản xuất vật liệu xây dựng, vừa tạo ra sản phẩm có giá trị sử dụng cao, tính chất cơ học tốt, giá thành thấp; vừa giúp cắt giảm chi phí sử dụng nguồn nguyên vật liệu tự nhiên.