» Một nghiên cứu công bố trên tạp chí Biochar X cho thấy biochar biến tính kiềm không chỉ nâng cao khả năng hấp phụ CO₂ mà còn cải thiện đáng kể cường độ nén của vật liệu composite xi măng, mở ra hướng tiếp cận mới cho các giải pháp giảm phát thải trong ngành xi măng.
Ngành xi măng đang chịu áp lực ngày càng lớn trong việc cắt giảm phát thải carbon, trong khi vẫn phải đảm bảo các yêu cầu về tính năng cơ học và độ bền lâu dài của vật liệu. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và ứng dụng các phụ gia có khả năng hấp phụ CO₂ trực tiếp trong vật liệu xi măng đang trở thành một hướng đi được quan tâm, trong đó biochar biến tính kiềm nổi lên như một lựa chọn tiềm năng.
Mặc dù sản lượng xi măng tại một số khu vực đã có xu hướng điều chỉnh, đây vẫn là một trong những ngành phát thải CO₂ lớn nhất toàn cầu, đóng góp đáng kể vào biến đổi khí hậu. Nhiều công nghệ giảm phát thải đã được phát triển, song khi triển khai ở quy mô lớn thường gặp hạn chế về chi phí và hiệu quả. Trong bối cảnh đó, công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) được chú ý nhờ khả năng áp dụng rộng và tính khả thi về kinh tế.
Biochar là vật liệu carbon thu được từ quá trình nhiệt phân sinh khối trong điều kiện yếm khí, có cấu trúc hóa học bền vững, diện tích bề mặt riêng lớn và hệ mao quản phát triển. Những đặc tính này giúp biochar có tiềm năng hấp phụ CO₂, tuy nhiên hiệu suất của biochar nguyên bản còn hạn chế. Vì vậy, nhiều nghiên cứu gần đây tập trung vào các phương pháp biến tính nhằm nâng cao khả năng hấp phụ và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu này trong lĩnh vực xây dựng.
Trong ngành xi măng, biochar biến tính không chỉ được xem như vật liệu thu giữ carbon mà còn có thể mang lại lợi ích về mặt cơ học cho vật liệu composite xi măng. Khi được phân tán trong môi trường nước, biochar có thể tách thành các thành phần khác nhau, bao gồm hạt lơ lửng thô, hạt lắng và phần hòa tan chứa các hạt siêu mịn. Trong số đó, phần hạt lắng cho thấy diện tích bề mặt riêng lớn nhất và cấu trúc lỗ rỗng phát triển nhất, từ đó thể hiện khả năng hấp phụ CO₂ cao hơn và đồng thời góp phần cải thiện cường độ nén của vật liệu.
Tuy nhiên, khả năng hấp phụ CO₂ của từng thành phần biochar không đồng nhất này, cũng như tác động của các hạt đã bão hòa CO₂ khi đưa vào composite xi măng, trước đây vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ bằng thực nghiệm.
Nghiên cứu mới được thực hiện nhằm làm rõ các vấn đề trên, tập trung đánh giá khả năng thu giữ CO₂ của các thành phần biochar biến tính kiềm và ảnh hưởng của chúng đến tính chất của composite xi măng. Biochar được sản xuất từ thân cây ngô ở ba mức nhiệt độ nhiệt phân khác nhau là 300°C, 500°C và 700°C. Các mẫu thu được có kích thước hạt trung bình dao động từ khoảng 9 - 11µm, nhỏ hơn so với xi măng portland thông thường.
Nghiên cứu đặc tính hấp phụ CO₂ của các thành phần biochar biến tính kiềm trong composite xi măng.
Các hạt lắng được tạo ra thông qua phương pháp phân tách vật lý trong nước siêu tinh khiết, kết hợp xử lý siêu âm và thời gian lắng kéo dài. Tiếp đó, biochar và các hạt lắng được biến tính bằng dung dịch natri hydroxit nhằm cải thiện cấu trúc vi mao quản. Sau quá trình biến tính, các mẫu được gia nhiệt trong môi trường nitơ, làm nguội và cho tiếp xúc với CO₂ tinh khiết để đạt trạng thái bão hòa.
Khả năng hấp phụ CO₂ của các mẫu được xác định bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng, trong đó sự gia tăng khối lượng sau khi tiếp xúc với CO₂ được dùng để tính toán lượng khí hấp phụ. Song song với đó, các mẫu composite xi măng có bổ sung biochar với hàm lượng từ 1 - 5% theo khối lượng, tại tỷ lệ nước/xi măng là 0,4, được chế tạo và dưỡng hộ theo điều kiện tiêu chuẩn để đánh giá cường độ nén.
Kết quả cho thấy các hạt lắng thể hiện khả năng hấp phụ CO₂ cao hơn rõ rệt so với biochar chưa xử lý, và hiệu suất này tăng lên khi nhiệt độ nhiệt phân cao hơn. Trong số các mẫu được khảo sát, biochar sản xuất ở nhiệt độ 500°C cho hiệu quả thu giữ CO₂ tối ưu. Quá trình biến tính kiềm giúp tăng cường cấu trúc vi mao quản, qua đó nâng cao khả năng hấp phụ CO₂, chủ yếu thông qua cơ chế hấp phụ vật lý.
Khi được sử dụng với hàm lượng hợp lý trong composite xi măng, biochar mang lại nhiều hiệu ứng tích cực như lấp đầy vi cấu trúc, thể hiện hoạt tính tương tự vật liệu pozzolan và thúc đẩy quá trình thủy hóa thứ cấp. Ngược lại, hàm lượng biochar quá cao làm tăng độ rỗng và có thể gây suy giảm cường độ. Đáng chú ý, các hạt lắng biến tính, đặc biệt là khi đã bão hòa CO₂, giúp cải thiện cường độ nén rõ rệt hơn so với biochar nguyên bản. Tuy nhiên, việc bão hòa CO₂ quá mức có thể dẫn đến hình thành lỗ rỗng và hiện tượng cacbonat hóa quá mức, ảnh hưởng bất lợi đến cấu trúc vật liệu.
Bên cạnh các cải thiện về tính chất cơ học, việc bổ sung biochar còn góp phần làm giảm dấu chân carbon tổng thể của composite xi măng. Kết quả nghiên cứu cho thấy biochar biến tính và các thành phần chức năng của nó có tiềm năng trở thành phụ gia đa tác dụng trong các hệ xi măng thế hệ mới, vừa hỗ trợ thu giữ CO₂ vừa nâng cao hiệu suất vật liệu, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững của ngành xi măng.
Cem.Info
