Người ta thường nói rằng quá trình sản xuất xi măng gây ra phát thải CO2 không thể tránh khỏi từ quá trình khử carbon trong đá vôi. Khẳng định này thường được sử dụng làm tiền đề cho các lập luận về áp dụng thu gom, sử dụng và tồn trữ CO2 (CCUS) và cho những người gièm pha trong ngành khi tranh luận về việc áp dụng các vật liệu xây dựng khác. Có rất nhiều giải pháp cho khử giảm phát thải CO2 từ các sản phẩm kết dính, rất nhiều trong số đó đã được đề cập đến. Việc kết hợp cùng với mục tiêu sử dụng CCUS sẽ trải qua một chặng đường dài để khử carbon trong ngành Xi măng nói chung.
Tuy nhiên, chỉ cần có clinker, thì sẽ có phát thải CO2. Điều này đã dẫn đến những nghiên cứu quan trọng về các hóa chất xi măng thay thế, nghĩa là các hóa chất hoàn toàn không có clinker. Bài viết này sẽ cố gắng gỡ rối mạng lưới những loại xi măng như vậy và đánh giá chúng so sánh với OPC.
1. OPC
OPC thuần túy được sản xuất nhờ sử dụng hỗn hợp đá vôi và cát được nung đến 1.450 - 1.500°C. Quá trình này giải phóng ra CO2 khi phân rã đá vôi, cũng như các nhiên liệu được sử dụng để đạt được nhiệt độ cao, dẫn đến phát thải CO2 rất lớn tới 900 - 950 kg/tấn xi măng.
2. SCMs thông thường
Việc bổ sung thêm các vật liệu kết dính phụ (SCMs) là một giải pháp đã được thực hiện từ lâu rồi để mở rộng clinker trong vài thập kỷ qua. SCMs phổ biến nhất là xỉ lò cao nghiền mịn (GGBS), từ quá trình sản xuất gang thép, và tro bay từ quá trình phát điện đốt bằng than. Sự hấp dẫn ban đầu hướng tới SCMs là giảm bớt chi phí sản xuất nhờ sử dụng các vật liệu phế thải. Tuy nhiên, khi sự phát triển bền vững nổi lên trong các chương trình nghị sự, khả năng thay thế dễ dàng tới 30% clinker đã khiến cho SCMs ngày càng trở nên quan trọng. Chúng có thể giảm thiểu phát thải CO2 đi một lượng tương tự đến 600 - 800 kg/t.
3. SCMs mới và các phụ gia khác
Cả GGBS và tro bay đều đang ngày càng trở nên khan hiếm do nhiều yếu tố. Chúng đang dần bị các SCMs khác tham gia vào như đất sét nung, puzolan tự nhiên, tro lò đốt rác và các vật liệu khác như graphen. Hầu hết các vật liệu này đều sản sinh ra những lượng phát thải thấp hơn nhờ giảm bớt hệ số clinker. Graphen làm gia tăng cường độ do đó lượng clinker ít hơn và/hoặc tỷ lệ các SCMs khác cao hơn có thể áp dụng, với lượng phát thải CO2 giảm nhiều đến 15% trong một số trường hợp chỉ còn 33 g/tấn graphen.¹
Một số công thức, như xi măng LC3, cho phép giảm lượng clinker xuống còn 50% nhờ kết hợp đất sét nung với đá vôi.² Tuy nhiên, quá trình nung đất sét riêng ở nhiệt độ 700 - 800°C gây ra phát thải CO2 do sử dụng nhiên liệu, do vậy khoản tiết kiệm phát thải không tỷ lệ thuận với hệ số clinker. Phát thải CO2 điển hình là 30 - 40% thấp hơn phát thải CO2 của OPC.
Trong số những công ty tiếp thị nổi bật về puzolan tự nhiên là EMC Cement có trụ sở ở Thụy Điển. Sản phẩm cùng tên xi măng biến đổi năng lượng của Công ty, được chế tạo nhờ xử lý nhiệt năng lượng thấp các puzolan tự nhiên, có thể thay thế clinker OPC lên đến 70%.³
Các Công ty khác như TerraCO2 đã có bước tiến rất xa trong sản xuất các SCMs nhân tạo.4 Quá trình OPUS của Công ty có thể chuyển đổi nhiều loại khoáng chất thông thường thành các khoáng chất giống như tro bay tổng hợp. Các chủ đầu tư hình dung việc thay thế Vật liệu Kết dính Thay thế (ACM) của họ lên tới 70%, giảm bớt đáng kể lượng phát thải CO2 so với OPC.
Bản thân CO2 cũng có thể được sử dụng làm một thành phần trong xi măng và/hoặc trong hỗn hợp bê tông.5-11 CO2 hỗ trợ quá trình tinh thể hóa trong những giai đoạn đông kết sớm, khiến cho sử dụng ít clinker hơn mà vẫn đạt cường độ tương tự, do đó giảm bớt lượng phát thải CO2 của nó.
Hình 1: Cố gắng để lập thứ tự các loại xi măng có phát thải CO2 thấp và thành phần hóa học thay thế khác nhau so sánh với sự tương đồng của chúng trong quá trình sản xuất và hàm lượng CO2 so với OPC.
Một số công ty đưa CO2 vào giai đoạn bảo dưỡng bê tông cho các chi tiết đúc sẵn. Các công ty khác thì phun CO2 vào bê tông trộn sẵn khi đổ bê tông. Các ví dụ điển hình bao gồm CarbonCure có trụ sở ở Canada, đã tuyên bố ngăn không cho 177.000 tấn CO2 bay vào khí quyển.8 Solidia hoạt động theo cách thức tương tự.5 CO2 cũng có thể được sử dụng để sản xuất cốt liệu nhân tạo, như đã được chứng minh bởi Carbon89, FastCarb,11 và các Công ty khác.
4. Clinker giàu Belite
Xi măng giàu Belite dựa vào thành phần hóa OPC, nhưng lại được nung ở nhiệt độ 1.150 - 1.250°C.12 Điều này làm gia tăng tỷ lệ Belite lớn hơn so với tỷ lệ trong OPC và ít Alite hơn. Nhiên liệu yêu cầu giảm 10 - 20% và do vậy, lượng phát thải CO2 cũng giảm tương ứng. Vì Alite liên quan tới sự phát triển cường độ sớm, các xi măng giàu Belite thường chậm đông cứng, một nhược điểm trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, nhiệt thủy hóa thấp của chúng dẫn đến sự hình thành vết nứt thấp hơn, khiến cho nó phù hợp với các quần thể kiến trúc lớn như các con đập.
Mỏ manhêzit ở Tây Canada.
Xi măng canxi sunfo-aluminate (CSA) đã được sản xuất thương mại ở Trung Quốc khoảng 30 năm nay.14 Chúng được sản xuất nhờ đốt rác thải công nghiệp như tro bay và phụ phẩm thạch cao cùng với đá vôi ở nhiệt độ 1200-1250oC trước khi nghiền đồng thời với 35 - 70% belite và 10 - 30% ferit. Các loại hỗn hợp này, các xi măng CSA-belite, có lượng phát thải khoảng 20% thấp hơn so với OPC.14
Cũng đã có nghiên cứu về việc sử dụng xi măng belite-ye’elimite-ferit (BYF), mà có lượng phát thải khoảng 20% thấp hơn so với OPC.15 Một hỗn hợp ba thành phần gồm 10% đá vôi, 5% muội silic và BYF giảm thêm 13% lượng CO2.
5. Các hợp chất magiê và canxi aluminate
Có rất nhiều phương pháp tiếp cận hóa học xi măng giúp loại bỏ canxi và/hoặc carbonat để giảm bớt năng lượng mà cần được đưa vào trong các thuốc thử. Xi măng canxi aluminate là một sản phẩm lâu đời, thường được sử dụng trong các sản phẩm chịu lửa, với một số ứng dụng thích hợp. Nó sử dụng bô-xit và đá vôi ở nhiệt độ tương đương với nhiệt độ sản xuất OPC, nghĩa là phát thải CO2 rất giống nhau.16
Có một số giải pháp tiếp cận dựa vào oxit magiê và silic magiê. Một quá trình do Karbonite có trụ sở ở UK phát triển có thể được sử dụng để chuyển hóa các nguyên liệu thô chứa silic magiê thường có sẵn thành một loạt các sản phẩm bê tông.17 Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ 700°C và giải phóng ra nước hơn là CO2 làm giảm tổng lượng phát thải xuống 20% so với OPC.
Celitement được sản xuất bằng cách sử dụng ôxit canxi và một số loại silicat khác nhau theo tỷ lệ 1:4 và gia nhiệt chúng trong lò hấp ở nhiệt độ khoảng 150°C - 300°C.14 Quá trình này tạo ra các silicat canxi thủy tinh, mà khi được trộn thêm với silicat và nghiền trong máy nghiền phản kháng, để sản xuất Celitement, nghĩa là: các hydrosilicate canxi hoạt tính thủy lực.
Như đã trình bày ở trên, xi măng dựa vào magiê carbonat của Novacem đã được bán trên thị trường là loại có thể hấp thụ CO2 hơn là phát thải ra nó.14 Tuy nhiên, đến nay, nó chưa được phát triển để đưa vào chào bán thương mại.
Peter Edwards
Nguyễn Thị Kim Lan dịch từ Global Cement Magazine số tháng 11/2022
ximang.vn
