» Một phương pháp hoạt hóa đất sét ở nhiệt độ thường bằng cơ chế cơ học kết hợp hóa học đang mở ra hướng tiếp cận mới cho sản xuất vật liệu kết dính carbon thấp. Không sử dụng lò nung hay quá trình calcination, giải pháp này hướng tới giảm tiêu thụ năng lượng, hạ chi phí đầu tư và mở rộng khả năng tận dụng các nguồn đất sét có thành phần khoáng vật đa dạng.
Đất sét có thể giúp giảm tỷ lệ clinker trong xi măng, nhưng nhiều công nghệ hiện nay vẫn cần nung nguyên liệu ở nhiệt độ cao để tạo ra hoạt tính pozzolan cần thiết. Một hướng công nghệ mới về hoạt hóa đất sét đang tìm cách loại bỏ công đoạn xử lý nhiệt bằng cách kết hợp hoạt hóa cơ học và hóa học ở nhiệt độ thường. Các kết quả thử nghiệm được công bố cho thấy đất sét sau hoạt hóa có thể đạt mức hoạt tính pozzolan vượt mức tham chiếu 650 - 700 mg Ca(OH)₂/g vật liệu thường được sử dụng đối với đất sét nung, đồng thời đạt chỉ số hoạt tính cường độ từ 99 đến 103% sau 28 ngày khi thay thế 25% xi măng CEM I 52,5R.
Hoạt hóa đất sét bằng cơ chế cơ học và hóa học
Giảm tỷ lệ clinker là một trong những hướng quan trọng để giảm phát thải CO₂ trong sản xuất xi măng. Xỉ hạt lò cao nghiền và tro bay là những vật liệu bổ sung có tính chất xi măng đã được sử dụng rộng rãi, nhưng nguồn cung và giá thành của các vật liệu này ngày càng trở thành vấn đề tại nhiều thị trường.
Đất sét được xem là một nguồn nguyên liệu có tiềm năng để thay thế một phần clinker. Các công nghệ đất sét nung, flash calcination và xi măng đá vôi đất sét nung đã chứng minh khả năng giảm tỷ lệ clinker trong chất kết dính. Tuy nhiên, các giải pháp này thường cần chuỗi công đoạn xử lý nhiệt phức tạp, cùng hệ thống lò nung, nhiên liệu, thiết bị làm nguội và các hạng mục phụ trợ.
Quá trình xử lý nhiệt cũng tạo ra yêu cầu nhất định đối với nguyên liệu. Những loại đất sét có thành phần khoáng vật phù hợp, đặc biệt là hàm lượng kaolinite, thường được ưu tiên cho công nghệ calcination. Điều này giới hạn phạm vi nguồn nguyên liệu có thể sử dụng và làm tăng yêu cầu trong quá trình lựa chọn mỏ. Từ đó, một bài toán kỹ thuật được đặt ra là có thể tạo ra đất sét có độ phản ứng pozzolan cao mà không cần nung hay không.
Một hướng tiếp cận là hoạt hóa đất sét ở nhiệt độ thường bằng cơ chế cơ học kết hợp hóa học. Theo phương pháp này, đất sét được xử lý bằng quá trình nghiền cơ học có kiểm soát, kết hợp với một lượng rất nhỏ tác nhân hữu cơ để tăng độ phản ứng của vật liệu. Điều quan trọng là quá trình này không chỉ đơn thuần nhằm giảm kích thước hạt. Năng lượng cơ học được truyền vào vật liệu có thể làm bong tách các cấu trúc lớp, giảm kích thước hạt, tăng diện tích bề mặt phản ứng và tạo ra sự mất trật tự hoặc các khuyết tật trong cấu trúc khoáng vật.
Những biến đổi này có thể làm tăng khả năng hòa tan các thành phần silic và nhôm trong môi trường kiềm. Các thành phần này sau đó tham gia vào phản ứng pozzolan, góp phần hình thành các sản phẩm hydrat hóa trong hệ chất kết dính. Tác nhân hữu cơ được sử dụng ở liều lượng rất thấp, tác động tại bề mặt tiếp xúc giữa các hạt. Vai trò của thành phần này là hỗ trợ tăng độ phản ứng bề mặt, thúc đẩy hình thành các phức hợp hữu cơ khoáng và hạn chế hiện tượng kết tụ.
Về cơ bản, cơ chế công nghệ có thể được mô tả theo chuỗi: năng lượng cơ học, biến đổi cấu trúc và bề mặt hạt, tăng khả năng hòa tan silic và nhôm, từ đó thúc đẩy phản ứng pozzolan. Đây là điểm khác biệt cơ bản so với hoạt hóa bằng nhiệt. Thay vì sử dụng nhiệt để làm biến đổi cấu trúc khoáng vật, phương pháp này tạo ra độ phản ứng thông qua sự kết hợp giữa năng lượng cơ học và tác động hóa học ở nhiệt độ thường.
Dây chuyền hoạt hóa không cần lò nung
Việc loại bỏ công đoạn nung làm thay đổi đáng kể cấu trúc dây chuyền. Sau khi nguyên liệu được tiếp nhận và đồng nhất hóa, một module trung tâm có thể tích hợp ba chức năng gồm kiểm soát độ ẩm, hoạt hóa và phân loại. Sau đó, vật liệu được đưa tới các công đoạn lưu trữ và hoàn thiện sản phẩm.
Hệ thống thiết bị phục vụ quá trình hoạt hóa đất sét theo mô hình sản xuất module.
Cấu hình này loại bỏ nhiều hạng mục thường có trong dây chuyền calcination, gồm hệ thống nhiệt, khu vực chuẩn bị nhiên liệu, thiết bị nung và hệ thống làm nguội. Việc giảm các công đoạn xử lý và điểm trung chuyển vật liệu giúp dây chuyền có cấu trúc gọn hơn, đồng thời giảm số lượng giao diện cần kiểm soát trong vận hành. Một khác biệt quan trọng khác là hệ thống hoạt hóa vận hành hoàn toàn bằng điện và ở nhiệt độ thường. Một phần điện năng có thể được cung cấp từ các hệ thống pin mặt trời lắp đặt ngay tại khu vực sản xuất.
Tài liệu gốc so sánh hoạt hóa lạnh với công nghệ flash calcination trên 4 nhóm chỉ tiêu gồm chi phí đầu tư quy đổi theo năm, tổng mức tiêu thụ năng lượng, chi phí năng lượng trong các kịch bản giá dầu thô khác nhau và phát thải CO₂ trong phạm vi từ đầu vào đến đầu ra của quá trình. Theo các điều kiện và ranh giới tính toán được trình bày, hoạt hóa lạnh có lợi thế về chi phí đầu tư và mức tiêu thụ năng lượng tương đương trong khoảng 3 - 12 lần so với flash calcination. Mức chênh lệch thay đổi theo quy mô sản xuất và giá điện tại từng khu vực.
Đây là một trong những số liệu quan trọng của giải pháp, bởi việc loại bỏ quá trình nung không chỉ tác động đến phát thải mà còn thay đổi cấu trúc kinh tế của dây chuyền. Công nghệ nhiệt thường cần quy mô lớn để phân bổ chi phí đầu tư cho hệ thống lò và các thiết bị phụ trợ. Ngược lại, hệ thống hoạt hóa cơ học có thể được tổ chức theo các module nhỏ hơn.
Theo tài liệu gốc, một module có công suất khoảng 0,60 triệu tấn/năm có mức đầu tư khoảng 3,5 triệu Euro. Cấu hình module cho phép thiết kế quy mô sản xuất phù hợp với nguồn nguyên liệu và nhu cầu tiêu thụ tại từng khu vực. Tuy nhiên, các số liệu so sánh về chi phí và năng lượng cần được hiểu trong điều kiện tính toán cụ thể. Hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào đặc tính nguyên liệu, quy mô thiết bị, giá điện, mức độ tích hợp hệ thống và yêu cầu đối với sản phẩm cuối cùng.
Mở rộng nguồn nguyên liệu và kiểm chứng hoạt tính pozzolan
Một trong những điểm đáng chú ý của phương pháp hoạt hóa lạnh là phạm vi nguyên liệu có thể xem xét. So với các công nghệ calcination thường yêu cầu nguồn đất sét có thành phần khoáng vật phù hợp, phương pháp hoạt hóa cơ học và hóa học được phát triển để xử lý nhiều loại đất sét và vật liệu aluminosilicate hơn. Trong đó có các loại đất sét có hàm lượng kaolinite thấp hoặc giàu carbonate.
Phạm vi nguyên liệu có thể bao gồm các phần mịn từ quá trình rửa khoáng, bùn, đất đá thải, trầm tích, đất đào, phụ phẩm khoáng và các vật liệu giàu thành phần sét hoặc aluminosilicate. Về mặt hóa học, nhóm nguyên liệu này chủ yếu chứa các thành phần SiO₂ và Al₂O₃ với tỷ lệ Fe₂O₃ thay đổi tùy nguồn.
Hệ thống hoạt hóa đất sét được triển khai theo cấu hình module tại Landes, Pháp.
Một cơ sở dữ liệu địa chất được xây dựng trên hàng nghìn mẫu vật liệu đất sét và aluminosilicate từ nhiều khu vực trên thế giới. Các mẫu bao gồm đá phiến, pozzolan tự nhiên, trầm tích, đất đá phủ, đất đào từ hoạt động khoan hầm, phụ phẩm rửa và các loại bùn giàu thành phần sét và carbonate. Tuy nhiên, khả năng sử dụng nguồn nguyên liệu đa dạng cũng đặt ra yêu cầu cao hơn về kiểm soát chất lượng. Vấn đề không chỉ là xác định một loại đất sét có thể hoạt hóa mà còn phải quản lý sự biến động về thành phần hóa học, khoáng vật và đặc tính vật lý.
Quy trình đánh giá vì vậy cần kết hợp phân tích vật lý, hóa học và khoáng vật học với các chỉ tiêu phản ánh độ phản ứng. Một trong các phương pháp được sử dụng là đánh giá khả năng phản ứng pozzolan của vật liệu (thử nghiệm Chapelle cải tiến) theo tiêu chuẩn NF P 18-513.
Kết quả thử nghiệm trên 3 loại đất sét có thành phần khoáng vật khác nhau cho thấy sau khi được hoạt hóa bằng phương pháp cơ học và hóa học, cả 3 mẫu đều đạt mức hoạt tính pozzolan vượt 650 - 700 mg Ca(OH)₂/g vật liệu, là mức tham chiếu thường được sử dụng đối với đất sét nung.
Kết quả này có ý nghĩa ở chỗ nó cho thấy độ phản ứng cao không nhất thiết phải đạt được thông qua hoạt hóa nhiệt. Trong các điều kiện thử nghiệm được công bố, sự kết hợp giữa biến đổi cấu trúc, tăng diện tích bề mặt phản ứng và thay đổi trạng thái bề mặt có thể tạo ra mức hoạt tính tương đương hoặc cao hơn khoảng tham chiếu của đất sét nung.
Khả năng hoạt hóa cũng được đánh giá thông qua thử nghiệm cường độ. Khi thay thế 25% xi măng CEM I 52,5R bằng đất sét hoạt hóa lạnh, 3 loại đất sét được thử nghiệm đạt chỉ số hoạt tính cường độ từ 99 - 103% sau 28 ngày. Các phép thử cường độ vữa và chỉ số hoạt tính được thực hiện theo EN 450-1/EN 196-1. Như vậy, trong các điều kiện thử nghiệm được công bố, mức thay thế 25% không làm chỉ số hoạt tính cường độ giảm xuống dưới mức tham chiếu của xi măng sử dụng trong phép thử. Đây là cơ sở kỹ thuật quan trọng để xem xét đất sét hoạt hóa như một thành phần có thể tham gia vào hệ chất kết dính.
Tuy nhiên, các kết quả này không đồng nghĩa mọi loại đất sét đều có thể đạt hiệu suất tương tự. Thành phần khoáng vật, độ ẩm, mức độ biến đổi cấu trúc và điều kiện hoạt hóa vẫn là những yếu tố quyết định hiệu quả cuối cùng.
Từ đất sét hoạt hóa đến xi măng carbon thấp
Cần phân biệt rõ giữa đất sét hoạt hóa và xi măng thành phẩm. Đất sét sau quá trình hoạt hóa là một thành phần vật liệu có thể được sử dụng trong hệ chất kết dính. Khi thay thế một phần clinker bằng thành phần này, lượng clinker cần sử dụng trên mỗi đơn vị xi măng có thể giảm xuống.
Trong quá trình hydrat hóa, các thành phần silic và nhôm hoạt tính trong đất sét có thể tham gia vào phản ứng pozzolan. Kết quả phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (SEM EDS), trên mẫu hồ xi măng sau 6 tháng cho thấy sự hình thành của các gel C-S-H và C-A-S-H, là những sản phẩm đặc trưng của quá trình hydrat hóa và phản ứng pozzolan trong hệ chất kết dính có sử dụng đất sét hoạt hóa cơ học.
Một loại xi măng clinker kết hợp với đất sét hoạt hóa được tài liệu giới thiệu có cường độ phát thải carbon khoảng 353 kg CO₂/t xi măng, trong khi duy trì hiệu suất tương đương với xi măng cấp cường độ 42,5. Con số 353 kg CO₂/tấn xi măng cho thấy tiềm năng giảm cường độ phát thải khi giảm tỷ lệ clinker trong sản phẩm. Tuy nhiên, mức phát thải cụ thể cần được xem xét cùng phạm vi tính toán, tỷ lệ clinker, nguồn nguyên liệu và nguồn năng lượng sử dụng.
Tài liệu cũng giới thiệu một dòng xi măng cấp cường độ 42,5 với mức phát thải khoảng 180 kg CO₂e/tấn sản phẩm trong định hướng phát triển tiếp theo. Tuy nhiên, đây là thông tin về một sản phẩm khác trong danh mục phát triển và không nên đồng nhất với mức 353 kg CO₂/tấn của sản phẩm được phân tích ở trên.
Một lợi thế khác của giải pháp là khả năng tổ chức sản xuất theo mô hình phân tán. Các module có thể được đặt gần mỏ nguyên liệu hoặc các khu vực tiêu thụ, qua đó rút ngắn khoảng cách vận chuyển giữa nơi xử lý nguyên liệu và nơi sử dụng sản phẩm. Cách tiếp cận này có thể đặc biệt phù hợp với các nguồn đất sét hoặc vật liệu khoáng hiện đang phải lưu trữ, tập kết hoặc chưa được tận dụng hiệu quả. Khi được xử lý thành thành phần có tính chất phù hợp cho hệ chất kết dính, những nguồn nguyên liệu này có thể trở thành một phần của chuỗi cung ứng vật liệu carbon thấp.
Mô hình phân tán cũng có thể tạo ra sự bổ trợ với các giải pháp công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS). Khi giảm lượng clinker trong xi măng, lượng CO₂ phát sinh từ quá trình sản xuất clinker cũng giảm theo. Điều này có thể làm giảm khối lượng CO₂ cần thu giữ, vận chuyển và lưu trữ trong các dự án CCUS.
Theo hướng này, giảm clinker và CCUS có thể được xem xét như hai giải pháp bổ trợ. Một mặt, việc sử dụng đất sét hoạt hóa giúp giảm phát thải ngay trong cấu trúc sản phẩm. Mặt khác, lượng clinker còn lại có thể được tiếp tục xử lý bằng các công nghệ thu giữ carbon trong các lộ trình giảm phát thải sâu hơn. Khả năng tích hợp với các cơ sở hiện hữu cũng là một hướng đáng chú ý. Các trạm nghiền hoặc cơ sở công nghiệp có thể xem xét bổ sung công đoạn hoạt hóa đất sét để phát triển các sản phẩm có tỷ lệ clinker thấp hơn mà không nhất thiết phải đầu tư một dây chuyền nung mới.
Tuy nhiên, việc tích hợp vẫn đòi hỏi một quy trình kỹ thuật tương đối đầy đủ, bao gồm đánh giá và phân loại nguồn đất sét, tối ưu hóa liều lượng tác nhân hoạt hóa, thiết kế sơ đồ công nghệ, xác định yêu cầu về điện và các tiện ích, cải tạo dây chuyền, vận hành thử, nâng công suất và kiểm soát chất lượng.
Thách thức lớn nhất của phương pháp này vì vậy không chỉ là chứng minh đất sét có thể đạt độ phản ứng cao ở nhiệt độ thường. Vấn đề quan trọng hơn là duy trì tính ổn định của nguyên liệu và chất lượng sản phẩm khi mở rộng sang nhiều nguồn đất sét có thành phần khoáng vật khác nhau.
Hoạt hóa đất sét không cần nung đang mở ra một hướng tiếp cận khác cho quá trình phát triển xi măng carbon thấp. Thay vì sử dụng nhiệt để biến đổi cấu trúc khoáng vật, giải pháp này kết hợp năng lượng cơ học với tác động hóa học để tạo ra vật liệu có độ phản ứng cao hơn.
Các số liệu được công bố cho thấy công nghệ có thể tạo ra đất sét hoạt tính với mức hoạt tính pozzolan vượt khoảng tham chiếu của đất sét nung, chỉ số hoạt tính cường độ từ 99 - 103% sau 28 ngày ở mức thay thế 25% xi măng CEM I 52,5R, đồng thời cho phép phát triển các sản phẩm xi măng có cường độ phát thải khoảng 353 kg CO₂/tấn xi măng.
Bên cạnh đó, cấu hình module công suất khoảng 0,60 triệu tấn/năm với mức đầu tư khoảng 3,5 triệu Euro cho thấy một hướng tiếp cận khác về quy mô đầu tư so với các dây chuyền xử lý nhiệt lớn. Tuy nhiên, lợi thế về chi phí và năng lượng được công bố ở mức 3 - 12 lần so với flash calcination vẫn cần được đánh giá theo từng điều kiện cụ thể về quy mô, nguyên liệu và giá năng lượng.
Nếu tiếp tục chứng minh được độ ổn định trên nhiều nguồn nguyên liệu và điều kiện vận hành, hoạt hóa đất sét ở nhiệt độ thường có thể trở thành một lựa chọn bổ sung bên cạnh đất sét nung, xỉ, tro bay và các giải pháp giảm clinker khác.
Giá trị thực tế của công nghệ sẽ phụ thuộc vào khả năng giải quyết đồng thời 3 yêu cầu: tạo ra vật liệu có độ phản ứng đủ cao, kiểm soát ổn định chất lượng khi sử dụng nguồn nguyên liệu đa dạng và đạt hiệu quả kinh tế phù hợp với từng khu vực. Đây sẽ là yếu tố quyết định liệu hoạt hóa đất sét không cần nung có thể mở rộng từ một hướng công nghệ mới thành một giải pháp thực tế trong quá trình chuyển đổi sang sản xuất xi măng carbon thấp hay không.
