Nghiên cứu công nghệ điện hóa giúp giảm tới 98% phát thải CO₂ trong sản xuất clinker

Sản xuất clinker hiện là nguồn phát thải carbon lớn nhất trong ngành xi măng toàn cầu khi yêu cầu nhiệt độ nung rất cao và tạo ra lượng lớn CO₂ từ quá trình phân hủy đá vôi. Áp lực giảm phát thải cùng các mục tiêu trung hòa carbon đang thúc đẩy nhiều nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp phát triển các công nghệ xi măng phát thải thấp nhằm thay thế hoặc cải tiến quy trình sản xuất clinker truyền thống. Nghiên cứu mới của Đại học British Columbia cho thấy thêm một hướng tiếp cận mới dựa trên công nghệ điện hóa và nhiệt độ thấp trong sản xuất vật liệu kết dính.

Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học ACS Energy Letters, nhóm nghiên cứu do giáo sư Curtis Berlinguette dẫn dắt đã phát triển một hệ phản ứng điện hóa có khả năng chuyển đổi đá vôi và silica thành calcium silicate hydrate (C-S-H) ở nhiệt độ khoảng 60°C. Đây là mức nhiệt thấp hơn rất nhiều so với nhiệt độ clinker hóa trong sản xuất xi măng portland thông thường.

Sau giai đoạn phản ứng điện hóa, vật liệu thu được tiếp tục được nung ở khoảng 650°C để tạo thành belite clinker (clinker có hàm lượng C₂S cao). So với clinker portland truyền thống vốn cần nhiệt độ trên 1.400°C, quy trình mới giúp giảm đáng kể nhu cầu nhiệt năng trong quá trình sản xuất xi măng.

Belite là loại clinker có hàm lượng khoáng C₂S cao hơn clinker portland thông thường. Loại clinker này có ưu điểm yêu cầu nhiệt độ nung thấp hơn và giúp giảm phát thải carbon trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, belite clinker thường phát triển cường độ chậm hơn nên hiện vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu nhằm tối ưu khả năng ứng dụng thực tế trong ngành vật liệu xây dựng.

Nhóm nghiên cứu cho biết, công nghệ thử nghiệm có thể giúp giảm khoảng 70% nhu cầu năng lượng nhiệt so với quá trình sản xuất clinker truyền thống. Khi sử dụng xi măng thải tái chế làm nguồn nguyên liệu thay cho đá vôi tự nhiên, lượng phát thải CO₂ được mô phỏng chỉ còn khoảng 20kg CO₂/tấn xi măng, thấp hơn rất nhiều so với mức khoảng 500 - 800kg CO₂/tấn của công nghệ sản xuất hiện nay.

Một điểm đáng chú ý của quy trình điện hóa là phản ứng tạo ra hydrogen như sản phẩm phụ. Theo nhóm nghiên cứu, hydrogen có thể được tận dụng làm nguồn nhiên liệu nhiệt cho giai đoạn nung tiếp theo, qua đó tiếp tục giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất xi măng.

Giáo sư Curtis Berlinguette cho biết, nhóm nghiên cứu tập trung xử lý trực tiếp nguồn phát thải trong quá trình sản xuất xi măng thay vì chỉ giảm phát thải ở các công đoạn phụ trợ. Theo ông, việc sử dụng điện kết hợp nguyên liệu xi măng tái chế đã mở ra khả năng tạo tiền chất xi măng ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với các phương pháp trước đây để sản xuất belite clinker.

Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ hiện vẫn trong giai đoạn thử nghiệm và cần thêm thời gian để đánh giá khả năng mở rộng quy mô công nghiệp, hiệu quả kinh tế cũng như khả năng tích hợp vào hệ thống sản xuất xi măng hiện hữu. Đại học British Columbia đã nộp đơn đăng ký bằng sáng chế quốc tế cho công nghệ này, trong khi hai tác giả của nghiên cứu cũng tham gia thành lập doanh nghiệp nhằm thúc đẩy quá trình thương mại hóa trong tương lai.

Dự án nghiên cứu nhận được hỗ trợ từ nhiều tổ chức và chương trình khoa học công nghệ của Canada như Quỹ Nghiên cứu Biên giới mới, Hội đồng Nghiên cứu KHTN và Kỹ thuật Canada, Quỹ Đổi mới sáng tạo Canada cùng một số chương trình nghiên cứu cấp quốc gia khác.

Sự phát triển của các công nghệ điện hóa nhiệt độ thấp đang cho thấy xu hướng mới trong quá trình giảm phát thải ngành xi măng toàn cầu. Bên cạnh các giải pháp như sử dụng nhiên liệu thay thế, thu hồi carbon hay giảm tỷ lệ clinker, các hướng nghiên cứu tập trung thay đổi trực tiếp quy trình hình thành clinker đang được xem là một trong những giải pháp dài hạn để ngành xi măng tiến gần hơn tới mục tiêu trung hòa carbon.

Cem.Info