Sử dụng đất sét hoạt tính trong xi măng để khử carbon

Đất sét hoạt tính và các SCM khác được sử dụng trong nhiều loại xi măng khác nhau, như xi măng portland thường (OPC), xi măng pozzolan portland (PPC), xi măng xỉ portland (PSC) và xi măng đất sét nung đá vôi (LC3).

Vai trò của đất sét hoạt tính trong ngành Xi măng

Thị trường xi măng toàn cầu dự kiến sẽ đạt 682,3 tỷ USD vào năm 2025 do tốc độ của quá trình đô thị hóa và cơ sở hạ tầng được thúc đẩy nhanh chóng, rộng khắp trên các nền kinh tế đang phát triển. Tuy nhiên, sự tăng trưởng của ngành này sẽ bị hạn chế bởi các quy định nghiêm ngặt về môi trường và nhu cầu cấp thiết để tiết giảm phát thải carbon. Thỏa thuận chung Paris và các chính sách của từng quốc gia đều nhằm mục đích hạn chế sự nóng lên toàn cầu ở mức dưới 2°C, với các nỗ lực hạn chế ở mức 1,5°C. Để đạt được điều này, ngành Xi măng toàn cầu phải giảm ít nhất 16% lượng khí thải carbon vào năm 2030 và đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.

Với mục tiêu giảm phát thải đầy tham vọng như vậy đã buộc ngành Xi măng phải đổi mới và áp dụng các công nghệ sản xuất xanh hơn, với tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) cho thị trường đất sét hoạt tính là 8%.

Tại các thị trường phát triển như châu Âu, CEMBUREAU (Hiệp hội Xi măng châu Âu) đã đi đầu trong việc thúc đẩy các hoạt động sản xuất xi măng bền vững. Hệ thống giao dịch khí thải của Liên minh châu Âu đã đặt ra mức giới hạn cho lượng khí thải CO_₂, thúc đẩy các công ty như Holcim và Heidelberg Materials đầu tư vào việc phát triển xi măng đất sét nung đá vôi và các loại xi măng ít carbon khác. 

Ví dụ, sáng kiến “Xi măng xanh” của Holcim đặt mục tiêu giảm 25% lượng khí thải CO_₂ vào năm 2030 bằng cách sử dụng SCM, bao gồm cả đất sét hoạt tính. Tương tự như vậy, tại Bắc Mỹ, Hiệp hội Xi măng Portland đã cam kết xây dựng lộ trình trung hòa carbon vào năm 2050. Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ cũng đã thiết lập chương trình ENERGY STAR cho ngành Xi măng, khuyến khích áp dụng các công nghệ tiết kiệm năng lượng. Các công ty như Cemex USA đang tìm hiểu việc sử dụng meta cao lanh để sản xuất các sản phẩm xi măng bền vững hơn. Các sáng kiến, nghiên cứu hợp tác với các trường đại học tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất của đất sét hoạt tính trong xi măng.

Các thị trường mới nổi tại khu vực châu Á - Thái Bình Dương như Trung Quốc và Ấn Độ là những nước sản xuất và tiêu thụ xi măng lớn nhất. 2 quốc gia này đều đang thực hiện các chính sách nhằm hạn chế phát thải CO_₂. Bộ Sinh thái và Môi trường Trung Quốc đã đặt ra các tiêu chuẩn phát thải nghiêm ngặt, thúc đẩy ngành công nghiệp hướng tới các công nghệ sản xuất xanh hơn. Kế hoạch hành động quốc gia về biến đổi khí hậu của Chính phủ Ấn Độ nhằm thúc đẩy việc sử dụng xi măng hỗn hợp như PPC và PSC. Các công ty xi măng Ấn Độ như UltraTech Cement và ACC đang tích cực kết hợp meta cao lanh và các vật liệu kết dính bổ sung khác để đáp ứng các tiêu chuẩn này. 

Ở Mỹ Latinh, các nước như Brazil và Mexico đang từng bước giảm lượng khí thải carbon trong ngành Xi măng. Hiệp hội Công nghiệp Xi măng quốc gia Brazil đã có các sáng kiến nhằm thúc đẩy việc sử dụng các vật liệu thay thế. Các công ty như Votorantim Cimentos đang đầu tư vào sản xuất đát sét hoạt tính để đạt được các mục tiêu phát triển bền vững.

Việc sử dụng đất sét hoạt tính đòi hỏi các kỹ thuật phân tích tiên tiến như nhiễu xạ tia X (XRD), để phân tích thực hiện chiến lược khử carbon. Đất sét hoạt tính đang ngày càng được ưa chuộng như các giải pháp thay thế bền vững cho clinker truyền thống. Việc sử dụng SCM như meta cao lanh có thể làm giảm đáng kể hệ số clinker trong xi măng, do đó làm giảm lượng khí thải CO_₂ và chi phí sản xuất.

Ví dụ, xi măng đất sét hoạt tính, kết hợp đá vôi và đất sét nung, có thể giảm lượng khí thải CO_₂ tới 40% so với OPC, đồng thời cũng rẻ hơn 10%. Việc áp dụng PPC và PSC, kết hợp vật liệu puzolan và xỉ tương ứng, cũng góp phần làm giảm phát thải CO_₂. Cả hai đều có mức chi phí tương tự so với đất sét hoạt tính và trong một số trường hợp, thậm chí có thể rẻ hơn. Trong bối cảnh này, việc đảm bảo chất lượng và hiệu suất của các vật liệu thay thế này là rất quan trọng và đây là lúc phân tích XRD thường quy trở nên không thể thiếu.

Đất sét hoạt tính và lợi ích

Đất sét hoạt tính, chẳng hạn như meta cao lanh đã chứng minh tiềm năng đáng kể trong ngành Xi măng. Việc sản xuất các vật liệu này thường liên quan đến việc nung các loại đất sét khác nhau ở nhiệt độ từ 600°C đến 900°C, tại đó chúng phân hủy và tạo thành aluminosilicat vô định hình. Quá trình này có thể được tối ưu hóa để tăng cường khả năng phản ứng và hoạt tính puzzolan của chúng. Trong quá trình này, aluminosilicat vô hình được hình thành, có khả năng phản ứng puzzolan cao. Một số nghiên cứu đã xem xét tác động của các loại đất sét hoạt tính đến các đặc tính của vật liệu composite xi măng. Ví dụ, nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thay thế 10 - 20% xi măng portland bằng đất sét hoạt tính có thể làm tăng cường độ nén và độ bền của bê tông. Sự cải thiện này là do phản ứng puzzolan giữa đất sét hoạt tính và canxi hydroxit được tạo ra trong quá trình hydrat hóa xi măng, dẫn đến sự hình thành thêm gel canxi silicat hydrat (CSH).

Hơn nữa, đất sét hoạt tính đã được phát hiện có khả năng cải thiện khả năng chống chịu của bê tông đối với các tác động hóa học, chẳng hạn như sự xâm nhập của sunfat và clorua. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công trình tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt, vì nó kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì. Meta cao lanh là một ví dụ cụ thể về đất sét hoạt tính, đã được nghiên cứu rộng rãi và cho thấy triển vọng đáng kể trong các ứng dụng này. Tuy nhiên, phạm vi rộng hơn của đất sét hoạt tính vẫn tiếp tục mở ra những cơ hội đáng kể để nâng cao hiệu suất và tính bền vững của vật liệu xi măng.

ximang.vn (TH/ Worldcement)