» Các nhà nghiên cứu tại Đại học British Columbia (UBC, Canada) vừa phát triển thành công một hệ thống điện hóa có khả năng tái chế xi măng thải thành nguyên liệu đầu vào cho sản xuất clinker mới. Bằng cách khai thác trực tiếp canxi từ xi măng cũ, công nghệ này loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng đá vôi và lò nung nhiên liệu hóa thạch, mở ra hướng đi đột phá giúp ngành xi măng tiến gần hơn đến mục tiêu phát thải ròng bằng 0.
Trong nỗ lực khử carbon ngành vật liệu xây dựng, tái chế xi măng bằng phương pháp điện hóa được xem là bước tiến công nghệ giúp sản xuất clinker thân thiện môi trường hơn. Quy trình này không chỉ giảm phát thải CO₂ mà còn thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn cho ngành xi măng.
Theo nhóm nghiên cứu từ Đại học British Columbia, hệ thống điện hóa do họ phát triển có khả năng tái chế xi măng phế thải thành tiền chất clinker có lượng phát thải thấp. Quy trình này chiết xuất canxi trực tiếp từ xi măng cũ, thay vì từ đá vôi (CaCO₃) như trong công nghệ truyền thống. Việc loại bỏ khâu nung đá vôi ở nhiệt độ trên 900°C và giai đoạn tạo clinker ở hơn 1.450°C giúp giảm đáng kể phát thải CO₂ và nhu cầu năng lượng.
Nguồn canxi được lấy từ xi măng thải trong xây dựng, vật liệu chưa sử dụng hoặc bê tông phá dỡ, vốn chứa các hợp chất canxi silicat hydrat có thể phân hủy mà không sinh CO₂. Theo ước tính, mỗi năm thế giới phát sinh khoảng 120 - 200 triệu tấn xi măng mới và tới 10 tỷ tấn bê tông thải, là nguồn nguyên liệu dồi dào cho hệ thống tái chế xi măng bằng phương pháp điện hóa.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications cho thấy, hệ thống tái chế có thể giảm tới 99,8% lượng CO₂ khi xử lý xi măng thải mới và khoảng 80% đối với vật liệu đã cũ. Nếu được ứng dụng quy mô lớn, công nghệ này có thể giúp giảm 0,3 - 0,9 tỷ tấn CO₂ mỗi năm trên phạm vi toàn cầu.
Cấu trúc của hệ thống tái chế xi măng gồm 3 thành phần chính: bộ điện phân xi măng, buồng chiết xuất canxi và bộ tách vôi. Quá trình điện phân tạo ra axit và bazơ từ nước, giúp phân tách xi măng thải thành canxi hydroxit (Ca(OH)₂) và SiO₂ là 2 nguyên liệu thiết yếu để sản xuất clinker. Hệ thống sử dụng điện cực bọt niken, màng trao đổi ion (cation exchange membrane) và màng lưỡng cực (bipolar membrane), hoạt động trong dung dịch KOH có nồng độ 3 mol/lít, tuần hoàn khép kín.
Màng lưỡng cực phân tách nước thành ion H⁺ và OH⁻. Ion H⁺ hòa tan canxi từ xi măng nghiền mịn (kích thước 1 - 5 mm), tạo ion Ca²⁺ di chuyển về phía catot, nơi chúng kết hợp với OH⁻ để tạo thành Ca(OH)₂. Trước khi vận hành, dung dịch điện giải được ổn định bằng 0,2 mol/lít CaCl₂ nhằm duy trì nồng độ canxi và quá trình kết tủa ổn định.
Các mẫu xi măng mới được chuẩn bị từ 3 loại xi măng thương mại phổ biến tại Bắc Mỹ gồm xi măng portland trắng, xi măng portland St. Marys và xi măng đông kết nhanh Rapid Set CEMENT ALL. Các mẫu được hydrat hóa và dưỡng hộ trong 28 ngày trước khi đưa vào thử nghiệm. Các mẫu xi măng cũ được thu thập từ công trình phá dỡ, có hàm lượng CaCO₃ cao hơn do bị cacbonat hóa tự nhiên trong quá trình sử dụng.
Ở mật độ dòng điện 200 mA/cm², hệ thống cho hiệu suất thu hồi Ca(OH)₂ đạt 66 - 80% với xi măng mới và khoảng 55% với xi măng cũ. Độ tinh khiết Ca(OH)₂ đạt 79 - 92%, vượt tiêu chuẩn EN 197-1 (≥75%) cho nguyên liệu clinker.
Kết quả phân tích khí cho thấy phát thải CO₂ gần như bằng 0 (<280 ppm) đối với xi măng mới và thấp hơn đáng kể (1.500 - 4.200 ppm) đối với xi măng cũ so với quy trình dùng đá vôi tự nhiên. Hệ thống vận hành ổn định hơn 100 giờ liên tục nhờ lớp phủ PTFE và polyaniline chống bám cặn, giúp duy trì điện áp và nâng cao độ bền. Hiệu suất năng lượng đạt 22 - 40%, tùy vào mật độ dòng điện.
Ngoài việc giảm phát thải, công nghệ này còn thúc đẩy tính tuần hoàn trong ngành xây dựng. Bằng cách tái sử dụng xi măng thải, hệ thống giúp giảm khối lượng rác thải chôn lấp, giảm phụ thuộc vào nguồn đá vôi nguyên sinh và nhiên liệu hóa thạch. Lượng hydro và oxy sinh ra trong quá trình điện phân có thể được tận dụng làm nhiên liệu cho lò nung, trong khi SiO₂ thu hồi được có thể tái tích hợp vào bê tông mới, khép kín vòng tuần hoàn vật liệu.
Nghiên cứu từ Đại học British Columbia khẳng định, tính khả thi của việc tái chế điện hóa xi măng phế thải thành tiền chất clinker tinh khiết cao, mở ra bước tiến lớn hướng tới sản xuất xi măng trung hòa carbon. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cho rằng cần tiếp tục tối ưu hóa thiết kế thiết bị, dòng chảy và hệ thống chống bám cặn quy mô công nghiệp trước khi thương mại hóa.
Với khả năng biến chất thải thành tài nguyên và thay thế hoàn toàn các nguyên liệu phát thải cao, hệ thống tái chế xi măng của UBC được kỳ vọng sẽ trở thành hình mẫu cho ngành vật liệu xây dựng trong kỷ nguyên kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững.
Theo azobuild.com
