Đột phá với xi măng xanh

Xây dựng là ngành công nghiệp chiếm 39% lượng khí thải carbon toàn cầu. Quá trình xây dựng lẫn phương pháp sản xuất vật liệu xây dựng truyền thống đều thải ra nhiều khí carbon, khiến việc cải tiến công nghệ trong ngành này đang là một trong những ưu tiên hàng đầu.

Cô Leah Ellis (trái) đang nhìn công nhân xây dựng trộn bê tông từ xi măng xanh. Nguồn David Degner

Mới đây, hai nhà nghiên cứu tới từ Viện Công nghệ Massachusetts đã tìm ra một phương pháp mới để sản xuất xi măng xanh không phát thải.

Ngành sản xuất xi măng trên toàn cầu chiếm khoảng 8% lượng khí thải carbon hằng năm. Để làm ra xi măng, người ta sẽ nung đá vôi trong lò nung ở nhiệt độ 1.450^oC, đòi hỏi nhiều nhiên liệu hóa thạch (thường là than bitum). Nhiệt độ cao như vậy không thể đạt được nếu dùng điện. Mà đá vôi là một loại đá carbonat nên khi đem nung ở nhiệt độ cao, nó sẽ giải phóng ra nhiều khí CO2. Như vậy, quá trình sản xuất xi măng thải ra khí carbon tới hai lần.

Hiện nay trên thế giới đang diễn ra một cuộc đua khử carbon cho ngành công nghiệp xi măng trị giá 410 tỷ USD. Các nhà khoa học dày công nghiên cứu nhằm tạo ra nhiều cách mới để sản xuất xi măng. Một trong những phương pháp tiên phong như vậy đã ra đời từ phòng thí nghiệm của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), với sự hợp tác của hai chuyên gia về pin là Leah Ellis và Yet-Ming Chiang.

Vào năm 2018, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Leah Ellis đã nhận được học bổng từ Chính phủ Canada và chọn MIT làm điểm đến. Tại đây, cô đã học tập và nghiên cứu với nhà phát minh Yet-Ming Chiang, giáo sư Kyocera tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu. Sau khi làm việc cùng nhau, Chiang đã nảy ra ý tưởng khám phá những cách sử dụng điện hóa để sản xuất xi măng bền vững hơn, làm sao tận dụng được năng lượng tái tạo đang ngày càng dồi dào và có giá cả phải chăng.

Cô Ellis vô cùng hứng thú với đề xuất này của giáo sư Chiang. “Tôi chọn làm việc với Yet-Ming Chiang một phần vì anh ấy có thành tích tuyệt vời về sáng tạo và hữu ích trong công việc khoa học của mình”, Ellis cho biết. “Đó là kiểu công việc mà tôi muốn: khám phá mọi thứ, vượt qua giới hạn và giải quyết vấn đề”.

Còn về lý do cho lựa chọn hướng đi của mình, giáo sư Chiang cho biết: “Xi măng là chất thải CO2lớn nhất trong thế giới vật liệu công nghiệp, và bê tông là vật liệu có khối lượng lớn nhất thế giới, chỉ sau nước, nhưng nó chưa nhận được nhiều sự chú ý về cách sản xuất xi măng có thể được điện khí hóa”.

Sau quá trình xem xét các tài liệu về hóa học và xi măng, nhóm nghiên cứu đã mạnh dạn loại bỏ cả hai nguồn phát thải là nguyên liệu đá vôi và lò nung ở nhiệt độ cao cần nhiên liệu hóa thạch. Thay vào đó, họ chọn nguồn nguyên liệu thô dồi dào là đá canxi silicat và chất thải công nghiệp như phụ xỉ từ quá trình luyện thép, tro và bụi lò nung, thậm chí cả bê tông phá dỡ. Tiếp theo, họ không dùng lò nung mà sử dụng phương pháp điện hóa chạy bằng năng lượng từ điện tái tạo để phân hủy nguyên liệu ở nhiệt độ thường thành các khoáng chất cấu thành. Sau khi đưa vật liệu vào máy điện phân sử dụng độ pH, họ chiết xuất được nhiều khoáng chất từ đá bên cạnh canxi và silicat phản ứng, bao gồm oxit sắt và magie hydroxit — cung cấp nguồn vật liệu sạch hơn, rẻ hơn, rất quan trọng cho nhiều ứng dụng công nghiệp ngày nay. Sau đó, họ đem sấy khô canxi và silicat rồi trộn chúng lại thành xi măng.

Loại xi măng mới này phản ứng với nước để đông và cứng lại giống như xi măng portland. Cấu trúc tinh thể của loại xi măng mới ra đời khác với xi măng portland truyền thống được sản xuất trong lò nung, nhưng hiệu suất và pha đông cứng của hai loại xi măng đều giống nhau. Ngoài ra, vào tháng chín năm ngoái, một cơ quan tiêu chuẩn quan trọng đã xác định loại xi măng mới này đáp ứng được các thông số kỹ thuật hiệu suất tiêu chuẩn trong ngành, cho phép vật liệu được sử dụng trong xây dựng.

“Bằng cách phân hủy khoáng chất ở nhiệt độ thường bằng phương pháp điện hóa, chúng tôi thực sự có thể sử dụng các khoáng chất chứa canxi để tạo ra xi măng chứ không dùng đá vôi, và đó là điều khiến chúng tôi đạt được mục tiêu không phát thải thay vì phát thải ròng”, Ellis giải thích.

Sau khi xác định được phương pháp sản xuất này rất có tiềm năng, Ellis và giáo sư Chiang đã công bố kết quả nghiên cứu của mình trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences. Họ cũng đã xin cấp bằng sáng chế cho quy trình từ Văn phòng cấp phép công nghệ của MIT và mở nhà máy thí điểm tại Somerville, Massachusetts. Mới đây, công ty mà nhóm nghiên cứu lập ra đã được Văn phòng Hiệu quả Công nghiệp và Giảm phát thải Carbon của Bộ Năng lượng Mỹ trao tặng 6,7 triệu USD tiền thưởng và được Bộ này tài trợ 87 triệu USD để giúp công ty phát triển công nghệ điện phân tiên tiến của mình. Nhờ vậy, họ đã mở nhà máy quy mô thương mại đầu tiên ở Holyoke, Massachusetts. Dự tính, nhà máy mới này có thể sản xuất được hàng chục ngàn tấn xi măng mỗi năm và dự kiến ​​sẽ đi vào hoạt động sớm nhất vào năm 2026.

Ellis cho biết: “Nhà máy ở Holyoke được thiết kế làm mô-đun để chúng tôi có thể lặp lại để đạt được nhà máy sản xuất một triệu tấn mỗi năm. Điều đó sẽ cho phép chúng tôi loại bỏ rủi ro mở rộng quy mô, như vậy chúng tôi có thể triển khai đồng thời trên toàn thế giới”.

Ngoài ra, cô còn cho biết chi phí sản xuất xi măng thực tế chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng chi phí làm bê tông trong các dự án xây dựng. Nhân công là một trong những khoản chi phí lớn nhất và bất kỳ điều gì gián đoạn việc đổ bê tông đều làm tăng chi phí nhân công. Đây là một số lý do khiến nhiều phương pháp ít phát thải carbon khác, dù đơn giản đến đâu, cũng khó thay thế được xi măng truyền thống, và để những phương pháp này được chấp nhận có thể mất hàng thập kỷ. Ngoài ra, còn một rào cản khác là giá thành cho những vật liệu mới thường cao hơn vật liệu truyền thống, khiến các công ty xây dựng không mấy mặn mà. Tuy nhiên, những rào cản này có thể được dỡ bỏ nếu các tập đoàn xây dựng tư nhân và nhà nước thực hiện cam kết tìm nguồn cung ứng vật liệu thải ít carbon để tạo ra tín hiệu trong ngành. Bên cạnh đó, đơn đặt hàng từ họ sẽ đem lại nguồn thu cho các công ty sản xuất vật liệu mới, giúp họ mở rộng quy mô sản xuất để cạnh tranh về chi phí với vật liệu xây dựng truyền thống.

Đứng ở góc độ vĩ mô, các công nghệ sản xuất vật liệu xanh có thể giải quyết được xung đột giữa các mục tiêu khí hậu tham vọng – giảm phát thải khí nhà kính xuống mức 0 vào năm 2050, thời hạn do Cơ quan Năng lượng Quốc tế đặt ra - và tốc độ xây dựng tòa nhà đang ngày càng tăng.

Khoahocphattrien