Trong ngành xây dựng các công trình dân dụng, xi măng là vật liệu chính để xây cầu đường, nhà cao tầng, các con kênh, ... Xi măng là 1 thành phần cơ bản của bê tông, xi măng sẽ phản ứng thủy hóa với nước tạo thành keo giúp kết dính các cốt liệu như cát với đá lại thành một khối bê tông, từ đó xây dựng thành các công trình vững chắc.
Xi măng là hỗn hợp của canxi, silic, nhôm, sắt và các thành phần khác, hỗn hợp này có sự kết hợp hóa học chặt chẽ với nhau. Các cốt liệu thông dụng để chế tạo sản phẩm xi măng bao gồm đá vôi, vỏ sò, đá phấn hoặc đá cẩm thạch cùng với đá phiến sét, đá phiến, cát silica và quặng sắt. Những thành phần này, khi được nung nóng ở nhiệt độ cao, tạo thành một chất dạng đá giống như chất bột mịn mà chúng ta gọi là xi măng.
Tuy nhiên, quá trình khai thác các cốt liệu chế xuất (như quặng sắt, tro bay và đất, silic), nhất là đá vôi (đã được nghiền nát), cũng như nung nóng tất cả các thành phần trên lên khoảng 1480oC trong các lò quay hình trụ bằng thép có lớp lót bằng gạch chịu lửa đặc biệt để tạo ra xi măng, nhiệt độ này đạt được là bắt nguồn từ phản ứng hóa học gọi là phản ứng khử cacbon và phản ứng này còn thải ra khí CO2, nhiệt độ cao trong lò làm cho nguyên liệu nhão ra, chuỗi phản ứng hóa học giữa Ca và SiO2 tạo ra thành phần chính trong xi măng (CaSiO3). Như vậy, ngoài một số nguyên tố sẽ được loại bỏ dưới dạng khí, các nguyên tố còn lại kết hợp cùng với nhau để tạo thành một chất mới gọi là clinker hay còn gọi là xi măng chưa nung. Tiếp đó, Clinker ra khỏi lò có hình dạng như quả bóng màu xám và có kích thước tương tự như một viên bi. Clinker sẽ được làm mát từ ngăn dưới của lò nung và được xử lý nhiệt độ bằng bộ làm mát. Không khí nóng từ bộ làm mát được quay trở lại lò, một chu trình tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu suất khí đốt. Sau lúc clinker được làm lạnh, nhà máy xi măng sẽ nghiền nó và trộn nó với một lượng nhỏ canxi sunfat và đá vôi, Clinker lúc này đã sẵn sàng để sử dụng trong nhiều dự án xây dựng.
Quá trình sản xuất xi măng như trên đòi hỏi phải qua nhiều khâu phức tạp gây hao tốn kinh phí và tác động cũng như ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường, gây ô nhiễm môi trường sống, ô nhiễm nguồn nước, đất và không khí (do thải ra khí CO2),... ảnh hưởng đến sức khỏe con người và làm giảm chất lượng của cuộc sống vì quá trình sản xuất gạch truyền thống bằng cách nung sẽ tạo ra khí CO2 làm ô nhiễm môi trường và sản xuất xi măng sử dụng nguyên liệu hóa thạch...
Vì những lý do nêu trên, các nghiên cứu xi măng sinh học được giới khoa học trên thế giới thực hiện từ nhiều năm nay. Tại Mỹ, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Colorado Boulder, Đại học North Carolina Wilmington và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ đã nghiên cứu thành công phương pháp sản xuất xi măng có từ đá vôi sinh học. Sản phẩm xi măng làm từ đá vôi sinh học hứa hẹn có thể giúp giải quyết được bài toán giá nguyên liệu đầu vào trong sản xuất xi măng tăng cao như hiện nay. Ngoài ra, còn giúp giảm thiểu đáng kể tình trạng ô nhiễm môi trường trong quá trình sản xuất loại vật liệu này.
Tại Việt Nam, nhóm sinh viên của Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng gồm Nguyễn Lê Quốc Anh và Ngô Hữu Hoàng đã hình thành, nung nấu ý tưởng tìm nguyên liệu sinh học để chế tạo xi măng thay cho xi măng truyền thống (xi măng dùng nguyên liệu hoá thạch) nhằm giảm thiểu gây ô nhiễm môi trường. Nhóm đã nghiên cứu, chế tạo bước đầu thành công sản phẩm công nghệ xi măng sinh học từ nguyên liệu hạt đậu nành (đậu tương), bằng cách chiết enzyme urease từ hạt đậu nành khi nhận thấy enzyme urease trong hạt có khả năng kết dính tốt để tạo ra chất kết dính tốt, tương tự xi măng, giúp kết dính cát tạo thành khối có độ cứng, không thấm nước, có thể phát triển thay thế xi măng truyền thống, đây là loại vật liệu từ thực vật, thân thiện môi trường.
Theo nghiên cứu của nhóm, loại enzyme này phổ biến trong các vi sinh vật, thực vật nhưng ở hạt đậu nành có hàm lượng cao hơn. Trong quá trình nghiên cứu, nhóm đã tiến hành chiết xuất dung dịch enzyme urease từ đậu nành, sau đó bơm vào mẫu cát. Sau một giờ, xả toàn bộ dung dịch enzyme ra khỏi các mẫu và bơm hợp chất Urea + CaCl2 (tỷ lệ 1: 1). Từ đây Calcium carbonate (CaCO3) sinh ra trong các phản ứng hóa sinh sẽ làm cát dính lại với nhau. Ngoài việc kết dính, kết tủa CaCO3 đồng thời sẽ chèn vào các lỗ rỗng giữa các hạt trong cả khối cát nhằm giảm tính thấm của khối cát, khi khối cát hoá rắn, nó được tăng cường độ nén cùng với việc giảm tính thấm sẽ tăng tính ổn định, giảm sự xói hạt do dòng thấm đi qua khối cát. Chất kết dính này có thể sử dụng gia cố các khu vực kè bị sạt lở trên bờ biển vì nó có thể hóa rắn cát trong khu vực, giảm chi phí thi công làm kè.
Nhóm đã cải tiến quy trình chiết tách enzyme bằng cách li tâm toàn bộ dung dịch sau khi chiết xuất với tốc độ quay 4000 vòng/phút. Điều này giúp dung dịch enzyme chiết xuất từ đậu nành hoạt động tốt hơn và có khả năng sử dụng làm vật liệu cho xi măng sinh học. Trong quá trình triển khai, nhóm tiến hành các thí nghiệm đo cường độ nén và tính thấm của cát sau khi hóa rắn thông qua các thí nghiệm nén một trục, tính thấm của đất và các phân tích vi cấu trúc (SEM và XRD), đồng thời đánh giá tính bền vững về mặt kinh tế và môi trường của sản phẩm. Kết quả, vật liệu xi măng sinh học từ hạt đậu nành đảm bảo một số điều kiện để ứng dụng trong gia cố bờ biển sạt lở, gia cố nền... xi măng sinh học hứa hẹn sẽ là một loại chất kết dính có thể thay thế xi măng portland thông thường cho các công trình xây dựng trong tương lai. Hiện nhóm mới ứng dụng trên cát chuẩn TCVN 6227:1996. Tương lai, nhóm sẽ sử dụng xi măng sinh học hóa rắn cát tự nhiên, đồng thời bước đầu thử nghiệm khả năng chống xói đối với các mô hình dốc để ứng dụng trong gia cố nền trong lĩnh vực xây dựng.
Có thể khẳng định, hướng nghiên cứu của nhóm rất tiềm năng, có khả năng ứng dụng cao. Tuy nhiên, theo các chuyên gia, để ứng dụng xi măng sinh học tại dự án xây dựng, cần tối ưu được kỹ thuật sản xuất và bảo quản nguồn nguyên liệu sinh học cũng như chuẩn hóa công thức cho các loại vật liệu khác nhau. Công nghệ xi măng sinh học chế tạo từ enzyme urease hạt đậu nành đã mở ra hướng đi mới về nghiên cứu chế tạo vật liệu xây dựng từ nguồn gốc sinh học là giải pháp bền vững, tạo nên những bước tiến mới, bắt kịp với xu thế của thời đại, chung tay bảo vệ môi trường và phát triển những công trình xanh.
Đối với xi măng sinh học làm từ đậu nành có nguồn nguyên liệu dễ tìm kiếm và nhiều mặt lợi ích tích cực. Hơn nữa, theo khảo sát thì hiện tại ở Việt Nam chưa có một nghiên cứu mang tính hệ thống về xi măng sinh học và các ứng dụng của nó. Đây là một nghiên cứu tiềm năng, tiên phong tại Việt Nam về chất kết dính xi măng sinh học, hứa hẹn sẽ là một loại chất kết dính có thể thay thế xi măng portland thông thường cho các công trình xây dựng trong tương lai.
Với nguồn nguyên liệu đậu tương, Hà Giang hiện đứng đầu cả nước về diện tích và sản lượng (23.853ha, năng suất 12,64tạ/ha, sản lượng 30.160 tấn). Trong đó, huyện Hoàng Su Phì có diện tích, năng suất và sản lượng lớn nhất toàn tỉnh. Với tổng diện tích canh tác toàn huyện đạt 5.400ha, trong đó đậu tương xuân 2.600ha và đậu tương hè thu 2.800ha, năng suất bình quân 1,52 tấn/ha, sản lượng trên 8.000 tấn/năm, đóng góp 16-18% cho tổng giá trị thu nhập của hộ gia đình. Cây đậu tương đã được tỉnh Hà Giang nói chung và Hoàng Su Phì nói riêng xác định là một trong cây trồng mang tính đột phá giúp nông dân phát triển kinh tế, xóa đói giảm nghèo.
Từ những mặt thuận lợi nêu trên, hi vọng rằng cùng với lợi thế sẵn có, trong tương lai không xa, tỉnh Hà Giang sẽ có khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu khoa học, tạo ra được sản phẩm xi măng sinh học từ chính nguồn nguyên liệu đậu tương sẵn có hoặc trở thành tỉnh có vùng cung cấp nguyên liệu tiềm năng để tạo ra xi măng sinh học, góp phần bảo vệ môi trường, cải thiện đời sống, nâng cao thu nhập cho người dân./.
Nguồn tin:
.jpg)
