Vật liệu mới có thể làm cho bê tông và xi măng thân thiện hơn với khí hậu

Khi khí hậu tiếp tục ấm lên, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang tìm kiếm những cách để thu giữ CO2 từ khí quyển và lưu trữ dưới lòng đất. Mặc dù phương pháp này mang lại một số lợi ích về khí hậu, nhưng nó không tận dụng hết giá trị tiềm năng của CO2 trong khí quyển.

Phương pháp mới của các nhà khoa học đến từ Đại học Northwestern đã giải quyết vấn đề này bằng cách khóa vĩnh viễn CO2 và chuyển đổi nó thành các vật liệu hữu ích có thể được sử dụng để sản xuất bê tông, xi măng, thạch cao và sơn. Quá trình này cũng tạo ra khí hydro, một loại nhiên liệu sạch có nhiều ứng dụng, bao gồm cả vận tải. Nghiên cứu công bố tháng 3 trên tạp chí Advanced Sustainable Systems.

Nhà khoa học Alessandro Rotta Loria đến từ Đại học Northwestern, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã phát triển một phương pháp tiếp cận mới cho phép sử dụng nước biển để tạo ra các vật liệu xây dựng mà giúp làm giảm lượng carbon. Xi măng, bê tông, sơn và thạch cao thường được tạo thành hoặc có nguồn gốc từ các khoáng chất gốc canxi và magiê, và có nguồn gốc từ cốt liệu (hay gọi là cát). Hiện tại, cát có nguồn gốc thông qua khai thác từ núi, lòng sông, bờ biển và đáy đại dương. Chúng tôi đã đưa ra một phương pháp tiếp cận thay thế để tìm nguồn cát, không phải bằng cách đào sâu vào lòng đất mà bằng cách sử dụng điện và CO2 để tạo ra các vật liệu giống cát trong nước biển”.

Khoa học lấy cảm hứng từ vỏ sò

Nghiên cứu mới này dựa trên công trình trước đây của phòng thí nghiệm Rotta Loria nhằm lưu trữ CO2 lâu dài trong bê tông và điện hóa nước biển để xi măng hóa đất biển. Hiện tại, ông tận dụng những hiểu biết sâu sắc từ hai dự án đó bằng cách đưa CO2 vào trong khi áp dụng điện vào nước biển trong phòng thí nghiệm.

Rotta Loria cho biết: “Nhóm nghiên cứu của chúng tôi cố gắng sử dụng điện để cải tiến các quy trình xây dựng và công nghiệp. Chúng tôi cũng thích sử dụng nước biển vì đây là nguồn tài nguyên thiên nhiên dồi dào. Nó không khan hiếm như nước ngọt”.

Vật liệu có thể chứa hơn một nửa trọng lượng của nó là CO2, vật liệu có thể thay thế cho cát trong bê tông và vật liệu xây dựng khác trong khí giữ lại được khí thải nhà kính. Ảnh: Đại học Northwestern

Để tạo ra vật liệu carbon-negative (vật liệu giúp làm giảm khí thải carbon và loại bỏ chúng trong không khí) , các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách đưa các điện cực vào nước biển và sử dụng dòng điện thấp. Dòng điện thấp phân tách các phân tử nước thành khí hydro và các ion hydroxide. Trong khi vẫn duy trì dòng điện, các nhà nghiên cứu đã sục khí CO2 thông qua nước biển này. Quá trình đó đã thay đổi thành phần hóa học của nước, làm tăng nồng độ các ion bicarbonate.

Cuối cùng, các ion hydroxide và ion bicarbonate phản ứng với các ion hòa tan khác, chẳng hạn như canxi và magiê, có trong nước biển. Phản ứng sản xuất ra các khoáng chất rắn, bao gồm canxi cacbonat và magiê hydroxit. Canxi cacbonat hoạt động trực tiếp như một bồn chứa carbon, trong khi magiê hydroxit cô lập carbon thông qua các tương tác tiếp theo với CO2.

Rotta Loria ví quá trình này giống như kỹ thuật mà san hô và động vật thân mềm sử dụng để tạo thành vỏ của chúng, khai thác năng lượng trao đổi chất để chuyển đổi các ion hòa tan thành canxi cacbonat. Nhưng thay vì năng lượng trao đổi chất, các nhà nghiên cứu đã sử dụng năng lượng điện để bắt đầu quá trình và thúc đẩy quá trình khoáng hóa bằng cách phun vào CO2.

Khám phá kép

Thông qua thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã có hai khám phá quan trọng. Họ không chỉ có thể phát triển các khoáng chất này thành cát mà còn có thể thay đổi thành phần của các vật liệu này bằng cách kiểm soát các yếu tố thử nghiệm, bao gồm điện áp và dòng điện, lưu lượng, thời gian và thời lượng phun CO2, lưu lượng, thời gian và thời lượng tuần hoàn nước biển trong lò phản ứng.

Tùy thuộc vào các điều kiện, các chất thu được có dạng bông và xốp hơn hoặc đặc hơn và cứng hơn, nhưng chủ yếu luôn bao gồm canxi cacbonat và/hoặc magiê hydroxit. Các nhà nghiên cứu có thể phát triển các vật liệu xung quanh điện cực hoặc trực tiếp trong dung dịch.

Rotta Loria cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng khi tạo ra các vật liệu này, chúng tôi có thể kiểm soát hoàn toàn các đặc tính của chúng, chẳng hạn như thành phần hóa học, kích thước, hình dạng và độ xốp. Điều đó mang lại một số tính linh hoạt để phát triển các vật liệu phù hợp với các ứng dụng khác nhau”.

Những vật liệu này có thể được sử dụng trong bê tông để thay thế cho cát và/hoặc sỏi (một thành phần quan trọng chiếm 60-70% vật liệu xây dựng phổ biến này. Hoặc chúng có thể được sử dụng để sản xuất xi măng, thạch cao và sơn), tất cả đều là những vật liệu hoàn thiện bề mặt thiết yếu trong môi trường xây dựng.

Lưu trữ carbon trong các cấu trúc

Tùy thuộc vào tỷ lệ khoáng chất, vật liệu có thể chứa hơn một nửa trọng lượng của nó là CO2. Ví dụ, với thành phần gồm một nửa canxi cacbonat và một nửa magiê hydroxit, 1 tấn vật liệu có khả năng lưu trữ hơn một nửa tấn CO2. Rotta Loria cũng cho biết vật liệu này, nếu được sử dụng để thay thế cát hoặc bột, sẽ không làm suy yếu độ bền của bê tông hoặc xi măng.

Rotta Loria hình dung ngành công nghiệp có thể áp dụng kỹ thuật này trong các lò phản ứng mô-đun có khả năng mở rộng cao, không thực hiện trực tiếp vào đại dương, để tránh làm xáo trộn hệ sinh thái và sinh vật biển. “Cách tiếp cận này sẽ cho phép kiểm soát toàn bộ thành phần hóa học của các nguồn nước và nước thải, nước này sẽ được đưa trở lại vào nước biển chỉ sau khi được xử lý đầy đủ và xác minh môi trường”, ông cho biết.

Theo Diễn đàn Kinh tế Thế giới, ngành xi măng chịu trách nhiệm cho 8% lượng khí thải CO2 toàn cầu, là ngành phát thải carbon lớn thứ tư thế giới. Khi kết hợp với sản xuất bê tông, con số này thậm chí còn cao hơn. Rotta Loria dự kiến sẽ đưa một phần CO2 đó vào bê tông và xi măng để tạo ra vật liệu bền vững hơn cho xây dựng và sản xuất.

“Chúng ta có thể tạo ra một vòng tuần hoàn nơi chúng ta cô lập CO2 ngay tại nguồn,” Rotta Loria cho biết. “Và nếu các nhà máy bê tông và xi măng nằm bên bờ biển, chúng ta có thể sử dụng đại dương ngay bên cạnh chúng để cung cấp cho các lò phản ứng chuyên dụng, nơi CO2 được chuyển đổi thông qua điện sạch thành các vật liệu có thể được sử dụng cho vô số ứng dụng trong ngành xây dựng. Khi đó, những vật liệu đó thực sự sẽ trở thành bồn chứa carbon.”

Tài liệu tham khảo: “Electrodeposition of Carbon-Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections” by Nishu Devi, Xiaohui Gong, Daiki Shoji, Amy Wagner, Alexandre Guerini, Davide Zampini, Jeffrey Lopez and Alessandro F. Rotta Loria, 18 March 2025, Advanced Sustainable Systems.
DOI: 10.1002/adsu.202400943

Nguồn tin: https://scitechdaily.com/scientists-develop-new-material-that-could-make-concrete-and-cement-more-climate-friendly/