Kỹ thuật sản xuất bê tông giảm 30% xi măng và 30% khí thải nhà kính trong kết cấu xây dựng

Bê tông bền vững. Ảnh minh họa Engineering Interesting.

Phát minh này có ý nghĩa quan trọng vì ngành công nghiệp xi măng chiếm khoảng 8% lượng khí thải carbon dioxide trên thế giới.

Nhằm làm giảm lượng khí thải nhà kính và giúp xi măng thân thiện hơn, GS James Tour, nhà hóa học tại phòng thí nghiệm Rice thuộc Đại học Rice, Houston Mỹ, đã sáng tạo kỹ thuật loại bỏ những kim loại nặng nguy hiểm khỏi tro bay than đá, sản phẩm phụ của những nhà máy điện chạy bằng than, được sử dụng trong hỗn hợp bê tông. Tro bay than tinh khiết giúp giảm lượng xi măng cần thiết và nâng cao chất lượng bê tông.

Nghiên cứu cho thấy rằng, thay thế 30% xi măng trong bê tông bằng tro bay than đá giúp bê tông bền hơn 51% và linh hoạt hơn 28%. Ngoài ra, kỹ thuật này giúp tro bay than đá giảm 30% lượng khí thải nhà kính và 41% lượng khí thải kim loại nặng. Nhóm nhà nghiên cứu do GS James Tour dẫn đầu đã sử dụng phương pháp "gia nhiệt flash joule", một quy trình xử lý nhanh chóng và không sử dụng nước, loại bỏ tới 90% kim loại nặng trong tro bay than đá, khiến nguyên vật liệu phù hợp hơn cho những ứng dụng xây dựng cơ sở hạ tầng.

Quá trình này bao gồm trộn tro bay với muội than, khiến hỗn hợp có tính dẫn điện, đặt hỗn hợp vào giữa hai điện cực và cung cấp một xung dòng điện ngắn. Tác dụng của dòng điện làm tăng nhiệt độ lên khoảng 5432 °F (3000 °C), khiến các kim loại nặng bay hơi và bị thu giữ. Hiệu quả loại bỏ các kim loại nặng khác nhau trong khoảng từ 70 % đến 90 % chỉ trong 1 giây.

Gia nhiệt flash joule hoạt động đối với mọi thành phần tro bay than khác nhau, không phụ thuộc vào nguồn gốc địa lý của than. Phương pháp này có hiệu quả đối với tro bay than đá Loại C và Loại F cùng với các chất thải nguy hại khác như bùn đỏ hoặc cặn bauxite, cho thấy tiềm năng khử ô nhiễm chất thải rắn công nghiệp quy mô lớn của kỹ thuật này.

Tro bay than sạch thân thiện với môi trường, khiến bê tông chắc chắn và bền hơn. Khi 30% xi măng trong bê tông được thay thế bằng tro bay than sạch, cường độ nén và module đàn hồi của vật liệu tăng lên rất nhiều. Những đặc tính này có ý nghĩa quan trọng đối với kỹ thuật kết cấu và ngành xây dựng, do những kết cấu chắc chắn khối lượng lớn có thể được xây dựng bằng với khả năng sử dụng ít xi măng hơn.

Quá trình này cũng cho phép đưa những kim loại nặng độc hại đã bay hơi vào buồng chân không để ngăn chất độc xâm nhập môi trường. Một ưu điểm đáng kể là năng lượng tiêu thụ trong quá trình này tương đối thấp, khoảng 532 kilowatt/tấn.

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng về bảo vệ môi trường trong quá trình phát triển hạ tầng do kỹ thuật cắt giảm ô nhiễm trong sản xuất xi măng do giảm được đến 30% xi măng trong kết cấu, hơn thế nữa, kỹ thuật cũng giúp điện than không thải kim loại nặng độc hại vào môi trường.