Lĩnh vực sản xuất xi măng và bê tông đang chịu áp lực lớn trong việc giảm phát thải CO₂, việc tìm kiếm vật liệu thay thế cốt liệu tự nhiên và công nghệ sản xuất bền vững trở thành ưu tiên hàng đầu. Nghiên cứu mới cho thấy nước biển và CO₂ có thể tạo ra vật liệu xây dựng có khả năng lưu trữ carbon, góp phần hình thành tương lai bê tông xanh và xi măng thân thiện môi trường.
Nhóm nghiên cứu phối hợp với Đại học Northwestern (NU) đã chứng minh rằng nước biển và CO₂ có thể chuyển hóa thành vật liệu rắn thông qua phản ứng điện hóa. Trong môi trường kiểm soát, nước biển tạo ra các hạt màu sáng có cấu trúc tương tự cát, có thể thay thế một phần cốt liệu tự nhiên trong bê tông.
Việc chuyển CO₂ từ chất thải thành nguyên liệu đầu vào cho sản xuất vật liệu xây dựng mở ra hướng tiếp cận mới cho ngành xi măng.
Quá trình diễn ra khi dòng điện được đưa qua nước biển, làm phân tách nước và tạo ra các ion hydroxide khiến môi trường trở nên kiềm hơn. Đồng thời, khí CO₂ được sục vào dung dịch sẽ tạo thành các ion bicarbonate. Các ion này kết hợp với canxi và magie trong nước biển để hình thành các khoáng rắn, chủ yếu là calcium carbonate (CaCO₃), thành phần chính của đá vôi, cùng với một pha vật liệu giàu magie.
Vật liệu tạo ra có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau tùy điều kiện vận hành. Các hạt có thể hình thành dưới dạng bột mịn trong dung dịch hoặc kết tụ thành các hạt lớn bám trên điện cực. Sự thay đổi điện áp, cường độ dòng điện, lưu lượng CO₂ và tốc độ tuần hoàn nước cho phép kiểm soát chặt chẽ kích thước, hình dạng, độ xốp và thành phần hóa học của vật liệu.
Khả năng điều chỉnh này đặc biệt quan trọng với ngành xây dựng, bởi mỗi loại vật liệu như bê tông, vữa hay chất độn đều yêu cầu đặc tính hạt khác nhau. Trong bê tông truyền thống, cốt liệu như cát và sỏi chiếm khoảng 60% đến 75% thể tích. Thay thế một phần bằng vật liệu tổng hợp từ nước biển có thể giảm đáng kể nhu cầu khai thác cát tự nhiên từ sông, biển và lòng đất.
Quy trình này còn mang lại lợi ích về môi trường. Trong một số trường hợp tối ưu, vật liệu thu được có thể đạt trạng thái âm carbon, tức lưu trữ lượng CO₂ nhiều hơn lượng phát thải ra trong quá trình sản xuất. Hỗn hợp gồm CaCO₃ và vật liệu giàu magie có thể giữ lại hơn một nửa khối lượng của chính nó dưới dạng CO₂.
Sau khi xử lý bằng phản ứng carbonation, phần vật liệu giàu magie tiếp tục hấp thụ thêm CO₂, đồng thời cải thiện tính chất cơ học. Các thí nghiệm cho thấy cường độ nén của vật liệu tăng từ khoảng 200 psi (14 kg/cm²) lên hơn 870 psi (61 kg/cm²) sau quá trình này. Tuy nhiên, trong môi trường có độ kiềm cao, một số mẫu vật liệu vẫn bị suy giảm độ bền, cho thấy cần nghiên cứu thêm để đảm bảo khả năng ứng dụng lâu dài.
Khi vận hành các module sản xuất gần khu vực ven biển, phản ứng tạo ra khí hydro như sản phẩm phụ có giá trị kinh tế, góp phần nâng cao hiệu quả tổng thể của công nghệ. Các nhà nghiên cứu đề xuất thiết kế hệ thống để kiểm soát nguồn nước đầu vào, thu hồi các sản phẩm phụ và xử lý nước trước khi thải trở lại môi trường, nhằm tránh tác động tiêu cực đến hệ sinh thái biển.
Theo đánh giá của Chatham House, sản xuất xi măng hiện chiếm khoảng 8% tổng lượng phát thải CO₂ toàn cầu. Dữ liệu này giúp nhấn mạnh tiềm năng của công nghệ mới trong việc giảm gánh nặng carbon của ngành.
Ngoài ứng dụng trong bê tông, vật liệu tạo ra từ quy trình này còn có thể dùng trong sản xuất xi măng, thạch cao, sơn hoặc các dự án phục hồi công trình cần vật liệu giàu canxi và magie. Nhờ khả năng tạo hạt linh hoạt, công nghệ có thể đáp ứng nhiều chuỗi cung ứng khác nhau trong ngành vật liệu xây dựng.
Buildata
