Phụ gia thu giữ CO2 trong quá trình sản xuất bê tông

Trong bài viết này, Tim Sperry, Công ty Carbon Limit, sẽ trình bày cách thức kết hợp công nghệ thu giữ khí trực tiếp (DAC) với quá trình khoáng hóa carbon có thể giúp giảm thiểu dấu chân carbon liên quan tới quá trình sản xuất xi măng và bê tông.

Đã 200 năm kể từ khi phát minh ra xi măng portlant, bắt đầu từ bằng sáng chế năm 1824 của Joseph Aspdin (Sự cải tiến về phương thức sản xuất đá nhân tạo). Ông Aspdin đã mô tả trong bằng sáng chế của ông về quá trình nung đá vôi, mà đã được khai thác vào thời điểm đó trên đảo Portland ở Dorset, nước Anh.

Các lò quay xi măng đầu tiên đã đi vào vận hành vào cuối thế kỷ 19. Điều đáng lưu ý rằng, từ thế kỷ 11, cho đến giữa thế kỷ 19, mức CO_₂ trong khí quyển vẫn duy trì dưới 285 ppm.¹ Tuy nhiên, kể từ lúc Viện Hải dương học Scripps triển khai đo trực tiếp CO_₂ trong khí quyển vào năm 1958 (315 ppm), sau đó là NOAA (cơ quan Quản lý Đại dương và Khí quyển Quốc gia) tại Đài quan sát Mauna Loa, mức CO_₂ hiện nay đã đạt là 425 ppm; đã quan sát thấy tăng 34,9% chỉ trong 66 năm.²

Việc sản xuất clinker xi măng portland có tỷ lệ phân tử Ca/Si cao, tạo thành các pha kết tinh thủy lực alite, C₃S, belite, C_₂S, silicat tricanxic và C₃A trong clinker đi ra khỏi lò nung xi măng. Nó vẫn dựa vào quá trình nung đá vôi khai thác được ở gần các lò quay xi măng và dự kiến sẽ chiếm 8% tổng lượng khí phát thải CO_₂ trên toàn cầu.

Xi măng portland là loại vật liệu tổng hợp duy nhất trên toàn cầu được sản xuất ra với công suất khoảng 4,1 tỷ tấn - mức sản lượng vẫn giữ nguyên kể từ năm 2013.³ Quá trình sản xuất xi măng trong các lò quay xi măng diễn ra hiệu quả và nhanh chóng - nguyên liệu thô đi vào lò xi măng, đi ra chỉ chưa đầy 45 phút (lò xi măng hiện đại thường sản xuất khoảng 8.000 - 10.000 tấn clinker/ngày).

Hơn nữa, bê tông được chế tạo bằng xi măng này (nghĩa là clinker đã được nghiền cùng với các phụ gia chức năng) có độ bền đến mức bê tông thải được dự tính sẽ không phân hủy ở các bãi chôn lấp trong vòng 10.000 năm tới.

Các khối xây bê tông đã được chế tạo bằng CaptureCrete Admixture.

Đổ bê tông mặt đường bằng CaptureCrete SCM.

Bê tông là loại vật liệu được tiêu thụ lớn thứ hai (sau nước) hiện nay trên hành tinh. Lò quay xi măng hoạt động sản sinh ra khí phát thải CO_₂ do quá trình nung đá vôi rẻ tiền và đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (để đạt được nhiệt độ ngọn lửa cao, xấp xỉ 2.000°C, bên trong lò nung).⁴

Thậm chí, một số đã lập mô hình hóa để chứng minh rằng bê tông có thể hấp thụ CO_₂ trong khí quyển với tốc độ chậm trong toàn bộ tuổi thọ hoạt động của nó (từ 60 - 100 năm).⁵ Bê tông dựa vào xi măng portland được dự kiến sẽ tiếp tục sử dụng trong một thời gian dài. Để chống lại những hậu quả khí phát thải, việc chuyển hóa bê tông này thành vật liệu thu giữ khí trực tiếp hiệu quả (DAC) là một giải pháp tiềm tàng.

Công nghệ thu gom/thu giữ carbon bằng bê tông

Carbon Limit là một công ty công nghệ khí hậu có trụ sở ở Florida, phát triển CaptureCrete^®, một loại vữa dạng bột. CaptureCrete kết hợp công nghệ DAC với khoáng hóa carbon giảm thiểu đáng kể và hiệu quả dấu chân carbon liên quan tới quá trình sản xuất bê tông.

Nó là một loại vữa dạng bột hòa tan, có sẵn ở hai dạng khác nhau (CaptureCrete SCM và CaptureCrete Admixture), đưa công nghệ thu giữ carbon vào tay các nhà sản xuất xi măng và bê tông. Họ có thể cấp giấy phép cho công thức từ Carbon Limit để cung cấp nguyên liệu thô, pha trộn các phụ gia tại chỗ và thêm vào quá trình chế tạo bê tông của mình.

Khi đưa vào bê tông, CaptureCrete hoạt động như một chất xúc tác, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp thụ và chelate hóa các phân tử CO_₂ vào trong ma trện bê tông. Quá trình này đạt được nhờ sự kết hợp độc đóa giữa các khoáng chất tự nhiên và các nguyên liệu phản ứng với CO_₂cho phép chelate hóa carbon dioxide trong bê tông thông qua một quá trình 2 bước:

- Các phân tử CO_₂ được hút ra từ khí quyển đi vào trong bê tông do ái lực hóa học của chúng với các nguyên liệu CaptureCrete.

- Các phân tử CO_₂ thu giữ được trải qua một loạt các quá trình liên kết hóa học và vật lý, cuối cùng là quá trình khoáng hóa lâu dài dưới dạng các pha carbonat ổn định nhờ phản ứng với các pha thủy hóa xi măng.

Bê tông được chuẩn bị nhờ sử dụng CaptureCrete trải qua quá trình carbonat hóa kép, nghĩa là tiền dưỡng hộ tại vị trí sản xuất (không nằm ngoài các quy phạm chế tạo bê tông tiêu chuẩn) và sau dưỡng hộ (tại môi trường) khi bê tông bắt đầu thu giữ CO_₂ từ khí quyển.

Nói cách khác, bê tông với CaptureCrete biến thành một miếng bọt biển siêu hiệu quả thu giữ CO2_₂ từ trong không khí xung quanh nó và lưu giữ nó bên trong dưới dạng rắn, trong đó CO_₂ không còn là chất gây ô nhiễm môi trường nữa. Với khả năng này, CaptureCrete giảm bớt dấu chân carbon trong quá trình phát triển đô thị mà không làm giảm hiệu suất hoặc độ bền của bê tông truyền thống.

Vật liệu kết dính phụ trợ

CaptureCrete SCM là một loại vật liệu kết dính phụ trợ (SCM), bao gồm chủ yếu là các nguyên liệu tự nhiên được sản xuất ra trong quá trình khai thác lộ thiên và chế biến trên quy mô công nghiệp, thay thế tới 30% xi măng (xi măng portland thông thường (OPC) hoặc xi măng đá vôi portland (PLC) theo khối lượng. CaptureCrete SCM, do hàm lượng carbon thấp hơn của nó so với OPC hoặc PLC, giảm được lượng khí thải carbon ban đầu bằng cách tránh phát thải CO_₂ khi thay thế xi măng.

Trong một trong số các dự án thử nghiệm lớn của Carbon Limit, CaptureCrete SCM đã được sử dụng trong bê tông lát đường (tổng lượng chất kết dính 570 pcy, tỷ lệ nước/chất kết dính 0,42, độ bền uống 500 psi ở 28 ngày tuổi, 5 - 8% khí), và nó đáp ứng tất cả các yêu cầu về các đặc tính tươi và hóa cứng. Nó vượt xa đáng kể bê tông kiểm soát về cường độ bền nén, điện trở suất lớn và khả năng thấm clorua nhanh.

Hỗn hợp

CaptureCrete Admixture được bổ sung thêm vào các mẻ bê tông đạt tới mức 1,0% trọng lượng các vật liệu kết dính và bao gồm các nguyên liệu thô mà không yêu cầu bất kỳ quá trình tổng hợp nào. Trong các thử nghiệm của bên thứ ba, CaptureCrete Admixture đã được cấp chứng nhận đáp ứng tất cả các yêu cầu của ASTM C494 - Loại S về các đặc tính của bê tông tươi, các đặc tính cơ học sớm và lâu dài và độ bền.

Tín chỉ carbon chất lượng cao

Tín chỉ carbon chuyển tiếp của Carbon Limit đã được Bureau Veritas xác thực theo Tiêu chuẩn Chứng chỉ cộng hóa trị và có sẵn cho mua trước. Mỗi lần CaptureCrete được sử dụng trong bê tông, nó tạo ra các tín chỉ carbon chất lượng cao tồn tại hơn 1.000 năm.

VCUs (các đơn vị carbon đã được xác nhận) có thể được phát hành cho các trường hợp khử giảm và loại bỏ lượng phát thải khí hiệu ứng nhà kính bằng CaptureCrete của Carbon Limit ngay từ ngày đầu khởi động dự án. Việc định lượng CO_₂ thu giữ/thu gom và tránh được được đưa ra cho mỗi lần phối trộn và các ứng dụng trong đó Carbon Limit cấp chứng sử dụng CaptureCrete.

Những lợi ích chung

Bên cạnh việc khử giảm dấu chân carbon trong bê tông, đồng thời vẫn duy trì được hiệu suất cao, CaptureCrete là một giải pháp linh hoạt thích ứng với rất nhiều ứng dụng và các thiết kế phối trộn khác nhau, từ bê tông trộn sẵn, khối bê tông, vữa xây Stucco và các sản phẩm xi măng khác, như đã chỉ ra ở trên. Hơn nữa, khả năng tiếp cận các nguyên liệu thô trên toàn cầu tạo điều kiện thuận lợi cho việc chấp nhận CaptureCrete, và nhờ mô hình cấp phép, khả năng mở rộng quy mô có thể đạt được nhanh chóng.

Cuối cùng là, công nghệ này có tính cạnh tranh về chi phí, vì việc bổ sung thêm CaptureCrete (cả SCM và Admixture), chỉ cần bổ sung một phần chi phí vừa phải trên mỗi tấn bê tông, có thể được bù đắp thêm bằng doanh thu đạt được từ các tín chỉ carbon.

Trường hợp nghiên cứu: Tấm ốp mặt bên bằng bê tông nhẹ

Một trong những giấy phép của Carbon Limit cho sử dụng CaptureCrete SCM ở mức thay thế 30% trong các tấm ốp mặt bên bằng bê tông nhẹ, nhờ đó tránh được việc phát thải ra và loại bỏ được CO_₂. Các hình ảnh ở Hình 2 cho thấy 3 mẫu khối vuông bằng vữa đã được tiếp xúc với cùng một lượng CO_₂(khả năng carbonat hóa tăng lên 50°C với 20% CO_₂trong 6 ngày). Dung dịch phenolphthalein đã được sử dụng để đánh giá mức độ carbonat hóa.

Các khu vực không có mầu hồng là các khu vực đã được carbonat hóa còn khu vực màu hồng còn lại thì chưa được carbonat hóa. CaptureCrete cải thiện rõ rệt độ thẩm thấu CO_₂ và khoáng hóa trong bê tông vì mẫu kiểm tra vẫn có khu vực lớn mầu hồng chưa được carbonat hóa trong khi cả 2 mẫu CaptureCrete đều được carbonat hóa hoàn toàn.

Một giải pháp chống lại sự biến đổi khí hậu

Các công nghệ như CaptureCrete là rất quan trọng vì chúng phục vụ công cuộc chống lại sự biến đổi khí hậu bằng cách chống lại những hậu quả do hành động do con người gây ra. Đổi mới là cần thiết để làm thay đổi quỹ đạo biến đổi khí hậu của hành tinh chúng ta, điều mà thường có vẻ nguy hiểm khi xem xét các số liệu CO_₂ nêu trên.

Tuy nhiên, một vài số liệu có vẻ ảm đạm, nhưng những công nghệ mới thú vị đang được công bố sẽ biến những gì từng là nguyên nhân gây ra vấn đề khí thải trở thành giải pháp. Việc sử dụng bê tông để làm sạch không khí, thay vì góp phần gây ra biến đổi khí hậu, có thể mang ý nghĩa chuyển hướng sự thay đổi môi trường theo hướng tích cực.

Carbon Limit đã sáng chế ra một giải pháp để sử dụng SCM và Admixture được thiết kế đặc biệt trong các dự án xây dựng và các con đường để chủ động thu giữ CO_₂ từ không khí. Công nghệ Carbon Limit tác động trước và sau dưỡng hộ để khử carbon và thu giữ lượng khí thải carbon có hại bằng chất thay thế xi măng tự nhiên nhiên được làm từ các khoáng chất hoạt tính không nung và các vật liệu có khả năng phản ứng cao với CO_₂. Tính chất phản ứng này hút CO_₂ từ môi trường xung quanh khu vực đổ bê tông và thu giữ nó vĩnh viễn.

Tài liệu tham khảo

1. ‘Global CO2 levels’ – https://www.2degreesinstitute.org/and https://www.co2levels.org/

2. NOAA, ‘Trends in Atmospheric Carbon Dioxide’ – https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/

3. Statistica, ‘Production Volume of Cement Worldwide from 1995 to 2023,’ https://www.statista.com/statistics/1087/115/global-cement-production-volume/

4. TENNIS, P, ‘Portland-Limestone Cements: History, Performance, and Specifications,’ Portland Cement Association – https://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/webinars/121113.pdf)

5. XI, F, et al., ‘Substantial Global Carbon Uptake by Cement Carbonation,’ Nature Geoscience, Vol.9 (2016), pp.880 – 883 – https://doi.org/10.1038/ngeo2840)