Phát minh làm rung chuyển ngành xây dựng: Nguyên liệu xi măng được sản xuất nhanh gấp 100 lần thông thường, tiết kiệm 80% nhiệt, giảm ô nhiễm môi trường

Kết quả nghiên cứu được trình bày tại ACS Fall 2026 - hội nghị mùa thu của Hiệp hội Hóa học Mỹ diễn ra tại Chicago từ ngày 23-27/8.

Công nghệ do Tiến sĩ Qi Zheng và Tiến sĩ Yi Cui tại Đại học Stanford cùng nhà nghiên cứu kỹ thuật xây dựng Paulo Monteiro tại UC Berkeley, phát triển. Nhóm nghiên cứu sử dụng plasma được nung nóng trên 2.400 độ C để tác động trực tiếp lên nguyên liệu sản xuất xi măng.

Trong các thử nghiệm chứng minh tính khả thi, nhiệt độ cực cao đã biến nguyên liệu thành clinker chỉ trong vài giây. Tốc độ này nhanh hơn gần 100 lần so với phương pháp sản xuất thông thường.

Clinker là sản phẩm trung gian quan trọng trong sản xuất xi măng. Theo phương pháp truyền thống, đá vôi và đất sét được nung trong lò ở nhiệt độ khoảng 1.450 độ C để tạo thành clinker màu xám sẫm. Sau đó, clinker được nghiền thành bột để sản xuất xi măng.

Quá trình này tiêu thụ lượng năng lượng rất lớn. Một phần đáng kể phát thải của ngành đến từ nhiên liệu hóa thạch được đốt để tạo nhiệt cho lò nung.

Đây là vấn đề đáng chú ý bởi xi măng là vật liệu được tiêu thụ nhiều thứ hai thế giới, chỉ sau nước. Mức tiêu thụ trung bình tương đương khoảng một mét khối/người mỗi năm. Trong khi đó, ngành xi măng tạo ra khoảng 8% lượng khí thải CO2 toàn cầu. Quy trình sản xuất xi măng hầu như không thay đổi kể từ khi vật liệu này được phát minh vào năm 1824.

Để giải quyết vấn đề, các nhà khoa học thay nguồn nhiệt từ đốt nhiên liệu hóa thạch sang plasma. Plasma được tạo ra khi dòng điện đi qua khí ion hóa. Khi nhiệt độ vượt 2.400 độ C, quá trình hình thành clinker diễn ra nhanh đến mức có thể hoàn thành chỉ trong vài giây.

Tốc độ cao đồng thời giúp hạn chế lượng nhiệt bị thất thoát. Theo nghiên cứu, sản xuất xi măng truyền thống thường chỉ đạt hiệu suất nhiệt khoảng 30-40%. Trong các thử nghiệm sử dụng plasma, gần 80% lượng nhiệt tạo ra được đưa trực tiếp vào quá trình sản xuất xi măng.

Nhóm nghiên cứu cũng đánh giá các đặc tính cơ học của loại xi măng tạo ra bằng phương pháp mới, bao gồm độ bền và khả năng thi công. Khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử, họ phát hiện những phần khuyết ở cấp độ siêu vi hình thành trong quá trình xử lý plasma. Các cấu trúc này nhanh chóng hòa tan khi tiếp xúc với nước và giúp xi măng đông kết nhanh hơn.

Một lợi thế khác là khả năng tái sử dụng chất thải xi măng. Vật liệu xi măng đã qua sử dụng có thể được đưa trở lại hệ thống plasma làm nguyên liệu, qua đó có khả năng giảm cả chất thải và lượng khí thải carbon.

Nếu điện cung cấp cho hệ thống plasma đến từ các nguồn năng lượng tái tạo, riêng công đoạn gia nhiệt có thể vận hành mà không phát sinh khí thải.

Tuy nhiên, công nghệ hiện mới ở giai đoạn thử nghiệm. Các nhà khoa học dự kiến hợp tác với ngành xi măng để đánh giá khả năng mở rộng lên quy mô sản xuất hàng loạt.

Theo IE