Xi măng sinh học là một dạng xi măng tái tạo, thường sử dụng vi khuẩn để tạo ra phản ứng đông cứng liên kết đất thành một khối rắn.

Nhóm nghiên cứu của NTU thành công sử dụng hai chất thải phổ biến, bùn cacbua (carbide) công nghiệp và urê từ nước tiểu của động vật có vú để tạo ra xi măng sinh học.

Nhóm nghiên cứu phát triển một quy trình, trong đó phản ứng của urê với các ion canxi trong bùn cacbua công nghiệp tạo thành chất rắn cứng hoặc kết tủa. Khi phản ứng này được thực hiện trong đất, kết tủa sẽ liên kết những hạt đất lại, lấp đầy các khoảng trống và tạo ra một khối vật chất cứng rắn, bền vững và không thấm nươc.

Nhóm nghiên cứu do GS Chu Jian, Chủ tịch Trường Kỹ thuật Dân dụng và Môi trường trong báo cáo nghiên cứu chứng minh khái niệm, đăng trên Tạp chí Kỹ thuật Hóa học Môi trường tháng 2/2022 cho biết, xi măng sinh học là phương pháp hiệu quả và bền vững để cải tạo đất, chẳng hạn như tăng cường mặt đất, sử dụng trong xây dựng hoặc đào đắp, kiểm soát xói mòn bãi biển, giảm xói mòn do bão cát sa mạc, xây dựng các hồ chứa nước ngọt trên những bãi biển hoặc sa mạc.

 TS Wu Shifan và GS Chu Jian, Chủ tịch hội đồng Trường Kỹ thuật Dân dụng và Môi trường, NTU với các khối xi măng sinh học từ urê và bùn cacbua. Ảnh Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore.

Theo GS Chu Jian, xi măng sinh học là giải pháp thay thế bền vững - tái tạo cho xi măng truyền thống, có tiềm năng lớn sử dụng cho những dự án xây dựng cần xử lý nền đất. Nghiên cứu tạo ra xi măng sinh học bền vững do sử dụng 2 loại chất thải làm nguyên liệu thô. Phương pháp này cho phép sản xuất xi măng sinh học giá rẻ và giúp giảm chi phí xử lý chất thải.

Công thức đơn giản của xi măng sinh học

Quá trình sản xuất xi măng sinh học của nhóm NTU sử dụng bùn cacbua công nghiệp, chất thải trong quá trình sản xuất khí axetylen từ các nhà máy ở Singapore  và urê được tìm thấy trong nước tiểu của động vật và vi khuẩn

Trước hết, nhóm nghiên cứu xử lý bùn cacbua bằng một axit để tạo ra canxi hòa tan. Urê sau đó được bổ xung vào canxi hòa tan để tạo thành một dung dịch xi măng. Sau đó, nhóm nghiên cứu thêm vi khuẩn vào dung dịch xi măng này. Vi khuẩn trong quá trình nuôi cấy sẽ phân hủy urê trong dung dịch tạo thành các ion cacbonat.

Những ion này phản ứng với các ion canxi hòa tan trong quá trình được gọi là kết tủa canxit do vi sinh vật gây ra (MICP). Phản ứng này tạo thành canxi cacbonat - một vật liệu rắn, cứng, trong tự nhiên thường có ở đá phấn, đá vôi và đá cẩm thạch.

Khi phản ứng này diễn ra trong đất hoặc cát, canxi cacbonat sẽ liên kết các hạt đất hoặc cát với nhau, tăng độ bền và lấp đầy các lỗ rỗng, giảm thấm nước của vật liệu.

Trong thử nghiệm, đất, cát được gia cố bằng xi măng sinh học có cường độ nén không giới hạn lên đến 1,7 megapascal (MPa), cao hơn so với đất cùng loại được xử lý bằng một lượng xi măng xây dựng tương đương.

Sự thay thế bền vững cho xi măng thông thường

GS Chu cho biết, một phần của quy trình sản xuất xi măng là đốt nguyên liệu ở nhiệt độ rất cao trên 1.000 độ C tạo thành clinker, chất kết dính cho xi măng và xả thải rất nhiều carbon dioxide. Quy trình xử lý xi măng sinh học được thực hiện ở nhiệt độ phòng, không gia nhiệt, không cần nhiều năng lượng và không xả thải carbon.

Bùn cacbua được coi là vật liệu phế thải nhưng là nguyên liệu thô tốt để sản xuất xi măng sinh học. Chiết xuất canxi từ bùn cacbua, quy trình sản xuất bền vững hơn do không sử dụng đá vôi. Việc không sử dụng đá vôi vốn cũng nhằm bảo vệ môi trường tự nhiên và hệ sinh thái toàn cầu.

Theo nhóm nghiên cứu, nếu sản xuất xi măng sinh học được mở rộng đến cấp độ xi măng truyền thống, tổng chi phí sản xuất sẽ thấp hơn nhiều so với xi măng thông thường, quy trình xanh và rẻ hơn.

Khôi phục các di tích và củng cố công trình giao thông

Xi măng sinh học này có thể được sử dụng  để bịt các vết nứt trên đá chống thẩm thấu, sửa chữa các di tích lịch sử như phù điêu chạm khắc trên đá và các loại tượng.

Một ưu điểm khác của phương pháp này là công thức xi mặng sinh học, bao gồm cả dung dịch nuôi cấy vi khuẩn và dung dịch xi măng đều không màu. Khi phủ lên đất, cát hoặc đá, màu sắc ban đầu của vật liệu vẫn giữ nguyên.

 

Nhóm nghiên cứu sử dụng xi mặng sinh học sửa chữa bàn tay gẫy của tượng Phật cũ ở Trung Quốc, duy trì màu sắc nguyên bản. Ảnh Đại học Công nghệ Nanyang.

Ưu điểm này rất có ý nghĩa trong khôi phục các di tích và đồ tạo tác bằng đá cũ. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng xi mặng sinh học để sửa chữa các tượng Phật cũ ở Trung Quốc, bịt kín các khoảng trống trong vết nứt và phục hồi các mảnh gãy vỡ. Các di tích vẫn giữ được màu sắc ban đầu, đúng với niên đại lịch sử.

Phối hợp với các cơ quan quốc gia ở Singapore, nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm xi măng sinh học mới trên Công viên Bờ biển phía Đông nhằm ngăn chặn ngăn sóng biển xói mòn bờ đất cát.Thử nghiệm sửa chữa đường bằng cách bịt các vết nứt, bịt các khoảng trống trong các đường hầm dưới lòng đất ngăn nước thấm.