Nhóm sinh viên (SV) Trường Đại học (ĐH) Bách khoa-Đại học Đà Nẵng (ĐHĐN) gồm Nguyễn Lê Quốc Anh và Ngô Hữu Hoàng vừa nghiên cứu, chế tạo bước đầu thành công sản phẩm công nghệ xi măng sinh học từ nguyên liệu hạt đậu nành để có thể phát triển thay thế xi măng truyền thống. Từ giữa năm 2020, Quốc Anh và Hữu Hoàng bắt đầu nghiên cứu cách làm xi măng sinh học. Hạt đậu nành được nhóm chọn và nhận thấy enzyme urease trong hạt có khả năng kết dính tốt. Theo nhóm, loại enzyme này phổ biến trong các vi sinh vật, thực vật nhưng ở hạt đậu nành có hàm lượng cao hơn.

Nhóm đã chiết xuất dung dịch enzyme urease từ đậu nành, sau đó bơm vào mẫu cát. Sau một giờ, xả toàn bộ dung dịch enzyme ra khỏi các mẫu và bơm hợp chất Urea + CaCl2 (tỷ lệ 1: 1). Từ đây Calcium carbonate (CaCO3) sinh ra trong các phản ứng hóa sinh sẽ làm cát dính lại với nhau. "Ngoài việc kết dính, kết tủa CaCO3 đồng thời sẽ chèn vào các lỗ rỗng giữa các hạt trong cả khối cát nhằm giảm tính thấm của khối cát", Quốc Anh nói. Khi khối cát hóa rắn, nó được tăng cường độ nén cùng với việc giảm tính thấm sẽ tăng tính ổn định, giảm sự xói hạt do dòng thấm đi qua khối cát. Theo nhóm nghiên cứu, chất kết dính này có thể sử dụng gia cố các khu vực kè bị sạt lở trên bờ biển vì nó có thể hóa rắn cát trong khu vực, giảm chi phí thi công làm kè.

Trong ngành xây dựng, loại xi măng sinh học này có thể tạo ra gạch bằng cách đổ chất kết dính vào khuôn cát, sau đó tạo hình. "Quá trình sản xuất gạch truyền thống bằng cách nung tạo ra khí CO2 làm ô nhiễm môi trường và sản xuất xi măng sử dụng nguyên liệu hóa thạch. Vì thế, nhóm hướng tới tạo ra loại vật liệu từ thực vật, thân thiện môi trường, có thể thay thế xi măng truyền thống", Nguyễn Lê Quốc Anh, trưởng nhóm chia sẻ lý do nghiên cứu. Thời gian đầu, khi nhóm chiết tách enzyme urease từ đậu nành xuất hiện những hạt mịn li ti, khiến độ tinh khiết của dung dịch vẫn còn thấp. Điều này dẫn đến số cột cát làm thí nghiệm không đồng đều về chất lượng, độ kết dính.

Xi măng sinh học chế tạo từ enzyme urease của hạt đậu nành. Ảnh minh họa

Hiện nhóm đã cải tiến quy trình chiết tách enzyme bằng cách li tâm toàn bộ dung dịch sau khi chiết xuất với tốc độ quay 4000 vòng/phút. Điều này giúp dung dịch enzyme chiết xuất từ đậu nành hoạt động tốt hơn và có khả năng sử dụng làm vật liệu cho xi măng sinh học.

Nhóm tiến hành các thí nghiệm đo cường độ nén và tính thấm của cát sau khi hóa rắn thông qua các thí nghiệm nén một trục, tính thấm của đất và các phân tích vi cấu trúc (SEM và XRD), đồng thời đánh giá tính bền vững về mặt kinh tế và môi trường của sản phẩm. Kết quả, vật liệu xi măng sinh học từ hạt đậu nành đảm bảo một số điều kiện để ứng dụng trong gia cố bờ biển sạt lở, gia cố nền... Ngô Hữu Hoàng, thành viên nhóm cho rằng, xi măng sinh học hứa hẹn sẽ là một loại chất kết dính có thể thay thế xi măng portland thông thường cho các công trình xây dựng trong tương lai.

Hiện nhóm mới ứng dụng trên cát chuẩn TCVN 6227:1996. Hoàng cho biết, thời gian tới sẽ sử dụng xi măng sinh học hóa rắn cát tự nhiên, cụ thể là cát biển tại khu vực Đà Nẵng, đồng thời bước đầu thử nghiệm khả năng chống xói đối với các mô hình dốc để ứng dụng trong gia cố nền trong lĩnh vực xây dựng. Đánh giá về nghiên cứu, TS Hoàng Phương Tùng, giảng viên khoa xây dựng cầu đường, Đại học Bách khoa Đà Nẵng cho biết, các nghiên cứu xi măng sinh học được giới khoa học trên thế giới thực hiện từ nhiều năm nay. Tuy nhiên, các nghiên cứu về chất kết dính xi măng sinh học ở trong nước không nhiều, nên hướng đi của nhóm rất tiềm năng, khả năng ứng dụng cao. "Tuy nhiên, để ứng dụng xi măng sinh học tại dự án xây dựng, nhóm cần tối ưu được kỹ thuật sản xuất và bảo quản nguồn nguyên liệu sinh học cũng như chuẩn hóa công thức cho các loại vật liệu khác nhau", TS Tùng nói.

Tại Mỹ, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Colorado Boulder, Đại học North Carolina Wilmington và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ đã nghiên cứu thành công phương pháp sản xuất xi măng có từ đá vôi sinh học. Sản phẩm xi măng làm từ đá vôi sinh học hứa hẹn có thể giúp giải quyết được bài toán giá nguyên liệu đầu vào trong sản xuất xi măng tăng cao như hiện nay. Ngoài ra, còn giúp giảm thiểu đáng kể tình trạng ô nhiễm môi trường trong quá trình sản xuất loại vật liệu này. Các nước châu Âu đã có doanh nghiệp sản xuất một số loại gạch lát tường, hóa rắn các bãi cát, cũng sử dụng công nghệ này.

Nghiên cứu của các bạn trẻ tại trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng tạo nên những bước tiến mới, bắt kịp với xu thế của thời đại, chung tay bảo vệ môi trường và phát triển những công trình xanh.