Tổng quan về công nghệ tái chế phế phẩm công nông nghiệp làm vật liệu xây dựng và tiềm năng phát triển vật liệu xây dựng thân thiện môi trường tại Việt Nam

394 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ PHẾ PHẨM CÔNG NÔNG NGHIỆP LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG VÀ TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU XÂY DỰNG THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG TẠI VIỆT NAM Nguyễn Thúy Hiền Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: ThS. Vũ Hải Yến TÓM TẮT Trong thời gian qua, tại Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH thuộc Trường Đại học Công nghệ TP.HCM (HUTECH) nói riêng và Việt Nam nói chung đã có nhiều nghiên cứu để tận dụng các phế phẩm nông nghiệp như vỏ trấu, bã mía, mùn cưa, lõi ngô, bã giấy.... để thay thế xi măng, phụ gia... trong việc sản xuất vật liệu xây dựng. Các nghiên cứu cho thấy phế phẩm công nông nghiệp có thể thay thế từ 10 - 40% xi măng trong việc sản xuất vữa và bê tông. Với việc dùng phế phẩm công – nông nghiệp thay thế xi măng sẽ góp phần tận dụng được phế phẩm, tiết kiệm tài nguyên, bảo vệ môi trường, làm giảm giá thành của vật liệu. Điều này cho thấy thị trường vật liệu xây dựng xanh rất triển vọng góp phần nâng cao tỷ lệ tái chế và giảm ô nhiễm môi trường, hướng đến phát triển bền vững. Bài viết nhằm mục đích tổng hợp các nghiên cứu thực hiện trước đó và đề xuất cho những định hướng nghiên cứu giai đoạn mới. 1 GIỚI THIỆU CHUNG Phế phẩm nông nghiệp (agricultural scrap) là những dư lượng, đồ thừa hay nguyên liệu dư thừa (residues) còn sót lại sau khi tiến hành các hoạt động nông nghiệp. Chúng bao gồm: 1) Dư lượng cánh đồng (field residues) còn sót lại sau khi thu hoạch cánh đồng hay vườn cây ăn trái. Những dư lượng này bao gồm thân cây, lá cây, gốc cây và vỏ hạt; 2) Dư lượng quá trình (process residues) còn sót lại sau khi cây trồng (crop) được xử lý thành tài nguyên có thể sử dụng. Những dư lượng này bao gồm vỏ trấu, hạt, bã mía, mật và rễ. Phế phẩm công nghiệp là chất thải được tạo ra từ hoạt động công nghiệp, bao gồm bất kỳ vật liệu nào trở nên vô dụng trong quá trình sản xuất tại các nhà máy, công nghiệp, luyện kim và hoạt động khai thác. Các loại chất thải công nghiệp bao gồm bụi bẩn và sỏi, gạch và bê tông, kim loại phế liệu, dầu, dung môi, hóa chất, gỗ phế liệu, thậm chí cả thực vật từ các nhà hàng. Hiện nay trữ lượng phế phẩm công nông nghiệp tại VN rất nhiều. Theo đánh giá của Cục Trồng trọt (Bộ NN&PTNT), lượng chất thải từ lúa chiếm tới 50% chất khô. Nghĩa là cứ 1 tấn thóc thì lượng phụ phẩm từ lúa cũng tương đương 1 tấn, khoảng 10 -12 tấn phế phẩm/ha. Sản xuất 1 tấn ngô thì lượng phụ phẩm là 1,2 tấn thân ngô, 1 ha đậu phộng phát thải 11 tấn thân cây, 1ha sắn phát thải 7 tấn ngọn và lá. Như vậy với diện tích trồng trọt hiện tại, ước tính lượng phụ phẩm trên cả nước trên 50 triệu tấn/năm.[4] 395 Kết quả các nghiên cứu cho thấy, lượng phế phẩm trồng trọt có giá trị dinh dưỡng cao (45 - 70% tổng chất dinh dưỡng tiêu hóa) và có khả năng cung cấp lớn lượng calo (1662 - 2549kcal/kg chất khô). Do vậy, nếu ứng dụng các công nghệ phù hợp thì phế phẩm trồng trọt trở thành các sản phẩm có giá trị chăn nuôi, dinh dưỡng cho đất và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, hiện nay mới chỉ khoảng hơn 10% phế phẩm trồng trọt được sử dụng làm chất đốt tại chỗ như ở lò gạch, đun nấu, 5% là nhiên liệu công nghiệp, 3% làm thức ăn gia súc, Còn hơn 80% chưa được sử dụng và thải trực tiếp ra môi trường hoặc đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường, tắc nghẽn dòng chảy. 2 CÁC NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG Trên thế giới cũng như tại Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về tái chế phế phẩm nông nghiệp làm vật liệu xây dựng. Trong đó, vỏ trấu, chất thải hữu cơ có thể xem như vật liệu tái chế rất tiềm năng. Bảng 1. Một số nghiên cứu về tái chế phế phẩm công nông nghiệp làm vật liệu xây dựng STT Tên nghiên cứu Nhóm tác giả Kết quả đạt được Năm công bố 1 Tái chế vỏ trấu làm vật liệu xây dựng [6] Vempati, CHK bang Texas Mỹ Nhiệt độ để tinh luyện hạt SiO2 có độ tinh khiết cao là 8000C 2 Nghiên cứu sản xuất gạch bê tông từ tro, xỉ [3] Thạc Sỹ Nguyễn Văn Hoan, Viện Vật Liệu Xây Dựng, Bộ Xây Dựng Có thể sử dụng hỗn hợp tro bay, xỉ đáy để sản xuất gạch bê tông đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn TCVN 6477:2016 với tỷ lệ 70% tro bay, xỉ đáy 2019 3 Nghiên cứu chế tạo mẫu vữa xây dựng từ phối trộn các mẫu phế phẩm công nông nghiệp [7] Vũ Hải Yến, Vũ Thị Bách Có thể thay thế xi măng bằng trấu, xơ dừa, phế thải giấy với tỷ lệ 15% 2010 4 Nghiên cứu tiềm năng sản xuất vật liệu xây dựng từ vỏ trấu thải trong nông nghiệp [8] Vũ Hải Yến, Nguyễn Thị Chiều Dương, Vương Mỹ Ngọc. Tinh luyện SiO2 bằng phương pháp nhiệt, hóa học, sinh học. Sau đó phối trộn với cát, nước để làm vật liệu xây dựng. Kết quả nhận được là các mẫu đạt tiêu chuẩn từ M75 đến M200. 2017 396 STT Tên nghiên cứu Nhóm tác giả Kết quả đạt được Năm công bố 5 Ảnh hưởng của tro trấu tới tính chất ma sát và cường độ của bê tông [5] Trần Thu Hiền, Phan Thanh Hải, Huỳnh Quốc Minh Đức Khi sử dụng tro trấu thay thế xi măng, để đảm bảo khả năng công tác của bê tông mà không thay đổi hàm lượng nước, cần sử dụng thêm phụ gia hóa dẻo. 2017 6 Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cát mịn và phụ gia khoáng hỗn hợp từ xỉ lò cao hoạt hóa và tro trấu [2] ThS. Ngọ Văn Toản, Viện KHCN Xây dựng Bê tông làm từ xỉ lò cao phối hợp với tro trấu. Cường độ nén của bê tông sau 1 ngày, 3 ngày và 7 ngày đạt khoảng 45%, 74% và 85% cường độ nén của bê tông ở tuổi 28 ngày 2014 7 Tái chế chất thải rắn hữu cơ làm gạch bền vững [1] PGS Abbas Mohajerani, kỹ sư dân dụng tại Khoa Kỹ thuật, Đại học RMIT Sản xuất được gạch xây dựng. 2019 (a) (b) (c) Hình 1. Một số loại phế phẩm công – nông nghiệp: (a) Tro trấu, (b) Phế thải giấy, (c) Xơ dừa 3 TIỀM NĂNG CÁC NGUỒN CHẤT THẢI CÓ THỂ SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG Trong những năm gần đây ngành Vật liệu xây dựng ở nước ta phát triển mạnh, không chỉ đáp ứng đủ nhu cầu tiêu dùng trong nước mà còn xuất khẩu đến nhiều nước và vùng lãnh thổ trên thế giới. Theo dự thảo “Chiến lược phát triển vật liệu xây dựng Việt Nam thời kỳ 2021 - 2030, định hướng đến năm 2030” do Viện Vật liệu xây dựng soạn thảo, nhu cầu một số sản phẩm vật liệu xây dựng trong tương lai sẽ tăng đáng kể. 397 Bảng 2. Dự báo nhu cầu một số sản phẩm vật liệu xây dựng giai đoạn đến năm 2030 TT Sản phẩm ĐVT Năm 2018 Năm 2025 Năm 2030 Tiêu thụ TCSTK 1 Xi măng Triệu tấn 95,9 97,66 106,8 123,9 2 Vật liệu xây Tỷ viên 26,0 28,0 34,57 41,59 3 Vật liệu lợp Triệu m2 527,2 - 775,7 880,7 4 Gạch gốm ốp lát Triệu m2 755,44 901,6 819,9 942,28 5 Sứ vệ sinh Triệu sp 16,0 23,25 21,96 31,69 6 Kinh xây dựng Triệu m2 185,00 207,9 210,5 225,1 7 Vôi Triệu Tấn 4,8 2,378* 6,44 7,75 8 Bê tông Triệu m2 32,5 50,0 207,33 258,25 Nguồn: TS. Thái Duy Sâm (Hội VLXD Việt Nam) *Chỉ tính các cơ sở sản xuất quy mô công nghiệp Để đáp ứng được nhu cầu vât liệu xây dựng trong thời gian tới, ngành vật liệu xây dựng cần sử dụng một khối lượng lớn nguyên, nhiên liệu cho sản xuất. Do đó việc sử dụng các chất thải, phế thải công nghiệp làm nguyên, nhiên liệu thay thế trong sản xuất vật liệu xây dựng sẽ có ý nghĩa rất lớn về tiết kiệm tài nguyên khoáng sản và bảo vệ môi trường. Bảng 3. Một số loại có tiềm năng sử dụng làm nguyên, nhiên liệu thay thế trong sản xuất vật liệu xây dựng STT Loại phế phẩm tiềm năng Sản lượng ước tính 1 Tro, xỉ nhiệt điện Nhiệt điện là một trong những ngành phát sinh chất thải lớn, trung bình để sản xuất 1 kWh điện sẽ thải ra từ 0,9 - 1,5 kg tro, xỉ. trong đó xỉ chiếm khoảng 25%, tro bay chiếm khoảng 75%. Dự kiến đến năm 2030, với số lượng 43 nhà máy sẽ thải ra hơn 30 triệu tấn tro xỉ/năm. 2 Phế thải từ các nhà máy nhiệt điện đốt than Tro bay có thể sử dụng: thay một phần đất sét trong phối liệu nung clinker, gạch đất sét nung; làm phụ gia khoáng cho xi măng, vữa xây dựng, bê tông; trong sản xuất vật liệu xây không nung; vật liệu san lấp... 3 Thạch cao FGD Ở các nước thạch cao FGD đã được sử dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng từ hơn ba chục năm nay, với khối lượng sử dụng hàng năm ở Mỹ là 7,5 triệu tấn, Đức, Pháp, Nhật, Hàn Quốc 2,0 triệu tấn mỗi nước. 4 Phế thải công nghiệp luyện Xỉ lò cao: năm 2020 khối lượng xỉ lò cao ở nước ta 5,4 triệu tấn, dự kiến năm 2025 là 8,4 triệu tấn. 398 STT Loại phế phẩm tiềm năng Sản lượng ước tính kim Xỉ thép: công nghiệp sản xuất thép của Việt Nam năm 2020 sẽ cung cấp khoảng 3,0 triệu tấn xỉ/năm và nẳm 2025 con số này sẽ là 4,8 triệu. 5 Phế thải công nghiệp Dệt - May, Da - Giày Phế thải công nghiệp Dệt may: chủ yếu là vải vụn được thải ra trong quá trình sản xuất, với tỷ lệ khoảng (3 ÷ 5)%; ước tính lượng phế thải công nghiệp dệt may năm 2020 khoảng 3.000 tấn/tháng. Phế thải công nghiệp Da giày: tỷ lệ khoảng (2 ÷ 4)%; lượng phế thải công nghiệp da giày năm 2020 khoảng 1.200 tấn/tháng. 6 Phế thải công nghiệp khai thác than Theo thống kê, để khai thác một tấn than mỏ lộ thiên phải bóc thải (10 ÷ 12) m³ đất đá; bên cạnh đó trong quá trình sàng tuyển, chế biến, phân loại còn thải ra khoảng (10 ÷ 20)% đá xít, trong đá xít có chứa (5 ÷ 8)% than. Dự kiến năm 2030 con số này sẽ là 10 triệu tấn/năm. 7 Phế thải công nghiệp hóa chất phân bón Lượng bùn thải thu được dự kiến đến năm 2025 khoảng 3,88 triệu tấn/năm; có thể xử lý để thu hồi thạch cao dùng làm phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết cho xi măng. 8 Phế thải công nghiệp Gốm Sứ Năm 2015 tổng lượng thach cao huôn thải khoảng 33.122 tấn/năm, con số này ngày càng tăng theo sự phát triển của ngành Gốm Sứ. Thạch cao khuôn thải có thể sử dụng làm phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết cho xi măng, nguyên liệu sản xuất tấm thạch cao. 9 Phế thải từ Nông nghiệp Trong các phế thải ngành nông nghiệp có khả năng sử dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng có thể kể đến vỏ hạt điều, vỏ trấu. Theo ước tính lượng vỏ thải ra khoảng 600.000 tấn/năm. Vỏ trấu là lớp vỏ ngoài của hạt lúa, được tách ra trong quá trình xay xát. cứ 1.000 kg lúa sẽ xay xát thu được (200 ÷ 260) kg vỏ trấu (tỷ lệ 20 - 26%). 10 Cao su phế thải Theo kết quả điều tra của Viện Vật liệu xây dựng lượng cao su phế thải từ lốp xe phế liệu ở nước ta khoảng 220.000 tấn/năm. 11 Rác thải sinh hoạt Rác thải sinh hoạt (chất thải rắn sinh hoạt) phát sinh chủ yếu từ các hoạt động sinh hoạt của con người, trung bình khoảng 667 gam chất thải rắn sinh hoạt/người/ngày. Theo số liệu của Cục Hạ tầng Kỹ thuật - Bộ Xây dựng, năm 2020 tổng khối lượng chất thải rắn sinh hoạt thu gom là 100.000 tấn/ngày. Nguồn: Thái Duy Sâm, 2020 [3] 399 Trước tình trạng biến đổi khí hậu, ô nhiêm môi trường, tài nguyên thiên nhiên dần cạn kiệt, sử dụng vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường đang trở thành xu hướng phát triển và là mục tiêu hướng tới của ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng Việt Nam trong những năm tới. Theo đánh giá của các chuyên gia, các sản phẩm xanh có chi phí lắp đặt, giá thành ban đầu có thể hơi cao hơn các vật liệu truyền thống. Tuy nhiên, cần xem xét về lâu dài, những sản phẩm công nghệ mới sẽ tiết kiệm năng lượng nhiều hơn, tối ưu hơn, có vòng đời sử dụng dài hơn, từ đó tiết kiệm tiền cho người sử dụng, chủ đầu tư Với những tiềm năng như vậy, chỉ cần tối ưu hóa, khắc phục những điểm yếu thì vật liệu xây dựng xanh sẽ dần chiếm lĩnh thị trường và trở thành lựa chọn hàng đầu. 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Hiện nay, nhu cầu sử dụng nguyên liệu, nhiên liệu cho sản xuất vật liệu xây dựng ở nước ta rất lớn và ngày càng tăng theo sự phát triển của ngành Vật liệu xây dựng. Tiềm năng sử dụng các chất thải, phế thải công nghệ làm nguyên liệu, nhiên liệu thay thế cho sản xuất vật liệu xây dựng ở nước ta khá lớn, rất đa dạng. Việc tăng cường sử dụng các chất thải, phế thải công nghiệp làm nguyên liệu thay thế trong sản xuất vật liệu xây dựng sẽ có ý nghĩa rất lớn về tiết kiệm tài nguyên khoáng sản không tái tạo và bảo vệ cảnh quan, môi trường... Để đáp ứng được nhu cầu vât liệu xây dựng trong thời gian tới, ngành vật liệu xây dựng cần sử dụng một khối lượng lớn nguyên, nhiên liệu cho sản xuất. Do đó việc sử dụng các chất thải, phế thải công nghiệp làm nguyên, nhiên liệu thay thế trong sản xuất vật liệu xây dựng sẽ có ý nghĩa rất lớn về tiết kiệm tài nguyên khoáng sản và bảo vệ môi trường. Như vậy, thông qua hiện trạng sản xuất và sử dụng nguồn phế phẩm công nông nghiệp, chúng ta thấy được rằng đây là nguồn nguyên liệu tái sử dụng được và có nhiều hữu ích nếu biết cách làm, thậm chí còn mang lại giá trị kinh tế cao. Nhũng loại phế phẩm tác giả đề xuất sẽ nghiên cứu trong thời gian tới bao gồm: - Vỏ củ lạc (đậu phộng), (Arachis hypogaea L.) là phần vỏ ngoài của củ lạc chiếm 21- 29%. Phần vỏ này chủ yếu là carbon. - Rác thải sinh hoạt, đặc biệt là rác thải nhựa và vỏ hộp giấy. Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường, mỗi tháng, mỗi gia đình sử dụng đến 1kg túi nilon. Ở những thành phố lớn như Hà Nội và Hồ Chí Minh, số lượng rác thải nhựa mỗi ngày thải ra môi trường lên tới 80 tấn. Ở thành phố Hồ Chí Minh, trong 250.000 tấn rác thải nhựa thì có 48.000 tấn được đem đi chôn lấp, hơn 200.000 tấn được tái chế hoặc thải thẳng ra môi trường. Lượng rác thải nhựa này có tiềm năng rất lớn để tận dụng sản xuất vật liệu xây dựng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Gosia Kaszubska, Tái chế chất thải rắn hữu cơ làm gạch bền vững, https://www.rmit.edu.vn/vi/tin-tuc/tat-ca-tin-tuc/2019/thang-2/tai-che-chat-thai-ran-huu- co-lam-gach-ben-vung. [2] Ngọ Văn Toản, Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cát mịn và phụ gia khoáng hỗn hợp từ xỉ lò cao hoạt hóa và tro trấu, Viện KHCN Xây dựng, 2014. 400 [3] Nguyễn Văn Hoan, Nghiên cứu sản xuất gạch bê tông từ tro, xỉ, góp phần xử lý hiệu quả chất thải rắn, Viện Vật Liệu Xây Dựng, Bộ Xây Dựng, https://ximang.vn/phat-trien- ben-vung/nang-suat-xanh/nghien-cuu-san-xuat-gach-be-tong-tu-tro-xi-gop-phan-xu-ly- hieu-qua-chat-thai-ran-13306.htm [4] Thái Duy Sâm, Tăng cường sử dụng các chất thải làm nguyên, nhiên liệu thay thế trong sản xuất VLXD, https://vatlieuxaydung.org.vn/chuyen-de-vat-lieu-xay-dung/tang- cuong-su-dung-cac-chat-thai-lam-nguyen-nhien-lieu-thay-the-trong-san-xuat-vlxd-p1-- 13682.htm [5] Thành Nam, Đem lại hiệu quả cao từ tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp, nghiep [6] Trần Thu Hiền, Phan Thanh Hải, Huỳnh Quốc Minh Đức, Ảnh hưởng của tro trấu tới tính chất ma sát và cường độ của bê tông, Viện nghiên cứu và phát triển công nghệ cao, Đại học Duy Tân, Quang Trung, Đà Nẵng, Khoa Xây dựng, Đại học Duy Tân, Quang Trung, Đà Nẵng, 2017. [7] Vỏ trấu làm nguyên liệu xây dựng sạch, https://khoahoc.tv/vo-trau-lam-nguyen-lieu- xay-dung-sach-24705 [8] Vũ Hải Yến, Nghiên cứu chế tạo mẫu vữa xây dựng từ phối trộn các mẫu phế phẩm công nông nghiệp, Đại học Công nghệ TP.HCM, 2010. [9] Vũ Hải Yến, Nghiên cứu tiềm năng sản xuất vật liệu xây dựng từ vỏ trấu thải trong nông nghiệp, Đại học Công nghệ TP.HCM, 2017.