Bê tông sinh học từ nước tiểu: Các nhà nghiên cứu phát triển vật liệu xây dựng bền vững
bởi Universitaet Stuttgart
Các nhà nghiên cứu từ ba viện tại Đại học Stuttgart đang phát triển một loại vật liệu xây dựng mới – bê tông sinh học. Nguồn: Đại học Stuttgart / ILEK / IMB / ISWA
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stuttgart đã sử dụng các quy trình vi sinh để sản xuất bê tông sinh học thân thiện với môi trường từ nước tiểu như một phần của chuỗi giá trị "nước thải-bê tông sinh học-phân bón". Với việc gia hạn dự án được Bộ Khoa học, Nghiên cứu và Nghệ thuật Baden-Württemberg cấp phép, trọng tâm hiện chuyển sang tối ưu hóa sản phẩm và thử nghiệm thực tế.
Bê tông đang bùng nổ. Khoảng 4 tỷ tấn xi măng được chế biến thành bê tông và sử dụng trên toàn thế giới mỗi năm. Gây ra hậu quả nghiêm trọng cho môi trường.
"Xi măng thông thường thường được nung ở nhiệt độ khoảng 1.450 độ. Điều này tiêu thụ rất nhiều năng lượng và thải ra một lượng lớn khí nhà kính", Giáo sư Lucio Blandini, Trưởng khoa Kết cấu nhẹ và Thiết kế ý tưởng (ILEK) tại Đại học Stuttgart cho biết.
Quy trình sản xuất vi sinh thân thiện với môi trường
Các nhà nghiên cứu từ ba viện tại Đại học Stuttgart đang phát triển một loại vật liệu xây dựng mới—bê tông sinh học. Nhờ cường độ nén cao, nó không chỉ có thể thay thế đá sa thạch truyền thống và trong một số trường hợp, bê tông gốc xi măng. Nó cũng có khả năng được sản xuất hoàn toàn từ vật liệu thải và do đó có dấu chân sinh thái thấp hơn đáng kể.
Các nhà nghiên cứu đang sử dụng một nguyên liệu thô dồi dào nhưng trước đây bị bỏ qua: nước tiểu của con người. Họ đã thử nghiệm thành công phương pháp của mình trong một nghiên cứu khả thi. Công trình này được công bố trên tạp chí npj Materials Sustainability.
"Bê tông sinh học được sản xuất thông qua quá trình khoáng hóa sinh học. Đây là một quá trình công nghệ sinh học trong đó các sinh vật sống tạo ra vật liệu vô cơ thông qua các phản ứng hóa học", Maiia Smirnova, cộng sự nghiên cứu tại ILEK giải thích.
"Chúng tôi trộn bột chứa vi khuẩn với cát, cho hỗn hợp vào khuôn, sau đó xả bằng nước tiểu giàu canxi trong ba ngày theo quy trình tự động. Quá trình phân hủy urê của vi khuẩn, kết hợp với việc thêm canxi vào nước tiểu, khiến các tinh thể canxi cacbonat phát triển. Quá trình này làm đông đặc hỗn hợp cát thành bê tông sinh học.
"Cuối quá trình, một chất rắn được tạo ra có thành phần hóa học tương tự như đá sa thạch vôi tự nhiên. Tùy thuộc vào khuôn, các thành phần có thể được tạo ra theo nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, với độ sâu tối đa hiện tại là 15 cm."
Các mẫu đầu tiên được sản xuất cho thấy các đặc tính vật liệu đầy hứa hẹn. Bằng cách sử dụng urê kỹ thuật, nhóm nghiên cứu đã đạt được cường độ nén trên 50 megapascal—vượt trội đáng kể so với cường độ của các vật liệu xây dựng có sẵn trước đây được sản xuất thông qua quá trình khoáng hóa sinh học.
Trong dự án "SimBioZe", các nhà nghiên cứu đang sử dụng nước tiểu của con người để sản xuất vật liệu xây dựng bền vững. Vì nước tiểu đã chứa nước nên không cần thêm nước cho quá trình này. Nguồn: Đại học Stuttgart / ILEK / IMB / ISWA
Với urê trong nước tiểu nhân tạo, cường độ nén đạt 20 megapascal. Sử dụng nước tiểu của con người thật, giá trị là năm megapascal, vì vi khuẩn mất hoạt động trong quá trình khoáng hóa sinh học kéo dài ba ngày. Hiện tại, điều này phải được cải thiện.
Theo các nhà khoa học, cường độ từ 30 đến 40 megapascal trong vật liệu khoáng hóa sinh học sẽ đủ để xây dựng từ hai đến tòa nhà ba tầng. Hiện tại, họ đang tiến hành thử nghiệm đóng băng-tan băng để xác định xem vật liệu có thể sử dụng ngoài trời hay không.
Hướng đến nền kinh tế tuần hoàn: Từ sản phẩm thải thành vật liệu xây dựng
"Quy trình sản xuất bê tông sinh học của chúng tôi tiêu thụ ít năng lượng hơn đáng kể và thải ra ít khí thải hơn so với sản xuất xi măng thông thường. Nhưng cách tiếp cận của chúng tôi cũng bền vững vì chúng tôi nhúng sản phẩm vào chuỗi giá trị tuần hoàn", Blandini cho biết.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một khái niệm cho thấy cách nước tiểu có thể được tách và xử lý từ dòng nước thải một phần ở những nơi có lượng người đông đúc, chẳng hạn như sân bay, để sử dụng làm nguyên liệu thô để sản xuất bê tông sinh học. Đồng thời, quy trình này có thể thu hồi các chất có giá trị thứ cấp từ nước thải để sản xuất phân bón cho nông nghiệp.
"Bằng cách sản xuất hai sản phẩm cùng một lúc, chúng tôi nâng cao lợi ích về môi trường", Smirnova cho biết.
Giai đoạn dự án thứ hai: Tối ưu hóa quy trình sản xuất và thử nghiệm thực tế
Sau khi hoàn thành thành công các nghiên cứu sơ bộ, dự án hiện đã được Bộ Khoa học, Nghiên cứu và Nghệ thuật Baden-Württemberg gia hạn thêm ba năm. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tiếp theo, các nhà nghiên cứu muốn xác định các chất trong nước tiểu của con người có tác động tiêu cực đến hoạt động của vi khuẩn và do đó là chất lượng của bê tông sinh học.
Quy trình sản xuất sẽ được tối ưu hóa trên cơ sở này. Nhóm, cùng với Trung tâm Nông nghiệp hữu cơ tại Đại học Hohenheim, cũng đang tập trung vào sản xuất phân bón đồng thời.
Sau khi các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm hoàn tất, khái niệm này sẽ được thử nghiệm trong điều kiện thực tế: Một cơ sở thí điểm được lên kế hoạch tại Sân bay Stuttgart, nơi nước tiểu sẽ được thu thập và chế biến thành bê tông sinh học và phân bón.
Thông tin thêm: Maiia Smirnova và cộng sự, Bê tông sinh học cường độ cao để sản xuất các thành phần xây dựng, npj Materials Sustainability (2023). DOI: 10.1038/s44296-023-00004-6
