Vật liệu xây dựng từ phế phẩm cây mía phục vụ xây dựng bền vững

Bã mía – nguồn thải nông nghiệp khổng lồ

Nếu chất thải công nghiệp không được xử lý đúng cách sẽ gây hại cho môi trường và sức khỏe con người. Một trong những chất thải nông nghiệp lớn nhất trên thế giới là "bã mía", được tạo ra khi mía được nghiền nát và ép lấy nước.

Bã mía là chất cặn dạng sợi, không thể phân hủy sinh học còn sót lại sau khi ép mía. Trong quá trình thu hoạch mía và sản xuất đường, chất thải phát sinh như bã mía và tro xỉ được quản lý trên đồng ruộng hoặc đốt, thải khí carbon dioxide vào khí quyển, dẫn đến ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu.  

Mặc dù bã mía vẫn được sử dụng làm nhiên liệu sinh khối, nhưng sau khi đốt, sản phẩm phụ không thể sử dụng được và thường được đổ đi, gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, môi trường, đất canh tác và nguồn nước...

Do hoạt động nông nghiệp phụ thuộc vào điều kiện khí hậu nên biến đổi khí hậu và nông nghiệp có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Trong đó, nông nghiệp chịu trách nhiệm chính trong việc giải phóng N2O và CH4 vào khí quyển và tạo ra hơn một nửa lượng khí thải không phải CO2 trên thế giới. Vì không có biện pháp khắc phục chung nào cho tác hại môi trường nên cần có những hành động nhanh chóng và thành công hơn để hạn chế lượng khí thải carbon.

Nhiều quốc gia đang phát triển bị cản trở bởi các quy định quản lý chất thải theo đó gây ra các tổn hại đến môi trường và chất lượng không khí. Đặc biệt, các phương pháp quản lý chất thải không phù hợp nhằm xử lý chất thải tạo ra trong quá trình thu hoạch mía đã dẫn đến một lượng lớn chất thải trong mùa vụ, khiến nông dân phải đốt chất thải để xử lý.

Riêng Ấn Độ - nước sản xuất mía đường lớn thứ hai thế giới, mỗi năm đất nước này trồng 4 triệu ha mía. Các nhà máy đường có thể chế biến 40 triệu tấn mía mỗi năm. Mà cứ mỗi tấn mía ép thì thu được khoảng 300 kg bã mía. Bã mía trước đây được sử dụng làm nhiên liệu để sản xuất đường. Tuy nhiên, chỉ 1/3 số bã mía bị đốt; phần còn lại bị vứt đi.

Quá trình đốt bã mía có thể gây ra các tác động lớn đến môi trường bao gồm suy giảm chất lượng không khí và phát thải các sản phẩm đốt cháy có hại như các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) và carbon monoxide (CO), gây hại cho sức khỏe cộng đồng và tích tụ mây đen. Nó làm ô nhiễm môi trường và hủy hoại sự đa dạng của vi sinh vật trong đất do sản xuất tro bay. Ngoài ra, mía và phân bón thải biến thành nitrat, làm giảm hàm lượng oxy trong nước và tác động tiêu cực đến động vật thủy sinh; ngọn lửa do đốt lá bã mía tạo ra nhiều chất ô nhiễm nguy hiểm góp phần gây ra nhiều vấn đề sức khỏe khác nhau…

Hiện nay, bã mía được tận dụng để sản xuất với số lượng lớn ở nhiều nước dưới dạng phế phẩm. Đối với mỗi tấn bã mía bị đốt cháy sẽ tạo ra 25 - 40 kg SCBA. Nó là một vật liệu 'chất thải' có giá trị được sử dụng trong gốm sứ, bộ lọc tro sinh khối, bê tông và gần đây nhất là các khối đất nén làm chất ổn định. Việc kết hợp chất thải này vào vật liệu xây dựng như gạch, bê tông sẽ giúp giảm ô nhiễm môi trường.

Tiềm năng sử dụng bã mía làm vật liệu thay thế xi măng

Khả năng thay thế xi măng bằng tro bã mía trong vật liệu xây dựng như bê tông và gạch đã được nhiều nhà nghiên cứu khám phá. Trong đó, Salim và cộng sự đã đưa tro bã mía và đất thịt pha cát vào phát triển khối đất nén. Các khối đất thịt pha cát được sản xuất với lượng tro bã mía 3%, 5%, 8% và 10% trước khi được nén và đúc thành các khối có kích thước 285 mm X 145 mm X 95 mm và xử lý trong 14, 21 và 28  ngày. Sau khi đóng rắn, chúng được kiểm tra độ bền nén và vết nứt co ngót. Kết quả cho thấy rằng việc thêm 10% tro bã mía vào khối đất thịt pha cát đã tăng cường độ lên 65% - giảm 7% các vết nứt do co ngót sau khi thêm 10% khối đất biến đổi tro bã mía. Sự cải thiện đặc tính này có thể là do các phản ứng pozzolanic của tro bã mía.

Việc thay thế một phần xi măng bằng tro bã mía làm cốt liệu mịn trong bê tông còn được khám phá thêm bởi Modani và Vyawahare Cites vào năm 2013. Tro bã mía chưa qua xử lý được thay thế một phần theo tỉ lệ 0%, 10%, 20%, 30% và 40% theo thể tích cốt liệu mịn trong bê tông. Các thử nghiệm bê tông tươi về hệ số nén và độ sụt hình nón đã được thực hiện. Tương tự, các thử nghiệm bê tông cứng đã được thực hiện như cường độ nén và cường độ kéo đứt. Kết quả đã chứng minh rằng 10% tro bã mía có thể là chất thay thế tổng hợp mịn.

Mới đây Saad Agwa và cộng sự đã có những nghiên cứu đối với bã mía và xác định loại “phế thải” này như một chất thay thế một phần cho xi măng để giảm ô nhiễm không khí. Họ cung cấp thông tin về các nghiên cứu trong đó bã mía ảnh hưởng đến vật liệu xây dựng do đặc tính pozzolanic của chúng. Hiệu quả của việc xử lý SCBA trước khi kết hợp lên các đặc tính cơ lý và cấu trúc vi mô của bê tông đã được đánh giá. Tương tự như vậy, việc kết hợp bã mía đã qua xử lý làm vật liệu thay thế xi măng với các đặc tính bê tông thân thiện với môi trường đã được đề xuất. Họ xác nhận rằng phần trăm tải trọng, xử lý gia nhiệt hoặc xay xát của bã mía quyết định lượng độ sụt của bê tông. Họ cũng cho biết tỉ lệ SCBA đã xử lý 5% - 10% là tối ưu để thay thế xi măng và mang lại các đặc tính cơ học tốt hơn gạo.

Gạch sinh học từ bã và phụ phẩm của cây mía

Mới đây, Grimshaw, một studio kiến trúc hợp tác với trường Đại học East London (UEL) phát minh ra loại gạch xây dựng làm từ bã mía - một sản phẩm phụ từ quá trình chế biến cây mía. Được gọi là “Sugarcrete”, sản phẩm này ra đời có thể tái sử dụng, ít phát thải và chi phí thấp thay thế cho gạch và bê tông, đồng thời giải quyết vấn đề bền vững môi trường trong xây dựng.

Trường Đại học East London cho biết, gạch Sugarcrete là vật liệu xây dựng được làm bằng cách kết hợp các bã sợi mía còn sót lại từ quá trình sản xuất đường, trộn với chất kết dính chuyên dụng, cùng các khoáng chất và cát. Vật liệu này cung cấp giải pháp carbon thấp để xây các bộ phận của tòa nhà, chẳng hạn như vách cách nhiệt, kết cấu sàn.

Gạch sugarcrete có hình dạng đa diện với các cạnh thuôn nhọn được sử dụng để tạo vật liệu thành các khối lồng vào nhau. Các khối lồng vào nhau được sắp xếp theo các hướng xen kẽ và được giữ với nhau bằng các thanh giằng để tạo ra một khối như tấm bê tông, có thể kéo dài tới 3m mà không cần vữa. Các khối được thiết kế để dễ dàng xây dựng và tháo rời để có thể tái sử dụng cho nhiều dự án.

Vật liệu này còn có khả năng làm giảm lượng khí thải carbon, tác động tích cực đến cuộc khủng hoảng khí hậu mà thế giới đang phải đối mặt. Sugarcrete thải carbon ít hơn 20 lần, nhẹ hơn 4 - 5 lần so với gạch truyền thống. Nó còn được ca ngợi là giải pháp thay thế thân thiện với môi trường, với giá cả phải chăng hơn so với các loại gạch xây dựng truyền thống.