Nhai kỹ sống chậm
Moderator
Các tòa nhà và quá trình sản xuất vật liệu được sử dụng trong quá trình xây dựng thải ra rất nhiều carbon dioxide (CO 2), một loại khí nhà kính mạnh góp phần gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Nhưng việc lưu trữ CO 2 trong vật liệu xây dựng có thể giúp chúng thân thiện hơn với môi trường. Các nhà khoa học báo cáo rằng họ đã thiết kế một loại vật liệu sàn composite có thể lưu trữ nhiều CO 2 hơn mức cần thiết để sản xuất nó, cung cấp một lựa chọn "không phát thải carbon" đáp ứng các quy định về xây dựng và ít tốn kém hơn so với sàn composite tiêu chuẩn.
Các nhà nghiên cứu đã trình bày kết quả của họ tại cuộc họp mùa xuân của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (ACS). ACS Mùa xuân 2024 là cuộc họp kết hợp được tổ chức trực tuyến và trực tiếp từ ngày 17 - 21/3/2024; có gần 12.000 bài thuyết trình về nhiều chủ đề khoa học.
Theo David Heldebrant, một nhà hóa học hữu cơ, một trong những nhà nghiên cứu chính của dự án, ngoài một số loại xi măng, vật liệu composite âm tính carbon rất hiếm. Sàn composite mà nhóm của ông đã phát triển "là một trong những vật liệu composite đầu tiên được chứng minh là âm tính CO 2 trong suốt vòng đời của nó", ông nói.
Theo Hội đồng Xây dựng Xanh Thế giới, các vật liệu và quy trình xây dựng tòa nhà chiếm 11% tổng lượng khí thải carbon liên quan đến năng lượng. Nhiều nỗ lực đáng kể đã được thực hiện để phát triển vật liệu xây dựng có thể bù đắp lượng khí thải này, chẳng hạn như sử dụng các sản phẩm tái chế hoặc có nguồn gốc từ thực vật. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, các giải pháp thay thế bền vững này đắt hơn vật liệu truyền thống hoặc không thể sánh được với các đặc tính của chúng, chẳng hạn như độ bền hoặc độ cứng.
Một loại vật liệu xây dựng — sàn gỗ — là một ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ đô la. Ván sàn làm từ vật liệu composite gỗ nhựa là một giải pháp thay thế phổ biến cho ván gỗ xẻ vì chúng ít bị hư hại do bức xạ cực tím và có thể bền hơn. Sàn gỗ composite thường được làm từ hỗn hợp dăm gỗ hoặc mùn cưa và nhựa, chẳng hạn như polyethylene mật độ cao (HDPE). Để làm cho các vật liệu composite này bền vững hơn, một giải pháp thay thế là sử dụng chất độn là sản phẩm thải hoặc nếu không sẽ bị đốt cháy.
Đó là cách tiếp cận mà đồng nghiệp của Heldebrant là Keerti Kappagantula đang áp dụng: sử dụng than nâu chất lượng thấp và lignin, một sản phẩm có nguồn gốc từ gỗ còn sót lại từ quá trình làm giấy, làm chất độn trong vật liệu composite sàn. Để làm cho các hạt than và lignin nghiền thành bột trộn lẫn và bám dính vào nhựa, nhóm nghiên cứu cần thêm các nhóm chức este vào bề mặt của các hạt. Heldebrant, người làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) và phát triển các chất lỏng chuyên dụng để thu giữ CO 2 , đã biết về công trình này trong khi trò chuyện bên tách cà phê với Kappagantula.
Satish Nune, một nhà nghiên cứu dự án khác, và Heldebrant đã rất phấn khích khi nghe về điều này. “Ester về cơ bản là axit cacboxylic, là dạng CO 2 được giữ lại ”, Heldebrant giải thích. Vì vậy, nhóm nghiên cứu muốn làm điều tương tự và đưa CO 2 lên bề mặt các hạt trong vật liệu composite để làm cho vật liệu thân thiện hơn với môi trường đồng thời cải thiện hiệu suất cơ học của vật liệu composite.
Để kiểm tra tính khả thi của phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang phản ứng hóa học cổ điển để tạo ra liên kết hóa học mới giữa CO 2 và một nhóm chức năng gọi là phenol, có nhiều trong các sản phẩm gỗ như than và lignin. Sau khi trải qua phản ứng, các hạt lignin và than chứa 2–5% CO 2 theo trọng lượng.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã trộn các tỷ lệ khác nhau của các hạt này với HDPE để tạo thành vật liệu composite màu nâu đen và họ đã thử nghiệm các đặc tính thu được. Một vật liệu composite chứa 80% chất độn đã tối đa hóa lượng CO2 trong khi vẫn thể hiện được độ bền và độ chắc đáp ứng các quy định xây dựng quốc tế về vật liệu sàn. Nó được sản xuất thông qua quá trình đùn ma sát bằng máy đùn và gia công hỗ trợ cắt (ShAPE TM ) của PNNL. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng vật liệu này để tạo thành vật liệu composite dài 10 foot trông và có cảm giác tương tự như bất kỳ vật liệu composite gỗ tiêu chuẩn nào được tìm thấy trong sàn hoặc đồ nội thất sân vườn.
Ngoài các đặc tính vật lý thuận lợi, các tấm ván composite mới còn có lợi thế đáng kể về giá cả và tính bền vững. Chúng rẻ hơn 18% so với các tấm ván sàn composite tiêu chuẩn. Heldebrant cho biết chúng cũng lưu trữ nhiều CO 2 hơn lượng thải ra trong quá trình sản xuất và trong suốt vòng đời của chúng. Nếu 3,55 tỷ feet sàn được bán tại Hoa Kỳ mỗi năm được thay thế bằng sàn composite âm CO 2 của các nhà nghiên cứu , ông cho biết, 250.000 tấn CO 2 có thể được cô lập hàng năm, tương đương với lượng khí thải hàng năm từ 54.000 ô tô.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu có kế hoạch tạo ra các công thức tổng hợp bổ sung và thử nghiệm các đặc tính. Họ hình dung rằng các vật liệu tổng hợp carbon âm có thể được phát triển cho nhiều loại vật liệu xây dựng, chẳng hạn như hàng rào và vách ngăn. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu đang nỗ lực thương mại hóa các tấm ván sàn của mình. Sàn carbon âm mới này có thể có mặt tại các nhà bán lẻ vật liệu xây dựng ngay vào mùa hè năm sau.
Các nhà nghiên cứu đã trình bày kết quả của họ tại cuộc họp mùa xuân của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (ACS). ACS Mùa xuân 2024 là cuộc họp kết hợp được tổ chức trực tuyến và trực tiếp từ ngày 17 - 21/3/2024; có gần 12.000 bài thuyết trình về nhiều chủ đề khoa học.
Theo David Heldebrant, một nhà hóa học hữu cơ, một trong những nhà nghiên cứu chính của dự án, ngoài một số loại xi măng, vật liệu composite âm tính carbon rất hiếm. Sàn composite mà nhóm của ông đã phát triển "là một trong những vật liệu composite đầu tiên được chứng minh là âm tính CO 2 trong suốt vòng đời của nó", ông nói.
Theo Hội đồng Xây dựng Xanh Thế giới, các vật liệu và quy trình xây dựng tòa nhà chiếm 11% tổng lượng khí thải carbon liên quan đến năng lượng. Nhiều nỗ lực đáng kể đã được thực hiện để phát triển vật liệu xây dựng có thể bù đắp lượng khí thải này, chẳng hạn như sử dụng các sản phẩm tái chế hoặc có nguồn gốc từ thực vật. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, các giải pháp thay thế bền vững này đắt hơn vật liệu truyền thống hoặc không thể sánh được với các đặc tính của chúng, chẳng hạn như độ bền hoặc độ cứng.
Một loại vật liệu xây dựng — sàn gỗ — là một ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ đô la. Ván sàn làm từ vật liệu composite gỗ nhựa là một giải pháp thay thế phổ biến cho ván gỗ xẻ vì chúng ít bị hư hại do bức xạ cực tím và có thể bền hơn. Sàn gỗ composite thường được làm từ hỗn hợp dăm gỗ hoặc mùn cưa và nhựa, chẳng hạn như polyethylene mật độ cao (HDPE). Để làm cho các vật liệu composite này bền vững hơn, một giải pháp thay thế là sử dụng chất độn là sản phẩm thải hoặc nếu không sẽ bị đốt cháy.
Đó là cách tiếp cận mà đồng nghiệp của Heldebrant là Keerti Kappagantula đang áp dụng: sử dụng than nâu chất lượng thấp và lignin, một sản phẩm có nguồn gốc từ gỗ còn sót lại từ quá trình làm giấy, làm chất độn trong vật liệu composite sàn. Để làm cho các hạt than và lignin nghiền thành bột trộn lẫn và bám dính vào nhựa, nhóm nghiên cứu cần thêm các nhóm chức este vào bề mặt của các hạt. Heldebrant, người làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) và phát triển các chất lỏng chuyên dụng để thu giữ CO 2 , đã biết về công trình này trong khi trò chuyện bên tách cà phê với Kappagantula.
Satish Nune, một nhà nghiên cứu dự án khác, và Heldebrant đã rất phấn khích khi nghe về điều này. “Ester về cơ bản là axit cacboxylic, là dạng CO 2 được giữ lại ”, Heldebrant giải thích. Vì vậy, nhóm nghiên cứu muốn làm điều tương tự và đưa CO 2 lên bề mặt các hạt trong vật liệu composite để làm cho vật liệu thân thiện hơn với môi trường đồng thời cải thiện hiệu suất cơ học của vật liệu composite.
Để kiểm tra tính khả thi của phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang phản ứng hóa học cổ điển để tạo ra liên kết hóa học mới giữa CO 2 và một nhóm chức năng gọi là phenol, có nhiều trong các sản phẩm gỗ như than và lignin. Sau khi trải qua phản ứng, các hạt lignin và than chứa 2–5% CO 2 theo trọng lượng.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã trộn các tỷ lệ khác nhau của các hạt này với HDPE để tạo thành vật liệu composite màu nâu đen và họ đã thử nghiệm các đặc tính thu được. Một vật liệu composite chứa 80% chất độn đã tối đa hóa lượng CO2 trong khi vẫn thể hiện được độ bền và độ chắc đáp ứng các quy định xây dựng quốc tế về vật liệu sàn. Nó được sản xuất thông qua quá trình đùn ma sát bằng máy đùn và gia công hỗ trợ cắt (ShAPE TM ) của PNNL. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng vật liệu này để tạo thành vật liệu composite dài 10 foot trông và có cảm giác tương tự như bất kỳ vật liệu composite gỗ tiêu chuẩn nào được tìm thấy trong sàn hoặc đồ nội thất sân vườn.
Ngoài các đặc tính vật lý thuận lợi, các tấm ván composite mới còn có lợi thế đáng kể về giá cả và tính bền vững. Chúng rẻ hơn 18% so với các tấm ván sàn composite tiêu chuẩn. Heldebrant cho biết chúng cũng lưu trữ nhiều CO 2 hơn lượng thải ra trong quá trình sản xuất và trong suốt vòng đời của chúng. Nếu 3,55 tỷ feet sàn được bán tại Hoa Kỳ mỗi năm được thay thế bằng sàn composite âm CO 2 của các nhà nghiên cứu , ông cho biết, 250.000 tấn CO 2 có thể được cô lập hàng năm, tương đương với lượng khí thải hàng năm từ 54.000 ô tô.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu có kế hoạch tạo ra các công thức tổng hợp bổ sung và thử nghiệm các đặc tính. Họ hình dung rằng các vật liệu tổng hợp carbon âm có thể được phát triển cho nhiều loại vật liệu xây dựng, chẳng hạn như hàng rào và vách ngăn. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu đang nỗ lực thương mại hóa các tấm ván sàn của mình. Sàn carbon âm mới này có thể có mặt tại các nhà bán lẻ vật liệu xây dựng ngay vào mùa hè năm sau.
