Một loại vật liệu bịt kín được chế tạo từ các nguyên liệu có nguồn gốc từ chất thải có thể đồng thời tạo lớp ngăn cách, hạn chế sự xâm nhập của oxy, tăng khả năng chịu lửa và thúc đẩy quá trình khoáng hóa CO₂, mở ra hướng phát triển vật liệu bịt kín đa chức năng cho mỏ than hầm lò.

Vật liệu bịt kín nền bentonite được biến tính bằng CO₂ giúp chống cháy mỏ than và lưu giữ CO₂. Ảnh: Shutterstock.com.

Theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Applied Sciences, các nhà nghiên cứu đã phát triển vật liệu bịt kín nền bentonite được biến tính bằng CO₂, tích hợp khả năng phòng chống cháy mỏ than, hạn chế rò rỉ khí và khoáng hóa CO₂ trong cùng một hệ thống. Vật liệu đạt độ bền nén 37,9 ± 1,4 MPa sau 28 ngày, giới hạn chịu lửa 186 ± 6 giây trong thử nghiệm bằng đèn khò cồn, giảm nồng độ O₂ trung bình từ 13,7% xuống 4,9% trong mô hình goaf mô phỏng và khoáng hóa 24,4 - 40,4 kg CO₂/tấn sau 28 ngày. Nghiên cứu cho thấy tiềm năng của vật liệu bịt kín đa chức năng trong việc nâng cao an toàn mỏ hầm lò đồng thời tận dụng các dòng vật liệu thứ cấp và hỗ trợ quản lý carbon.

Phát triển vật liệu bịt kín mỏ đa chức năng

Than tự cháy vẫn là mối quan tâm lớn về an toàn trong các mỏ than hầm lò. Quá trình này bắt đầu khi oxy phản ứng với bề mặt than và sinh ra nhiệt. Nếu nhiệt tích tụ nhanh hơn khả năng tản nhiệt ra đá xung quanh và khí quyển mỏ, nhiệt độ than sẽ tăng dần và cuối cùng có thể dẫn đến cháy. Do đó, hạn chế oxy xâm nhập vào khu vực đã khai thác là một nhiệm vụ quan trọng trong phòng chống cháy mỏ.

Tuy nhiên, các vật liệu bịt kín truyền thống có một số hạn chế có thể làm giảm hiệu quả lâu dài. Vật liệu xi măng dễ bị co ngót và nứt theo thời gian, tạo ra các đường rò rỉ không khí và khí. Bọt polymer hữu cơ cũng có thể bị suy giảm hoặc mất hiệu suất khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Ngoài ra, hầu hết các vật liệu bịt kín truyền thống gần như không có khả năng lưu giữ carbon.

Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã phát triển vật liệu bịt kín đa chức năng tích hợp khả năng chống cháy, bịt kín khí và khoáng hóa CO₂ trong một công thức duy nhất. Bentonite được chọn làm thành phần chính nhờ đặc tính trương nở, hấp phụ và keo dính, hỗ trợ khả năng bịt kín.

Nghiên cứu mô tả vật liệu là tương đối “âm carbon, trong đó lượng carbon hấp thụ đo được có thể bù đắp một phần phát thải trong toàn bộ vòng đời từ khâu nguyên liệu đến cổng nhà máy khi so sánh với vật liệu nền xi măng.

Thiết kế vật liệu và kiểm tra hiệu suất

Đầu tiên, natri bentonite tự nhiên được xử lý ở áp suất CO₂ 2,0 MPa và nhiệt độ 60°C trong bốn giờ. Phương pháp xử lý này làm tăng khoảng cách lớp của montmorillonite (một loại khoáng vật sét) và đưa các dạng carbonate vào cấu trúc vật liệu. Các nhà nghiên cứu cũng chuẩn bị xỉ đốt chất thải rắn đô thị (MSWI) thông qua quá trình phong hóa, nghiền, sấy khô và nghiền bi. Zeolit được thu hồi từ hệ thống xử lý khí thải của nhà máy nhiệt điện than có thu giữ CO₂ và được nạp CO₂ với hàm lượng 4 mmol/g.

Nhóm nghiên cứu đã chuẩn bị 11 công thức bằng cách dần thay thế xi măng bằng xỉ MSWI, sau đó điều chỉnh hàm lượng zeolit, tỷ lệ nước/chất kết dính và tỷ lệ giữa các thành phần chính và phụ. Công thức tối ưu sử dụng 50% xỉ MSWI và 10% zeolit bão hòa CO₂. Tỷ lệ nước/chất kết dính là 0,60 và tỷ lệ thành phần chính - phụ danh nghĩa là 1:0,5.

Các nhà nghiên cứu sử dụng nhiều kỹ thuật phân tích để kiểm tra vật liệu. Huỳnh quang tia X (XRF) được sử dụng để xác định thành phần hóa học. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và nhiễu xạ tia X (XRD) lần lượt được sử dụng để phân tích các nhóm chức/liên kết và xác định các pha khoáng vật.

Nhóm cũng kiểm tra độ lưu động, thời gian đông kết, độ bền nén, độ bền kéo tách và khả năng chống cháy. Hiệu suất bịt kín khí được đánh giá trong một mô hình goaf mô phỏng chứa than nghiền. Lượng carbon hấp thụ được xác định thông qua phân tích tổng carbon vô cơ. Phân tích nhiệt trọng lượng kết hợp phổ khối (TGA-MS) được sử dụng để phân biệt CO₂ hấp phụ có thể đảo ngược với CO₂ được cố định thông qua quá trình khoáng hóa. Các thí nghiệm ngâm chiết và theo dõi trong 90 ngày cung cấp thêm thông tin về mức độ an toàn môi trường và độ ổn định của vật liệu theo thời gian.

Xử lý CO₂ tăng cường hiệu suất vật liệu

Xử lý CO₂ làm thay đổi cấu trúc bentonite và đặc tính trương nở. Khoảng cách lớp của montmorillonite tăng từ 12,48 lên 14,79 Å, tương đương mức tăng 18,5%. Phân tích FTIR phát hiện dải hấp thụ carbonate ở 1435 cm⁻¹, trong khi XRD xác nhận sự hình thành calcite. Giá trị keo của vật liệu tăng từ 85 lên 115 mL/3g, trong khi chỉ số trương nở tự do giảm từ 28 xuống 14 mL/2g. Những thay đổi này cho thấy xử lý CO₂ giúp kiểm soát sự trương nở quá mức trong khi vẫn duy trì các đặc tính hữu ích của bentonite.

Các nhà nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của hàm lượng xỉ MSWI đến hiệu suất vật liệu. Việc tăng tỷ lệ thay thế bằng xỉ làm giảm độ lưu động và độ bền nén. Nhóm nghiên cứu lựa chọn mức thay thế 50% nhằm tăng tiềm năng lưu trữ carbon đồng thời duy trì các tính chất cơ học cần thiết thông qua điều chỉnh công thức. Vật liệu tối ưu đạt độ bền nén 37,9 ± 1,4 MPa sau 28 ngày và độ bền kéo tách 3,8 ± 0,2 MPa.

Vật liệu đạt giới hạn chịu lửa tiêu chuẩn 186 ± 6 giây trong thử nghiệm bằng đèn khò cồn. Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy thời gian cháy có ngọn lửa bằng 0, thời gian cháy không ngọn lửa trung bình là 2,11 ± 0,18 giây và chiều dài lan truyền ngọn lửa là 15 ± 2 mm.

Các thử nghiệm bịt kín khí trong mô hình goaf mô phỏng cho thấy nồng độ oxy giảm từ 13,7% xuống còn 4,9% sau khi bịt kín. Vật liệu sau khi đóng rắn có độ thấm khí thấp, ở mức 2,3 × 10⁻¹⁶ m².

Nhìn chung, các thử nghiệm cho thấy biến tính bằng CO₂ giúp cải thiện độ ổn định kích thước và khả năng tham gia phản ứng cacbonat hóa của bentonite; vật liệu composite được tối ưu hóa có độ bền cơ học cao, khả năng bịt kín khí và khả năng chống cháy tốt.

Trong điều kiện cacbonat hóa gia tốc, vật liệu khoáng hóa 24,4 - 40,4 kg CO₂/tấn sau 28 ngày, tương đương 11,3 -  18,8% khả năng hấp thụ CO₂ lý thuyết của vật liệu. Kết quả này cung cấp một thước đo định lượng về khả năng lưu trữ carbon của vật liệu, mặc dù các thí nghiệm được thực hiện trong môi trường có nồng độ CO₂ rất cao so với điều kiện mỏ thông thường.

Hướng tới phòng chống cháy mỏ bền vững

Nghiên cứu cho thấy vật liệu bịt kín đa chức năng này có khả năng giải quyết đồng thời một số yêu cầu trong khai thác than hầm lò. Bentonite được biến tính bằng CO₂ giúp cải thiện độ ổn định kích thước và hỗ trợ quá trình cacbonat hóa. Dùng xỉ MSWI làm giảm lượng xi măng sử dụng trong công thức, đồng thời cung cấp các thành phần như canxi và magiê có thể tham gia vào quá trình khoáng hóa CO₂. Zeolit bão hòa CO₂ cung cấp một nguồn CO₂ nội sinh, có khả năng giải phóng CO₂ từ từ để hỗ trợ tiếp tục quá trình khoáng hóa trong vật liệu. Tổng thể, các thành phần này tạo nên vật liệu có độ bền kết cấu, khả năng chống cháy, khả năng bịt kín khí và tiềm năng lưu trữ carbon.

Xỉ từ quá trình đốt chất thải rắn đô thị và zeolit thu hồi từ hệ thống xử lý khí thải có thu giữ CO₂ có thể được tận dụng làm nguyên liệu, qua đó mở ra hướng sử dụng các dòng vật liệu thứ cấp trong chế tạo vật liệu bịt kín mỏ.

Nghiên cứu cũng cho thấy độ bền nén tăng từ 37,9 MPa sau 28 ngày lên 39,8 MPa sau 90 ngày, trong khi nồng độ oxy duy trì ở mức 4,6 - 5,2% trong 60 ngày theo dõi liên tục.

Hàm lượng kim loại nặng trong dịch chiết của vật liệu sau đóng rắn cũng thấp hơn nhiều so với các giới hạn quy định liên quan. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu trước khi triển khai vật liệu ở quy mô lớn.

Các thử nghiệm cacbonat hóa gia tốc được thực hiện trong môi trường có nồng độ CO₂ 99%, cao hơn nhiều so với điều kiện mỏ thông thường. Do đó, lượng CO₂ hấp thụ trong điều kiện thí nghiệm không thể trực tiếp được xem là lượng CO₂ có thể lưu trữ trong điều kiện vận hành thực tế.

Khái niệm “âm carbon” trong nghiên cứu cũng cần được hiểu trong phạm vi ranh giới hệ thống và phương pháp so sánh mà nhóm tác giả sử dụng, thay vì xem đó là bằng chứng về phát thải ròng bằng 0 hoặc âm trong toàn bộ vòng đời của vật liệu.

Kết quả chịu lửa 186 ± 6 giây cũng nên được hiểu là hiệu suất trong một thử nghiệm phòng thí nghiệm tiêu chuẩn hóa, không phải dự đoán thời gian vật liệu có thể chịu được một đám cháy thực tế trong mỏ.

Các nghiên cứu trong tương lai cần đánh giá hiệu suất lâu dài hơn, điều kiện hiện trường, sự biến đổi thành phần của xỉ MSWI và khả năng hấp thụ CO₂ trong điều kiện thực tế. Đánh giá toàn bộ vòng đời cũng sẽ giúp định lượng đầy đủ hơn lợi ích môi trường của vật liệu. Việc theo dõi hiệu suất trong điều kiện hiện trường dài hạn là cần thiết để xác định khả năng duy trì tính năng của vật liệu khi được sử dụng thực tế.

Tổng thể, nghiên cứu đưa ra một hướng tiếp cận đáng chú ý trong phát triển vật liệu bịt kín mỏ đa chức năng, kết hợp yêu cầu về an toàn cháy nổ, kiểm soát rò rỉ khí, khoáng hóa CO₂ đồng thời tận dụng một số dòng vật liệu thứ cấp. Hướng tiếp cận này có thể góp phần mở rộng các giải pháp phục vụ an toàn mỏ và lưu giữ CO₂./.