ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH CARBONATE HÓA XI MĂNG MAGNESIUM OXIDE ĐỂ SẢN XUẤT CHẤT KẾT DÍNH THÂN THIỆN VỚI MÔI TRƯỜNG DÙNG TRONG XÂY DỰNG

1️⃣ Sự phát triển nhanh chóng của hệ thống cơ sở hạ tầng và các khu đô thị đang dẫn đến việc sử dụng một lượng rất lớn xi măng Portland (PC) cho các công trình xây dựng. Ước tính lượng xi măng PC cần sản xuất sẽ lên đến 5 tỷ tấn/năm vào năm 2030, kéo theo hệ lụy là sự phát thải ra môi trường khoảng 3 tỷ tấn khí thải CO2. Mặt khác, như chúng ta đã biết, việc giảm thiểu phát thải khí CO2 là một trong những yêu cầu tiên quyết để có được sự phát triển bền vững. Do vậy, việc nghiên cứu phát minh ra những loại chất kết dính có khả năng thay thế xi măng Portland đang là một sự lựa chọn hàng đầu trong các ngành kỹ thuật và vật liệu xây dựng.
2️⃣ Xi măng có nguồn gốc từ Magnesium Oxide (RMC) hiện đang được tập trung phát triển do có nhiều ưu điểm về tính thân thiện với môi trường vượt trội hơn xi măng PC. Ví dụ như, xi măng này được chế tạo ở nhiệt độ nung thấp (700-900oC so với 1450oC của xi măng PC), có khả năng tăng cường độ bằng cách hấp thụ khí CO2, có khả năng tái chế hoàn toàn tại cuối chu kỳ sử dụng. Quá trình thủy hóa và carbonate hóa xi măng RMC tuân theo các công thức sau:
Quá trình thủy hóa để hình thành brucite:  
✔️ MgO + H20 -> Mg(OH)2(aq,s)
Quá trình carbonate hóa để hình thành hợp chất hydrated magnesium hydroxy carbonates (HMHCs) :
✔️ Mg(OH)2(aq,s) + CO2 + 2H20 -> MgCO3.3H20 (nesquehonite)
✔️ 5Mg(OH)2(aq,s) + 4CO2 -> 4MgCO3.Mg(OH)2.4H20 (hydromagnesite)
✔️ 5Mg(OH)2(aq,s) + 4CO2 + H20 -> 4MgCO3.Mg(OH)2.5H20 (dypingite)
Quá trình carbonate hóa giúp mẫu xi măng RMC tăng cao cường độ khi so sánh với mẫu xi măng PC tương tự được carbonate hóa. Vì vậy khả năng ứng dụng xi măng RMC là vật liệu kết dính thay thế cho xi măng PC là rất lớn. 
3️⃣ Tuy nhiên, vẫn còn các hạn chế cần phải được nghiên cứu và giải quyết:
- Việc hấp thụ khí CO2 sẽ giảm đi khi lớp RMC bên ngoài chuyển hóa thành hợp chất HMHCs
- Quá trình carbonate hóa từ bên trong bị hạn chế
- Tốc độ phản ứng khi CO2 ở thể khí với Mg(OH)2 sẽ chậm
4️⃣ Nhằm giải quyết những vấn đề nêu trên, một nghiên cứu đã đề xuất ý tưởng sử dụng các loại vi sinh vật có khả năng sản sinh enzyme Urease, là enzyme có tác dụng đẩy nhanh quá trình thủy phân Urea, để tạo ra ion CO3(2-). Nghiên cứu đã sử dụng vi sinh vật Sporosarcina pasteurii trộn vào hỗn hợp vữa xi măng RMC để tạo ra quá trình carbonate hóa từ bên trong mẫu vữa xi măng, ion CO3(2-) được sinh ra góp phần đẩy nhanh quá trình carbonate hóa. Kết quả thực nghiệm cho thấy, dựa trên ý tưởng được đề xuất, cường độ của mẫu vữa RMC được tăng lên đến 200% so với mẫu đối chứng. Hơn nữa, sử dụng kỹ thuật phân tích SEM để phân tích vi cấu trúc của mẫu được trộn với vi sinh vật, ta có thể thấy rằng đã có sự thay đổi hoàn toàn về sinh thái học khi hình thành hợp chất HMHCs khi so với mẫu đối chứng (tham khảo hình dưới). Có thể nói rằng việc sử dụng vi sinh đẩy nhanh quá trình carbonate hóa của xi măng RMC đã góp phần phát triển một loại chất kết dính mới, thân thiện hơn với môi trường trong xây dựng, công trình giao thông, và thủy lợi.

               Mẫu đối chứng                                                                            Mẫu được trộn vi sinh vật

🌐 Nghiên cứu này là sự hợp tác của các nhà nghiên cứu đến từ Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, Việt Nam; Trường Đại học Kỹ thuật Nanyang, Singapore và Trường Đại học Glasgow, Vương Quốc Anh. Kết quả của nghiên cứu đã được đăng trên tạp chí CEMENT AND CONCRETE RESEARCH (Vol 143), tháng 5, năm 2021 (https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106391). Đây là tạp chí xếp hạng Q1 (Scimago/ISI), hệ số ảnh hưởng (IF) là 10.93, hệ số H là 239 và xếp hạng 1 trong lĩnh vực Building and Construction theo bảng xếp hạng của Scimago. Tác giả chính của bài báo là TS. Hoàng Phương Tùng, giảng viên Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.

[Tiểu sử]
- TS. Hoàng Phương Tùng tốt nghiệp Tiến sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng tại Đại học bang Iowa, Hoa Kỳ năm 2018, sau đó, tiếp tục nghiên cứu sau tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường, Đại học Kỹ thuật Nanyang, Singapore từ 2019 đến 2021. Hiện nay, TS. Tùng đang giảng dạy tại Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Là tác giả của hơn 10 bài báo khoa học, phần lớn được đăng trên các tạp chí khoa học uy tín (Q1/Scimago).
- TS. Hoàng Phương Tùng hiện đang chủ nhiệm một đề tài cấp cơ sở và một đề tài hợp tác với Vương quốc Anh về vấn đề biến đổi khí hậu khu vực ven biển. TS. Tùng đồng thời cũng là trưởng nhóm Nhóm nghiên cứu Kỹ Thuật Hạ Tầng Tiên Tiến và Bền Vững  - Innovative and SusTainable infrAstructure engineeRing (I-STAR).
- TS. Hoàng Phương Tùng là một trong những giảng viên của Trường đã được vinh hạnh nhân giải thưởng Khoa hoc công nghệ của Tp. Đà Nẵng trong năm 2022.

TS. Hoàng Phương Tùng (NTU – Singapore, 2021)