Hệ thống sàng rửa cát nhiễm mặn

Có mặt trong hầu hết các công trình xây dựng, cát là nguồn tài nguyên được sử dụng nhiều thứ hai trên thế giới, chỉ sau nước. Trong vòng 20 năm qua, lượng tiêu thụ cát và sỏi đã tăng gấp ba lần trên toàn cầu. Theo thống kê của Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP), mỗi năm thế giới sử dụng khoảng 50 tỷ tấn cát - đủ để xây một bức tường cao và rộng 27m bao quanh Trái đất.

“Cơn khát” cát xây dựng ngày càng tăng khiến người ta tìm mọi cách mở rộng nguồn cung, không chỉ giới hạn ở khai thác cát sông – loại cát phổ biến nhất trong các công trình. Cát sa mạc, cát biển tuy nhiều song lại hiếm khi được ứng dụng bởi đặc tính của chúng không phù hợp làm vật liệu xây dựng. Chẳng hạn, nếu dùng cát biển để trộn bê tông cốt thép, tỉ lệ ion clorua trong cát biển cao sẽ làm tăng nguy cơ ăn mòn thép; cát biển chứa muối nên chúng có thể hút thêm nước vào cấu trúc lỗ rỗng của bê tông, ảnh hưởng đến độ bền của bê tông.

Liệu có cách nào để khử bớt các thành phần không cần thiết như muối hay ion clorua trong cát biển? Sáng chế “Hệ thống và phương pháp sàng rửa và phân loại cát nhiễm mặn” của ông Võ Tấn Dũng, Chủ tịch HĐQT Công ty Cát Đá Việt Sàng Rửa Sạch được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng gần đây có lẽ là một lời giải phù hợp cho bài toán này. “Hệ thống sàng rửa và phân loại cát nhiễm mặn có khả năng tách các tạp chất lẫn trong hỗn hợp cát, tạo ra cát sạch thành phẩm đáp ứng yêu cầu với năng suất cao và giảm đáng kể giá thành, đồng thời có thể phân loại các cỡ hạt cát theo nhiều giai đoạn khác nhau”, theo tác giả sáng chế.

Không riêng gì cát biển, những loại cát khai thác từ đồi núi, cát sông… cũng cần làm sạch trước khi sử dụng. Cát thường lẫn các tạp chất như bùn sét, nếu không loại bỏ sẽ cản trở sự tiếp xúc giữa xi măng và cốt liệu, ảnh hưởng đến cường độ bê tông, làm giảm tuổi thọ công trình. Đây cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến sự sụp đổ nhanh chóng của những tòa nhà trong thảm họa động đất tại Thổ Nhĩ Kỳ vào đầu năm nay. Các cuộc điều tra tiết lộ đã có nhiều sai phạm trong xây dựng, bao gồm việc sử dụng quá nhiều cát suối (stream sand) - loại cát chứa nhiều tạp chất, không thể hiện hành vi đồng nhất, dễ dẫn đến các vết lún và nứt trong tòa nhà, cho nên độ bền của chúng rất yếu.

Trên thị trường hiện nay đã có nhiều thiết bị sàng cát để loại bỏ tạp chất. Ông Dũng nhận thấy, hầu hết các loại máy này chỉ sàng khô, loại bỏ tạp chất có kích cỡ lớn hơn 3mm, chứ không tách được cát mịn, bụi, phèn, bùn, sét. Một số thiết bị sàng rửa bằng nước lại theo cơ chế sàng ngang hoặc tới lui, đầu vào không sử dụng thiết bị bơm hút cát nên không tận dụng được khả năng làm sạch cát bằng cách va đập cát lẫn nước trong quá trình bơm hút, vì vậy nhiều tạp chất vẫn còn lẫn trong cát.

Cách đơn giản và an toàn nhất để loại bỏ các tạp chất trong cát chính là rửa bằng nước, tương tự như cách chúng ta vẫn rửa rau. Điểm khác biệt là bài toán rửa cát phức tạp hơn rất nhiều. Hệ thống rửa cát phải có công suất lớn thì mới đáp ứng được nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí. Quá trình này cũng tiêu tốn một lượng nước ngọt rất lớn. Làm thế nào để thiết kế ra một hệ thống sàng rửa cát vừa hiệu quả về mặt chất lượng lẫn kinh tế là bài toán mà kỹ sư Võ Tấn Dũng phải đối mặt khi bắt tay vào nghiên cứu công nghệ tuyển rửa cát cách đây gần 20 năm.

Vào thời điểm đó, rửa cát trước khi xây dựng là một điều hoàn toàn xa lạ. Khi thấy ông đổ toàn bộ tiền bạc, công sức và thời gian, suốt ngày đêm lao vào nghiên cứu giải pháp sàng rửa cát, “người ta nói tôi khùng, lừa đảo, hoang tưởng rằng cát phải rửa thì mới sạch và xài được”, ông Dũng nhớ lại. Những thứ phải bỏ ra là quá lớn, song ông cho rằng mình chỉ “làm những điều cần phải làm” để đổi lại nguồn cát sạch an toàn và tiết kiệm cho các công trình xây dựng.

Việc thiết kế dây chuyền sàng rửa cát khả thi trong thực tế là điều nằm trong tầm tay của một người đã “sống cả đời với cát” như kỹ sư Võ Tấn Dũng. Ra đời vào năm 2007, “hệ thống thiết bị sàng rửa cát sạch đạt tiêu chuẩn cát xây dựng” đã giúp ông Võ Tấn Dũng nhận được giải thưởng dành cho nhà sáng chế xuất sắc nhất của WIPO (Tổ chức Sở hữu trí tuệ thế giới) vào năm 2012 cùng hàng loạt chứng nhận, giải thưởng khác.

Sự công nhận từ các chuyên gia, cũng như những người trong ngành đã giúp ông có thêm tự tin để tiến thêm một bước nữa: chế tạo hệ thống sàng rửa cát nhiễm mặn. Trên cơ sở tính toán chặt chẽ, những cơ cấu trong hệ thống được sắp xếp một cách tối ưu nhằm bóc tách triệt để các tạp chất trong cát biển. Bao gồm bộ phận cấp cát nhiễm mặn, cụm tạo va đập, xáo trộn và làm sạch cát, thùng lắng cát làm sạch, bộ phận sàng rung cát và bộ phận gom chất bẩn.

Thiết bị có cơ chế hoạt động khá đơn giản: Khi cát nhiễm mặn được bơm vào hệ thống cùng với nước ngọt, áp lực đẩy hỗn hợp va đập vào thành ống bơm, làm tách rời kết cấu tạm thời của hạt cát và tạp chất, tạo thuận lợi loại muối ion clorua khỏi hạt cát. Tiếp theo, cát sẽ đi qua lưới sàng để loại bỏ các tạp chất rắn. Tùy theo độ mặn và bẩn của cát, nước ngọt sẽ tiếp tục được bơm vào, tiếp tục chà xát, va đập để loại bỏ muối ra khỏi cát nhờ áp lực nước. Cuối cùng, các cảm biến mức cát trên các đường ống đầu ra sẽ phân loại cát theo kích cỡ khác nhau, phù hợp theo mục đích sử dụng. Mỗi giờ hệ thống này có thể xử lý từ 150 – 300m³ cát.

Việc ứng dụng thiết bị sàng rửa chắc chắn sẽ tốn thêm kinh phí đầu tư, nhưng lại mang đến lợi ích nhiều hơn về tổng thể. Dựa trên những đánh giá chi phí, tất cả các bên, bao gồm cả chủ khai thác mỏ lẫn nhà xây dựng đều có lợi khi sử dụng giải pháp tuyển rửa cát. “Khi tuyển rửa sạch tại mỏ sẽ tốn chi phí tuyển rửa cát, nhưng sẽ giảm hơn tổng các khoản chi phí, bao giảm giá gốc cát sạch tại mỏ, giảm chi phí vận chuyển bốc dỡ phần tạp chất từ mỏ đến cặp khu vực công trình”, ông Dũng cho biết. Việc sử dụng cát sạch đã qua sàng rửa cũng giúp tăng cường độ chịu lực của bê tông từ 10 – 17% so với sử dụng cát chưa qua sàng rửa, tiết kiệm được 43kg xi măng cho mỗi khối bê tông mác 250 - theo đề tài nghiên cứu về sử dụng cốt liệu sạch của trường Đại học Cần Thơ năm 2014.

Ngoài việc tiết kiệm chi phí và nâng cao chất lượng cát xây dựng, hệ thống này còn đặc biệt ý nghĩa với những nơi thiếu cát xây dựng như các vùng hải đảo. Kết quả thử nghiệm mẫu cát nhiễm mặn Phú Quốc sau khi lọc rửa bằng công nghệ này cho thấy hàm lượng bùn sét trong cát giảm từ 1,5% xuống còn 0,2%, đạt yêu cầu kỹ thuật sử dụng cho các loại bê tông và vữa (TCVN 7570:2006), hàm lượng ion clorua giảm xuống đến mức đạt yêu cầu cho chế tạo các loại bê tông và vữa.

Mặc dù kết quả được các chuyên gia đánh giá cao và khuyến khích ứng dụng song ông Dũng cho biết, việc ứng dụng đang bị chững lại do một số nơi chưa thực sự sẵn sàng. Không phải ai cũng muốn bỏ tiền đầu tư khi thấy cách làm cũ vẫn ổn. Trong lúc chờ đợi những thay đổi, ông vẫn cố gắng tìm một “con đường sáng” cho sáng chế này: “Mình cứ ráng làm thôi, vì nếu được ứng dụng, nó sẽ mang lại lợi ích chung cho tất cả mọi người”, ông nói.