Xỉ thải photpho: Nguyên liệu mới trong xây dựng và giao thông

Nếu như tro xỉ nhiệt điện đã được không ít nhà khoa học nghiên cứu, tìm giải pháp tận dụng thì xỉ thải photpho từ các nhà máy sản xuất hóa chất lại được ít người quan tâm. Bởi vậy, nghiên cứu “Xử lý xỉ thải từ sản xuất photpho vàng (Lào Cai) làm vật liệu không nung, kết cấu nền ứng dụng trong xây dựng, đường giao thông bằng chất kết dính vô cơ không sử dụng xi măng” của nhóm TS. Phạm Thị Mai Hương trong Chương trình nghiên cứu KC.08 của Bộ KH&CN là một trong những giải pháp bài bản đầu tiên giúp xử lý triệt để xỉ thải từ các nhà máy sản xuất photpho vàng.

Photpho vàng là nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp ứng dụng để sản xuất ra các dẫn xuất sử dụng trong nhiều ngành khác nhau như chất hóa dẻo, phụ gia dầu bôi trơn, thuốc trừ sâu, luyện kim,... Song, vấn đề gì cũng có hai mặt. “Để tạo ra 1 tấn photpho vàng từ quặng apatit, nhà máy sẽ cần thải ra đến 9 tấn xỉ thải”, TS. Mai Hương cho biết, “khi chúng tôi đi khảo sát thì xỉ thải chất hàng núi. Một số nhà máy thậm chí còn đang có nguy cơ đóng cửa vì không còn chỗ chứa xỉ nữa”. Có một hiện trạng đáng lo ngại hiện nay là tổng lượng xỉ thải của sáu nhà máy sản xuất photpho tại Khu Công nghiệp Tằng Loỏng (Lào Cai) đang lên đến hơn 830.000 tấn/năm.

Trước đây, các nhà nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới cũng đã có một số ý tưởng xử lý loại xỉ thải này như sản xuất phụ gia xi măng, sơn, phân bón,... tuy nhiên chưa có công trình nào công bố cụ thể về kết quả đạt được cũng như lượng xỉ thải đã xử lý. Bởi vậy, sau khi bàn bạc, TS. Mai Hương và đồng nghiệp quyết định lựa chọn hướng sử dụng xỉ thải làm vật liệu xây dựng, vật liệu không nung không sử dụng xi măng như gạch, lớp lót đường giao thông để giải quyết lượng xỉ thải khổng lồ đã và đang tiếp tục chồng chất thêm mỗi năm.

Tại sao lại làm gạch và đường, và tại sao lại không nung và không sử dụng xi măng? TS. Mai Hương giải thích: “một viên gạch hay một mét vuông đường sẽ cần sử dụng rất nhiều xỉ, do đó nếu chọn làm gạch và lớp lót đường sẽ có thể tiêu thụ lượng xỉ thải nhiều nhất so với các sản phẩm khác”. Thêm vào đó, nếu sử dụng xi măng - thành phần thông thường trong gạch không nung - thì sẽ cần phải phá đá vôi, còn nếu nung gạch thì lại phải dùng đến nhiều khí đốt và đồng thời sinh ra các khí thải. “Cả hai yếu tố này đều sẽ gây phá hoại tài nguyên và gây ô nhiễm môi trường”, TS. Mai Hương lý giải.

Đó cũng là lý do họ lựa chọn công nghệ “bê tông” polyme - một công nghệ chất kết dính vô cơ không sử dụng xi măng - để đóng rắn xỉ nhằm đảm bảo không gây ô nhiễm thứ cấp. Với công nghệ này, chất kết dính sẽ được tạo ra bởi sản phẩm của phản ứng giữa dung dịch kiềm và các vật liệu có chứa hàm lượng lớn silic và nhôm với các chất độn (để làm xương bê tông). Thực tế, đây không phải là một công nghệ quá mới và cũng đã được sử dụng để tạo thành các sản phẩm gạch không nung từ tro bay, tro xỉ nhiệt điện trước đây. Tuy nhiên, mỗi loại xỉ thải lại có tính chất hoàn toàn khác nhau, chẳng hạn, trong khi tro xỉ của nhà máy nhiệt điện rất giàu carbon, silic thì xỉ photpho lại chứa nhiều photpho, flour, canxi, magie và các khoáng chất khác, “do đó công thức để đóng rắn lại xỉ photpho sẽ hoàn toàn khác và không thể áp dụng công thức của loại xỉ này cho loại xỉ khác”, TS. Mai Hương giải thích.

Cũng bởi vậy, việc ứng dụng công nghệ “bê tông” polyme để biến xỉ photpho thành một vật liệu mới là một vấn đề phức tạp và đến nay hầu như chưa có ai làm, chưa nói đến việc sản xuất thử nghiệm thực tế cũng như tính toán chi phí hiệu quả kinh tế. Thậm chí, khi biết đề tài nghiên cứu cấp quốc gia về xử lý xỉ thải photpho này do một tiến sĩ trẻ như TS. Mai Hương làm chủ nhiệm, nhiều nhà khoa học còn “nghi ngờ” liệu chị có khả năng làm được một vấn đề lớn như vậy hay không?, TS. Mai Hương cười nhớ lại.

“Với thành phần xỉ giàu photpho, flour, canxi như vậy, làm thế nào để cường độ chịu nén của vật liệu đạt chất lượng như mong muốn?” là một trong những thách thức mà TS. Mai Hương gặp phải. Quan trọng hơn, vấn đề mấu chốt còn nằm ở chỗ, “sản phẩm tạo ra từ xỉ photpho có thải ra chất độc hại nào cho môi trường không?”. Nếu không trả lời được một trong hai câu hỏi kể trên, giải pháp đưa ra sẽ chỉ là một ý tưởng vô nghĩa.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm của TS. Mai Hương đã tiến hành phân tích thành phần của xỉ và thử nghiệm rất nhiều tỉ lệ phối trộn xỉ và khoáng sét khác nhau. Nhằm không phải sử dụng xi măng, nhóm đã nghiên cứu và lựa chọn các mẫu khoáng sét rất rẻ như cao lanh, trường thạch, bentonite có sẵn ở Lào Cai, Phú Thọ, Thanh Hóa để làm chất kết dính. Song, phải “thử hàng nghìn mẫu thì mới tạo ra được một mẫu có tỉ lệ phù hợp nhất để tạo ra sản phẩm”, TS. Mai Hương cho biết. “Khi làm thì mới phát sinh ra vấn đề. Chẳng hạn, khi chúng tôi sử dụng xút thì viên chịu nén mốc meo hết cả lên, và vô hình trung như vậy vừa không đạt tiêu chuẩn về thẩm mỹ, lại vừa có thể làm phá vỡ cấu trúc vật liệu trong quá trình đóng rắn”, chị cho biết.

Với một sản phẩm tạo ra từ chất thải công nghiệp, nhiệm vụ lớn nhất cần giải quyết vẫn là làm sao để sản phẩm không thải ra chất độc hại cho môi trường. “Nếu tiến hành tiền xử lý chất thải, bóc tách các thành phần có hại trước khi tạo sản phẩm thì sẽ là một bài toán kinh tế quá lớn đối với sản phẩm là gạch”, TS. Mai Hương cho biết, nhưng nếu không xử lý thì lại có nguy cơ tác động xấu đến môi trường. Trước bài toán này, nhóm đã tính đến một giải pháp khác: dùng vôi để “cố định” các thành phần có thể ảnh hưởng đến môi trường của xỉ như photpho, flour, canxi,... “Bằng việc cố định các thành phần như vậy, ta sẽ vừa không phải xử lý các chất có hại, vừa đảm bảo không chất nào có thể gây ô nhiễm môi trường. Có thể hình dung là trong quá trình đóng rắn xỉ thải, chúng tôi sẽ tạo ra một chiếc ‘vỏ bọc’ an toàn để bảo đảm sản phẩm không thải bất cứ cái gì ra môi trường”, TS. Mai Hương cho biết. Vấn đề này cũng được nhóm cân đo đong đếm rất lâu bởi “nếu cho tỉ lệ một thành phần quá nhiều thì lập tức sản phẩm lại thải chất ô nhiễm, hoặc nếu cho quá ít thì sản phẩm lại không thể đóng rắn”, chị cho biết.

Dù phải đối mặt với khối lượng công việc khổng lồ cũng như chịu áp lực căng thẳng về thời gian khi chỉ có 18 tháng để thực hiện nghiên cứu - bằng một nửa thời gian so với các đề tài nghiên cứu trong các chương trình trọng điểm quốc gia thông thường, nhờ sự say mê “làm ngày làm đêm” của tất cả các thành viên, kết quả mà nhóm TS. Mai Hương đã đạt được hết sức mỹ mãn. Sản phẩm gạch không nung được tạo ra không chỉ đạt tính thẩm mỹ cao mà còn có cường độ chịu nén lên đên 16 mpa - gấp ba lần so với tiêu chuẩn ban đầu mà nhóm đặt ra. Không chỉ vậy, tất cả các tiêu chí khác như độ thấm nước, hút nước, độ cong vênh,... cũng đều đạt tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6477:2016 về Gạch bê tông và tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6355-4:2009 về Gạch xây.

Đặc biệt, một viên gạch hoặc lớp lót đường mà nhóm tạo ra có tỉ lệ xỉ photpho chiếm đến 80% khối lượng. Như vậy, “nếu sản xuất khoảng một triệu viên gạch sẽ tiêu thụ đến hơn 1880 tấn xỉ, và nếu làm lớp lót đường giao thông dày 0,4 – 0,5 m sẽ tiêu thụ hết từ 5600 đến 7060 tấn xỉ cho mỗi km đường rộng 8,0 m”, TS. Mai Hương chia sẻ về triển vọng khi áp dụng sản xuất rộng rãi.

Không chỉ vậy, do không phải thực hiện công đoạn tiền xử lý chất thải, chi phí để sản xuất gạch và lớp lót đường từ xỉ photpho thậm chí còn rẻ hơn một chút so với giá gạch trên thị trường. “Chi phí cho một viên gạch từ xỉ photpho là 801,3 đồng/viên, trong khi đó gạch bê tông từ mạt đá và xi măng hiện nay là khoảng hơn 900 đồng/viên. Chi phí cho bê tông mác100 là hơn 88 nghìn đồng và mác 200 là hơn 126 nghìn đồng, cũng rẻ hơn nhiều so với bê tông sử dụng xi măng cùng chất lượng”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Quan trọng hơn, khi ngâm thử nghiệm sản phẩm trong bốn môi trường nước khác nhau là nước mưa thường, nước mưa axit, nước mặn, và nước mặt ao hồ, tất cả kết quả đều cho thấy sản phẩm đạt QCVN 07:2009/BTNMT về ngưỡng chất thải nguy hại, không nguy hiểm cho môi trường đất, nước cũng như sức khỏe của con người. Đến nay, sau một năm, phần đường mà nhóm lót bằng vật liệu từ xỉ thải vẫn đang hoạt động tốt, “cả xe công nông, xe ba gác đều có thể đi qua mà không làm nứt vỡ đường”, nhóm nghiên cứu hào hứng chia sẻ.

Với kết quả sản xuất thử nghiệm nhỏ ban đầu với 1400 viên gạch và hơn 100m2 đường, nhóm nghiên cứu tự tin công nghệ sản xuất vật liệu không nung từ xỉ thải photpho của mình có thể được áp dụng rộng rãi nếu có một dự án sản xuất thử nghiệm quy mô lớn. “Vấn đề không nằm ở công nghệ mà là ở câu hỏi: khi tạo ra sản phẩm này thì liệu thị trường tiêu thụ có chấp nhận hay không?”, TS. Mai Hương trăn trở. “Khi biết một sản phẩm được sản xuất từ chất thải thì có không ít người nghi ngờ liệu sản phẩm có an toàn không, có ảnh hưởng đến sức khỏe hay không, dù nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm ở rất nhiều môi trường và cam kết sản phẩm đảm bảo chất lượng”, chị thẳng thắn cho biết.

Bởi vậy, nhóm nghiên cứu đề xuất, các cơ quan ban ngành cần tiếp tục có một hành lang pháp lý để chứng nhận cho các sản phẩm từ xỉ thải, phế thải và giúp các sản phẩm dạng này có thể dễ dàng lưu hành hơn. “Điều này sẽ giúp tạo cơ hội rất lớn cho các nhà nghiên cứu về môi trường. Hiện nay, có nhiều đề tài nghiên cứu thực tế về môi trường rất thiết thực nhưng nếu sản phẩm tạo ra không được chứng nhận bảo đảm chất lượng an toàn về môi trường và sức khỏe cho người sử dụng thì sẽ rất khó để đưa vào thị trường”, TS. Mai Hương chia sẻ.