Xi măng sinh học có nguồn gốc thực vật: quy trình chế tạo và khả năng ứng dụng trong địa kỹ thuật

20

Biocement based on agricultural sources: techniques and potential applications in geotechnical engineering

Giới thiệu

Trong những năm gần đây, việc bảo vệ bờ biển chống lại sự xói mòn dùng phương pháp xi măng sinh học đã được chú ý như một phương pháp mới trong lĩnh vực địa kỹ thuật và môi trường để cả thiện nền đất yếu cho các công trình được xây dựng trên đó. So với phương pháp kết tủa CaCO3 do vi sinh vật (Microbial Induced Carbonate Precipitation – MICP), thì nghiên cứu này sử dụng chất Enzyme Urease tạo kết tủa (Enzyme Induced Carbonate Precipitation – EICP) là một sự thay thế tiên tiến hơn. Việc sử dụng Enzyme thô (chi phí thấp, thân thiện với môi trường) được chiết xuất từ hạt đậu nành (Soybean) – được coi là một nguyên liệu tạo ra xi măng sinh học với độ hoạt động cao. Hạt đậu nành được xay và lọc để sử dụng như một nguồn Enzyme Urease. Nghiên cứu này đã thành công trong kỹ thuật chiết xuất Enzyme thô từ hạt đậu nành để sử dụng làm nguyên liệu trong việc sản xuất xi măng sinh học như một sản phẩm thân thiện với môi trường có thể ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng và địa kỹ thuật

Đặt vấn đề

Những năm qua, tình hình sạt lở bờ sông, xói lở bờ biển ở đang diễn ra rất nghiêm trọng, có xu thế gia tăng cả về phạm vi và quy mô, uy hiếp đến tính mạng, tài sản của Nhà nước và người dân. Tại vùng cửa sông Cửa Đại thuộc tỉnh Quảng Nam, tính từ năm 2009 đến 2017, đường bờ biển và các vùng lân cận đã bị xói lở nghiêm trọng lên đến vài nghìn mét với tóc độ lên tới vài chục mét/năm. Hiện tượng này vẫn còn tiếp diễn đến hiện nay mặc dù đã đầu tư nhất nhiều tiền bạc cho nhiều biện pháp khắc phục khác nhau [1].
Thực tế này đòi hỏi phải áp dụng các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu. Hiện nay, địa kỹ thuật sinh học (Biogeotechnics) sử dụng kết tủa Carbonate sinh ra từ các phản ứng phân hủy urea do Enzyme Urease từ vi sinh vật đang được đưa vào nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều tại các nước phát triển. Công nghệ địa kỹ thuật sinh học này rất thân thiện với môi trường, nó không sử dụng nguyên liệu hóa thạch, có thể được tạo ra ở nhiệt độ môi trường nên không sử dụng nhiệt độ cao để đốt, đồng thời hợp chất này có thể thấm vào đất cát để hóa cứng cát tạo nên cường độ cao. Việc ứng dụng phương pháp địa kỹ thuật sinh học để cải thiện nền đất yếu, bảo vệ bờ biển chống lại sự xói mòn đang được thực hiện tại các dự án nghiên cứu ở các nước Hoa Kỳ, Nhật Bản [2,3].
Tuy nhiên việc nuôi cấy vi sinh vật cần có những công nghệ phức tạp. Đồng thời trong điều kiện nông nghiệp như tại Việt Nam thì việc chiết tách Enzyme từ thực vật lại là một lợi thế lớn. Nên nghiên cứu này vào kỹ thuật chiết tách Enzyme từ hạt đậu nành chứa 1 hàm lượng rất cao về Enzyme Urease [4].
Enzyme thu giữ được sẽ là 1 thành phần quan trọng trong quá tình tạo kết tủa Calcium Carbonate dựa trên chuỗi phản ứng hóa sinh theo phản ứng 1 và 2
Phản ứng 1: CO(NH2)2 + 2H2O → 2NH4+ + CO32−
Phản ứng 2: Ca2+ + CO32− → CaCO3 (kết tủa)
Kết tủa Calcium Carbonate (CaCO3) sinh ra từ các phản ứng 1 và 2 sẽ liên kết các hạt cát lại với nhau để tăng cường độ của cát, ngoài ra kết tủa sẽ chèn vào các lỗ rỗng giữa các hạt trong cả khối cát nhằm giảm tính thấm của khối cát. Việc tăng cường độ và giảm dòng thấm đi qua khối cát sẽ tăng tính ổn định tổng thể, giảm sự xói hạt do dòng thấm đi qua khối cát.
Báo cáo này sẽ đề xuất kỹ thuật chiết xuất Enzyme Urease từ đậu nành (soybean) để làm thành phần chính cho xi măng sinh học. Kiểm tra khả năng tạo kết tủa CaCO3 của Enzyme bằng cách tiến hành các thí nghiệm kiểm tra kết tủa CaCO3 sinh ra, và các thí nghiệm phân tích vi mô sử dụng kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy – SEM) và phân tích quang phổ nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction – XRD) xác định hình thái học của khoáng vật Calcite tạo ra trong quá trình phản ứng hóa sinh. Xi măng hóa các mẫu cát rời và thu thập các mẫu nguyên dạng.

Phương pháp và kết quả nghiên cứu

Chiết xuất Urease thô

Ngâm hạt đậu nành trong nước cất ít nhất 30 phút. Dung dịch chiết thô được thu thập sau khi được xay mịn bằng máy xay chuyên dụng và lọc qua vải lọc. Sau đó, chuẩn bị dung dịch Urea 10% bằng cách hòa tan 30g Urea vào 500 mL nước cất. Độ hoạt động của Enzyme sẽ được xem xét bởi các thông số về sự thay đổi độ pH. Kỹ thuật này được tiến hành bằng việc hòa tan dung dịch Urea và dung dịch Urease tỉ lệ 1:1 vào ống nghiệm, sự thay đổi màu sắc của giấy đo pH sẽ phản ánh được độ hoạt động của Enzyme được chiết tách. Các bước của kỹ thuật chiết tách được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1. Quy trình chiết xuất Enzyme thô để biocement hóa cát rời
Hình 2. Sự thay đổi pH do độ hoạt động của Enzyme

Độ hoạt động của Enzyme Urease chiết xuất từ hạt đậu nành được kiểm tra thông qua sự thay đổi độ pH bằng phép thử giấy pH. Hình 2 thể hiện độ hoạt động của Enzyme được đo bằng phương pháp giấy đo pH. Màu sắc của giấy đo pH là màu vàng khi độ pH ~7 được thể hiện ở mẫu control như cột 1 ở hình bên dưới. Quan sát lần lượt ở cốc 2 và 3, giấy đo vẫn không đổi màu khi được thử lần lượt vào dung dịch Urea và Enzyme Urease. Các dung dịch này sử dụng nước cất nên độ pH cũng gần bằng 7. Tuy nhiên khi thử giấy với dung dịch trộn Urea và Enzyme thì màu sắc của giấy đã chuyển sang màu xanh đậm ứng với độ pH ~ 9 trong bảng màu. Sự tăng độ pH chứng tỏ rằng Enzyme được chiết tách đã đẩy nhanh quá trình thủy phân Urea tạo ra môi trường kiềm (Phản ứng 1). Sự tăng pH này tương ứng với các kết quả được để cập bởi [5]. Điều này chứng tỏ Enzyme Urease chiết tách từ hạt đậu nành đã cho độ hoạt động tốt và có khả năng sử dụng làm vật liệu cho xi măng sinh học.

Thử nghiệm kết tủa CaCO3

Các thí nghiệm đã được tiến hành để xác định trạng thái kết tủa của CaCO3 và xu hướng kết tủa của nó, bằng sự kết hợp của CaCl2-Urea và Urease. Thí nghiệm được tiến hành trong ống nghiệm gồm 20 mL dung dịch CaCl2-Urea được trộn theo tỉ lệ 1:1 và được điều chỉnh nồng độ riêng biệt bằng cách thêm dung dịch Enzyme chiết xuất thô từ hạt đậu nành. Sau đó, dung dịch đã điều chỉnh được thêm vào ống nghiệm và giữ ở 30oC trong 24 giờ (Hình 3). Kết tủa CaCO3 được quan sát trong ống nghiệm sau đó tách ra khỏi dung dịch bằng giấy lọc và giữ trong tủ sấy trong khoảng 24 giờ ở 100oC. Hình thái của kết tủa CaCO3 được xác định bằng kỹ thuật phân tích vi mô sử dụng SEM và XRD.

Hình 3. Kiểm tra kết tủa CaCO3 trong ống nghiệm
Hình 4. Phân tích SEM tinh thể kết tủa CaCO3

Sau khi chiết tách thành công Enzyme Urease từ hạt đậu nành, dung dịch Enzyme được trộn cùng với dung dịch Urea và CaCl2 trong ống nghiệm. Kết quả quan sát sau 24h thì thấy kết tủa trắng đọng lại dưới đáy ống nghiệm 2 (Hình 3). Trong khi đó ống nghiệm 1 (chỉ bao gồm Urea và CaCl2) thì không thấy kết tủa sau 24h. Kết tủa trắng được thu thập, sấy khô và thực hiện các thí nghiệm phân tích vi mô SEM cho kết quả ở Hình 4. Hình thái học của kết tủa đã khẳng định rằng kết tủa này là CaCO3. Tuy nhiên để tăng độ tin cậy thì phân tích XRD đã được tiến hành và thể hiện ở Hình 5. Phân tích XRD cho thấy các đỉnh của tinh thể Calcite rất rõ ràng, điều này trùng khớp với nghiên cứu của nhóm Imran et al. [6]. Kết quả phân tích vi mô đã chứng tỏ rằng Enzyme chiết tách từ hạt đậu nành có khả năng tạo ra kết tủa CaCO3 như chuỗi phản ứng 1 và 2. Điều này cho thấy khả năng sử dụng Enzyme chiết tách từ thực vật để làm nguyên liệu cho xi măng sinh học.

Hình 5. Phân tích SEM tinh thể kết tủa CaCO3

Xi măng hóa mẫu cát rời

Cát khô tiêu chuẩn (TCVN 6227:1996) được chuyển vào 1 ống nhựa (đường kính d = 2,5 cm, chiều cao h = 5 cm) và được đầm nhẹ. Sau đó, dung dịch Urease và dung dịch Urea + CaCl2 tỉ lệ 1:1 được đưa vào các mẫu với cùng khối lượng, nồng độ. Sau 1 tiếng đồng hồ, khóa chặt toàn bộ van và để dung dịch Urea + CaCl2 qua đêm. Kết tủa Calcium Carbonate (CaCO3) sinh ra từ chuỗi phản ứng 1 – 2 sẽ liên kết các hạt cát lại với nhau để tăng cường độ của cát, ngoài ra kết tủa sẽ chèn vào các lỗ rỗng giữa các hạt trong cả khối cát. Từ đó hóa cứng cát và tăng cường độ của mẫu cát rời, giúp mẫu có thể tự đứng được.

Hình 6. Biocement cột cát rời
Hình 7. Mẫu cát đã được hóa rắn bằng xi măng sinh học

Cát tiêu chuẩn dưới dạng rời được sử dụng để chế bị mẫu. Dung dịch Enzyme Urease, Urea, CaCl2 được sử dụng là nguyên liệu của xi măng sinh học trong kỹ thuật hóa rắn mẫu cát. Nghiên cứu đã thành công trong việc tạo mẫu nguyên dạng có thể tự đứng được sau khi tháo ra khỏi khuôn (Hình 7). Từ kết quả quan sát cho thấy rằng cường độ có thể cao hơn ở phần đáy so với các phần trên và phần giữa của mẫu. Nguyên nhân có thể là do tốc độ phản ứng nhanh của quá trình thủy phân Urea và sự thay đổi phân bố của kết tủa CaCO3 trong các mẫu vật. Do tốc độ phản ứng, hầu hết kết tủa CaCO3 có xu hướng lắng đọng ở phần giữa và phần trên cùng và gia tăng khả năng liên kết giữa các hạt cát lại với nhau.

Hình 8: Enzyme chiết xuất từ hạt đậu và mẫu cát được liên kết bằng xi măng sinh học
Hình 9. Các hình ảnh hoạt động tại BK-Techshow 2022

Kết luận

Phương pháp sử dụng chất Enzyme Urease tạo kết tủa EICP đã được thực hiện trong nghiên cứu này bằng cách sử dụng nguồn Enzyme Urease từ hạt đậu nành. Thông qua việc chiết xuất thành công Enzyme từ hạt đậu nành, không sử dụng nguyên liệu hóa thạch, có thể được tạo ra ở nhiệt độ tự nhiên thân thiện với môi trường. Enzyme chiết xuất từ nghiên cứu đã có khả năng tạo ra kết tủa CaCO3. Đặc biệt, nghiên cứu đã thành công hóa rắn được được mẫu cát sử dụng xi măng sinh học bằng cách sử dụng hạt đậu nành làm nguồn cung cấp Enzyme Urease, đồng thời chỉ ra rằng Enzyme có nguồn gốc từ thực vật có khả năng ứng dụng để bảo vệ bờ biển nhằm chống lại sự xói mòn.
Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn còn hạn chế trong các thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý của mẫu cát được xi măng hóa, chưa tối ưu được kỹ thuật sản xuất và bảo quản nguồn nguyên liệu sinh học. Đây là các thách thức sẽ được giải quyết trong các nghiên cứu tương lai.
Giới thiệu nhóm nghiên cứu GEOtechnical engineering and BuIlt envirOnment (GEOBIO)
Nhóm nghiên cứu BIOGEO được thành lập vào năm 2021 và dẫn dắt bởi TS. Hoàng Phương Tùng, Khoa Xây dựng Cầu đường, Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng. Đây là nhóm nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam tập trung vào lĩnh vực địa kỹ thuật sinh học (Biogeotechnics) và xi măng sinh học (Biocement), ngoài ra nhóm cũng từng bước thực hiện các nghiên cứu liên quan đến vật liệu giảm phát thải CO2 (Low-carbon materials) ứng dụng cho công trình xây dựng thích ứng với sự biến đổi khí hậu, cũng như những vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường khác.
Sinh viên Nguyễn Lê Quốc Anh và Ngô Hữu Hoàng đã hoàn thành báo cáo trong Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu khoa học lần thứ 19 tại trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng với đề tài: “Ứng dụng thực vật trong kỹ thuật phát triển xi măng sinh học để gia cố nền đất cát rời”. Đây là thời kì đại dịch bùng phát mạnh mẽ, do đó buổi báo cáo đã được tổ chức dưới hình thức trực tuyến qua MSTeams. Đề tài đã được nhận những lời khen từ mọi người vì ý tưởng đề tài có tính mới, đột phá và thân thiện với môi trường.
Ngoài ra, đề tài đã được chọn làm một trong các gương mặt tham gia “Hội nghị khoa học và triển lãm công nghệ học sinh, sinh viên BK TECHSHOW 2022” được diễn ra tại trường THPT Chuyên Lê Quý Đôn, Đà Nẵng. Tại đây, nhóm đã thu hút các em học sinh và mọi người trên địa bàn thành phố, xen lẫn những câu hỏi tò mò về nghiên cứu nhằm tạo động lực, lan tỏa, hun đúc niềm đam mê khoa học, công nghệ. Hơn nữa, sản phẩm còn được xuất hiện trên kênh VTV8 – Kênh truyền hình quốc gia khu vực Miền Trung – Tây Nguyên như là một minh chứng vượt qua cơn bão COVID-19, sẵn sàng đạt đến những tầm cao mới, đồng thời là một động lực để nhóm hoàn thành và cho ra nhiều nghiên cứu có ích hơn cho tương lai.

Hoàng Phương Tùng

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.

E-mail: hptung@dut.udn.vn

Nguyễn Lê Quốc Anh

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.

E-mail: 109180127@sv1.dut.udn.vn

Ngô Hữu Hoàng

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.

E-mail: 109180141@sv1.dut.udn.vn

Dự án nghiên cứu tiêu biểu về địa kỹ thuật sinh học và xi măng sinh học trên thế giới:

• Dự án tại Hoa Kỳ (27.7 triệu USD, 2015-2025) do quỹ NSF tài trợ: https://cbbg.engineering.asu.edu/
• Dự án tại Thụy sỹ (2.5 triệu Euro, 2018-2024) do quỹ ERC tài trợ): https://biogeos.epfl.ch/
• Dự án tại Singapore (~ 4 triệu SGD, 2022-2025) do quỹ NRF tài trợ: https://scienmag.com/ntu-singapore-scientists-create-renewable-biocement-entirely-out-of-waste-material/

Lời cảm ơn

Bài báo hoặc báo cáo này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng với đề tài có mã số: T2021-02-47.

Tài liệu tham khảo

[1] https://phongchongthientai.mard.gov.vn/Pages/quang-nam-de-xuat-giai-phap-giam-thieu-xoi-lo-boi-lap-tai-cua-dai.aspx
[2] Casey Shanahan, and Brina M. Montoya. 2016. Erosion Reduction of Coastal Sands Using Microbial Induced Calcite Precipitation. Geo-Chicago 2016. doi.org/10.1061/9780784480120.006.
[3] Md. Al Imran, Kazunori Nakashima, and Satoru Kawasaki. 2017. Usefulness of Artificial Beachrock and Geotextile Tube Technology, Seventh International Conference on Geotechnique, Construction Materials and Environment, Mie, Japan, Nov. 21-24, 2017, ISBN: 978-4-9905958-8-3 C3051.
[4] Dilrukshi, R.A.N, S. Kawasaki, S. 2016. Plant-derived urease induced sand cementation used in geotechnical engineering application. International Conference on Geomechanics, Geo-energy and Geo-resources.
[5] Whiffin, V. S. (2004). “Microbial CaCO3 precipitation for the production of biocement.” Ph.D. dissertation, Murdoch University, Australia.
[6] Imran, M. Al, Nakashima, K., and Kawasaki, S. (2021). “Bio-mediated soil improvement using plant derived enzyme in addition to magnesium ion.” Crystals, 11(5).