Công nghệ mới sử dụng plasma ở nhiệt độ cực cao để tác động trực tiếp lên nguyên liệu sản xuất xi măng, qua đó đẩy nhanh quá trình hình thành clinker – công đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng trong dây chuyền sản xuất hiện nay. Phương pháp gia nhiệt bằng plasma điện, có thể rút ngắn đáng kể thời gian sản xuất xi măng và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Kết quả nghiên cứu được trình bày tại ACS Fall 2026, hội nghị mùa thu của Hiệp hội Hóa học Mỹ (ACS), diễn ra tại Chicago (Mỹ) từ ngày 23-27/8/2026.
Clinker là sản phẩm trung gian quan trọng trong sản xuất xi măng. Theo phương pháp truyền thống, đá vôi và đất sét được nghiền, phối trộn rồi nung trong lò ở nhiệt độ khoảng 1.450 độ C để tạo thành các hạt clinker màu xám sẫm. Sau đó, clinker được làm nguội và nghiền mịn, thường cùng với một lượng nhỏ thạch cao và các thành phần khác, để tạo thành xi măng.
Quá trình nung clinker tiêu thụ lượng năng lượng rất lớn. Bên cạnh nhu cầu nhiệt cao, ngành xi măng còn phát sinh CO2 từ chính phản ứng phân hủy đá vôi trong quá trình nung. Một phần đáng kể lượng phát thải khác đến từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch để cung cấp nhiệt cho lò nung.
Đây là vấn đề đáng chú ý bởi xi măng là một trong những vật liệu được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, chỉ sau nước nếu xét theo mức độ tiêu thụ. Lượng sử dụng trung bình tương đương khoảng một mét khối/người mỗi năm. Trong khi đó, ngành xi măng được ước tính đóng góp khoảng 8% lượng phát thải CO2 toàn cầu.
Đáng chú ý, quy trình sản xuất xi măng Portland hiện đại về cơ bản vẫn dựa trên nguyên lý nung clinker ở nhiệt độ cao được phát triển từ thế kỷ XIX, kể từ khi xi măng Portland được cấp bằng sáng chế vào năm 1824. Việc thay đổi nguồn nhiệt và cách truyền nhiệt vì vậy được xem là một hướng tiếp cận tiềm năng để giảm tiêu thụ năng lượng.
Để giải quyết vấn đề, các nhà khoa học thay nguồn nhiệt từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch bằng plasma điện. Plasma hình thành khi dòng điện truyền qua một chất khí và tạo ra trạng thái khí ion hóa. Khác với cách gia nhiệt gián tiếp trong lò nung, plasma có thể truyền năng lượng trực tiếp đến vật liệu cần xử lý.
Công nghệ do Tiến sĩ Qi Zheng và Tiến sĩ Yi Cui tại Đại học Stanford cùng nhà nghiên cứu kỹ thuật xây dựng Paulo Monteiro tại Đại học California, Berkeley (UC Berkeley) phát triển. Nhóm nghiên cứu sử dụng plasma được nung nóng trên 2.400 độ C để xử lý trực tiếp hỗn hợp nguyên liệu.
Khi nhiệt độ vượt 2.400 độ C, các phản ứng tạo clinker diễn ra với tốc độ rất cao, đến mức quá trình có thể hoàn thành chỉ trong vài giây. Việc rút ngắn đáng kể thời gian xử lý không chỉ giúp tăng tốc độ sản xuất mà còn có thể giảm lượng nhiệt thất thoát ra môi trường.
Theo nhóm nghiên cứu, sản xuất xi măng truyền thống thường chỉ đạt hiệu suất nhiệt khoảng 30-40%. Trong các thử nghiệm sử dụng plasma, gần 80% lượng nhiệt tạo ra được đưa trực tiếp vào quá trình sản xuất xi măng. Nếu kết quả này có thể duy trì khi mở rộng quy mô, công nghệ có khả năng giảm đáng kể năng lượng cần thiết cho công đoạn nung.
Trong các thử nghiệm chứng minh tính khả thi, nhiệt độ cực cao đã biến nguyên liệu thành clinker chỉ trong vài giây. Tốc độ này nhanh hơn gần 100 lần so với phương pháp sản xuất thông thường, cho thấy plasma có thể tạo ra bước thay đổi đáng kể đối với một quy trình vốn ít thay đổi trong hàng trăm năm.
Nhóm nghiên cứu cũng đánh giá các đặc tính cơ học của loại xi măng tạo ra bằng phương pháp mới, bao gồm độ bền và khả năng thi công. Khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử, họ phát hiện những phần khuyết ở cấp độ siêu vi hình thành trong quá trình xử lý plasma. Các cấu trúc này nhanh chóng hòa tan khi tiếp xúc với nước và giúp xi măng đông kết nhanh hơn.
Một lợi thế khác là khả năng tái sử dụng chất thải xi măng. Vật liệu xi măng đã qua sử dụng có thể được đưa trở lại hệ thống plasma làm nguyên liệu, qua đó có khả năng giảm cả chất thải và lượng khí thải carbon.
Nếu điện cung cấp cho hệ thống plasma đến từ các nguồn năng lượng tái tạo, riêng công đoạn gia nhiệt có thể vận hành mà không phát sinh khí thải. Tuy nhiên, công nghệ hiện mới ở giai đoạn thử nghiệm. Các nhà khoa học dự kiến hợp tác với ngành xi măng để đánh giá khả năng mở rộng lên quy mô sản xuất hàng loạt.
