Với những ưu điểm về môi trường, khả năng chống cháy và tái chế, composite từ mùn cưa và struvite được kỳ vọng sẽ trở thành một giải pháp vật liệu bền vững, đóng góp tích cực cho xu hướng kinh tế tuần hoàn trong tương lai.
Trong quá trình xẻ gỗ, lượng lớn mùn cưa được tạo ra. Trên toàn cầu, hàng triệu tấn mùn cưa phát sinh mỗi năm, nhưng phần lớn lại bị đốt để sản xuất năng lượng, vô tình giải phóng lượng lớn khí CO₂ tích trữ trong gỗ trở lại khí quyển.
Trước thực trạng này, các nhà khoa học tại ETH Zurich và Empa (Thụy Sĩ) đã phát triển một giải pháp mới: biến mùn cưa thành vật liệu composite có thể tái chế, góp phần kéo dài vòng đời của nguồn tài nguyên này.
Trọng tâm của nghiên cứu là sử dụng struvite, một khoáng chất amoni magie photphat có đặc tính chống cháy nổi bật. Trước đây, việc kết hợp struvite với mùn cưa gặp nhiều khó khăn do đặc tính kết tinh của khoáng chất này.
Giờ đây, nhóm nghiên cứu đã tìm ra hướng đi mới khi sử dụng enzyme chiết xuất từ hạt dưa hấu để kiểm soát quá trình kết tinh từ tiền chất newberyite. Nhờ đó, các tinh thể struvite hình thành và lấp đầy khoảng trống giữa các hạt mùn cưa, liên kết chúng thành một khối vật liệu bền chắc. Sau khi ép trong hai ngày, vật liệu được lấy ra khỏi khuôn và sấy khô ở nhiệt độ phòng.
Không chỉ thân thiện với môi trường, vật liệu mới còn sở hữu những đặc tính cơ học đáng chú ý. Theo nhà nghiên cứu Ronny Kürsteiner, vật liệu này có khả năng chịu nén theo phương vuông góc với thớ gỗ, thậm chí còn vượt gỗ vân sam tự nhiên.
Đặc tính chống cháy của composite này là điểm nổi bật. Khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, struvite phân hủy, giải phóng hơi nước và amoniac, qua đó hấp thụ nhiệt và làm mát môi trường xung quanh. Đồng thời, các khí không cháy này chiếm chỗ oxy, giúp hạn chế sự lan rộng của ngọn lửa và thúc đẩy quá trình than hóa bề mặt, tạo lớp bảo vệ tự nhiên cho vật liệu.
Kết quả thử nghiệm tại Đại học Bách khoa Turin cho thấy sự khác biệt rõ rệt: trong khi gỗ vân sam chưa xử lý bắt lửa chỉ sau khoảng 15 giây, thì composite mùn cưa struvite phải mất thời gian lâu gấp ba lần. Khi bắt lửa, vật liệu nhanh chóng hình thành lớp bảo vệ từ carbon và hợp chất vô cơ, giúp hạn chế sự lan rộng của lửa. Các nhà nghiên cứu nhận định loại vật liệu này có khả năng “tự bảo vệ” trước tác động của nhiệt.
Những đánh giá ban đầu cho thấy composite mùn cưa struvite có thể đạt hiệu quả chống cháy tương đương các loại ván dăm liên kết xi măng đang được sử dụng phổ biến trong nội thất. Tuy nhiên, khác với các vật liệu truyền thống chứa tới 60–70% xi măng, nặng và có lượng phát thải carbon cao thì loại vật liệu mới chỉ sử dụng khoảng 40% chất kết dính, giúp giảm đáng kể trọng lượng và tác động môi trường.
Một ưu điểm đáng chú ý khác là khả năng tái chế của vật liệu. Sau khi tháo dỡ, vật liệu có thể được nghiền cơ học và gia nhiệt nhẹ để tách các thành phần. Quá trình này cho phép thu hồi mùn cưa và tái tạo tiền chất newberyite, từ đó tiếp tục sản xuất các tấm composite mới.
Hơn nữa, vật liệu còn có tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp như một loại phân bón tự nhiên, nhờ khả năng giải phóng phốt pho chậm và có kiểm soát.
Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục tối ưu hóa quy trình và mở rộng quy mô sản xuất. Một trong những thách thức lớn hiện nay là chi phí của struvite, vốn cao hơn so với các chất kết dính truyền thống. Tuy nhiên, các nhà khoa học cho rằng bài toán này có thể được giải quyết bằng cách tận dụng nguồn struvite tích tụ thường gây tắc nghẽn đường cống trong các nhà máy xử lý nước thải. Nếu khai thác hiệu quả nguồn nguyên liệu này, vật liệu mới không chỉ trở nên kinh tế hơn mà còn góp phần xử lý chất thải.
Minh Nguyễn (theo ETH Zürich)