Đọc hiểu chủ đề công nghệ - Đề 2

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam

    (1) Trong nhiều thập kỷ qua, nano bạc luôn thu hút sự  chú ý của các nhà khoa học trên thế giới, xuất phát từ  những tính chất độc đáo cũng như phạm vi ứng dụng rộng  lớn của vật liệu này. Cụ thể, nano bạc đã được nghiên  cứu sử dụng làm chất xúc tác, đầu dò sinh học hay chất hiện hình. Đặc biệt, nhờ vào hoạt tính kháng  khuẩn hiệu quả, nano bạc được xem là giải pháp tiềm  năng cho nhiều vấn đề về nhiễm khuẩn sinh học, bao  gồm cả vi khuẩn kháng kháng sinh. Vì vậy, rất nhiều  phương pháp tổng hợp từ vật lý đến hóa học đã được đề  xuất để điều chế nano bạc. Một trong những phương pháp  truyền thống phổ biến được nhiều nghiên cứu đề cập là sử  dụng các tác nhân khử hóa học như hydrazine, sodium  borohydride, acid ascorbic... nhằm chuyển hóa ion  bạc thành bạc kim loại. Mặc dù thường tỏ ra hiệu quả,  nhưng phương pháp này vẫn có những hạn chế lớn, bao  gồm độc tính từ các tác chất sử dụng cũng như khó khăn  trong việc loại bỏ các tác chất trên.

     (2) Để tránh hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các chất  độc hại, gần đây giới khoa học đã bắt đầu áp dụng định  hướng của hóa học xanh trong việc điều chế nano bạc,  với hai tiêu chí luôn phải đảm bảo (vừa kinh tế, vừa thân  thiện với môi trường). Trong số các phương pháp hóa  học xanh, phương pháp điều chế nano bạc từ phản ứng  giữa tiền chất bạc với các vi chất hữu cơ hoặc chiết xuất  từ thực vật đang ngày càng cho thấy nhiều tiềm năng và  ưu thế do đây là những tác chất có giá thành thấp, hoạt  tính hóa học cao, quy trình sử dụng đơn giản và thân thiện  với môi trường. Nhờ sở hữu các thành phần có khả năng  khử sinh học như peptide, acid sorbic, acid citric, euphol,  polyhydroxy limonoid, acid ascorbic, acid retinoic, tannins  và acid ellagic, các nhà khoa học tin rằng có thể sử dụng  tảo, nấm và nhiều loại thực vật để điều  chế nano kim loại,  trong đó có nano bạc mà không cần bổ sung tác nhân khử. Ngoài ra, thành phần của thực vật thường hay chứa  các hoạt chất giúp làm bền hóa nano bạc mới được sinh ra  như protein, amino acid, enzyme, polysaccharide, tannin,  saponin... Trong nghiên cứu của mình, Kumar và các  cộng sự đã tổng hợp thành công các hạt nano bạc  hình cầu với đường kính 50-100 nm thông qua chiết xuất  từ cây mắt nhung (Alternanthera dentat) chỉ trong vòng 10  phút phản ứng. Những hạt nano bạc này thể hiện hoạt tính  kháng khuẩn đáng kể đối với Pseudomonas aeruginosa,  Escherichia coli, Klebsiella pneumonia và Enterococcus  faecal. Gần đây, thủy xương bồ (Acorus calamus,  hình 1), một loài thực vật sinh trưởng ở đầm lầy hoặc  những vùng nước lặng (Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ,  Nhật Bản...) cũng được Nakkala và cộng sự dùng để tổng  hợp nano bạc. Kết quả khảo sát cho thấy, nano bạc  trong nghiên cứu này vừa có hoạt tính chống oxy hóa, vừa  có khả năng kháng khuẩn, thậm chí có thể chống ung  thư. Từ những nghiên cứu trên, có thể thấy, việc tổng hợp  nano bạc với các nguyên liệu thiên nhiên ứng với từng địa  phương đang trở thành một xu thế mới, hấp dẫn, nhận  được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học.

     (3) Các tác nhân khử trong chiết xuất nha đam Nha đam hay lô hội là tên gọi của  một loài cây mọng nước có nguồn gốc từ Bắc Phi vốn  có rất nhiều ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm và  mỹ phẩm nhờ sở hữu nhiều hoạt chất sinh học có khả  năng chống viêm, chống rạn da, chống tia tử ngoại cũng  như thúc đẩy khả năng hồi phục vết thương. Các nhà  khoa học cũng đã tìm ra nhiều thành phần như lignin,  hemicellulose, pectin có thể được sử dụng để khử ion  bạc. Gần đây, Zhang và cộng sự đã chỉ định cụ thể  hydroquinone trong chiết xuất nha đam có vai trò như một  tác nhân khử điển hình. Ngoài ra, những enzyme và  protein lớn tồn tại trong chiết xuất từ lá cây nha đam được  tin rằng có thể liên kết với các ion bạc, từ đó đóng vai trò  như những tác nhân tạo phức. Hơn nữa, các liên kết yếu  giữa các protein trong dung dịch còn giúp phát triển các  hạt nano bạc hình cầu, giúp hình thành các hạt nano bạc  đẳng hướng.  

     Điều chế nano bạc từ chiết xuất nha đam

     (4) Xuất phát từ những quan điểm trên, nhóm nghiên cứu  của Tiến sĩ Apiwat Chompoosor (Khoa Hóa học, Đại học  Ramkhamhaeng, Thái Lan) đã sử dụng chiết xuất từ lá  cây nha đam để tổng hợp các hạt nano bạc với kích thước  từ 70-192 nm bằng phương pháp thủy nhiệt. Đây là  phương pháp tổng hợp đơn giản cho phép đạt đồng thời  nhiệt độ cao và áp suất cao, vốn là những điều kiện cần  thiết cho phản ứng khử ion bạc thành bạc kim loại. Sản  phẩm sinh ra được nhóm nghiên cứu lần lượt tiến hành  đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với hai loại vi khuẩn  S. epidermidis và P. aeruginosa.

     (5) Quá trình tổng hợp nano bạc trong nghiên cứu của  Tiến sĩ Chompoosor được thực hiện thông qua hai giai  đoạn. Đầu tiên, dung dịch chiết xuất nha đam được điều  chế từ 50 g lá nha đam đã được rửa và cắt mịn thành  những mẩu nhỏ. Các lá nha đam đã cắt này sẽ được đun  sôi trong nước cất 20 phút và được để nguội tự nhiên đến  nhiệt độ phòng. Sau đó, phần dung dịch được lọc và lưu  trữ trong tủ lạnh ở 4 o C để có được dung dịch chiết xuất.

     (6) Ở giai đoạn thứ hai, 0,3 mol AgNO 3  được hòa tan trong  20 ml nước cất rồi hòa với 20 ml dung dịch chiết xuất nha  đam đã được điều chế ở trên, khuấy đều ở nhiệt độ phòng  trong 30 phút. Hỗn hợp dung dịch này sau đó được rót vào  bình thủy nhiệt Teflon với dung tích 100 ml. Hệ Teflon sẽ  được gia nhiệt và duy trì ở nhiều nhiệt độ khác nhau, từ  100-200 o C trong vòng 6 giờ, rồi làm nguội từ từ đến nhiệt  độ phòng. Cuối cùng, dung dịch sau phản ứng được lọc  để thu được kết tủa dạng bột xám, kết tủa này sẽ được rửa  bằng nước cất và sấy khô ở 60 o C trong vòng 6 giờ để thu  được sản phẩm nano bạc. Cường   độ tương   đối 2 θ ( o )

     (7) Hầu hết tất cả peak tín hiệu có cường độ cao  đều thuộc về cấu trúc lập phương tâm diện của tinh thể  bạc, phù hợp với phổ tham chiếu JCPDS số 01-071-4613.  Tuy nhiên, chỉ có mẫu được điều chế ở nhiệt độ thủy nhiệt  200 o C mới có thành phần bạc tinh khiết. Ở các nhiệt độ  thấp hơn, phản ứng hóa học chuyển hóa bạc diễn ra với  tốc độ chậm hơn, vì vậy thời gian cần nhiều hơn 6 giờ để  xảy ra hoàn toàn, dẫn đến việc hình thành pha Ag 2 O với  hàm lượng thấp. Ở 100 o C, các hạt nano hình cầu chủ yếu  tồn tại với đường kính khoảng 70,7 nm. Kích thước này  lần lượt tăng lên 79,4 nm ở 150 o C và đạt gần 161,6 nm tại  o C. Như vậy, nhiệt độ thủy nhiệt không chỉ ảnh hưởng  trực tiếp đến thành phần pha mà còn ảnh hưởng đáng kể  đến hình thái của các hạt nano bạc.

     (8) Mặc dù khả năng kháng khuẩn của nano bạc đã được  thừa nhận rộng rãi, hoạt tính sinh học của nano bạc sản  xuất từ chiết xuất nha đam vẫn cần được kiểm chứng cụ thể.  Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã tiến hành khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano  bạc thông qua thí nghiệm ức chế sự phát triển của hai  loại vi khuẩn S. epidermidis và P. aeruginosa, vốn là hai  chủng vi khuẩn điển hình cho các chứng nhiễm khuẩn  kháng kháng sinh. Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua  đường kính vòng kháng khuẩn được tạo ra trên đĩa petri có  chứa thạch dưỡng chất đồng thời với nano bạc và vi khuẩn  sau khi được ủ ở 37 o C trong vòng 24 giờ.  

     (9) Cả ba mẫu nano bạc đều cho thấy khả năng kháng  hai loại vi khuẩn hiệu quả. Trong đó, mẫu thủy nhiệt ở  100 o C có đường kính vòng kháng khuẩn đạt 3,65 cm, gần  gấp đôi so với đường kính của hai mẫu điều chế ở 150 và  200 o C. Như vậy, dù mẫu điều chế ở 100 o C không có thành  phần bạc tinh khiết nhưng nhờ nhiệt độ thấp, quá trình  thiêu kết diễn ra hạn chế đã giúp tạo ra các hạt nano bạc  kích thước nhỏ, sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, từ đó có  hoạt tính kháng khuẩn cao. Khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng, kích thước hạt tăng khiến diện tích bề mặt riêng giảm, hoạt tính kháng khuẩn cũng giảm.  

     (10) Như vậy, bằng con đường hóa học xanh sử dụng chiết  xuất nha đam (loại thực vật có giá thành thấp, phong phú  trong tự nhiên), nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã điều chế thành công nano bạc với khả năng kháng  khuẩn hiệu quả, ngay cả đối với những loại khuẩn kháng  kháng sinh. Kết quả này cho thấy tiềm năng rất lớn của  việc ứng dụng các sản phẩm thiên nhiên trong tổng hợp  vật liệu, một hướng nghiên cứu chắc chắn sẽ được phát  triển mạnh trong tương lai.

   (Nguồn: “Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam”, Lê Tiến Khoa, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 11, năm 2017)

Nội dung chính được văn bản đề cập là gì?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam

    (1) Trong nhiều thập kỷ qua, nano bạc luôn thu hút sự  chú ý của các nhà khoa học trên thế giới, xuất phát từ  những tính chất độc đáo cũng như phạm vi ứng dụng rộng  lớn của vật liệu này. Cụ thể, nano bạc đã được nghiên  cứu sử dụng làm chất xúc tác, đầu dò sinh học hay chất hiện hình. Đặc biệt, nhờ vào hoạt tính kháng  khuẩn hiệu quả, nano bạc được xem là giải pháp tiềm  năng cho nhiều vấn đề về nhiễm khuẩn sinh học, bao  gồm cả vi khuẩn kháng kháng sinh. Vì vậy, rất nhiều  phương pháp tổng hợp từ vật lý đến hóa học đã được đề  xuất để điều chế nano bạc. Một trong những phương pháp  truyền thống phổ biến được nhiều nghiên cứu đề cập là sử  dụng các tác nhân khử hóa học như hydrazine, sodium  borohydride, acid ascorbic... nhằm chuyển hóa ion  bạc thành bạc kim loại. Mặc dù thường tỏ ra hiệu quả,  nhưng phương pháp này vẫn có những hạn chế lớn, bao  gồm độc tính từ các tác chất sử dụng cũng như khó khăn  trong việc loại bỏ các tác chất trên.

     (2) Để tránh hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các chất  độc hại, gần đây giới khoa học đã bắt đầu áp dụng định  hướng của hóa học xanh trong việc điều chế nano bạc,  với hai tiêu chí luôn phải đảm bảo (vừa kinh tế, vừa thân  thiện với môi trường). Trong số các phương pháp hóa  học xanh, phương pháp điều chế nano bạc từ phản ứng  giữa tiền chất bạc với các vi chất hữu cơ hoặc chiết xuất  từ thực vật đang ngày càng cho thấy nhiều tiềm năng và  ưu thế do đây là những tác chất có giá thành thấp, hoạt  tính hóa học cao, quy trình sử dụng đơn giản và thân thiện  với môi trường. Nhờ sở hữu các thành phần có khả năng  khử sinh học như peptide, acid sorbic, acid citric, euphol,  polyhydroxy limonoid, acid ascorbic, acid retinoic, tannins  và acid ellagic, các nhà khoa học tin rằng có thể sử dụng  tảo, nấm và nhiều loại thực vật để điều  chế nano kim loại,  trong đó có nano bạc mà không cần bổ sung tác nhân khử. Ngoài ra, thành phần của thực vật thường hay chứa  các hoạt chất giúp làm bền hóa nano bạc mới được sinh ra  như protein, amino acid, enzyme, polysaccharide, tannin,  saponin... Trong nghiên cứu của mình, Kumar và các  cộng sự đã tổng hợp thành công các hạt nano bạc  hình cầu với đường kính 50-100 nm thông qua chiết xuất  từ cây mắt nhung (Alternanthera dentat) chỉ trong vòng 10  phút phản ứng. Những hạt nano bạc này thể hiện hoạt tính  kháng khuẩn đáng kể đối với Pseudomonas aeruginosa,  Escherichia coli, Klebsiella pneumonia và Enterococcus  faecal. Gần đây, thủy xương bồ (Acorus calamus,  hình 1), một loài thực vật sinh trưởng ở đầm lầy hoặc  những vùng nước lặng (Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ,  Nhật Bản...) cũng được Nakkala và cộng sự dùng để tổng  hợp nano bạc. Kết quả khảo sát cho thấy, nano bạc  trong nghiên cứu này vừa có hoạt tính chống oxy hóa, vừa  có khả năng kháng khuẩn, thậm chí có thể chống ung  thư. Từ những nghiên cứu trên, có thể thấy, việc tổng hợp  nano bạc với các nguyên liệu thiên nhiên ứng với từng địa  phương đang trở thành một xu thế mới, hấp dẫn, nhận  được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học.

     (3) Các tác nhân khử trong chiết xuất nha đam Nha đam hay lô hội là tên gọi của  một loài cây mọng nước có nguồn gốc từ Bắc Phi vốn  có rất nhiều ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm và  mỹ phẩm nhờ sở hữu nhiều hoạt chất sinh học có khả  năng chống viêm, chống rạn da, chống tia tử ngoại cũng  như thúc đẩy khả năng hồi phục vết thương. Các nhà  khoa học cũng đã tìm ra nhiều thành phần như lignin,  hemicellulose, pectin có thể được sử dụng để khử ion  bạc. Gần đây, Zhang và cộng sự đã chỉ định cụ thể  hydroquinone trong chiết xuất nha đam có vai trò như một  tác nhân khử điển hình. Ngoài ra, những enzyme và  protein lớn tồn tại trong chiết xuất từ lá cây nha đam được  tin rằng có thể liên kết với các ion bạc, từ đó đóng vai trò  như những tác nhân tạo phức. Hơn nữa, các liên kết yếu  giữa các protein trong dung dịch còn giúp phát triển các  hạt nano bạc hình cầu, giúp hình thành các hạt nano bạc  đẳng hướng.  

     Điều chế nano bạc từ chiết xuất nha đam

     (4) Xuất phát từ những quan điểm trên, nhóm nghiên cứu  của Tiến sĩ Apiwat Chompoosor (Khoa Hóa học, Đại học  Ramkhamhaeng, Thái Lan) đã sử dụng chiết xuất từ lá  cây nha đam để tổng hợp các hạt nano bạc với kích thước  từ 70-192 nm bằng phương pháp thủy nhiệt. Đây là  phương pháp tổng hợp đơn giản cho phép đạt đồng thời  nhiệt độ cao và áp suất cao, vốn là những điều kiện cần  thiết cho phản ứng khử ion bạc thành bạc kim loại. Sản  phẩm sinh ra được nhóm nghiên cứu lần lượt tiến hành  đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với hai loại vi khuẩn  S. epidermidis và P. aeruginosa.

     (5) Quá trình tổng hợp nano bạc trong nghiên cứu của  Tiến sĩ Chompoosor được thực hiện thông qua hai giai  đoạn. Đầu tiên, dung dịch chiết xuất nha đam được điều  chế từ 50 g lá nha đam đã được rửa và cắt mịn thành  những mẩu nhỏ. Các lá nha đam đã cắt này sẽ được đun  sôi trong nước cất 20 phút và được để nguội tự nhiên đến  nhiệt độ phòng. Sau đó, phần dung dịch được lọc và lưu  trữ trong tủ lạnh ở 4 o C để có được dung dịch chiết xuất.

     (6) Ở giai đoạn thứ hai, 0,3 mol AgNO 3  được hòa tan trong  20 ml nước cất rồi hòa với 20 ml dung dịch chiết xuất nha  đam đã được điều chế ở trên, khuấy đều ở nhiệt độ phòng  trong 30 phút. Hỗn hợp dung dịch này sau đó được rót vào  bình thủy nhiệt Teflon với dung tích 100 ml. Hệ Teflon sẽ  được gia nhiệt và duy trì ở nhiều nhiệt độ khác nhau, từ  100-200 o C trong vòng 6 giờ, rồi làm nguội từ từ đến nhiệt  độ phòng. Cuối cùng, dung dịch sau phản ứng được lọc  để thu được kết tủa dạng bột xám, kết tủa này sẽ được rửa  bằng nước cất và sấy khô ở 60 o C trong vòng 6 giờ để thu  được sản phẩm nano bạc. Cường   độ tương   đối 2 θ ( o )

     (7) Hầu hết tất cả peak tín hiệu có cường độ cao  đều thuộc về cấu trúc lập phương tâm diện của tinh thể  bạc, phù hợp với phổ tham chiếu JCPDS số 01-071-4613.  Tuy nhiên, chỉ có mẫu được điều chế ở nhiệt độ thủy nhiệt  200 o C mới có thành phần bạc tinh khiết. Ở các nhiệt độ  thấp hơn, phản ứng hóa học chuyển hóa bạc diễn ra với  tốc độ chậm hơn, vì vậy thời gian cần nhiều hơn 6 giờ để  xảy ra hoàn toàn, dẫn đến việc hình thành pha Ag 2 O với  hàm lượng thấp. Ở 100 o C, các hạt nano hình cầu chủ yếu  tồn tại với đường kính khoảng 70,7 nm. Kích thước này  lần lượt tăng lên 79,4 nm ở 150 o C và đạt gần 161,6 nm tại  o C. Như vậy, nhiệt độ thủy nhiệt không chỉ ảnh hưởng  trực tiếp đến thành phần pha mà còn ảnh hưởng đáng kể  đến hình thái của các hạt nano bạc.

     (8) Mặc dù khả năng kháng khuẩn của nano bạc đã được  thừa nhận rộng rãi, hoạt tính sinh học của nano bạc sản  xuất từ chiết xuất nha đam vẫn cần được kiểm chứng cụ thể.  Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã tiến hành khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano  bạc thông qua thí nghiệm ức chế sự phát triển của hai  loại vi khuẩn S. epidermidis và P. aeruginosa, vốn là hai  chủng vi khuẩn điển hình cho các chứng nhiễm khuẩn  kháng kháng sinh. Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua  đường kính vòng kháng khuẩn được tạo ra trên đĩa petri có  chứa thạch dưỡng chất đồng thời với nano bạc và vi khuẩn  sau khi được ủ ở 37 o C trong vòng 24 giờ.  

     (9) Cả ba mẫu nano bạc đều cho thấy khả năng kháng  hai loại vi khuẩn hiệu quả. Trong đó, mẫu thủy nhiệt ở  100 o C có đường kính vòng kháng khuẩn đạt 3,65 cm, gần  gấp đôi so với đường kính của hai mẫu điều chế ở 150 và  200 o C. Như vậy, dù mẫu điều chế ở 100 o C không có thành  phần bạc tinh khiết nhưng nhờ nhiệt độ thấp, quá trình  thiêu kết diễn ra hạn chế đã giúp tạo ra các hạt nano bạc  kích thước nhỏ, sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, từ đó có  hoạt tính kháng khuẩn cao. Khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng, kích thước hạt tăng khiến diện tích bề mặt riêng giảm, hoạt tính kháng khuẩn cũng giảm.  

     (10) Như vậy, bằng con đường hóa học xanh sử dụng chiết  xuất nha đam (loại thực vật có giá thành thấp, phong phú  trong tự nhiên), nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã điều chế thành công nano bạc với khả năng kháng  khuẩn hiệu quả, ngay cả đối với những loại khuẩn kháng  kháng sinh. Kết quả này cho thấy tiềm năng rất lớn của  việc ứng dụng các sản phẩm thiên nhiên trong tổng hợp  vật liệu, một hướng nghiên cứu chắc chắn sẽ được phát  triển mạnh trong tương lai.

   (Nguồn: “Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam”, Lê Tiến Khoa, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 11, năm 2017)

Nano bạc có tác dụng gì?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam

    (1) Trong nhiều thập kỷ qua, nano bạc luôn thu hút sự  chú ý của các nhà khoa học trên thế giới, xuất phát từ  những tính chất độc đáo cũng như phạm vi ứng dụng rộng  lớn của vật liệu này. Cụ thể, nano bạc đã được nghiên  cứu sử dụng làm chất xúc tác, đầu dò sinh học hay chất hiện hình. Đặc biệt, nhờ vào hoạt tính kháng  khuẩn hiệu quả, nano bạc được xem là giải pháp tiềm  năng cho nhiều vấn đề về nhiễm khuẩn sinh học, bao  gồm cả vi khuẩn kháng kháng sinh. Vì vậy, rất nhiều  phương pháp tổng hợp từ vật lý đến hóa học đã được đề  xuất để điều chế nano bạc. Một trong những phương pháp  truyền thống phổ biến được nhiều nghiên cứu đề cập là sử  dụng các tác nhân khử hóa học như hydrazine, sodium  borohydride, acid ascorbic... nhằm chuyển hóa ion  bạc thành bạc kim loại. Mặc dù thường tỏ ra hiệu quả,  nhưng phương pháp này vẫn có những hạn chế lớn, bao  gồm độc tính từ các tác chất sử dụng cũng như khó khăn  trong việc loại bỏ các tác chất trên.

     (2) Để tránh hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các chất  độc hại, gần đây giới khoa học đã bắt đầu áp dụng định  hướng của hóa học xanh trong việc điều chế nano bạc,  với hai tiêu chí luôn phải đảm bảo (vừa kinh tế, vừa thân  thiện với môi trường). Trong số các phương pháp hóa  học xanh, phương pháp điều chế nano bạc từ phản ứng  giữa tiền chất bạc với các vi chất hữu cơ hoặc chiết xuất  từ thực vật đang ngày càng cho thấy nhiều tiềm năng và  ưu thế do đây là những tác chất có giá thành thấp, hoạt  tính hóa học cao, quy trình sử dụng đơn giản và thân thiện  với môi trường. Nhờ sở hữu các thành phần có khả năng  khử sinh học như peptide, acid sorbic, acid citric, euphol,  polyhydroxy limonoid, acid ascorbic, acid retinoic, tannins  và acid ellagic, các nhà khoa học tin rằng có thể sử dụng  tảo, nấm và nhiều loại thực vật để điều  chế nano kim loại,  trong đó có nano bạc mà không cần bổ sung tác nhân khử. Ngoài ra, thành phần của thực vật thường hay chứa  các hoạt chất giúp làm bền hóa nano bạc mới được sinh ra  như protein, amino acid, enzyme, polysaccharide, tannin,  saponin... Trong nghiên cứu của mình, Kumar và các  cộng sự đã tổng hợp thành công các hạt nano bạc  hình cầu với đường kính 50-100 nm thông qua chiết xuất  từ cây mắt nhung (Alternanthera dentat) chỉ trong vòng 10  phút phản ứng. Những hạt nano bạc này thể hiện hoạt tính  kháng khuẩn đáng kể đối với Pseudomonas aeruginosa,  Escherichia coli, Klebsiella pneumonia và Enterococcus  faecal. Gần đây, thủy xương bồ (Acorus calamus,  hình 1), một loài thực vật sinh trưởng ở đầm lầy hoặc  những vùng nước lặng (Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ,  Nhật Bản...) cũng được Nakkala và cộng sự dùng để tổng  hợp nano bạc. Kết quả khảo sát cho thấy, nano bạc  trong nghiên cứu này vừa có hoạt tính chống oxy hóa, vừa  có khả năng kháng khuẩn, thậm chí có thể chống ung  thư. Từ những nghiên cứu trên, có thể thấy, việc tổng hợp  nano bạc với các nguyên liệu thiên nhiên ứng với từng địa  phương đang trở thành một xu thế mới, hấp dẫn, nhận  được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học.

     (3) Các tác nhân khử trong chiết xuất nha đam Nha đam hay lô hội là tên gọi của  một loài cây mọng nước có nguồn gốc từ Bắc Phi vốn  có rất nhiều ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm và  mỹ phẩm nhờ sở hữu nhiều hoạt chất sinh học có khả  năng chống viêm, chống rạn da, chống tia tử ngoại cũng  như thúc đẩy khả năng hồi phục vết thương. Các nhà  khoa học cũng đã tìm ra nhiều thành phần như lignin,  hemicellulose, pectin có thể được sử dụng để khử ion  bạc. Gần đây, Zhang và cộng sự đã chỉ định cụ thể  hydroquinone trong chiết xuất nha đam có vai trò như một  tác nhân khử điển hình. Ngoài ra, những enzyme và  protein lớn tồn tại trong chiết xuất từ lá cây nha đam được  tin rằng có thể liên kết với các ion bạc, từ đó đóng vai trò  như những tác nhân tạo phức. Hơn nữa, các liên kết yếu  giữa các protein trong dung dịch còn giúp phát triển các  hạt nano bạc hình cầu, giúp hình thành các hạt nano bạc  đẳng hướng.  

     Điều chế nano bạc từ chiết xuất nha đam

     (4) Xuất phát từ những quan điểm trên, nhóm nghiên cứu  của Tiến sĩ Apiwat Chompoosor (Khoa Hóa học, Đại học  Ramkhamhaeng, Thái Lan) đã sử dụng chiết xuất từ lá  cây nha đam để tổng hợp các hạt nano bạc với kích thước  từ 70-192 nm bằng phương pháp thủy nhiệt. Đây là  phương pháp tổng hợp đơn giản cho phép đạt đồng thời  nhiệt độ cao và áp suất cao, vốn là những điều kiện cần  thiết cho phản ứng khử ion bạc thành bạc kim loại. Sản  phẩm sinh ra được nhóm nghiên cứu lần lượt tiến hành  đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với hai loại vi khuẩn  S. epidermidis và P. aeruginosa.

     (5) Quá trình tổng hợp nano bạc trong nghiên cứu của  Tiến sĩ Chompoosor được thực hiện thông qua hai giai  đoạn. Đầu tiên, dung dịch chiết xuất nha đam được điều  chế từ 50 g lá nha đam đã được rửa và cắt mịn thành  những mẩu nhỏ. Các lá nha đam đã cắt này sẽ được đun  sôi trong nước cất 20 phút và được để nguội tự nhiên đến  nhiệt độ phòng. Sau đó, phần dung dịch được lọc và lưu  trữ trong tủ lạnh ở 4 o C để có được dung dịch chiết xuất.

     (6) Ở giai đoạn thứ hai, 0,3 mol AgNO 3  được hòa tan trong  20 ml nước cất rồi hòa với 20 ml dung dịch chiết xuất nha  đam đã được điều chế ở trên, khuấy đều ở nhiệt độ phòng  trong 30 phút. Hỗn hợp dung dịch này sau đó được rót vào  bình thủy nhiệt Teflon với dung tích 100 ml. Hệ Teflon sẽ  được gia nhiệt và duy trì ở nhiều nhiệt độ khác nhau, từ  100-200 o C trong vòng 6 giờ, rồi làm nguội từ từ đến nhiệt  độ phòng. Cuối cùng, dung dịch sau phản ứng được lọc  để thu được kết tủa dạng bột xám, kết tủa này sẽ được rửa  bằng nước cất và sấy khô ở 60 o C trong vòng 6 giờ để thu  được sản phẩm nano bạc. Cường   độ tương   đối 2 θ ( o )

     (7) Hầu hết tất cả peak tín hiệu có cường độ cao  đều thuộc về cấu trúc lập phương tâm diện của tinh thể  bạc, phù hợp với phổ tham chiếu JCPDS số 01-071-4613.  Tuy nhiên, chỉ có mẫu được điều chế ở nhiệt độ thủy nhiệt  200 o C mới có thành phần bạc tinh khiết. Ở các nhiệt độ  thấp hơn, phản ứng hóa học chuyển hóa bạc diễn ra với  tốc độ chậm hơn, vì vậy thời gian cần nhiều hơn 6 giờ để  xảy ra hoàn toàn, dẫn đến việc hình thành pha Ag 2 O với  hàm lượng thấp. Ở 100 o C, các hạt nano hình cầu chủ yếu  tồn tại với đường kính khoảng 70,7 nm. Kích thước này  lần lượt tăng lên 79,4 nm ở 150 o C và đạt gần 161,6 nm tại  o C. Như vậy, nhiệt độ thủy nhiệt không chỉ ảnh hưởng  trực tiếp đến thành phần pha mà còn ảnh hưởng đáng kể  đến hình thái của các hạt nano bạc.

     (8) Mặc dù khả năng kháng khuẩn của nano bạc đã được  thừa nhận rộng rãi, hoạt tính sinh học của nano bạc sản  xuất từ chiết xuất nha đam vẫn cần được kiểm chứng cụ thể.  Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã tiến hành khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano  bạc thông qua thí nghiệm ức chế sự phát triển của hai  loại vi khuẩn S. epidermidis và P. aeruginosa, vốn là hai  chủng vi khuẩn điển hình cho các chứng nhiễm khuẩn  kháng kháng sinh. Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua  đường kính vòng kháng khuẩn được tạo ra trên đĩa petri có  chứa thạch dưỡng chất đồng thời với nano bạc và vi khuẩn  sau khi được ủ ở 37 o C trong vòng 24 giờ.  

     (9) Cả ba mẫu nano bạc đều cho thấy khả năng kháng  hai loại vi khuẩn hiệu quả. Trong đó, mẫu thủy nhiệt ở  100 o C có đường kính vòng kháng khuẩn đạt 3,65 cm, gần  gấp đôi so với đường kính của hai mẫu điều chế ở 150 và  200 o C. Như vậy, dù mẫu điều chế ở 100 o C không có thành  phần bạc tinh khiết nhưng nhờ nhiệt độ thấp, quá trình  thiêu kết diễn ra hạn chế đã giúp tạo ra các hạt nano bạc  kích thước nhỏ, sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, từ đó có  hoạt tính kháng khuẩn cao. Khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng, kích thước hạt tăng khiến diện tích bề mặt riêng giảm, hoạt tính kháng khuẩn cũng giảm.  

     (10) Như vậy, bằng con đường hóa học xanh sử dụng chiết  xuất nha đam (loại thực vật có giá thành thấp, phong phú  trong tự nhiên), nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã điều chế thành công nano bạc với khả năng kháng  khuẩn hiệu quả, ngay cả đối với những loại khuẩn kháng  kháng sinh. Kết quả này cho thấy tiềm năng rất lớn của  việc ứng dụng các sản phẩm thiên nhiên trong tổng hợp  vật liệu, một hướng nghiên cứu chắc chắn sẽ được phát  triển mạnh trong tương lai.

   (Nguồn: “Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam”, Lê Tiến Khoa, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 11, năm 2017)

Điều chế nano bạc bằng phương pháp hóa học xanh có tác dụng gì?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam

    (1) Trong nhiều thập kỷ qua, nano bạc luôn thu hút sự  chú ý của các nhà khoa học trên thế giới, xuất phát từ  những tính chất độc đáo cũng như phạm vi ứng dụng rộng  lớn của vật liệu này. Cụ thể, nano bạc đã được nghiên  cứu sử dụng làm chất xúc tác, đầu dò sinh học hay chất hiện hình. Đặc biệt, nhờ vào hoạt tính kháng  khuẩn hiệu quả, nano bạc được xem là giải pháp tiềm  năng cho nhiều vấn đề về nhiễm khuẩn sinh học, bao  gồm cả vi khuẩn kháng kháng sinh. Vì vậy, rất nhiều  phương pháp tổng hợp từ vật lý đến hóa học đã được đề  xuất để điều chế nano bạc. Một trong những phương pháp  truyền thống phổ biến được nhiều nghiên cứu đề cập là sử  dụng các tác nhân khử hóa học như hydrazine, sodium  borohydride, acid ascorbic... nhằm chuyển hóa ion  bạc thành bạc kim loại. Mặc dù thường tỏ ra hiệu quả,  nhưng phương pháp này vẫn có những hạn chế lớn, bao  gồm độc tính từ các tác chất sử dụng cũng như khó khăn  trong việc loại bỏ các tác chất trên.

     (2) Để tránh hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các chất  độc hại, gần đây giới khoa học đã bắt đầu áp dụng định  hướng của hóa học xanh trong việc điều chế nano bạc,  với hai tiêu chí luôn phải đảm bảo (vừa kinh tế, vừa thân  thiện với môi trường). Trong số các phương pháp hóa  học xanh, phương pháp điều chế nano bạc từ phản ứng  giữa tiền chất bạc với các vi chất hữu cơ hoặc chiết xuất  từ thực vật đang ngày càng cho thấy nhiều tiềm năng và  ưu thế do đây là những tác chất có giá thành thấp, hoạt  tính hóa học cao, quy trình sử dụng đơn giản và thân thiện  với môi trường. Nhờ sở hữu các thành phần có khả năng  khử sinh học như peptide, acid sorbic, acid citric, euphol,  polyhydroxy limonoid, acid ascorbic, acid retinoic, tannins  và acid ellagic, các nhà khoa học tin rằng có thể sử dụng  tảo, nấm và nhiều loại thực vật để điều  chế nano kim loại,  trong đó có nano bạc mà không cần bổ sung tác nhân khử. Ngoài ra, thành phần của thực vật thường hay chứa  các hoạt chất giúp làm bền hóa nano bạc mới được sinh ra  như protein, amino acid, enzyme, polysaccharide, tannin,  saponin... Trong nghiên cứu của mình, Kumar và các  cộng sự đã tổng hợp thành công các hạt nano bạc  hình cầu với đường kính 50-100 nm thông qua chiết xuất  từ cây mắt nhung (Alternanthera dentat) chỉ trong vòng 10  phút phản ứng. Những hạt nano bạc này thể hiện hoạt tính  kháng khuẩn đáng kể đối với Pseudomonas aeruginosa,  Escherichia coli, Klebsiella pneumonia và Enterococcus  faecal. Gần đây, thủy xương bồ (Acorus calamus,  hình 1), một loài thực vật sinh trưởng ở đầm lầy hoặc  những vùng nước lặng (Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ,  Nhật Bản...) cũng được Nakkala và cộng sự dùng để tổng  hợp nano bạc. Kết quả khảo sát cho thấy, nano bạc  trong nghiên cứu này vừa có hoạt tính chống oxy hóa, vừa  có khả năng kháng khuẩn, thậm chí có thể chống ung  thư. Từ những nghiên cứu trên, có thể thấy, việc tổng hợp  nano bạc với các nguyên liệu thiên nhiên ứng với từng địa  phương đang trở thành một xu thế mới, hấp dẫn, nhận  được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học.

     (3) Các tác nhân khử trong chiết xuất nha đam Nha đam hay lô hội là tên gọi của  một loài cây mọng nước có nguồn gốc từ Bắc Phi vốn  có rất nhiều ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm và  mỹ phẩm nhờ sở hữu nhiều hoạt chất sinh học có khả  năng chống viêm, chống rạn da, chống tia tử ngoại cũng  như thúc đẩy khả năng hồi phục vết thương. Các nhà  khoa học cũng đã tìm ra nhiều thành phần như lignin,  hemicellulose, pectin có thể được sử dụng để khử ion  bạc. Gần đây, Zhang và cộng sự đã chỉ định cụ thể  hydroquinone trong chiết xuất nha đam có vai trò như một  tác nhân khử điển hình. Ngoài ra, những enzyme và  protein lớn tồn tại trong chiết xuất từ lá cây nha đam được  tin rằng có thể liên kết với các ion bạc, từ đó đóng vai trò  như những tác nhân tạo phức. Hơn nữa, các liên kết yếu  giữa các protein trong dung dịch còn giúp phát triển các  hạt nano bạc hình cầu, giúp hình thành các hạt nano bạc  đẳng hướng.  

     Điều chế nano bạc từ chiết xuất nha đam

     (4) Xuất phát từ những quan điểm trên, nhóm nghiên cứu  của Tiến sĩ Apiwat Chompoosor (Khoa Hóa học, Đại học  Ramkhamhaeng, Thái Lan) đã sử dụng chiết xuất từ lá  cây nha đam để tổng hợp các hạt nano bạc với kích thước  từ 70-192 nm bằng phương pháp thủy nhiệt. Đây là  phương pháp tổng hợp đơn giản cho phép đạt đồng thời  nhiệt độ cao và áp suất cao, vốn là những điều kiện cần  thiết cho phản ứng khử ion bạc thành bạc kim loại. Sản  phẩm sinh ra được nhóm nghiên cứu lần lượt tiến hành  đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với hai loại vi khuẩn  S. epidermidis và P. aeruginosa.

     (5) Quá trình tổng hợp nano bạc trong nghiên cứu của  Tiến sĩ Chompoosor được thực hiện thông qua hai giai  đoạn. Đầu tiên, dung dịch chiết xuất nha đam được điều  chế từ 50 g lá nha đam đã được rửa và cắt mịn thành  những mẩu nhỏ. Các lá nha đam đã cắt này sẽ được đun  sôi trong nước cất 20 phút và được để nguội tự nhiên đến  nhiệt độ phòng. Sau đó, phần dung dịch được lọc và lưu  trữ trong tủ lạnh ở 4 o C để có được dung dịch chiết xuất.

     (6) Ở giai đoạn thứ hai, 0,3 mol AgNO 3  được hòa tan trong  20 ml nước cất rồi hòa với 20 ml dung dịch chiết xuất nha  đam đã được điều chế ở trên, khuấy đều ở nhiệt độ phòng  trong 30 phút. Hỗn hợp dung dịch này sau đó được rót vào  bình thủy nhiệt Teflon với dung tích 100 ml. Hệ Teflon sẽ  được gia nhiệt và duy trì ở nhiều nhiệt độ khác nhau, từ  100-200 o C trong vòng 6 giờ, rồi làm nguội từ từ đến nhiệt  độ phòng. Cuối cùng, dung dịch sau phản ứng được lọc  để thu được kết tủa dạng bột xám, kết tủa này sẽ được rửa  bằng nước cất và sấy khô ở 60 o C trong vòng 6 giờ để thu  được sản phẩm nano bạc. Cường   độ tương   đối 2 θ ( o )

     (7) Hầu hết tất cả peak tín hiệu có cường độ cao  đều thuộc về cấu trúc lập phương tâm diện của tinh thể  bạc, phù hợp với phổ tham chiếu JCPDS số 01-071-4613.  Tuy nhiên, chỉ có mẫu được điều chế ở nhiệt độ thủy nhiệt  200 o C mới có thành phần bạc tinh khiết. Ở các nhiệt độ  thấp hơn, phản ứng hóa học chuyển hóa bạc diễn ra với  tốc độ chậm hơn, vì vậy thời gian cần nhiều hơn 6 giờ để  xảy ra hoàn toàn, dẫn đến việc hình thành pha Ag 2 O với  hàm lượng thấp. Ở 100 o C, các hạt nano hình cầu chủ yếu  tồn tại với đường kính khoảng 70,7 nm. Kích thước này  lần lượt tăng lên 79,4 nm ở 150 o C và đạt gần 161,6 nm tại  o C. Như vậy, nhiệt độ thủy nhiệt không chỉ ảnh hưởng  trực tiếp đến thành phần pha mà còn ảnh hưởng đáng kể  đến hình thái của các hạt nano bạc.

     (8) Mặc dù khả năng kháng khuẩn của nano bạc đã được  thừa nhận rộng rãi, hoạt tính sinh học của nano bạc sản  xuất từ chiết xuất nha đam vẫn cần được kiểm chứng cụ thể.  Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã tiến hành khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano  bạc thông qua thí nghiệm ức chế sự phát triển của hai  loại vi khuẩn S. epidermidis và P. aeruginosa, vốn là hai  chủng vi khuẩn điển hình cho các chứng nhiễm khuẩn  kháng kháng sinh. Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua  đường kính vòng kháng khuẩn được tạo ra trên đĩa petri có  chứa thạch dưỡng chất đồng thời với nano bạc và vi khuẩn  sau khi được ủ ở 37 o C trong vòng 24 giờ.  

     (9) Cả ba mẫu nano bạc đều cho thấy khả năng kháng  hai loại vi khuẩn hiệu quả. Trong đó, mẫu thủy nhiệt ở  100 o C có đường kính vòng kháng khuẩn đạt 3,65 cm, gần  gấp đôi so với đường kính của hai mẫu điều chế ở 150 và  200 o C. Như vậy, dù mẫu điều chế ở 100 o C không có thành  phần bạc tinh khiết nhưng nhờ nhiệt độ thấp, quá trình  thiêu kết diễn ra hạn chế đã giúp tạo ra các hạt nano bạc  kích thước nhỏ, sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, từ đó có  hoạt tính kháng khuẩn cao. Khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng, kích thước hạt tăng khiến diện tích bề mặt riêng giảm, hoạt tính kháng khuẩn cũng giảm.  

     (10) Như vậy, bằng con đường hóa học xanh sử dụng chiết  xuất nha đam (loại thực vật có giá thành thấp, phong phú  trong tự nhiên), nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã điều chế thành công nano bạc với khả năng kháng  khuẩn hiệu quả, ngay cả đối với những loại khuẩn kháng  kháng sinh. Kết quả này cho thấy tiềm năng rất lớn của  việc ứng dụng các sản phẩm thiên nhiên trong tổng hợp  vật liệu, một hướng nghiên cứu chắc chắn sẽ được phát  triển mạnh trong tương lai.

   (Nguồn: “Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam”, Lê Tiến Khoa, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 11, năm 2017)

Văn bản đã nêu ra chất nào trong chiết xuất nha đam có vai trò như một  tác nhân khử?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam

    (1) Trong nhiều thập kỷ qua, nano bạc luôn thu hút sự  chú ý của các nhà khoa học trên thế giới, xuất phát từ  những tính chất độc đáo cũng như phạm vi ứng dụng rộng  lớn của vật liệu này. Cụ thể, nano bạc đã được nghiên  cứu sử dụng làm chất xúc tác, đầu dò sinh học hay chất hiện hình. Đặc biệt, nhờ vào hoạt tính kháng  khuẩn hiệu quả, nano bạc được xem là giải pháp tiềm  năng cho nhiều vấn đề về nhiễm khuẩn sinh học, bao  gồm cả vi khuẩn kháng kháng sinh. Vì vậy, rất nhiều  phương pháp tổng hợp từ vật lý đến hóa học đã được đề  xuất để điều chế nano bạc. Một trong những phương pháp  truyền thống phổ biến được nhiều nghiên cứu đề cập là sử  dụng các tác nhân khử hóa học như hydrazine, sodium  borohydride, acid ascorbic... nhằm chuyển hóa ion  bạc thành bạc kim loại. Mặc dù thường tỏ ra hiệu quả,  nhưng phương pháp này vẫn có những hạn chế lớn, bao  gồm độc tính từ các tác chất sử dụng cũng như khó khăn  trong việc loại bỏ các tác chất trên.

     (2) Để tránh hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các chất  độc hại, gần đây giới khoa học đã bắt đầu áp dụng định  hướng của hóa học xanh trong việc điều chế nano bạc,  với hai tiêu chí luôn phải đảm bảo (vừa kinh tế, vừa thân  thiện với môi trường). Trong số các phương pháp hóa  học xanh, phương pháp điều chế nano bạc từ phản ứng  giữa tiền chất bạc với các vi chất hữu cơ hoặc chiết xuất  từ thực vật đang ngày càng cho thấy nhiều tiềm năng và  ưu thế do đây là những tác chất có giá thành thấp, hoạt  tính hóa học cao, quy trình sử dụng đơn giản và thân thiện  với môi trường. Nhờ sở hữu các thành phần có khả năng  khử sinh học như peptide, acid sorbic, acid citric, euphol,  polyhydroxy limonoid, acid ascorbic, acid retinoic, tannins  và acid ellagic, các nhà khoa học tin rằng có thể sử dụng  tảo, nấm và nhiều loại thực vật để điều  chế nano kim loại,  trong đó có nano bạc mà không cần bổ sung tác nhân khử. Ngoài ra, thành phần của thực vật thường hay chứa  các hoạt chất giúp làm bền hóa nano bạc mới được sinh ra  như protein, amino acid, enzyme, polysaccharide, tannin,  saponin... Trong nghiên cứu của mình, Kumar và các  cộng sự đã tổng hợp thành công các hạt nano bạc  hình cầu với đường kính 50-100 nm thông qua chiết xuất  từ cây mắt nhung (Alternanthera dentat) chỉ trong vòng 10  phút phản ứng. Những hạt nano bạc này thể hiện hoạt tính  kháng khuẩn đáng kể đối với Pseudomonas aeruginosa,  Escherichia coli, Klebsiella pneumonia và Enterococcus  faecal. Gần đây, thủy xương bồ (Acorus calamus,  hình 1), một loài thực vật sinh trưởng ở đầm lầy hoặc  những vùng nước lặng (Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ,  Nhật Bản...) cũng được Nakkala và cộng sự dùng để tổng  hợp nano bạc. Kết quả khảo sát cho thấy, nano bạc  trong nghiên cứu này vừa có hoạt tính chống oxy hóa, vừa  có khả năng kháng khuẩn, thậm chí có thể chống ung  thư. Từ những nghiên cứu trên, có thể thấy, việc tổng hợp  nano bạc với các nguyên liệu thiên nhiên ứng với từng địa  phương đang trở thành một xu thế mới, hấp dẫn, nhận  được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học.

     (3) Các tác nhân khử trong chiết xuất nha đam Nha đam hay lô hội là tên gọi của  một loài cây mọng nước có nguồn gốc từ Bắc Phi vốn  có rất nhiều ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm và  mỹ phẩm nhờ sở hữu nhiều hoạt chất sinh học có khả  năng chống viêm, chống rạn da, chống tia tử ngoại cũng  như thúc đẩy khả năng hồi phục vết thương. Các nhà  khoa học cũng đã tìm ra nhiều thành phần như lignin,  hemicellulose, pectin có thể được sử dụng để khử ion  bạc. Gần đây, Zhang và cộng sự đã chỉ định cụ thể  hydroquinone trong chiết xuất nha đam có vai trò như một  tác nhân khử điển hình. Ngoài ra, những enzyme và  protein lớn tồn tại trong chiết xuất từ lá cây nha đam được  tin rằng có thể liên kết với các ion bạc, từ đó đóng vai trò  như những tác nhân tạo phức. Hơn nữa, các liên kết yếu  giữa các protein trong dung dịch còn giúp phát triển các  hạt nano bạc hình cầu, giúp hình thành các hạt nano bạc  đẳng hướng.  

     Điều chế nano bạc từ chiết xuất nha đam

     (4) Xuất phát từ những quan điểm trên, nhóm nghiên cứu  của Tiến sĩ Apiwat Chompoosor (Khoa Hóa học, Đại học  Ramkhamhaeng, Thái Lan) đã sử dụng chiết xuất từ lá  cây nha đam để tổng hợp các hạt nano bạc với kích thước  từ 70-192 nm bằng phương pháp thủy nhiệt. Đây là  phương pháp tổng hợp đơn giản cho phép đạt đồng thời  nhiệt độ cao và áp suất cao, vốn là những điều kiện cần  thiết cho phản ứng khử ion bạc thành bạc kim loại. Sản  phẩm sinh ra được nhóm nghiên cứu lần lượt tiến hành  đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với hai loại vi khuẩn  S. epidermidis và P. aeruginosa.

     (5) Quá trình tổng hợp nano bạc trong nghiên cứu của  Tiến sĩ Chompoosor được thực hiện thông qua hai giai  đoạn. Đầu tiên, dung dịch chiết xuất nha đam được điều  chế từ 50 g lá nha đam đã được rửa và cắt mịn thành  những mẩu nhỏ. Các lá nha đam đã cắt này sẽ được đun  sôi trong nước cất 20 phút và được để nguội tự nhiên đến  nhiệt độ phòng. Sau đó, phần dung dịch được lọc và lưu  trữ trong tủ lạnh ở 4 o C để có được dung dịch chiết xuất.

     (6) Ở giai đoạn thứ hai, 0,3 mol AgNO 3  được hòa tan trong  20 ml nước cất rồi hòa với 20 ml dung dịch chiết xuất nha  đam đã được điều chế ở trên, khuấy đều ở nhiệt độ phòng  trong 30 phút. Hỗn hợp dung dịch này sau đó được rót vào  bình thủy nhiệt Teflon với dung tích 100 ml. Hệ Teflon sẽ  được gia nhiệt và duy trì ở nhiều nhiệt độ khác nhau, từ  100-200 o C trong vòng 6 giờ, rồi làm nguội từ từ đến nhiệt  độ phòng. Cuối cùng, dung dịch sau phản ứng được lọc  để thu được kết tủa dạng bột xám, kết tủa này sẽ được rửa  bằng nước cất và sấy khô ở 60 o C trong vòng 6 giờ để thu  được sản phẩm nano bạc. Cường   độ tương   đối 2 θ ( o )

     (7) Hầu hết tất cả peak tín hiệu có cường độ cao  đều thuộc về cấu trúc lập phương tâm diện của tinh thể  bạc, phù hợp với phổ tham chiếu JCPDS số 01-071-4613.  Tuy nhiên, chỉ có mẫu được điều chế ở nhiệt độ thủy nhiệt  200 o C mới có thành phần bạc tinh khiết. Ở các nhiệt độ  thấp hơn, phản ứng hóa học chuyển hóa bạc diễn ra với  tốc độ chậm hơn, vì vậy thời gian cần nhiều hơn 6 giờ để  xảy ra hoàn toàn, dẫn đến việc hình thành pha Ag 2 O với  hàm lượng thấp. Ở 100 o C, các hạt nano hình cầu chủ yếu  tồn tại với đường kính khoảng 70,7 nm. Kích thước này  lần lượt tăng lên 79,4 nm ở 150 o C và đạt gần 161,6 nm tại  o C. Như vậy, nhiệt độ thủy nhiệt không chỉ ảnh hưởng  trực tiếp đến thành phần pha mà còn ảnh hưởng đáng kể  đến hình thái của các hạt nano bạc.

     (8) Mặc dù khả năng kháng khuẩn của nano bạc đã được  thừa nhận rộng rãi, hoạt tính sinh học của nano bạc sản  xuất từ chiết xuất nha đam vẫn cần được kiểm chứng cụ thể.  Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã tiến hành khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano  bạc thông qua thí nghiệm ức chế sự phát triển của hai  loại vi khuẩn S. epidermidis và P. aeruginosa, vốn là hai  chủng vi khuẩn điển hình cho các chứng nhiễm khuẩn  kháng kháng sinh. Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua  đường kính vòng kháng khuẩn được tạo ra trên đĩa petri có  chứa thạch dưỡng chất đồng thời với nano bạc và vi khuẩn  sau khi được ủ ở 37 o C trong vòng 24 giờ.  

     (9) Cả ba mẫu nano bạc đều cho thấy khả năng kháng  hai loại vi khuẩn hiệu quả. Trong đó, mẫu thủy nhiệt ở  100 o C có đường kính vòng kháng khuẩn đạt 3,65 cm, gần  gấp đôi so với đường kính của hai mẫu điều chế ở 150 và  200 o C. Như vậy, dù mẫu điều chế ở 100 o C không có thành  phần bạc tinh khiết nhưng nhờ nhiệt độ thấp, quá trình  thiêu kết diễn ra hạn chế đã giúp tạo ra các hạt nano bạc  kích thước nhỏ, sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, từ đó có  hoạt tính kháng khuẩn cao. Khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng, kích thước hạt tăng khiến diện tích bề mặt riêng giảm, hoạt tính kháng khuẩn cũng giảm.  

     (10) Như vậy, bằng con đường hóa học xanh sử dụng chiết  xuất nha đam (loại thực vật có giá thành thấp, phong phú  trong tự nhiên), nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã điều chế thành công nano bạc với khả năng kháng  khuẩn hiệu quả, ngay cả đối với những loại khuẩn kháng  kháng sinh. Kết quả này cho thấy tiềm năng rất lớn của  việc ứng dụng các sản phẩm thiên nhiên trong tổng hợp  vật liệu, một hướng nghiên cứu chắc chắn sẽ được phát  triển mạnh trong tương lai.

   (Nguồn: “Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam”, Lê Tiến Khoa, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 11, năm 2017)

Ai là người đã thực hiện thí nghiệm tổng hợp nano bạc bằng nha đam?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam

    (1) Trong nhiều thập kỷ qua, nano bạc luôn thu hút sự  chú ý của các nhà khoa học trên thế giới, xuất phát từ  những tính chất độc đáo cũng như phạm vi ứng dụng rộng  lớn của vật liệu này. Cụ thể, nano bạc đã được nghiên  cứu sử dụng làm chất xúc tác, đầu dò sinh học hay chất hiện hình. Đặc biệt, nhờ vào hoạt tính kháng  khuẩn hiệu quả, nano bạc được xem là giải pháp tiềm  năng cho nhiều vấn đề về nhiễm khuẩn sinh học, bao  gồm cả vi khuẩn kháng kháng sinh. Vì vậy, rất nhiều  phương pháp tổng hợp từ vật lý đến hóa học đã được đề  xuất để điều chế nano bạc. Một trong những phương pháp  truyền thống phổ biến được nhiều nghiên cứu đề cập là sử  dụng các tác nhân khử hóa học như hydrazine, sodium  borohydride, acid ascorbic... nhằm chuyển hóa ion  bạc thành bạc kim loại. Mặc dù thường tỏ ra hiệu quả,  nhưng phương pháp này vẫn có những hạn chế lớn, bao  gồm độc tính từ các tác chất sử dụng cũng như khó khăn  trong việc loại bỏ các tác chất trên.

     (2) Để tránh hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các chất  độc hại, gần đây giới khoa học đã bắt đầu áp dụng định  hướng của hóa học xanh trong việc điều chế nano bạc,  với hai tiêu chí luôn phải đảm bảo (vừa kinh tế, vừa thân  thiện với môi trường). Trong số các phương pháp hóa  học xanh, phương pháp điều chế nano bạc từ phản ứng  giữa tiền chất bạc với các vi chất hữu cơ hoặc chiết xuất  từ thực vật đang ngày càng cho thấy nhiều tiềm năng và  ưu thế do đây là những tác chất có giá thành thấp, hoạt  tính hóa học cao, quy trình sử dụng đơn giản và thân thiện  với môi trường. Nhờ sở hữu các thành phần có khả năng  khử sinh học như peptide, acid sorbic, acid citric, euphol,  polyhydroxy limonoid, acid ascorbic, acid retinoic, tannins  và acid ellagic, các nhà khoa học tin rằng có thể sử dụng  tảo, nấm và nhiều loại thực vật để điều  chế nano kim loại,  trong đó có nano bạc mà không cần bổ sung tác nhân khử. Ngoài ra, thành phần của thực vật thường hay chứa  các hoạt chất giúp làm bền hóa nano bạc mới được sinh ra  như protein, amino acid, enzyme, polysaccharide, tannin,  saponin... Trong nghiên cứu của mình, Kumar và các  cộng sự đã tổng hợp thành công các hạt nano bạc  hình cầu với đường kính 50-100 nm thông qua chiết xuất  từ cây mắt nhung (Alternanthera dentat) chỉ trong vòng 10  phút phản ứng. Những hạt nano bạc này thể hiện hoạt tính  kháng khuẩn đáng kể đối với Pseudomonas aeruginosa,  Escherichia coli, Klebsiella pneumonia và Enterococcus  faecal. Gần đây, thủy xương bồ (Acorus calamus,  hình 1), một loài thực vật sinh trưởng ở đầm lầy hoặc  những vùng nước lặng (Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ,  Nhật Bản...) cũng được Nakkala và cộng sự dùng để tổng  hợp nano bạc. Kết quả khảo sát cho thấy, nano bạc  trong nghiên cứu này vừa có hoạt tính chống oxy hóa, vừa  có khả năng kháng khuẩn, thậm chí có thể chống ung  thư. Từ những nghiên cứu trên, có thể thấy, việc tổng hợp  nano bạc với các nguyên liệu thiên nhiên ứng với từng địa  phương đang trở thành một xu thế mới, hấp dẫn, nhận  được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học.

     (3) Các tác nhân khử trong chiết xuất nha đam Nha đam hay lô hội là tên gọi của  một loài cây mọng nước có nguồn gốc từ Bắc Phi vốn  có rất nhiều ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm và  mỹ phẩm nhờ sở hữu nhiều hoạt chất sinh học có khả  năng chống viêm, chống rạn da, chống tia tử ngoại cũng  như thúc đẩy khả năng hồi phục vết thương. Các nhà  khoa học cũng đã tìm ra nhiều thành phần như lignin,  hemicellulose, pectin có thể được sử dụng để khử ion  bạc. Gần đây, Zhang và cộng sự đã chỉ định cụ thể  hydroquinone trong chiết xuất nha đam có vai trò như một  tác nhân khử điển hình. Ngoài ra, những enzyme và  protein lớn tồn tại trong chiết xuất từ lá cây nha đam được  tin rằng có thể liên kết với các ion bạc, từ đó đóng vai trò  như những tác nhân tạo phức. Hơn nữa, các liên kết yếu  giữa các protein trong dung dịch còn giúp phát triển các  hạt nano bạc hình cầu, giúp hình thành các hạt nano bạc  đẳng hướng.  

     Điều chế nano bạc từ chiết xuất nha đam

     (4) Xuất phát từ những quan điểm trên, nhóm nghiên cứu  của Tiến sĩ Apiwat Chompoosor (Khoa Hóa học, Đại học  Ramkhamhaeng, Thái Lan) đã sử dụng chiết xuất từ lá  cây nha đam để tổng hợp các hạt nano bạc với kích thước  từ 70-192 nm bằng phương pháp thủy nhiệt. Đây là  phương pháp tổng hợp đơn giản cho phép đạt đồng thời  nhiệt độ cao và áp suất cao, vốn là những điều kiện cần  thiết cho phản ứng khử ion bạc thành bạc kim loại. Sản  phẩm sinh ra được nhóm nghiên cứu lần lượt tiến hành  đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với hai loại vi khuẩn  S. epidermidis và P. aeruginosa.

     (5) Quá trình tổng hợp nano bạc trong nghiên cứu của  Tiến sĩ Chompoosor được thực hiện thông qua hai giai  đoạn. Đầu tiên, dung dịch chiết xuất nha đam được điều  chế từ 50 g lá nha đam đã được rửa và cắt mịn thành  những mẩu nhỏ. Các lá nha đam đã cắt này sẽ được đun  sôi trong nước cất 20 phút và được để nguội tự nhiên đến  nhiệt độ phòng. Sau đó, phần dung dịch được lọc và lưu  trữ trong tủ lạnh ở 4 o C để có được dung dịch chiết xuất.

     (6) Ở giai đoạn thứ hai, 0,3 mol AgNO 3  được hòa tan trong  20 ml nước cất rồi hòa với 20 ml dung dịch chiết xuất nha  đam đã được điều chế ở trên, khuấy đều ở nhiệt độ phòng  trong 30 phút. Hỗn hợp dung dịch này sau đó được rót vào  bình thủy nhiệt Teflon với dung tích 100 ml. Hệ Teflon sẽ  được gia nhiệt và duy trì ở nhiều nhiệt độ khác nhau, từ  100-200 o C trong vòng 6 giờ, rồi làm nguội từ từ đến nhiệt  độ phòng. Cuối cùng, dung dịch sau phản ứng được lọc  để thu được kết tủa dạng bột xám, kết tủa này sẽ được rửa  bằng nước cất và sấy khô ở 60 o C trong vòng 6 giờ để thu  được sản phẩm nano bạc. Cường   độ tương   đối 2 θ ( o )

     (7) Hầu hết tất cả peak tín hiệu có cường độ cao  đều thuộc về cấu trúc lập phương tâm diện của tinh thể  bạc, phù hợp với phổ tham chiếu JCPDS số 01-071-4613.  Tuy nhiên, chỉ có mẫu được điều chế ở nhiệt độ thủy nhiệt  200 o C mới có thành phần bạc tinh khiết. Ở các nhiệt độ  thấp hơn, phản ứng hóa học chuyển hóa bạc diễn ra với  tốc độ chậm hơn, vì vậy thời gian cần nhiều hơn 6 giờ để  xảy ra hoàn toàn, dẫn đến việc hình thành pha Ag 2 O với  hàm lượng thấp. Ở 100 o C, các hạt nano hình cầu chủ yếu  tồn tại với đường kính khoảng 70,7 nm. Kích thước này  lần lượt tăng lên 79,4 nm ở 150 o C và đạt gần 161,6 nm tại  o C. Như vậy, nhiệt độ thủy nhiệt không chỉ ảnh hưởng  trực tiếp đến thành phần pha mà còn ảnh hưởng đáng kể  đến hình thái của các hạt nano bạc.

     (8) Mặc dù khả năng kháng khuẩn của nano bạc đã được  thừa nhận rộng rãi, hoạt tính sinh học của nano bạc sản  xuất từ chiết xuất nha đam vẫn cần được kiểm chứng cụ thể.  Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã tiến hành khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano  bạc thông qua thí nghiệm ức chế sự phát triển của hai  loại vi khuẩn S. epidermidis và P. aeruginosa, vốn là hai  chủng vi khuẩn điển hình cho các chứng nhiễm khuẩn  kháng kháng sinh. Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua  đường kính vòng kháng khuẩn được tạo ra trên đĩa petri có  chứa thạch dưỡng chất đồng thời với nano bạc và vi khuẩn  sau khi được ủ ở 37 o C trong vòng 24 giờ.  

     (9) Cả ba mẫu nano bạc đều cho thấy khả năng kháng  hai loại vi khuẩn hiệu quả. Trong đó, mẫu thủy nhiệt ở  100 o C có đường kính vòng kháng khuẩn đạt 3,65 cm, gần  gấp đôi so với đường kính của hai mẫu điều chế ở 150 và  200 o C. Như vậy, dù mẫu điều chế ở 100 o C không có thành  phần bạc tinh khiết nhưng nhờ nhiệt độ thấp, quá trình  thiêu kết diễn ra hạn chế đã giúp tạo ra các hạt nano bạc  kích thước nhỏ, sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, từ đó có  hoạt tính kháng khuẩn cao. Khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng, kích thước hạt tăng khiến diện tích bề mặt riêng giảm, hoạt tính kháng khuẩn cũng giảm.  

     (10) Như vậy, bằng con đường hóa học xanh sử dụng chiết  xuất nha đam (loại thực vật có giá thành thấp, phong phú  trong tự nhiên), nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã điều chế thành công nano bạc với khả năng kháng  khuẩn hiệu quả, ngay cả đối với những loại khuẩn kháng  kháng sinh. Kết quả này cho thấy tiềm năng rất lớn của  việc ứng dụng các sản phẩm thiên nhiên trong tổng hợp  vật liệu, một hướng nghiên cứu chắc chắn sẽ được phát  triển mạnh trong tương lai.

   (Nguồn: “Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam”, Lê Tiến Khoa, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 11, năm 2017)

Trong điều chế nano bạc bằng nha đam, hệ Teflon sẽ được gia nhiệt và duy trì ở nhiệt độ bao nhiêu?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam

    (1) Trong nhiều thập kỷ qua, nano bạc luôn thu hút sự  chú ý của các nhà khoa học trên thế giới, xuất phát từ  những tính chất độc đáo cũng như phạm vi ứng dụng rộng  lớn của vật liệu này. Cụ thể, nano bạc đã được nghiên  cứu sử dụng làm chất xúc tác, đầu dò sinh học hay chất hiện hình. Đặc biệt, nhờ vào hoạt tính kháng  khuẩn hiệu quả, nano bạc được xem là giải pháp tiềm  năng cho nhiều vấn đề về nhiễm khuẩn sinh học, bao  gồm cả vi khuẩn kháng kháng sinh. Vì vậy, rất nhiều  phương pháp tổng hợp từ vật lý đến hóa học đã được đề  xuất để điều chế nano bạc. Một trong những phương pháp  truyền thống phổ biến được nhiều nghiên cứu đề cập là sử  dụng các tác nhân khử hóa học như hydrazine, sodium  borohydride, acid ascorbic... nhằm chuyển hóa ion  bạc thành bạc kim loại. Mặc dù thường tỏ ra hiệu quả,  nhưng phương pháp này vẫn có những hạn chế lớn, bao  gồm độc tính từ các tác chất sử dụng cũng như khó khăn  trong việc loại bỏ các tác chất trên.

     (2) Để tránh hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các chất  độc hại, gần đây giới khoa học đã bắt đầu áp dụng định  hướng của hóa học xanh trong việc điều chế nano bạc,  với hai tiêu chí luôn phải đảm bảo (vừa kinh tế, vừa thân  thiện với môi trường). Trong số các phương pháp hóa  học xanh, phương pháp điều chế nano bạc từ phản ứng  giữa tiền chất bạc với các vi chất hữu cơ hoặc chiết xuất  từ thực vật đang ngày càng cho thấy nhiều tiềm năng và  ưu thế do đây là những tác chất có giá thành thấp, hoạt  tính hóa học cao, quy trình sử dụng đơn giản và thân thiện  với môi trường. Nhờ sở hữu các thành phần có khả năng  khử sinh học như peptide, acid sorbic, acid citric, euphol,  polyhydroxy limonoid, acid ascorbic, acid retinoic, tannins  và acid ellagic, các nhà khoa học tin rằng có thể sử dụng  tảo, nấm và nhiều loại thực vật để điều  chế nano kim loại,  trong đó có nano bạc mà không cần bổ sung tác nhân khử. Ngoài ra, thành phần của thực vật thường hay chứa  các hoạt chất giúp làm bền hóa nano bạc mới được sinh ra  như protein, amino acid, enzyme, polysaccharide, tannin,  saponin... Trong nghiên cứu của mình, Kumar và các  cộng sự đã tổng hợp thành công các hạt nano bạc  hình cầu với đường kính 50-100 nm thông qua chiết xuất  từ cây mắt nhung (Alternanthera dentat) chỉ trong vòng 10  phút phản ứng. Những hạt nano bạc này thể hiện hoạt tính  kháng khuẩn đáng kể đối với Pseudomonas aeruginosa,  Escherichia coli, Klebsiella pneumonia và Enterococcus  faecal. Gần đây, thủy xương bồ (Acorus calamus,  hình 1), một loài thực vật sinh trưởng ở đầm lầy hoặc  những vùng nước lặng (Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ,  Nhật Bản...) cũng được Nakkala và cộng sự dùng để tổng  hợp nano bạc. Kết quả khảo sát cho thấy, nano bạc  trong nghiên cứu này vừa có hoạt tính chống oxy hóa, vừa  có khả năng kháng khuẩn, thậm chí có thể chống ung  thư. Từ những nghiên cứu trên, có thể thấy, việc tổng hợp  nano bạc với các nguyên liệu thiên nhiên ứng với từng địa  phương đang trở thành một xu thế mới, hấp dẫn, nhận  được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học.

     (3) Các tác nhân khử trong chiết xuất nha đam Nha đam hay lô hội là tên gọi của  một loài cây mọng nước có nguồn gốc từ Bắc Phi vốn  có rất nhiều ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm và  mỹ phẩm nhờ sở hữu nhiều hoạt chất sinh học có khả  năng chống viêm, chống rạn da, chống tia tử ngoại cũng  như thúc đẩy khả năng hồi phục vết thương. Các nhà  khoa học cũng đã tìm ra nhiều thành phần như lignin,  hemicellulose, pectin có thể được sử dụng để khử ion  bạc. Gần đây, Zhang và cộng sự đã chỉ định cụ thể  hydroquinone trong chiết xuất nha đam có vai trò như một  tác nhân khử điển hình. Ngoài ra, những enzyme và  protein lớn tồn tại trong chiết xuất từ lá cây nha đam được  tin rằng có thể liên kết với các ion bạc, từ đó đóng vai trò  như những tác nhân tạo phức. Hơn nữa, các liên kết yếu  giữa các protein trong dung dịch còn giúp phát triển các  hạt nano bạc hình cầu, giúp hình thành các hạt nano bạc  đẳng hướng.  

     Điều chế nano bạc từ chiết xuất nha đam

     (4) Xuất phát từ những quan điểm trên, nhóm nghiên cứu  của Tiến sĩ Apiwat Chompoosor (Khoa Hóa học, Đại học  Ramkhamhaeng, Thái Lan) đã sử dụng chiết xuất từ lá  cây nha đam để tổng hợp các hạt nano bạc với kích thước  từ 70-192 nm bằng phương pháp thủy nhiệt. Đây là  phương pháp tổng hợp đơn giản cho phép đạt đồng thời  nhiệt độ cao và áp suất cao, vốn là những điều kiện cần  thiết cho phản ứng khử ion bạc thành bạc kim loại. Sản  phẩm sinh ra được nhóm nghiên cứu lần lượt tiến hành  đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với hai loại vi khuẩn  S. epidermidis và P. aeruginosa.

     (5) Quá trình tổng hợp nano bạc trong nghiên cứu của  Tiến sĩ Chompoosor được thực hiện thông qua hai giai  đoạn. Đầu tiên, dung dịch chiết xuất nha đam được điều  chế từ 50 g lá nha đam đã được rửa và cắt mịn thành  những mẩu nhỏ. Các lá nha đam đã cắt này sẽ được đun  sôi trong nước cất 20 phút và được để nguội tự nhiên đến  nhiệt độ phòng. Sau đó, phần dung dịch được lọc và lưu  trữ trong tủ lạnh ở 4 o C để có được dung dịch chiết xuất.

     (6) Ở giai đoạn thứ hai, 0,3 mol AgNO 3  được hòa tan trong  20 ml nước cất rồi hòa với 20 ml dung dịch chiết xuất nha  đam đã được điều chế ở trên, khuấy đều ở nhiệt độ phòng  trong 30 phút. Hỗn hợp dung dịch này sau đó được rót vào  bình thủy nhiệt Teflon với dung tích 100 ml. Hệ Teflon sẽ  được gia nhiệt và duy trì ở nhiều nhiệt độ khác nhau, từ  100-200 o C trong vòng 6 giờ, rồi làm nguội từ từ đến nhiệt  độ phòng. Cuối cùng, dung dịch sau phản ứng được lọc  để thu được kết tủa dạng bột xám, kết tủa này sẽ được rửa  bằng nước cất và sấy khô ở 60 o C trong vòng 6 giờ để thu  được sản phẩm nano bạc. Cường   độ tương   đối 2 θ ( o )

     (7) Hầu hết tất cả peak tín hiệu có cường độ cao  đều thuộc về cấu trúc lập phương tâm diện của tinh thể  bạc, phù hợp với phổ tham chiếu JCPDS số 01-071-4613.  Tuy nhiên, chỉ có mẫu được điều chế ở nhiệt độ thủy nhiệt  200 o C mới có thành phần bạc tinh khiết. Ở các nhiệt độ  thấp hơn, phản ứng hóa học chuyển hóa bạc diễn ra với  tốc độ chậm hơn, vì vậy thời gian cần nhiều hơn 6 giờ để  xảy ra hoàn toàn, dẫn đến việc hình thành pha Ag 2 O với  hàm lượng thấp. Ở 100 o C, các hạt nano hình cầu chủ yếu  tồn tại với đường kính khoảng 70,7 nm. Kích thước này  lần lượt tăng lên 79,4 nm ở 150 o C và đạt gần 161,6 nm tại  o C. Như vậy, nhiệt độ thủy nhiệt không chỉ ảnh hưởng  trực tiếp đến thành phần pha mà còn ảnh hưởng đáng kể  đến hình thái của các hạt nano bạc.

     (8) Mặc dù khả năng kháng khuẩn của nano bạc đã được  thừa nhận rộng rãi, hoạt tính sinh học của nano bạc sản  xuất từ chiết xuất nha đam vẫn cần được kiểm chứng cụ thể.  Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã tiến hành khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano  bạc thông qua thí nghiệm ức chế sự phát triển của hai  loại vi khuẩn S. epidermidis và P. aeruginosa, vốn là hai  chủng vi khuẩn điển hình cho các chứng nhiễm khuẩn  kháng kháng sinh. Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua  đường kính vòng kháng khuẩn được tạo ra trên đĩa petri có  chứa thạch dưỡng chất đồng thời với nano bạc và vi khuẩn  sau khi được ủ ở 37 o C trong vòng 24 giờ.  

     (9) Cả ba mẫu nano bạc đều cho thấy khả năng kháng  hai loại vi khuẩn hiệu quả. Trong đó, mẫu thủy nhiệt ở  100 o C có đường kính vòng kháng khuẩn đạt 3,65 cm, gần  gấp đôi so với đường kính của hai mẫu điều chế ở 150 và  200 o C. Như vậy, dù mẫu điều chế ở 100 o C không có thành  phần bạc tinh khiết nhưng nhờ nhiệt độ thấp, quá trình  thiêu kết diễn ra hạn chế đã giúp tạo ra các hạt nano bạc  kích thước nhỏ, sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, từ đó có  hoạt tính kháng khuẩn cao. Khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng, kích thước hạt tăng khiến diện tích bề mặt riêng giảm, hoạt tính kháng khuẩn cũng giảm.  

     (10) Như vậy, bằng con đường hóa học xanh sử dụng chiết  xuất nha đam (loại thực vật có giá thành thấp, phong phú  trong tự nhiên), nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã điều chế thành công nano bạc với khả năng kháng  khuẩn hiệu quả, ngay cả đối với những loại khuẩn kháng  kháng sinh. Kết quả này cho thấy tiềm năng rất lớn của  việc ứng dụng các sản phẩm thiên nhiên trong tổng hợp  vật liệu, một hướng nghiên cứu chắc chắn sẽ được phát  triển mạnh trong tương lai.

   (Nguồn: “Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam”, Lê Tiến Khoa, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 11, năm 2017)

Thành phần bạc tinh khiết xuất hiện khi điều chế dưới nhiệt độ bao nhiêu?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam

    (1) Trong nhiều thập kỷ qua, nano bạc luôn thu hút sự  chú ý của các nhà khoa học trên thế giới, xuất phát từ  những tính chất độc đáo cũng như phạm vi ứng dụng rộng  lớn của vật liệu này. Cụ thể, nano bạc đã được nghiên  cứu sử dụng làm chất xúc tác, đầu dò sinh học hay chất hiện hình. Đặc biệt, nhờ vào hoạt tính kháng  khuẩn hiệu quả, nano bạc được xem là giải pháp tiềm  năng cho nhiều vấn đề về nhiễm khuẩn sinh học, bao  gồm cả vi khuẩn kháng kháng sinh. Vì vậy, rất nhiều  phương pháp tổng hợp từ vật lý đến hóa học đã được đề  xuất để điều chế nano bạc. Một trong những phương pháp  truyền thống phổ biến được nhiều nghiên cứu đề cập là sử  dụng các tác nhân khử hóa học như hydrazine, sodium  borohydride, acid ascorbic... nhằm chuyển hóa ion  bạc thành bạc kim loại. Mặc dù thường tỏ ra hiệu quả,  nhưng phương pháp này vẫn có những hạn chế lớn, bao  gồm độc tính từ các tác chất sử dụng cũng như khó khăn  trong việc loại bỏ các tác chất trên.

     (2) Để tránh hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các chất  độc hại, gần đây giới khoa học đã bắt đầu áp dụng định  hướng của hóa học xanh trong việc điều chế nano bạc,  với hai tiêu chí luôn phải đảm bảo (vừa kinh tế, vừa thân  thiện với môi trường). Trong số các phương pháp hóa  học xanh, phương pháp điều chế nano bạc từ phản ứng  giữa tiền chất bạc với các vi chất hữu cơ hoặc chiết xuất  từ thực vật đang ngày càng cho thấy nhiều tiềm năng và  ưu thế do đây là những tác chất có giá thành thấp, hoạt  tính hóa học cao, quy trình sử dụng đơn giản và thân thiện  với môi trường. Nhờ sở hữu các thành phần có khả năng  khử sinh học như peptide, acid sorbic, acid citric, euphol,  polyhydroxy limonoid, acid ascorbic, acid retinoic, tannins  và acid ellagic, các nhà khoa học tin rằng có thể sử dụng  tảo, nấm và nhiều loại thực vật để điều  chế nano kim loại,  trong đó có nano bạc mà không cần bổ sung tác nhân khử. Ngoài ra, thành phần của thực vật thường hay chứa  các hoạt chất giúp làm bền hóa nano bạc mới được sinh ra  như protein, amino acid, enzyme, polysaccharide, tannin,  saponin... Trong nghiên cứu của mình, Kumar và các  cộng sự đã tổng hợp thành công các hạt nano bạc  hình cầu với đường kính 50-100 nm thông qua chiết xuất  từ cây mắt nhung (Alternanthera dentat) chỉ trong vòng 10  phút phản ứng. Những hạt nano bạc này thể hiện hoạt tính  kháng khuẩn đáng kể đối với Pseudomonas aeruginosa,  Escherichia coli, Klebsiella pneumonia và Enterococcus  faecal. Gần đây, thủy xương bồ (Acorus calamus,  hình 1), một loài thực vật sinh trưởng ở đầm lầy hoặc  những vùng nước lặng (Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ,  Nhật Bản...) cũng được Nakkala và cộng sự dùng để tổng  hợp nano bạc. Kết quả khảo sát cho thấy, nano bạc  trong nghiên cứu này vừa có hoạt tính chống oxy hóa, vừa  có khả năng kháng khuẩn, thậm chí có thể chống ung  thư. Từ những nghiên cứu trên, có thể thấy, việc tổng hợp  nano bạc với các nguyên liệu thiên nhiên ứng với từng địa  phương đang trở thành một xu thế mới, hấp dẫn, nhận  được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học.

     (3) Các tác nhân khử trong chiết xuất nha đam Nha đam hay lô hội là tên gọi của  một loài cây mọng nước có nguồn gốc từ Bắc Phi vốn  có rất nhiều ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm và  mỹ phẩm nhờ sở hữu nhiều hoạt chất sinh học có khả  năng chống viêm, chống rạn da, chống tia tử ngoại cũng  như thúc đẩy khả năng hồi phục vết thương. Các nhà  khoa học cũng đã tìm ra nhiều thành phần như lignin,  hemicellulose, pectin có thể được sử dụng để khử ion  bạc. Gần đây, Zhang và cộng sự đã chỉ định cụ thể  hydroquinone trong chiết xuất nha đam có vai trò như một  tác nhân khử điển hình. Ngoài ra, những enzyme và  protein lớn tồn tại trong chiết xuất từ lá cây nha đam được  tin rằng có thể liên kết với các ion bạc, từ đó đóng vai trò  như những tác nhân tạo phức. Hơn nữa, các liên kết yếu  giữa các protein trong dung dịch còn giúp phát triển các  hạt nano bạc hình cầu, giúp hình thành các hạt nano bạc  đẳng hướng.  

     Điều chế nano bạc từ chiết xuất nha đam

     (4) Xuất phát từ những quan điểm trên, nhóm nghiên cứu  của Tiến sĩ Apiwat Chompoosor (Khoa Hóa học, Đại học  Ramkhamhaeng, Thái Lan) đã sử dụng chiết xuất từ lá  cây nha đam để tổng hợp các hạt nano bạc với kích thước  từ 70-192 nm bằng phương pháp thủy nhiệt. Đây là  phương pháp tổng hợp đơn giản cho phép đạt đồng thời  nhiệt độ cao và áp suất cao, vốn là những điều kiện cần  thiết cho phản ứng khử ion bạc thành bạc kim loại. Sản  phẩm sinh ra được nhóm nghiên cứu lần lượt tiến hành  đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với hai loại vi khuẩn  S. epidermidis và P. aeruginosa.

     (5) Quá trình tổng hợp nano bạc trong nghiên cứu của  Tiến sĩ Chompoosor được thực hiện thông qua hai giai  đoạn. Đầu tiên, dung dịch chiết xuất nha đam được điều  chế từ 50 g lá nha đam đã được rửa và cắt mịn thành  những mẩu nhỏ. Các lá nha đam đã cắt này sẽ được đun  sôi trong nước cất 20 phút và được để nguội tự nhiên đến  nhiệt độ phòng. Sau đó, phần dung dịch được lọc và lưu  trữ trong tủ lạnh ở 4 o C để có được dung dịch chiết xuất.

     (6) Ở giai đoạn thứ hai, 0,3 mol AgNO 3  được hòa tan trong  20 ml nước cất rồi hòa với 20 ml dung dịch chiết xuất nha  đam đã được điều chế ở trên, khuấy đều ở nhiệt độ phòng  trong 30 phút. Hỗn hợp dung dịch này sau đó được rót vào  bình thủy nhiệt Teflon với dung tích 100 ml. Hệ Teflon sẽ  được gia nhiệt và duy trì ở nhiều nhiệt độ khác nhau, từ  100-200 o C trong vòng 6 giờ, rồi làm nguội từ từ đến nhiệt  độ phòng. Cuối cùng, dung dịch sau phản ứng được lọc  để thu được kết tủa dạng bột xám, kết tủa này sẽ được rửa  bằng nước cất và sấy khô ở 60 o C trong vòng 6 giờ để thu  được sản phẩm nano bạc. Cường   độ tương   đối 2 θ ( o )

     (7) Hầu hết tất cả peak tín hiệu có cường độ cao  đều thuộc về cấu trúc lập phương tâm diện của tinh thể  bạc, phù hợp với phổ tham chiếu JCPDS số 01-071-4613.  Tuy nhiên, chỉ có mẫu được điều chế ở nhiệt độ thủy nhiệt  200 o C mới có thành phần bạc tinh khiết. Ở các nhiệt độ  thấp hơn, phản ứng hóa học chuyển hóa bạc diễn ra với  tốc độ chậm hơn, vì vậy thời gian cần nhiều hơn 6 giờ để  xảy ra hoàn toàn, dẫn đến việc hình thành pha Ag 2 O với  hàm lượng thấp. Ở 100 o C, các hạt nano hình cầu chủ yếu  tồn tại với đường kính khoảng 70,7 nm. Kích thước này  lần lượt tăng lên 79,4 nm ở 150 o C và đạt gần 161,6 nm tại  o C. Như vậy, nhiệt độ thủy nhiệt không chỉ ảnh hưởng  trực tiếp đến thành phần pha mà còn ảnh hưởng đáng kể  đến hình thái của các hạt nano bạc.

     (8) Mặc dù khả năng kháng khuẩn của nano bạc đã được  thừa nhận rộng rãi, hoạt tính sinh học của nano bạc sản  xuất từ chiết xuất nha đam vẫn cần được kiểm chứng cụ thể.  Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã tiến hành khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano  bạc thông qua thí nghiệm ức chế sự phát triển của hai  loại vi khuẩn S. epidermidis và P. aeruginosa, vốn là hai  chủng vi khuẩn điển hình cho các chứng nhiễm khuẩn  kháng kháng sinh. Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua  đường kính vòng kháng khuẩn được tạo ra trên đĩa petri có  chứa thạch dưỡng chất đồng thời với nano bạc và vi khuẩn  sau khi được ủ ở 37 o C trong vòng 24 giờ.  

     (9) Cả ba mẫu nano bạc đều cho thấy khả năng kháng  hai loại vi khuẩn hiệu quả. Trong đó, mẫu thủy nhiệt ở  100 o C có đường kính vòng kháng khuẩn đạt 3,65 cm, gần  gấp đôi so với đường kính của hai mẫu điều chế ở 150 và  200 o C. Như vậy, dù mẫu điều chế ở 100 o C không có thành  phần bạc tinh khiết nhưng nhờ nhiệt độ thấp, quá trình  thiêu kết diễn ra hạn chế đã giúp tạo ra các hạt nano bạc  kích thước nhỏ, sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, từ đó có  hoạt tính kháng khuẩn cao. Khi nhiệt độ thủy nhiệt tăng, kích thước hạt tăng khiến diện tích bề mặt riêng giảm, hoạt tính kháng khuẩn cũng giảm.  

     (10) Như vậy, bằng con đường hóa học xanh sử dụng chiết  xuất nha đam (loại thực vật có giá thành thấp, phong phú  trong tự nhiên), nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Chompoosor  đã điều chế thành công nano bạc với khả năng kháng  khuẩn hiệu quả, ngay cả đối với những loại khuẩn kháng  kháng sinh. Kết quả này cho thấy tiềm năng rất lớn của  việc ứng dụng các sản phẩm thiên nhiên trong tổng hợp  vật liệu, một hướng nghiên cứu chắc chắn sẽ được phát  triển mạnh trong tương lai.

   (Nguồn: “Tổng hợp nano bạc từ chiết xuất nha đam”, Lê Tiến Khoa, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 11, năm 2017)

Mẫu nano bạc ở bao nhiêu độ thì có hoạt tính kháng khuẩn cao nhất?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu

     (1) Cứng hóa bùn là việc trộn vật  liệu kết dính hoạt tính vào trong  bùn  thải,  bùn  nạo  vét.  Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là  “cứng  hóa”  và  “ổn  định”.  “Ổn định” được hiểu là để xử lý  ô nhiễm, bằng việc cố định các  chất gây hại trong hỗn hợp bùn  cứng hóa cũng như biến đổi các  chất gây hại này sang các chất ít  gây hại hơn, có độ hòa tan thấp  hơn.  “Cứng  hóa” là  sự  cải  thiện  tính chất vật lý của bùn, các tính  chất vật lý này bao gồm cường độ  nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo,  độ sệt cũng như tăng khả năng  chống  thấm.  Mục  đích  của  việc  trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào  bùn nhằm làm cải thiện cường độ,  tính thấm và sức bền bằng cách  giảm hệ số rỗng và gắn các hạt  đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu  kết dính với bùn có 3 phản ứng  chính xảy ra, gồm  khử nước, trao  đổi ion, phản ứng keo  hóa. Cường  độ của bùn sau khi được trộn sẽ  tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc  vào phản ứng keo hóa.

     (2) Các  vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng bao gồm xi măng  Portland, bụi lò xi măng, vôi bột,  đá vôi, tro bay, tro xỉ, thạch cao,  hỗn hợp phốt pho và nhiều sản  phẩm  thương  mại  độc  quyền  khác.  Do  sự  khác  nhau  về  tính  chất cơ lý (hàm lượng nước, giới  hạn chảy, giới hạn dẻo) cũng như  thành phần hóa học của các loại  bùn, nên cấp phối trộn cho việc  cứng  hóa  cần  được  thiết  kế  để  phù  hợp  với  tính  chất  từng  loại  nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật  cũng như giá thành. Các vật liệu  kết dính được chia làm hai loại là  vô cơ và hữu cơ. Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính vô cơ  thường được lựa chọn hơn do giá  thành rẻ hơn nhiều so với chất kết  dính  hữu  cơ  như  nhựa  át  phan,  ure  formandehyde  và  các  chất  polyme khác.

     (3) Cơ chế làm cứng và cải tạo bùn  là keo tụ thông qua các phản ứng  trao đổi cation và tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan  trong  môi  trường  đất bùn:  

nCaO + SiO 2  + yH 2 O  →  C-S-H    (1)

     (4) Xi măng Portland là thành phần  chính trong bê tông được sử dụng  trong xây dựng, vì vậy xi măng là  một lựa chọn rất tốt cho quá trình  đông cứng và ổn định đối với các  loại bùn khác nhau. Cấp phối có  thành phần xi măng là phổ biến  hơn so với các chất kết dính khác.  Xi măng thường được sử dụng vì:  (1) trong quá trình hydrat hóa xi  măng làm giảm nước tự do trong  bùn, (2) giảm độ thấm do thay đổi  liên kết trong bùn, (3) bao phủ các  hạt bùn bằng lớp chống thấm, (4)  cố định hóa học các chất gây hại  trong bùn bằng giảm độ hòa tan  của chúng và (5) tạo thuận lợi cho  việc giảm độc tính của một số chất  ô nhiễm. Hỗn hợp vật liệu trộn xi  măng có thể xử lý được các chất  gây hại vô cơ cũng như hữu cơ.  Các hỗn hợp vật liệu thương mại  độc  quyền  thường  là  sản  phẩm  trộn của các chất kết dính vô cơ  hoặc hữu cơ với xi măng. Tro bay  hoặc tro xỉ thường được kết hợp  sử dụng với xi măng để kích hoạt  phản  ứng  pozzolan  của  chúng.  Bụi  lò  xi  măng  thường  được  sử  dụng vì lý do kinh tế. Vôi bột có  thể sử dụng để điều chỉnh pH hay  giảm  nước  nhờ  nhiệt  lượng  cao  tỏa  ra  trong  quá  trình  thủy  hóa.  Đá vôi dùng để điều chỉnh pH và  tăng trọng lượng hỗn hợp.

     Các công nghệ cứng hóa bùn

     (5) Các  công  nghệ  hiện  nay  thường  được  áp  dụng  để  cứng  hóa  bùn  nhằm  cải  thiện  sự  gắn  kết  của  các  hạt  đất  gồm:  công  nghệ thoát lượng nước trong bùn  và công nghệ trộn các vật liệu kết  dính vào bùn.

     Thoát  nước  trong  bùn  tự  nhiên để cải tạo bùn

     (6) Giải pháp thoát nước tự nhiên:  bùn được đào lên và vận chuyển  đến  vị  trí  cần  sử  dụng,  sau  đó  được  phơi  khô  và  thoát  nước  tự  nhiên.  Kết  quả  một  số  nghiên  cứu  với  giải  pháp  này  cho  thấy,  sau khoảng 11 tháng, hàm lượng  nước ban đầu của bùn là khoảng  115-130% giảm còn 65-75%.

     (7) Sử dụng các vật liệu thoát nước  kết hợp hút chân không:  phương  pháp  này  ứng  dụng  cơ  chế  hút  nước trong nền để làm tăng các  chỉ tiêu cơ lý của nền, bằng cách  cắm  các  bấc  thấm  thẳng  đứng  rồi nối với máy bơm chân không.  Kết cấu thoát nước đứng thường  đi cùng với việc gia tải nhằm thúc  đẩy quá trình thoát nước của các  loại đất yếu nhằm đẩy nhanh quá  trình cố kết. Kết cấu thoát nước  tạo ra một “con đường” để nước  thoát ra từ trong đất. Thời gian để  thoát  nước  cho  đất  có  thể  giảm  từ một vài năm xuống chỉ còn vài  tháng. Việc hút chân không giúp  cải thiện các tính chất cơ lý của  bùn hoặc đất yếu.  

    Trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên  

     (8) Trộn vật liệu kết dính bằng hệ  thống  bơm  khí  nén:  công  nghệ  này  đã  được  các  nhà  khoa  học  nghiên cứu năm 1998 bằng cách  trộn các vật liệu kết dính với bùn  trên đường ống bơm vận chuyển  bằng  hệ  thống  máy  nén  khí.  Phương pháp này không yêu cầu  lượng nước hỗ trợ bơm vào bùn  chảy trong đường ống, loại bỏ sự  cần thiết phải lắp đặt hệ thống xử  lý thoát nước trong khu vực san  lấp.  Tuy  nhiên,  công  nghệ  này  có chi phí cao và đòi hỏi một thời  gian dài để hỗn hợp bùn xi măng  đạt được các tính chất cơ học cần  thiết cho các công trình xây dựng  tiếp theo.

     (9) Trộn  vật  liệu  kết  dính  bằng  các  trạm  trộn:  vật  liệu  kết  dính  với các hàm lượng đã được tính  toán nghiên cứu trước được đưa  vào  bùn  tự  nhiên  qua  các  trạm  trộn cưỡng bức. Phương pháp này  đã được áp dụng tại nhiều công  trình trên thế giới bởi nhiều nhà  thầu thi công. Có thể dùng những  trạm trộn di động bằng cách lắp  các buồng trộn cỡ nhỏ trên các xe  tải hoặc với những công trình khối  lượng lớn có thể sử dụng các trạm  trộn cố định để trộn vật liệu kết  dính vào bùn tự nhiên.

     (10) Giải pháp trộn tại chỗ bùn cần  gia cố:  đây là giải pháp đáp ứng  được nhiều yêu cầu của thực tế  khi  cần  tăng  khả  năng  chịu  tải  của  những  vùng  đất  yếu,  vùng  cần san lấp. Việc xác định tỷ lệ  các thành phần chất kết dính đưa  Mô hình thi công gia cố đất bùn bằng thoát nước và hút chân không tại Nhật Bản. vào xử lý được xác định từ các thí  nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm  qua các thiết bị trộn nông nhằm  cải thiện được tính chất cơ lý của  khu vực cần gia cố, san lấp. Với  các loại hình thiết bị khác nhau,  vật liệu kết dính sẽ được trộn đều  trong  khối  đất  cần  gia  cố  bằng  công nghệ khô/ướt, quay/phun áp  lực, khoan/cắt...

Ứng dụng tiềm năng tại Việt Nam

     (11) Với bờ biển dài hơn 3.200 km  cùng 49 cảng biển lớn nhỏ, kèm  theo  hệ  thống  sông,  cửa  biển  phục vụ cho tàu bè vận chuyển  hàng hóa, đặc biệt tại Đồng bằng  sông Cửu Long giao thông trên hệ  thống sông ngòi đóng vai trò quan  trọng trong phát triển kinh tế. Do  đó yêu cầu khai thông luồng lạch  cửa sông, cửa biển và cảng biển  hàng năm là rất lớn. Lượng bùn  nạo vét cần được xử lý để tránh  ô  nhiễm  môi  trường  là  một  thử  thách được đặt ra trong quá trình  khai thác các cửa sông, cửa biển  và hải cảng. Ngoài ra, trên cơ sở  kết quả của Hội nghị về phát triển  bền  vững  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu  ngày  26-27/9/2017,  Chính  phủ đã ban hành Nghị quyết số  120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về  “Phát triển bền vững Đồng bằng  sông Cửu Long thích ứng với biến  đổi khí hậu”, trong đó có nội dung  “nghiên  cứu  tạo  nguồn  vật  liệu  mới  thay  thế,  phục  vụ  san  lấp,  xây dựng (hạn chế việc lấy cát từ  lòng sông để tôn nền). Quy hoạch  và đầu tư các khu xử lý chất thải,  nước thải tập trung, hiện đại; đẩy  mạnh tái chế, tái sử dụng và sản  xuất năng lượng từ rác”. Do vậy,  tiềm  năng  áp  dụng  giải  pháp  cứng hóa bùn tại Việt Nam là rất  lớn, bởi đồng thời giải quyết được  nhiều  vấn  đề  đặt  ra:  bảo  trì  hệ  thống giao thông đường thủy, tạo  ra vật liệu mới để san nền, góp  phần  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu và xử lý môi trường.

     (12) Theo  hướng  này,  Viện  Thủy  công đã có một nghiên cứu thực  nghiệm về việc hóa rắn bùn nạo  vét ở tỉnh Cà Mau với mục đích:  tạo vật liệu đất hỗn hợp đáp ứng  các  yêu  cầu  (góc  ma  sát  trong  φ >10 0 ; độ kết dính C>0,1 kg/cm 2 ,  có  thể  thay  thế  được  cho  móng  cát  xây  dưới  nền  đê  theo  thiết  kế hiện hành; tạo vật liệu có thể  được bơm đi từ 500 đến 1.000 m;  giá  thành  sản  phẩm  chấp  nhận  được đối với bùn đã qua xử lý.   

     (13) Nhóm nghiên cứu đã thực hiện  thí nghiệm tại Hà Nội với mẫu bùn  lấy từ tỉnh Cà Mau, tro bay ở Trà  Vinh, vôi lấy tại Thái Bình và các  phụ gia hóa học. Sau thử nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm,  nhóm  nghiên cứu đã áp dụng tại công  trường xây dựng trong Khu công  nghiệp Khánh An, tỉnh Cà Mau.  Kết  quả  ứng  dụng  ban  đầu  tại  hiện trường cho thấy, có thể tạo  ra một loại vật liệu sử dụng bùn  nạo vét thay thế phục vụ cho việc  san lấp, xây dựng (hạn chế việc  lấy cát từ lòng sông để tôn nền);  giảm thiểu được xói lở bờ sông,  bờ biển hiện nay ở khu vực Đồng  bằng sông Cửu Long do khai thác  cát quá giới hạn; giải quyết được  chỗ đổ thải bùn nạo vét trên địa  bàn  các  tỉnh  Đồng  bằng  sông  Cửu Long hàng năm (hiện tại các  dự án nạo vét đang phải đền bù  đất cho người dân để lấy chỗ xả  bùn thải).

     (14) Những  kết  quả  ban  đầu  cho  thấy, phương pháp cứng hóa bùn  có thể giải quyết vấn đề nền đất  yếu,  bùn  nạo  vét  ở  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  hàng  năm;  các  sản phẩm hình thành này có thể  là  sẽ  là  một  nguồn  nguyên  liệu  tiềm năng trong khu vực để san  lấp và xây dựng các cơ sở hạ tầng  phục vụ phát triển kinh tế - xã hội  nói  chung,  xây  dựng  nông  thôn  mới nói riêng  

(Nguồn: “Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu”, TS Ngô Anh Quân, GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Nội dung chính của văn bản trên là?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu

     (1) Cứng hóa bùn là việc trộn vật  liệu kết dính hoạt tính vào trong  bùn  thải,  bùn  nạo  vét.  Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là  “cứng  hóa”  và  “ổn  định”.  “Ổn định” được hiểu là để xử lý  ô nhiễm, bằng việc cố định các  chất gây hại trong hỗn hợp bùn  cứng hóa cũng như biến đổi các  chất gây hại này sang các chất ít  gây hại hơn, có độ hòa tan thấp  hơn.  “Cứng  hóa” là  sự  cải  thiện  tính chất vật lý của bùn, các tính  chất vật lý này bao gồm cường độ  nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo,  độ sệt cũng như tăng khả năng  chống  thấm.  Mục  đích  của  việc  trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào  bùn nhằm làm cải thiện cường độ,  tính thấm và sức bền bằng cách  giảm hệ số rỗng và gắn các hạt  đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu  kết dính với bùn có 3 phản ứng  chính xảy ra, gồm  khử nước, trao  đổi ion, phản ứng keo  hóa. Cường  độ của bùn sau khi được trộn sẽ  tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc  vào phản ứng keo hóa.

     (2) Các  vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng bao gồm xi măng  Portland, bụi lò xi măng, vôi bột,  đá vôi, tro bay, tro xỉ, thạch cao,  hỗn hợp phốt pho và nhiều sản  phẩm  thương  mại  độc  quyền  khác.  Do  sự  khác  nhau  về  tính  chất cơ lý (hàm lượng nước, giới  hạn chảy, giới hạn dẻo) cũng như  thành phần hóa học của các loại  bùn, nên cấp phối trộn cho việc  cứng  hóa  cần  được  thiết  kế  để  phù  hợp  với  tính  chất  từng  loại  nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật  cũng như giá thành. Các vật liệu  kết dính được chia làm hai loại là  vô cơ và hữu cơ. Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính vô cơ  thường được lựa chọn hơn do giá  thành rẻ hơn nhiều so với chất kết  dính  hữu  cơ  như  nhựa  át  phan,  ure  formandehyde  và  các  chất  polyme khác.

     (3) Cơ chế làm cứng và cải tạo bùn  là keo tụ thông qua các phản ứng  trao đổi cation và tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan  trong  môi  trường  đất bùn:  

nCaO + SiO 2  + yH 2 O  →  C-S-H    (1)

     (4) Xi măng Portland là thành phần  chính trong bê tông được sử dụng  trong xây dựng, vì vậy xi măng là  một lựa chọn rất tốt cho quá trình  đông cứng và ổn định đối với các  loại bùn khác nhau. Cấp phối có  thành phần xi măng là phổ biến  hơn so với các chất kết dính khác.  Xi măng thường được sử dụng vì:  (1) trong quá trình hydrat hóa xi  măng làm giảm nước tự do trong  bùn, (2) giảm độ thấm do thay đổi  liên kết trong bùn, (3) bao phủ các  hạt bùn bằng lớp chống thấm, (4)  cố định hóa học các chất gây hại  trong bùn bằng giảm độ hòa tan  của chúng và (5) tạo thuận lợi cho  việc giảm độc tính của một số chất  ô nhiễm. Hỗn hợp vật liệu trộn xi  măng có thể xử lý được các chất  gây hại vô cơ cũng như hữu cơ.  Các hỗn hợp vật liệu thương mại  độc  quyền  thường  là  sản  phẩm  trộn của các chất kết dính vô cơ  hoặc hữu cơ với xi măng. Tro bay  hoặc tro xỉ thường được kết hợp  sử dụng với xi măng để kích hoạt  phản  ứng  pozzolan  của  chúng.  Bụi  lò  xi  măng  thường  được  sử  dụng vì lý do kinh tế. Vôi bột có  thể sử dụng để điều chỉnh pH hay  giảm  nước  nhờ  nhiệt  lượng  cao  tỏa  ra  trong  quá  trình  thủy  hóa.  Đá vôi dùng để điều chỉnh pH và  tăng trọng lượng hỗn hợp.

     Các công nghệ cứng hóa bùn

     (5) Các  công  nghệ  hiện  nay  thường  được  áp  dụng  để  cứng  hóa  bùn  nhằm  cải  thiện  sự  gắn  kết  của  các  hạt  đất  gồm:  công  nghệ thoát lượng nước trong bùn  và công nghệ trộn các vật liệu kết  dính vào bùn.

     Thoát  nước  trong  bùn  tự  nhiên để cải tạo bùn

     (6) Giải pháp thoát nước tự nhiên:  bùn được đào lên và vận chuyển  đến  vị  trí  cần  sử  dụng,  sau  đó  được  phơi  khô  và  thoát  nước  tự  nhiên.  Kết  quả  một  số  nghiên  cứu  với  giải  pháp  này  cho  thấy,  sau khoảng 11 tháng, hàm lượng  nước ban đầu của bùn là khoảng  115-130% giảm còn 65-75%.

     (7) Sử dụng các vật liệu thoát nước  kết hợp hút chân không:  phương  pháp  này  ứng  dụng  cơ  chế  hút  nước trong nền để làm tăng các  chỉ tiêu cơ lý của nền, bằng cách  cắm  các  bấc  thấm  thẳng  đứng  rồi nối với máy bơm chân không.  Kết cấu thoát nước đứng thường  đi cùng với việc gia tải nhằm thúc  đẩy quá trình thoát nước của các  loại đất yếu nhằm đẩy nhanh quá  trình cố kết. Kết cấu thoát nước  tạo ra một “con đường” để nước  thoát ra từ trong đất. Thời gian để  thoát  nước  cho  đất  có  thể  giảm  từ một vài năm xuống chỉ còn vài  tháng. Việc hút chân không giúp  cải thiện các tính chất cơ lý của  bùn hoặc đất yếu.  

    Trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên  

     (8) Trộn vật liệu kết dính bằng hệ  thống  bơm  khí  nén:  công  nghệ  này  đã  được  các  nhà  khoa  học  nghiên cứu năm 1998 bằng cách  trộn các vật liệu kết dính với bùn  trên đường ống bơm vận chuyển  bằng  hệ  thống  máy  nén  khí.  Phương pháp này không yêu cầu  lượng nước hỗ trợ bơm vào bùn  chảy trong đường ống, loại bỏ sự  cần thiết phải lắp đặt hệ thống xử  lý thoát nước trong khu vực san  lấp.  Tuy  nhiên,  công  nghệ  này  có chi phí cao và đòi hỏi một thời  gian dài để hỗn hợp bùn xi măng  đạt được các tính chất cơ học cần  thiết cho các công trình xây dựng  tiếp theo.

     (9) Trộn  vật  liệu  kết  dính  bằng  các  trạm  trộn:  vật  liệu  kết  dính  với các hàm lượng đã được tính  toán nghiên cứu trước được đưa  vào  bùn  tự  nhiên  qua  các  trạm  trộn cưỡng bức. Phương pháp này  đã được áp dụng tại nhiều công  trình trên thế giới bởi nhiều nhà  thầu thi công. Có thể dùng những  trạm trộn di động bằng cách lắp  các buồng trộn cỡ nhỏ trên các xe  tải hoặc với những công trình khối  lượng lớn có thể sử dụng các trạm  trộn cố định để trộn vật liệu kết  dính vào bùn tự nhiên.

     (10) Giải pháp trộn tại chỗ bùn cần  gia cố:  đây là giải pháp đáp ứng  được nhiều yêu cầu của thực tế  khi  cần  tăng  khả  năng  chịu  tải  của  những  vùng  đất  yếu,  vùng  cần san lấp. Việc xác định tỷ lệ  các thành phần chất kết dính đưa  Mô hình thi công gia cố đất bùn bằng thoát nước và hút chân không tại Nhật Bản. vào xử lý được xác định từ các thí  nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm  qua các thiết bị trộn nông nhằm  cải thiện được tính chất cơ lý của  khu vực cần gia cố, san lấp. Với  các loại hình thiết bị khác nhau,  vật liệu kết dính sẽ được trộn đều  trong  khối  đất  cần  gia  cố  bằng  công nghệ khô/ướt, quay/phun áp  lực, khoan/cắt...

Ứng dụng tiềm năng tại Việt Nam

     (11) Với bờ biển dài hơn 3.200 km  cùng 49 cảng biển lớn nhỏ, kèm  theo  hệ  thống  sông,  cửa  biển  phục vụ cho tàu bè vận chuyển  hàng hóa, đặc biệt tại Đồng bằng  sông Cửu Long giao thông trên hệ  thống sông ngòi đóng vai trò quan  trọng trong phát triển kinh tế. Do  đó yêu cầu khai thông luồng lạch  cửa sông, cửa biển và cảng biển  hàng năm là rất lớn. Lượng bùn  nạo vét cần được xử lý để tránh  ô  nhiễm  môi  trường  là  một  thử  thách được đặt ra trong quá trình  khai thác các cửa sông, cửa biển  và hải cảng. Ngoài ra, trên cơ sở  kết quả của Hội nghị về phát triển  bền  vững  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu  ngày  26-27/9/2017,  Chính  phủ đã ban hành Nghị quyết số  120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về  “Phát triển bền vững Đồng bằng  sông Cửu Long thích ứng với biến  đổi khí hậu”, trong đó có nội dung  “nghiên  cứu  tạo  nguồn  vật  liệu  mới  thay  thế,  phục  vụ  san  lấp,  xây dựng (hạn chế việc lấy cát từ  lòng sông để tôn nền). Quy hoạch  và đầu tư các khu xử lý chất thải,  nước thải tập trung, hiện đại; đẩy  mạnh tái chế, tái sử dụng và sản  xuất năng lượng từ rác”. Do vậy,  tiềm  năng  áp  dụng  giải  pháp  cứng hóa bùn tại Việt Nam là rất  lớn, bởi đồng thời giải quyết được  nhiều  vấn  đề  đặt  ra:  bảo  trì  hệ  thống giao thông đường thủy, tạo  ra vật liệu mới để san nền, góp  phần  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu và xử lý môi trường.

     (12) Theo  hướng  này,  Viện  Thủy  công đã có một nghiên cứu thực  nghiệm về việc hóa rắn bùn nạo  vét ở tỉnh Cà Mau với mục đích:  tạo vật liệu đất hỗn hợp đáp ứng  các  yêu  cầu  (góc  ma  sát  trong  φ >10 0 ; độ kết dính C>0,1 kg/cm 2 ,  có  thể  thay  thế  được  cho  móng  cát  xây  dưới  nền  đê  theo  thiết  kế hiện hành; tạo vật liệu có thể  được bơm đi từ 500 đến 1.000 m;  giá  thành  sản  phẩm  chấp  nhận  được đối với bùn đã qua xử lý.   

     (13) Nhóm nghiên cứu đã thực hiện  thí nghiệm tại Hà Nội với mẫu bùn  lấy từ tỉnh Cà Mau, tro bay ở Trà  Vinh, vôi lấy tại Thái Bình và các  phụ gia hóa học. Sau thử nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm,  nhóm  nghiên cứu đã áp dụng tại công  trường xây dựng trong Khu công  nghiệp Khánh An, tỉnh Cà Mau.  Kết  quả  ứng  dụng  ban  đầu  tại  hiện trường cho thấy, có thể tạo  ra một loại vật liệu sử dụng bùn  nạo vét thay thế phục vụ cho việc  san lấp, xây dựng (hạn chế việc  lấy cát từ lòng sông để tôn nền);  giảm thiểu được xói lở bờ sông,  bờ biển hiện nay ở khu vực Đồng  bằng sông Cửu Long do khai thác  cát quá giới hạn; giải quyết được  chỗ đổ thải bùn nạo vét trên địa  bàn  các  tỉnh  Đồng  bằng  sông  Cửu Long hàng năm (hiện tại các  dự án nạo vét đang phải đền bù  đất cho người dân để lấy chỗ xả  bùn thải).

     (14) Những  kết  quả  ban  đầu  cho  thấy, phương pháp cứng hóa bùn  có thể giải quyết vấn đề nền đất  yếu,  bùn  nạo  vét  ở  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  hàng  năm;  các  sản phẩm hình thành này có thể  là  sẽ  là  một  nguồn  nguyên  liệu  tiềm năng trong khu vực để san  lấp và xây dựng các cơ sở hạ tầng  phục vụ phát triển kinh tế - xã hội  nói  chung,  xây  dựng  nông  thôn  mới nói riêng  

(Nguồn: “Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu”, TS Ngô Anh Quân, GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Câu văn nào nêu lên khái niệm của cứng hóa bùn?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu

     (1) Cứng hóa bùn là việc trộn vật  liệu kết dính hoạt tính vào trong  bùn  thải,  bùn  nạo  vét.  Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là  “cứng  hóa”  và  “ổn  định”.  “Ổn định” được hiểu là để xử lý  ô nhiễm, bằng việc cố định các  chất gây hại trong hỗn hợp bùn  cứng hóa cũng như biến đổi các  chất gây hại này sang các chất ít  gây hại hơn, có độ hòa tan thấp  hơn.  “Cứng  hóa” là  sự  cải  thiện  tính chất vật lý của bùn, các tính  chất vật lý này bao gồm cường độ  nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo,  độ sệt cũng như tăng khả năng  chống  thấm.  Mục  đích  của  việc  trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào  bùn nhằm làm cải thiện cường độ,  tính thấm và sức bền bằng cách  giảm hệ số rỗng và gắn các hạt  đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu  kết dính với bùn có 3 phản ứng  chính xảy ra, gồm  khử nước, trao  đổi ion, phản ứng keo  hóa. Cường  độ của bùn sau khi được trộn sẽ  tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc  vào phản ứng keo hóa.

     (2) Các  vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng bao gồm xi măng  Portland, bụi lò xi măng, vôi bột,  đá vôi, tro bay, tro xỉ, thạch cao,  hỗn hợp phốt pho và nhiều sản  phẩm  thương  mại  độc  quyền  khác.  Do  sự  khác  nhau  về  tính  chất cơ lý (hàm lượng nước, giới  hạn chảy, giới hạn dẻo) cũng như  thành phần hóa học của các loại  bùn, nên cấp phối trộn cho việc  cứng  hóa  cần  được  thiết  kế  để  phù  hợp  với  tính  chất  từng  loại  nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật  cũng như giá thành. Các vật liệu  kết dính được chia làm hai loại là  vô cơ và hữu cơ. Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính vô cơ  thường được lựa chọn hơn do giá  thành rẻ hơn nhiều so với chất kết  dính  hữu  cơ  như  nhựa  át  phan,  ure  formandehyde  và  các  chất  polyme khác.

     (3) Cơ chế làm cứng và cải tạo bùn  là keo tụ thông qua các phản ứng  trao đổi cation và tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan  trong  môi  trường  đất bùn:  

nCaO + SiO 2  + yH 2 O  →  C-S-H    (1)

     (4) Xi măng Portland là thành phần  chính trong bê tông được sử dụng  trong xây dựng, vì vậy xi măng là  một lựa chọn rất tốt cho quá trình  đông cứng và ổn định đối với các  loại bùn khác nhau. Cấp phối có  thành phần xi măng là phổ biến  hơn so với các chất kết dính khác.  Xi măng thường được sử dụng vì:  (1) trong quá trình hydrat hóa xi  măng làm giảm nước tự do trong  bùn, (2) giảm độ thấm do thay đổi  liên kết trong bùn, (3) bao phủ các  hạt bùn bằng lớp chống thấm, (4)  cố định hóa học các chất gây hại  trong bùn bằng giảm độ hòa tan  của chúng và (5) tạo thuận lợi cho  việc giảm độc tính của một số chất  ô nhiễm. Hỗn hợp vật liệu trộn xi  măng có thể xử lý được các chất  gây hại vô cơ cũng như hữu cơ.  Các hỗn hợp vật liệu thương mại  độc  quyền  thường  là  sản  phẩm  trộn của các chất kết dính vô cơ  hoặc hữu cơ với xi măng. Tro bay  hoặc tro xỉ thường được kết hợp  sử dụng với xi măng để kích hoạt  phản  ứng  pozzolan  của  chúng.  Bụi  lò  xi  măng  thường  được  sử  dụng vì lý do kinh tế. Vôi bột có  thể sử dụng để điều chỉnh pH hay  giảm  nước  nhờ  nhiệt  lượng  cao  tỏa  ra  trong  quá  trình  thủy  hóa.  Đá vôi dùng để điều chỉnh pH và  tăng trọng lượng hỗn hợp.

     Các công nghệ cứng hóa bùn

     (5) Các  công  nghệ  hiện  nay  thường  được  áp  dụng  để  cứng  hóa  bùn  nhằm  cải  thiện  sự  gắn  kết  của  các  hạt  đất  gồm:  công  nghệ thoát lượng nước trong bùn  và công nghệ trộn các vật liệu kết  dính vào bùn.

     Thoát  nước  trong  bùn  tự  nhiên để cải tạo bùn

     (6) Giải pháp thoát nước tự nhiên:  bùn được đào lên và vận chuyển  đến  vị  trí  cần  sử  dụng,  sau  đó  được  phơi  khô  và  thoát  nước  tự  nhiên.  Kết  quả  một  số  nghiên  cứu  với  giải  pháp  này  cho  thấy,  sau khoảng 11 tháng, hàm lượng  nước ban đầu của bùn là khoảng  115-130% giảm còn 65-75%.

     (7) Sử dụng các vật liệu thoát nước  kết hợp hút chân không:  phương  pháp  này  ứng  dụng  cơ  chế  hút  nước trong nền để làm tăng các  chỉ tiêu cơ lý của nền, bằng cách  cắm  các  bấc  thấm  thẳng  đứng  rồi nối với máy bơm chân không.  Kết cấu thoát nước đứng thường  đi cùng với việc gia tải nhằm thúc  đẩy quá trình thoát nước của các  loại đất yếu nhằm đẩy nhanh quá  trình cố kết. Kết cấu thoát nước  tạo ra một “con đường” để nước  thoát ra từ trong đất. Thời gian để  thoát  nước  cho  đất  có  thể  giảm  từ một vài năm xuống chỉ còn vài  tháng. Việc hút chân không giúp  cải thiện các tính chất cơ lý của  bùn hoặc đất yếu.  

    Trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên  

     (8) Trộn vật liệu kết dính bằng hệ  thống  bơm  khí  nén:  công  nghệ  này  đã  được  các  nhà  khoa  học  nghiên cứu năm 1998 bằng cách  trộn các vật liệu kết dính với bùn  trên đường ống bơm vận chuyển  bằng  hệ  thống  máy  nén  khí.  Phương pháp này không yêu cầu  lượng nước hỗ trợ bơm vào bùn  chảy trong đường ống, loại bỏ sự  cần thiết phải lắp đặt hệ thống xử  lý thoát nước trong khu vực san  lấp.  Tuy  nhiên,  công  nghệ  này  có chi phí cao và đòi hỏi một thời  gian dài để hỗn hợp bùn xi măng  đạt được các tính chất cơ học cần  thiết cho các công trình xây dựng  tiếp theo.

     (9) Trộn  vật  liệu  kết  dính  bằng  các  trạm  trộn:  vật  liệu  kết  dính  với các hàm lượng đã được tính  toán nghiên cứu trước được đưa  vào  bùn  tự  nhiên  qua  các  trạm  trộn cưỡng bức. Phương pháp này  đã được áp dụng tại nhiều công  trình trên thế giới bởi nhiều nhà  thầu thi công. Có thể dùng những  trạm trộn di động bằng cách lắp  các buồng trộn cỡ nhỏ trên các xe  tải hoặc với những công trình khối  lượng lớn có thể sử dụng các trạm  trộn cố định để trộn vật liệu kết  dính vào bùn tự nhiên.

     (10) Giải pháp trộn tại chỗ bùn cần  gia cố:  đây là giải pháp đáp ứng  được nhiều yêu cầu của thực tế  khi  cần  tăng  khả  năng  chịu  tải  của  những  vùng  đất  yếu,  vùng  cần san lấp. Việc xác định tỷ lệ  các thành phần chất kết dính đưa  Mô hình thi công gia cố đất bùn bằng thoát nước và hút chân không tại Nhật Bản. vào xử lý được xác định từ các thí  nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm  qua các thiết bị trộn nông nhằm  cải thiện được tính chất cơ lý của  khu vực cần gia cố, san lấp. Với  các loại hình thiết bị khác nhau,  vật liệu kết dính sẽ được trộn đều  trong  khối  đất  cần  gia  cố  bằng  công nghệ khô/ướt, quay/phun áp  lực, khoan/cắt...

Ứng dụng tiềm năng tại Việt Nam

     (11) Với bờ biển dài hơn 3.200 km  cùng 49 cảng biển lớn nhỏ, kèm  theo  hệ  thống  sông,  cửa  biển  phục vụ cho tàu bè vận chuyển  hàng hóa, đặc biệt tại Đồng bằng  sông Cửu Long giao thông trên hệ  thống sông ngòi đóng vai trò quan  trọng trong phát triển kinh tế. Do  đó yêu cầu khai thông luồng lạch  cửa sông, cửa biển và cảng biển  hàng năm là rất lớn. Lượng bùn  nạo vét cần được xử lý để tránh  ô  nhiễm  môi  trường  là  một  thử  thách được đặt ra trong quá trình  khai thác các cửa sông, cửa biển  và hải cảng. Ngoài ra, trên cơ sở  kết quả của Hội nghị về phát triển  bền  vững  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu  ngày  26-27/9/2017,  Chính  phủ đã ban hành Nghị quyết số  120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về  “Phát triển bền vững Đồng bằng  sông Cửu Long thích ứng với biến  đổi khí hậu”, trong đó có nội dung  “nghiên  cứu  tạo  nguồn  vật  liệu  mới  thay  thế,  phục  vụ  san  lấp,  xây dựng (hạn chế việc lấy cát từ  lòng sông để tôn nền). Quy hoạch  và đầu tư các khu xử lý chất thải,  nước thải tập trung, hiện đại; đẩy  mạnh tái chế, tái sử dụng và sản  xuất năng lượng từ rác”. Do vậy,  tiềm  năng  áp  dụng  giải  pháp  cứng hóa bùn tại Việt Nam là rất  lớn, bởi đồng thời giải quyết được  nhiều  vấn  đề  đặt  ra:  bảo  trì  hệ  thống giao thông đường thủy, tạo  ra vật liệu mới để san nền, góp  phần  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu và xử lý môi trường.

     (12) Theo  hướng  này,  Viện  Thủy  công đã có một nghiên cứu thực  nghiệm về việc hóa rắn bùn nạo  vét ở tỉnh Cà Mau với mục đích:  tạo vật liệu đất hỗn hợp đáp ứng  các  yêu  cầu  (góc  ma  sát  trong  φ >10 0 ; độ kết dính C>0,1 kg/cm 2 ,  có  thể  thay  thế  được  cho  móng  cát  xây  dưới  nền  đê  theo  thiết  kế hiện hành; tạo vật liệu có thể  được bơm đi từ 500 đến 1.000 m;  giá  thành  sản  phẩm  chấp  nhận  được đối với bùn đã qua xử lý.   

     (13) Nhóm nghiên cứu đã thực hiện  thí nghiệm tại Hà Nội với mẫu bùn  lấy từ tỉnh Cà Mau, tro bay ở Trà  Vinh, vôi lấy tại Thái Bình và các  phụ gia hóa học. Sau thử nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm,  nhóm  nghiên cứu đã áp dụng tại công  trường xây dựng trong Khu công  nghiệp Khánh An, tỉnh Cà Mau.  Kết  quả  ứng  dụng  ban  đầu  tại  hiện trường cho thấy, có thể tạo  ra một loại vật liệu sử dụng bùn  nạo vét thay thế phục vụ cho việc  san lấp, xây dựng (hạn chế việc  lấy cát từ lòng sông để tôn nền);  giảm thiểu được xói lở bờ sông,  bờ biển hiện nay ở khu vực Đồng  bằng sông Cửu Long do khai thác  cát quá giới hạn; giải quyết được  chỗ đổ thải bùn nạo vét trên địa  bàn  các  tỉnh  Đồng  bằng  sông  Cửu Long hàng năm (hiện tại các  dự án nạo vét đang phải đền bù  đất cho người dân để lấy chỗ xả  bùn thải).

     (14) Những  kết  quả  ban  đầu  cho  thấy, phương pháp cứng hóa bùn  có thể giải quyết vấn đề nền đất  yếu,  bùn  nạo  vét  ở  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  hàng  năm;  các  sản phẩm hình thành này có thể  là  sẽ  là  một  nguồn  nguyên  liệu  tiềm năng trong khu vực để san  lấp và xây dựng các cơ sở hạ tầng  phục vụ phát triển kinh tế - xã hội  nói  chung,  xây  dựng  nông  thôn  mới nói riêng  

(Nguồn: “Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu”, TS Ngô Anh Quân, GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu

     (1) Cứng hóa bùn là việc trộn vật  liệu kết dính hoạt tính vào trong  bùn  thải,  bùn  nạo  vét.  Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là  “cứng  hóa”  và  “ổn  định”.  “Ổn định” được hiểu là để xử lý  ô nhiễm, bằng việc cố định các  chất gây hại trong hỗn hợp bùn  cứng hóa cũng như biến đổi các  chất gây hại này sang các chất ít  gây hại hơn, có độ hòa tan thấp  hơn.  “Cứng  hóa” là  sự  cải  thiện  tính chất vật lý của bùn, các tính  chất vật lý này bao gồm cường độ  nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo,  độ sệt cũng như tăng khả năng  chống  thấm.  Mục  đích  của  việc  trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào  bùn nhằm làm cải thiện cường độ,  tính thấm và sức bền bằng cách  giảm hệ số rỗng và gắn các hạt  đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu  kết dính với bùn có 3 phản ứng  chính xảy ra, gồm  khử nước, trao  đổi ion, phản ứng keo  hóa. Cường  độ của bùn sau khi được trộn sẽ  tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc  vào phản ứng keo hóa.

     (2) Các  vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng bao gồm xi măng  Portland, bụi lò xi măng, vôi bột,  đá vôi, tro bay, tro xỉ, thạch cao,  hỗn hợp phốt pho và nhiều sản  phẩm  thương  mại  độc  quyền  khác.  Do  sự  khác  nhau  về  tính  chất cơ lý (hàm lượng nước, giới  hạn chảy, giới hạn dẻo) cũng như  thành phần hóa học của các loại  bùn, nên cấp phối trộn cho việc  cứng  hóa  cần  được  thiết  kế  để  phù  hợp  với  tính  chất  từng  loại  nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật  cũng như giá thành. Các vật liệu  kết dính được chia làm hai loại là  vô cơ và hữu cơ. Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính vô cơ  thường được lựa chọn hơn do giá  thành rẻ hơn nhiều so với chất kết  dính  hữu  cơ  như  nhựa  át  phan,  ure  formandehyde  và  các  chất  polyme khác.

     (3) Cơ chế làm cứng và cải tạo bùn  là keo tụ thông qua các phản ứng  trao đổi cation và tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan  trong  môi  trường  đất bùn:  

nCaO + SiO 2  + yH 2 O  →  C-S-H    (1)

     (4) Xi măng Portland là thành phần  chính trong bê tông được sử dụng  trong xây dựng, vì vậy xi măng là  một lựa chọn rất tốt cho quá trình  đông cứng và ổn định đối với các  loại bùn khác nhau. Cấp phối có  thành phần xi măng là phổ biến  hơn so với các chất kết dính khác.  Xi măng thường được sử dụng vì:  (1) trong quá trình hydrat hóa xi  măng làm giảm nước tự do trong  bùn, (2) giảm độ thấm do thay đổi  liên kết trong bùn, (3) bao phủ các  hạt bùn bằng lớp chống thấm, (4)  cố định hóa học các chất gây hại  trong bùn bằng giảm độ hòa tan  của chúng và (5) tạo thuận lợi cho  việc giảm độc tính của một số chất  ô nhiễm. Hỗn hợp vật liệu trộn xi  măng có thể xử lý được các chất  gây hại vô cơ cũng như hữu cơ.  Các hỗn hợp vật liệu thương mại  độc  quyền  thường  là  sản  phẩm  trộn của các chất kết dính vô cơ  hoặc hữu cơ với xi măng. Tro bay  hoặc tro xỉ thường được kết hợp  sử dụng với xi măng để kích hoạt  phản  ứng  pozzolan  của  chúng.  Bụi  lò  xi  măng  thường  được  sử  dụng vì lý do kinh tế. Vôi bột có  thể sử dụng để điều chỉnh pH hay  giảm  nước  nhờ  nhiệt  lượng  cao  tỏa  ra  trong  quá  trình  thủy  hóa.  Đá vôi dùng để điều chỉnh pH và  tăng trọng lượng hỗn hợp.

     Các công nghệ cứng hóa bùn

     (5) Các  công  nghệ  hiện  nay  thường  được  áp  dụng  để  cứng  hóa  bùn  nhằm  cải  thiện  sự  gắn  kết  của  các  hạt  đất  gồm:  công  nghệ thoát lượng nước trong bùn  và công nghệ trộn các vật liệu kết  dính vào bùn.

     Thoát  nước  trong  bùn  tự  nhiên để cải tạo bùn

     (6) Giải pháp thoát nước tự nhiên:  bùn được đào lên và vận chuyển  đến  vị  trí  cần  sử  dụng,  sau  đó  được  phơi  khô  và  thoát  nước  tự  nhiên.  Kết  quả  một  số  nghiên  cứu  với  giải  pháp  này  cho  thấy,  sau khoảng 11 tháng, hàm lượng  nước ban đầu của bùn là khoảng  115-130% giảm còn 65-75%.

     (7) Sử dụng các vật liệu thoát nước  kết hợp hút chân không:  phương  pháp  này  ứng  dụng  cơ  chế  hút  nước trong nền để làm tăng các  chỉ tiêu cơ lý của nền, bằng cách  cắm  các  bấc  thấm  thẳng  đứng  rồi nối với máy bơm chân không.  Kết cấu thoát nước đứng thường  đi cùng với việc gia tải nhằm thúc  đẩy quá trình thoát nước của các  loại đất yếu nhằm đẩy nhanh quá  trình cố kết. Kết cấu thoát nước  tạo ra một “con đường” để nước  thoát ra từ trong đất. Thời gian để  thoát  nước  cho  đất  có  thể  giảm  từ một vài năm xuống chỉ còn vài  tháng. Việc hút chân không giúp  cải thiện các tính chất cơ lý của  bùn hoặc đất yếu.  

    Trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên  

     (8) Trộn vật liệu kết dính bằng hệ  thống  bơm  khí  nén:  công  nghệ  này  đã  được  các  nhà  khoa  học  nghiên cứu năm 1998 bằng cách  trộn các vật liệu kết dính với bùn  trên đường ống bơm vận chuyển  bằng  hệ  thống  máy  nén  khí.  Phương pháp này không yêu cầu  lượng nước hỗ trợ bơm vào bùn  chảy trong đường ống, loại bỏ sự  cần thiết phải lắp đặt hệ thống xử  lý thoát nước trong khu vực san  lấp.  Tuy  nhiên,  công  nghệ  này  có chi phí cao và đòi hỏi một thời  gian dài để hỗn hợp bùn xi măng  đạt được các tính chất cơ học cần  thiết cho các công trình xây dựng  tiếp theo.

     (9) Trộn  vật  liệu  kết  dính  bằng  các  trạm  trộn:  vật  liệu  kết  dính  với các hàm lượng đã được tính  toán nghiên cứu trước được đưa  vào  bùn  tự  nhiên  qua  các  trạm  trộn cưỡng bức. Phương pháp này  đã được áp dụng tại nhiều công  trình trên thế giới bởi nhiều nhà  thầu thi công. Có thể dùng những  trạm trộn di động bằng cách lắp  các buồng trộn cỡ nhỏ trên các xe  tải hoặc với những công trình khối  lượng lớn có thể sử dụng các trạm  trộn cố định để trộn vật liệu kết  dính vào bùn tự nhiên.

     (10) Giải pháp trộn tại chỗ bùn cần  gia cố:  đây là giải pháp đáp ứng  được nhiều yêu cầu của thực tế  khi  cần  tăng  khả  năng  chịu  tải  của  những  vùng  đất  yếu,  vùng  cần san lấp. Việc xác định tỷ lệ  các thành phần chất kết dính đưa  Mô hình thi công gia cố đất bùn bằng thoát nước và hút chân không tại Nhật Bản. vào xử lý được xác định từ các thí  nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm  qua các thiết bị trộn nông nhằm  cải thiện được tính chất cơ lý của  khu vực cần gia cố, san lấp. Với  các loại hình thiết bị khác nhau,  vật liệu kết dính sẽ được trộn đều  trong  khối  đất  cần  gia  cố  bằng  công nghệ khô/ướt, quay/phun áp  lực, khoan/cắt...

Ứng dụng tiềm năng tại Việt Nam

     (11) Với bờ biển dài hơn 3.200 km  cùng 49 cảng biển lớn nhỏ, kèm  theo  hệ  thống  sông,  cửa  biển  phục vụ cho tàu bè vận chuyển  hàng hóa, đặc biệt tại Đồng bằng  sông Cửu Long giao thông trên hệ  thống sông ngòi đóng vai trò quan  trọng trong phát triển kinh tế. Do  đó yêu cầu khai thông luồng lạch  cửa sông, cửa biển và cảng biển  hàng năm là rất lớn. Lượng bùn  nạo vét cần được xử lý để tránh  ô  nhiễm  môi  trường  là  một  thử  thách được đặt ra trong quá trình  khai thác các cửa sông, cửa biển  và hải cảng. Ngoài ra, trên cơ sở  kết quả của Hội nghị về phát triển  bền  vững  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu  ngày  26-27/9/2017,  Chính  phủ đã ban hành Nghị quyết số  120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về  “Phát triển bền vững Đồng bằng  sông Cửu Long thích ứng với biến  đổi khí hậu”, trong đó có nội dung  “nghiên  cứu  tạo  nguồn  vật  liệu  mới  thay  thế,  phục  vụ  san  lấp,  xây dựng (hạn chế việc lấy cát từ  lòng sông để tôn nền). Quy hoạch  và đầu tư các khu xử lý chất thải,  nước thải tập trung, hiện đại; đẩy  mạnh tái chế, tái sử dụng và sản  xuất năng lượng từ rác”. Do vậy,  tiềm  năng  áp  dụng  giải  pháp  cứng hóa bùn tại Việt Nam là rất  lớn, bởi đồng thời giải quyết được  nhiều  vấn  đề  đặt  ra:  bảo  trì  hệ  thống giao thông đường thủy, tạo  ra vật liệu mới để san nền, góp  phần  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu và xử lý môi trường.

     (12) Theo  hướng  này,  Viện  Thủy  công đã có một nghiên cứu thực  nghiệm về việc hóa rắn bùn nạo  vét ở tỉnh Cà Mau với mục đích:  tạo vật liệu đất hỗn hợp đáp ứng  các  yêu  cầu  (góc  ma  sát  trong  φ >10 0 ; độ kết dính C>0,1 kg/cm 2 ,  có  thể  thay  thế  được  cho  móng  cát  xây  dưới  nền  đê  theo  thiết  kế hiện hành; tạo vật liệu có thể  được bơm đi từ 500 đến 1.000 m;  giá  thành  sản  phẩm  chấp  nhận  được đối với bùn đã qua xử lý.   

     (13) Nhóm nghiên cứu đã thực hiện  thí nghiệm tại Hà Nội với mẫu bùn  lấy từ tỉnh Cà Mau, tro bay ở Trà  Vinh, vôi lấy tại Thái Bình và các  phụ gia hóa học. Sau thử nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm,  nhóm  nghiên cứu đã áp dụng tại công  trường xây dựng trong Khu công  nghiệp Khánh An, tỉnh Cà Mau.  Kết  quả  ứng  dụng  ban  đầu  tại  hiện trường cho thấy, có thể tạo  ra một loại vật liệu sử dụng bùn  nạo vét thay thế phục vụ cho việc  san lấp, xây dựng (hạn chế việc  lấy cát từ lòng sông để tôn nền);  giảm thiểu được xói lở bờ sông,  bờ biển hiện nay ở khu vực Đồng  bằng sông Cửu Long do khai thác  cát quá giới hạn; giải quyết được  chỗ đổ thải bùn nạo vét trên địa  bàn  các  tỉnh  Đồng  bằng  sông  Cửu Long hàng năm (hiện tại các  dự án nạo vét đang phải đền bù  đất cho người dân để lấy chỗ xả  bùn thải).

     (14) Những  kết  quả  ban  đầu  cho  thấy, phương pháp cứng hóa bùn  có thể giải quyết vấn đề nền đất  yếu,  bùn  nạo  vét  ở  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  hàng  năm;  các  sản phẩm hình thành này có thể  là  sẽ  là  một  nguồn  nguyên  liệu  tiềm năng trong khu vực để san  lấp và xây dựng các cơ sở hạ tầng  phục vụ phát triển kinh tế - xã hội  nói  chung,  xây  dựng  nông  thôn  mới nói riêng  

(Nguồn: “Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu”, TS Ngô Anh Quân, GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Chất liệu nào dưới đây không phải là vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng trong xây dựng?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu

     (1) Cứng hóa bùn là việc trộn vật  liệu kết dính hoạt tính vào trong  bùn  thải,  bùn  nạo  vét.  Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là  “cứng  hóa”  và  “ổn  định”.  “Ổn định” được hiểu là để xử lý  ô nhiễm, bằng việc cố định các  chất gây hại trong hỗn hợp bùn  cứng hóa cũng như biến đổi các  chất gây hại này sang các chất ít  gây hại hơn, có độ hòa tan thấp  hơn.  “Cứng  hóa” là  sự  cải  thiện  tính chất vật lý của bùn, các tính  chất vật lý này bao gồm cường độ  nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo,  độ sệt cũng như tăng khả năng  chống  thấm.  Mục  đích  của  việc  trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào  bùn nhằm làm cải thiện cường độ,  tính thấm và sức bền bằng cách  giảm hệ số rỗng và gắn các hạt  đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu  kết dính với bùn có 3 phản ứng  chính xảy ra, gồm  khử nước, trao  đổi ion, phản ứng keo  hóa. Cường  độ của bùn sau khi được trộn sẽ  tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc  vào phản ứng keo hóa.

     (2) Các  vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng bao gồm xi măng  Portland, bụi lò xi măng, vôi bột,  đá vôi, tro bay, tro xỉ, thạch cao,  hỗn hợp phốt pho và nhiều sản  phẩm  thương  mại  độc  quyền  khác.  Do  sự  khác  nhau  về  tính  chất cơ lý (hàm lượng nước, giới  hạn chảy, giới hạn dẻo) cũng như  thành phần hóa học của các loại  bùn, nên cấp phối trộn cho việc  cứng  hóa  cần  được  thiết  kế  để  phù  hợp  với  tính  chất  từng  loại  nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật  cũng như giá thành. Các vật liệu  kết dính được chia làm hai loại là  vô cơ và hữu cơ. Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính vô cơ  thường được lựa chọn hơn do giá  thành rẻ hơn nhiều so với chất kết  dính  hữu  cơ  như  nhựa  át  phan,  ure  formandehyde  và  các  chất  polyme khác.

     (3) Cơ chế làm cứng và cải tạo bùn  là keo tụ thông qua các phản ứng  trao đổi cation và tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan  trong  môi  trường  đất bùn:  

nCaO + SiO 2  + yH 2 O  →  C-S-H    (1)

     (4) Xi măng Portland là thành phần  chính trong bê tông được sử dụng  trong xây dựng, vì vậy xi măng là  một lựa chọn rất tốt cho quá trình  đông cứng và ổn định đối với các  loại bùn khác nhau. Cấp phối có  thành phần xi măng là phổ biến  hơn so với các chất kết dính khác.  Xi măng thường được sử dụng vì:  (1) trong quá trình hydrat hóa xi  măng làm giảm nước tự do trong  bùn, (2) giảm độ thấm do thay đổi  liên kết trong bùn, (3) bao phủ các  hạt bùn bằng lớp chống thấm, (4)  cố định hóa học các chất gây hại  trong bùn bằng giảm độ hòa tan  của chúng và (5) tạo thuận lợi cho  việc giảm độc tính của một số chất  ô nhiễm. Hỗn hợp vật liệu trộn xi  măng có thể xử lý được các chất  gây hại vô cơ cũng như hữu cơ.  Các hỗn hợp vật liệu thương mại  độc  quyền  thường  là  sản  phẩm  trộn của các chất kết dính vô cơ  hoặc hữu cơ với xi măng. Tro bay  hoặc tro xỉ thường được kết hợp  sử dụng với xi măng để kích hoạt  phản  ứng  pozzolan  của  chúng.  Bụi  lò  xi  măng  thường  được  sử  dụng vì lý do kinh tế. Vôi bột có  thể sử dụng để điều chỉnh pH hay  giảm  nước  nhờ  nhiệt  lượng  cao  tỏa  ra  trong  quá  trình  thủy  hóa.  Đá vôi dùng để điều chỉnh pH và  tăng trọng lượng hỗn hợp.

     Các công nghệ cứng hóa bùn

     (5) Các  công  nghệ  hiện  nay  thường  được  áp  dụng  để  cứng  hóa  bùn  nhằm  cải  thiện  sự  gắn  kết  của  các  hạt  đất  gồm:  công  nghệ thoát lượng nước trong bùn  và công nghệ trộn các vật liệu kết  dính vào bùn.

     Thoát  nước  trong  bùn  tự  nhiên để cải tạo bùn

     (6) Giải pháp thoát nước tự nhiên:  bùn được đào lên và vận chuyển  đến  vị  trí  cần  sử  dụng,  sau  đó  được  phơi  khô  và  thoát  nước  tự  nhiên.  Kết  quả  một  số  nghiên  cứu  với  giải  pháp  này  cho  thấy,  sau khoảng 11 tháng, hàm lượng  nước ban đầu của bùn là khoảng  115-130% giảm còn 65-75%.

     (7) Sử dụng các vật liệu thoát nước  kết hợp hút chân không:  phương  pháp  này  ứng  dụng  cơ  chế  hút  nước trong nền để làm tăng các  chỉ tiêu cơ lý của nền, bằng cách  cắm  các  bấc  thấm  thẳng  đứng  rồi nối với máy bơm chân không.  Kết cấu thoát nước đứng thường  đi cùng với việc gia tải nhằm thúc  đẩy quá trình thoát nước của các  loại đất yếu nhằm đẩy nhanh quá  trình cố kết. Kết cấu thoát nước  tạo ra một “con đường” để nước  thoát ra từ trong đất. Thời gian để  thoát  nước  cho  đất  có  thể  giảm  từ một vài năm xuống chỉ còn vài  tháng. Việc hút chân không giúp  cải thiện các tính chất cơ lý của  bùn hoặc đất yếu.  

    Trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên  

     (8) Trộn vật liệu kết dính bằng hệ  thống  bơm  khí  nén:  công  nghệ  này  đã  được  các  nhà  khoa  học  nghiên cứu năm 1998 bằng cách  trộn các vật liệu kết dính với bùn  trên đường ống bơm vận chuyển  bằng  hệ  thống  máy  nén  khí.  Phương pháp này không yêu cầu  lượng nước hỗ trợ bơm vào bùn  chảy trong đường ống, loại bỏ sự  cần thiết phải lắp đặt hệ thống xử  lý thoát nước trong khu vực san  lấp.  Tuy  nhiên,  công  nghệ  này  có chi phí cao và đòi hỏi một thời  gian dài để hỗn hợp bùn xi măng  đạt được các tính chất cơ học cần  thiết cho các công trình xây dựng  tiếp theo.

     (9) Trộn  vật  liệu  kết  dính  bằng  các  trạm  trộn:  vật  liệu  kết  dính  với các hàm lượng đã được tính  toán nghiên cứu trước được đưa  vào  bùn  tự  nhiên  qua  các  trạm  trộn cưỡng bức. Phương pháp này  đã được áp dụng tại nhiều công  trình trên thế giới bởi nhiều nhà  thầu thi công. Có thể dùng những  trạm trộn di động bằng cách lắp  các buồng trộn cỡ nhỏ trên các xe  tải hoặc với những công trình khối  lượng lớn có thể sử dụng các trạm  trộn cố định để trộn vật liệu kết  dính vào bùn tự nhiên.

     (10) Giải pháp trộn tại chỗ bùn cần  gia cố:  đây là giải pháp đáp ứng  được nhiều yêu cầu của thực tế  khi  cần  tăng  khả  năng  chịu  tải  của  những  vùng  đất  yếu,  vùng  cần san lấp. Việc xác định tỷ lệ  các thành phần chất kết dính đưa  Mô hình thi công gia cố đất bùn bằng thoát nước và hút chân không tại Nhật Bản. vào xử lý được xác định từ các thí  nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm  qua các thiết bị trộn nông nhằm  cải thiện được tính chất cơ lý của  khu vực cần gia cố, san lấp. Với  các loại hình thiết bị khác nhau,  vật liệu kết dính sẽ được trộn đều  trong  khối  đất  cần  gia  cố  bằng  công nghệ khô/ướt, quay/phun áp  lực, khoan/cắt...

Ứng dụng tiềm năng tại Việt Nam

     (11) Với bờ biển dài hơn 3.200 km  cùng 49 cảng biển lớn nhỏ, kèm  theo  hệ  thống  sông,  cửa  biển  phục vụ cho tàu bè vận chuyển  hàng hóa, đặc biệt tại Đồng bằng  sông Cửu Long giao thông trên hệ  thống sông ngòi đóng vai trò quan  trọng trong phát triển kinh tế. Do  đó yêu cầu khai thông luồng lạch  cửa sông, cửa biển và cảng biển  hàng năm là rất lớn. Lượng bùn  nạo vét cần được xử lý để tránh  ô  nhiễm  môi  trường  là  một  thử  thách được đặt ra trong quá trình  khai thác các cửa sông, cửa biển  và hải cảng. Ngoài ra, trên cơ sở  kết quả của Hội nghị về phát triển  bền  vững  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu  ngày  26-27/9/2017,  Chính  phủ đã ban hành Nghị quyết số  120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về  “Phát triển bền vững Đồng bằng  sông Cửu Long thích ứng với biến  đổi khí hậu”, trong đó có nội dung  “nghiên  cứu  tạo  nguồn  vật  liệu  mới  thay  thế,  phục  vụ  san  lấp,  xây dựng (hạn chế việc lấy cát từ  lòng sông để tôn nền). Quy hoạch  và đầu tư các khu xử lý chất thải,  nước thải tập trung, hiện đại; đẩy  mạnh tái chế, tái sử dụng và sản  xuất năng lượng từ rác”. Do vậy,  tiềm  năng  áp  dụng  giải  pháp  cứng hóa bùn tại Việt Nam là rất  lớn, bởi đồng thời giải quyết được  nhiều  vấn  đề  đặt  ra:  bảo  trì  hệ  thống giao thông đường thủy, tạo  ra vật liệu mới để san nền, góp  phần  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu và xử lý môi trường.

     (12) Theo  hướng  này,  Viện  Thủy  công đã có một nghiên cứu thực  nghiệm về việc hóa rắn bùn nạo  vét ở tỉnh Cà Mau với mục đích:  tạo vật liệu đất hỗn hợp đáp ứng  các  yêu  cầu  (góc  ma  sát  trong  φ >10 0 ; độ kết dính C>0,1 kg/cm 2 ,  có  thể  thay  thế  được  cho  móng  cát  xây  dưới  nền  đê  theo  thiết  kế hiện hành; tạo vật liệu có thể  được bơm đi từ 500 đến 1.000 m;  giá  thành  sản  phẩm  chấp  nhận  được đối với bùn đã qua xử lý.   

     (13) Nhóm nghiên cứu đã thực hiện  thí nghiệm tại Hà Nội với mẫu bùn  lấy từ tỉnh Cà Mau, tro bay ở Trà  Vinh, vôi lấy tại Thái Bình và các  phụ gia hóa học. Sau thử nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm,  nhóm  nghiên cứu đã áp dụng tại công  trường xây dựng trong Khu công  nghiệp Khánh An, tỉnh Cà Mau.  Kết  quả  ứng  dụng  ban  đầu  tại  hiện trường cho thấy, có thể tạo  ra một loại vật liệu sử dụng bùn  nạo vét thay thế phục vụ cho việc  san lấp, xây dựng (hạn chế việc  lấy cát từ lòng sông để tôn nền);  giảm thiểu được xói lở bờ sông,  bờ biển hiện nay ở khu vực Đồng  bằng sông Cửu Long do khai thác  cát quá giới hạn; giải quyết được  chỗ đổ thải bùn nạo vét trên địa  bàn  các  tỉnh  Đồng  bằng  sông  Cửu Long hàng năm (hiện tại các  dự án nạo vét đang phải đền bù  đất cho người dân để lấy chỗ xả  bùn thải).

     (14) Những  kết  quả  ban  đầu  cho  thấy, phương pháp cứng hóa bùn  có thể giải quyết vấn đề nền đất  yếu,  bùn  nạo  vét  ở  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  hàng  năm;  các  sản phẩm hình thành này có thể  là  sẽ  là  một  nguồn  nguyên  liệu  tiềm năng trong khu vực để san  lấp và xây dựng các cơ sở hạ tầng  phục vụ phát triển kinh tế - xã hội  nói  chung,  xây  dựng  nông  thôn  mới nói riêng  

(Nguồn: “Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu”, TS Ngô Anh Quân, GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính nào  thường được lựa chọn nhiều hơn?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu

     (1) Cứng hóa bùn là việc trộn vật  liệu kết dính hoạt tính vào trong  bùn  thải,  bùn  nạo  vét.  Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là  “cứng  hóa”  và  “ổn  định”.  “Ổn định” được hiểu là để xử lý  ô nhiễm, bằng việc cố định các  chất gây hại trong hỗn hợp bùn  cứng hóa cũng như biến đổi các  chất gây hại này sang các chất ít  gây hại hơn, có độ hòa tan thấp  hơn.  “Cứng  hóa” là  sự  cải  thiện  tính chất vật lý của bùn, các tính  chất vật lý này bao gồm cường độ  nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo,  độ sệt cũng như tăng khả năng  chống  thấm.  Mục  đích  của  việc  trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào  bùn nhằm làm cải thiện cường độ,  tính thấm và sức bền bằng cách  giảm hệ số rỗng và gắn các hạt  đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu  kết dính với bùn có 3 phản ứng  chính xảy ra, gồm  khử nước, trao  đổi ion, phản ứng keo  hóa. Cường  độ của bùn sau khi được trộn sẽ  tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc  vào phản ứng keo hóa.

     (2) Các  vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng bao gồm xi măng  Portland, bụi lò xi măng, vôi bột,  đá vôi, tro bay, tro xỉ, thạch cao,  hỗn hợp phốt pho và nhiều sản  phẩm  thương  mại  độc  quyền  khác.  Do  sự  khác  nhau  về  tính  chất cơ lý (hàm lượng nước, giới  hạn chảy, giới hạn dẻo) cũng như  thành phần hóa học của các loại  bùn, nên cấp phối trộn cho việc  cứng  hóa  cần  được  thiết  kế  để  phù  hợp  với  tính  chất  từng  loại  nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật  cũng như giá thành. Các vật liệu  kết dính được chia làm hai loại là  vô cơ và hữu cơ. Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính vô cơ  thường được lựa chọn hơn do giá  thành rẻ hơn nhiều so với chất kết  dính  hữu  cơ  như  nhựa  át  phan,  ure  formandehyde  và  các  chất  polyme khác.

     (3) Cơ chế làm cứng và cải tạo bùn  là keo tụ thông qua các phản ứng  trao đổi cation và tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan  trong  môi  trường  đất bùn:  

nCaO + SiO 2  + yH 2 O  →  C-S-H    (1)

     (4) Xi măng Portland là thành phần  chính trong bê tông được sử dụng  trong xây dựng, vì vậy xi măng là  một lựa chọn rất tốt cho quá trình  đông cứng và ổn định đối với các  loại bùn khác nhau. Cấp phối có  thành phần xi măng là phổ biến  hơn so với các chất kết dính khác.  Xi măng thường được sử dụng vì:  (1) trong quá trình hydrat hóa xi  măng làm giảm nước tự do trong  bùn, (2) giảm độ thấm do thay đổi  liên kết trong bùn, (3) bao phủ các  hạt bùn bằng lớp chống thấm, (4)  cố định hóa học các chất gây hại  trong bùn bằng giảm độ hòa tan  của chúng và (5) tạo thuận lợi cho  việc giảm độc tính của một số chất  ô nhiễm. Hỗn hợp vật liệu trộn xi  măng có thể xử lý được các chất  gây hại vô cơ cũng như hữu cơ.  Các hỗn hợp vật liệu thương mại  độc  quyền  thường  là  sản  phẩm  trộn của các chất kết dính vô cơ  hoặc hữu cơ với xi măng. Tro bay  hoặc tro xỉ thường được kết hợp  sử dụng với xi măng để kích hoạt  phản  ứng  pozzolan  của  chúng.  Bụi  lò  xi  măng  thường  được  sử  dụng vì lý do kinh tế. Vôi bột có  thể sử dụng để điều chỉnh pH hay  giảm  nước  nhờ  nhiệt  lượng  cao  tỏa  ra  trong  quá  trình  thủy  hóa.  Đá vôi dùng để điều chỉnh pH và  tăng trọng lượng hỗn hợp.

     Các công nghệ cứng hóa bùn

     (5) Các  công  nghệ  hiện  nay  thường  được  áp  dụng  để  cứng  hóa  bùn  nhằm  cải  thiện  sự  gắn  kết  của  các  hạt  đất  gồm:  công  nghệ thoát lượng nước trong bùn  và công nghệ trộn các vật liệu kết  dính vào bùn.

     Thoát  nước  trong  bùn  tự  nhiên để cải tạo bùn

     (6) Giải pháp thoát nước tự nhiên:  bùn được đào lên và vận chuyển  đến  vị  trí  cần  sử  dụng,  sau  đó  được  phơi  khô  và  thoát  nước  tự  nhiên.  Kết  quả  một  số  nghiên  cứu  với  giải  pháp  này  cho  thấy,  sau khoảng 11 tháng, hàm lượng  nước ban đầu của bùn là khoảng  115-130% giảm còn 65-75%.

     (7) Sử dụng các vật liệu thoát nước  kết hợp hút chân không:  phương  pháp  này  ứng  dụng  cơ  chế  hút  nước trong nền để làm tăng các  chỉ tiêu cơ lý của nền, bằng cách  cắm  các  bấc  thấm  thẳng  đứng  rồi nối với máy bơm chân không.  Kết cấu thoát nước đứng thường  đi cùng với việc gia tải nhằm thúc  đẩy quá trình thoát nước của các  loại đất yếu nhằm đẩy nhanh quá  trình cố kết. Kết cấu thoát nước  tạo ra một “con đường” để nước  thoát ra từ trong đất. Thời gian để  thoát  nước  cho  đất  có  thể  giảm  từ một vài năm xuống chỉ còn vài  tháng. Việc hút chân không giúp  cải thiện các tính chất cơ lý của  bùn hoặc đất yếu.  

    Trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên  

     (8) Trộn vật liệu kết dính bằng hệ  thống  bơm  khí  nén:  công  nghệ  này  đã  được  các  nhà  khoa  học  nghiên cứu năm 1998 bằng cách  trộn các vật liệu kết dính với bùn  trên đường ống bơm vận chuyển  bằng  hệ  thống  máy  nén  khí.  Phương pháp này không yêu cầu  lượng nước hỗ trợ bơm vào bùn  chảy trong đường ống, loại bỏ sự  cần thiết phải lắp đặt hệ thống xử  lý thoát nước trong khu vực san  lấp.  Tuy  nhiên,  công  nghệ  này  có chi phí cao và đòi hỏi một thời  gian dài để hỗn hợp bùn xi măng  đạt được các tính chất cơ học cần  thiết cho các công trình xây dựng  tiếp theo.

     (9) Trộn  vật  liệu  kết  dính  bằng  các  trạm  trộn:  vật  liệu  kết  dính  với các hàm lượng đã được tính  toán nghiên cứu trước được đưa  vào  bùn  tự  nhiên  qua  các  trạm  trộn cưỡng bức. Phương pháp này  đã được áp dụng tại nhiều công  trình trên thế giới bởi nhiều nhà  thầu thi công. Có thể dùng những  trạm trộn di động bằng cách lắp  các buồng trộn cỡ nhỏ trên các xe  tải hoặc với những công trình khối  lượng lớn có thể sử dụng các trạm  trộn cố định để trộn vật liệu kết  dính vào bùn tự nhiên.

     (10) Giải pháp trộn tại chỗ bùn cần  gia cố:  đây là giải pháp đáp ứng  được nhiều yêu cầu của thực tế  khi  cần  tăng  khả  năng  chịu  tải  của  những  vùng  đất  yếu,  vùng  cần san lấp. Việc xác định tỷ lệ  các thành phần chất kết dính đưa  Mô hình thi công gia cố đất bùn bằng thoát nước và hút chân không tại Nhật Bản. vào xử lý được xác định từ các thí  nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm  qua các thiết bị trộn nông nhằm  cải thiện được tính chất cơ lý của  khu vực cần gia cố, san lấp. Với  các loại hình thiết bị khác nhau,  vật liệu kết dính sẽ được trộn đều  trong  khối  đất  cần  gia  cố  bằng  công nghệ khô/ướt, quay/phun áp  lực, khoan/cắt...

Ứng dụng tiềm năng tại Việt Nam

     (11) Với bờ biển dài hơn 3.200 km  cùng 49 cảng biển lớn nhỏ, kèm  theo  hệ  thống  sông,  cửa  biển  phục vụ cho tàu bè vận chuyển  hàng hóa, đặc biệt tại Đồng bằng  sông Cửu Long giao thông trên hệ  thống sông ngòi đóng vai trò quan  trọng trong phát triển kinh tế. Do  đó yêu cầu khai thông luồng lạch  cửa sông, cửa biển và cảng biển  hàng năm là rất lớn. Lượng bùn  nạo vét cần được xử lý để tránh  ô  nhiễm  môi  trường  là  một  thử  thách được đặt ra trong quá trình  khai thác các cửa sông, cửa biển  và hải cảng. Ngoài ra, trên cơ sở  kết quả của Hội nghị về phát triển  bền  vững  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu  ngày  26-27/9/2017,  Chính  phủ đã ban hành Nghị quyết số  120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về  “Phát triển bền vững Đồng bằng  sông Cửu Long thích ứng với biến  đổi khí hậu”, trong đó có nội dung  “nghiên  cứu  tạo  nguồn  vật  liệu  mới  thay  thế,  phục  vụ  san  lấp,  xây dựng (hạn chế việc lấy cát từ  lòng sông để tôn nền). Quy hoạch  và đầu tư các khu xử lý chất thải,  nước thải tập trung, hiện đại; đẩy  mạnh tái chế, tái sử dụng và sản  xuất năng lượng từ rác”. Do vậy,  tiềm  năng  áp  dụng  giải  pháp  cứng hóa bùn tại Việt Nam là rất  lớn, bởi đồng thời giải quyết được  nhiều  vấn  đề  đặt  ra:  bảo  trì  hệ  thống giao thông đường thủy, tạo  ra vật liệu mới để san nền, góp  phần  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu và xử lý môi trường.

     (12) Theo  hướng  này,  Viện  Thủy  công đã có một nghiên cứu thực  nghiệm về việc hóa rắn bùn nạo  vét ở tỉnh Cà Mau với mục đích:  tạo vật liệu đất hỗn hợp đáp ứng  các  yêu  cầu  (góc  ma  sát  trong  φ >10 0 ; độ kết dính C>0,1 kg/cm 2 ,  có  thể  thay  thế  được  cho  móng  cát  xây  dưới  nền  đê  theo  thiết  kế hiện hành; tạo vật liệu có thể  được bơm đi từ 500 đến 1.000 m;  giá  thành  sản  phẩm  chấp  nhận  được đối với bùn đã qua xử lý.   

     (13) Nhóm nghiên cứu đã thực hiện  thí nghiệm tại Hà Nội với mẫu bùn  lấy từ tỉnh Cà Mau, tro bay ở Trà  Vinh, vôi lấy tại Thái Bình và các  phụ gia hóa học. Sau thử nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm,  nhóm  nghiên cứu đã áp dụng tại công  trường xây dựng trong Khu công  nghiệp Khánh An, tỉnh Cà Mau.  Kết  quả  ứng  dụng  ban  đầu  tại  hiện trường cho thấy, có thể tạo  ra một loại vật liệu sử dụng bùn  nạo vét thay thế phục vụ cho việc  san lấp, xây dựng (hạn chế việc  lấy cát từ lòng sông để tôn nền);  giảm thiểu được xói lở bờ sông,  bờ biển hiện nay ở khu vực Đồng  bằng sông Cửu Long do khai thác  cát quá giới hạn; giải quyết được  chỗ đổ thải bùn nạo vét trên địa  bàn  các  tỉnh  Đồng  bằng  sông  Cửu Long hàng năm (hiện tại các  dự án nạo vét đang phải đền bù  đất cho người dân để lấy chỗ xả  bùn thải).

     (14) Những  kết  quả  ban  đầu  cho  thấy, phương pháp cứng hóa bùn  có thể giải quyết vấn đề nền đất  yếu,  bùn  nạo  vét  ở  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  hàng  năm;  các  sản phẩm hình thành này có thể  là  sẽ  là  một  nguồn  nguyên  liệu  tiềm năng trong khu vực để san  lấp và xây dựng các cơ sở hạ tầng  phục vụ phát triển kinh tế - xã hội  nói  chung,  xây  dựng  nông  thôn  mới nói riêng  

(Nguồn: “Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu”, TS Ngô Anh Quân, GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Đâu là phương trình đúng khi mô tả quá trình tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu

     (1) Cứng hóa bùn là việc trộn vật  liệu kết dính hoạt tính vào trong  bùn  thải,  bùn  nạo  vét.  Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là  “cứng  hóa”  và  “ổn  định”.  “Ổn định” được hiểu là để xử lý  ô nhiễm, bằng việc cố định các  chất gây hại trong hỗn hợp bùn  cứng hóa cũng như biến đổi các  chất gây hại này sang các chất ít  gây hại hơn, có độ hòa tan thấp  hơn.  “Cứng  hóa” là  sự  cải  thiện  tính chất vật lý của bùn, các tính  chất vật lý này bao gồm cường độ  nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo,  độ sệt cũng như tăng khả năng  chống  thấm.  Mục  đích  của  việc  trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào  bùn nhằm làm cải thiện cường độ,  tính thấm và sức bền bằng cách  giảm hệ số rỗng và gắn các hạt  đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu  kết dính với bùn có 3 phản ứng  chính xảy ra, gồm  khử nước, trao  đổi ion, phản ứng keo  hóa. Cường  độ của bùn sau khi được trộn sẽ  tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc  vào phản ứng keo hóa.

     (2) Các  vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng bao gồm xi măng  Portland, bụi lò xi măng, vôi bột,  đá vôi, tro bay, tro xỉ, thạch cao,  hỗn hợp phốt pho và nhiều sản  phẩm  thương  mại  độc  quyền  khác.  Do  sự  khác  nhau  về  tính  chất cơ lý (hàm lượng nước, giới  hạn chảy, giới hạn dẻo) cũng như  thành phần hóa học của các loại  bùn, nên cấp phối trộn cho việc  cứng  hóa  cần  được  thiết  kế  để  phù  hợp  với  tính  chất  từng  loại  nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật  cũng như giá thành. Các vật liệu  kết dính được chia làm hai loại là  vô cơ và hữu cơ. Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính vô cơ  thường được lựa chọn hơn do giá  thành rẻ hơn nhiều so với chất kết  dính  hữu  cơ  như  nhựa  át  phan,  ure  formandehyde  và  các  chất  polyme khác.

     (3) Cơ chế làm cứng và cải tạo bùn  là keo tụ thông qua các phản ứng  trao đổi cation và tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan  trong  môi  trường  đất bùn:  

nCaO + SiO 2  + yH 2 O  →  C-S-H    (1)

     (4) Xi măng Portland là thành phần  chính trong bê tông được sử dụng  trong xây dựng, vì vậy xi măng là  một lựa chọn rất tốt cho quá trình  đông cứng và ổn định đối với các  loại bùn khác nhau. Cấp phối có  thành phần xi măng là phổ biến  hơn so với các chất kết dính khác.  Xi măng thường được sử dụng vì:  (1) trong quá trình hydrat hóa xi  măng làm giảm nước tự do trong  bùn, (2) giảm độ thấm do thay đổi  liên kết trong bùn, (3) bao phủ các  hạt bùn bằng lớp chống thấm, (4)  cố định hóa học các chất gây hại  trong bùn bằng giảm độ hòa tan  của chúng và (5) tạo thuận lợi cho  việc giảm độc tính của một số chất  ô nhiễm. Hỗn hợp vật liệu trộn xi  măng có thể xử lý được các chất  gây hại vô cơ cũng như hữu cơ.  Các hỗn hợp vật liệu thương mại  độc  quyền  thường  là  sản  phẩm  trộn của các chất kết dính vô cơ  hoặc hữu cơ với xi măng. Tro bay  hoặc tro xỉ thường được kết hợp  sử dụng với xi măng để kích hoạt  phản  ứng  pozzolan  của  chúng.  Bụi  lò  xi  măng  thường  được  sử  dụng vì lý do kinh tế. Vôi bột có  thể sử dụng để điều chỉnh pH hay  giảm  nước  nhờ  nhiệt  lượng  cao  tỏa  ra  trong  quá  trình  thủy  hóa.  Đá vôi dùng để điều chỉnh pH và  tăng trọng lượng hỗn hợp.

     Các công nghệ cứng hóa bùn

     (5) Các  công  nghệ  hiện  nay  thường  được  áp  dụng  để  cứng  hóa  bùn  nhằm  cải  thiện  sự  gắn  kết  của  các  hạt  đất  gồm:  công  nghệ thoát lượng nước trong bùn  và công nghệ trộn các vật liệu kết  dính vào bùn.

     Thoát  nước  trong  bùn  tự  nhiên để cải tạo bùn

     (6) Giải pháp thoát nước tự nhiên:  bùn được đào lên và vận chuyển  đến  vị  trí  cần  sử  dụng,  sau  đó  được  phơi  khô  và  thoát  nước  tự  nhiên.  Kết  quả  một  số  nghiên  cứu  với  giải  pháp  này  cho  thấy,  sau khoảng 11 tháng, hàm lượng  nước ban đầu của bùn là khoảng  115-130% giảm còn 65-75%.

     (7) Sử dụng các vật liệu thoát nước  kết hợp hút chân không:  phương  pháp  này  ứng  dụng  cơ  chế  hút  nước trong nền để làm tăng các  chỉ tiêu cơ lý của nền, bằng cách  cắm  các  bấc  thấm  thẳng  đứng  rồi nối với máy bơm chân không.  Kết cấu thoát nước đứng thường  đi cùng với việc gia tải nhằm thúc  đẩy quá trình thoát nước của các  loại đất yếu nhằm đẩy nhanh quá  trình cố kết. Kết cấu thoát nước  tạo ra một “con đường” để nước  thoát ra từ trong đất. Thời gian để  thoát  nước  cho  đất  có  thể  giảm  từ một vài năm xuống chỉ còn vài  tháng. Việc hút chân không giúp  cải thiện các tính chất cơ lý của  bùn hoặc đất yếu.  

    Trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên  

     (8) Trộn vật liệu kết dính bằng hệ  thống  bơm  khí  nén:  công  nghệ  này  đã  được  các  nhà  khoa  học  nghiên cứu năm 1998 bằng cách  trộn các vật liệu kết dính với bùn  trên đường ống bơm vận chuyển  bằng  hệ  thống  máy  nén  khí.  Phương pháp này không yêu cầu  lượng nước hỗ trợ bơm vào bùn  chảy trong đường ống, loại bỏ sự  cần thiết phải lắp đặt hệ thống xử  lý thoát nước trong khu vực san  lấp.  Tuy  nhiên,  công  nghệ  này  có chi phí cao và đòi hỏi một thời  gian dài để hỗn hợp bùn xi măng  đạt được các tính chất cơ học cần  thiết cho các công trình xây dựng  tiếp theo.

     (9) Trộn  vật  liệu  kết  dính  bằng  các  trạm  trộn:  vật  liệu  kết  dính  với các hàm lượng đã được tính  toán nghiên cứu trước được đưa  vào  bùn  tự  nhiên  qua  các  trạm  trộn cưỡng bức. Phương pháp này  đã được áp dụng tại nhiều công  trình trên thế giới bởi nhiều nhà  thầu thi công. Có thể dùng những  trạm trộn di động bằng cách lắp  các buồng trộn cỡ nhỏ trên các xe  tải hoặc với những công trình khối  lượng lớn có thể sử dụng các trạm  trộn cố định để trộn vật liệu kết  dính vào bùn tự nhiên.

     (10) Giải pháp trộn tại chỗ bùn cần  gia cố:  đây là giải pháp đáp ứng  được nhiều yêu cầu của thực tế  khi  cần  tăng  khả  năng  chịu  tải  của  những  vùng  đất  yếu,  vùng  cần san lấp. Việc xác định tỷ lệ  các thành phần chất kết dính đưa  Mô hình thi công gia cố đất bùn bằng thoát nước và hút chân không tại Nhật Bản. vào xử lý được xác định từ các thí  nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm  qua các thiết bị trộn nông nhằm  cải thiện được tính chất cơ lý của  khu vực cần gia cố, san lấp. Với  các loại hình thiết bị khác nhau,  vật liệu kết dính sẽ được trộn đều  trong  khối  đất  cần  gia  cố  bằng  công nghệ khô/ướt, quay/phun áp  lực, khoan/cắt...

Ứng dụng tiềm năng tại Việt Nam

     (11) Với bờ biển dài hơn 3.200 km  cùng 49 cảng biển lớn nhỏ, kèm  theo  hệ  thống  sông,  cửa  biển  phục vụ cho tàu bè vận chuyển  hàng hóa, đặc biệt tại Đồng bằng  sông Cửu Long giao thông trên hệ  thống sông ngòi đóng vai trò quan  trọng trong phát triển kinh tế. Do  đó yêu cầu khai thông luồng lạch  cửa sông, cửa biển và cảng biển  hàng năm là rất lớn. Lượng bùn  nạo vét cần được xử lý để tránh  ô  nhiễm  môi  trường  là  một  thử  thách được đặt ra trong quá trình  khai thác các cửa sông, cửa biển  và hải cảng. Ngoài ra, trên cơ sở  kết quả của Hội nghị về phát triển  bền  vững  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu  ngày  26-27/9/2017,  Chính  phủ đã ban hành Nghị quyết số  120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về  “Phát triển bền vững Đồng bằng  sông Cửu Long thích ứng với biến  đổi khí hậu”, trong đó có nội dung  “nghiên  cứu  tạo  nguồn  vật  liệu  mới  thay  thế,  phục  vụ  san  lấp,  xây dựng (hạn chế việc lấy cát từ  lòng sông để tôn nền). Quy hoạch  và đầu tư các khu xử lý chất thải,  nước thải tập trung, hiện đại; đẩy  mạnh tái chế, tái sử dụng và sản  xuất năng lượng từ rác”. Do vậy,  tiềm  năng  áp  dụng  giải  pháp  cứng hóa bùn tại Việt Nam là rất  lớn, bởi đồng thời giải quyết được  nhiều  vấn  đề  đặt  ra:  bảo  trì  hệ  thống giao thông đường thủy, tạo  ra vật liệu mới để san nền, góp  phần  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu và xử lý môi trường.

     (12) Theo  hướng  này,  Viện  Thủy  công đã có một nghiên cứu thực  nghiệm về việc hóa rắn bùn nạo  vét ở tỉnh Cà Mau với mục đích:  tạo vật liệu đất hỗn hợp đáp ứng  các  yêu  cầu  (góc  ma  sát  trong  φ >10 0 ; độ kết dính C>0,1 kg/cm 2 ,  có  thể  thay  thế  được  cho  móng  cát  xây  dưới  nền  đê  theo  thiết  kế hiện hành; tạo vật liệu có thể  được bơm đi từ 500 đến 1.000 m;  giá  thành  sản  phẩm  chấp  nhận  được đối với bùn đã qua xử lý.   

     (13) Nhóm nghiên cứu đã thực hiện  thí nghiệm tại Hà Nội với mẫu bùn  lấy từ tỉnh Cà Mau, tro bay ở Trà  Vinh, vôi lấy tại Thái Bình và các  phụ gia hóa học. Sau thử nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm,  nhóm  nghiên cứu đã áp dụng tại công  trường xây dựng trong Khu công  nghiệp Khánh An, tỉnh Cà Mau.  Kết  quả  ứng  dụng  ban  đầu  tại  hiện trường cho thấy, có thể tạo  ra một loại vật liệu sử dụng bùn  nạo vét thay thế phục vụ cho việc  san lấp, xây dựng (hạn chế việc  lấy cát từ lòng sông để tôn nền);  giảm thiểu được xói lở bờ sông,  bờ biển hiện nay ở khu vực Đồng  bằng sông Cửu Long do khai thác  cát quá giới hạn; giải quyết được  chỗ đổ thải bùn nạo vét trên địa  bàn  các  tỉnh  Đồng  bằng  sông  Cửu Long hàng năm (hiện tại các  dự án nạo vét đang phải đền bù  đất cho người dân để lấy chỗ xả  bùn thải).

     (14) Những  kết  quả  ban  đầu  cho  thấy, phương pháp cứng hóa bùn  có thể giải quyết vấn đề nền đất  yếu,  bùn  nạo  vét  ở  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  hàng  năm;  các  sản phẩm hình thành này có thể  là  sẽ  là  một  nguồn  nguyên  liệu  tiềm năng trong khu vực để san  lấp và xây dựng các cơ sở hạ tầng  phục vụ phát triển kinh tế - xã hội  nói  chung,  xây  dựng  nông  thôn  mới nói riêng  

(Nguồn: “Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu”, TS Ngô Anh Quân, GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Ý nào dưới đây không phải là giải pháp trong trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên?  

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu

     (1) Cứng hóa bùn là việc trộn vật  liệu kết dính hoạt tính vào trong  bùn  thải,  bùn  nạo  vét.  Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là  “cứng  hóa”  và  “ổn  định”.  “Ổn định” được hiểu là để xử lý  ô nhiễm, bằng việc cố định các  chất gây hại trong hỗn hợp bùn  cứng hóa cũng như biến đổi các  chất gây hại này sang các chất ít  gây hại hơn, có độ hòa tan thấp  hơn.  “Cứng  hóa” là  sự  cải  thiện  tính chất vật lý của bùn, các tính  chất vật lý này bao gồm cường độ  nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo,  độ sệt cũng như tăng khả năng  chống  thấm.  Mục  đích  của  việc  trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào  bùn nhằm làm cải thiện cường độ,  tính thấm và sức bền bằng cách  giảm hệ số rỗng và gắn các hạt  đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu  kết dính với bùn có 3 phản ứng  chính xảy ra, gồm  khử nước, trao  đổi ion, phản ứng keo  hóa. Cường  độ của bùn sau khi được trộn sẽ  tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc  vào phản ứng keo hóa.

     (2) Các  vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng bao gồm xi măng  Portland, bụi lò xi măng, vôi bột,  đá vôi, tro bay, tro xỉ, thạch cao,  hỗn hợp phốt pho và nhiều sản  phẩm  thương  mại  độc  quyền  khác.  Do  sự  khác  nhau  về  tính  chất cơ lý (hàm lượng nước, giới  hạn chảy, giới hạn dẻo) cũng như  thành phần hóa học của các loại  bùn, nên cấp phối trộn cho việc  cứng  hóa  cần  được  thiết  kế  để  phù  hợp  với  tính  chất  từng  loại  nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật  cũng như giá thành. Các vật liệu  kết dính được chia làm hai loại là  vô cơ và hữu cơ. Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính vô cơ  thường được lựa chọn hơn do giá  thành rẻ hơn nhiều so với chất kết  dính  hữu  cơ  như  nhựa  át  phan,  ure  formandehyde  và  các  chất  polyme khác.

     (3) Cơ chế làm cứng và cải tạo bùn  là keo tụ thông qua các phản ứng  trao đổi cation và tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan  trong  môi  trường  đất bùn:  

nCaO + SiO 2  + yH 2 O  →  C-S-H    (1)

     (4) Xi măng Portland là thành phần  chính trong bê tông được sử dụng  trong xây dựng, vì vậy xi măng là  một lựa chọn rất tốt cho quá trình  đông cứng và ổn định đối với các  loại bùn khác nhau. Cấp phối có  thành phần xi măng là phổ biến  hơn so với các chất kết dính khác.  Xi măng thường được sử dụng vì:  (1) trong quá trình hydrat hóa xi  măng làm giảm nước tự do trong  bùn, (2) giảm độ thấm do thay đổi  liên kết trong bùn, (3) bao phủ các  hạt bùn bằng lớp chống thấm, (4)  cố định hóa học các chất gây hại  trong bùn bằng giảm độ hòa tan  của chúng và (5) tạo thuận lợi cho  việc giảm độc tính của một số chất  ô nhiễm. Hỗn hợp vật liệu trộn xi  măng có thể xử lý được các chất  gây hại vô cơ cũng như hữu cơ.  Các hỗn hợp vật liệu thương mại  độc  quyền  thường  là  sản  phẩm  trộn của các chất kết dính vô cơ  hoặc hữu cơ với xi măng. Tro bay  hoặc tro xỉ thường được kết hợp  sử dụng với xi măng để kích hoạt  phản  ứng  pozzolan  của  chúng.  Bụi  lò  xi  măng  thường  được  sử  dụng vì lý do kinh tế. Vôi bột có  thể sử dụng để điều chỉnh pH hay  giảm  nước  nhờ  nhiệt  lượng  cao  tỏa  ra  trong  quá  trình  thủy  hóa.  Đá vôi dùng để điều chỉnh pH và  tăng trọng lượng hỗn hợp.

     Các công nghệ cứng hóa bùn

     (5) Các  công  nghệ  hiện  nay  thường  được  áp  dụng  để  cứng  hóa  bùn  nhằm  cải  thiện  sự  gắn  kết  của  các  hạt  đất  gồm:  công  nghệ thoát lượng nước trong bùn  và công nghệ trộn các vật liệu kết  dính vào bùn.

     Thoát  nước  trong  bùn  tự  nhiên để cải tạo bùn

     (6) Giải pháp thoát nước tự nhiên:  bùn được đào lên và vận chuyển  đến  vị  trí  cần  sử  dụng,  sau  đó  được  phơi  khô  và  thoát  nước  tự  nhiên.  Kết  quả  một  số  nghiên  cứu  với  giải  pháp  này  cho  thấy,  sau khoảng 11 tháng, hàm lượng  nước ban đầu của bùn là khoảng  115-130% giảm còn 65-75%.

     (7) Sử dụng các vật liệu thoát nước  kết hợp hút chân không:  phương  pháp  này  ứng  dụng  cơ  chế  hút  nước trong nền để làm tăng các  chỉ tiêu cơ lý của nền, bằng cách  cắm  các  bấc  thấm  thẳng  đứng  rồi nối với máy bơm chân không.  Kết cấu thoát nước đứng thường  đi cùng với việc gia tải nhằm thúc  đẩy quá trình thoát nước của các  loại đất yếu nhằm đẩy nhanh quá  trình cố kết. Kết cấu thoát nước  tạo ra một “con đường” để nước  thoát ra từ trong đất. Thời gian để  thoát  nước  cho  đất  có  thể  giảm  từ một vài năm xuống chỉ còn vài  tháng. Việc hút chân không giúp  cải thiện các tính chất cơ lý của  bùn hoặc đất yếu.  

    Trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên  

     (8) Trộn vật liệu kết dính bằng hệ  thống  bơm  khí  nén:  công  nghệ  này  đã  được  các  nhà  khoa  học  nghiên cứu năm 1998 bằng cách  trộn các vật liệu kết dính với bùn  trên đường ống bơm vận chuyển  bằng  hệ  thống  máy  nén  khí.  Phương pháp này không yêu cầu  lượng nước hỗ trợ bơm vào bùn  chảy trong đường ống, loại bỏ sự  cần thiết phải lắp đặt hệ thống xử  lý thoát nước trong khu vực san  lấp.  Tuy  nhiên,  công  nghệ  này  có chi phí cao và đòi hỏi một thời  gian dài để hỗn hợp bùn xi măng  đạt được các tính chất cơ học cần  thiết cho các công trình xây dựng  tiếp theo.

     (9) Trộn  vật  liệu  kết  dính  bằng  các  trạm  trộn:  vật  liệu  kết  dính  với các hàm lượng đã được tính  toán nghiên cứu trước được đưa  vào  bùn  tự  nhiên  qua  các  trạm  trộn cưỡng bức. Phương pháp này  đã được áp dụng tại nhiều công  trình trên thế giới bởi nhiều nhà  thầu thi công. Có thể dùng những  trạm trộn di động bằng cách lắp  các buồng trộn cỡ nhỏ trên các xe  tải hoặc với những công trình khối  lượng lớn có thể sử dụng các trạm  trộn cố định để trộn vật liệu kết  dính vào bùn tự nhiên.

     (10) Giải pháp trộn tại chỗ bùn cần  gia cố:  đây là giải pháp đáp ứng  được nhiều yêu cầu của thực tế  khi  cần  tăng  khả  năng  chịu  tải  của  những  vùng  đất  yếu,  vùng  cần san lấp. Việc xác định tỷ lệ  các thành phần chất kết dính đưa  Mô hình thi công gia cố đất bùn bằng thoát nước và hút chân không tại Nhật Bản. vào xử lý được xác định từ các thí  nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm  qua các thiết bị trộn nông nhằm  cải thiện được tính chất cơ lý của  khu vực cần gia cố, san lấp. Với  các loại hình thiết bị khác nhau,  vật liệu kết dính sẽ được trộn đều  trong  khối  đất  cần  gia  cố  bằng  công nghệ khô/ướt, quay/phun áp  lực, khoan/cắt...

Ứng dụng tiềm năng tại Việt Nam

     (11) Với bờ biển dài hơn 3.200 km  cùng 49 cảng biển lớn nhỏ, kèm  theo  hệ  thống  sông,  cửa  biển  phục vụ cho tàu bè vận chuyển  hàng hóa, đặc biệt tại Đồng bằng  sông Cửu Long giao thông trên hệ  thống sông ngòi đóng vai trò quan  trọng trong phát triển kinh tế. Do  đó yêu cầu khai thông luồng lạch  cửa sông, cửa biển và cảng biển  hàng năm là rất lớn. Lượng bùn  nạo vét cần được xử lý để tránh  ô  nhiễm  môi  trường  là  một  thử  thách được đặt ra trong quá trình  khai thác các cửa sông, cửa biển  và hải cảng. Ngoài ra, trên cơ sở  kết quả của Hội nghị về phát triển  bền  vững  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu  ngày  26-27/9/2017,  Chính  phủ đã ban hành Nghị quyết số  120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về  “Phát triển bền vững Đồng bằng  sông Cửu Long thích ứng với biến  đổi khí hậu”, trong đó có nội dung  “nghiên  cứu  tạo  nguồn  vật  liệu  mới  thay  thế,  phục  vụ  san  lấp,  xây dựng (hạn chế việc lấy cát từ  lòng sông để tôn nền). Quy hoạch  và đầu tư các khu xử lý chất thải,  nước thải tập trung, hiện đại; đẩy  mạnh tái chế, tái sử dụng và sản  xuất năng lượng từ rác”. Do vậy,  tiềm  năng  áp  dụng  giải  pháp  cứng hóa bùn tại Việt Nam là rất  lớn, bởi đồng thời giải quyết được  nhiều  vấn  đề  đặt  ra:  bảo  trì  hệ  thống giao thông đường thủy, tạo  ra vật liệu mới để san nền, góp  phần  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu và xử lý môi trường.

     (12) Theo  hướng  này,  Viện  Thủy  công đã có một nghiên cứu thực  nghiệm về việc hóa rắn bùn nạo  vét ở tỉnh Cà Mau với mục đích:  tạo vật liệu đất hỗn hợp đáp ứng  các  yêu  cầu  (góc  ma  sát  trong  φ >10 0 ; độ kết dính C>0,1 kg/cm 2 ,  có  thể  thay  thế  được  cho  móng  cát  xây  dưới  nền  đê  theo  thiết  kế hiện hành; tạo vật liệu có thể  được bơm đi từ 500 đến 1.000 m;  giá  thành  sản  phẩm  chấp  nhận  được đối với bùn đã qua xử lý.   

     (13) Nhóm nghiên cứu đã thực hiện  thí nghiệm tại Hà Nội với mẫu bùn  lấy từ tỉnh Cà Mau, tro bay ở Trà  Vinh, vôi lấy tại Thái Bình và các  phụ gia hóa học. Sau thử nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm,  nhóm  nghiên cứu đã áp dụng tại công  trường xây dựng trong Khu công  nghiệp Khánh An, tỉnh Cà Mau.  Kết  quả  ứng  dụng  ban  đầu  tại  hiện trường cho thấy, có thể tạo  ra một loại vật liệu sử dụng bùn  nạo vét thay thế phục vụ cho việc  san lấp, xây dựng (hạn chế việc  lấy cát từ lòng sông để tôn nền);  giảm thiểu được xói lở bờ sông,  bờ biển hiện nay ở khu vực Đồng  bằng sông Cửu Long do khai thác  cát quá giới hạn; giải quyết được  chỗ đổ thải bùn nạo vét trên địa  bàn  các  tỉnh  Đồng  bằng  sông  Cửu Long hàng năm (hiện tại các  dự án nạo vét đang phải đền bù  đất cho người dân để lấy chỗ xả  bùn thải).

     (14) Những  kết  quả  ban  đầu  cho  thấy, phương pháp cứng hóa bùn  có thể giải quyết vấn đề nền đất  yếu,  bùn  nạo  vét  ở  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  hàng  năm;  các  sản phẩm hình thành này có thể  là  sẽ  là  một  nguồn  nguyên  liệu  tiềm năng trong khu vực để san  lấp và xây dựng các cơ sở hạ tầng  phục vụ phát triển kinh tế - xã hội  nói  chung,  xây  dựng  nông  thôn  mới nói riêng  

(Nguồn: “Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu”, TS Ngô Anh Quân, GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Theo văn bản trên, Chính phủ đã ban hành khai thác bùn trên khu vực nào?

Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu

     (1) Cứng hóa bùn là việc trộn vật  liệu kết dính hoạt tính vào trong  bùn  thải,  bùn  nạo  vét.  Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là  “cứng  hóa”  và  “ổn  định”.  “Ổn định” được hiểu là để xử lý  ô nhiễm, bằng việc cố định các  chất gây hại trong hỗn hợp bùn  cứng hóa cũng như biến đổi các  chất gây hại này sang các chất ít  gây hại hơn, có độ hòa tan thấp  hơn.  “Cứng  hóa” là  sự  cải  thiện  tính chất vật lý của bùn, các tính  chất vật lý này bao gồm cường độ  nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo,  độ sệt cũng như tăng khả năng  chống  thấm.  Mục  đích  của  việc  trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào  bùn nhằm làm cải thiện cường độ,  tính thấm và sức bền bằng cách  giảm hệ số rỗng và gắn các hạt  đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu  kết dính với bùn có 3 phản ứng  chính xảy ra, gồm  khử nước, trao  đổi ion, phản ứng keo  hóa. Cường  độ của bùn sau khi được trộn sẽ  tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc  vào phản ứng keo hóa.

     (2) Các  vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng bao gồm xi măng  Portland, bụi lò xi măng, vôi bột,  đá vôi, tro bay, tro xỉ, thạch cao,  hỗn hợp phốt pho và nhiều sản  phẩm  thương  mại  độc  quyền  khác.  Do  sự  khác  nhau  về  tính  chất cơ lý (hàm lượng nước, giới  hạn chảy, giới hạn dẻo) cũng như  thành phần hóa học của các loại  bùn, nên cấp phối trộn cho việc  cứng  hóa  cần  được  thiết  kế  để  phù  hợp  với  tính  chất  từng  loại  nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật  cũng như giá thành. Các vật liệu  kết dính được chia làm hai loại là  vô cơ và hữu cơ. Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính vô cơ  thường được lựa chọn hơn do giá  thành rẻ hơn nhiều so với chất kết  dính  hữu  cơ  như  nhựa  át  phan,  ure  formandehyde  và  các  chất  polyme khác.

     (3) Cơ chế làm cứng và cải tạo bùn  là keo tụ thông qua các phản ứng  trao đổi cation và tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan  trong  môi  trường  đất bùn:  

nCaO + SiO 2  + yH 2 O  →  C-S-H    (1)

     (4) Xi măng Portland là thành phần  chính trong bê tông được sử dụng  trong xây dựng, vì vậy xi măng là  một lựa chọn rất tốt cho quá trình  đông cứng và ổn định đối với các  loại bùn khác nhau. Cấp phối có  thành phần xi măng là phổ biến  hơn so với các chất kết dính khác.  Xi măng thường được sử dụng vì:  (1) trong quá trình hydrat hóa xi  măng làm giảm nước tự do trong  bùn, (2) giảm độ thấm do thay đổi  liên kết trong bùn, (3) bao phủ các  hạt bùn bằng lớp chống thấm, (4)  cố định hóa học các chất gây hại  trong bùn bằng giảm độ hòa tan  của chúng và (5) tạo thuận lợi cho  việc giảm độc tính của một số chất  ô nhiễm. Hỗn hợp vật liệu trộn xi  măng có thể xử lý được các chất  gây hại vô cơ cũng như hữu cơ.  Các hỗn hợp vật liệu thương mại  độc  quyền  thường  là  sản  phẩm  trộn của các chất kết dính vô cơ  hoặc hữu cơ với xi măng. Tro bay  hoặc tro xỉ thường được kết hợp  sử dụng với xi măng để kích hoạt  phản  ứng  pozzolan  của  chúng.  Bụi  lò  xi  măng  thường  được  sử  dụng vì lý do kinh tế. Vôi bột có  thể sử dụng để điều chỉnh pH hay  giảm  nước  nhờ  nhiệt  lượng  cao  tỏa  ra  trong  quá  trình  thủy  hóa.  Đá vôi dùng để điều chỉnh pH và  tăng trọng lượng hỗn hợp.

     Các công nghệ cứng hóa bùn

     (5) Các  công  nghệ  hiện  nay  thường  được  áp  dụng  để  cứng  hóa  bùn  nhằm  cải  thiện  sự  gắn  kết  của  các  hạt  đất  gồm:  công  nghệ thoát lượng nước trong bùn  và công nghệ trộn các vật liệu kết  dính vào bùn.

     Thoát  nước  trong  bùn  tự  nhiên để cải tạo bùn

     (6) Giải pháp thoát nước tự nhiên:  bùn được đào lên và vận chuyển  đến  vị  trí  cần  sử  dụng,  sau  đó  được  phơi  khô  và  thoát  nước  tự  nhiên.  Kết  quả  một  số  nghiên  cứu  với  giải  pháp  này  cho  thấy,  sau khoảng 11 tháng, hàm lượng  nước ban đầu của bùn là khoảng  115-130% giảm còn 65-75%.

     (7) Sử dụng các vật liệu thoát nước  kết hợp hút chân không:  phương  pháp  này  ứng  dụng  cơ  chế  hút  nước trong nền để làm tăng các  chỉ tiêu cơ lý của nền, bằng cách  cắm  các  bấc  thấm  thẳng  đứng  rồi nối với máy bơm chân không.  Kết cấu thoát nước đứng thường  đi cùng với việc gia tải nhằm thúc  đẩy quá trình thoát nước của các  loại đất yếu nhằm đẩy nhanh quá  trình cố kết. Kết cấu thoát nước  tạo ra một “con đường” để nước  thoát ra từ trong đất. Thời gian để  thoát  nước  cho  đất  có  thể  giảm  từ một vài năm xuống chỉ còn vài  tháng. Việc hút chân không giúp  cải thiện các tính chất cơ lý của  bùn hoặc đất yếu.  

    Trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên  

     (8) Trộn vật liệu kết dính bằng hệ  thống  bơm  khí  nén:  công  nghệ  này  đã  được  các  nhà  khoa  học  nghiên cứu năm 1998 bằng cách  trộn các vật liệu kết dính với bùn  trên đường ống bơm vận chuyển  bằng  hệ  thống  máy  nén  khí.  Phương pháp này không yêu cầu  lượng nước hỗ trợ bơm vào bùn  chảy trong đường ống, loại bỏ sự  cần thiết phải lắp đặt hệ thống xử  lý thoát nước trong khu vực san  lấp.  Tuy  nhiên,  công  nghệ  này  có chi phí cao và đòi hỏi một thời  gian dài để hỗn hợp bùn xi măng  đạt được các tính chất cơ học cần  thiết cho các công trình xây dựng  tiếp theo.

     (9) Trộn  vật  liệu  kết  dính  bằng  các  trạm  trộn:  vật  liệu  kết  dính  với các hàm lượng đã được tính  toán nghiên cứu trước được đưa  vào  bùn  tự  nhiên  qua  các  trạm  trộn cưỡng bức. Phương pháp này  đã được áp dụng tại nhiều công  trình trên thế giới bởi nhiều nhà  thầu thi công. Có thể dùng những  trạm trộn di động bằng cách lắp  các buồng trộn cỡ nhỏ trên các xe  tải hoặc với những công trình khối  lượng lớn có thể sử dụng các trạm  trộn cố định để trộn vật liệu kết  dính vào bùn tự nhiên.

     (10) Giải pháp trộn tại chỗ bùn cần  gia cố:  đây là giải pháp đáp ứng  được nhiều yêu cầu của thực tế  khi  cần  tăng  khả  năng  chịu  tải  của  những  vùng  đất  yếu,  vùng  cần san lấp. Việc xác định tỷ lệ  các thành phần chất kết dính đưa  Mô hình thi công gia cố đất bùn bằng thoát nước và hút chân không tại Nhật Bản. vào xử lý được xác định từ các thí  nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm  qua các thiết bị trộn nông nhằm  cải thiện được tính chất cơ lý của  khu vực cần gia cố, san lấp. Với  các loại hình thiết bị khác nhau,  vật liệu kết dính sẽ được trộn đều  trong  khối  đất  cần  gia  cố  bằng  công nghệ khô/ướt, quay/phun áp  lực, khoan/cắt...

Ứng dụng tiềm năng tại Việt Nam

     (11) Với bờ biển dài hơn 3.200 km  cùng 49 cảng biển lớn nhỏ, kèm  theo  hệ  thống  sông,  cửa  biển  phục vụ cho tàu bè vận chuyển  hàng hóa, đặc biệt tại Đồng bằng  sông Cửu Long giao thông trên hệ  thống sông ngòi đóng vai trò quan  trọng trong phát triển kinh tế. Do  đó yêu cầu khai thông luồng lạch  cửa sông, cửa biển và cảng biển  hàng năm là rất lớn. Lượng bùn  nạo vét cần được xử lý để tránh  ô  nhiễm  môi  trường  là  một  thử  thách được đặt ra trong quá trình  khai thác các cửa sông, cửa biển  và hải cảng. Ngoài ra, trên cơ sở  kết quả của Hội nghị về phát triển  bền  vững  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu  ngày  26-27/9/2017,  Chính  phủ đã ban hành Nghị quyết số  120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về  “Phát triển bền vững Đồng bằng  sông Cửu Long thích ứng với biến  đổi khí hậu”, trong đó có nội dung  “nghiên  cứu  tạo  nguồn  vật  liệu  mới  thay  thế,  phục  vụ  san  lấp,  xây dựng (hạn chế việc lấy cát từ  lòng sông để tôn nền). Quy hoạch  và đầu tư các khu xử lý chất thải,  nước thải tập trung, hiện đại; đẩy  mạnh tái chế, tái sử dụng và sản  xuất năng lượng từ rác”. Do vậy,  tiềm  năng  áp  dụng  giải  pháp  cứng hóa bùn tại Việt Nam là rất  lớn, bởi đồng thời giải quyết được  nhiều  vấn  đề  đặt  ra:  bảo  trì  hệ  thống giao thông đường thủy, tạo  ra vật liệu mới để san nền, góp  phần  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu và xử lý môi trường.

     (12) Theo  hướng  này,  Viện  Thủy  công đã có một nghiên cứu thực  nghiệm về việc hóa rắn bùn nạo  vét ở tỉnh Cà Mau với mục đích:  tạo vật liệu đất hỗn hợp đáp ứng  các  yêu  cầu  (góc  ma  sát  trong  φ >10 0 ; độ kết dính C>0,1 kg/cm 2 ,  có  thể  thay  thế  được  cho  móng  cát  xây  dưới  nền  đê  theo  thiết  kế hiện hành; tạo vật liệu có thể  được bơm đi từ 500 đến 1.000 m;  giá  thành  sản  phẩm  chấp  nhận  được đối với bùn đã qua xử lý.   

     (13) Nhóm nghiên cứu đã thực hiện  thí nghiệm tại Hà Nội với mẫu bùn  lấy từ tỉnh Cà Mau, tro bay ở Trà  Vinh, vôi lấy tại Thái Bình và các  phụ gia hóa học. Sau thử nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm,  nhóm  nghiên cứu đã áp dụng tại công  trường xây dựng trong Khu công  nghiệp Khánh An, tỉnh Cà Mau.  Kết  quả  ứng  dụng  ban  đầu  tại  hiện trường cho thấy, có thể tạo  ra một loại vật liệu sử dụng bùn  nạo vét thay thế phục vụ cho việc  san lấp, xây dựng (hạn chế việc  lấy cát từ lòng sông để tôn nền);  giảm thiểu được xói lở bờ sông,  bờ biển hiện nay ở khu vực Đồng  bằng sông Cửu Long do khai thác  cát quá giới hạn; giải quyết được  chỗ đổ thải bùn nạo vét trên địa  bàn  các  tỉnh  Đồng  bằng  sông  Cửu Long hàng năm (hiện tại các  dự án nạo vét đang phải đền bù  đất cho người dân để lấy chỗ xả  bùn thải).

     (14) Những  kết  quả  ban  đầu  cho  thấy, phương pháp cứng hóa bùn  có thể giải quyết vấn đề nền đất  yếu,  bùn  nạo  vét  ở  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  hàng  năm;  các  sản phẩm hình thành này có thể  là  sẽ  là  một  nguồn  nguyên  liệu  tiềm năng trong khu vực để san  lấp và xây dựng các cơ sở hạ tầng  phục vụ phát triển kinh tế - xã hội  nói  chung,  xây  dựng  nông  thôn  mới nói riêng  

(Nguồn: “Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu”, TS Ngô Anh Quân, GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Theo văn bản trên, phương pháp cứng hóa bùn trong văn bản sẽ phục vụ cho lĩnh vực nào?