Phát triển công nghệ sản xuất vật liệu aerogel composite từ tro bay định hướng ứng dụng làm vật liệu siêu nhẹ, cách âm, cách nhiệt

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VẬT LIỆU AEROGEL COMPOSITE TỪ TRO BAY ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU SIÊU NHẸ, CÁCH ÂM, CÁCH NHIỆT Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Chủ nhiệm nhiệm vụ: PGS.TS Lê Thị Kim Phụng Thành phố Hồ Chí Minh – 2021 ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VẬT LIỆU AEROGEL COMPOSITE TỪ TRO BAY ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU SIÊU NHẸ, CÁCH ÂM, CÁCH NHIỆT (Đã chỉnh sửa theo kết luận Hội đồng nghiệm thu ngày 26/12/2021) Chủ nhiệm nhiệm vụ (ký tên) Lê Thị Kim Phụng Cơ quan chủ trì nhiệm vụ (ký tên đóng dấu) MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT .i DANH MỤC BẢNG ii DANH MỤC HÌNH ẢNH iii CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan nguyên liệu tro bay .1 1.2 Vật liệu aerogel 1.3 Phương pháp tổng hợp aerogel 1.4 Các nghiên cứu aerogel từ tro bay 10 1.4.1 Các nghiên cứu giới 10 1.4.2 Các nghiên cứu nước 16 1.5 Mục tiêu nhiệm vụ 17 1.5.1 Mục tiêu tổng quát 17 1.5.2 Mục tiêu cụ thể .17 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP TRO BAY AEROGEL 18 2.1 Quy trình tổng hợp aerogel từ tro bay 18 2.1.1 Quy trình tổng hợp aerogel từ silica trích ly từ tro bay 18 2.1.2 Quy trình tổng hợp aerogel trực tiếp từ tro bay 20 2.2 Phương pháp đánh giá tính chất nguyên liệu quy trình tổng hợp 21 2.2.1 Đánh giá tính chất nguyên liệu .21 2.2.2 Đánh giá tính chất tro bay aerogel 24 2.3 Kết bàn luận 29 2.3.1 Đánh giá tính chất nguyên liệu tro bay 29 2.3.2 Đánh giá quy trình tổng hợp silica aerogel tro bay aerogel .31 2.3.3 Đánh giá quy trình tổng hợp aerogel trực tiếp từ tro bay .32 2.3.4 Đánh giá tính chất hình thái học tro bay aerogel 33 2.3.5 Đánh giá khối lượng riêng độ rỗng aerogel từ tro bay 34 2.3.6 Đánh giá thông số lỗ xốp tro bay aerogel 35 2.3.7 Đánh giá tính chất học tro bay aerogel 36 2.3.8 Đánh giá độ bền nhiệt tro bay aerogel .37 2.3.9 Tối ưu hóa quy trình tổng hợp aerogel từ tro bay 38 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP AEROGEL COMPOSITE TỪ TRO BAY VÀ SỢI POLYETHYLENE TEREPHTHALATE TÁI CHẾ ĐỊNH HƯỚNG CÁCH NHIỆT VÀ CÁCH ÂM 43 3.1 Quy trình tổng hợp aerogel composite từ tro bay sợi rPET 43 3.2 Phương pháp nghiên cứu 45 3.2.1 Hình thái học aerogel composite từ tro bay 45 3.2.2 Khối lượng riêng độ rỗng aerogel composite 45 3.2.3 Xác định độ dẫn nhiệt tro bay aerogel composite 45 3.2.4 Xác định hệ số hấp thụ âm tro bay aerogel composite 45 3.2.5 Độ bền học tro bay aerogel composite 46 3.2.6 Phân tích nhiệt trọng lượng tro bay aerogel composite 46 3.3 Kết bàn luận 46 3.3.1 Ảnh hưởng thành phần phối trộn đến tính chất cách nhiệt tro bay aerogel composite 47 3.3.2 Ảnh hưởng thành phần phối trộn đến tính chất cách âm tro bay aerogel composite 47 3.3.3 Các thông số vật lý, hình thái học học vật liệu aerogel composite từ tro bay .49 3.3.4 Tối ưu hóa quy trình tổng hợp aerogel composite từ tro bay .52 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA QUY TRÌNH SẢN XUẤT VẬT LIỆU AEROGEL COMPOSITE TỪ TRO BAY 61 4.1 Xác định thông số vận hành lựa chọn thiết bị phù hợp để sản xuất vật liệu aerogel composite quy mô pilot 61 4.2 Sản xuất thử nghiệm vật liệu aerogel composite quy mô pilot 64 4.3 Đánh giá thông số vật lý, đặc tính học khả ứng dụng vật liệu aerogel composite 66 4.3.1 Đánh giá tính chất aerogel composite từ tro bay 66 4.3.2 Đánh giá độ đồng tro bay aerogel composite thông qua hệ số dẫn nhiệt 67 4.4 Tính tốn chi phí sản xuất hiệu kinh tế vật liệu aerogel composite 68 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 74 5.1 Sản phẩm dạng I 74 5.2 Sản phẩm dạng II 75 5.3 Sản phẩm dạng III 75 5.4 Sản phẩm đào tạo 75 5.5 Đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp 76 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .77 6.1 Kết luận 77 6.1.1 Nghiên cứu tổng hợp aerogel từ tro bay .77 6.1.2 Nghiên cứu tổng hợp aerogel composite từ tro bay kết hợp sợi rPET 77 6.2 Kiến nghị 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC .91 DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT CMC Carboxymethyl cellulose FA Fly ash – tro bay FTIR Fourier-transform infrared spectroscopy MTMS Methyltrimethoxysilane PVA Polyvinyl alcohol rPET Recycled polyethylene terephthalate SEM Scanning electron microscopy TGA Thermogravimetric analysis XG Xanthan gum %KL Phần trăm theo khối lượng kl Tổng khối lượng i DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thiết kế thí nghiệm tổng hợp tro bay aerogel 21 Bảng 2.2 Thành phần tro trước sau phân riêng cyclone 29 Bảng 2.3 Chỉ tiêu chất lượng tro bay dùng cho bê tông vữa xây .30 Bảng 2.4 Chỉ tiêu kỹ thuật tro bay dùng cho xi măng 30 Bảng 2.5 Kết phân tích hoạt độ phóng xạ mẫu tro bay 30 Bảng 2.6 Tính chất vật lý học aerogel từ tro bay cyclone 35 Bảng 2.7 Thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa tổng hợp aerogel từ tro bay 39 Bảng 2.8 Khối lượng riêng độ rỗng tro bay aerogel với tỉ lệ FA/PVA khác 40 Bảng 3.1 Thiết kế thí nghiệm tổng hợp tro bay aerogel composite .44 Bảng 3.2 Độ dẫn nhiệt tro bay aerogel composite 47 Bảng 3.3 Tính chất vật lý học aerogel composite từ tro bay sợi rPET 49 Bảng 3.4 Thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa quy trình chế tạo aerogel composite từ tro bay .52 Bảng 3.5 Khối lượng riêng, độ rỗng mô-đun nén aerogel composite 54 Bảng 4.1 Thông tin nguyên liệu cần sử dụng để sản xuất mẻ aerogel composite 62 Bảng 4.2 Danh mục vật tư để sản xuất aerogel composite kích thước 1,8 x x 0,02 m 63 Bảng 4.3 Độ dẫn nhiệt 12 khu vực tro bay aerogel composite 67 Bảng 4.4 Dự trù kinh phí sản xuất mẻ gồm 27 m2 aerogel composite 69 Bảng 4.5 Dự trù kinh phí sản xuất mẻ gồm 27 m2 aerogel composite sử dụng hệ thống lượng mặt trời 71 Bảng 4.6 Độ dẫn nhiệt giá thành sản phẩm cách nhiệt thương mại 72 Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật sản phẩm cách âm thương mại 72 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 (a) Bãi chứa tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân, (b) tro bay .1 Hình 1.2 Aerogel dạng khối (a), dạng hạt (b) dạng phim (c) Hình 1.3 Phân loại vật liệu aerogel Hình 1.4 (a) Silica aerogel, (b) xe tự hành Sojourner sử dụng silica aerogel (c) khả chống cháy silica aerogel Hình 1.5 Sơ đồ tổng hợp vật liệu aerogel Hình 1.6 Quá trình sấy thăng hoa .8 Hình 1.7 Thiết bị sấy đơng khơ dùng phịng thí nghiệm (trái) quy mô pilot (phải) Hình 1.8 Ảnh SEM silica aerogel tổng hợp phương pháp tạo gel sử dụng xúc tác sulfate (a,b,c) sử dụng xúc tác nhựa trao đổi ion kiềm 12 Hình 1.9 (a) Tro bay, (b) quặng trona, (c) hỗn hợp hai nguyên liệu sau nung, (d) silica aerogel (e) ảnh SEM silica aerogel .14 Hình 2.1 Quy trình tổng hợp silica aerogel từ tro bay 18 Hình 2.2 Quy trình tổng hợp aerogel trực tiếp từ tro bay .20 Hình 2.3 Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Hitachi S-4800 22 Hình 2.4 Bình Le Chatelier đựng tro bay dung mơi isopropyl alcohol 24 Hình 2.5 Các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ theo IUPAC 26 Hình 2.6 Thiết bị đo TGA .28 Hình 2.7 Máy đo tính đa Instron 5500 29 Hình 2.8 Ảnh SEM hạt tro bay trước (a) sau (b) phân riêng cyclone 30 Hình 2.9 Đường phân bố kích thước hạt tro bay trước (a) sau (b) phân riêng 31 Hình 2.10 (a) Silica gel, (b) gel ướt sau biến tính (c) silica aerogel 32 Hình 2.11 Đường hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt silica aerogel từ tro bay .32 Hình 2.12 Mặt đáy (a) mặt (b) aerogel từ tro bay thô 33 Hình 2.13 Mặt đáy aerogel từ tro bay phân riêng với hàm lượng 3,0% (a) 5,0% (b) 33 Hình 2.14 Ảnh SEM tro bay aerogel với tăng dần hàm lượng tro bay (a,b) 3,0%, (c,d) 4,0% (e,f) 5,0% độ phóng đại khác 34 iii Hình 2.15 Đường hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt tro bay aerogel chứa 5% tro bay 36 Hình 2.16 Đường ứng suất – biến dạng tro bay aerogel theo tăng dần hàm lượng tro bay .37 Hình 2.17 Đường cong TGA tro bay aerogel với hàm lượng tro bay tăng dần .37 Hình 2.18 Các mẫu aerogel composite với tỉ lệ FA/PVA 1,5 (a), (b) 2,5 (c) 40 Hình 2.19 Các mẫu aerogel composite với thời gian khuấy h (a), h (b) h (c) 41 Hình 2.20 Các mẫu aerogel composite với nhiệt độ khuấy 60 °C (a), 70 °C (b) 80 °C (c) 41 Hình 3.1 Quy trình tổng hợp tro bay aerogel composite kết hợp với sợi rPET 43 Hình 3.2 Thiết bị phân tích độ dẫn nhiệt TCi 45 Hình 3.3 Ống trở kháng BSWA dùng cho đo đạc âm 46 Hình 3.4 Đường cong hấp thụ âm tro bay aerogel composite 48 Hình 3.5 Hình thái học tro bay aerogel composite với hàm lượng tro bay khác nhau: (a,d) 1,0%, (b,e) 2,0% (c,f) 4,0% độ phóng đại tương ứng 80 500 .49 Hình 3.6 Đường ứng suất – biến dạng tro bay aerogel composite theo tăng dần hàm lượng tro bay .50 Hình 3.7 Đồ thị TGA tro bay aerogel composite .52 Hình 3.8 Mặt mặt đáy mẫu tro bay aerogel composite 53 Hình 3.9 Hình thái học tro bay aerogel composite độ phóng đại x80: FAC1 (a), FAC2 (b), FAC3 (c), FAC4 (d), FAC5 (e) FAC6 (f) 54 Hình 3.10 Đường cong ứng suất – biến dạng aerogel composite với hàm lượng rPET 1,0 %kl (a) 2,0 %kl (b) .56 Hình 3.11 Độ dẫn nhiệt tro bay aerogel composite 57 Hình 3.12 Đường cong hấp thụ âm theo tần số aerogel composite với hàm lượng sợi rPET 2,0 %kl 58 Hình 3.13 Đường cong hấp thụ âm theo tần số aerogel composite với hàm lượng 2,0 %kl tro bay .59 Hình 3.14 Đường cong hấp thụ âm aerogel composite sản phẩm thương mại khác .59 iv Hình 4.1 Sơ đồ tổng hợp aerogel composite đề xuất quy mơ cơng nghiệp có điều chỉnh 61 Hình 4.2 Cân vật chất cho sản xuất 15 aerogel composite 1,8 x x 0,02 m 62 Hình 4.3 (a) Thiết bị khuấy trộn (b) thiết bị sấy thăng hoa công nghiệp 64 Hình 4.4 Cân vật chất cho mẫu aerogel composite có kích thước 35 x 47 x cm 65 Hình 4.5 Ảnh chụp mẫu aerogel composite kích thước 35 x 47 x cm 66 Hình 4.6 Kiểm tra độ đồng tính cách nhiệt aerogel composite 68 v 58 Zhang H Qian L (2011), Controlled freezing and freeze drying: a versatile route for porous and micro‐/nano‐structured materials, J Chem Technol Biotechnol, số 86(2), tr 172 59 Alnaief M García-González CA, Smirnova I (2011), Polysaccharide-based aerogels - Promising biodegradable carriers for drug delivery systems, Carbohyd Polym, số 86(4), tr 1425-38 60 D’Alessandro F Asdrubali F, Schiavoni S (2015), A review of unconventional sustainable building insulation materials, Sustain Mater Technol, số 4, tr 117 61 Lorenzati A Fantucci S, Kazas G, Levchenko D, Serale G (2015), Thermal energy storage with super insulating materials: a parametrical analysis, Energ Procedia, số 78, tr 441-446 62 Luu TP Do NHN, Thai QB, Le DK, Chau NDQ, Nguyen ST cộng (2020), Heat and sound insulation applications of pineapple aerogels from pineapple waste, Mater Chem Phys, số 242, tr 122267 63 Thai QB Zhen LW, Nguyen TX, Le DK, Lee JKW, Xiang YQ cộng (2019), Recycled cellulose aerogels from paper waste for a heat insulation design of canteen bottles, Fluids, số 4, tr 174 64 Xie ZC Duong HM, Wei KH, Nian NG, Tan K, Lim HJ cộng (2017), Thermal jacket design using cellulose aerogels for heat insulation application of water bottle, Fluids, số 2(4), tr 64 65 de Brito J Pedroso M, Silvestre J (2017), Characterization of eco-efficient acoustic insulation materials (traditional and innovative), Constr Build Mater, số 140, tr 221-228 66 Le DK Koh HW, Ng GN, Zhang X, Phan-Thien N, Kureemun U cộng (2018), Advanced recycled polyethylene terephthalate aerogels from plastic waste for acoustic and thermal insulation applications, Gels, số 4(2), tr 43 67 Pajonk GM Pierre AC (2002), Chemistry of aerogels and their applications, Chem Rev, số 102, tr 4243-65 86 68 Lefeuvre O Gibiat V, Woignier T, Pelous J, Phalippou J (1995), Acoustic properties and potential applications of silica aerogels, J Non-Cryst Solids, số 186, tr 244-255 69 Liu JX Shi F, Song K, Wang ZY (2010), Cost-effective synthesis of silica aerogels from fly ash via ambient pressure drying, J Non-Cryst Solids, số 356, tr 2241-46 70 Xu J Qin X, Feng Y, Tahmasebi A, Yu J (2014), An experimental study on production of silica aero-gel using fly ash from coal-fired power plants, Adv Mat Res, số 1010-1012, tr 943-946 71 Fan M Wu X, Mclaughlin JF, Shen X, Tan G (2018), A novel low-cost method of silica aerogel fabrication using fly ash and trona ore with ambient pressure drying technique, Powder Technol, số 323, tr 310-322 72 Lambert P Nguyen CV, Tran QH (2019), Effect of Vietnamese fly ash on selected physical properties, durability and probability of corrison of steel in concrete, Materials, số 12(4), tr 593 73 Phuong NTL Hai NX (2013), Characteristics of fly ash and use ability in Vietnam, ARPN Journal of Agricultural and Biological Science, số 8(12), tr 785-787 74 Thi NL Mien TV (2013), Nghiên cứu đặc trưng nhiệt bêtông sử dụng hàm lượng tro bay lớn, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ xây dựng, tr 3-4 75 Qian Y Shi G, Tan F, Cai W, Li Y, Cao Y (2019), Controllable synthesis of pomelo peel-based aerogel and its application in adsorption of oil/organic pollutants, R Soc Open Sci, số 6, tr 181823 76 Feixu Chen, Yihe Zhang, Jingang Liu, Xinke Wang, Paul K Chu, Bohua Chu Na Zhang (2020), Fly ash based lightweight wall materials incorporating expanded perlite/SiO2 aerogel composite: Towards low thermal conductivity, Construction and Building Materials, số 249, tr 118728 77 N.H.N Do, T.P Luu, Q.B Thai, D.K Le, N.D.Q Chau, S.T Nguyen, P.K Le, N Phan-Thien H.M Duong (2020), Heat and sound insulation 87 applications of pineapple aerogels from pineapple waste, Mater Chem Phys., số 242, tr 122267 78 Kwek LP Zhang X, Le DK, Tan MS, Duong HM (2019), Fabrication and properties of hybrid coffee-cellulose aerogels from spent coffee grounds, Polymers, số 11(12), tr 1942 79 Le D Feng J, Nguyen ST, Nien VTC, Jewell D, Duong HM (2016), Silicacellulose hybrid aerogels for thermal and acoustic insulation applications, Colloids Surf A Physicochem Eng Asp, số 506, tr 298-305 80 Liao SF Wang YT, Shang K, Chen MJ, Huang JQ, Wang YZ, SChiraldi DA (2015), Efficient approach to improving the flame retardancy of poly(vinyl alcohol)/clay aerogels: Incorporating piperazine-modified ammonium polyphosphate, ACS Appl Mater Interfaces, số 7(3), tr 1780–1786 81 J Zhu, Li Q, Che Y, Liu X, Dong C, Chen X, Wang C (2020), Effect of Na2CO3 on the microstructure and macroscopic properties and mechanism analysis of PVA/CMC composite film, Polymers, số 12(2), tr 453 82 Assis OBG Britto D (2009), Thermal degradation of carboxymethylcellulose in different salty forms, Thermochim Acta, số 494(1-2), tr 115-122 83 A.M Luna F.U.A Shaikh (2020), Anisotropy and bond behaviour of recycled polyethylene terephthalate (PET) fibre as concrete reinforcement, Constr Build Mater., số 265, tr 120331 84 J.G Laria, R Gaggino, J Kreiker, L.E Peisino, M Positieri A Cappelletti (2020), Mechanical and processing properties of recycled PET and LDPEHDPE composite materials for building components, J Thermoplast Compos Mater., tr 0892705720939141 85 H.W Koh, D.K Le, G.N Ng, X Zhang, N Phan-Thien, U Kureemun H.M Duong (2018), Advanced recycled polyethylene terephthalate aerogels from plastic waste for acoustic and thermal insulation applications, Gels, số 4, tr 43 86 M Rahimabady, E.C Statharas, K Yao, M Sharifzadeh Mirshekarloo, S Chen F.E.H Tay (2017), Hybrid local piezoelectric and conductive 88 functions for high performance airborne sound absorption, Appl Phys Lett., số 111(24), tr 241601 87 L Peng, B Song, J Wang D Wang (2015), Mechanic and Acoustic Properties of the Sound-Absorbing Material Made from Natural Fiber and Polyester, Adv Mater Sci Eng., số 2015, tr 274913 88 L Cao, Q Fu, Y Si, B Ding J Yu (2018), Porous materials for sound absorption, Compos Commun., số 10, tr 25-35 89 K.O Lee, M.A Medina, E Raith X Sun (2015), Assessing the integration of a thin phase change material (PCM) layer in a residential building wall for heat transfer reduction and management, Appl Energy, số 137, tr 699-706 90 Y Guan, C Chen, Y Han, H Ling Q Yan (2014), Experimental and modelling analysis of a three-layer wall with phase-change thermal storage in a Chinese solar greenhouse, J Build Phys., số 38(6), tr 548-559 91 Coudane J Villain F, Vert M (1994), Thermal degradation of poly(ethylene terephthalate) and the estimation of volatile degradation products, Polym Degrad Stab, số 43(3), tr 431-440 92 Mishra V Srivastava A, Singh P, Srivastava A, Kumar R (2012), Comparative study of thermal degradation behavior of graft copolymers of polysaccharides and vinyl monomers, J Therm Anal Calorim, số 107, tr 211-223 93 Nga H N Do, Tan M Le, Huy Q Tran, Nghiep Q Pham, Kien A Le, Phuc T T Nguyen, Hai M Duong, Tuan A Le Phung K Le (2021), Green recycling of fly ash into heat and sound insulation composite aerogels reinforced by recycled polyethylene terephthalate fibers, Journal of Cleaner Production, số 322, tr 129138 94 Aspen Aerogel, "Pyrogel® XTE Blanket Cut-to-Size (10-mm Thickness)", 2021 [Trực tuyến] Địa chỉ: http://www.buyaerogel.com/product/pyrogel-xteblanket-cut-to-size-10-mm-thickness/ [Truy cập 05/11/2021] 95 Aerogel Technologies, "Airloy® X134 Strong Aerogel Large Panels", 2021 [Trực tuyến] Địa chỉ: http://www.buyaerogel.com/product/airloy-x134-largepanels/ [Truy cập 05/11/2021] 89 96 Cabot, "AEROGEL BLANKET - Thermal wrap", 2021 [Trực tuyến] Địa chỉ: https://www.cabotcorp.com/solutions/products-plus/aerogel/blanket [Truy cập 05/11/2021] 97 Shandong Datang Energy Saving Materials Co Ltd., "DATANG Factory Hot Sales Modern Design Water Resistant Thermal Lining Material Aerogel Heat Insulation Blanket", 2021 [Trực tuyến] Địa chỉ: https://www.alibaba.com/product-detail/DATANG-Factory-Hot-SalesModern-Design_1600139412768.html?s=p [Truy cập 05/11/2021] 98 Alibaba, "Fireproof Acoustic Absorption Panel Soundproof Padding Dark Gray pack Beveled Edge", [Trực tuyến] Địa chỉ: https://www.alibaba.com/product-detail/Fireproof-Acoustic-AbsorptionPanel-Soundproof-Padding_1600097025383.html [Truy cập 03/01/2022] 99 Nguyễn Minh Tuyển (2006), Q trình thiết bị khuấy trộn cơng nghệ 100 Trần Văn Phú (2001), Tính tốn thiết kế hệ thống sấy 90 PHỤ LỤC Bản vẽ thiết kế quy trình sản xuất aerogel composite quy mơ cơng nghiệp 91 Tính tốn cân vật chất lựa chọn thiết bị Tính cân vật chất theo khối lượng sản phẩm 1.1 Thông tin nguyên liệu, sản phẩm thời gian sản xuất aerogel composite: - Kích thước aerogel composite (1800x1000x2) mm, mẻ 15 suất sản phẩm 27 m2/mẻ - Khối lượng riêng aerogel composite 36 kg/m3 - Thành phần nguyên liệu sản phẩm: + Nguyên liệu: tro bay %kl, rPET %kl, XG 0,4 %kl, nước + Sản phẩm: tro bay 27,94 %kl, rPET 55,88 %kl, XG 11,18 %kl, ẩm 5% - Thời gian sản xuất mẻ: + Thời gian khuấy trộn: 1,25 + Thời gian phối trộn hỗn hợp FA/XG với rPET: 0,75 + Thời gian già hóa: + Cấp đông: + Thời gian sấy: 48 Từ mẻ thứ trở đi, thời gian sản xuất mẻ thời gian sấy thăng hoa 48 1.2 Tính tốn cân vật chất: - Thể tích aerogel composite: 0,036 m3 - Thể tích mẻ nguyên liệu gồm 15 với hao hụt cho bề dày 10%: 0,594 m3 - Tổng khối lượng sản phẩm (15 tấm) sau sấy: 0,594.36 = 21,384 kg - Khối lượng nguyên liệu cần dùng sau với hệ số thất thoát đổ huyền phù tro bay/XG vào khuôn chứa rPET 2% Khối lượng nguyên liệu (kg) Khối lượng nguyên liệu với hệ số thất thoát 2% (kg) XG 2,39 2,44 Tro bay 5,97 6,09 rPET 11,95 11,95 Nước 597,49 609,44 Tổng khối lượng nguyên liệu 617,8 629,92 92 Lựa chọn thiết bị 2.1 Thiết bị khuấy trộn [99] ❖ Các thông số thiết bị: - Năng suất thiết bị khuấy hỗn hợp tro bay/XG nước: 617,97 kg - Thể tích dung dịch sau khuấy thay đổi không đáng kể nên ta lấy khối lượng riêng hỗn hợp khối lượng riêng nước nhiệt độ 25oC ρ = 996,9 kg/m3 - Độ nhớt µ = 1,62 Pa.s - Thể tích hỗn hợp: 0,62 m3 - Chọn bồn khuấy hình trụ, sử dụng cánh khuấy chân vịt Theo (bảng 2.9/37 - [99]) kích thước máy khuấy ta chọn theo tỉ lệ sau: STT Tỉ lệ kích thước Phạm vi d/D 0,15 – 0,4 h/d 0,7 – 1,5 h/D 0,2 – 0,33 B/D 0,08 – 0,1 Trong đó: D: đường kính thùng khuấy d: đường kính cánh khuấy b: chiều rộng cánh khuấy h: khoảng cách từ cánh đến đáy thùng - Căn vào suất thực tế cho mẻ sản phẩm 580 lít Ta lựa chọn thông số ưu tiên thiết bị máy khuấy trộn sau: D = 1000 mm d = 300 mm b = 100 mm h = 200 mm Chiều cao mực chất lỏng trạng thái tĩnh Y = 790 mm - Việc tạo phễu sâu nguyên nhân gây lực ngang phụ tác dụng lên trục khuấy Lực lớn độ sâu hp độ sâu giới hạn hgh 93 - Số vòng quay làm việc n nhỏ số vòng quay giới hạn ngh, để đảm bảo làm việc bình thường hp ≤ 0,33D theo (CT 3.14/65 - [99]), hp = 0,33D ta có số vịng qua cho phép: 𝑛𝑐𝑝 = 𝐶1 √𝐷 = √1 =5 𝑣ị𝑛𝑔 𝑠 Trong đó: C1 = – hệ số tra (bảng 3-1/65 -[99]), D = m  Chọn tốc độ khuấy n = vòng/s - Chiều cao bình khuấy: 955 mm ❖ Cơng suất khuấy trộn: N = kNn3d5ρ (W) Trong đó: KN hệ số cơng suất khuấy n số vịng quay (vịng/s) d đường kính cánh khuấy (m) ρ khối lượng riêng hỗn hợp (kg/m3) - Xác định hệ số công suất khuấy KN - Chuẩn số Reynold 𝑅𝑒 = 𝑛𝑑 𝜌 × 0,32 × 996,9 = = 276,92 𝜇 1,62 Ta có: 50 ≤ Re ≤ 5*104 nên: 𝐾𝑁 = 7,1 7,1 = = 3,323 0,135 𝑅𝑒 276,920,135  Công suất khuấy thiết bị: N = 1006,26 W ❖ Công suất động cơ: 𝑁đ𝑐 = 𝑁 𝜂𝑡đ 𝜂ℎđ Trong đó: N cơng suất khuấy W ηtđ hệ số truyền động ηtđ = 0,65 – 0,8 chọn ηtđ = 0,7 ηhđ hiệu suất hộp đệm ηhđ = 0,85 – 0,9 Chọn ηhđ = 0,85  Công suất động cơ: Nđc = 1691,19 W 94 2.2 Khuôn đựng mẫu: - Chất liệu thép inox 304, kích thước 1000 x 1800 x 30 mm dày mm - Tổng diện tích bề mặt khay: 1,968 m2 - Khối lượng khay: 31,21 kg 2.3 Thiết bị sấy thăng hoa ❖ Các thông số kĩ thuật cho q trình tính tốn - Năng xuất buồng sấy: G = 617,57 kg nguyên liệu/ mẻ - Hàm lượng nước vật liệu: w1 = 96,6 % - Nhiệt dung riêng: C = 4,1868 KJ/KgK - Thời gian sấy mẻ: 48h - Độ ẩm ban đầu tính theo khối lượng chất khô W1 = 29750 % - Độ ẩm sản phẩm sau sấy: W2 = % - Tổng lượng ẩm bốc trình sấy xác định: Wa = 596,18 kg/mẻ - Sản phẩm sau sấy: Gsp = G1 - Wa = 617,57 – 596,18 = 21.384 kg - Ở giai đoạn cấp đông vật liệu sấy: thời gian: τ0 = 4h; nhiệt độ t0 = - 50oC - Ở giai đoạn thăng hoa: thời gian: τ1 = 7h; nhiệt độ t1 = 40oC Khối lượng ẩm bay 70% W2 = 0,8×596,18 = 476,95 kg - Ở giai đoạn bay ẩm dư: thời gian: τ1 = 37h; nhiệt độ t1 = 70oC Khối lượng ẩm bay 20% W3 = 0,2×596,18 = 119,236 kg ❖ Tính kích thước buồng sấy - Thể tích sản phẩm: 0,62 m3 - Thể tích buồng lạnh tủ cấp đơng: theo kích thước 1800x1000x20 mm số khay 15 a = 1,2 m b=2m Với khoảng cách khay 35 mm, chiều cao 0,525 m  Chọn chiều cao h = 0,7 m  Thể tích buồng lạnh: 1,68 m3 ❖ Tính tốn nhiệt lượng cho q trình cấp đông 95 - Nhiệt lượng cấp cho tủ cấp đông phải bảo đảm công suất lạnh hệ thống lạnh cho tải hết lượng nhiệt Q (kW) tỏa từ sản phẩm q trình cấp đơng thải ngồi mơi trường 𝑄 = 𝛽[ 𝑄𝑠𝑝 + 𝑄𝑘 + 𝑄𝑘𝑘 + 𝑄𝑚𝑡 ] 𝑘𝑊 𝑡 Trong đó: 𝛽 - Hệ số kể đến tăng nhiệt độ ban đầu sản phẩm lấy 𝛽 = t – Thời gian mẻ cấp đơng (s) Qsp – Chi phí lạnh cho q trình cấp đơng (kW) Qk – Nhiệt lượng lấy từ khuôn (kJ) Qkk – Nhiệt lượng lấy làm lạnh khơng khí (kJ) Qmt – Nhiệt lượng từ môi trường xâm nhập qua vách cửa tủ (kW) ❖ Chi phí lạnh cho q trình cấp đơng Qsp = Q1 + Q2 + Q3 Trong đó: Q1 – Lượng nhiệt lấy để làm giảm nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ đóng băng nước sản phẩm (kJ) Q2 – Lượng nhiệt lấy để toàn nước sản phẩm đóng băng (kJ) Q3 – Lượng nhiệt lấy để làm giảm nhiệt độ băng đến nhiệt độ cuối q trình cấp đơng (kJ) - Ta có: Nhiệt độ ban đầu sản phẩm (t1) 25oC nhiệt độ sản phẩm cuối trình cấp đơng t2 -50oC - Tính Q1 theo cơng thức: Q1 = C1×Gsp× (t1 – tđb) [kJ] Trong đó: C1 = 4,1868: nhiệt dung sản phẩm trước đóng băng [kJ/kgK] Gsp = 617,57 kg: khối lượng sản phẩm t1 = 25oC: Nhiệt độ ban đầu sản phẩm tđb = 0oC: Nhiệt độ nước đóng băng  Q1 = 64.640,69 kJ - Tính Q2 theo cơng thức: Q2 = L.Gspw1 96 Trong đó: L = 355 [kJ/kg]: Nhiệt đóng băng nước (ẩn nhiệt nước đóng băng) w1 = 0,996 độ ẩm vật liệu  Q2 = 199.850,72 kJ - Q3 tính theo cơng thức: Q3 = C3×Gsp×w1(tđb – t2) Trong đó: C3 = 2,1 (kJ/(kgđộ)): Nhiệt dung riêng băng tđb = 0oC: Nhiệt độ nước đóng băng t2: Nhiệt độ sản phẩm cuối q trình cấp đơng t2 = -50oC  Q3 = 74.571,16 kJ  Như chi phí lạnh cho q trình cấp đơng sản phẩm là: 339.062,58 kJ ❖ Nhiệt lấy từ khay tính theo cơng thức: Qk = Ck.Gk.(tk1 – t2) Trong đó: Gk = 468,187 kg: tổng khối lượng khay chứa sản phẩm tk1 = 25oC: nhiệt độ khay vào buồng nhiệt lấy nhiệt độ phòng t2 = -50oC: Nhiệt độ cuối Ck = 0,49 (kJ/kgđộ): Nhiệt dung riêng tôn thép làm khuôn  Qk = 17.205,88 kJ ❖ Nhiệt lấy để làm lạnh khơng khí - Dịng nhiệt lấy để làm lạnh khơng khí tủ cấp đơng tính theo cơng thức: Qkk = 2.Gkk× (h1 – h2) Trong đó: Gkk Lượng khơng khí khơ ứng với lượng khơng khí thể tích tủ h1 (kJ/kg): Entalpi khơng khí lúc bắt đầu q trình cấp đơng sản phẩm h2 (kJ/kg): Entalpi khơng khí lúc kết thúc q trình cấp đơng sản phẩm ❖ Entalpi khơng khí tủ trước q trình cấp đơng h1 tính theo cơng thức: h1 = t1 + (2500 + 2t1) ×d1 97 - Khơng khí vào tủ đơng trước q trình cấp đơng khơng khí từ phịng chế biến có t1, φ1 theo quy trình cơng nghệ thì: t1 = 25oC, φ1 = 85 % - Áp suất bão hòa: 𝑃𝑏 = exp (12 − 4026,42 235,5+𝑇 𝑜 𝐶 𝑑 = 0,621 𝜑.𝑃𝑏 𝐵−𝜑𝑃𝑏 ) = 0,0315 𝑏𝑎𝑟 = 3150 𝑃𝑎 [100] = 0,017 (kg ẩm/kg kk) [100]  h1 = 69,49 kJ/kg  Tương tự (-50oC, 100%) ta có h2 = -49,9 kJ/kg ❖ Khối lượng khơng khí khơ tủ: xác định theo phương trình trạng thái sau: 𝐺𝑘𝑘 = 𝐵 − 𝑃𝑏 𝑉 𝑅𝑇 𝑘𝑘 Trong đó: B = 9,81.104 Pa: Áp suất khí Pb = 3150 Pa: Áp suất riêng phần nước T = (26 + 273)K: Nhiệt độ tuyệt đối khơng khí khơ R = 287 J/kg Vkk = Vbl – Vsp = 1,68 – 0,62 = 1,06 m3: thể tích khơng khí khơ  Gkk = 1,178 kg  Qkk = 281,32 kJ ❖ Nhiệt lượng từ môi trường xâm nhập qua vách cửa tủ (kW) Lấy nhiệt tổn thất 5% lượng nhiệt cho tủ cấp đông 0,95𝑄 = [ 𝑄𝑠𝑝 + 𝑄𝑘 + 𝑄𝑘𝑘 339062,58 + 17205,88 + 281,32 ]= 𝑡 × 3600  Q = 26,06 kW ❖ Tính tốn nhiệt cho q trình sấy thăng hoa - Lượng ẩm cần thiết bốc giai đoạn: + Ở giai đoạn thăng hoa: 𝑊21 = 𝑊2 𝜏2 = + Ở giai đoạn bay ẩm dư: 𝑊31 = 476,944 𝑊3 𝜏3 = = 68,135 𝑘𝑔/ℎ 119,236 37 - Nhiệt lượng cần thiết cho trình sấy sơ cấp 98 = 3,223 𝑘𝑔/ℎ + Nhiệt độ thăng hoa -10oC, ẩn nhiệt thăng hoa rth = 2843,488kJ/kg Khi nhiệt lượng cần cho trình thăng hoa 1h là: qth = rth W21 = 2843,488.68,135 = 193741,05 kJ/h = 53,82 kW + Như nhiệt lượng cần thiết cho trình thăng hoa Qth = qth τ2 = 193741,05×7 = 1356187,38 kJ - Nhiệt lượng cần thiết cho trình bay ẩm dư Ở giai đoạn ẩm vật liệu tồn dạng lỏng nên ta lấy rbh = 2471,326 kJ/kg Nhiệt lượng cần cho trình bay ẩm 1h là: qbh = rbh W31 = 2471,326×3,223 = 7965,08 kJ/h = 2,21 kW Qbh = qbh τ3 = 7965,08×37 = 294707,96 kJ  Tổng lượng nhiệt cần thiết cho trình sấy Q = Qth + Qbh = 1356187,38 + 294707,96 = 1650895,34 kJ ❖ Tính tốn cho bơm chân không - Năng suất bơm chân không tính cơng thức: 𝑁𝑏 = 𝛽1 𝛽2 𝐵 − 𝑃𝑔ℎ 𝑉 ln ( ) 𝑙í𝑡/ℎ 𝜏′ 𝑃𝑡ℎ − 𝑃𝑔ℎ Trong đó: 𝛽1 = (1,2 ÷ 1,5): hệ số rị rỉ buồng thăng hoa hay hệ số đặc trưng cho độ kính buồng thăng hoa 𝛽2 = (1,12 ÷ 1,15): hệ số an tồn bơm chân khơng V (lít): thể tích buồng thăng hoa, tính tốn V = 1,68m3 τ’ (h): thời gian đuổi hết khí buồng thăng hoa, thực tế thời gian đuổi hết khơng khí buồng (0,5 ÷ 2,5) phút Chọn τ’ = phút = 2/60 h B (mmHg): áp suất khí Pth = 10 Pa = 0,01315(mmHg): áp suất thăng hoa buồng sấy Pgh = 0,008 (mmHg): áp suất giới hạn mà bơm chân khơng tạo  Như vậy: 𝑁𝑏 = 1,2 ∗ 1,12 ∗ 1680 760 − 0,008 ln ( ) = 828535 𝑙í𝑡/ℎ 0,01315 − 0,008 60 99 - Công suất động bơm chân không: 𝑁= ∆𝑃 𝑁𝑏 𝑘𝑊 1000 𝜂𝐻 𝜂𝑣 𝜂𝑐𝑘 Trong đó: Nb = 828535 lít/h = 828,535 m3/h suất hút bơm chân không ∆𝑃 = 10 𝑃𝑎: áp suất chân không cần tạo ηH hiệu suất thủy lực bơm chân khơng (0,97 ÷ 0,98), chọn ηH = 0,97 ηv hiệu suất thể tích bơm chân khơng (0,95 ÷ 0,99), chọn ηv = 0,97 ηck hiệu suất khí bơm chân khơng (1,12 ÷ 1,15), chọn ηck = 1,14  Như vậy: 𝑁= 10 ∗ 828535 = 7,72 𝑘𝑊 1000 ∗ 0,97 ∗ 0,97 ∗ 1,14 100 ... CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VẬT LIỆU AEROGEL COMPOSITE TỪ TRO BAY ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU SIÊU NHẸ, CÁCH ÂM, CÁCH NHIỆT (Đã chỉnh sửa theo kết luận Hội đồng... vật liệu aerogel composite từ tro bay .49 3.3.4 Tối ưu hóa quy trình tổng hợp aerogel composite từ tro bay .52 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA QUY TRÌNH SẢN XUẤT VẬT LIỆU AEROGEL COMPOSITE. .. nhiệt độ cao (vượt qua điểm tới hạn) [49,50] Điều làm hạn chế ứng dụng công nghệ sản xuất aerogel chi phí lượng nguyên liệu đắt đỏ Xu hướng việc phát triển dòng vật liệu aerogel tính cao sử dụng