Các cơ chế điều chế geopolyme
1.1.2.1 Cơ chế polyme hóa trực tiếp
GS Plattfort của Đại học Bruxelles đã phát hiện ra rằng kaolinit, một khoáng chất có cấu trúc 2:1 với một lớp nhôm, có hai lá u mang điện tích âm Bằng cách sử dụng xút NaOH, người ta có thể loại bỏ lớp nhôm, biến điện tích âm thành điện tích dương Tinh thể kaolinit còn lại có hai điện tích âm và dương tương tác như một nam châm nhỏ, kết nối với nhau để tạo ra một phân tử siêu lớn, gọi là polyme vô cơ Điều này đã mở ra hướng nghiên cứu mới trong ngành hóa học, cho phép phát triển vật liệu mới như bê tông polymer thay thế cho bê tông xi măng truyền thống Công nghệ này, nhờ vào quá trình kết nối bằng điện tích, đã được công nhận là một công nghệ mới trong xây dựng, giao thông, y tế và công nghiệp.
Hình 1.1 Cơ chế polyme hóa trực tiếp
Vào thập niên 50 của thế kỷ 20, các nhà khoa học đã lặp lại thành công sự kết hợp giữa vôi và t sét Họ nhận thấy rằng dưới kính hiển vi, các hạt t sét hóa nhờ vào vôi tạo ra những sự tương tác đặc biệt Đến đầu thế kỷ 21, chúng ta mới nhận ra rằng các s i polyme t sét - vôi - t sét đã tạo ra những ứng dụng quan trọng trong ngành vật liệu.
Molecule t sét có khả năng hình thành một loại polymer hóa vô cơ ở nhiệt độ thường, tạo ra một chất dẻo mịn Các hạt này mang điện tích âm, tương tác với các cation kim loại trong môi trường Quá trình này dẫn đến việc nối kết các anion với nhau, hình thành chuỗi polymer Sự kết dính được tăng cường thông qua việc thu hút thêm cation vào chuỗi anion - cation - anion, tạo ra một cấu trúc polymer vô cơ bền vững.
Quá trình polymer hóa của tấm sét tạo nên bê tông ngược lại với sự kết tinh của xi măng Portland: polymer hóa diễn ra khi nước thoát ra ngoài, dẫn đến sự kết tinh hóa hút nước vào, tạo ra nước kết tinh bên trong Sự thoát nước này ảnh hưởng đến cấu trúc bê tông.
Cơ chế polyme hóa gián tiếp liên quan đến hai màng mỏng nước và vôi Khi hai màng này tiếp xúc với nhau, nhờ tính âm của các hạt và tính ương của vôi, chúng sẽ kết dính lại và tạo thành polyme Để quá trình này diễn ra hiệu quả, cần có lực nén hoặc điều kiện phơi khô.
1.1.2.2 Cơ chế theo sự hình thành bê tông geopolyme
Geopolyme, do Davidovits phát triển, là một loại bê tông polyme có khả năng chuyển biến thành dạng polymer hóa và cứng rắn ở nhiệt độ thấp Loại vật liệu này không chỉ ổn định ở nhiệt độ cao mà còn có tính chống cháy tốt Có nhiều loại geopolyme khác nhau, nhưng chúng đều có khả năng ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, đặc biệt là trong lĩnh vực aluminosilicate.
Nguyên liệu chế tạo vật liệu geopolyme bao gồm hai thành phần chính: nguyên liệu alumino silicat và chất hoạt hóa kiềm Nguyên liệu alumino silicat cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolyme hóa, thường sử dụng các loại như tro bay, meta kaolanh, và muội silicon Chất hoạt hóa kiềm phổ biến được sử dụng là dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng natri silicat (Na2SiO3), giúp tạo môi trường kiềm và tham gia vào phản ứng geopolyme hóa.
Cấu trúc của geopolyme ẩn chứa trong cấu trúc của những alumino-silico, còn được gọi là poly-sialate (silic-oxy-nhôm) Khung sialate bao gồm những tứ diện SiO4 và AlO4 được kết nối xen kẽ với nhau bằng các nguyên tố oxy.
Nh ng ion ương (Na + , K + , Li + Ca 2+ , Ba 2+ , NH4 +
, H3O + ) ph i hi n di n trong các hốc của hung cân bằng i n tích của Al 3+ [39] và h nh thành monome mới
Hình 1.3 Tứ diện SiO 4 và AlO 4
Cơ hế ph n ng ư c minh họa ở nh ng ph n ng sau:
Theo D Hardjito [21] qu tr nh ph n ng hóa họ t o thành geopolyme ó th ư phân ra thành ướ h nh sau:
Hòa tan các phân tử Si và A trong nguyên i u nhờ vào ion hidroxit trong dung dịch
Định hướng l i các ion trong dung dịch t o thành monome
Đóng rắn các monome thông qua các ph n ng trùng ngưng polyme t o thành u trúc polyme vô ơ
Các nghiên cứu về geopolyme hiện nay
Nghiên cứu và ứng dụng geopolyme trong ngành công nghiệp vật liệu hiện đại đang ngày càng được chú trọng, bao gồm các sản phẩm như cấu trúc gỗ chống cháy, tấm sườn và panel hiện đại, vật liệu trang trí nhân tạo, panel bọt cách nhiệt, vật liệu xây dựng thô, gạch không nung, cấu trúc chịu lửa, và cấu trúc chống sốc nhiệt Các ứng dụng của geopolyme còn mở rộng đến việc sản xuất khuôn đúc nhôm, bê tông và hạt kết dính geopolyme, cũng như vật liệu chịu lửa, gia cố, sửa chữa, và vật liệu chống cháy công nghệ cao được sử dụng trong máy bay và ô tô Những tiến bộ này đang được giới thiệu và áp dụng trên toàn thế giới.
Lần đầu tiên vào năm 2008, cuốn sách "Hóa học Geopolymer và Ứng dụng" đã tổng hợp toàn bộ kiến thức về công nghệ geopolymer Các nghiên cứu tập trung vào thành phần và nồng độ của dung dịch kiềm, nhanh chóng thúc đẩy quá trình geopolyme hóa.
Geopolymer là một thuật ngữ được giới thiệu bởi Davidovits vào năm 1978, mô tả một chất kết dính có thành phần hóa học tương tự như zeolit nhưng có cấu trúc vô định hình Ông đã xuất phát từ thuật ngữ "poly(sialat)" để chỉ cấu trúc hóa học của geopolymer, dựa trên siloxo-aluminat; trong đó, "sialat" là từ viết tắt của silico-oxo-aluminat.
Van Jarsve Van Deventer và Lu ey [43] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các đặc tính geopolyme từ sự hòa tan hoàn toàn của những vật liệu phức tạp trong quá trình geopolyme hóa Nghiên cứu cho thấy rằng hàm lượng nước, thời gian và nhiệt độ bảo dưỡng có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của geopolyme Cụ thể, tại điều kiện bảo dưỡng và nhiệt độ gia nhiệt 700°C trong 24 giờ, độ bền của vật liệu tăng lên rõ rệt Thời gian bảo dưỡng càng dài và nhiệt độ càng cao thì độ bền của geopolyme càng được cải thiện.
Suresh G Patil đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của bê tông geopolyme Ông tiến hành thử nghiệm với các nồng độ NaOH khác nhau, tỷ lệ kết hợp giữa tro bay và Na2SiO3/NaOH, nhằm so sánh cường độ bê tông ở các mức nhiệt độ cao và thấp khác nhau.
Nghiên cứu về cường độ chịu nén và vùng tiếp xúc bề mặt ITZ của bê tông geopolyme cho thấy cường độ chịu nén của loại bê tông này phụ thuộc vào điều kiện hộp Điều kiện hộp thích hợp đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa cấu trúc của geopolyme.
Theo Zejak, độ chịu nén của vật liệu geopolyme tăng khi hàm lượng Na2SiO3/NaOH tăng Hàm lượng này ảnh hưởng đến quá trình geopolyme hóa, làm tăng cường độ chịu nén do sự thay đổi cấu trúc Việc bổ sung thêm thành phần vào vật liệu geopolyme cũng góp phần cải thiện tính chất cơ học, dẫn đến việc tăng cường độ của vật liệu này.
Theo nghiên cứu của Theo D Hardjito và B V Rangan, hệ số Poisson của bê tông geopolyme sử dụng tro bay dao động từ 0,12 đến 0,16, trong khi cường độ chịu nén đạt từ 40 đến 90 MPa Kết quả này cho thấy bê tông geopolyme có tính chất tương đương với bê tông xi măng truyền thống Họ cũng chỉ ra rằng mô đun đàn hồi tăng khi cường độ chịu nén gia tăng, và giá trị mô đun đàn hồi của bê tông geopolyme gần giống với bê tông xi măng truyền thống.
Nghiên cứu của Monita Olivia về vữa bê tông geopolyme sử dụng tro bay cho thấy mô đun đàn hồi của bê tông geopolyme đạt từ 25,33 đến 31,26 GPa, thấp hơn so với bê tông OPC với giá trị từ 34,16 đến 38,33 GPa Giá trị trung bình của hệ số Poisson của bê tông geopolyme dao động trong khoảng từ 0,13 đến 0,17.
S kích hoạt kiềm của meta alumina (MK) là một hàm số xuất phát từ vật liệu xi măng có độ bền cao Việc sử dụng tro bay như một phụ gia pozzolanic cho xi măng đã được áp dụng từ thời văn minh La Mã Meta alumina (MK) giúp cải thiện khả năng liên kết của vật liệu, giảm thiểu nước và muối xâm nhập, đồng thời ngăn ngừa hiện tượng phân hủy kiềm.
Một nhóm tác giả đã nghiên cứu việc sử dụng meta cao lanh (MK) kích hoạt bằng NaOH kết hợp với thủy tinh lỏng để tạo ra vật liệu vô định hình Kết quả phân tích XRD cho thấy nồng độ NaOH tăng lên dẫn đến sự gia tăng của vật liệu vô định hình Đối với phân tích cấu trúc vi mô, họ phát hiện rằng vật liệu này có cấu trúc tương đồng với meta cao lanh (MK).
Hong ing và ộng s (2005) đã tổng hợp một geopolyme dựa trên meta cao lanh (MK) ở khoảng 20°C, cho thấy rằng độ uốn, sức nén và mật độ cường độ của geopolyme tăng lên khi nồng độ NaOH tăng Kết luận cho thấy geopolyme là một vật liệu ổn định hình thành và phân ngưng kết trong hệ thống, chủ yếu xảy ra ở bề mặt của các hạt meta cao lanh (MK).
Xu và Van Deventer [43] đã nghiên cứu mối quan hệ tương đối của các khoáng chất khác nhau ở các tỷ lệ khác nhau trong hỗn hợp alumino silicat Họ nhận thấy rằng việc bổ sung ao anh là cần thiết cho sự hình thành kết cấu với hầu hết các khoáng chất alumino silicat Nếu ao anh được sử dụng không đúng cách, nó sẽ hình thành cấu trúc yếu, do đó, sự tương tác giữa các alumino silicat với nhau trở nên rất quan trọng.
Cio i và các cộng sự đã nghiên cứu một geopolyme được tổng hợp từ tro bay nung ở nhiệt độ từ 500°C đến 750°C trong khoảng thời gian từ 2 đến 6 giờ, sau đó được ủ ở nhiệt độ từ 25°C đến 85°C Họ đã chứng minh rằng quy trình này cho phép sản xuất vật liệu xây dựng chất lượng tốt Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu khác cũng đã được thực hiện về chủ đề này (Sun 2004, Zhang 2010, Duxson).
2007 Kong 2007 Duxson 2005 Rovnani 2010 Zuhua 2009) ư c th c hi n d a trên vi c kích ho t ki m của meta ao anh (MK) s n xu t geopolyme xi măng
Nghiên cứu của Pa omo [14] tập trung vào tính ổn định hóa học của vật liệu xi măng từ meta cao lanh (MK) khi tiếp xúc với các dung dịch hoạt động Kết quả cho thấy giải pháp này không ảnh hưởng nhiều đến sự tiến triển của cấu trúc vi mô và độ cứng của vật liệu Cường độ uốn tăng nhẹ sau 90 ngày, đặc biệt là với các mẫu xử lý trong dung dịch Na2SO4 Thời gian mà mẫu sử dụng trong dung dịch này có ảnh hưởng đến một mô hình tĩnh chuyển đổi cấu trúc mạng của aluminosilicat vô định hình thành một tinh thể.
M.Sofi [38] nghiên u v kh năng iên ết gi a cốt th p và ê tông geopolyme
Công ngh Geopolyme tuy hưa ư c phổ biến nhưng trong nh ng năm gần ây ở Vi t Nam ó s phát tri n trong ng dụng th c tiễn
Trần Anh Tiến [11] tr nh ày v lịch sử phát tri n của v t li u geopolyme, nguyên li u chế t o m u phương ph p x ịnh tính ch t của v t li u
Tro, xỉ nhiệt điện
Khái niệm
Trong nhà máy nhiệt điện, sau quá trình đốt cháy nhiên liệu than, phần phế thải rắn được tạo ra gồm hai dạng: phần thu được từ y và phần tro, bao gồm các hạt rắn mịn bay theo các khí thải Các hạt này được thu hồi thông qua các hệ thống thu gom của nhà máy nhiệt điện.
Tro bay (Fly ash) là những hạt tro rất nhỏ được phát sinh từ quá trình đốt nhiên liệu trong các nhà máy nhiệt điện Hạt tro bay chủ yếu có kích thước bụi (silt-sized) với đường kính từ 10 đến 100 micromet (0,01mm đến 0,1mm), tồn tại dưới dạng tinh thể hoặc vô định hình.
Tro bay được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng Theo tiêu chuẩn DBJ08-230-98 của thành phố Thượng Hải, tro bay được chia thành hai loại: tro bay có hàm lượng canxi thấp và tro bay có hàm lượng canxi cao Ngoài ra, theo cách phân loại của Canada, tro bay cũng được chia thành hai loại khác nhau.
Lo i F: hàm ư ng CaO t hơn 8%
Lo i CI: hàm ư ng CaO lớn hơn 8% nhưng t hơn 20%
Lo i C: hàm ư ng CaO lớn hơn 20%
Trên thế giới hiện nay, tro bay thường được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM C618 Các phân loại này phụ thuộc vào thành phần hóa chất của tro bay, được chia thành hai loại chính: loại C và loại F.
Tro bay lo i F khi tổng hàm ư ng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) lớn hơn 70%
Tro bay lo i C khi tổng hàm ư ng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) nhỏ hơn 70%
Tro bay chủ yếu bao gồm các thành phần "trơ" chiếm khoảng 84%, như oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit sắt (Fe2O3), cùng một lượng nhỏ oxit canxi (CaO) và oxit magie (MgO), cũng như than hư hỏng (C) Bên cạnh đó, tro bay còn chứa một số thành phần tan trong nước như oxit natri (Na2O) và oxit kali (K2O) với hàm lượng rất nhỏ Thành phần hóa học của tro bay phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu than sử dụng và điều kiện đốt cháy trong các nhà máy nhiệt điện Tro bay cũng có hoạt tính Pozzolan, giúp tăng cường độ bền của xi măng sau 28 ngày nhờ vào phản ứng với nước và thành phần chính là silica trong tro bay.
1.2.1.2 Tro đáy (xỉ đáy lò)
X y (tiếng Anh: Bottom Ash): à phần v t h t n i ở y sau hi ốt h y nhiên i u
Xây dựng chủ yếu bao gồm hạt thô và hạt mịn, với tỷ lệ hạt thô từ 50% đến 90% qua sàng 4.75mm; 10% đến 60% qua sàng 0.42mm; và 0% đến 10% qua sàng 0.075mm Một số hạt thô có kích thước từ 19mm đến 38.1mm Nhân hùng của hạt xây tương đương với tỷ lệ hạt trung và thường được sử dụng làm lớp mặt cho tường.
Thành phần ho họ : Tương t như tro ay x y hủ yếu u t o từ oxit ủa si i nhôm sắt anxi ngoài ra ó th ó thêm pirit (FeS)
Bảng 1.1 Các tính chất của tro, xỉ nhiệt điện Cao Ngạn và tro bay Phả Lại [7]
STT Chỉ tiêu Phả Lại Cao Ngạn Yêu cầu của ASTM 618:99
Tro bay Loại N Loại F Loại C
2 Hàm ư ng SO 3 (%) 0,14 ~8,0 10,0 Max 4 Max 5 Max 5
5 Sót sàng #m (%) 23,2 - 13,4 Max 34 Max 34 Max 34
6 Thời gian ông ết của v a – vôi (giờ- phút)
8 Ho t t nh ường ộ (%) ở tuổi 7 ngày ở tuổi 26 ngày
9 Lư ng nước yêu cầu (%)
10 Độ nở nồi h p (%) 0,028 0,02 0,01 Max 0,8 Max 0,8 Max 0,8
Ứng dụng của tro bay, xỉ nhiệt điện
Trong hơn 5 thập niên qua, tro bay đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, trở thành một phụ gia không thể thiếu cho nhiều công trình lớn trên thế giới Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng các công trình sử dụng tro bay mang lại ba lợi ích chính cho ngành công nghiệp xây dựng: chất lượng sản phẩm được cải thiện, chi phí giảm hơn và góp phần bảo vệ môi trường Cụ thể, tro bay không chỉ nâng cao độ bền của vật liệu mà còn giúp tiết kiệm chi phí xây dựng và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
Ứng dụng trong sản xuất xi măng và bê tông:
Tro ay là một phụ gia đặc biệt cho bê tông, có khả năng thay thế lên đến 20% xi măng Với cấu trúc mịn, tro không chỉ làm tăng độ nhớt của vữa mà còn giúp khử vôi trong xi măng, thành phần chính gây ra hiện tượng "nổ" làm giảm chất lượng của bê tông.
Ứng dụng làm vật liệu xây dựng
Tro bay hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng với nhiều mục đích khác nhau, như làm phụ gia cho bê tông xi măng và chất tạo thành bê tông asphalt Người ta sử dụng tro bay để thay thế một phần vôi và sỏi, làm vật liệu xây dựng cho cầu đường Sản xuất các loại gạch, tấm panel, và gạch cho sân phơi ở nông thôn, nhà tắm, hoặc dùng tro bay làm vật liệu xây dựng Một số công trình xây dựng nổi tiếng trên thế giới, như Puylaurent ở Pháp và cầu Great Belt East nối Copenhagen với các vùng trung tâm châu Âu, đã sử dụng tro bay trong bê tông.
Tro bay là vật liệu cốt nhẹ được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xây dựng, bao gồm các ứng dụng như thành phần xây dựng, bê tông trộn sẵn và bê tông sử dụng cho các tòa nhà cao tầng.
Ứng dụng trong nông nghiệp:
Tro bay là một tác nhân quan trọng trong nông nghiệp, được sử dụng làm chất hỗ trợ tăng trưởng cho cây trồng Kết hợp tro bay nhẹ với nước bùn tạo ra phân bón hữu ích Việc chuyển hóa tro bay thành sản phẩm chứa zeolit có khả năng cải thiện đất, chống chua, khô cằn và bạc màu, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu Điều này không chỉ tăng năng suất và chất lượng sản phẩm mà còn bảo quản một số nông sản sau thu hoạch, đồng thời cải thiện sức đề kháng và chống bệnh tật cho gia súc.
Các nghiên c u ng dụng của tro x (x y )
Sử dụng làm cốt liệu cho bê tông nhựa:
Tro xỉ được sử dụng làm chất liệu cho bê tông nhựa từ những năm 1970 Nó đóng vai trò như một chất liệu mịn trong hỗn hợp bê tông nhựa nóng và nguội, cũng như trong xây dựng tường Với kích thước hạt nhỏ hơn so với chất liệu thông thường, bê tông nhựa sử dụng tro xỉ thường được dùng để làm nền tường Nghiên cứu cho thấy, bê tông nhựa sử dụng 15% tro xỉ làm chất liệu có hiệu năng tương đương với bê tông nhựa nóng sử dụng các chất liệu thông thường khác.
Sử dụng làm vật liệu đắp nền dạng hạt:
Tro x ư c sử dụng làm cốt li u mịn làm n n, móng cho các công trình ường bộ và i u xe
Sử dụng làm phụ gia cho sản xuất xi măng Portland và geopolyme:
Xi măng Portland (OPC) là loại xi măng phổ biến nhất trên toàn thế giới, đóng vai trò quan trọng trong cấu tạo bê tông, vữa và hồ Thành phần chính của nó là clinke Portland, chiếm tỷ lệ 95-96%, và thạch cao, chiếm 4-5% Khi thêm các chất phụ gia như xỉ lò cao, tro than, và pozzolan tự nhiên, tỷ lệ phụ gia không được vượt quá 40%, trong đó phụ gia bay không quá 20%, xi măng Portland sẽ được gọi là xi măng Portland hỗn hợp.
Geopolyme, hay còn gọi là polymer vô cơ, là một loại vật liệu rắn tổng hợp từ nguyên liệu aluminosilicate kết hợp với dung dịch kiềm Cường độ của geopolyme có thể tăng lên đáng kể khi sử dụng natri silicate và NaOH Các loại geopolyme chứa 3% xút có cường độ đạt từ 24 đến 58 MPa.
Sử dụng để xử lý nước thải:
Tro x là một chất hấp phụ tiềm năng trong việc loại bỏ thuốc nhuộm độc hại, được nghiên cứu rộng rãi Hỗn hợp tro x và dầu nành có khả năng loại bỏ hiệu quả thuốc nhuộm azo tan trong nước, giúp cải thiện chất lượng nước.
Sử dụng hàng rào bãi chôn lấp:
Hàng rào i hôn p là một trong những thành phần quan trọng nhất trong xây dựng i hôn p Người ta thường sử dụng t s t- o i t ó ộ để cải thiện tính năng của hàng rào này Nghiên cứu cho thấy, việc kết hợp với 15% entonit có thể xây dựng hàng rào i hôn p với độ thẩm phù hợp, mang lại hiệu quả cao trong việc xây dựng.
Như v y tro x ó ng ụng ớn trong ĩnh v xây ng hủ yếu à ng ụng iên quan ến vi hế t o ê tông hoặ xi măng
Hiện trạng phát thải tro, xỉ nhiệt điện
Tại Ấn Độ, kho ng 80-100 tri u t n tro ay ư c t o ra hàng năm từ kho ng
75 nhà m y trong ó hơn 10 tri u t n từ các nhà máy nhi t i n công su t th p
Lư ng tro từ các nhà máy nhi t i n t i Ấn Độ tăng ùng với ư ng i n năng s n xu t, từ 75 tri u t n năm 1995 ên 90 tri u t n, 110 tri u t n trong năm 2000
Từ năm 2010 đến 2020, sản lượng tro từ các nhà máy nhiệt điện đã tăng lên 140 triệu tấn, với tỷ lệ sử dụng trung bình đạt 40% Dự báo trong năm năm tới, tiêu thụ than sẽ đạt khoảng 285 triệu tấn, dẫn đến việc sản xuất tro x (bao gồm tro bay và tro y) sẽ không ngừng gia tăng.
Mỗi năm, Việt Nam sử dụng khoảng 115 triệu tấn tro, với tỷ lệ sử dụng tăng từ dưới 10% vào năm 2000 lên khoảng 40% hiện nay Trong số này, 19 triệu tấn được dùng cho sản xuất xi măng, phần còn lại chủ yếu phục vụ nông nghiệp Sự tăng trưởng này chủ yếu nhờ vào chính sách của chính phủ yêu cầu sử dụng gần như hoàn toàn tro trong các nhà máy nhiệt điện mới trong vòng 5 năm tới, và cho các nhà máy hiện có trong 10 năm tới.
Tại Hoa Kỳ, hàng năm có khoảng 26,5 triệu tấn tro bay được sản xuất, với xu hướng tiếp tục gia tăng Việc sử dụng tro bay trong các ứng dụng như xây dựng, kè cống và kết cấu hạ tầng đang tăng lên, đạt khoảng 7,6 triệu tấn mỗi năm Mặc dù có nhiều bãi chôn lấp sẵn có, tỷ lệ sử dụng tro bay vẫn còn thấp do một số công ty chưa coi trọng việc sử dụng này Việc ứng dụng tro bay tại các tiểu bang cũng có sự khác biệt rõ rệt.
Nhật Bản là quốc gia hoàn toàn phụ thuộc vào than nhập khẩu cho sản xuất điện và ngành công nghiệp Hàng năm, lượng than sử dụng đạt 7 triệu tấn, chiếm 82% sản lượng năng lượng, trong đó 78% được sử dụng bởi các nhà máy nhiệt điện Ngành xi măng có tỷ trọng lớn nhất với 71% (4,89 triệu tấn) trong tổng số Ngoài việc sử dụng phổ biến trong sản xuất xi măng và bê tông, nhiều mục đích sử dụng khác cũng đang được khuyến khích và phát triển.
1.2.3.2 Tại Việt Nam Đến cuối năm 2018 nước ta có tổng cộng 23 nhà máy nhi t i n ho t ộng, trong ó ó 13 nhà m y sử dụng công ngh ốt than phun, 10 nhà máy sử dụng công ngh ốt than tầng sôi Tổng công su t nhi t i n 13.110 MW Tổng ư ng tro, x th c tế ph t sinh năm 2016 ho ng 15.784.357 t n/năm trong ó tro x ốt theo công ngh than phun PC là 10.681.896 t n/năm hiếm kho ng 68%, công ngh ốt than tầng sôi là 5.102.461t n/năm hiếm kho ng 32% Tổng ư ng tro, x , th ch cao hi n ang tồn t i các bãi ch a kho ng 22.705.558 t n
Thực tế hiện nay cho thấy, các nhà máy nhiệt điện lớn đang gặp khó khăn trong việc tiêu thụ tro xỉ, với mức tiêu thụ chỉ đạt khoảng 25%-30% hoặc không tiêu thụ hết Điều này dẫn đến tình trạng tồn trữ tro xỉ trên bãi chứa, gây ra sự chênh lệch trong phát thải và ảnh hưởng đến môi trường.
Lượng tro x phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện than đạt khoảng 15 triệu tấn mỗi năm, trong đó khu vực miền Bắc chiếm 60% tổng lượng phát thải, miền Trung 21% và miền Nam 19% Năm 2017, lượng tro x tiêu thụ gần 4 triệu tấn, tương đương 30% tổng lượng phát sinh, với miền Bắc tiêu thụ khoảng 3,25 triệu tấn.
Từ các số li u thống kê trên, mỗi năm ó hàng trăm tri u t n tro x ư c th i ra từ nhi t i n than và hưa ư c các nhà máy nhi t i n xử lý tri t
Tình hình xử lý tro xỉ
Tại Liên minh châu Âu (EU15), vào năm 2001, khoảng 60 triệu tấn tro và các sản phẩm liên quan được sản xuất và sử dụng, trong đó tro bay chiếm tỷ lệ lớn nhất Việc sử dụng tro bay trong ngành xây dựng hiện nay chỉ đạt khoảng 46%, trong khi tỷ lệ sử dụng tro xỉ là khoảng 41% Tro xỉ được sử dụng như một nguồn thay thế cho các tài nguyên sẵn có, giúp giảm thiểu tác động môi trường bằng cách hạn chế khai thác mỏ Tái sử dụng tro cũng góp phần giảm nhu cầu năng lượng và khí thải carbon Tro xỉ được ứng dụng chủ yếu trong ngành xây dựng, như sản xuất bê tông hoặc như một chất thay thế xi măng, cũng như được sử dụng làm chất kết dính, tường, hay làm chất khoáng và phân bón Một số quốc gia như Hà Lan tái chế 100% lượng tro xỉ, nhờ vào quy định không cho phép chôn lấp Theo Hiệp hội Sản xuất Than Châu Âu (Ecoba), trong số 48 triệu tấn tro than được sản xuất tại 15 nước EU trong năm qua, việc tái chế và sử dụng hiệu quả là rất quan trọng.
Các nghiên cứu tại Ấn Độ đang tập trung vào việc tận dụng tro bay thay vì lãng phí Các nghiên cứu này bao gồm sản xuất gạch xi măng, sản phẩm gốm sứ, màu keo và phần lớn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm Phòng thí nghiệm Bhopal hợp tác với Hội đồng xúc tiến công nghệ và vật liệu xây dựng phát triển vật liệu composite dựa trên tro bay thay cho gỗ Tro bay được sử dụng như một hợp chất cùng với nhựa để tạo ra vật liệu composite cho nhiều ứng dụng như cửa chớp, tấm phân vùng, gạch sàn, tường và trần nhà Một nhà máy thương mại gần Chennai cũng đang được xây dựng dựa trên công nghệ này Việc sản xuất xi măng từ tro bay với hàm lượng khoảng 35% giúp Ấn Độ tiêu thụ khoảng 25 triệu tấn tro bay, đồng thời tiết kiệm 25 tỷ Rs Viện Nghiên cứu Vật liệu Trung ương Dhanbad phát triển công nghệ sử dụng tro bay trong sản xuất gạch xây dựng với mức tiêu thụ tro bay khoảng 40-70% Sản xuất gạch hiện tại vượt quá 100 tỷ viên gạch mỗi năm Khi công nghệ sản xuất gạch từ tro bay được chấp nhận, giải pháp này sẽ mang lại lợi ích kinh tế và thân thiện với môi trường Mục tiêu sản xuất ít nhất 2 tỷ viên gạch từ tro bay mỗi năm sẽ góp phần tiêu thụ khoảng 5 triệu tấn tro bay/năm, tiết kiệm khoảng 2 tỷ Rs mỗi năm Hơn nữa, gạch từ tro bay có nhiều ưu điểm so với gạch nung thông thường, và gạch sử dụng trên các lối đi cũng có thể làm từ tro bay.
Tro bay lớn từ Ấn Độ được sử dụng trong nông nghiệp, giúp cải thiện tính thấm của đất, tăng cường sức khỏe và năng suất cây trồng, cải thiện cấu trúc đất, giảm mật độ khối lượng, nâng cao khả năng giữ nước và độ xốp, tối ưu hóa giá trị pH, cải thiện sự phát triển của cây, và giảm sự hình thành vỏ, cung cấp các chất vi lượng như Fe, Zn, Cu.
Tro bay chứa các chất dinh dưỡng như Mo, B, Mn, K, P, Ca, Mg, S, hoạt động như một chất thay thế cho phân bón cao, giúp phục hồi đất cát kiềm và vôi Việc sử dụng tro bay trong nông nghiệp không chỉ an toàn cho con người mà còn chứng minh là kinh tế, với sản lượng cây trồng ghi nhận tăng từ 20 tấn/ha lên 100 tấn/ha Sử dụng tro bay trung bình 20 tấn/ha cho thấy tổng lượng tro bay tiêu thụ sẽ đạt 200 triệu tấn mỗi năm Con số này thậm chí còn lớn hơn lượng tro bay sinh ra hàng năm từ hoạt động nhà máy nhiệt điện, trong khi nhu cầu có thể lên tới 1500 triệu tấn Với sản lượng tăng thêm 5 triệu tấn thực phẩm mỗi năm, việc sử dụng tro bay trong nông nghiệp giúp tiết kiệm khoảng 30 tỷ Rs hàng năm Tại Trung Quốc, tỷ lệ tái sử dụng tro bay đang gia tăng nhưng vẫn còn thấp hơn mong đợi.
70% tro bay được tái sử dụng trong sản xuất bê tông tại Trung Quốc, với ngành công nghiệp đang chú trọng đến việc tái chế nhôm từ nguồn nguyên liệu này Trung Quốc cần nhập khẩu khoảng 10 triệu tấn Al2O3 mỗi năm, chiếm 60% nhu cầu Từ những năm 1950, Trung Quốc đã theo đuổi chính sách phát triển công nghệ sử dụng tro bay và hỗ trợ các hoạt động nghiên cứu Tỷ lệ sử dụng tro bay chỉ đạt khoảng 10% vào những năm 1980, nhưng đã tăng lên trên 53% vào những năm 1990 Theo thống kê của chính phủ, tổng lượng tro bay sản xuất ở Trung Quốc năm 2002 đạt 150 triệu tấn, trong đó khoảng 100 triệu tấn được sử dụng Dự báo lượng tro bay tạo ra trong năm 2010 và ước tính đến năm 2020 sẽ tiếp tục gia tăng.
Theo nghiên cứu của Ian và Lindon (2004), tổng sản lượng gạch xây dựng tại Trung Quốc đạt từ 320 đến 380 triệu tấn và gạch tương ứng từ 570 đến 610 triệu tấn Luật mới quy định rằng gạch rắn bằng t sét sẽ bị cấm ở hầu hết các thành phố từ năm 2007 và trên toàn quốc từ năm 2011 (SCNPC 1996; 2003) Năm 2004, tổng sản lượng gạch sản xuất lên tới 850 tỷ viên, trong đó có 500 tỷ viên là gạch t sét rắn (Wei, 2006) Việc cấm sản xuất gạch t sét rắn sẽ mở ra cơ hội mới trong việc xử lý tro bay và sử dụng tro bay để sản xuất gạch thay thế.
Nga là nước có trữ lượng than lớn thứ hai thế giới với khoảng 173 tỷ tấn Hiện tại, chỉ 11% trữ lượng này được khai thác, chủ yếu phục vụ cho ngành vật liệu xây dựng Hầu hết các nhà máy khai thác than ở Nga trong thời kỳ Liên bang Xô Viết đều sử dụng phương pháp ướt, dẫn đến việc than thường xuyên bị rò rỉ trực tiếp vào các con sông và hồ.
Do ó phần lớn nỗ l c của Nga hi n t i iên quan ến làm s ch v n ô nhiễm tro x l i từ thời Xô Viết
Tại Úc và New Zealand, trong năm 2002, tổng lượng tro đạt 12,5 triệu tấn, trong đó có 4,1 triệu tấn được tái sử dụng Các ứng dụng chính bao gồm sản xuất xi măng (1,35 triệu tấn), ứng dụng không xi măng (0,47 triệu tấn) và 2,28 triệu tấn được sử dụng trong các dự án như xây dựng đường bộ, lấp đầy mỏ và các ứng dụng khác Tuy nhiên, việc sử dụng tro vẫn còn hạn chế do các rào cản như sự cố lấp địa lý của một số nhà máy và quy định, luật pháp phối hợp kém.
Hình 1.5 Lƣợng phát thải tro bay tại một số quốc gia
Hình 1.6 Phần trăm tro bay đƣợc sử dụng tại một số quốc gia [30]
Các nhà máy Nhi t i n không có chính sách khai thác rõ ràng, dẫn đến việc người dân xung quanh khu vực bãi x than tự phát khai thác Họ chủ yếu sử dụng nguyên liệu này để làm gạch xây dựng bằng cách trộn với xi măng và nước.
Lưới khai thác tấm nhỏ không nên được khuyến khích do các vấn đề liên quan đến an ninh và môi trường Việc sử dụng tro để làm nền đường, gạch, hoặc sân phơi ngói cần được thực hiện một cách có tổ chức, đảm bảo an toàn, vệ sinh, và có sự tham gia của các chuyên gia.
Hiện nay, trong nước có một số nhà máy áp dụng biện pháp thu hồi và sản xuất gạch không nung từ tro xỉ xây dựng, hoạt động gần các nhà máy nhiệt điện Điển hình là Nhà máy Chế biến tro x Cao Cường, với công suất 80.000 tấn sản phẩm/năm, sử dụng nguồn tro xỉ từ Nhà máy Điện Phả Lại.
Hi n nay hàng tri u t n tro x than ư c th i ra từ nhà m y nhi t i n
Tro bay ở Việt Nam thường được trộn với nước và sử dụng trong các ứng dụng xây dựng Tuy nhiên, tro bay có chứa hàm lượng F cao và không thể thay thế cho nước trong quá trình sản xuất xi măng Do lượng than chưa cháy hết trong tro, nên việc sử dụng nó trong xi măng kết tinh như xi măng Portland là không khả thi Hơn nữa, trong quá trình sản xuất xi măng, khí CO2 được thải ra, do đó việc thay thế một phần xi măng bằng tro bay có thể giúp giảm thiểu khí thải này.
V v y cần có một công ngh bê tông mới gi i quyết v n này như bê tông po yme vô ơ hông nung
Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ xử lý triệt để rác thải đang được nhiều quốc gia trên thế giới chú trọng Tuy nhiên, hiện nay, hơn một nửa lượng rác thải vẫn chưa được xử lý đúng cách và đang gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng Do đó, chúng ta cần những nghiên cứu có tính ứng dụng thực tế để giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả.
Trường thạch
Khái niệm và thành phần trường thạch
Trường thạch (trường thạch) hay còn gọi là ồ tát, là nhóm khoáng vật chiếm 60% vỏ Trái Đất Đây là thành phần chính của magma và thường xuất hiện trong đá mác và trầm tích Trường thạch là một trong những khoáng chất silicate chứa canxi, natri và kali Thực tế, chúng hiếm khi tồn tại dưới dạng đơn lẻ mà phổ biến hơn trong các hỗn hợp tinh thể Chúng được chia thành các nhóm phụ khác nhau.
Trường th ch Kali: K2O.Al2O3.6SiO2
Trường th ch Natri: Na2O.Al2O3.6SiO2
Trường th ch Canxi: CaO.Al2O3.6SiO2 Đặc điểm cấu trúc:
Trường th h thuộ nhóm ho ng v t si i at C ho ng v t h nh trong nhóm này ao gồm:
Trường th ch kali KAlSi3O8
Chồng vật chất tinh thể có thành phần chính là kali và ankanit, trong khi các hợp chất khác bao gồm anorthit được gọi là plagiocla Đặc điểm hình thành của chúng rất đa dạng và phong phú.
Khoáng trường thạch là một loại thủy tinh màu sắc, có thể thay đổi từ trắng, hồng, nâu đến xanh và xanh ngọc, tùy thuộc vào điều kiện hình thành Nhiệt độ nung chảy của khoáng này dao động từ 1000 - 1530 độ C, với độ cứng đạt 6-6.5 và khối lượng riêng từ 2.61-2.76 g/cm³ Khoáng trường thạch không tan trong nước, nhưng khi nung nóng, nó sẽ tạo ra sản phẩm hòa tan SiO2 và các sản phẩm phân hủy khác Khi nguội, nó sẽ kết tinh thành các hình kim.
Nguồn gốc hình thành trường thạch
Quặng trường th h ó được hình thành từ hai nguồn gốc chính: nguồn gốc pegmatit và nguồn gốc ung p trường th h hủ yếu Ngoài ra, nguồn gốc ap it mới được phát hiện tại tỉnh An Giang và vùng Làng M (Lào Cai).
Nguồn gố thành t o ủa pegmatit gồm một số gi thuyết như sau:
Giả thuyết của fexman - giả thuyết dung thể magma tàn dƣ:
B tỳ một o i magma nào ũng ó ung th magma tàn ư ung th này h a hầu hết thành phần h t ố ủa magma mẹ tinh th tồn t i ho ến hi ưới nhi t ộ ết tinh i u này ồng nghĩa với vi ết tinh một h h m h p và h nh thành nên nh ng tinh th ớn H n hế ủa gi thuyết này à xem nhẹ qu tr nh trao ổi thay thế t o thành ho ng v t im o i hiếm.
Hình 1.7 Sơ đồ pha khoáng của các khoáng vật trường thạch
Giả thuyết của các nhà địa chất Mỹ (Pegmatit đƣợc thành tạo qua 2 giai đoạn độc lập):
Theo nhà địa chất Mỹ, việc hình thành pegmatit xảy ra trong môi trường mẹ và xung quanh dung nham sau quá trình trao đổi thay thế với sản phẩm pegmatit Giả thuyết này giúp làm rõ ranh giới không rõ ràng của pegmatit.
Giả thuyết của Zavaritsky cho rằng trong giai đoạn đầu của quá trình hình thành, magma có thể bị đông đặc quá sớm, dẫn đến sự hình thành các tinh thể lớn hơn trong pegmatit Ở giai đoạn sau, sự tụ tập của các phần tử trong magma sẽ tạo ra một môi trường hóa học đặc biệt, giúp hình thành các pegmatit với thành phần hóa học phong phú hơn và tạo ra các khoáng vật mới.
Ngoài ra n ó gi thuyết iến h t: gi thuyết này ho rằng pegmatit à s n ph m ủa qu tr nh iến h t gi t ùi ủa ph h iến h t ổ ti n am ri
Trữ lượng và phân bố trường thạch ở Việt Nam
Ở nước ta, trường thạch hộc có tiềm năng rất lớn, với sự phân bố rộng rãi ở nhiều vùng, tập trung chủ yếu ở các tỉnh phía Bắc như Lào Cai, Yên Bái, Phú Thọ, Tuyên Quang và một số tỉnh phía Nam như Quảng Nam, An Giang Đến nay, đã thăm dò được khoảng 85 mỏ, trong đó có 32 mỏ hứa hẹn và 53 mỏ tiềm năng Mỏ Ngọt – Phú Thọ là mỏ lớn nhất với trữ lượng 59 triệu tấn, tổng trữ lượng của trường thạch hộc ước tính đạt 83,86 triệu tấn, bao gồm trữ lượng P + B + C1 + C2 là 46,9 triệu tấn và tài nguyên P là 36,96 triệu tấn.
C mỏ trường th h ở nước ta rất đa dạng, nhưng hầu hết đều có hàm lượng quặng thấp, chỉ khoảng 7 – 8% Đặc biệt, trường hợp mỏ Sơn M n – Lào Cai và Đ i Lộ – Qu ng Nam có hàm lượng quặng cao hơn, từ 10 – 14% Tuy nhiên, hàm lượng quặng thường dao động lớn giữa các vùng và trong cùng một thân quặng.
Bảng 1.2 Tổng hợp trữ lượng trường thạch theo 6 vùng kinh tế trong cả nước
Trữ lƣợng mỏ đã khảo sát (Tr.tấn)
Tạm cấm, hạn chế HĐKS Chƣa khảo sát Đã khảo sát
Nguồn: Quyết định số 45/QĐ- TTg ngày 09/01/2012 của Thủ tướng Chính phủ
Cụ th tr ư ng trường th h ở vùng như sau:
*Vùng Trung du miền núi phía Bắc: Tr ư ng trường th h ho ng 46 tri u t n hiếm tỷ ớn nh t trong nướ (55% tr ư ng trường th h h o s t)
Chương trình đầu tư vào nông nghiệp sẽ thúc đẩy hai thế hệ trẻ và nâng cao nhiều cơ sở sản xuất trong vùng Đồng bằng sông Hồng Tỉnh Phú Thọ có tiềm năng lớn với 16,52 triệu tấn, Lào Cai đạt 9,55 triệu tấn và Yên Bái đạt 3,43 triệu tấn.
* Vùng Đồng b ng sông ồng: Tr ư ng trường th ch ho ng 5 2 tri u t n hiếm 6% tr ư ng trường th ch h o sát
Vùng Bắc Trung Bộ và Duyên Hải miền Trung có tổng cộng 24,5 triệu tấn khoáng sản, chiếm 29% tổng sản lượng khoáng sản cả nước Trong đó, Quảng Ngãi là tỉnh có trữ lượng lớn nhất với 8,8 triệu tấn, tiếp theo là Quảng Nam với 3,56 triệu tấn Chất lượng khoáng sản trong vùng được đánh giá cao, đáp ứng nhu cầu sản xuất của các tỉnh miền Trung và Đông Nam Bộ, đặc biệt là Quảng Nam Các tỉnh Đắk Lắk và Gia Lai cũng có trữ lượng khoáng sản đáng kể với 3,3 triệu tấn và 1,5 triệu tấn Tuy nhiên, việc khảo sát và đánh giá tiềm năng khoáng sản trong vùng cần được thực hiện một cách kỹ lưỡng hơn để tối ưu hóa việc khai thác và sử dụng.
* Vùng Đồng b ng sông Cửu Long: Tr ư ng trường th ch nhỏ ho ng 2,65 tri u t n (3% tr ư ng trường th ch h o s t) và phân ố ở t nh An Giang
Ch t ư ng trường th ch An Giang vào lo i trung bình nên hi n t i khai thác phục vụ cho công nghi p ịa phương
Theo Quyết định số 47/2008/QĐ-BCT ngày 17/12/2008, quy hoạch phân vùng thăm dò và sử dụng nhóm khoáng sản nguyên liệu vôi trắng, trường thạch, cao lanh và magnezit được thực hiện đến năm 2015, với tầm nhìn đến năm 2025 Nhu cầu thăm dò phục vụ cho hai thập kỷ tới ước tính đạt 90 triệu tấn, trong đó thăm dò từ cấp C2 trở lên là 46 triệu tấn.
Trong giai đoạn 2008-2015, đã thực hiện thăm dò 12 mỏ quặng trường thạch và thăm dò ngoài 6 mỏ tại các tỉnh Lào Cai, Yên Bái, Phú Thọ, Tuyên Quang, Thừa Thiên Huế, Quảng Nam và Đắk Lắk, với tổng mục tiêu đạt 32-35 triệu tấn quặng và vốn đầu tư từ 100-106 tỷ đồng Tiếp theo, trong giai đoạn 2016-2020, dự kiến thăm dò 8-11 diện tích quặng trường thạch mới và thăm dò ngoài mỏ Ngọt, với tổng mục tiêu đạt 18-24 triệu tấn quặng và vốn đầu tư từ 58-63 tỷ đồng.
Kết quả nghiên cứu xác định phân bố thân pegmatit ở khu vực Đai Lộ Quảng Nam cho thấy có tiềm năng tài nguyên lớn, với diện tích 13 m² và chiều rộng 150 m Nguồn tài nguyên ước tính khoảng 35,5 triệu tấn, trong đó có 19 triệu tấn ở vị trí p 122 và 15 triệu tấn tại vị trí p 333.
Ứng dụng của trường thạch
- Sử dụng làm g ch men s cho ngành gốm s thủy tinh, ch t ộn công nghi p, y tế Trường th ch là v t li u thô trong s n xu t gốm s và geopolyme
- Trường th h ũng ư c sử dụng trong ịnh tuổi quang nhi t và ịnh tuổi quang học trong khoa họ tr i t và kh o cổ học
Lắp kính chủ yếu được tạo thành từ các thành phần như thạch anh, trường thạch và tán sét, trong đó trường thạch chiếm từ 10-35% Trường thạch kali là nguyên liệu chính trong ngành công nghiệp gốm sứ Ngoài ra, trường thạch cũng là thành phần chính của men, chiếm từ 20-30%.
- Trường th ch ũng ư ùng như à xi măng trong ngành ông nghi p như mài mòn
Trường thạch là một khoáng vật silicat có thành phần tương tự như cao lanh, xuất hiện phổ biến tại Việt Nam và có giá thành rẻ hơn nhiều Tuy nhiên, hiện nay nghiên cứu sử dụng trường thạch để tạo geopolyme vẫn còn hạn chế so với việc sử dụng cao lanh Do đó, nghiên cứu trong luận văn này tập trung vào việc sử dụng chất kích hoạt hóa trường thạch như một hướng đi mới trong việc tạo ra geopolyme để xử lý tro xỉ nhiệt điện.
THỰC NGHIỆM
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu của lu n văn à tái sử dụng tro bay và x nhi t i n than bằng quá tr nh óng rắn sử dụng ch t kết dính chế t o từ trường th ch
- X ịnh tính ch t của nguyên v t li u ầu vào sử dụng trong nghiên c u gồm: tro bay, x nhi t i n trường th ch
- Nghiên c u nh hưởng của NaOH ến quá trình hòa tan nhôm, silic từ trường th ch
Nghiên cứu khả năng chống rắn của tro, xỉ nhiệt độ cao bằng cách sử dụng các chất hoạt hóa khác nhau như kim loại NaOH, vôi, sự kết hợp giữa NaOH và vôi, cũng như NaOH kết hợp với thủy tinh lỏng.
- Đ nh gi h t ư ng v t li u sau óng rắn thông qua ộ hút nướ ộ ki m ư pH…
Hóa chất và dụng cụ
Bảng 2.1.Hóa chất sử dụng trong thực nghiệm
Tên hóa chất Mục đích sử dụng Xuất xứ
NaOH công nghi p Ch t ho t hóa óng rắn tro x Trung Quốc
Vôi sống d ng bột công nghi p Ch t ho t hóa óng rắn tro x Vi t Nam
Hóa ch t phân tích nhôm và silic
- 1-amino-2-naphthol- 4-sulphonic axit (rắn)
Tro bay, x nhi t i n Nhi t i n Ph L i
Trường th ch Phú Thọ
- B nh ịnh m c lo i 25mL, 50mL, 100mL, 250mL
- Pipet: 50mL, 20mL, 10mL, 5mL, 2mL, 1mL và pipet t ộng
- Cốc nh a, cốc thủy tinh 100mL
- Gi y o pH gi y lọc, phễu lọc
- Cân phân tích, cân kỹ thu t, tủ s y
- M y o quang m y quay i tâm m y quang phổ UV-Vis
Hình 2.1 Máy nén và khuôn đúc để đóng rắn vật liệu
Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Xác định tính chất của nguyên vật liệu
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là một kỹ thuật vật lý quan trọng và hiệu quả để phân tích thành phần khoáng trong nguyên liệu Phương pháp này cho phép xác định thành phần định tính (các pha khoáng) và cấu trúc tinh thể, đồng thời cung cấp thông tin về cấu trúc hình học, các thông số mạng tinh thể, kích thước hạt trung bình và cấu trúc phân bố của chúng, cũng như vị trí các nguyên tử trong tinh thể.
Khi chiếu tia X vào hỗn hợp, mỗi pha trong hỗn hợp sẽ tạo ra một đỉnh tương ứng trên đồ thị nhiễu x tia X Điều này cho phép xác định các pha có mặt trong mẫu thông qua việc phân tích đồ thị nhiễu x.
- C u trúc hình học và thông số m ng tinh th ư x ịnh d a vào vị trí góc của peak nhiễu x
- Xét một chùm tia X ó ước sóng chiếu tới một tinh th ch t rắn ưới góc tới
Do tính chất tuần hoàn của tinh thể, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảng nhất định, tạo ra hiện tượng nhiễu x quang tương tự như cách tử nhiễu x.
Nghiên cứu về các tia X nhiễu x trên các mặt tinh thể rắn cho thấy tính tuần hoàn của chúng đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích cấu trúc của các mặt tinh thể Việc áp dụng phương pháp nhiễu x giúp hiểu rõ hơn về đặc tính và ứng dụng của các vật liệu này.
- Nếu ta quan sát các chùm tia tán x theo phương ph n x (bằng góc tới) thì hi u quang trình gi a các tia tán x trên các mặt là:
- Như v y có c i nhiễu x thì góc tới ph i thỏa m n i u ki n:
Trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể, khoảng cách giữa các mặt nguyên tử được xác định bằng công thức liên quan đến bước sóng tia X Các đỉnh nhiễu x của Bragg được ghi nhận dưới góc 2θ và có thể được ghi lại bằng phim hoặc detector Thông qua quá trình này, ta có thể phân tích đặc trưng cấu trúc tinh thể và nhiều thông số liên quan khác.
Tia X được sinh ra khi chùm electron di chuyển với tốc độ cao và va chạm đột ngột vào một tấm kim loại đồng Ống phát tia X bao gồm ba bộ phận chính: nguồn cung cấp electron, bộ phận phát cao áp tăng tốc electron, và anot làm bằng kim loại.
Tia X là một loại bức xạ điện từ có bước sóng từ 10 đến 100 nm, được tạo ra từ một ống hình trụ làm bằng gốm chịu nhiệt, thường sử dụng các kim loại như Cu, Ni, Cr và Fe.
Khi 5% tia X chiếu vào bề mặt, phần còn lại sẽ chuyển thành nhiệt năng Do nguồn tia X có năng lượng lớn, nó dễ làm hỏng detector Vì vậy, cần phải che chắn bằng các khe thu tín hiệu nhỏ hơn, phù hợp với từng loại mũ.
+ M u kết tinh tốt: Đưa he nh thường
+ M u kết tinh m: Đưa he rộng
- C h x ịnh: d a theo công th sau tính k h thước tinh th
Các m u tro bay, tro x sau hi ư c làm khô, nghi n nhỏ ư em hụp XRD trên máy D8 – Advance – Brucker – Đ (anot Cu λ 1 504 A˚) t i khoa Hóa học trường Đ i học Khoa học T nhiên – ĐHQGHN
X c định thành phần hóa học của nguyên liệu
Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) được sử dụng để phân tích nhiều nguyên tố Khi bị kích thích bởi hạt ion hoặc chùm tia X, các nguyên tố sẽ hấp thụ năng lượng từ ống phát tia X hoặc từ nguồn đồng vị phóng xạ Quá trình này khiến các nguyên tố trong lớp (K, L, M) của mẫu phát ra bức xạ X đặc trưng với năng lượng và bước sóng riêng biệt, cho phép xác định thành phần hóa học của mẫu.
Cường ộ b c x tia X th c p tỷ l với m t ộ (hàm ư ng) của nguyên tố ó
Hình 2.2 Nguyên lý phát huỳnh quang tia X [11]
Mẫu nguyên liệu được nghiền mịn và phân tích bằng phương pháp chụp XRF trên máy XRF 1800 tại Shimadzu, thuộc Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN Để xác định kích thước hạt trung bình, thiết bị LA - 950V2 cũng được sử dụng tại Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN.
2.3.2 Nghiên cứu quá trình hòa tan nhôm, silic từ trường thạch bằng NaOH
Trộn u trường th h với NaOH ở các tỷ lệ khối rắn/lỏng 1/2, 1/1 và 1,5/1, sau đó hòa tan trong các dung dịch NaOH có nồng độ lần lượt là 2,5M, 5M và 7,5M Mỗi ngày, khuấy đều để đảm bảo phản ứng diễn ra đồng nhất.
30 phút Sau 1-4-7 ngày lần ư t l y 1ml m u em pha o ng trong nh ịnh m c 100ml rồi lọc qua gi y ăng xanh Dịch lọ em i phân t h nhôm si i
Phương pháp so màu Al 3+ với Eriochrome cyanine R trong môi trường axit yếu cho phép đo quang ở bước sóng 535nm Độ màu tỉ lệ thuận với nồng độ Al 3+ trong dung dịch Qua việc thiết lập đường chuẩn cho dãy nhôm, chúng ta có thể xác định nồng độ nhôm có trong mẫu phân tích Quy trình này giúp đảm bảo tính chính xác trong việc đo lường nồng độ nhôm.
- Pha dung dị h HC 1M: hút h nh x 8 33m HC ặ ho vào nh ịnh m 100m ịnh m ến v ch
- Đ m axetat 0,65mol/L: cân 5,33g natri axetat ho vào nh ịnh m c 100 ml h a tan ịnh m c tới v ch
Lượng chuẩn được thực hiện bằng cách hoà 25ml các hóa chất theo thứ tự: dung dịch Al3+, HCl, và Eriochrome cyanine trong nước cất Sau 20 phút, tiếp tục thêm axetat vào dung dịch và để yên trong bóng tối ít nhất 20 giờ Sau đó, đo quang ở bước sóng 535nm để thu thập các giá trị độ hấp thụ quang khác nhau, từ đó áp dụng phương trình chuẩn.
- Với m u th ướ àm tương t
Trong điều kiện pH = 1-2, silic và photphat phản ứng với ammoni tạo thành heteropoly axit Thêm oxalic axit để loại trừ ảnh hưởng của photphat màu vàng từ phức molybdosilicxic axit, khử thành màu xanh heteropoly Đo độ hấp thụ quang dung dịch này ở bước sóng 815nm giúp xác định lượng silic có trong mẫu cần phân tích.
Chú ý: t t c sử dụng dụng cụ nh a tránh nh hưởng của silic lên dụng cụ thủy tinh
- Pha dung dịch HCl 6M: L y h nh x 125m nước c t cho vào chai nh a s ch rồi hút chính xác 125ml axit HC ặc cho vào và lắ u
- Ammonium molypdate: h a tan 5g trong nh ịnh m c 50ml ch nh v pH 7-8 trướ hi ịnh m c tới v ch
- Dung dịch oxalic axit: hòa tan 10g acid oxalic trong nh ịnh m c 100ml
- Dung dịch khử hòa tan 0,5g 1-amino-2-naphthol-4-sulphonic axit và 1g
Na2SO3 trong 50m nước c t, cho dung dịch này vào 150ml dung dịch NaHSO3 (cân 30g NaHSO3 pha vào 150m nước c t) b o qu n trong chai nh a tránh ánh sáng
- Dung dịch silicat gốc: hòa tan 4,73g Na2SiO3.9H20 trong nh ịnh m c 1000ml
- Dung dịch ch n silicat l p ường chu n: l y 10ml dung dịch gốc cho vào nh ịnh m c 1000m và ịnh m c tới v ch
Để thực hiện thí nghiệm, chuẩn bị các dung dịch với thể tích lần lượt là 0, 1, 2, 4, 6, 8, 10ml cho vào cốc nhựa 50ml Tiếp theo, thêm 1ml dung dịch HCl 6M và 2ml ammonium molypdat lắu Sau đó, cho thêm 1,5ml oxalic axit và trộn đều Sau khoảng thời gian từ 2 đến 15 phút, tiếp tục cho 2ml dung dịch khử vào và trộn đều Sau 5 phút, đo quang ở bước sóng 815nm để thu thập các giá trị độ hấp thụ khác nhau.
- Với m u th c, pha loãng, l y 50ml rồi àm tương t
Đường chu n phân tích nhôm
Bảng 2.2 Số liệu dựng đường chuẩn phân tích nhôm
Hình 2.3 Đồ thị sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ nhôm
Phương tr nh ường chu n phân tích nhôm có d ng: y = 1,2364x + 0,0023 với h số hồi quy R 2 = 0,9991
Đường chu n phân tích silic
Bảng 2.3 Số liệu dựng đường chuẩn phân tích silic
Hình 2.4 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào nồng độ silic
Phương tr nh ường chu n phân tích silic có d ng: y = 0,2628x + 0,0129 với h số hồi quy R 2 = 0,9975
2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của chất kiềm hoạt hóa đến khả năng đóng rắn
Phương pháp trộn kiềm NaOH (trộn trực tiếp)