Tái chế kính thải tổng hợp các khoáng calcium hydrat silicate

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN - TIỂU LUẬN MÔN HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU CHỦ ĐỀ TÁI CHẾ KÍNH THẢI TỔNG HỢP CÁC KHOÁNG CALCIUM HYDRAT SILICATE GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS TS VÕ LÊ PHÚ SINH VIÊN THỰC HIỆN: VÕ NGUYỄN ĐÔNG THỨC Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2023 1 Contents MỞ ĐẦU 2 CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT & ỨNG DỤNG CÁC KHOÁNG CALCIUM SILICATE HYDRAT” XONOTLITE & TOBEMORITE 4 2.1 Xonotlite và các tính chất 4 2.1.1 Cấu trúc, tính chất vật lí & hóa học 4 2.1.2: Ứng dụng 6 2.2 Tobermorite và bụi xi măng .7 2.2.1: Cấu trúc, tính chất vật lí & hóa học 8 2.2.2 Ứng dụng 9 CHƯƠNG 3: TẬN DỤNG KÍNH THẢI TỔNG HỢP CÁC KHOÁNG CALCIUM SILICATE HYDRAT 11 3.1 Tận dụng kính thải tổng hợp khoáng Calcium Silicate Hydrat (CSH): Xonotlite 11 3.1.1 Thực trạng 11 3.1.2 Tổng hợp Xonotlite bằng thủy nhiệt 11 3.2 Tận dụng kính thải tổng hợp khoáng Calcium Silicate Hydrat (CSH): Tobermorite 13 3.2.1 Thực trạng: 13 3.2.2 Vật liệu và phương pháp tổng hợp Tobermorite 13 KẾT LUẬN 16 Tài liệu tham khảo: .16 2 MỞ ĐẦU Từ đời nhà Đường các chế phẩm bằng thủy tinh quí như ngọc, chỉ có vương công quí tộc mới có thể sử dụng Ngày nay, các sản phẩm thủy tinh màu sắc sặc sỡ đã trở thành những vật dụng thường ngày trong cuộc sống của chúng ta Đồng thời với điều đó thì thủy tinh có hại cho môi trường và sức khỏe con người cũng đang trở thành một vấn đề không thể xem nhẹ Thủy tinh hầu như xuất hiện ở mọi nơi trong đời sống hằng ngày của chúng ta từ các sản phẩm trong gia đình như ly tách, chai lọ đựng gia vị… đến các sản phẩm trong nông nghiệp như thuốc bảo vệ thực vật, thuốc thú y hay dễ thấy nhất là thủy tinh được ứng dụng trong y tế như lọ đựng thuốc, lọ truyền dịch Trong lĩnh vực xây dựng thì thủy tinh là một trong những vật liệu rất thiết yếu dùng để làm cửa, làm khung vách bao che bên ngoài công trình, vách ngăn bên trong, dùng để làm đồ nội thất Những năm gần đây, lượng rác thủy tinh thải ra môi trường ngày càng nhiều Đáng lo ngại hơn là tình trạng tồn đọng rác thủy tinh thành đống bừa bãi mà không được thu gom, xử lý Rác thủy tinh là loại rác thải rắn nguy hại không thể phân hủy trong điều kiện thường Khi thải ra môi trường rác thủy tinh có thể tồn tại mãi mãi trong đất, gây sát thương cho con người, làm tắt nghẽn cống rãnh… Rác thủy tinh trong nông nghiệp còn nguy hiểm hơn khi lượng thuốc BVTV còn tồn đọng trong chai lọ, nếu không được thu gom sẽ ảnh hưởng đến môi trường nước, đặc biệt là mạch nước ngầm Thuỷ tinh phân hủy rất kém và mất rất lâu mới phân hủy được (khả năng phân hủy thấp hơn nhựa nữa), còn chưa kể đến việc xử lí rác thải thủy tinh bằng cách đốt 3 khiến cho người dân sống gần những bãi rác trong phạm vi 2km tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư, viêm đường hô hấp nhất là người già và trẻ con Những khu vực tập trung nhiều mảnh thủy tinh tiềm ẩn nguy cơ làm bị thương, nhiễm trùng và nhiều vấn đề khác cho con người và các loài sinh vật Việc canh tác trên những vùng đất bị ô nhiễm rác thủy tinh là ít khả thi Tại nhiều bãi biển, rác thủy tinh đã gây ra rắc rối cho những người tắm biển Khi một con vật nuốt phải rác thủy tinh, hậu quả sẽ nghiêm trọng hơn rất nhiều việc nuốt phải rác thải nhựa Ông Lê Thượng Mãn, Phó Viện trưởng Viện Phát triển Công nghệ TP.HCM, cho biết, rác thải từ thủy tinh chiếm 0,5% lượng rác thải hằng ngày của TP.HCM, khoảng 7.000 tấn/ngày, đốt rác thải thủy tinh ở nhiệt độ cao (1.000-4.0000C) Tuy nhiên, phương pháp này còn gây nhiều tranh cãi vì trong khi đốt, rác thải thủy tinh sẽ thải ra nhiều hạt bụi li ti và các hóa chất độc hại như axít clorhidric, dioxin/furan, thủy ngân, chì, hoặc arsenic, cadmium [3] Vì vậy cần có hướng xử lí rác thủy tinh một cách hiệu quả vừa giảm rác thải và thân thiện với môi trường Nay, nhóm nghiên cứu đề xuất hướng xử lí rác thủy tinh bằng cách trộn kính thải với Cao theo tỉ lệ mol Si/Ca là 1 để tổng hợp khoáng Calcium Silicate Hydrat ( CSH): Xonottile, Tobermorite [2] 4 CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT & ỨNG DỤNG CÁC KHOÁNG CALCIUM SILICATE HYDRAT” XONOTLITE & TOBEMORITE 2.1 Xonotlite và các tính chất Xonotlite – Ca6Si6O17(OH)2 là một trong 4 khoáng Calcium silicate hydrate (CSH) được tạo thành bởi phản ứng thủy nhiệt giữa SiO2 (từ diatomite, silica fume, tro bay, zeolite, SiO2 vô định hình…) với Ca(OH)2 hoặc CaO, được đặt tên theo địa danh Tetela de Xonotla, Mexico Xonotlite là một khoáng khi nung dễ chuyển thành khoáng Wollastonite Tinh thể Xonotlite có dạng hình sợi dài Sản phẩm được tạo thành có tính chất đặc biệt nhẹ, có khả năng cách nhiệt, chịu nhiệt độ ở nhiệt độ khá cao xấp xỉ 1000oC 2.1.1 Cấu trúc, tính chất vật lí & hóa học Xonotlite có độ cứng theo thang Mohs là 6.5 Màu trắng, màu xám, hồng nhạt, không màu là những màu sắc thường thấy của Xonotlite Mật độ khoảng 2.7- 2.72 g/cm3 ở thực nghiệm, trong tính toán thì người ta hay dùng 2.71 g/cm3 Có cấu trúc tinh thể thuộc hệ đơn tà, với các thông số mạng lần lượt là a = 17.032 Å, b = 7.363 Å, c = 14.012 Å, β = 90.34o Nó bao gồm các chuỗi silicat kép [Si6O17], được gọi là Dreierdoppelketten , được liên kết qua các tấm nhấp nhô của các cạnh chia sẻ khối đa diện Ca xếp chồng lên nhau hướng C Có hai dạng khối đa diện Ca, trong đó 1/3 có số phối trí là 6 và 2/3 có số phối trí là 7 Các tấm đa diện Ca kề nhau cách nhau một khoảng 7 Å dọc theo trục C tương ứng với phản xạ trong hình ảnh nhiễu xạ bột Hai bản dịch khác nhau các cơ chế, liên quan đến sự sắp xếp của các chuỗi kép tương đối với nhau, làm phát sinh bốn kiểu đa dạng đơn giản 5 Hình 2.1: Cấu trúc tinh thể Xonotlite American Mineralogist Crystal Structure Database Hình 2.2: Cấu trúc hóa học khoáng Xonolite 6 Hình 2.3: Nhiễu xạ XRD của khoáng Xonotlite từ dự án RRUFF của đại học Arizono 2.1.2: Ứng dụng Xonotlite có tính chất cách nhiệt và chống cháy tốt, và được sử dụng trong các ứng dụng cách nhiệt; vật liệu chống cháy; trang trí nội ngoại thất, vật liệu công nghệ cao … Hình 2.4: Sản phẩm vật liệu ốp chống cháy từ các tấm Xonotlite 7 Hình 2.5: Sản phẩm ốp cách nhiệt cho cấu trúc của các nhà máy từ Xonotlite 2.2 Tobermorite và bụi xi măng Tobermorite – Ca5Si6O16(OH)2.4H2O hoặc Ca5Si6(O,OH)18.5H2O là canxi silicat ngậm nước, silicat là nguyên liệu chính có thể được chiết xuất từ cốc thủy tinh, có cấu trúc như những chồng giấy xếp từ các mảnh nhỏ Những lỗ hổng giữa các mảnh giúp giải phóng áp lực bằng cách cho phép các lớp trượt qua nhau Tobermorite được đặt tên theo địa phương khám phá ra nó, Tobermory, Isle of Mull, Scotland Tobermorite được Heddle mô tả lần đầu tiên năm 1880 từ bốn địa phương của Scotland, ba gần Tobermory, Isle of Mull và thứ tư là Dunvegan, Isle of Skye [2] 2.2.1: Cấu trúc, tính chất vật lí & hóa học Tobermorite có độ cứng theo thang Mohs là 2 12 8 Màu hồng, hồng nhạt, là những màu sắc thường thấy của Tobermorite Mật độ khoảng 2.423 - 2.458 g/cm3 ở thực nghiệm và 2.49 g/cm3 trong tính toán Có cấu trúc tinh thể đơn nghiên, với các thông số mạng lần lượt là a = 11,17 Å, b = 7,38 Å, c = 27,94 Å, β = 90 Tỉ lệ: c = 1.514: 1: 3.786 Tobermorite thường xuất hiện trong hồ xi măng ngậm nước và có thể được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng khoáng chất biến đổi trong đá vôi biến chất và trong skans Riêng 11-Ǻ tobermorite tinh khiết, có thành phần là Ca5Si6O16(OH)2 4H2O và các chất thay thế Al – Fe của nó được tổng hợp trong điều kiện thuỷ nhiệt kiềm ở nhiệt độ từ 80-225oC và các đặc tính trao đổi ion của chúng được nghiên cứu liên quan đến ứng dụng trong phản ứng hạt nhân và nước thải độc hại Đến nay, việc tổng hợp 11-Ǻ tobermorite được báo cáo thường được thực hiện bằng cách sử dụng các thuốc thử như natri silicat và silica bốc khói hoặc zeolite và đất sét tự nhiên; tuy nhiên gần đây đang thay thế các thành phần này bằng các sản phẩm phụ như tro đốt rác thải đô thị, tro đá phiến dầu,…[5] Ngoài tổng hợp Tobermorite từ kính thải - SLSG (discarded soda-lime-silica glass) thì việc kết hợp thêm bụi xi măng - CBPD (cement bypass dust) cũng tăng thêm sự khả thi cho quá trình tổng hợp thuỷ nhiệt của 11-Ǻ tobermorite [5] Bụi xi măng là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất xi măng Pooclang có giá trị thị trường thấp và chủ yếu được đưa đến bãi chôn lấp tăng nguy cơ ô nhiễm nước ngầm Nó được tạo ra dưới dạng các hạt bụi được thu từ khí thải bằng thiết bị lọc bụi tĩnh điện trong quá trình nung ở nhiệt độ cao 9 Hình 2.6: Cấu trúc hóa học Tobermorite 2.2.2 Ứng dụng Hiện tại đang Tobermorite là một yếu tố quan trọng trong xi măng Romans Đây là loại xi măng sử dụng để xây dựng các bức tường thời cổ đại Nó có cấu trúc như những chồng giấy xếp từ các mảnh nhỏ Những lỗ hổng giữa các mảnh giúp giải phóng áp lực bằng cách cho phép các lớp trượt qua nhau Hay nói cách khác, các lớp có thể xê dịch một chút trước khi được cố định tại các vị trí Các nhà nghiên cứu đã xây dựng mô hình hoạt động của Tobermorite trên máy tính với biến vị được đặt vuông góc hoặc song song với các lớp trong vật liệu Họ nhận thấy, tobermorite khiếm khuyết dễ bị biến dạng bởi các phân tử nước kẹt giữa các lớp giúp chúng trượt qua nhau Các tính chất của Tobermorite là chìa khóa để sản xuất vật liệu bê tông cứng và bền hơn Các nhà nghiên cứu mong đợi công nghệ này sẽ được ứng dụng nhiều hơn 10 Hình 2.7: Bằng cách phân tích cấu trúc của tobermorite, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tạo ra cấu trúc xi măng bền vững hơn, khó bị biến dạng hay nứt vỡ 11 CHƯƠNG 3: TẬN DỤNG KÍNH THẢI TỔNG HỢP CÁC KHOÁNG CALCIUM SILICATE HYDRAT 3.1 Tận dụng kính thải tổng hợp khoáng Calcium Silicate Hydrat (CSH): Xonotlite 3.1.1 Thực trạng Hiện nay, Xonotlite là một thành phần quan trọng trong xi măng, Nó cũng đã được sử dụng cho các đặc tính cách nhiệt và việc sử dụng như một vật liệu độn đã được báo cáo nhiều lần, ví dụ: để cải thiện độ bền uốn của xi măng , hoặc như một chất độn trong polyme hữu cơ trong vật liệu đúc hoặc lớp lót phanh, với áp lực ngày càng tăng trong việc sản xuất các vật liệu lành tính hơn với môi trường và việc tái chế thủy tinh bị lãng phí trong Việt Nam cũng đang là vấn đề nghiêm trọng Hàng năm, Việt Nam sản xuất thủy tinh bao bì nóng chảy khoảng 450 tấn tại OI-BJC, công ty thủy tinh đặt tại Khu công nghiệp Mỹ Xuân, tận 500 tấn thủy tinh kính tấm nóng chảy tại Viglacera tại tỉnh Bình Dương, và cả 900 thủy tinh tấm nóng chảy tại Công ty Chu Lai Việc tận dụng lại kính thải sẽ hạn chế bớt CO2 cũng như năng lượng trong quá trình sản xuất Cho nên vì lẽ đó các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp xử lý đơn giản để chuyển đổi lượng thủy tinh kính thải thành khoáng Xonotlite [2] 3.1.2 Tổng hợp Xonotlite bằng thủy nhiệt Kính vụn và Ca(OH)2 được trộn với nhau rồi đem đi cho phản ứng thủy nhiệt ở các nhiệt độ phản ứng thủy nhiệt nhiều giờ trong nước hình thành vật liệu khoáng Xonotlite Sơ đồ quy trình nghiên cứu tổng hợp khoáng Xonotlite sử dụng kính vụn và Ca(OH)2 được trình bày trong hình dưới [2] 12 Hình 3.1: Sơ đồ quy trình nghiên cứu tổng hợp khoáng Xonotlite sử dụng kính thải và Ca(OH)2 bằng phản ứng thủy nhiệt Hình 3.2: Sơ đồ bố trí của lò phản ứng thủy nhiệt được sử dụng Đĩa 6 mm chỉ tiếp giáp với nước hơi để ngăn hiện tượng rửa trôi Bộ thủy nhiệt được đặt bên trong lò để cung cấp nhiệt 13 3.2 Tận dụng kính thải tổng hợp khoáng Calcium Silicate Hydrat (CSH): Tobermorite 3.2.1 Thực trạng: Kính thải chiếm phần đáng kể của dòng chất thải đô thị ở đa số quốc gia phát triển Việc tái chế thuỷ tinh (lọ, chai,…) là mối quan tâm đến mối trường tuy nhiên tiềm năng tái chế của kính thải bị cản trở bởi một loạt vấn đề về chính trị, thẩm mỹ và kỹ thuật Cơ sở hạ tầng thu gom kém và màu sắc không phù hợp đã hạn chế việc cung cấp các loại kính thải phù hợp có thể tái chế hiệu quả Hơn nữa, số lượng lớn tái chế làm thay đổi bản chất của nguyên liệu thô trong quá trình sản xuất thuỷ tinh, gây ra các biến đổi về thành phần và khả năng oxy hoá khử làm ảnh hưởng đến chất lượng của các sản phẩm đã hoàn thành Để giải quyết vấn đề này, Nichola Coleman, một nhà hóa học vật liệu tại Greenwich, đã tìm ra cách tái sử dụng nhựa thông, mảnh vỡ của lọ và chai thủy tinh, để tạo ra một loại khoáng chất đá được tìm thấy tự nhiên gọi là tobermorite, có thể loại bỏ các kim loại nặng độc hại như chì và cadmium khỏi nước 3.2.2 Vật liệu và phương pháp tổng hợp Tobermorite CBPD (cement bypass dust) phát sinh từ quá trình sản xuất xi măng Pooclang thông thường và được sử dụng ngay không cần chuẩn bị gì thêm Các SLSG được thu hồi từ dòng chất thải đô thị ở Rochester, Kent, US và được chôn dưới đất bằng máy nghiền TEMA Phân tích oxit cho CBPD và SLSG thu được bằng phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) (Viện nghiên cứu vật liệu, Đại học Sheffield Hallam, Sheffield, US) được trình bày trong Bảng 1 14 Các pha kết tinh chính của CBPD được xác định bằng phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 11 mẫu tobermorite được chuẩn bị bằng cách trộn khô 3,0g CBPD và 2,7g SLSG (kính thải) trong 5 phút trước khi bổ sung nước và thuỷ nhiệt Sản lượng tối ưu của tobermorite thường thu được khi thành phần phản ứng nằm trong tỷ lệ mol sau: 0,80 < Ca / [Si + Al + Fe] < 0,85 và 0,00 < [Al + Fe] / [ Si + Al + Fe] < 0,17; do đó, những tỷ lệ được chọn là 0,84 và 0,1 (theo Coleman, 2005) Tổng hợp được thực hiện cùng một chất rắn không đổi; tỷ lệ dung dịch là 0,095g cm3 bằng cách đun nóng phản ứng hỗn hợp trong điều kiện không kéo ở 100 độ C trong các bình PTFE kín dưới áp suất tự nhiên trong 2: 7 và 14 ngày Trong mỗi trường hợp, các ion được thu hồi bằng cách lọc hấp dẫn, rửa bằng nước khử ion đến pH ~ 8, làm khô đến khối lượng không đổi trong không khí ở 40 độ C và được bảo quản trong các thùng chứa polypropylene kín khí cho đến khi được yêu cầu Các kết quả được phân tích bằng các phương pháp XRD; XRF và DTA đều rất khả quan Nghiên cứu này đã chứng minh rằng 11Ǻ-tobermorite có thể được điều chế từ sự kết hợp của kính thải và bụi xi măng cùng các vật liệu phế phải khác trong điều kiện 15 thuỷ nhiệt Không giống như những vật liệu phế thải và sản phẩm phụ khác, một ưu điểm khác của việc sử dụng kính thải và bụi xi măng làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp thuỷ nhiệt này là chúng không yêu cầu xử lý trước cũng như rửa trước khi sử dụng 16 KẾT LUẬN Tương lai phát triển Xonotlite đã được Công ty CP vật liệu cách nhiệt Nhật Bản (Japan Insulation Corporation - JIC) chế tạo thành vật liệu dạng tấm chịu nhiệt, chống cháy, dùng để bảo vệ các kết cấu thép, đường ống dẫn … từ năm 1966 Các sản phẩm từ Xonotlite của JIC hiện nay đã được mở rộng sang các lĩnh vực như: vật liệu xây dựng trang trí nội thất không cháy, vật liệu điều hòa độ ẩm với tính năng giữ độ ẩm ở mức độ ổn định trước các tác động của môi trường bên ngoài… Về phần tổng hợp Tobermorit thực nghiệm trên là quá trình tổng hợp thủy nhiệt một bước, sử dụng vật liệu phế thải làm chất phản ứng Tóm lại bằng cách sử dụng phương pháp xử lý thủy nhiệt chúng ta có thể tổng hợp Tobermorite (C5S6H5) và Xonotlit cả Tobermorit và Xonotlit đều là canxi silicat hiđrat, có thể dùng làm vật liệu môi trường Do đó, nghiên cứu này có thể đóng góp vào việc giảm thiểu kính thải, bảo vệ môi trường ở Việt Nam trường Tài liệu tham khảo: 1 Barthelmy, D Xonotlite Mineral Data Truy cập từ: http://webmin.mindat.org/data/Xonotlite.shtml#.YkCC_ChBxPa 2 Phạm Trung Kiên, Trần Ngô Quân, Đỗ Quang Minh The effect of hydrothermal treatment time on the synthesized of Xonotlite using glass cullet (GC) and Calcium hydroxide Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam, 9 - số 3 (201) xxx-xxx 17 3 Phế thải thủy tinh không chỉ là rác Truy cập từ: nhipcaudautu.vn https:// nhipcaudautu.vn/kinh-doanh/phe-thai-thuy-tinh-khong-chi-la-rac- 3263157/ 4 Xonotlite Truy cập từ: https://www.mindat.org/min-4343.html 5 N.J Coleman ⁎, C.J , C.J Trice, J.W Nicholson 11 Å tobermorite from cement bypass dust and waste container glass: A feasibility study 18