Tìm hiểu về polymer vô cơ và ứng dụng của nó trong công nghệ hóa đá nhân tạo

Tìm hiểu về polymer vô cơ và ứng dụng của nó trong công nghệ hóa đá nhân tạo

Mục Lục

Lời mở đầu 3

Chương 1 Giới thiệu chung về polymer và hợp chất cao phân tử 4

1.1 Polymer và hợp chất cao phân tử 4

1.2 Phân loại polymer 5

Chương 2 Polymer vô cơ 6

2.1 Lịch sử phát hiện và nghiên cứu về polymer vô cơ 6

2.2 Cơ chế polymer vô cơ 7

2.2.1 Trực tiếp 7

2.2.2 Gián tiếp 8

2.2.3 Cơ chế polymer hóa các chất vô cơ và cơ sở tạo ra chất kết dính polymer vô cơ 9

Chương 3 Công nghệ hóa đá nhân tạo 10

3.1 Vật liệu vô cơ và sự hóa đá 10

3.1.1 Chất kết tinh 10

3.1.2 Chất polymer 11

3.1.3 Cơ chế polymer hóa vô cơ 12

3.2 Cơ chế của sự hóa đá nhân tạo 13

3.3 Công nghệ sản xuất gạch không nung bằng phương pháp Polymer hóa khoáng (đất hóa đá) 16

3.3 1 Công nghệ gạch không nung của thế giới 16

3.3.2 Nhu cầu gạch xây nước ta và một số vấn đề xung quanh công tác sản xuất gạch xây bằng phương pháp nung 17

3.3.3 Gạch không nung là gì? 18

3.3.4 Thành phần sản xuất gạch không nung 19

3.4 Ứng dụng công nghệ hóa đá-phương pháp thay thế hữu hiệu 19

Kết luận 21

Phụ lục Một số hình ảnh về ứng dụng của công nghệ đất hóa đá ở Việt Nam Tài liệu tham khảo 25

LỜI MỞ ĐẦU

Polymer vô cơ là một polymer hẳn còn mới lạ với chúng ta so với các loại polymerhữu cơ khác Thực ra polymer vô cơ được Thế giới biết đến từ thập niên bảy mươi củathế kỷ 20 Ở nước ta polymer vô cơ mới chỉ thực sự được chú ý đến cách đây chừngmười năm Đó là một điều đáng tiếc bởi giá trị của polymer vô cơ là vô cùng to lớn Nhưhiện nay nó đặc biệt có giá trị trong ngành xây dựng, đó là công nghệ hóa đá nhân tạo.Trong tương lai không xa, với công nghệ hóa đá nhân tạo vùng nông thôn sẽ có nhữngcon đường sạch đẹp mà chi phí bỏ ra so với lợi ích nó đem lại là rất nhỏ

Vì thấy polymer vô cơ giá trị to lớn như vậy nên nhân cơ hội được học tập môn Hóa họchóa lý polymer tôi xin tìm hiểu về polymer vô cơ và ứng dụng của nó trong công nghệhóa đá nhân tạo Với hy vọng một ngày nào đó với công nghệ này chúng ta sẽ làm đượcnhiều việc có ích cho đất nước

Vì đây là một công nghệ mới nên về sự hiểu biết bị hạn chế và giới hạn Trong tương laipolymer vô cơ sẽ còn tiếp tục phát triển mạnh mẽ Vì thế nên bài tiểu luận còn hạn chế

về nội dung Mong Cô và các bạn đóng góp ý kiến

Sinh viênNguyễn Lương Thiện

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ POLYMER VÀ HỢP CHẤT CAO

PHÂN TỬ

1.1 Polymer và hợp chất cao phân tử.

Các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn thường được gọi là những hợpchất cao phân tử hay polymer, đã tạo ra thành trong thiên nhiên ngay từ những ngàyđầu tồn tại của trái đất Chẳng hạn xenlulozơ-thành phần chủ yếu của của tế bàosống-đều là những hợp chất cao phân tử quan trọng trong đời sống loài người

Từ thời xưa người ta đã biết sử dụng các vật liệu polymer tự nhiên như sợibông , tơ tằm, sợi gai, sợi len làm quần áo, da sinh vật để làm giày, giấy da để viết.Người Ai Cập đã biết dung giấy polymer để viết thư cho đến khi tìm ra phươngpháp điều chế hợp chất cao phân tử mới là giấy Công trình này đã mở đầu cho cácquá trình gia công các vật liệu polymer thiên nhiên và bắt đầu nghiên cứu về cáchợp chất polymer

Polyme (tiếng Anh: "polymer") là khái niệm được dùng cho các hợp chất có khối

lượng phân tử lớn và trong cấu trúc của chúng có sự lặp đi lặp lại nhiều lần nhữngmắt xích cơ bản Các phân tử tương tự nhưng có khối lượng thấp hơn được gọi làcác oligome

Danh từ hợp chất cao phân tử hay có khi gọi là polymer cao phân tử, chỉchung cho những hợp chất có khối lượng phân tử lớn của mạch phân tử, bởi vìnhững phân tử có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phức tạp nhưng không phải dolặp đi lặp lại những đơn vị cấu tạo monomer thường không được gọi là polymer.Monome: là những hợp chất thấp phân tử chứa lien kết ngắn hoặc là nhữnghợp chất vòng không bền, hoặc là những chất chứa những nhóm chức có khả năng

phản ứng cao(không ít hơn hai nhóm chức) Các hợp chất này tạo thành polymerbằng phản ứng trùng hợp, trùng ngưng hoặc những dạng phản ứng khác.

1.2 Phân loại Polymer.

Polymer được phân loại theo nhiều cách khác nhau

- Theo nguồn gốc: có polymer thiên nhiên( như xenlulozơ, cao su, tinh bột,

protit…) và polymer tổng hợp

- Theo thành phần hóa học của mạch chính phân tử polymer: như polymer mạch

carbon, polymer dị mạch, polymer vô cơ

- Theo cấu trúc mạch: đầu-đuôi, đuôi-đuôi, đầu-đầu.

Trong bài tiểu luận này chúng ta cùng tìm hiểu về polymer vô cơ

Chương 2

POLYMER VÔ CƠ

1.1 Lịch sử phát hiện và nghiên cứu về polymer vô cơ.

Polymer vô cơ đã được thế giới biết đến từ thập niên 70 của thế kỷ 20, khi conngười đã biết được vài thứ khoáng như pyroxen, hay vài thứ đá thiên nhiên như đá vỏchai, đều là các polymer, tức cao phân tử, chứ không phải phân tử cơ bản của tinh thểkhoáng vật Một pôlime vô cơ như vậy gồm những phân tử dài đến 10.000 lần mộtphân tử khoáng vật Pôlime vô cơ còn có xương sống làm bằng phân tử silic, khácvới pôlime hữu cơ, cô lập từ quặng dầu hoả, đã được dùng từ sau Thế Chiến Thứ II,

có xương sống làm bằng nguyên tố C

Hình 1: polymer vô cơNăm 1970, thế giới mới thật sự làm một polymer vô cơ, bằng cách nung bột lưuhuỳnh (S) bở rời thành sợi dài, sợi polymer, bằng cách đun bột lưu huỳnh lên 140 độ

C Đó là công đóng góp đầu tiên của các nhà bác học Hoa Kỳ, tạo ra một cuộc cách

mạng trong giới hoá học, mà quan niệm cổ điển là không bao giờ con người làmđược polymer vô cơ.

Đến thập niên 1990, GS Plattfort của khoa Địa chất Đại học Bruxelles (Bỉ) đãsang Việt Nam giới thiệu công trình nghiên cứu của ông, là biến sét cao lanh thành

đá vô cùng cứng rắn Bằng cách thêm xút vào với tỷ lệ thích hợp, ông biến các tinhthể khoáng kaolinit thành những hạt nam châm chỉ có bề dài 10A0 Cát hạt nam châmnày hút nhau, thành các sợi polymer dài ngoằn ngoèo, làm cho đất sét cứng thành đá,thành bêtông

Cuối thập niên 90 của thế kỷ 20, và trong các năm đầu của thập niên 1 của thế

kỷ 21, nhiều phát minh mới về polymer vô cơ, khiến cho người ta chia ra hai hướng:hướng vô cơ trực tiếp, như ta đã thấy nơi hạt lưu huỳnh (đơn nguyên tử) hay kaolinit(đơn phân tử) không có cầu nối nào khác hơn là nguyên tử và phân tử ròng một thứ;hướng gián tiếp có một hạt bé với một cầu nối, như hạt đất sét kết với hạt vôi và mộthạt đất sét thứ hai

Cơ chế kết nối vật liệu là dựa trên luật âm dương, với một lực rất mạnh, gọi là

từ lực Một vật liệu âm dính chặt với vật liệu dương như đất sét (lực âm) dính với vôi(lực dương), làm ra một polymer Cát là vật liệu trơ, không có lực âm, nên không làm

ra polymer với vôi được Từ lực có một tương lai to lớn, sáng chói mà chúng ta chưa

sờ đến được, vì polymer vô cơ chỉ được biết mươi năm trở lại đây, một tụt hậu rấtđáng kể

1.2 Cơ chế polymer vô cơ.

1.2.1 Trực tiếp

Từ trước 5000 năm, người ta gọi thủy tinh, pha lê là một chất rắn trong suốt màcon người chế tạo được Vào thế kỷ 19 khi kính hiển vi phân cực ra đời, soi thủy tinhlên kính, nó là vật thể không kết tinh, gọi là vô định hình Mãi đến khi có kính hiển

vi điện tử rọi lớn trên 10000 lần, mới thấy thủy tinh là sự bện chặt của những sợi dây

mà sau đó được xác định là polymer Vậy, nhờ nung nóng, cát trở thành thủy tinh,cứng, trong và là một polymer vô cơ cao nhiệt ( 1200 độ C – 1400 độ C).

Vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20, các nhà khoa học Mỹ biến bột lưu huỳnh (S) thànhsợi nhờ nung nóng nó ở 1400C, thay vì ở 14000C như thủy tinh Đây là lần đầu tiêncon người tạo polymer vô cơ ở nhiệt độ thường Sau này, cuối thập kỷ 90, nhà khoahọc Plattfort tạo được các hạt nam châm tí hon bằng cách trộn cao lanh với sođa.Chúng hít mạnh với nhau và biến cao lanh thành đá Đó là một polymer trực tiếp Rồicòn nhiều phát minh nữa ở dạng như vậy, khiến cho vật liệu xây dựng trở nên dồidào hơn, và nhất là rẻ hơn Đó là cốt lỏi của cuộc cách mạng hóa học ở thế kỷ 21 :khoa hóa học của các chất nano

1.2.2 Gián tiếp.

Trong thập niên 50 của thế kỷ 20, các nhà khoa học lập lại sự kết cứng của vôitôi với đất sét Họ nhận thấy rằng dưới kính hiển vi điện tử, đất sét hóa đá nhờ bêntrong đất sét hiện ra những sợi cực mảnh, đan bện nhau, mà họ gọi là entolime Vềsau, vào thế kỷ 21, ta mới nhận ra đó là những sợi polymer đất sét –vôi -đất sét-vôidài độ 10000 lần phân tử đất sét Sự hóa cứng là một sự polymer hóa vô cơ ở nhiệt

độ thường Nó xảy ra trong suốt 300 ngày nhào trộn và chỉ xuất hiện polymer đầutiên khi sét bị đẩy đi hết nước tẩm bên trong Nó chấm dứt với sét khô gỏ bon bonnhư ngói và không hề hóa nhão trong nước nữa Vậy sự polymer hóa của đất sétngược lại với sự kết tinh hóa của ximăng CPA là : polymer hóa đẩy nước đi ra ngoài,còn sự kết tinh hoá hút nước vào làm nước kết tinh bên trong

Vậy đẩy nước tẩm xảy ra làm sao? Giữa hạt sét và hạt vôi, có hai màng mỏngnước dày 0,2 micromet Khi màng mỏng nước này bị vứt đi, hạt đất sét và hạt vôivốn là từ tính âm (đất) và từ tính dương (vôi), kết dính lại nhau thêm 30% sức mạnhnữa, làm thành polymer (entroline)

Muốn đẩy nước tẩm đi khỏi hạt bé, cần có lực nén (cao chừng nào tốt chừng ấy) và

có việc phơi khô hay sấy

1.2.3 Cơ chế polymer hóa các chất vô cơ và cơ sở tạo ra chất kết dính polymer

vô cơ.

Quá trình polyme hoá vô cơ (hay còn gọi là polymer hoá khoáng vật) là phảnứng hoá học (phản ứng thế) diễn ra rất nhanh trong các môi trường kiềm của cáckhoáng vật silic – nhôm Kết quả của phản ứng là mạch polymer ba chiều và cấu trúcchuỗi bao gồm bộ khung Si-O-Al-O Thành phần hoá học của polyme vô cơ tương tựnhư các vật liệu zeolit tự nhiên, nhưng cấu trúc của chúng lại ở dạng vô định hình.Cho đến nay, cơ chế chính xác của quá trình ninh kết và rắn chắc của chất kết dínhpolymer vô cơ vẫn chưa được làm sáng tỏ Tuy nhiên, sự hình thành sản phẩmpolyme vô cơ có thể được giải thích bằng công thức sau :

Như vậy, hai thành phần chủ yếu để chế tạo chất kết dính polyme vô cơ là cácvật liệu khoáng giàu silíc (Si) và nhôm (Al) và các loại dung dịch kiềm Các vật liệukhoáng giàu Si-Al có thể là kaolanh, các loại đất sét, thậm chí các loại chất thải nhưtro bay nhiệt điện, muội silic, xỉ, tro trấu, v.v Các dung dịch kiềm có thể được sửdụng là hydroxit của natri hoặc kali Để đạt hiệu quả polyme hoá cao NaOH hoặcKOH thường được kết hợp sử dụng với Na2SiO3 hoặc K2SiO3

Trong quá trình polyme hoá và rắn chắc, chất kết dính polyme vô cơ có tính dính và

có khả năng liên kết các vật liệu chất độn rời rạc thành một khối rắn chắc

Chương 3

CÔNG NGHỆ HÓA ĐÁ NHÂN TẠO

3.1 Vật liệu vô cơ và sự hóa đá.

3.1.2 Chất kết tinh:

Từ 300 năm đến nay, người ta kết dính vật liệu bở rời thành đá bằng một chấtliên kết thuỷ lực, mang tên là xi măng CPA (ví dụ: xi măng Hà Tiên) Chất đó đượcnung trong lò đến 14500C, kết hợp 90% đá vôi với 10 % đất sét, thành các thỏiclinker Đem nghiền clinker thành bột, trộn với cát sạch, với nước lã, nó khiến chobụi vôi nung, kết dính với bụi đất sét nung, làm hoá cứng vữa hố với cát Sau khiphơi khô 28 ngày (thực tế là 3 ngày), một thứ đá cát được hình thành, gọi là bê tông

Sự hoá đá này được làm bằng một cơ chế, gọi là sự kết dính Tuỳ tỷ lệ pha ximăng CPA với cát sạch, ta có độ cứng gọi là mác: 1 xi măng/ 3cát là mác cứng chắcnhất, tạo bê tông mác 300; 1 xi măng/ 6 cát là mác mềm nhất, thường dùng cho côngtrình cấp thấp, thuộc mác 100 Sự kết dính tạo ra 3 loại khoáng vật, thuộc nhómsilicat vôi, gọi là: alite (1 calcit), belite (2 calcit) và celite (3 calcit) Càng nhiều calcitchừng nào bêtông càng cứng chừng ấy Sự kết tinh của silicat vôi hút nước rất nhiều

Đó là một đặc tính của sự hoá đá

Đá vôi chỉ tập trung ở miền bắc việt nam Đó là thiên đàng của các nhà máy ximăng CPA Nhưng cát sạch lại hiếm, càng ngày càng ít đi Ta phải tiết kiệm cát sạch

và xi măng CPA cho xây dựng đô thị và cần tìm ra một kiểu hoá đá cho nông thôn

Đó là lập một công nghệ nông thôn, hợp 4 điều kiện thành một

- Có cơ sở khoa học vững chắc,

- Dễ làm, có chất lượng chấp nhận được, không va chạm môi trường,

- Có vật liệu sẵn ở nông thôn (đất tạp),

- Và rẻ hơn xi măng CPA (để dành cho đô thị)

Nếu được một công nghệ như thế hỗ trợ, nhà nông sẽ phát triển nông thôn tạomôi trường vệ sinh, giúp nông thôn có bề mặt sạch đẹp và trật tự Đó là ước mơ củachúng ta vào cuối thế kỷ 20, mà đến đầu thế kỷ 21 ta mới bắt tay vào việc.

3.1.2 Chất polymer.

- Loại hữu cơ

Từ khi ngành dầu mỏ xuất hiện trên trái đất, thì ngành hoá dầu cũng xuấthiện Chất plastic (dẻo) được ra đời, nhờ biết tận dụng phế liệu của cặn dầu thô.Phế liệu này tạo ra các cao phân tử, gọi là polymer, rút ra được trong chất cặn

đó Trước hết các cao phân tử tạo ra keo, rồi sợi, là những phân tử khổng lồđược nối kết với nhau Từ các vật liệu thô đó, người ta làm ra sản phẩm tinh vihơn, tràn ngập thị trường, thay cho kim loại, gỗ, kính và nhiều thứ khác Cộngvới các chất cứng rắn, chịu tải, chịu ma sát mạnh, polymer làm thành compositgốc hữu cơ

- Loại vô cơ.

Từ năm 1960, người ta đã khám phá ra một vài chất vô cơ đã được thiênnhiên pôlime hoá, thông qua nguồn nhiệt cực lớn Đó là đá thuỷ tinh (obsidian)trong núi lửa, và ngọc (kiểu cẩm thạch) của nhóm huy khoáng (pyroxene) Từ

đó, suy ra thuỷ tinh nhân tạo, gọi là kính, cũng là một thứ đá thuỷ tinh (nhântạo) qua xử lý nhiệt Xương và gỗ của sinh vật cũng là polymer, một cái cónguồn vô cơ (xương) và một cái có nguồn hữu cơ (gỗ), không thông qua xử lýnhiệt Đến năm 1970, Hoa Kỳ là nước tạo ra polymer lưu huỳnh (S), bằng cáchnung lưu huỳnh đến 1400C Từ đó sự polymer hoá vô cơ được khoa học khẳngđịnh Đó là một cuộc cách mạng của địa hoá học, vì cho tới ngày đó, sựpolymer hoá chỉ dành cho vật liệu hữu cơ mà thôi Sự polymer hoá vô cơ ngàycàng tạo ra sản phẩm đa dạng

Từ năm 1970 trở về sau, nhiều phương pháp điều chế chất kết dính bằngpôlime hoá vô cơ đã ra đời Nhiều phương pháp chế ra được pôlime vô cơ, nhưthuỷ tinh, trước còn mơ hồ, nay ai cũng biết đó là sự pôlime hoá vô cơ cao

nhiệt Ở việt nam các hoá chất biến đất thành đá cũng được giới thiệu, nhưnggiá thành cao nên không phổ biến được.

3.1.3 Cơ chế polymer hóa vô cơ.

âm và một đầu dương Chúng kết dính lại với nhau, và với đất trộn trơ chungquanh, thành đá Đó là một composit vô cơ

Lượng xút chiếm tỷ lệ 4%, còn lượng kaolinite trong đất chiếm tỷ lệ 25%

Đó là một phương pháp có cơ chế từ tính toàn diện và trực tiếp, ta gọi đó là sự polymer hóa trực tiếp

- cơ chế gián tiếp:

Đất mịn hạt và vật liệu mịn hạt như đất sét trở xuống chỉ có điện tích âmtrên toàn hạt, đó là các anion thiên nhiên Nếu đưa vào đó các điện tích dươngkim loại, gọi là cation, thì cation sẽ nối các anion lại với nhau, và đất bở rời hóa

đá Cùng lúc, nó tạo ra sự kết dính bằng cách thu nạp thêm các cation thô hơnvào Chuỗi anion-cation-anion… là một polyme vô cơ hay tổng hợp ( vô cơ +hữu cơ)

Cation kim loại rẽ nhất là vôi Ca2+ Ta có thể thay vôi bằng Mg2+, hay Fe3+,

Al3+… với điều kiện chịu tăng giá thành Các hạt gỗ của con mối, sau khi tiêuhóa hết chất cenluloz, cũng là các cation cực mạnh, nhưng có nguồn hữu cơ.Hạt gỗ và vôi được xem như cation tổng hợp, làm ra polymer tổng hợp haycomposite tổng hợp giá rất thấp

3.2 Cơ chế của sự hóa đá nhân tạo.

- Xi măng và bê tông Portland.

Vào đầu thập kỷ 5 của thế kỷ 17 vừa qua người Anh đã phát minh ra một chấtkết dính vô cơ là xi măng Portland bằng cách nung 10% đất sét với 90% đá vôiCaCO3 để tạo ra một chất Chinker ở 14500C với công thức SiO3Ca Chinker đemnghiền mịn, cộng với cát sạch xây dựng, hóa cứng để tạo ra bê tông Portland là một

đá cát dùng cho xây dựng cho tới ngày hôm nay

Ximăng Portland hóa cứng trong môi trường bão hòa nước, cứng dưới nước,nên cần nước để kết tinh Ta gọi đó là sự kết tinh trong môi trường ướt Khi nó đangcứng trong 1 ngày, ta bão dưỡng nó bằng cách tưới thêm nước cho đủ 28 ngày mớiđạt 100% sự kết tinh

- Xi măng và bê tông polymer.

Vào cuối thập kỷ 90 của thế kỷ 20 vừa qua, một phát minh làm chấn động giớikhoa học của vật liệu mới GS Plattfort của Đại học Bluxelles của Bỉ đã tạo ra một ximăng vô cơ, như xi măng Portland, bằng đất sét với sét, một chất kết dính SiO3Na2,

mà không cần nung đến 14500C: chỉ trộn nguội hai thứ vật liệu với nhau trong thờigian qui ước là 28 ngày như xi măng Portland

Một điều lạ là ximăng Polymer này tạo ra các phân tử, gọi là polymer trong môitrường khô (độ ẩm = 0%) Càng khô bao nhiều càng cứng bấy nhiêu, không rả trongnước nữa

Vì công thức của nó không chứa vôi Ca nên một đặc điếm đáng ghi nhớ là nóchấp nhận nước mặn và làm với vật liệu mặn (cát cồn gió bờ biển, cát giống, cát cửasông, có lượng rất lớn ở nước ta), gọi là bến Aulfat, mà xi măng Portland không tạođược

Plattfort gọi đó là MIP (mineral polymer) vì thời đó chưa có khái niệm “khoahọc nano” để giải thích như ngày nay, mặc dù ông dùng vật liệu nano như đất sét vàcác dung dịch hóa chất như xút NaOH để lấy ra các ion Na, bêtông polymer là tươngđương với Composite, một chất keo dính hữu cơ, rút từ chất cặn của dầu khí mà loàingười phát minh từ năm 1920 của thế kỷ trước và xây dựng ngành chất dẻo vĩ đại