Tổng quan về vật liệu Geopolymer

Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy NGUYỄN HỌC THẮNG giáo viên hướng dẫn của em đã tạo điều kiện để em được học hỏi và tìm hiểu về đề tài: Tổng quan về vật liệu Geopolymer.. Ví d

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

ĐỀ TÀI TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GEOPOLYMER

GVHD:TS NGUYỄN HỌC THẮNGSVTH: LÊ NGUYỄN HOÀI BĂNGMSSV: 3004140065

LỚP: 14CDHH2

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12/2016

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nhận xét:

Điểm đánh giá:

Ngày ……….tháng ………….năm 2016

( ký tên, ghi rõ họ và tên)

GVHD: TS Nguyễn Học Thắng Trang 2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Nhận xét:

Điểm đánh giá:

Ngày ……….tháng ………….năm 2016

( ký tên, ghi rõ họ và tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH 5

LỜI CẢM ƠN 6

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ GEOPOLYMER 9

1.1.Khái niệm về geopolymer 9

1.2 Phân loại Geopolymer 9

1.2.1.Geopolymer được tổng hợp dựa trên liên kết cộng hóa trị 9

1.2.2 Geopolymer tổng hợp từ các phân tử oligomer 10

1.2.3.Geopolymer có cấu trúc mạng không gian 3 chiều 12

CHƯƠNG 2: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU GEOPOLYMER 13

2.1.Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 13

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 14

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU GEOPOLYMER 16

3.1.Chất kết dính và vật liệu chịu lửa 16

3.2.Công nghệ Xi măng Geopolymer 16

3.3.Ứng dụng Geopolymer trong khảo cổ học 19

3.3.1.Đá Kim tự tháp ở Ai Cập 19

3.3 2.Xi măng La Mã 19

KẾT LUẬN 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

GVHD: TS Nguyễn Học Thắng Trang 4

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.3 Quá trình Hydroxyl hóa của Sialate – siloxo 123.1 Cơ chế đóng rắn của Xi măng Portland và Xi măng Gepolymer 173.2 Cơ chế phản ứng giữ aluminosilicate với polisilicate kiềm 17

LỜI CẢM ƠN

Trong cuộc sống không có sự thành công nào không gắn liền với sự hỗ trợ ,giúp

đỡ dù ít hay nhiều , dù trực tiếp hay gián tiếp Trong suốt quá trình học tập tại trường em

đã nhận được rất nhiều sự quan tâm , giúp đỡ của thầy cô và bạn bè Với lòng biết ơn, em xin gửi đến thầy cô Khoa Công Nghệ Hóa Học –Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm đã dùng tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong thời gian học tại trường Trong học kì này, khoa đã tổ chức cho chúng

em được tiếp cận và tìm hiểu về chuyên ngành mình đang theo học với đồ án chuyên ngành hóa học rất là hữu ích dành cho sinh viên khoa Công nghệ Hóa học chúng em Bên

cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy NGUYỄN HỌC THẮNG giáo viên hướng dẫn

của em đã tạo điều kiện để em được học hỏi và tìm hiểu về đề tài: Tổng quan về vật liệu Geopolymer.

Trong quá trình thực hiện đồ án kiến thức của em còn nhiều hạn chế và bỡ ngỡ.

Do đó, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được những chỉ bảo của Thầy để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn Tp.Hồ Chí Minh tháng 12 năm 2016

Sinh viên thực hiện

LÊ NGUYỄN HOÀI BĂNG

GVHD: TS Nguyễn Học Thắng Trang 6

LỜI MỞ ĐẦU

Cuộc cách mạng khoa học vật liệu không những đã tạo ra tính đa dạng sảnphẩm cho xã hội mà còn tạo ra sự đa dạng về bản chất của vật liệu Đặc biệt tronglĩnh vực vật liệu xây, đi từ những sản phẩm truyền thống như gạch bê tông xi măng– cát; gạch đất sét nung, đến gạch bê tông polymer vô cơ từ đất sét và gạchpolymer khoáng, rồi gạch polymer khoáng tổng hợp Sản phẩm ngày càng có nhiềuđặc tính thân thiện với môi trường, dễ sản xuất và dễ sử dụng hơn

Gạch polymer khoáng vô cơ từ đất sét là một loại vật liệu xây không nung đi

từ nguyên liệu cơ bản là đất sét tạp, đất đồi kết hợp với vôi- xi măng và phụ giahoạt tính Loại này có ưu điểm là nguồn nguyên liệu phong phú, quy trình sản xuấtđơn giản, kích thước sản phẩm đồng nhất nên rất dễ sử dụng Nhưng lại có nhượcđiểm rất lớn là tính đa dạng của các loại khoáng sét sẽ làm mất tính ổn định về chấtlượng của sản phẩm nếu không có một nguồn nguyên liệu thuần và ổn định Vì vậyhiện tại loại gạch này chưa phát triển ở thị trường trong nước

Một loại cao cấp hơn đó là geopolymer, bản chất là một polymer vô cơ, đi từnguyên liệu cơ bản là các khoáng silicate cao nhôm có trong tự nhiên hoặc nhântạo như mê ta kaolanh, tro bay, tro xỉ ( tro đáy), được polymer hóa trong môitrường sol-gel kiềm Sản phẩm là những polymer có khung xương chủ yếu là cácnguyên tố silic thật cứng chắc Loại này có những tính năng ưu việt như chịu nhiệt,khán hóa chất và môi trường mặn Có thể dùng để sản xuất gạch siêu nhẹ hoặc bêtông mác cao Hiện tại giá thành còn cao nên chưa hấp dẫn người sử dụng Đây cóthể là sản phẩm chiến lược trong tương lai

Hiện nay ở Việt Nam theo thống kê của Tổng cục Năng lượng (Bộ CôngThương) năm 2015, hiện có 19 nhà máy nhiệt điện than (công suất đạt 14.300MW) đang vận hành và tiêu thụ khoảng 42 triệu tấn than/năm Ước tính lượng tro

xỉ thải ra hàng năm hơn 14,4 triệu tấn với tổng số diện tích làm bãi thải khoảng 700

ha Ngoài ra, còn có 12 nhà máy (11.700 MW) đang xây dựng và 12 nhà máy đã vàđang phê duyệt đầu tư (12.900 MW) với tổng số than tiêu thụ 63 triệu tấn/năm vàlượng tro xỉ thải ra khoảng 14,7 triệu tấn/năm với diện tích bãi thải xỉ khoảng hơn1.100 ha Tính đến năm 2022-2023, Việt Nam sẽ có 43 nhà máy, tiêu thụ khoảng

110 triệu tấn than và thải ra khoảng 29 triệu tấn tro xỉ/năm Đại diện các nhà máy

nhiệt điện than cho biết, hầu hết lượng tro xỉ than đều được chôn lấp nhưng cũngchỉ kéo dài được khoảng 2 đến 3 năm, nhiều nhất là 5 năm Một số ít nhà máy bánđược tro xỉ ra bên ngoài, phục vụ sản xuất gạch không nung, làm phụ gia xi măng,

bê tông nhưng số lượng hạn chế, không thường xuyên [1] Như vậy khi khai tháctro bay, tro xỉ để tạo ra vật liệu geopolymer không những thân thiện với môitrường mà còn giải quyết được vấn đề tro bay, tro đáy tạo ra sau khi đốt than nhiênliệu ở các nhà máy nhiệt điện

GVHD: TS Nguyễn Học Thắng Trang 8

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ GEOPOLYMER 1.1.Khái niệm về geopolymer.

Geopolymer hay còn gọi là polymer vô cơ, có bản chất là một hợp chất hóahọc hoặc hỗn hợp của các hợp chất gồm các đơn vị lặp đi lặp lại Ví dụ như Siloxo(-Si-O-Si-O-),Sialate (-Si-O-Al-O-), Ferro-sialate (-Fe-O-Si-O-Al-O-Si-O-),Alumino-phospho (-Al-O-P-O-), tạo ra thông qua quá trình geopolymer hóa [2].Việc tổng hợp vật liệu này (geosynthesis) lần đầu tiên được trình bày tại hội nghịchuyên đề IUPAC về các tính chất của Polymer và Vật liệu polymer tại Stockholmvào năm 1976 [3]

Vật liệu Geopolymer là một loại vật liệu rắn, được tổng hợp từ nguyên liệuchứa aluminosilicate và một dung dịch kiềm có nồng độ pH cao

Như vậy, để tổng hợp nên vật liệu Geopolymer thì nguyên liệu ban đầuthường ở dạng aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trìnhgeopolymer hóa Chất hoạt hóa kiềm phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH

và thủy tinh lỏng natri silicat nhằm tạo môi trường kiềm và thực hiện phản ứnggeopolymer hóa

Vật liệu Geopolymer trước khi đưa vào khai thác và sử dụng rộng rãi đãđược nghiên cứu, kiểm tra các đặc tính và thấy rằng Geopolymer có tính chất hóahọc và đặc tính vật lý tuyệt vời, chẳng hạn như tính chịu lửa và tính kháng acid.Nhờ các đặc tính đó mà vật liệu Geopolymer được ngày càng được khai thác và sửdụng nhiều trong ngành xây dựng, là loại vật liệu “ xanh” đang được hầu hết cácnước trên thế giới quan tâm và nghiên cứu

1.2 Phân loại Geopolymer.

Theo T.F Yen [4] Geopolymers có thể được phân loại thành hai nhómchính: geopolymers vô cơ tinh khiết và geopolymers chứa hữu cơ, các chất tương

tự tổng hợp từ những đại phân tử có trong tự nhiên.Cũng có thể phân loạiGeopolymer theo cách tổng hợp , theo đó Geopolymer chia làm 3 loại

1.2.1.Geopolymer được tổng hợp dựa trên liên kết cộng hóa trị.

Các đơn vị cơ bản trong cấu trúc geopolymer là một phức tứ diện gồm Sihoặc Al liên kết với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị với bốnoxy Các geopolymer hình thành từ liên kết ngang giữa các tứ diện, tạo nên mạngaluminosilicat 3 chiều nơi mà các điện tích âm kết hợp với nhôm tứ diện được cânbằng bởi cation, phổ biến nhất là cation kim loại kiềm Các cation kim loại kiềmthường trao đổi ion khi chúng tạo liên kết, nhưng chỉ tạo liên kết không bền vớimạng cộng hóa trị chính, tương tự như các cation trong mạng tinh thể Zeolit

1.2.2 Geopolymer tổng hợp từ các phân tử oligomer.

Geopolymer hóa là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ được gọi làoligomer thành một mạng lưới đồng hóa trị Việc tổng hợp Geopolymer được thựchiện thông qua các oligomer (dimer, trimer, tetramer, pentamer) Các oligomerhình thành nên cấu trúc thực tế của khung phân tử ba chiều

Vào năm 2000, T.W Swaddle và nhóm của ông đã chứng minh sự tồn tạicủa các phân tử Alumino-silicat cô lập hòa tan trong dung dịch có nồng độ và độ

pH cao , ở nhiệt độ rất thấp, có thể đến -9°C [5]

GVHD: TS Nguyễn Học Thắng Trang 10

Hình 1.1 5 loại Olygomer

Ví dụ về quá trình geopolymer hóa của (-Si-O-Al-O-) với metakaolin

MK-750 trong môi trường kiềm [6]

Quá trình gồm bốn giai đoạn chính:

Giai đoạn 1: Khử trùng hợp kiềm với kaolin có cấu trúc lớp đã được nung

Giai đoạn 2: Hình thành monomer và oligomer, trong đó có phân tử

"ortho-sialate" (OH) 3 -Si-O-Al- (OH) 3 (vd #1 hình 1);

Giai đoạn 3: Với sự có mặt của thủy tinh lỏng tuần hoàn cấu hình Al-Si (ví dụ # 5

hình 1), theo đó các hydroxit được giải phóng bởi các phản ứng trùng ngưng và có

thể phản ứng lại;

Giai đoạn 4: Tổng hợp Geopolymer (đa trùng ngưng) tạo ra oligomer cao hơn và

polyme có cấu trúc mạng 3 chiều

Khi tổng hợp Geopolymer thì sự hoạt động hóa học của các Na-poly

(sialate-siloxo) và K-poly (sialate-(sialate-siloxo) khác nhau Điều này là do các kích thước khác

nhau của cation Na+ và cation K+, K+ là lớn hơn so với Na+

Ví dụ về zeolitic (Si-O-Al-O) geopolymerization với tro bay trong môi

trường kiềm [7]

Nó bao gồm 5 giai đoạn chính

 Giai đoạn mầm trong đó alumin từ tro bay hạt hòa tan

trong môi trường kiềm (Na + ), tạo thành aluminat và

silicat, có lẽ là monome

 Gia đoạn 2: Các monomer phản ứng với nhau để tạo

thành dimer , dimer lần lượt phản ứng với monome

khác để tạo thành trimer, tetramers

 Giai đoạn 3: Khi các dung dịch đạt tới độ bão hòa, tạo

thành một kết tủa nhôm (có gốc Gel 1)

 Giai đoạn 4: Khi phản ứng xảy ra,nhóm Si-O từ nguồn rắn ban đầu hòa tan,tăng nồng độ silic và tỷ trọng của Silicon trong gel tiền thân của Zeolit (gel2).

 Giai đoạn 5:các kết tủa dạng gel băt đầu đóng rắn thành một mang 3Dkhung như Zeolit

1.2.3.Geopolymer có cấu trúc mạng không gian 3 chiều

Năm 1994, Davidovits trình bày một cấu trúc lý thuyết cho K-poly siloxo) (K) - (Si-O-Al-O-Si-O) phù hợp với quang phổ NMR [8] Trong cấu trúckhông có sự hiện diện của nước vì ông chỉ tập trung vào các mối liên kết giữa Si,

(sialate-Al, Na, K, các nguyên tử khác Nước tồn tại dạng lỏng ở nhiệt độ dưới 150o

C-200oC, trong khi nhiều Geopolymer ứng dụng trong công nghiệp và thương mạilàm việc ở nhiệt độ trên 200oC có khi lên tới 1400oC, tức là trên nhiệt độ hydroxylhóa Tuy nhiên, các nhà khoa học nghiên cứu trên các ứng dụng nhiệt độ thấp,chẳng hạn như xi măng và quản lý chất thải, đã cố gắng để xác định cation hydrathóa với các phân tử nước[9][10] Một số Geopolymer có cấu trúc Khung 3D được

mô tả trong cuốn sách “geopolymer Hóa học và ứng dụng" [11] Sau khi hydroxylhóa (và mất nước), nhiệt độ trên 250°C, geopolymers càng trở nên tinh và trên500-1000°C (tùy thuộc vào tính chất của các cation kiềm) sẽ kết tinh và có môhình nhiễu xạ X-quang và cấu trúc khung giống tương tự địa chất

Hình 1.3 Quá trình Hydroxyl hóa của Sialate - siloxo

GVHD: TS Nguyễn Học Thắng Trang 12

CHƯƠNG 2: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU GEOPOLYMER 2.1.Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài.

Geopolymer đầu tiên được tổng hợp tại Pháp bởi J Davidovits vào năm

1979 Được công nhận và trao bằng phát minh ngày 14 tháng 9 năm 1982 với tiêu

đề “Polyme khoáng sản và phương pháp chế tạo” (Mineral Polymers and methods

of making them) Nhưng từ năm 1979, một loạt các loại nhựa, chất kết dính và cácloại xi- măng được phát triển bởi các ngành công nghiệp hóa chất, trên toàn thếgiới Geopolymer về cơ bản được tổng hợp từ silicat hoà tan trong kiềm [thủy tinhlỏng hoặc (Na, K) -polysiloxonate] với đất sét nung kaolinitic (sau này đặt rametakaolin MK-750 để làm nổi bật tầm quan trọng của nhiệt độ nung, cụ thể là 750

° C trong trường hợp này) Năm 1985, Kenneth MacKenzie và nhóm của ông từNew-Zealand, đã phát hiện ra phối trí Al(V) của kaolinite nung (MK-750) [12].Điều này giúp cho các nhà nghiên cứu sự hiểu biết tốt hơn về các phản ứng củageopolymeric

Vào năm 1983, tại Phòng thí nghiệm trung tâm của công ty Lone Star(Mỹ) các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu về các loại xi-măng geopolymer, họnghiên cứu và tạo ra xi-măng geopolymer trong môi trường kiềm Vài thángsau, họ phát hiện ra rằng việc bổ sung các xỉ lò làm tăng thủy lực sản phẩm ximăng, đến các loại poly (sialate) của geopolymer, tăng tốc thời gian đóng rắn

và cải thiện đáng kể độ bền nén và uốn [13]

Tháng 9/1983 xi măng Geopolymer kháng acid với tổ chức zeolitic đượcphát triển cho việc ngăn chặn chất thải nguy hại ở Mỹ Bởi vì xi măngGeopolymer không giống với xi măng Portland thông thường, xi mănggeopolymeric không dựa vào vôi và không có tính axit Nó cứng nhanh chóng

ở nhiệt độ phòng và có độ bền nén trong khoảng 20 MPa, sau chỉ có 4 giờ ở20°C, độ bền nén sau 28 ngày là trong phạm vi 7-10 MPa [14] Hơn nữa khisản xuất xi măng Portland một lượng lớn khí CO2 vào khí quyển, theo ước tínhkhi sản xuất một tấn xi măng Portland đồng nghĩa với việc thải ra một tấn khí CO2

từ đá vôi và than đốt

Năm 1990, Davidovits và các Cộng sự thành công trong việc cố địnhhơn 90% các ion kim loại nặng có trong chất thải bằng mạng 3D Vào giữanhững năm 1990, Van Jaarsveld và Van Deventer bắt đầu nghiên cứu hiệu quả

cố định của geopolymer sản xuất từ tro bay

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước.

Ngày 12 tháng 5 năm 2010, Viện Vật liệu xây dựng đã tổ chức hội nghịchuyên đề về vật liệu geopolymer và ứng dụng của geopolymer trong lĩnh vực vậtliệu xây dựng Vật liệu geopolymer được nghiên cứu với mục tiêu tạo ra quá trìnhsản xuất thân thiện với môi trường, giảm khí thải CO2 , tận dụng các chất thải côngnghiệp như tro bay, tro đáy, tro xỉ, bùn đỏ… thành các sản phẩm có tính năng sửdụng cao

Vào năm 2012, tại Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu khoa học lần thứ 8 Đạihọc Đà Nẵng đã trình bày kết quả Đề tài nghiên cứu tổng hợp vật liệu geopolymer

từ hỗn hợp bùn đỏ và tro bay Theo đó, thủy tinh lỏng được cho vào để tiến hànhquá trình đa ngưng tụ Vật liệu geopolymer chế tạo được đem đi xác định cường độnén Thêm nữa, thành phần, các đặc trưng liên kết và hình thái bề mặt cũng đượcnghiên cứu nhờ nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ kế hồng ngoại (FT-IR) và kínhhiển vi điện tử quét (SEM) Kết quả cho thấy vật liệu nghiên cứu phù hợp để sảnxuất gạch xây dựng theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1451-1988

Vào năm 2016 trên số báo đầu tiên năm 2016 của Tạp chí Khoa học Côngnghệ Xây dựng đã công bố công trình nghiên cứu của TS Phan Đức Hùng -Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và TS Lê Anh Tuấn -Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh về đề tài “Tính chất cơ họccủa bê tông geopolymer sử dụng tro bay gia cường sợi Poly-propylene” Tháng4/2016 Nguyễn Phan Anh một sinh viên Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ ChíMinh đã tận dụng lượng tro bay từ các nhà máy nhiệt điện, tạo ra loại vật liệuGeopolymer trên dầm bê tông cốt thép có khả năng chịu lực lên đến 100 kN(kilônewton), cao hơn dầm bê tông cốt thép thường 10%

GVHD: TS Nguyễn Học Thắng Trang 14