Nghiên cứu xử lý tro xỉ nhiệt điện bằng chất kết dính vô cơ trên cơ sở cao lanh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ DUNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN BẰNG CHẤT KẾT DÍNH VƠ CƠ TRÊN CƠ SỞ CAO LANH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ DUNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN BẰNG CHẤT KẾT DÍNH VƠ CƠ TRÊN CƠ SỞ CAO LANH Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 8440112.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phƣơng Thảo PGS TS Trần Hồng Côn Hà Nội - 2019 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắ Hồng Côn m xin m ơn TS Phương Th o, PGS TS Trần giao ề tài tận tình hướng ẫn t o iều i n tốt nh t suốt q trình nghiên ứu hồn thành uận văn Em xin hân thành m ơn toàn th Đ i họ Khoa họ T nhiên Đ i họ truyền t ho m nh ng iến thứ qu Quố gia Hà Nội m ơn tới Trường nhi t t nh gi ng u suốt thời gian qua góp phần n thân em hoàn thành uận văn Em xin gửi ời thầy Khoa Hóa họ ho tốt thầy th nghi m Hóa Mơi trường Khoa Hóa họ y anh hị n Ph ng Trường Đ i họ Khoa họ T nhiên giúp ỡ em suốt trình nghiên cứu học tập t i ây Cuối em xin c m ơn nhóm ề tài ĐT – CNMT 01/17 gia thân nh người t o iều ki n tốt nh t vật ch t ũng tinh thần cho em hoàn thành tốt luận văn Em xin hân thành m ơn Hà Nội, ngày thán g Học viên Nguyễn Thị Dung năm 2019 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU… CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tro xỉ nhiệt điện 1.1.1 Tình hình phát th i tro xỉ nhi t i n than 1.1.2 Tình hình xử lý, tái chế, tái sử dụng tro xỉ 1.2 Cơ sở lý thuyết polyme vơ hình thành bê tơng polyme 1.2.1 Cơ hế s hình thành geopolyme 1.2.2 Cơ hế polyme hóa tr c tiếp 11 1.2.3 Cơ hế polyme hóa gián tiếp 12 1.2.4 Một số nghiên cứu ứng dụng công ngh geopolyme 12 1.3 Tổng quan cao lanh 14 1.3.1 Khái ni m chung 14 1.3.2 Thành phần, ch t ng cao lanh Vi t Nam 17 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 21 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 21 2.2 Hóa chất dụng cụ 21 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 24 2.3.1 X ịnh số thành phần, tính ch t nguyên vật li u 24 2.3.2 Tổng h p ch t kết nh vô sở cao lanh – NaOH 32 2.3.3 Tổng h p ch t kết nh sở cao lanh – Ca(OH)2 32 2.3.4 Nghiên cứu nh hưởng tỷ l phối li u ến kh óng rắn tro xỉ .32 2.3.5 Đ nh gi h gây ô nhiễm thứ c p vật li u 33 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Thành phần, tính chất nguyên vật liệu 34 3.1.1 Thành phần, tính ch t tro bay xỉ nhi t i n 34 3.1.2 Thành phần số mẫu cao lanh kh o sát 35 3.2 Các thơng số chất kết dính vơ 37 3.2.1 Ch t kết dính cao lanh – NaOH 37 3.2.2 Ch t kết dính cao lanh – Ca(OH)2 41 3.3 Ảnh hƣởng thành phần phối liệu số điều kiện đến khả đóng rắn tro xỉ 45 3.3.1 Ảnh hưởng hàm ng NaOH ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 45 3.3.2 Ảnh hưởng hàm ng Ca(OH)2 ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 47 3.3.3 Ảnh hưởng tỷ l hỗn h p NaOH/ Ca(OH)2 ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 49 3.3.4 Ảnh hưởng hàm ng ch t kết dính ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 51 3.3.5 Ảnh hưởng tỷ l tro bay/ tro xỉ nhi t i n ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 53 3.3.6 Ảnh hưởng l ép ịnh h nh ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 55 3.3.7 Ảnh hưởng thời gian ưu ê tông tươi ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 56 3.3.8 Ảnh hưởng thời gian ưu ưỡng ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 57 3.4 Một số đặc tính hóa lý khác vật liệu sau đóng rắn 58 3.5 Đặc trƣng cấu trúc số vật liệu sau đóng rắn 62 3.6 Đánh giá khả gây ô nhiễm thứ cấp vật liệu 65 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH MỤC BẢNG BIỂU B ng 1.1 Lư ng tro nhà máy phía Bắc - B ng 1.2 S n ng phần trăm sử dụng tro bay t i số nước giới B ng 1.3 C ặ i m khống vật nhóm kaolinit - 16 B ng 2.1 Danh mục hóa ch t sử dụng nghiên cứu 21 B ng 2.2 Danh mục dụng cụ, thiết bị sử dụng 22 B ng 2.3 Thứ t ịnh ng ch t phân tích Al3+ 30 B ng 3.1 Thành phần hóa học tro bay tro xỉ ba nhà máy nhi t i n Ph L i, ng Bí Thái Bình - 34 B ng 3.2 Thành phần nhôm, sắt, silic oxit thông số khác mẫu caolanh 35 B ng 3.3 S phụ thuộc ộ trương nở cao lanh vào nồng ộ NaOH thời gian ngâm - 37 B ng 3.4 Ảnh hưởng hàm ng NaOH ến nồng ộ aluminat silicat t ch t kết dính cao lanh - NaOH 39 B ng 3.5 S phụ thuộc ộ nhớt vào hàm ng NaOH - 40 B ng 3.6 S phụ thuộc ộ trương nở ao anh vào hàm ng Ca(OH) thời gian ngâm - 41 B ng 3.7 Ảnh hưởng hàm ng Ca(OH)2 ến nồng ộ aluminat silicat t dung dịch 42 B ng 3.8 Ảnh hưởng hàm ng Ca(OH)2 ến ộ nhớt ch t kết dính - 43 B ng 3.9 Ảnh hưởng hàm ng NaOH a on ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 45 B ng 3.10 Ảnh hưởng hàm ng Ca(OH)2 a on ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 48 B ng 3.11 Ảnh hưởng tỷ l hỗn h p kiềm NaOH - Ca(OH)2 a on ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 50 B ng 3.12 Ảnh hưởng hàm ng ch t kết dính ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 52 B ng 3.13 Ảnh hưởng tỷ l tro bay/xỉ tới ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn - 53 B ng 3.14 Ảnh hưởng l ép ịnh h nh ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 55 B ng 3.15 Ảnh hưởng thời gian ưu ê tông tươi ến ường dộ kháng nén vật li u sau óng rắn 56 B ng 3.16 Ảnh hưởng thời gian ưu ưỡng ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn - 57 B ng 3.17 Một số ặc tính hóa lý khác vật li u sau óng rắn - 59 B ng 3.18 pH pha nước ngâm vật li u sau B ng 3.19 Nồng ộ ch t có kh óng rắn 28 ngày tuổi 66 gây ô nhiễm nước vật li u tro xỉ sau óng rắn 28 ngày hi ngâm nước - 68 Hình 1.1 Tứ di n SiO4 AlO4 - H nh 1.2 Cơ H nh 1.3 Cơ Hình 1.4 C u trúc cao lanh - H nh 2.1 M y nén hn Hình 2.2 Máy nghiền trộn phối li u PTN Hình 2.3 Hi n tư ng nhiễu x Hình 2.4 Nguyên lý phổ tán x Hình 2.5 Nguyên lý phát huỳnh quang tia X Hình 3.1 Gi n Hình 3.2 Gi n Hình 3.3 Ảnh hưởng nồng theo thời gian - Hình 3.4 Ảnh hưởng hàm ng NaOH Hình 3.5 Ảnh hưởng hàm ng NaOH Hình 3.6 Ảnh hưởng hàm lanh theo thời gian - Hình 3.7 Ảnh hưởng hàm dung dịch - Hình 3.8 S Hình 3.9 Ảnh hưởng hàm ng NaOH vật li u sau Hình 3.10 Ảnh vật li u sau NaOH Hình 3.11 Ảnh hưởng hàm ng Ca(OH)2 nén vật li u sau óng rắn Hình 3.12 Ảnh vật li u sau óng rắn ch t kết dính cao lanh – Ca(OH)2 Hình 3.13 Ảnh hưởng tỷ l hỗn h p NaOH – Ca(OH)2 a on ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 50 Hình 3.14 Ảnh vật li u sau óng rắn ch t kết dính cao lanh kiềm hỗn h p NaOH – Ca(OH)2 51 Hình 3.15 Ảnh hưởng hàm ng ch t kết nh ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 52 Hình 3.16 Ảnh hưởng tỷ l tro bay/xỉ tới ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn - 54 Hình 3.17 Ảnh hưởng l ép ịnh h nh ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 55 Hình 3.18 Ảnh hưởng thời gian ưu ê tơng tươi ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn 56 Hình 3.19 Ảnh hưởng thời gian ưu ưỡng ến ường ộ kháng nén vật li u sau óng rắn - 58 Hình 3.20 H số hóa mềm ộ hút nước số mẫu vật li u sau óng rắn - 61 Hình 3.21 Hình nh chụp SEM số mẫu vật li u 63 Hình 3.22 Ảnh SEM - EDX mẫu TXCXV2 (15%C) 63 Hình 3.23 Ảnh SEM - EDX mẫu TXCXV3 (15%C) 64 Hình 3.24 Ảnh SEM - EDX mẫu TXCXV4 (15%C) 64 Hình 3.25 Gi n XRD tro xỉ số mẫu vật li u sau óng rắn 65 H nh 3.26 pH pha nước ngâm vật li u sau óng rắn 28 ngày tuổi 67 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ch viết tắt ASTM BTCL EDX MKN P PTN QCVN SEM TCVN TKPT XRD XRF nước Độ hút m số hóa mề Hệ Hàm lượng than dư (b) Độ hút nước mẫu TXCX Hệ s ố hóa mề m Độ hút nước (a) H số hóa mềm mẫu TXCX Hàm lượng than dư (d) Độ hút nước mẫu TXCV Hệ số hóa mềm (c) H số hóa mềm mẫu TXCV (e) H số hóa mềm mẫu TXCXV (f) Độ hút nước mẫu TXCXV Hình 3.20 Hệ số hóa mềm độ hút nước số mẫu vật liệu sau đóng rắn Như ta có th th y hàm ộng ng than (trong ho ng % kh o sát) có tác óng rắn r t ến tính ch t Điều có th lý gi i vật li u sau o phương ph p t o oi phối li u àm xương l i với thành khối rắn Vn ề than gia xi măng hay àm nhà máy sử dụng công ngh ém ang v n ề nan gi i cho vi c xử lý, tái sử dụng khối xỉ lo i Với công ngh hông xi măng tr nh tro xỉ nhi t in ó 3.5 Đặc trƣng cấu trúc số vật liệu sau đóng rắn  Hình ảnh SEM số mẫu vật liệu (a) Tro bay (b) Tro xỉ (c) Cao lanh (d) Mẫu TXCV2 (15%C) 62 (e) Mẫu TXCX2 (15%C) (f) Mẫu TXCXV2 (15%C) Hình 3.21 Hình ảnh chụp SEM số mẫu vật liệu Hình nh SEM cho th y h t tro bay nh ng khối hình cầu, nh ng khối bao bên ngồi ch t kết dính Ch t kết dính phân bố àng ều, bao trọn h t tro bay, xỉ vật li u bền Các mẫu TXCV2 TXCX2 cho th y h t tro bay ch t kết nh hưa ồng nh t, phân bố hông ều, rời r c Mẫu TXCXV2 kết c u có phần ặ st ch t kết dính bao phủ tốt  Thành phần nguyên tố lớp kết dính hạt Phân tích thành phần nguyên tố lớp kết nh c tiến hành với mẫu vật li u sử dụng ch t kết nh sở cao lanh – kiềm hỗn h p NaOH – Ca(OH)2 Hình 3.22 Ảnh SEM - EDX mẫu TXCXV2 (15%C) 63 Hình 3.23 Ảnh SEM - EDX mẫu TXCXV3 (15%C) Hình 3.24 Ảnh SEM - EDX mẫu TXCXV4 (15%C) 64 Quan sát phân tích thành phần nguyên tố qua EDX mẫu kiềm hỗn h p cho ta th y hi tăng hàm ng NaOH hỗn h p NaOH – Ca(OH) ng Si Al lớp kết nh tăng tỷ l khối ng Si/A tăng từ 1,43 lên 1,59 chứng tỏ hi tăng hàm ng kiềm NaOH ng Si Al hòa tan tập trung l i lớp kết nh ũng tăng th o Hình 3.25 Giản đồ XRD tro xỉ số mẫu vật liệu sau đóng rắn Quan sát gi n peak sắc nét cho th y s n phẩm có c u trúc chủ yếu 3.6 Đánh giá khả gây ô nhiễm thứ cấp vật liệu C vật iu thành phần y Về mặt với yếu s hai t 65 sử sau óng rắn Với gi nặng tro xỉ hầu hết anion as nat photphat hi ó mặt Ca t nh 2+ sau hông tan nướ hi óng rắn ỳ th p Đ nh gi óng rắn sau 28 ngày ưu ưỡng ó nồng ộ NaC 5% Sau mỗ quan tâm ết qu Bảng 3.18 pH pha nước ngâm vật liệu sau đóng rắn 28 pH mẫu TXCX TXCV TXCXV TXCX TXCV TXCXV 66 14 12 10 Hình 3.26 pH pha nước ngâm vật liệu sau đóng rắn 28 ngày tuổi Kết qu a tiếp xú với nướ phẩm ngâm thứ hai pH Đối với tro xỉ ngâm s n phẩm h i th o quy 07:2009/BTNMT ết qu phân t 67 Bảng 3.19 Nồng độ chất có khả gây nhiễm nước vật liệu tro xỉ sau đóng rắn 28 ngày ngâm nước Nguyên tố Nồng ộ (mg/L) TXCX2 TXCV2 TXCXV2 TXCX2 TXCV2 TXCXV2 Từ nh ng ết qu nghiên ứu tr nh ày ó th ho th y s n phẩm óng rắn tro xỉ nhi t i n ằng h t ết dính cao lanh – iềm ho t hóa khơng gây nhiễm môi trường thứ p hi s n phẩm tiếp xú với nướ mưa hay nướ mặn 68 KẾT LUẬN Qua trình tìm hi u nghiên cứu, ề tài th rút số kết luận sau:  Đ nghiên ứu nh hưởng tác nhân kiềm ho t hóa (NaOH, Ca(OH) 2) ến tính ch t ch t dính vơ sở cao lanh  Đ tiến hành óng rắn tro xỉ với lo i ch t kết sở cao lanh – kiềm ho t hóa Các mẫu sử dụng ch t kết dính c hỗn h p ho ường gi m m nh hi n tư dính cao lanh – NaOH, khơng cịn xu t hi n với mẫu  3% so với tro xỉ Khi tăng hàm ng ch t kết dính theo tỷ l cao lanh từ – 40% so với tro xỉ ường ộ kháng nén vật li u tăng ên ng ( ên ến 447%)  C iều ki n tối ưu ho óng rắn tro xỉ:  Tỷ l tro bay/tro xỉ 80/20  Áp l c nén ép tối thi u 20MPa, tốt nh t > 30MPa • Thời gian ưu sau hi trộn phối li u không nên • Cường ộ kháng nén vật li u ổn ịnh sau tuần • Hàm ng a on (10 – 20%) ó t ộng tiêu c ến tính ch t vật li u sau óng rắn hông ớn  S n phẩm sau óng rắn sử dụng ch t kết dính cao lanh – kiềm ho t hóa ó ộ hút nước nằm kho ng 9,05 – 14 28%; ều ộ bền nước cao nh t t c mẫu sử dụng ch t kết dính cao lanh – kiềm hỗn h p NaOH – Ca(OH)2 với h số hóa mềm > 0,9  Các mẫu vật li u sau óng rắn không gây ô nhiễm thứ c p tiếp xúc với nướ mưa pH hay nước mặn 2,5% muối Như vậy, công ngh chế t o bê tông geopolyme sử dụng ch t kết nh vô sở cao lanh gi i pháp hi u qu xử lý tro xỉ nhi t i n ó hàm ư ao >10% ng cacbon 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Doãn Huy Cầm, Nguyễn Phương Lê Đỗ Trí (2016), “Tiềm Kao in miền Đông Bắc Bộ kh sử dụng ngành cơng nghi p”, Tạp chí Địa chất, lo i A(296), tr 11-12 Nguyễn Khắc Gi ng (2014), Giáo trình Khống vật sét Đ i học Mỏ - Địa ch t, Hà Nội Lương Như H i (2015), Nghiên cứu ứng dụng tro bay làm chất độn gia cường cho vật liệu cao su cao su blend, Luận án tiến sĩ hóa học, Vi n Hóa học – Vi n Hàn lâm Khoa học Công ngh Vi t Nam Nguyễn Văn Hoan (2012) Nghiên cứu sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay xỉ lò cao sở chất kết dính geopolyme, Vi n Vật li u Xây d ng Hust Vi t Nam (2015) Quang phổ huỳnh quang tia X: Đặc điểm nguyên lý phát, http://hust.com.vn/tin-tuc/chi-tiet/quang-pho-huynh-quang-tia-x-dac- diem-va-nguyen-ly-phat TCVN 5574:2012 – Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế, Vi n Khoa học Công ngh Xây d ng, Bộ Xây d ng TCVN 6355-4:2009 – Gạch xây – Phương pháp thử - Phần 4: Xác định độ hút nước TCVN 6477 :2016 – Gạch bê tông (2016), Bộ Khoa họ C Nội TCVN 8262:2009 – Tro bay – Phương pháp phân tích hóa học Vi n Vật i u Xây 10 ng Bộ Xây ng TCVN 9362:2012 – Tiêu chuẩn thiết kế nhà công trình, Vi n Khoa học Cơng ngh Xây d ng, Bộ Xây d ng 11 Ximangvn (2011), Bê tông geopolymer – Một số sản phẩm thương mại 12 Ximangvn (2012), Chế tạo thành công Bê tông chịu lửa không xi măng 70 Tiếng Anh 13 Aakash Dwivedi and Manish Kumar Jain (2014), “Fly ash – waste management and overview: A review, Recent research in science and technology”, Recent Research in Science and Technology, 6(1), pp 30-35 14 APHA Method 4500 SiO2: Automated Method for Molybdate-Reactive Silica 15 ASTM C618 – Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzalan for Use in Concrete 16 Baogua Ma et al.(1999), “The compositions, surface texture, absorption, and binding properties of fly ash in China”, Environment International, 25(4), pp 423-432 17 Davidovits J (2002), “30 Years of Success and Failures in Geopolyme Applications”, Geopolymer 2002 Conference, Melbourne, Australia 18 Davidovits J (2002), “Environmentally Driven Geopolymer Cement Application”, Geopolymer Institute, 02100 Saint-Quentin,France 19 Da-zuo Cao, Eva Selic, Jan-Dir H r coal-fir pow r p ants in China” Journal of Zhejiang Univ A: Applied Physics & Engineering, 9(5), pp 681-687 20 D.Ian Barn s1; Lin on K A S ar (2006) “Ash Uti isation from Coa -Based Pow r P ants” Report No.COAL R274 DTI/Pub URN 04/1915, pp 13-30 21 European Coal Combustion Products Association, www.ecoba.com 22 Francisco J López, Satoshi Sugita, Motohiro Tagaya, Takaomi Kobayashi (2014), “Metakaolin-Based Geopolymes for Targeted Adsorbents to Heavy Metal Ion Separation”, Journal of Materials Science and Chemical Engineering, 2(7), pp 16-27 23 Hans Joachim Feuerborn (2011), “Coal combustion products in European update on production and utilization, standardisation and relulation”, World of Coal ash (WOCA) conference, in Denver, CO, USA 71 24 Lloyd N A & Rangan B V (2010), “Geopolymer Concrete with Fly Ash”, in nd Int Conf on Sustainable Construction Materials and Technologies, ed J Zachar P Claisse, T R Naik, E Ganjian, Universita Politecnica delle Marche, Ancona, Italy, pp 1-10 25 Ministry of Environment and Forests (2003), Government of India – Utilisation of Fly Ash by Thermal power plants Notification, S.O.979(E) th Dated 27 August, 2003 26 Ministry of Environment and Forests (2007), Government of India – Utilisation of Fly Ash by Thermal power plants Notification, S.O.513(E) rd Dated April, 2007 27 Palomo A, Mw Grutzek & Mt Blanco (1999), “Alkali-activated fly ashes, A cement for the future”, Cement Concrete Research, Vol 29:1323-1329 28 Standard Methods: 3500-Al B: Aluminum by Eriochrome Cyanine R Method 29 Suresh G Patil and Manojkumar (2013), “Factors influencing compressive strength of Geopolymer concrete”, International Journal of Research in Engineering and Technology, pp 372- 375 30 Tildy Bayar(2015), “Best practices for managing power plant coal ash”, Power engineering international news, pp 1-4 31 Varga, G (2007), “The Structure of Kaolinite and Metakaolinite”, Epitoanyag, 59, pp 6-9 72 ... ng ề ? ?Nghiên cứu xử lý tro xỉ nhiệt điện chất kết dính vô sở cao lanh. ” 1.1 Tổng quan tro xỉ nhiệt điện Trong phế th i rắn tồn t i ưới hai h t r t mịn nhà m y nhi t Ở số nướ th o oi H i tro ay... GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ DUNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN BẰNG CHẤT KẾT DÍNH VƠ CƠ TRÊN CƠ SỞ CAO LANH Chun ngành: Hóa mơi trường Mã số: 8440112.05 LUẬN VĂN... Tổng quan tro xỉ nhiệt điện 1.1.1 Tình hình phát th i tro xỉ nhi t i n than 1.1.2 Tình hình xử lý, tái chế, tái sử dụng tro xỉ 1.2 Cơ sở lý thuyết polyme vô hình thành