Nghiên cứu vật liệu tổng hợp geopolymer từ tro bay và phế thải bùn đỏ của công nghệ bayer sản xuất bột nhôm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VŨ HUYỀN TRÂN NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔNG HỢP GEOPOLYMER TỪ TRO BAY VÀ PHẾ THẢI BÙN ĐỎ CỦA CÔNG NGHỆ BAYER SẢN XUẤT BỘT NHÔM Chuyên ngành : Vật liệu Công nghệ Vật liệu Xây dựng LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hƣớng dẫn khoa học : Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Vũ Huyền Trân Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 19-01-1985 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Vật liệu Công nghệ Vật liệu Xây dựng Khoá (Năm trúng tuyển): 2009 1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu vật liệu tổng hợp geopolymer từ tro bay phế thải bùn đỏ công nghệ Bayer sản xuất bột nhôm 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:  Chƣơng 1: tóm tắt nghiên cứu sử dụng bùn đỏ lịch sử đời nhƣ trình phát triển vật liệu geopolymer giới nƣớc Bên cạnh chƣơng cịn đƣa mục tiêu nội dung nghiên cứu luận văn  Chƣơng 2: giới thiệu chế geopolymer hóa tảng cấu trúc geopolymer nhằm mục đích hiểu rõ phƣơng pháp nghiên cứu FTIR geopolymer từ meta cao lanh tro bay  Chƣơng 3: cung cấp thơng tin nguồn gốc tính chất quan trọng nguyên vật liệu sử dụng nghiên cứu  Chƣơng 4: phƣơng pháp nghiên cứu tỷ lệ thành phần phƣơng pháp chế tạo vật liệu tổng hợp geopolymer từ tro bay phế thải bùn đỏ công nghệ Bayer sản xuất bột nhơm Bên cạnh cịn đƣa phƣơng pháp đánh giá mối quan hệ thành phần, cƣờng độ, thời gian sấy cấu trúc loại vật liệu  Chƣơng 5: đƣa kết thực nghiệm nhƣ phân tích, nhận xét kết Từ đƣa kết luận tính chất, cách chế tạo cấu trúc vật liệu  Chƣơng 6: tóm tắt kết hƣớng mở rộng nghiên cứu, đồng thời đƣa ứng dụng vật liệu geopolymer từ tro bay phế thải bùn đỏ xây dựng 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06-2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06-2011 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh Nội dung đề cƣơng Luận văn thạc sĩ đƣợc Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua (Họ tên chữ ký) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn đƣa kết nghiên cứu chất kết dính kiềm hoạt hóa sử dụng tro bay bùn đỏ với mục đích tìm loại vật liệu phù hợp với tình hình Việt Nam Bùn đỏ chất thải q trình sản xuất bột nhơm từ quy trình Bayer năm hàng bùn đỏ đƣợc thải Tro bay chất thải trình đốt than cám nhà máy nhiệt điện Đây loại vật liệu alumino silicate có hoạt tính cao Bùn đỏ tro bay đƣợc tái sử dụng thơng qua q trình geopolymer hóa Kết phản ứng tro bay bùn đỏ loại vật liệu có cấu trúc vơ định hình tới bán tinh thể đóng rắn nhiệt độ thƣờng Phụ gia hoạt hóa kiềm đƣợc sử dụng để trình phản ứng xảy gia tăng độ bền cấu trúc vật liệu Luận văn khảo sát liên quan tính chất lý, cấu trúc, thành phần vật liệu thời gian sấy Trong đó, cấu trúc vật liệu đƣợc khảo sát thông qua kết FTIR SEM Để hiểu rõ FTIR geopolymer từ meta cao lanh tro bay kiến thức chế geopolymer hóa cấu trúc geopolymer đƣợc giới thiệu Từ kết nghiên cứu, kết luận loại vật liệu chế tạo từ tro bay bùn đỏ hoàn toàn phù hợp với sản xuất thực tế đáp ứng đƣợc yêu cầu kỹ thuật tính kinh tế Đây loại vật liệu đầy triển vọng để phát triển kinh tế, xã hội ABSTRACT This thesis reports results of research about alkali-activated binders using fly ash and red mud, by reviewing previously published work, with the aim of finding a new material that is appropriate to Vietnam situation Red mud is a waste material obtained from the aluminium extraction industry with the Bayer process and million of tons of red mud are produced annually Fly ash is the finely divided residue that results from the combustion of pulverized coal in coal-fired electric and steam generating plants and a siliceous and aluminous material The potential use of red mud and fly ash for synthesis of inorganic polymeric materials is through geopolymerization process The unfired material resulting of the chemical reaction between red mud and fly ash is an amorphous to semi-crystalline polymeric structure and can be hardened in ambient air temperature Alkaline activator is also added as a structure-forming element and increases structural stability of unfired material This thesis also reports about relations between the physico-mechanical properties and mix proportion as well as manufacruring process of the unfired material using fly ash and red mud Besides, the relations between structure and mix proportion as well as manufacruring process also are reviewed A conceptual model of geopolymerisation and basic knowledge about structure of geopolymer are introduced with the purpose of providing a better understanding of FTIR of geopolymer based on meta kaoline and fly ash Based on the results obtained, this work proved that this unfired material has promising properties to be used as unfired materials in the construction LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chƣơng trình cao học viết luận văn này, tơi nhận đƣợc hƣớng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình nhiều thầy cơ, bạn bè ngƣời thân Trƣớc hết, xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới thầy PGS.TS Nguyễn Văn Chánh - ngƣời định hƣớng đề tài tận tình hƣớng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn cao học Đồng thời xin đƣợc cảm ơn thầy cô Bộ môn Vật liệu Xây dựng Khoa Xây dựng - Trƣờng Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh hết lịng truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm thời gian qua Và cuối cùng, mong nhận đƣợc ý kiến chỉ bảo ngƣời trƣớc Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 07 năm 2011 Học viên Vũ Huyền Trân MỤC LỤC Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài 13 1.2 Lý thực đề tài 14 1.3 Tình hình nghiên cứu giới Việt Nam 14 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới 14 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 34 1.4 Mục tiêu đề tài 35 1.5 Nội dung nghiên cứu 36 Chƣơng CƠ SỞ KHOA HỌC 2.1 Q trình geopolymer hóa 37 2.2 Cấu trúc geopolymer 42 2.3 Quang phổ hồng ngoại (FTIR) geopolymer 45 2.3.1 Giới thiệu phƣơng pháp phân tích theo phổ hồng ngoại 45 2.3.2 Giới thiệu phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại geopolymer 47 Chƣơng NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA NGHIÊN VẬT LIỆU 3.1 Bùn đỏ từ công nghệ Bayer sản xuất bột nhôm 60 3.1.1 Giới thiệu công nghệ Bayer sản xuất bột nhôm 60 3.1.2 Đặc điểm bùn đỏ từ quy trình sản xuất bột nhơm theo Bayer 60 3.1.3 Tính chất bùn đỏ sử dụng 61 3.2 Tro bay 64 3.2.1 Đặc điểm tro bay 64 3.2.2 Tính chất tro bay sử dụng 64 3.3 Cát 67 3.4 Phụ gia 68 Chƣơng PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CÁC TỶ LỆ THÀNH PHẦN VÀ PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO 4.1 Quá trình chế tạo mẫu 69 4.2 Q trình thí nghiệm 70 4.3 Phƣơng pháp nghiên cứu tính chất cấu trúc 71 4.4 Phƣơng pháp lựa chọn thành phần 72 4.5 Phƣơng pháp đánh giá mối quan hệ thành phần, tính chất cấu trúc 72 4.6 Phƣơng pháp nghiên cứu ảnh hƣởng thời gian sấy đến cƣờng độ chịu nén cấu trúc mẫu 73 Chƣơng KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Mối quan hệ cƣờng độ chịu nén (Rn), hàm lƣợng tro bay phụ gia 75 5.2 Mối quan hệ độ hút nƣớc (Hp), hàm lƣợng tro bay phụ gia 79 5.3 Mối quan hệ hệ số mềm (Km), hàm lƣợng tro bay phụ gia 82 5.4 Mối quan hệ thành phần khối lƣợng thể tích 85 5.5 Mối quan hệ thành phần, cƣờng độ chịu nén cấu trúc 85 5.6 Mối quan hệ thời gian sấy với cƣờng độ chịu nén cấu trúc 104 Chƣơng KẾT LUẬN 6.1 Kết luận 122 6.2 Ứng dụng sản phẩm 122 6.3 Kiến nghị 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 Phần VII PHỤ LỤC PHỤ LỤC KẾT QUẢ FTIR CỦA MẪU 1-20 132 PHỤ LỤC KẾT QUẢ X-RAY CỦA MẪU 1-10 152 PHỤ LỤC KẾT QUẢ SEM CỦA CÁC MẪU 1-20 161 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Khai thác bauxite Tây Nguyên Hình 1.2 Gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ Jamaica Hình 1.3 Q trình sản xuất gạch khơng nung block sử dụng bùn đỏ Trung Quốc Hình 1.4 Các dạng poly(sialate) Hình 1.5 Sự tỏa nhiệt xỉ hoạt hóa kiềm Hình 1.6 Q trình tro bay đƣợc hoạt hóa kiềm Hình 1.7 Q trình phản ứng liên quan tới geopolymer hóa meta cao lanh Hinh 1.8 Sự tạo thành pha gel vơ định hình A pha gel B Hình 2.1 Q trình geopolymer hóa Hình 2.2 Nhiễu xạ X-ray (Na,K)-poly(sialate-siloxo), (Na.K)-PSS Kpoly(sialate-siloxo), K-PSS Hình 2.3 Quang phổ (trái) aluminosilicate geopolymer, quang phổ (phải) Na-poly(sialate-siloxo) Na-PSS Hình 2.4 Vị trí thay đổi kéo căng bất đối xứng Si-O-T quang phô aluminasilicate với hàm lƣợng Al Hình 2.5 FTIR meta cao lanh geopolymer từ meta cao lanh Hình 2.6 FTIR tro bay geopolymer từ tro bay Hình 2.7 Vị trí đỉnh dải Si-O (1000-1250 cm-1) geopolymer từ tro bay đƣợc dƣỡng hộ nhiệt độ độ ẩm tƣơng đối khác Hình 2.8 Quang phổ FTIR geopolymer từ tro bay với Na/Al=0,5 Hình 3.1 Quy trình Bayer Hình 3.2 Bùn đỏ nhà máy hóa chất Tân Bình Hình 3.3 Biểu đồ nhiễu xạ X-ray mẫu bùn đỏ từ nhà máy hóa chất Tân Bình Hình 3.4 Kết SEM bùn đỏ sấy khơ Hình 3.5 Kết phân tích IR bùn đỏ Hình 3.6 Các hạt tro bay Hình 3.7 Tro bay từ nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch, Đồng Nai Hình 3.8 Kết phân tích biểu đồ nhiễu xạ X-ray mẫu thử tro bay Hình 3.9 Kết phân tích IR tro bay Hình 3.10 Kết thành phần hạt theo phƣơng pháp Laser mẫu tro bay Hình 4.1 Q trình chế tạo mẫu Hình 4.2 Q trình thí nghiệm Hình 4.3 Phƣơng pháp lựa chọn thành phần Hình 4.4 Đánh giá mối quan hệ thành phần, tính chất cấu trúc Hình 4.5 Phƣơng pháp nghiên cứu ảnh hƣởng thời gian sấy đến cƣờng độ chịu nén cấu trúc mẫu Hình 5.1 Sự thay đổi Rn theo hàm lƣợng tro bay phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:3 Hình 5.2 Sự thay đổi Rn theo hàm lƣợng tro bay phụ gia với tỷ lệ hh:cát= 1:3,5 Hình 5.3 Sự thay đổi Rn theo hàm lƣợng tro bay phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:4 Hình 5.4 Sự thay đổi Hp theo hàm lƣợng tro bay phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:3 Hình 5.5 Sự thay đổi Hp theo hàm lƣợng tro bay phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:3,5 Hình 5.6 Sự thay đổi Hp theo hàm lƣợng tro bay phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:4 Hình 5.7 Sự thay đổi Km theo hàm lƣợng tro bay phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:3 Hình 5.8 Sự thay đổi Km theo hàm lƣợng tro bay phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:3,5 Hình 5.9 Sự thay đổi Km theo hàm lƣợng tro bay phụ gia với tỷ lệ hh:cát=1:4 Hình 5.10 Kết FTIR mẫu 1, bùn đỏ tro bay (phụ lục 1) Hình 5.11 Kết FTIR mẫu mẫu biểu đồ (phụ lục 1) Hình 5.12 Sự biến đổi vị trí đỉnh khoảng500-1200 cm-1 mẫu mẫu Hình 5.13 Kết FTIR mẫu mẫu biểu đồ (phụ lục 1) Hình 5.14 Sự biến đổi vị trí đỉnh khoảng 500-1200 cm-1 mẫu mẫu Hình 5.15 Kết FTIR mẫu mẫu 6trên biểu đồ (phụ lục 1) Hình 5.16 Sự biến đổi vị trí đỉnh khoảng 500-1200 cm-1 mẫu mẫu Hình 5.17 Kết FTIR mẫu mẫu biểu đồ (phụ lục 1) Hình 5.18 Sự biến đổi vị trí đỉnh khoảng500-1200 cm-1 mẫu mẫu Hình 5.19 Kết FTIR mẫu mẫu 10 biểu đồ (phụ lục 1) Hình 5.20 Sự biến đổi vị trí đỉnh khoảng 500-1200 cm-1 mẫu mẫu 10 Hình 5.21 Sự biến đổi vị trí đỉnh khoảng 500-1200 cm-1 mẫu 2, 4, 6, 8, 10 Hình 5.22 Sự biến đổi vị trí đỉnh khoảng500-1200 cm-1 mẫu 1, 3, 5, 7, Hình 5.23 Sự thay đổi cƣờng độ chịu nén theo thời gian sấy với tỷ lệ hh:cát=1:3,5 Hình 5.24 Kết FTIR mẫu 11 dến 15 (trích từ phụ lục 1) Hình 5.25 Kết FTIR mẫu 16 dến 20 (trích từ phụ lục 1) Hình 5.26 Kết FTIR tro bay bùn đỏ đồ thị Mẫu số Trang 164 Mẫu số Trang 165 Mẫu số Mẫu số Trang 166 Mẫu số Trang 167 Mẫu số Trang 168 Mẫu số 10 Trang 169 Mẫu số 11 Trang 170 Mẫu số 12 Mẫu số 13 Trang 171 Mẫu số 14 Mẫu số 15 Trang 172 Mẫu số 16 Trang 173 Mẫu số 17 Trang 174 Mẫu số 18 Trang 175 \ Mẫu số 19 Trang 176 Mẫu số 20 Trang 177 Trang 178 ... NGHIÊN VẬT LIỆU 3.1 Bùn đỏ từ công nghệ Bayer sản xuất bột nhôm 60 3.1.1 Giới thiệu công nghệ Bayer sản xuất bột nhôm 60 3.1.2 Đặc điểm bùn đỏ từ quy trình sản xuất bột nhơm theo Bayer. .. Chuyên ngành: Vật liệu Cơng nghệ Vật liệu Xây dựng Khố (Năm trúng tuyển): 2009 1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu vật liệu tổng hợp geopolymer từ tro bay phế thải bùn đỏ công nghệ Bayer sản xuất bột nhơm 2-... nghiên cứu  Chƣơng 4: phƣơng pháp nghiên cứu tỷ lệ thành phần phƣơng pháp chế tạo vật liệu tổng hợp geopolymer từ tro bay phế thải bùn đỏ công nghệ Bayer sản xuất bột nhơm Bên cạnh cịn đƣa phƣơng