Nghiên cứu xử lý bã thải gyps của nhà máy DAP làm vật liệu xây dựng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN NGỌC THÚY TRẦN NGỌC THÚY KỸ THUẬT HÓA HỌC NGHIÊN CỨU XỬ LÝ BÃ THẢI GYPS CỦA NHÀ MÁY DAP LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HĨA HỌC KHỐ 2016A Hà Nội – Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN NGỌC THÚY NGHIÊN CỨU XỬ LÝ BÃ THẢI GYPS CỦA NHÀ MÁY DAP LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS LA THẾ VINH Hà Nội – Năm 2018 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trần Ngọc Thúy Đề tài luận văn: Nghiên cứu xử lý bã thải Gyps nhà máy DAP làm vật liệu xây dựng Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số HV: CA160525 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 16/5/2018 với nội dung sau: Đã bổ sung vào luận văn phần tổng quan đất đồi Phú Thọ Đã chỉnh sửa phần kết luận mục 2, thay từ “lựa chọn phụ gia” “sử dụng phụ gia” Đã chỉnh sửa lỗi tả luận văn Ngày 27 tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS.TS La Thế Vinh Trần Ngọc Thúy CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Lê Xuân Thành LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, thực hướng dẫn khoa học PGS.TS La Thế Vinh Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố hình thức Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Trần Ngọc Thúy LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cám ơn PGS.TS La Thế Vinh người trực tiếp hướng dẫn hoàn thành luận văn Với lời dẫn, tài liệu, tận tình hướng dẫn lời động viên thầy giúp vượt qua nhiều khó khăn q trình thực luận văn Tôi xin cám ơn quý thầy cô Bộ môn Công nghệ chất vô – Viện Kỹ thuật hóa học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nôi tạo điều kiện, giúp đỡ, truyền dạy kiến thức quý báu, kiến thức hữu ích giúp tơi nhiều thực nghiên cứu Tôi xin chân thành cám ơn Học viên Trần Ngọc Thúy MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chất thải Gyps 1.1.1 Định nghĩa phân loại 1.1.1.1 Định nghĩa 1.1.1.2 Phân loại 1.2 Tình hình sản xuất tiêu thụ Gyps giới Việt Nam 1.2.1 Tình hình sản xuất Gyps giới 1.2.2 Tình hình sản xuất, tiêu thụ sản phẩm Gyps Việt Nam 1.3 Các ứng dụng quan trọng Gyps 10 1.3.1 Vật liệu xây dựng 10 1.3.2 Sản xuất phân bón Amôn sunphat 10 1.3.3 Sản xuất xi măng Portland 10 1.4 Vấn đề vật liệu xây dựng 11 1.5 Khái quát tình hình sản xuất vật liệu xây dựng nước ta giới thiệu đất đồi tỉnh Phú Thọ 12 1.6 Tổng quan keo polime vô ứng dụng polime vô chế tạo vật liệu xây dựng 15 1.6.1 Tổng quan keo polime vô 15 1.6.1.1 Khái niệm polime vô 15 1.6.1.2 Tính chất polime vô 16 1.6.2 Ứng dụng polime vô chế tạo vật liệu xây dựng 17 1.7 Giới thiệu keo polime photphat nhôm 19 1.7.1 Cấu trúc keo polime photphat nhôm 19 1.7.2 Cơ sở hóa lý chế tạo keo phốt phát nhôm .22 CHƯƠNG 24 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 Nguyên liệu hóa chất xử lý bã thải Gyps 24 2.2 Các dụng cụ thí nghiệm 24 2.3 Phương pháp xử lý, tái chế bã thải Gyps để chế tạo vật liệu xây dựng 24 2.4 Các phương pháp nghiên cứu 25 2.4.1 Phương pháp xác định tính vật liệu 25 2.4.2 Các phương pháp đặc trưng cấu trúc 25 CHƯƠNG 29 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Thành phần tính chất nguyên liệu ban đầu: 29 3.1.1 Thành phần tính chất bã thải Gyps nhà máy DAP Đình Vũ 29 3.1.2 Thành phần hóa học đất đồi 30 3.1.3 Thành phần hóa học số tính chất polyme phốt phát nhơm 31 3.2 Chế tạo mẫu vật liệu 32 3.3 Cơ tính vật liệu 32 3.4 Xác định liên kết đặc trưng vật liệu phổ hồng ngoại 33 3.5 Xác định thành phần pha vật liệu phương pháp XRD 37 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 PHỤ LỤC 43 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT IR: Phổ hồng ngoại XRD: Nhiễu xạ tia X TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc polime photphat nhơm .20 Hình 3.2 Phổ IR polyme phốt phát nhôm .31 Hình 3.3 Mẫu sản phẩm vật liệu xây dựng .33 Hình 3.4 Kết phân tích phổ hồng ngoại vật liệu trộn theo tỷ lệ 80:20 34 Hình 3.5 Kết phân tích phổ hồng ngoại vật liệu trộn theo tỷ lệ 60:40 35 Hình 3.6 Kết phân tích phổ hồng ngoại vật liệu trộn theo tỷ lệ 90:10 36 Hình 3.7 Kết phân tích phổ hồng ngoại mẫu vật liệu trộn theo tỷ lệ 90:10; 80:20; 60:40 37 Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu trộn theo tỷ lệ 80:20 38 Hình 3.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu trộn theo tỷ lệ 90:10 38 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thành phần Gyps nhà máy DAP Đình Vũ – Hải Phòng 29 Bảng 3.2 Một số tiêu polyme phốt phát nhôm* 31 Bảng 3.3 Cơ tính sản phẩm 32 ngồi dựa đóng rắn pôlyme phốt phát nhôm hạt nguyên liệu rắn cấu trúc vật liệu Các hạt rắn liên kết lại với thông qua lớp màng mỏng keo liên kết, tất hạt rắn bao phủ lớp màng keo mỏng lên toàn bề mặt Ngoài kích thước hạt đất đồi lớn kích thước hạt Gyps tỷ lệ đất đồi bã Gyps chênh lệch lớn xếp liên kết hạt không chặt chẽ hình thành nhiều khe trống hạt với mà tính vật liệu giảm xuống Hình 3.3 Mẫu sản phẩm vật liệu xây dựng 3.4 Xác định liên kết đặc trưng vật liệu phổ hồng ngoại Khi nghiên cứu hình thành liên kết vật liệu phổ hồng ngoại với tỷ lệ trộn khác ta thu kết hình 3.4, 3.5, 3.6, 3.7 33 Fri Oct 27 10:32:15 2017 (GMT+08:00) Ty le 80:20 Ty le 80:20 CaSO4 O-H 1414.2 50 1684.1 1622.7 3695.9 O-H 20 10 1121.6 3405.5 30 P-OH 669.3 603.2 535.5 469.1 Al-O 60 40 795.6 3815.6 %Transmittance 2243.5 O-H 70 914.3 80 2116.5 90 Si-O 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumbers (cm-1) Hìnhscans: 3.4 Kết Number of sample 20 phân tích phổ hồng ngoại vật liệu trộn theo tỷ lệ 80:20 Number of background scans: 20 -1 Resolution: Trên 4.000 hình 3.4, xuất số sóng 669,3cm đặc trưng cho liên kết CaSO4 (do Sample gain: 8.0 Mirror velocity: 0.6329 thành phần Gyps), số sóng 469,1cm-1; 535,5cm-1; 603,2cm-1 đặc trưng Aperture: 95.00 cho liên kết Si-O (do thành phần đất đồi), số sóng 3695,9cm-1; 3405,5cm-1 đặc trưng cho dao động nhóm O-H nước, xuất pic dao động đặc trưng cho nhóm Al-O số sóng 1121,6 cm-1 chất kết dính Ngồi cịn xuất pic dao động đặc trưng cho nhóm P-OH số sóng 914,3cm-1, thành phần axit keo polime phốt phát nhôm 34 Fri Oct 27 10:16:58 2017 (GMT+08 Ty le 60:40 100 Ty le 60:40 40 CaSO4 20 Si-O Al-O-P 10 4000 468.8 O-H 1097.3 1033.1 P-OH 3448.7 30 535.0 1636.0 50 692.8 873.5 O-H 60 912.6 1418.9 70 3697.2 %Transmittance 80 795.5 90 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Wavenumbers (cm-1) Number of sample scans: 20 Hình 3.5 Kết phân tích phổ hồng ngoại vật liệu trộn theo tỷ lệ 60:40 Number of background scans: 20 Resolution: 4.000 -1 TrênSample hìnhgain: 3.5,8.0xuất số sóng 1636,0cm đặc trưng cho liên kết CaSO4 (do Mirror velocity: 0.6329 thànhAperture: phần95.00 Gyps), số sóng 468,8cm-1 535,0cm-1 đặc trưng cho liên kết Si-O (do thành phần đất đồi), số sóng 3697,2cm-1 3448,7cm-1 đặc trưng cho dao động nhóm O-H nước, xuất pic dao động đặc trưng cho nhóm Al-O-P số sóng 1097,3 cm-1 chất kết dính Ngồi cịn xuất pic dao động đặc trưng cho nhóm P-OH số sóng 912,6cm-1 35 500 Fri Oct 27 10:21:43 2017 (GMT+08:00) Ty le 90:10 100 Ty le 90:10 668.9658.2 602.9 532.7 40 20 1122.8 1098.5 3423.4 O-H 468.3 873.4 1419.2 O-H 1629.7 60 Al-O 3851.8 3800.5 %Transmittance 80 779.2 CaSO4 Si-O Al-O-P -20 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Wavenumbers (cm-1) Number of sample scans: 20 Hình Kết tích phổ hồng ngoại vật liệu trộn theo tỷ lệ 90:10 Number 3.6 of background scans:phân 20 Resolution: 4.000 8.0 xuất TrênSample hìnhgain: 3.6, Mirror velocity: 0.6329 Aperture: 95.00 -1 số sóng 668,9cm đặc trưng cho liên kết CaSO4 (do thành phần Gyps), số sóng 468,3-602,9cm-1 đặc trưng cho liên kết Si-O (do thành phần đất đồi), số sóng 1629,7cm-1 3423,4cm-1 đặc trưng cho dao động nhóm O-H nước, xuất pic dao động đặc trưng cho nhóm Al-O-P số sóng 1098,5cm-1 nhóm Al-O 1122,8cm-1 chất kết dính 36 Fri Apr 27 11:01:28 2018 (GMT+08 180 Ty le 60:40 Ty le 80:20 160 Ty le 90:10 120 a -0 3500 c: mẫu vật liệu 90:10 3000 2500 2000 1500 1000 Wavenumbers (cm-1) Number of sample scans: 20 Number of background scans: 20 Resolution: Hình 4.000 3.7 Kết Sample gain: 8.0 Mirror velocity: 0.6329 Aperture: 95.00 phân tích phổ hồng ngoại mẫu vật liệu trộn theo tỷ lệ 90:10; 80:20; 60:40 Ở hình vẽ từ 3.4 đến 3.7 cho thấy thơng tin quan trọng hình thành liên kết vật liệu, điều chứng tỏ có phản ứng quartz với thành phần bã Gyps thơng qua chất kết dính keo polime vơ 3.5 Xác định thành phần pha vật liệu phương pháp XRD Nghiên cứu thành phần pha vật liệu phương pháp nhiều xạ tia X thu kết hình 3.8 3.9 37 500 468.3 3423.4 20 658.2 b: mẫu vật liệu 80:20 c 602.9 532.7 c 873.4 a: mẫu vật liệu 60:40 1098.5 40 b 1419.2 60 1629.7 80 779.2 100 2237.9 %Transmittance 140 Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - 80-20 800 d=7.610 X 700 X: Ca(SO4)(H2O)2 600 d=3.342 400 300 d=1.541 d=1.818 d=1.782 d=1.900 d=2.085 d=2.281 d=2.236 d=2.217 d=2.454 d=2.681 d=4.472 100 d=3.063 200 d=2.873 d=4.277 X d=3.798 Lin (Cps) Y: SiO2 Y 500 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: ThuyBK 8020.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 01-074-1433 (C) - Gypsum - Ca(SO4)(H2O)2 - Y: 19.28 % - d x by: - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 5.67900 - b 15.20200 - c 6.52200 - alpha 90.000 - beta 118.430 - gamma 90.000 - Body-centered - I2/c (0) - - 495.153 - I/ 03-065-0466 (C) - Quartz low, syn - SiO2 - Y: 48.32 % - d x by: - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91410 - b 4.91410 - c 5.40600 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - - 113.056 - I/Ic PD Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu trộn theo tỷ lệ 80:20 Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - 90-10 800 X: Ca(SO4)(H2O)2 700 d=3.342 500 X d=7.605 400 d=1.541 d=1.619 d=1.818 d=1.900 d=2.126 d=2.279 d=2.456 d=2.682 d=3.952 100 d=3.798 200 d=2.873 d=3.062 X 300 d=4.275 Lin (Cps) Y: SiO2 Y 600 10 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: ThuyBK 9010.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 13 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 01-074-1433 (C) - Gypsum - Ca(SO4)(H2O)2 - Y: 37.92 % - d x by: - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 5.67900 - b 15.20200 - c 6.52200 - alpha 90.000 - beta 118.430 - gamma 90.000 - Body-centered - I2/c (0) - - 495.153 - I/ 03-065-0466 (C) - Quartz low, syn - SiO2 - Y: 90.49 % - d x by: - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91410 - b 4.91410 - c 5.40600 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - - 113.056 - I/Ic PD Hình 3.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu trộn theo tỷ lệ 90:10 38 70 Từ giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu rõ hai pha Gypsum quartz (SiO2) với cấu trúc tinh thể rõ Qua hình 3.8, 3.9 mẫu 90:10 mẫu 80:20 khơng cịn thành phần khống Al 2O3.2SiO2.2H2O montmorillonite (Al2O3.4SiO2.xH2O) Điều chứng tỏ kết hợp đất Gyps với keo polyme phốt phát nhôm có tượng thành phần khống cũ xuất khống Trong mẫu vật liệu tinh thể quartz xuất rõ nét, pic cao nhọn Như thấy bã Gyps trộn với đất đồi kết hợp với keo vật liệu hình thành pha điều chứng tỏ thành phần khoáng nguyên liệu bã Gyps tham gia vào hệ liên kết keo polyme tạo cho vật liệu có khả chịu nước có tính tốt Điều hồn tồn phù hợp với kết phổ hấp thụ hồng ngoại 39 KẾT LUẬN Quá trình nghiên cứu thực đề tài, thu kết luận sau: Đã bước đầu nghiên cứu xử lý bã thải Gyps để đáp ứng yêu cầu làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu xây dựng Bã Gyps sau lọc, rửa khơng cịn thành phần axit gây hại cho môi trường Đã nghiên cứu sử dụng phụ gia chất kết dính vơ để tổng hợp vật liệu Bã Gyps sau xử lý trộn với phụ gia đất đồi Phú Thọ keo polime photphat nhôm tạo thành loại vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường Đã thử nghiệm tính chất tính vật liệu cho thấy cường độ chịu nén vật liệu tương đối tốt Đã xác định số đặc trưng cấu trúc sản phẩm thu phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại, nhiễu xạ tia X Kết cho thấy thành phần vật liệu Gypsum (CaSO4) Quartz (SiO2) với cấu trúc tinh thể rõ, đồng thời vật liệu có hình thành liên kết bã thải Gyps đất đồi thơng qua kết dính keo polime vô 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Duy Du, Lại Thị Kim Dung, Lê Nghiêm Anh Tuấn (2012), Nghiên cứu công nghệ sản xuất gạch không nung từ đất đồi, Tạp chí Hóa học T.50, số 5B, trang 378-382 Depaterment of Oceanography Florida State University, Behavior of radionuclides during ammonocarbonation of phosphogypsum, Publication N0.05-040-111 La Thế Vinh, La Văn Bình (2006), Quan hệ cấu trúc khả bền nhiệt vật liệu polyme phốt phát nhôm, Hội nghị khoa học lần thứ 20, Đại học Bách Khoa Hà Nội A Burton, R Morris, L.M Bull, and S.I Zones (2004), A new aminophosphate Zeotype, Chem Mater, Vol 16, page 2844-2851 Phạm Đại Hải (2014), Nghiên cứu sử dụng đất đồi làm vật liệu xây dựng, Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội J H Morris, P G Perkin, A E A Rose, W E Smith (1977), Chem Soc Rev, Vol 6, page 173 J R Van Wazer (1958), Phosphorus and its compounds, Interscience publishers, Vol 1, page 617 K A Andrianov, A A Zuganov, N A Kupasheva and V G Dulova Nauk (1957), S S S R, Vol 112, page 1050 Khalid K Abbas (2011), Study on The Production of Ammonium Sulfate Fertlizer From Phosphogypsum Eng & Tech Journal, Vol.29, No.4 10 Lê Kim Long, Hoàng Nhuận (biên dịch) (2001 ), Tính chất lý hóa học chất vơ cơ, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội 11 Machel, H G (2001) Bacterial and thermochemical sulfate reduction in diagenetic settings: old and new insights Sediment Geol 140, 143-175 12 M R Mason, R M Matthews, M S Mashuta, J F Richardson (1996), Inorg Chem, Vol 35, page 5757 41 13 Pradip B.S., Jong Kil Kim, Hilonga A., Hee Taik Kim Recovery of High Surface Area Mesoporous Silica from Waste Hexa-fluorosilicic Acid (H2SiF6) of Fertilizer Industry, J Of Hazardous Material, 173(2010), 576580 14 T Siva Sankar Reddy, D Rupesh Kumar, and H Sudarsana Rao A study on strength characteristics of phosphogypsum concrete Asian Journal of Civil Engineering (Building and housing) Vol.11, No.4, p 411-420, 2010 15 R.F Korcak Chapter 7: Agricultural Uses of Phosphogypsum, Gypsum, and Other Industrial Byproducts U.S p.120-126.1990 16 Violeta Leskeviciene, Dalla Nizeviciene Anhydrite binder calcined from phosphogypsum Ceramics – Silikáty 54 (2), p.152-159, 2010 17 Y Yang, H G Schmidt, M Noltemeyer, J Pinkas, H W Roesky (1996), Nonaqueous synthesis of three new molecular zinc amide phosphates, J Chem Soc Dalton Trans, Vol 502, page 3609 42 PHỤ LỤC TẦN SỐ DAO ĐỘNG ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT VÔ CƠ TRONG PHỔ HẤP THỤ HỒNG NGOẠI 43 44 45 46 47 ... đích đề tài: - Nghiên cứu chế tạo vật liệu xây dựng từ bã Gyps Nội dung đề tài: - Nghiên cứu xử lý bã Gyps để đáp ứng yêu cầu làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu xây dựng; - Nghiên cứu sử dụng... 2.1 Nguyên liệu hóa chất xử lý bã thải Gyps Nguyên liệu xử lý bã thải Gyps thành vật liệu xây dựng gồm - Bã thải thạch cao (Gyps) : Bã thải Gyps lấy từ nhà máy DAP Đình Vũ, Hải Phịng - Đất đồi... viên,… 2.3 Phương pháp xử lý, tái chế bã thải Gyps để chế tạo vật liệu xây dựng a, Phương pháp xử lý bã thải Gyps: Mẫu đưa tới phịng thí nghiệm lấy từ nhà máy DAP Hải Phòng (Gyps) sàng để loại bỏ