NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GEOPOLYMER CHỐNG TIA X TỪ TRO BAY VÀ ZEOLITE THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG NGUYỄN NGỌC TRAI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GEOPOLYMER CHỐNG TIA X TỪ TRO BAY VÀ ZEOLITE THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Đà Nẵng - Năm 2018 i ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN NGỌC TRAI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GEOPOLYMER CHỐNG TIA X TỪ TRO BAY VÀ ZEOLITE THẢI Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Văn Dũng Đà Nẵng – Năm 2018 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Văn Dũng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Những số liệu tơi tìm q trình làm thí nghiệm, nội dung tài liệu tham khảo có nguồn gốc rõ ràng theo quy định Học viên thực Nguyễn Ngọc Trai GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii TÓM TẮT v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .3 Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học 4.2 Ý nghĩa thực tiễn CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ GEOPOLYMER 1.1 Giới thiệu geopolymer aluminosilicate 1.2 Nguyên liệu sản xuất geopolymer aluminosilicat 1.2.1 Tro bay 1.2.2 Zeolite 10 1.2.3 Thủy tinh lỏng 12 1.2.4 Natri hydroxit 13 1.3 Khái niệm geopolymer 15 1.3.1 Cơ chế hình thành geopolymer 15 1.3.2 Cấu trúc geopolymer 17 1.3.3 Lịch sử phát triển ứng dụng geopolymer 19 1.3.3.1 Lịch sử phát triển 19 1.3.3.2 Ứng dụng geopolymer .20 1.3.4 Lợi ích việc nghiên cứu geopolymer .23 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai iii 1.4 Giới thiệu số hệ geopolymer khác 26 1.4.1 Geopolymer sở photphate .26 1.4.2 Geopolymer khoáng hữu 26 CHƢƠNG - MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Mục tiêu nghiên cứu .28 2.2 Nội dung nghiên cứu 28 2.3 Phương pháp nghiên cứu 28 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 28 2.3.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 31 2.3.3 Xác định cường độ chịu nén 32 2.3.4 Xác định thành phần hóa thủy tinh lỏng công nghiệp 34 2.3.4.1 Xác định hàm lượng silic đioxit 34 2.3.5 Phân tích thành phần kích thước hạt nguyên liệu .36 2.3.6 Hiện tượng hấp thụ xạ tia X tia gamma hệ số suy giảm tuyến tính 38 CHƢƠNG - NGUYÊN LIỆU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 40 3.1 Nguyên liệu 40 3.1.1 Tro bay 40 3.1.2 Zeolite 40 Sử dụng zeolite thải từ nhà máy lọc dầu Bình Sơn, Quảng Ngãi .40 3.1.3 Natri hydroxide - NaOH 40 3.1.4 Cát .40 3.1.5 Nước 40 3.2 Dụng cụ quy trình thực nghiệm 41 3.2.1 Dụng cụ 41 3.2.2 Quy trình thực nghiệm 41 CHƢƠNG - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 44 4.1 Xác định đặc trưng tro bay .44 4.2 Xác định đặc trưng zeolite thải 44 4.3 Xác định đặc trưng thủy tinh lỏng 47 4.4 Xác định đặc trưng cát .47 4.5 Xác định thành phần cấp phối cường độ R28 vật liệu geopolymer .48 4.6 Xác định trình phát triển cường độ vật liệu 51 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai iv 4.7 Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) vật liệu geopolymer 53 4.8 Phân tích hình thái bề mặt mẫu kính hiển vi điện tử quét (SEM) 56 4.9 Đề xuất cấu trúc loại vật liệu geopolymer 56 4.10 Xác định khả che chắn tia X vật liệu geopolymer 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .58 Kết luận: 58 1.1 Về nguyên liệu 58 1.2 Về vật liệu geopolymer 58 Một số kiến nghị 59 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC .4 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai v TÓM TẮT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GEOPOLYMER CHỐNG TIA X TỪ TRO BAY VÀ ZEOLITE THẢI Học viên: Nguyễn Ngọc Trai Mã số: 8520301 Khóa: 34 Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Sử dụng chất thải công nghiệp chế tạo sản phẩm phục vụ cho sống xu hướng nghiên cứu khoa học để giải nạn ô nhiễm môi trường Mục tiêu đề tài chế tạo vật liệu geopolymer chống tia X từ tro bay zeolite thải, nghiên cứu tạo loại vật liệu xây dựng khơng nung có ý nghĩa khoa học kinh tế, chế tạo vật liệu có khả ngăn chặn tia X sử dụng y tế, vừa sử dụng chất thải từ nhà máy nhiệt điện chạy than nhà máy lọc dầu Đề tài khảo sát nhiều cấp phối vật liệu geopolymer khác nhau, khảo sát điều kiện dưỡng hộ với nhiều nhiệt độ thời gian khác nhau, nghiên cứu cấu trúc, thành phần pha khả chống tia X vật liệu… Tro bay chất thải công nghiệp thu từ nhà máy nhiệt điện chạy than Zeolite thải chất thải trình lọc dầu nhà máy lọc dầu Kết thực nghiệm bước đầu cho thấy tính khả thi việc sử dụng tro bay, zeolite dung dịch kiềm để chế tạo vật liệu geopolymer chống tia X với hệ số suy giảm tuyến tính khả quan Từ khóa - Geopolymer chống tia X; tro bay; zeolite thải; dưỡng hộ; hệ số suy giảm tuyến tính STUDYING THE MANUFACTURE OF ANTI X-RAY GEOPOLYMER MATERIAL FROM FLY ASH AND ZEOLITE WASTE Abstract - The study deals with the production of anti X-ray geopolymer material from fly ash and zeolite waste Fly ash is the waste generated from coal-fired power plants Zeolite waste is the waste generated from refinery industry This study has the advantage of using industrial wastes to make useful medical materials The study investigated various mixtures that use fly ash, zeolite or fly ash-zeolite mix The study also investigated the effect of curing factors such as temperature and time on material properties The results showed that geopolymer material from zeolite need less water to produce and have very high strength (cured sample at 80oC for 12 hours have compressive strength of 36.98 MPa) Although the material has not good X-Ray shielding protection (0.14616 cm-1 for 137Cs source), lower than that of heavy aggregate concrete, but the experimental results showed that the mixture batch can be improved and fly ash, zeolite would be used to produce anti X-ray geopolymer materials Keyword – Anti X-Ray geopolymer; fly ash; zeolite waste; curing; X-Ray shielding protection GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU ΔH0 Entanpy hòa tan I Cường độ xạ Ms Modul Silicat m Khối lượng N Tốc độ đếm đầu dò go Khối lượng nguyên liệu ẩm µ Hệ số suy giảm tuyến tính FA Mẫu 100% tro bay FZ Mẫu 50% tro bay, 50% zeolite ZE Mẫu 100% zeolite Rn7 Cường độ chịu nén mẫu dưỡng hộ 07 ngày Rn14 Cường độ chịu nén mẫu dưỡng hộ 14 ngày Rn28 Cường độ chịu nén mẫu dưỡng hộ 28 ngày u Sai số W Độ ẩm CÁC TỪ VIẾT TẮT ASTM Hoa Kỳ) American Society for Testing and materials (Tổ chức tiêu chuẩn CT Computed Tomography (Phương pháp chụp cắt lớp vi tính) FCC Fluid Catalytic Cracking (Cracking xúc tác pha lưu thể) MRI Magnetic Resonance Imaging (Chụp hình cộng hưởng từ trường) OPC Ordinary Porland Cement (Xi măng Portland gốc) PE Polyethylene GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai vii PVC Polyvinyl chloride SEM Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TEM Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền XRD X-ray Difraction (Nhiễu xạ tia X) TTL Thủy tinh lỏng qua) GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai viii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu hình Tên hình Trang Bảng 1 Yêu cầu thành phần hóa học tro bay Bảng Sự chuyển hóa thành phần khống than thành tro bay Bảng Những kiện quan trọng hóa học aluminosilicate 19 Bảng Sự phụ thuộc cấu trúc ứng dụng geopolymer vào tỉ lệ phân tử Si/Al 23 Bảng Thành phần cỡ hạt cát tiêu chuẩn 40 Bảng Thành phần hóa học Zeolite (% trọng lượng) 44 Bảng Thành phần hóa zeolite thải (% trọng lượng) 45 Bảng Thành phần hóa tính chất thủy tinh lỏng 47 Bảng 4 Thành phần phối liệu chế tạo vật liệu geopolymer theo trọng lượng cấu tử 48 Bảng Thành phần cấp phối chế tạo vật liệu geopolymer (% trọng lượng), Ms cường độ chịu nén 28 ngày vật liệu 49 Bảng Thành phần cấp phối chế tạo vật liệu geopolymer (theo trọng lượng cấu tử) có bổ sung cốt liệu cát nước 49 Bảng Kết đo phát triển cường độ mẫu FA3, FZ3,ZE3 52 Bảng Tỉ lệ SiO2/Al2O3 (mol/mol) mẫu 56 Bảng Hệ số suy giảm tuyến tính mẫu geopolymer 57 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai [15] http://www.vinachem.com.vn/TIEU_CHUAN/TCN/38-86.htm [16] http://amc.edu.vn/vi/co-so-du-lieu/tieu-chuan-quy-chuan/747-ket-cau-be-tongva-be-tong-cot-thep/3087-tcvn-4506-2012-nuoc-tron-be-tong-va-vua-yeu-cau-kythuat [17] http://Vi.wkipedia.org/wiki/Tia X Tiếng Anh [18] Bondar, D and Lynsdale, C J (2010), Engineering Properties of Alkali Activated Natural Pozzolan Concrete, Coventry University [19] Davidovits, J (1999), Chemistry of Geopolymeric Systems Terminology Proceedings of Geopolymer, International Conference, France [20] Davidovits, J (2002), 30 years of successes and failures in geopolymer application, Geopolymer 2002 Conference, October 28-29, 2002, Melbourne, Australia [21] Davidovits, J (2005), Geopolymer, Green Chemistry and Sustainable Development Solutions, Institut Géopolymère, France [22] Davidovits, J (2008), Geopolymer chemistry and application, Institut Géopolymère, France [23] Giannopoulou, I and Panias, D (2007), "Structure, Design and Applications of Geopolymeric Materials", International Conference on Deformation processing and Structure of Materials, 3, pp 5-15 [24] Giannopoulou, I and Panias, D (2014), Structure, Design and Applications, National Technical University of Athens, Athens [25] Palomo, A Grutzek, M and Blanco, M (1999), Alkali-activated fly ashes Acement for the future, Cement Concrete Research, Vol 29:1323-1329 [26] Lloyd N A and Rangan B V (2010) Geopolymer Concrete with Fly Ash in 2nd Int Conf on Sustainable Construction Materials and Technologies, ed J Zachar P Claisse, T R Naik, E Ganjian, Università Politecnica delle Marche, Ancona, Italy [27] Provis, J L and van Deventer, J S J (2009), Geopolymers: Structure, processing, properties and industrial applications, Woodhead Publishing Limited, Cambridge, UK GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai [28] Skvára Frantisek, Kopecký Lubomir, Smilauer Vít, Bittnar Zdenek (2009), Material and structural characterization of alkali activated low-calcium brown coal fly ash, Journal of Hazadous Materials [29] Yen, T.F.(2006), Geopolymer formation and its unique Properties, Environ Geol [30] http://ksanalytical.com [31] http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_silicate [32] http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_hydroxide [33] http://www.geopolymer.au GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai PHỤ LỤC Bảng Cường độ ban đầu Io xạ gamma trước qua mẫu Nguồn 60 Co 137 Cs Năng lƣợng (keV) 1173 1332 662 Lần đo Lần đo Cƣờng độ Io Lần đo Lần đo 514982.3 444128.5 251392 513038.3 447096.1 250362 514347.2 446093.8 253020.7 517784.1 446829.9 Lần đo Trung bình 517147.9 445383.3 515459.96 445906.32 251591.5667 Bảng Cường độ I xạ gamma sau qua mẫu hệ số suy giảm tuyến tính µ (cm-1) mẫu FA3 Năng lƣợng (keV) 662 1173 1332 Lần đo 5 Cƣờng độ I 144561.9 145164.3 143809 Mẫu FA3 Bề dày µ (1/cm) (cm) 4.04 0.137153 4.04 0.136124 4.04 0.138446 µ tb (1/cm) 0.137241 343951.9 346019.8 346443.7 4.1 4.04 4.04 0.098673 0.098654 0.098351 0.098559 300915.9 303102.9 303150.9 4.1 4.04 4.04 0.095921 0.095554 0.095514 0.095663 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai Bảng Cường độ I xạ gamma sau qua mẫu hệ số suy giảm tuyến tính µ (cm-1) mẫu FZ3 Năng lƣợng (keV) 662 1173 1332 Mẫu FZ3 Lần đo 5 Cƣờng độ I 140129.8 140601.4 141104.1 Bề dày (cm) 4.22 4.22 4.22 µ (1/cm) 0.138682 0.137886 0.137040 346886.1 346856.6 340065.9 339218.3 340771.3 303058.9 303492.7 297756.2 297783.2 296482.8 4.02 4.02 4.22 4.22 4.22 4.02 4.02 4.22 4.22 4.22 0.098523 0.098544 0.098559 0.099151 0.098068 0.096065 0.095709 0.095695 0.095674 0.096711 µ tb (1/cm) 0.137869 0.098569 0.095971 Bảng Cường độ I xạ gamma sau qua mẫu hệ số suy giảm tuyến tính µ (cm-1) mẫu ZE3 Năng lƣợng (keV) 662 1173 1332 Lần đo 5 Cƣờng độ I 140641.9 139910.5 140084.1 339583.9 334718.2 Mẫu ZE3 µ (1/cm) Bề dày (cm) 0.145398 0.146701 0.146391 4.1 µ tb (1/cm) 0.146163 0.104335 0.105310 0.104822 297792.6 293861.6 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Dũng 4.1 0.100928 0.101707 0.101318 HVTH: Nguyễn Ngọc Trai Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner Scanned by CamScanner