LUẬN văn NGHIÊN cứu CHẾ tạo vật LIỆU GEOPOLYMER từ DIATOMITE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU SILICAT ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GEOPOLYMER TỪ DIATOMITE Thành phố Hồ Chí Minh, 28 tháng 12 năm 2020 Đề cương luận văn MỤC LỤC 4.1 Cơ tính Error! Bookmark not deíined 4.1.1 Độ hút nước Error! Bookmark not deíined 4.1.2 .Đánh giá độ bền học Error! Bookmark not deíined 4.2.Phân tích XRD, XRF, FTIR, SEM Error! Bookmark deíined TÀI LIỆU THAM KHẢO not 19 Trang DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG Bảng Diatomite Phú Yên có thành phần bảng sau: .15 Bảng Cấp phối dự kiến cho đề tài 16 Đề cương luận văn CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Bối cảnh đề xuất đề tài Trong năm gần việc tạo vật liệu thân thiện với môi trường trọng phát triển nhằm làm giảm tác động phát thải khí CO2 đến mơi trường Vật liệu chế tạo từ phương pháp geopolymer hóa sử dụng nguồn chất thải công nghiệp nguyên liệu tự nhiên khác, thay xi măng pooc lăng Sử dụng phương pháp geopolymer hóa đánh giá giải phóng lượng khí CO2 thấp hơn, thân thiện với môi trường trở thành giải pháp đầy hứa hẹn Do phương pháp geopolymer hóa nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi sản xuất Đề tài sử dụng diatomite làm ngun liệu diatomite loại hóa thạch trầm tích có hàm lượng silica vơ định hình cao, hình thành di tích tảo cát hóa thạch nghiên cứu sử dụng nguồn silica thay Bên cạnh diatomite có sở hữu nhiều đặc tính độc đáo bao gồm cấu trúc xốp cao (80 - 90%), khả hấp thụ tuyệt vời, mật độ thấp, tính trơ hóa học giá thành tương tối thấp Với ưu điểm này, diatomite coi vật liệu có tiềm cao ứng dụng sản xuất vật liệu nhẹ 1.2 Mục đích nội dung đề tài 1.2.1 Mục đích Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer từ nguyên liệu diatomite sử dụng dung dịch hoạt hóa kiềm NaOH điều kiện dưỡng hộ hấp thủy nhiệt để tạo liên kết bền geopolymer 1.2.2 Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu khái quát diatomite geopolymer - Tìm hiểu tính chất diatomite - Khảo sát đánh giá sản phẩm geopolymer Trang Đề cương luận văn 1.3 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng đề tài nghiên cứu tính chất lý vi cấu trúc vật liệu geopolymer từ diatomite với quy mơ phịng thí nghiệm 1.4 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài bao gồm khảo sát thông số lý sử dụng công cụ phân tích để kiểm tra việc tạo thành khống, liên kết hóa học vi cấu trúc vật liệu 1.5 Tình hình nghiên cứu sử dụng vật liệu geopolymer 1.5.1 Tinh hình nghiên cứu sử dụng vật liệu geopolymer giới Ban đầu, geopolymer ứng dụng rấet giới hạn, dùng để chế tạo sản phẩm thuộc dạng cao cấp khuôn đúc dụng cụ cho ngành hàng không Nhưng sau, đặc biệt vào đầu thập niên 1990, người ý thức đe dọa từ khí thải CO sản xuất vật liệu xây dựng, vật liệu geopolymer dần quan tâm nhiều trở thành loại vật liệu xây dựng thay phần xi măng truyền thống Trong năm gần geopolymer tập trung nghiên cứu theo hướng khai thác tính chất ưu việt cường độ nén cao, chống cháy, thu hồi, ổn định chất độc, rác thải phóng xạ Bên cạnh đó, geopolymer cịn “ vật liệu xanh” việc tiêu tốn lượng sản xuất thấp lượng khí thải phát thải thấp Đặc biệt nước giới quan tâm đến vấn đề bảo vệ mơi trường, nhằm giảm khí thải CO2 việc tái sử dụng chất thải cơng nghiệp bùn thải, tro bay, xỉ lị cao, Chính lý mà từ năm 1999 đến nay, số lượng báo nghiên cứu vật liệu geopolymer không ngừng tăng lên (hình 1.1) Trang Đề cương luận văn 160 năm Hình 1 Biểu đồ tăng số báo khoa học geopolymer [1] Trang Đề cương luận văn Một số cơng trình sử dụng geopolymer Úc như: tà vẹt đúc sẵn, đường ống cống loại cấu kiện bê tông đúc sẵn khác xây dựng Với đặc tính tốt kết cấu đúc sẵn cho cường độ sớm tuổi cao sau bảo dưỡng nước dưỡng hộ nhiệt [2] Trong báo cáo trình sản xuất tà vẹt bê tông geopolymer sở geopolymer tro bay, Palomoetal cho kết cấu bê tơng geopolymer dễ dàng sản xuất công nghệ sản xuất bê tông mà khơng cần phải có thay đổi lớn Và sản xuất sản phẩm ống cống bê tơng geopolymer cốt thép đúc sẵn có đường kính từ 375M800mm; cống hộp bê tơng geopolymer cốt thép có kích thước 1200x600x1200 mm Kết nghiên cứu cho thấy, khả chịu môi trường nước thải xâm thực tốt tương đương sản phẩm bê tông xi măng Bê tông geopolymer thương mại hóa Úc với nhãn hiệu E-Crete E-Crete sử dụng nguyên liệu tái chế từ tro bay xỉ lị cao với chất hoạt tính kiềm thích hợp cung cấp thị trường dạng dạng đúc sẵn trộn sẵn Các sản phẩm đúc sẵn E-crete chủ yếu như: panel đúc sẵn, ống, nắp đế cống, cống hộp, bể xí tự hoại, hốthu rác, gạch lát vỉa hè, ốp lát trang trí cách âm Các cơng trình tiêu biểu sử dụng sản phẩm như: công trình lát đường thuộc dự án nâng cấp đường cao tốc Westgate, Cảng Melbourne, Victoria, Úc (hình 1.2), dự án VicRoads với 180 panel đúc sẵn đặt ngang Cầu Phố Salmon Cảng Melbourne (hình 1.3) [3,4] Trang Đề cương luận văn Hình Bê tơng E-Crete 25 MPa lát đường cao tốc Westgate, cảng Melbourne, Victoria, Úc Hình Các panel bê tông E-Crete 55 Mpa đúc sẵn Cầu Phố Salmon, cảng Melhourne Vitoria, Úc Trang Đề cương luận văn Cũng Úc, gần công ty Hassell liên kết với công ty Bligh Tanner công ty Wagners thiết kế tòa nhà GCI (Global Change Institute) trường đại học Queensland cơng trình giới với kết cấu sử dụng bê tơnggeopolymer (hình 1.4) Tòa nhà cao bốn tầng, bao gồm ba sàn lửng lắp ghép từ 33 panel Các panel chế tạo từ bê tông geopolymer sử dụng tro bay xỉ làm chất kết dính hoạt hóa [1] Hình Tịa nhà GCI đại học Queensland Úc với kết cấu sử dụng bê tông Ở Mỹ, ứng dụng chủ yếu chất kết dính geopolymer sản xuất xi măng geopolymer đóng rắn nhanh (Pyrament Blended Cement- PBC) PBC nghiên cứu sản xuất ứng dụng sân bay quân từ năm 1985 Sau đó, PBC dùng nhiều sửa chữa đường băng bê tông, sàn nhà công nghiệp, đường cao tốc Loại xi măng đạt cường độ 20 MPa sau 4-6h đóng rắn Một loại xi măng geopolymer khác nghiên cứu sử dụng xi măng geopolymer bền axit Năm 1997, công ty Zeo tech corp thương mại hóa thành cơng sản phẩm bê tông geopolymer bền axit Sản phẩm dùng nhiều nhà máy hóa chất thực phẩm 1.5.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng vật liệu geopolymer Việt Nam Trang 10 Đề cương luận văn Trang 10 Đề cương luận văn cách đính kèm nhóm OH - sở nguyên tử Silicon, mà mở rộng phạm vi hóa trị V liên kết cộng hóa trị chúng Quá trình phản ứng giải thích phân cắt oxy siloxane Si-O-Si hình thành silanol trung gian Si-OH mặt, siloxo Si-O- mặt khác Giai đoạn Sự tạo thành monomer Si-Si Si-Al pha lỏng: Khi nồng độ Si Al pha lỏng tăng dần bắt đầu xuất phản ứng hóa học phức hydroxyl Kết phản ứng tạo thành tiền chất Geopolymer dạng monomer (đa vòng hydroxyl phức hợp) bao gồm liên kết polymer Si-O-Si Si-O-Al diễn tả phương trình hóa học (2.2),(2.3),(2.4) Si(OH)4 + Si(OH)4 ^ (OH)3Si - O - Si(OH)3 (2.2) Si(OH)4 + Al(OH)4 ^ (OH)3Si - O - Al(OH)3 (2.3) 2Si(OH)4 + Al(OH)-4 ^ (OH)3Si - O - Al - (OH)-2 - O - Si(OH)3 + 2H2O (2.4) Sự tồn silicat hòa tan dung dịch kiềm hệ polymer tăng cường thêm tạo thành dạng monomer Silicat hòa tan pha lỏng làm tăng nồng độ Si dịch chuyển chủ yếu phương trình (2.2) theo hướng hình thành nhóm Si-O-Si phương trình (2.3), (2.4) theo hướng hình thành nhóm monomer cần thiết cho phát triển khung mạng geopolymer Cơ chế hóa học giai đoạn là: hình thành thêm silanol nhóm Si-OH lập phân tử ortho-sialate, đơn vị geopolymer hóa Phản ứng siloxo Si-O- với cation natri Na + hình thành chuỗi liên kết Si-O-Na [17] Giai đoạn Quá trình đa trùng ngưng monomer tạo thành khung mạng alumino-silicat ba chiều: Trang 18 Đề cương luận văn Phản ứng đa trùng ngưng tạo liên kết hóa học tiền chất geopolymer cách loại bỏ đồng thời phân tử nước Quá trình đượcgọi trùng ngưng Cơ chế phản ứng bao gồm: cô đặc phân tử orthosialate, nhóm Si-ONa nhơm hydroxyl Al-OH, với kiềm NaOH tạo cấu trúc cyclo-tri-sialate, theo NaOH kiềm giải phóng phản ứng lại lần thêm nhiều cô đặc Na-poly(sialate) vào khung mạng [17] Giai đoạn Liên kết hạt rắn vào mạng geopolymer đóng rắn tồn hệ thống cấu trúc polymer rắn cuối cùng: Khi cấu trúc polymer phát triển pha lỏng, qua bề mặt hoạt hóa hạt rắn nơi tạo liên kết với hạt khơng hịa tan cấu trúc polymer cuối theo phương trình hóa học (2.5) (2.5) T-OH + HO-(-Si-O-Al-O-)n - T-O(-Si-O-Al-O-)n + H2O II oo II oo Trong đó: T Si Al Các vị trí bề mặt hoạt hóa hạt rắn, nơi có nhóm T-OH phương trình (2.7), nhóm silanol (Si=OH) aluminol (Al-OH) Nó chuỗi phân tử vịng phân tử lớn cấu trúc polymer tạo nên loại liên kết Si-O-Si Si-O-Al vị trí này, liên kết hạt khơng tan mạng polymer Sau đó, đóng rắn mạng lưới polymer, lượng nước thừa xuất loại bỏ từ mạng polymer suốt trình bảo dưỡng, dẫn đến bền cứng vật liệu Giai đoạn tiếp tục có đặc Na-poly (sialate-disiloxo) tạo khung mạng điển hình geopolymer [17] 2.3 Nhiễu xạ tia X (X-Ray diffraction, XRD) XRD kỹ thuật phổ biến để phân tích cấu trúc pha (tinh thể) xuất cấu trúc vật liệu dựa tương tác tia X với tinh thể Trang 19 Đề cương luận văn theo nhiều hướng khác so sánh nguồn liệu có sẵn Trang 20 Đề cương luận văn Ngồi phân tích cấu trúc pha vật liệu, XRD cịn phân tích số tính chất thuộc cấu trúc thành phần pha (phân tích định lượng), cấu trúc khuyết tật, kích thước tinh thể, chiều dày màng mỏng, ứng suất dư hướng phát triển biên giới hạt nghiên cứu màng mỏng Mẫu sử dụng phân tích mẫu bột màng mỏng Hạn chế phân tích XRD: - Phân tích định lượng: độ xác mức 2% - Ít nhạy phát nguyên tố nhẹ - Phổ phân tích phức tạp, đặc biệt với vật liệu nhiều pha - Đối với mẫu mỏng: nhạy chiều dày khoảng 50 Ao 2.4 Phân tích phương pháp quang phổ hồng ngoại (FTIR) Phân tích quang phổ hồng ngoại - Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) dựa nguyên tắc phân tử có tần số dao động đặc trưng ứng với rung động/quay nhóm chức nguyên tử Sau hấp thụ xạ hồng ngoại, phân tử hợp chất hóa học dao động với nhiều vận tốc Các đỉnh phổ khác có mặt phổ hồng ngoại tương ứng với nhóm chức đặc trưng liên kết có hợp chất hóa học Phổ hồng ngoại xem “dấu vân tay” để nhận dạng Thiết bị phân tích PerkinElmer Frontier MIR/NIR, mẫu phân tích dạng bột qua sàng 63pm với dãy bước sóng từ 4000 - 400 cm-1 2.5 Phân tích vi cấu trúc kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscope (SEM) loại kính hiển vi điện tử tạo ảnh với độ phân giải cao bề mặt mẫu vật cách sử dụng chùm điện tử (chùm electron) hẹp quét bề mặt mẫu Việc tạo ảnh mẫu vật thực thông qua việc ghi nhận phân tích xạ phát từ tương tác chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Trang 21 Đề cương luận văn Kết SEM cho ta thấy cấu trúc, hình thái học vật liệu: bề mặt, tổ chức cấu trúc tinh thể yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật liệu Kết hợp phương pháp khác giúp ta nhận dạng khống, tinh thể cần tìm Mẫu phân tích mẫu khối phá hủy để chụp mặt gãy mẫu CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu thể lưu đồ hình 3.1 sau: Trang 22 Đề cương luận văn Hình 3.1 Lưu đồ phương pháp nghiên cứu ❖ Thuyết minh lưu đồ phương pháp nghiên cứu Diatomite nung nhiệt độ 700 - 750C để tạo thành meta caolanh Sử dụng diatomite nung trộn với NaOH 10M theo phối liệu tính trước Nước thêm vào để tạo độ ẩm thích hợp cho q trình tạo hình Tiến hành trộn để tạo thành hỗn hợp phối liệu dẻo Hỗn hợp vừa phối trộn tiến hành bảo dưỡng nhiệt độ phòng nhằm làm tăng độ đồng phối liệu Đem hỗn hợp tiến hành đổ vào khn trịn có đường kính 60 mm bề dày 10 mm đặt đế giằng Thực giằng mẫu để loại bỏ bớt lổ xốp trình tạo hình Các mẫu sau tạo hình bảo dưỡng nhiệt độ phòng 24h giúp mẫu có độ ẩm phù hợp để dễ tách khuôn Các mẫu sau tách khuôn đánh giá ngoại quan mặt hình dáng Các mẫu bị bể, nứt bị loại bỏ Các mẫu đạt đem hấp thủy nhiệt nhiệt độ 180 oC thời gian 16h Có thể thêm giảm thời gian để so sánh mẫu hấp khác thời gian Mẫu sau hấp bảo dưỡng nhiệt độ phòng ngày, sau tiến hành đo đạt phân tích Các mẫu đo tính chất lý mật độ thực, mật độ biểu kiến, mật độ thể tích, cường độ nén, cường độ uốn phân tích XRD, XRF, FTIR, SEM Sau phân tích kết đưa đánh giá kết luận 3.1 Thiết lập cấp phối cho đề tài 3.1.1 Nguyên liệu 3.1.1.1 Diatomite Bảng 3.1 Diatomite Phú Yên có thành phần bảng sau: Thành phần hóa diatomite (%) SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 CaO Trang 23 Đề cương luận văn 63 3.1.1.2 19.2 0.8 8.3 2.2 Dung dịch hoạt hóa Dung dịch NaOH KOH sử dụng làm dung dịch hoạt hóa kiềm chế tạo vật liệu geopolymer Xu van Deven [18] giải thích ion Na+ có kích thước nhỏ hơn, dễ dàng ghép cặp với anionsilicate tạo nên oligomer nhỏ Nói cách khác, việc ghép cặp ion K + có kích thước lớn tạo nên oligomer lớn Điều dẫn đến geopolymer chế tạo từ dung dịch KOH có cường độ chịu nén cao dung dịch NaOH 42% Ngoài ra, việc Na+ làm tan nhanh hợp chất aluminosilicate làm tăng độ nhớt, cản trở trình phản ứng đồng gây ảnh hưởng đến việc giảm cường độ học 3.1.2.Dự kiến cấp phối thực khảo sát NaOH thay đổi so với khối lượng diatomite 30%, 40%, 50%, 60% Bảng Cấp phối dự kiến cho đề tài Kí hiệu Diatomite (%) Na30 85 NaOH (%) 15 Na40 80 20 Na50 75 25 Na60 70 30 Thực khảo sát cấp phối thay đổi lượng nước để tìm cấp phối có khả tạo hình tốt Khảo sát với cấp phối thay đổi nồng độ NaOH 3.2 Dự kiến thiết bị nơi thực thí nghiệm - Thiết bị sử dụng cho thí nghiệm: Trang 24 Đề cương luận văn + Cân kỹ thuật, cân thủy tĩnh + Sử dụng phương pháp hấp thủy nhiệt nồi hấp Autoclave + Máy đo độ bền uốn, bền nén - Nơi thực thí nghiệm + Tạo mẫu phịng thí nghiệm Silicate 103C4 + Dự kiến hấp mẫu phịng thí nghiệm Silicate 103C4 gửi mẫu nhà máy Hiệp Phú để trình hấp hiệu + Sửnén độ dụng máy Vật đo độ phân phịng thí nghiệm Silicate đo bền Viện liệubền Xâyuốn dựng Viện miền Nam quận103C4, Trang 25 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ Dự KIẾN Tận dụng nguồn nguyên liệu diatomite với ưu điểm cấu trúc xốp, chứa hàm lương cao oxit silic, có khả tương đối lớn để chế tạo vật liệu geopolymer ứng dụng làm vật liệu nhẹ Đóng góp thơng tin tính, khả tạo khống phương pháp, tỷ lệ phối liệu, điều kiện bảo dưỡng sử dụng đề tài, góp phần cho hướng phát triển chế tạo vật liệu nhẹ từ diatomite ứng dụng vào mục đích xa lọc, cách âm, TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] The Geopolymer Institute: http://www.geopolymer.org/science/world- wideincrease-in-geopolymer-research [2] 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) [3] Tống Tôn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh, Lê Trung Thành (2014) Bê tơng geopolymer- thành tựu, tính chất khả ứng dụng Việt Nam Tạp chí Vật liệu xây dựng- Hội Vật liệu xây dựng Việt Nam, ISSN 1859-3011, trang 50-55 [4] Ximangvn (2011) Bê tông geopolymer - Một sản phẩm thương mại [5] E A Mohamed, A Q Selim, A M Zayed, S Komarneni, M Mobarak, and M.K Seliem, “Enhancing adsorption capacity of Egyptian diatomaceous earth by thermo-chemical puriíication: Methylene blue uptake,” Journal of Colloid and Interface Science, vol 534, pp 408-419, Jan 2019, doi: 10.1016/j.jcis.2018.09.024 [6] S Martinovic, M Vlahovic, T Boljanac, and L Pavlovic, “Preparation of íilter aids based on diatomites,” International Journal of Mineral Processing, vol 80, no 2-4, pp 255-260, Sep 2006, doi: 10.1016/j.minpro.2006.05.006 [7] H E Galal Mors, “Diatomite: Its Characterization, Modifications and Applications,” Asian J of Materials Science, vol 2, no 3, pp 121-136, Mar 2010, doi: 10.3923/ajmskr.2010.121.136 [8] “Công nghệ sản xuất bột trợ lọc silic hoạt tính từ điatomit mỏ An Xuân, huyện Tuy An, tỉnh Phú Yên.” http://vimluki.vn/Cong-nghe-san-xuat-bottro-locva- silic-hoat-tinh-tu-diatomit-mo-An-Xuan-huyen-Tuy-An-tinh-Phu-Yen6478 (accessed Sep 15, 2020) [9] Bùi Hải Đăng Sơn, Nguyễn Thị Ngọc Trinh, Nguyễn Đăng Ngọc, Đinh Quang Hiếu, “So sánh đặc trưng hóa lý hai loại diatomite Phú Yên diatomite Merck,” Journal of Thu DauMot University, no 2, p 5, 2015 [10] S I Suzan, Q S Ali, “Heat Treatment of Natural Diatomite,” Physicochemical Problems of Mineral Processing, vol 48, pp 413-424, 2012, doi: http://dx.doi.org/10.5277/ppmp120208 [11] Trần Doãn Minh Đăng, Mai Thanh Phong, “Nghiên cứu trình xử lý diatomite Lâm Đồng để sản xuất chất trợ lọc,” Science & Technology Development, vol 14, pp 54-59, 2011 [12] Davidovits J (1994) Properties of geopolymer cements, Proceedings 1st International Conference on Alkaline Cements and Concretes, Scientific Research Institute on Binders and Materials , Kiev State Technical University, Kiev, Ukraine, pp.131-149, 199 [13] Davidovits J (1994) Geopolymers: man-made rocks geosynthesis and the resulting development of very early high strength cement Journal of Material Education, 16, 91139 [14] Ioanna Giannopoulou and Dimitrios Panias, Structure, Design and Applications of Geopolymeric Materials, 2008 [15] FRANTISEK SKVÁRA, LUBOMÍR KOPECKÝ, JI0Í NÌMEK, ZDENÌK BITTNAR, Microstructure of geopolymer materials based on fly ash, 2006 [16] B Vijaya Rangan, fly ash basedgeopolymer concrete, 2008 [17] The Geopolymer Institute: http://www.geopolymer.org/science/worldwideincrease-in-geopolymer-research [18] Liew Y.-M., Heah C.-Y., Kamarudin H (2016) Structure and properties of clay-based geopolymer cements: A review Progress in Materials Science, 595-629 83, ... ưu điểm này, diatomite coi vật liệu có tiềm cao ứng dụng sản xuất vật liệu nhẹ 1.2 Mục đích nội dung đề tài 1.2.1 Mục đích Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer từ nguyên liệu diatomite sử dụng... tra việc tạo thành khống, liên kết hóa học vi cấu trúc vật liệu 1.5 Tình hình nghiên cứu sử dụng vật liệu geopolymer 1.5.1 Tinh hình nghiên cứu sử dụng vật liệu geopolymer giới Ban đầu, geopolymer. .. 1.3 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng đề tài nghiên cứu tính chất lý vi cấu trúc vật liệu geopolymer từ diatomite với quy mô phịng thí nghiệm 1.4 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài bao