Sử dụng đất sét nung để giảm phát thải CO2 trong xi măng
MỤC LỤC
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Hoạt tính pozzolanic của đất sét nung được tính bằng tỷ lệ cường độ nén của mẫu xi măng hỗn hợp và xi măng OPC ở cùng ngày tuổi. Phương pháp Frattini xác định hoạt tính pozzolanic của pozzolana bằng cách xác định nồng độ CaO và OH- trong dung dịch nước ngâm xi măng CEM-I và. Dung dịch lọc được chuẩn bằng dung dịch HCl loãng và chỉ thị màu metyl da cam để xác định nồng độ OH-(mmol/l), sau đó điều chỉnh pH của dung dịch đã chuẩn đến pH≥13, dùng dung dịch ETDA 0.025M và chỉ thị màu murexite để chuẩn và xác định nồng độ CaO (mmol/l) trong dung dịch.
Nếu vị trí của điểm có hoành độ là nồng độ OH- và tung độ là nồng độ CaO trên đồ thị (Hình 3.7) nằm bên dưới đường cong, vật liệu có hoạt tính pozzolanic. Hình (c): Quy trình xác định hoạt tính pozzolanic bằng phương pháp Frattini Hình 2.8: a) Quy trình xác định hệ số nồng độ của dung dịch ETDA; b) Quy trình. xác định hệ số nồng độ của dung dịch HCl; c)Quy trình xác định hoạt tính pozzolanic của đất sét nung bằng phương pháp Frattini. Lấy 50ml dung dịch lọc, nhỏ 5 giọt metyl da cam và chuẩn bằng dd HCl 0.1M cho đến khi dd đổi màu từ vàng sang tím.
Lấy bình nhựa ra khỏi tủ sấy, lọc lấy phần dung dịch trong 30 giây, chứa dung dịch lọc vào bình tam giác, đậy kín. Đối với đất sét, phương pháp này giúp xác định khoảng nhiệt độ xảy ra phản ứng khử hydroxyl, hàm lượng kaolinite trong các mẫu đất sét trước khi nung, sau khi nung. Phương pháp XRF được dùng để phân tích, đánh giá sự thay đổi thành phần hóa của các mẫu đất sét đã sấy và nghiền mịn trước khi nung và sau khi nung.
Mẫu với khối lượng khoảng 10g được nén trong khuôn nhôm đường kính 5cm, chiếu dưới tia X điện áp 40kV để xác định hàm lượng các chất, máy loại ARL ADVANT’X – Hãng Thermo Scientific. Phương pháp SEM được dùng để quan sát hình thái, vi cấu trúc của đất sét trước nung và sau khi nung ở các nhiệt độ khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hình thái và vi cấu trúc của đất sét nung. Nguyên lý phân tích quang phổ hồng ngoại như sau: một chùm tia hồng ngoại được tách thành hai phần, một phần chiếu qua mẫu, phần kia đi qua một mội trường đo tham chiếu, sau đó đi vào bộ tạo đơn sắc và được tách các bức xạ có tần số khác nhau trước khi vào đầu dò detector.
Detector sẽ so sánh cường độ hai chùm tia và chuyển thành tín hiệu điện có cường độ tỷ lệ với phần bức xạ đã bị mẫu hấp thu. Dựa vào tuyển tập phổ hồng ngoại của các chất, tần số hấp thụ của các nhóm chức, các liên kết đặc trưng, phương pháp FTIR giúp xác định cấu trúc phân tử, sự có mặt của các liên kết hóa học và các nhóm chức trong phân tử, và nhận biết được các chất khác nhau. Máy quang phổ hồng ngoại dùng trong phân tích mẫu trong thực nghiệm này là máy Jasco FT/IR 4700 do công ty Jasco của Nhật sản xuất.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
K ẾT QUẢ PHÂN TÍCH CÁC MẪU ĐẤT SÉT
Kết hợp kết quả XRD với phân tích TGA ở phần 4.1.6, cho thấy quá trình khử hydroxyl khoáng kaolinite đã xảy ra ở khoảng nhiệt độ 400÷600oC. Nhận xét: Hình 4.6 (a) cho thấy đất sét trước khi nung gồm nhiều mảng hạt vật liệu có kích thước 2D khoảng vài μm. Trong Hình 4.6 (b) của mẫu đất sét sau khi nung ở 700oC, xuất hiện nhiều hạt vật liệu có hình dẹt phân bố rời rạc có chiều dài khoảng 1μm, số lượng các mảng hạt lớn giảm so với trước khi nung.
Sau khi nung ở 800oC (Hình 4.6 (c)), các hạt nhỏ hình dẹt không còn nằm rời rạc mà kết tụ trên bề mặt của các hạt lớn, các hạt lớn tách rời nhau và có kích thước nhỏ hơn so với các mảng hạt trước khi nung. Điều này có thể giúp dự đoán mẫu đất sét nung ở 900oC có diện tích bề mặt lớn hơn và nhờ đó có hoạt tính cao hơn. Nguyên nhân có thể là do mẫu hấp thụ CO2 từ môi trường trong quá trình lưu mẫu hoặc quá trình gia nhiệt chưa tốt để đốt cháy hoàn toàn carbon.
Nhận xét: Các đỉnh phổ đặc trưng cho liên kết O-H trong khoáng kaolinite ở tần số sóng 3696 cm-1 , 911 cm-1 của mẫu đất sét trước nung đã không còn xuất hiện trong phổ của các mẫu đất sét sau nung. Điều này xác nhận quá trình khử hydroxyl của khoáng kaolinite đã xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn 600oC. Các đỉnh phổ đặc trưng cho liên kết Si-O trong pha quartz xuất hiện ở tần số sóng 790-797 cm-1 không thay đổi trong mẫu đất sét trước và sau khi nung.
Nhận xét: Đường DTA của mẫu đất sét NOR trước khi nung và sau khi nung (Hình 4.9) cho thấy chỉ có đất sét chưa nung mới có peak thu nhiệt trong khoảng nhiệt độ 400÷600oC tương ứng với khoảng nhiệt độ khử hydroxyl của kaolinite. Đường DTA của các mẫu đất sét đã nung không có một peak thu nhiệt nào trong khoảng 400÷600oC cho thấy quá trình khử hydroxyl của khoáng kaolinite đã xảy ra hoàn toàn trong khoảng nhiệt độ này. Dựa vào công thức tính thành phần khoáng kaolinite trong đất sét đã trình bày trong phần 2.2.1, % kaolinite trong mẫu đất sét NOR được xác định bằng tính toán là 12.8%, chi tiết tính toán được trình bày trong phần phụ lục 6.
Các thí nghiệm cơ lý nhằm xác định cường độ nén của vữa xi măng trộn gồm 80% xi măng Portland OPC và 20% đất sét nung, và so sánh với cường độ nén của vữa 100% xi măng Portland OPC. Tỷ số cường độ nén của vữa xi măng trộn và xi măng OPC ở cùng ngày tuổi được gọi là chỉ số hoạt tính cường độ SAI (strength activity index), được dùng để đánh giá hoạt tính pozzolanic của đất sét nung. Kết quả thí nghiệm trên cho thấy hoạt tính của đất sét nung phụ thuộc vào nhiệt độ nung và số ngày tuổi khi nén mẫu.
![Bảng 3.2: Tần số sóng đặc trưng của các liên kết của các khoáng sét [13,14]](https://media.store123doc.com/figures/003/968/bang-tan-song-dac-trung-lien-ket-khoang-3968131.webp)
K ẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HOẠT TÍNH POZZOLANIC THEO PHƯƠNG PHÁP F RATTINI
Như vậy đất sét có hàm lượng kaolinite thấp ở mức 12.8% khi nung ở 700oC, không có hoạt tính pozzolanic sau 7 ngày tuổi. Khi nung ở nhiệt độ 900oC, đất sét nung xuất hiện hoạt tớnh pozzolanic và hoạt tớnh đó tăng rừ rệt ở 7 ngày và 28 ngày tuổi so với khi nung ở 700oC.
T ÍNH TOÁN GIẢM PHÁT THẢI CO 2 KHI DÙNG ĐẤT SÉT NUNG TRONG XI MĂNG
Kết quả phân tích XRD, FTIR, DTG cho thấy phản ứng khử hydroxyl đã xảy ra với mẫu đất sét thí nghiệm trong khoảng nhiệt độ từ 430oC đến 530oC. Kết quả khảo sát chỉ số hoạt tính cường độ SAI với các mẫu đất sét nung ở 700oC, 800oC, 900oC, cho thấy đất sét nung không đóng góp vào phát triển cường độ sớm của xi măng hỗn hợp, không có hoạt tính pozzolanic ở 1 ngày và 3 ngày tuổi. Kết hợp kết quả SAI với kết quả xác định hoạt tính pozzolanic theo phương pháp Frattini, cho thấy đất sét có hàm lượng kaolinite 12.8% chưa có hoạt tính pozzolanic sau 7 ngày khi nung ở 700oC, cú hoạt tớnh pozzolanic rừ rệt khi nung đến 900oC.
Hoạt tính pozzolanic của đất sét nung từ đất sét có hàm lượng kaolinite thấp phụ thuộc vào nhiệt độ nung. Tiếp tục nghiên cứu nung đất sét có hàm lượng kaolinite thấp trong thiết bị nung sấy tầng sôi và lò quay, xác định nhiệt độ nung và thời gian lưu tối ưu, sự phụ thuộc hoạt tính pozzolanic của đất sét nung vào hàm lượng kaolinite và các khoáng khác có trong đất sét. Điều này sẽ giúp xác định tiềm năng sử dụng đất sét nung và công nghệ phù hợp cho sản xuất loại vật liệu này trong tương lai.