Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác nhau. Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng. Thông thường, các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trong rỗng có tỉ trọng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là các hạt rỗng. Một trong các dạng thường thấy của tro bay được tạo nên bởi các hợp chất có dạng tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy tinh như thủy tinh oxit silic và các oxit khác. Các hạt tro bay đặc có tỉ khối trong khoảng 2,0 – 2,5 g/cm3 có thể cải thiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền được lựa chọn bao gồm độ cứng, độ bền kháng rách và giảm tỉ trọng. Các hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu compozit siêu nhẹ do tỉ trọng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0,4 – 0,7 g/cm3, trong khi các chất nền kim loại khác có tỉ trọng trong khoảng từ 1,6 – 11,0 g/cm3. Cả hai loại hạt này thường có lớp vỏ không hoàn chỉnh (bị rỗ).
Bề mặt của các hạt đề cập ở trên thường không phụ thuộc vào bề mặt của các hạt không đồng đều nhau hay các hạt ở bên trong. Không phải tất cả các hạt tro bay đều có thể được mô tả.
Điều này cho biết rằng vỏ bọc của các hạt lắng không chỉ có ở các hạt hình cầu mà là của tất cả các hạt. Các phần lắng thường được cho là các kim loại kiềm hay là kiềm – canxi sunfat, và do đó có thể loại bỏ nhanh chóng bằng cách hòa tan trong nước.
Cấu trúc bên trong:
Các hạt bên trong có thể được thấy bởi các quan sát đơn giản. Cấu trúc này bị che lấp bởi lớp vỏ thủy tinh, vì thế nó có thể được quan sát khi được xử lý với dung dịch HF, dung dịch này có thể hòa tan nhanh chóng phần thủy tinh và để lộ ra lớp vỏ bên trong.
Khi cho tro bay tiếp xúc với dung dịch 1% axit flohidric trong thời gian ngắn (1/2 giờ). Các hạt có từ tính giầu sắt và vật liệu có cấu trúc tinh thể bên dưới cho biết mẫu điển hình cho spinen ferit có dạng hình cây, như nghiên cứu cho ví dụ bởi nhóm Biggs và Brunsnel cái mà trong chất thải của quá trình đốt cháy than đá có thể bao gồm quặng sắt từ, magie ferit (MgFe2O4), mahetit (γ-Fe2O3), ulvospinel (Fe2TiO4) và thành phần trung gian giữa chúng. Tất cả chúng đều có hình lập phương và tất cả được hy vọng hoàn toàn không có các phản ứng hóa học trong bê tông.
Các hạt mullit có dạng thanh mỏng hay dạng hình kim, Al2O3.2SiO2 tìm thấy trong hầu hết các hạt không có từ tính của các hạt của các hạt tro bay có hàm lượng canxi thấp điển hình.
Mẫu tro bay cho tiếp xúc với axit flohidric trong thời gian lâu hơn (1giờ). Phần thủy tinh trong các hạt ở vùng giữa và trong một số hạt khác được phân bố xung quanh phần đã bị hòa tan ở mức độ lớn hơn. Tạo nên sự hỗn tạp của các hạt thủy tinh và cấu trúc bên dưới bao gồm các hạt khác nhau trong cùng một loại tro bay.
1.4.4. Tình hình ứng dụng tro bay trên thế giới và ở Việt Nam
Tình hình ứng dụng tro trên thế giới
Lượng tro bay thải ra ở các nhà máy trên toàn thế giới không ngừng gia tăng mỗi năm. Các vấn đề đặt ra như chi phí đất đai để chứa lượng tro bay thải ra hay các vấn đề môi trường đã thúc đẩy quá trình sử dụng tro bay trong các lĩnh vực khác nhau. Tuy đã có nhiều nỗ lực song lượng tro bay được sử dụng hàng năm ở các nước trên thế giới vẫn dừng lại ở mức độ khiêm tốn.
Tro bay được sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp bê tông trên thế giới hơn 50 năm qua. Ở Mĩ có hơn 6 triệu tấn và ở châu Âu là hơn 9 triệu tấn đã được sử dụng trong xi măng và bê tông [13]. Vì vậy mà khó có thể nghĩ ngành xây dựng sử dụng bê tông mà không tính đến việc sử dụng tro bay. Có nhiều dự án lớn trong thời gian gần đây dựa vào bê tông tro bay bao gồm các đập ngăn nước, các nhà máy điện, các công trình ngoài biển, các đường hầm dưới biển, đường cao tốc, sân bay, các tòa nhà thương mại hay dân cư, cầu, các đường ống dẫn,… Chúng ta không thấy làm ngạc nhiên rằng tro bay có thể sử dụng trong tất cả các lĩnh vực trên, trong công nghiệp bê tông với các sản phẩm như hỗn hợp có sẵn, các khối bê tông được đúc sẵn, hay sử dụng trực tiếp.
Cũng như nhiều quốc gia trên thế giới, hàng trăm nhà máy nhiệt điện trên khắp lãnh thổ Trung Quốc thải ra nhiều tấn tro bay mỗi năm [10]. Là một chất thải công nghiệp, nó là nguyên nhân chính làm ô nhiễm môi trường và làm tổn hại đến đất trồng. Do đó, chính phủ Trung Quốc rất khuyến khích phát triển các công nghệ có liên quan đến việc sử dụng tro bay. Một vài thành phố đã sử dụng rất tốt tro bay trong những năm gần đây như thành phố Nam Ninh. Năm 2005, lượng tro bay được sử dụng ở thành phố này đã vượt qua cả lượng tro bay được tạo ra. Tuy nhiên, Nam Ninh chỉ là một trường hợp ngoại lệ. Ở hầu hết các nơi khác ở Trung
Quốc vấn đề sử dụng tro bay vẫn là vấn đề rất khó khăn. Tro bay ở Trung Quốc được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sau:
Các sản phẩm bê tông (phụ gia cho xi măng, vữa, bê tông, gạch,…) Xây dựng đường giao thông
Xây dựng cảng Cải tạo đất trồng Xử lý ô nhiễm nước
Sử dụng để chôn lấp các mỏ hay các vùng đất lớn hơn dọc theo bờ biển. Ngoài ra, tro bay còn được sử dụng cho một vài ứng dụng khác:
Một vài các chất có ích như vi hạt rỗng, bột sắt mịn, cacbon và nhôm có thể có được từ tro bay
Tổng hợp zeolit (để hấp phụ photpho)
Tạo ra các sản phẩm thủy tinh, đặc biệt là các vật liệu xây dựng bằng thủy tinh.
Chất gia cường cho cao su
Tạo ra các quặng dạng viên (một vật liệu cho quá trình sản xuất hợp kim nhôm-silic-sắt)
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của tro bay ở Trung Quốc là sử dụng tro bay như vật liệu kết dính trong công nghiệp xây dựng. Tro bay được xử dụng rộng rãi trong công nghiệp xi măng và bê tông, ngoài ra nó còn được sử dụng làm phụ gia hay chất độn hay được sử dụng như chất biến đổi đất trồng và nước. Trong ngành luyện kim, tro bay được sử dụng như một vật liệu thô bổ trợ, rất nhiều các công nghệ cho các ứng dụng của nó mới chỉ trong giai đoạn bắt đầu.
đắp cao xung quanh các nhà máy nhiệt điện [18]. Tất cả các giải pháp này hiện đã đạt tới những ứng dụng tối đa, hoặc bị ngăn cản bởi luật pháp và vấn đề giải quyết lượng tro bay thải ra đang trở thành vấn đề cấp thiết. Năm 2001 Israel tạo ra khoảng 1.3 triệu tấn tro than đá mỗi năm và trong số này chỉ có khoảng 600000 tấn có thể được sử dụng trong công nghiệp xi măng với các điều kiện thực tế.
Ở Hy Lạp [16], tro bay được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp xi măng để thay thế clanhke và với mục đích tạo ra các loại xi măng PoocLăng đặc thù. Các công ty xi măng mua khoảng 7-15% lượng tro bay trong thập kỉ gần đây. Gần đây chúng đã được thử nghiệm thành công trong xây dựng đường, các loại vữa, xử lý chất thải, các loại đường đắp cao và xi măng trám. Tuy nhiên, việc sử dụng tro bay trong xi măng như một công nghệ thông thường vẫn chưa được phổ biến, lý do chủ yếu được cho là chi phí chuyên chở cao cũng như thiếu các tiêu chuẩn cho các ứng dụng của chúng. Mặc dù có thể thu được các lợi thế to lớn từ việc sử dụng tro bay nhưng việc đưa thêm một lượng lớn tro bay vào trong xi măng ở Hi Lạp bị cản trở bởi những lý do:
Sự khác nhau trong thành phần hóa học và khoáng vật,
Thông thường tro bay cần phải được nghiền bổ sung để nó bộc lộ tính chất pozzolanic và khả năng chịu nước.
Tỉ lệ CaO tự do cao. Tỉ lệ hàm lượng SO3 cao.
Tình hình ứng dụng tro bay ở Việt Nam
Ở Việt Nam, lượng tro bay thải ra ở các nhà máy nhiệt điện (Phả Lại, Uông Bí, Ninh Bình) cũng khá lớn. Vấn đề ứng dụng tro bay ở Việt Nam chưa được chú ý nhiều, mới chỉ có một số nghiên cứu bước đầu trong lĩnh vực xây dựng như sử dụng tro bay làm chất độn nhẹ cho bê tông, làm chất kết
dính thay cho xi măng. Một số tác giả chế tạo zeolit từ tro bay để xử lý môi trường.
1.5. Các nghiên cứu ứng dụng tro bay trong lĩnh vực cao su và chất dẻo
Ngay từ những ngày đầu tiên, các chất độn dạng hạt đã đóng vai trò sống còn đối với các ứng dụng thương mại của vật liệu polyme [28]. Đầu tiên, chúng được xem như các chất pha loãng để giảm giá thành, do đó có tên là chất độn. Tuy nhiên, những khả năng và lợi ích của chúng ta đã sớm nhận ra và ngày nay được sử dụng với rất nhiều các mục đích khác nhau. Thuật ngữ chất độn chức năng thường được sử dụng để mô tả các vật liệu không chỉ để hạ giá thành mà còn cải thiện nhiều tính chất của chất nền, nên còn được gọi là chất gia cường.
Muội than là chất độn gia cường được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp polyme, nhờ các đặc trưng lý-hóa cũng như khả năng ứng dụng mà nó mang lại cho cao su lưu hóa [11]. Tuy nhiên, tính không ổn định của giá dầu mỏ đã làm gia tăng các quan tâm đến các khoáng tự nhiên khác, như các hợp chất của oxit silic.
Năm 1950, oxit silic điều chế bắt đầu được sử dụng làm chất độn gia cường cho các sản phẩm cao su [11]. Năm 1976, Wagner đã nghiên cứu kĩ việc sử dụng oxit silic và silicat trong cao su và nhận thấy rằng: với sự có mặt các thành phần này một số tính chất đặc trưng của vật liệu đã được cải thiện như kháng rách, tính mềm mại, kháng mài mòn, cách nhiệt, tăng độ cứng, môđun, tích nhiệt thấp, tính đàn hồi cao và màu sắc không rõ rệt. Kết hợp với sự thay đổi trong quá trình sản xuất, cần phải thích nghi với các quá trình xử lý bề mặt chất độn như xử lý nhiệt trong quá trình trộn hợp với cao su, xử lý nhiệt với sự có mặt của các chất hoạt hóa hay việc sử dụng các tác nhân ghép
Tuy nhiên, việc sử dụng oxit silic đã làm tăng giá thành sản phẩm, trong nhiều trường hợp, giá thành của sản phẩm tăng lên đáng kể, do đó người ta phải kết hợp sử dụng các chất độn khoáng khác như: sét, đá vôi (CaCO3). Điều này lại làm giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm. Tro bay là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất điện năng từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu than đá. Với thành phần chủ yếu là các oxit kim loại như oxit silic, oxit nhôm,… kích thước hạt mịn và giá thành rẻ, ngoài những ứng dụng hết sức hiệu quả trong các ngành xây dựng, tro bay còn có một tiềm năng lớn trong lĩnh vực làm chất độn cho polyme.
Nhóm nghiên cứu của S. S. Potgieter-Vermaak đề nghị rằng phân đoạn hạt tro bay có kích thước trung bình trong khoảng 5 μm (tro bay siêu mịn) có nhiều lợi thế khi sử dụng cho các sản phẩm polyme [29]. Không chỉ bổ sung một khối lượng lớn cho polyme mà nó còn tạo thuận lợi trong quá trình tạo mẫu và trong quá trình sản xuất các sản phẩm có hình dạng theo ý muốn. Hơn nữa, nó còn cải thiện tính các tính chất của sản phẩm chứa nó. Các yêu cầu cho việc ứng dụng thành công tro bay siêu mịn trong các sản phẩm nhựa là nó phải tương thích (tạo liên kết hoặc tạo pha liên tục) với chất nền hữu cơ và không cản trở hay không làm ngộ độc bất kỳ phản ứng polyme hóa nào trong quá trình chế tạo.
Năm 1999 đã diễn ra Hội nghị quốc tế về ứng dụng tro bay (International Ash Utilization Symposium) tại Vương Quốc Anh [27]. Nhiều công trình đã công bố các kết quả nghiên cứu ứng dụng rất đa dạng tro bay vào công nghiệp, chủ yếu làm phụ gia cho các vật liệu xi măng, cao su và nhựa tổng hợp. Nhóm nghiên cứu ở Nam Phi đã sử dụng hai loại tro bay thương phẩm plasfill 5 và plasfill 15 để nghiên cứu gia cường cho CSTN [34]. Qua khảo sát tính chất lưu biến (momen quay cực đại và cực tiểu, thời gian lưu hóa,…) thấy rằng độ nhớt của cao su giảm thiểu và như vậy tro bay đã giúp cho quá
trình gia công tốn ít thời gian hơn. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất cơ lý của vật liệu không khác nhiều so với chất độn khác như CaCO3 ở các hàm lượng 50, 100 và 150%. Với các tính chất cơ lý nổi trội, chủ yếu là độ bền kéo đứt và modul đàn hồi của vật liệu có bột kaolin gia cường, sự gia tăng độ dãn dài khi đứt của vật liệu có sử dụng plasfill, chứng tỏ tính ưu việt của tro bay cũng như kaolin trong công nghiệp cao su.
Tro bay có hiệu quả rõ rệt khi làm chất độn gia cường cho các vật liệu từ CSTN, cao su clopren, cao su butadien và cao su nitril [8, 12, 21, 24]. Tro bay đã làm tăng độ bền kéo đứt và modul đàn hồi của vật liệu. Tro bay cùng với các phụ gia khác như bột kim loại và với chất dẻo đưa vào cao su tái sinh để chế tạo tấm lát đường ngang xe lửa [24]. M.Hossain và tập thể nghiên cứu của trường ĐH Kansas đã công bố kết quả sử dụng cao su tái chế từ lốp xe ô tô để làm lớp asphal trải đường có sử dụng phụ gia tro bay [19]. Đây là công trình rất có giá về khoa học môi trường, khi công trình này được áp dụng thì một lượng lớn lốp ô tô phế thải được sử dụng để thay thế nhựa đường và như vậy đã làm giảm giá thành xây dựng. Tác giả đã nghiên cứu sử dụng tro bay để làm phụ gia cho quá trình trộn hợp và thấy rằng khi tăng hàm lượng tro bay thì độ bền Marshall của vật liệu tăng. Tuy nhiên, khi đưa tro bay vào, quá trình trộn hợp cũng bị thay đổi.
Tro bay đã được nghiên cứu gia cường cho cao su clopren [21]. Tác giả đã thấy rằng tro bay không xử lý và đã xử lý đều có tác dụng làm tăng độ bền kéo đứt và modun đàn hồi của vật liệu. Khi sử dụng 10-100% tro bay được xử lý bề mặt bởi 1% neopentyl (diallyl) oxi, trineodecanonyl titanat, sản phẩm cao su clopren có độ bền kéo đứt và modun đàn hồi tăng nhiều lần so với mẫu tro bay không xử lý. Cơ chế tương tác giữa neopentyl (diallyl) oxi,
titanat để biến đổi bề mặt, hoạt hóa tro bay. Tro bay đã được xử lý bề mặt phản ứng với liên kết đôi của cao su clopren tạo thành liên kết ngang trong cao su lưu hóa. Hợp chất silan đã làm giảm sức căng bề mặt pha của cao su, tro bay và còn đóng vai trò là chất kết dính giữa 2 thành phần.
O.Figovsky và cộng sự đã chế tạo bê tông polyme từ cao su polybutadien, cát thạch anh và tro bay. Polybutadien được khâu mạch bằng lưu huỳnh có mặt của hỗn hợp chứa tro bay. Bê tông loại này có độ bền axit và cả bền kiềm rất lớn, dai và bám dính tốt với các bột kim loại, có độ bền nén lớn và hấp thụ