2.
2.2.2.2. Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer đất sét:
Cơ chế hóa học của đóng rắn đất sét dưới tác dụng của dung dịch kiềm được nghiên cứu bởi nhiều rất nhiều tác giả (Velde, 1965; Eberl and Hower, 1977; Mohnot et al., 1987 ; Chemark, 1993; Huang, 1993 ). Kết luận chung rằng, quá trình chuyển hóa khoáng kaolinite dưới tác dụng của dung dịch kiềm sẽ qua hai phương trình phản ứng sau:
- Hòa tan khoáng Kaolinite thành các monomer Si và Al theo phương trình 1: Al2Si2O5(OH)4 + 6OH- + H2O 2Al(OH)4- + 2H2SiO42-
- Các monomer mới đóng rắn thành Hydrosodalite theo phương trình 2: 6Al(OH)4- + 6H2SiO42- + 6Na+Na6Si6Al6O24 + 12OH- +12H2O
Đất sét được cấu tạo chủ yếu là khoáng kaolinite, monmoriolite và illite. Dưới tác dụng của dung dịch kiềm hoạt tính vào các cấu trúc của các khoáng bao gồm khối tứ diện Si4+ và bát diện Al3+, có xu hướng làm cho các khối này bị thiếu điện tích và hình hành các anion tạm thời và có khả năng hấp thụ cation mạnh. Từ đó các cation kim loại đóng vai trò là cầu nối hình thành các monomer đất có cấu trúc bền vững hơn.
Hình 2. 11 Sơ đồ cấu trúc monomer đất sét dưới tác dụng của dung dịch Sodium Hydroxit
Cấu trúc của hydrosodalite đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu [23] [38], đây là cấu trúc bát giác, có liên kết gần giống với cấu trúc zeolite, ta quan sát hình 2.12.
Trang36
(a)
Cấu trúc lập thể của Hydrosodalite
(b)
Cấu trúc lập thể của Zeolite
Hình 2. 12 Phân biệt cấu trúc lập thể của Hydrosodalite và Zeolite [27]
Quan sát hình 2.12. ta thấy rõ cấu trúc thực tế của hydrosodalite trong liên kết của vật liệu geopolymer là hình bát giác, liên kết không theo quy luật đồng nhất.
Hình 2. 13 Hình ảnh SEM của hydrosodalite [27].
Để giải thích thêm cho liên kết các cấu trúc của đất sét sau khi xảy ra quá trình geopolymer hóa, ta có thể giải thích thêm bằng việc xuất hiện hiện tượng từ lực khi các hạt khoáng sét tương tác trực tiếp với môi trường kiềm.
Hình dạng giống hình bát giác Hình bát giác dày đặc
Trang37
Khi cho các hạt sét vào dung dịch kiềm sẽ xuất hiện hiện tượng polymer vô cơ trực tiếp, các khoáng chính của đất sét (kaolinie, monmoriolite, illite) được cấu tạo cơ bản bởi các lá nhôm và lá silic, cả hai đều mang điện tích âm, dưới tác dụng của ion kim loại trong dung dịch kiềm, các tấm lá mang điện tích này được gắn kết lại với nhau, hình thành các chuỗi polymer trực tiếp vô định hình.
Vì vậy, khi nguồn nguyên vật liệu càng mịn, thì lực từ tính sinh ra càng mạnh, giúp các hạt sét có thể liên kết nhau bằng từ lực, hình thành chuỗi polymer lớn hơn, các chuỗi polymer này tiếp tục tham gia và cấu hình hình thành geopolymer đất sét ở trên, giúp nguyên vật liệu hình thành có cấu trúc ổn định và tính chất tốt hơn rất nhiều so với nguyên liệu đất sét ban đầu.
Hình 2. 14 Quá trình polymer vô cơ trực tiếp các tấm khoáng sét.
Theo North and Swadle (2000), quá trình geopolymer hóa đất sét có thể cụ thể qua các bước sau:
- Bước 1: dưới tác dụng của các ion trong môi trường kiềm, hình thành ion Al4+ tồn tại trong chuỗi O3-Si-O-Al-(OH)3-Na+ , hay còn gọi là chuỗi monomer Al(OH)4-Na+.
- Bước 2: ion OH- (trong môi trường kiềm hòa tan) gắn kết vào nguyên tử silic trong monomer Al(OH)4-Na+ bằng liên kết cộng hóa trị.
Trang38
- Bước 3: Quá trình tiếp theo của phản ứng là sự phân tách liên kết Si-OH ra ngoài nhờ sự chuyển giao điện tích âm từ Si2+ sang O2-.
- Bước 4: hình thành thêm nhiều nhóm liên kết Si-OH và đồng thời ion OH- cũng được gắn vào chuỗi monomer Al(OH)4-Na+ , đây là chuỗi monomer ban đầu của quá trình geopolymer hóa.
- Bước 5: liên kết Si-O- nhận thêm ion Na+ từ môi trường kiềm, hình thành liên kết Si-O-Na bảo toàn điện tích.
- Bước 6: các monomer ở phương trình (4) tiếp tục liên kết với monomer ở phương trình (5), hình thành vòng cyclo-disialate khép kín và Sodium Hydroxit tự do được tạo thành và tiếp tục phản ứng.
Trang39
- Bước 7: 3 vòng cyclo-disialate tiếp tục gắn kết nhau tạo thành cấu trúc mạng hydrosodalite có hình dạng lục giác nhỏ.
Mặc dù được phân chia thành các bước cụ thể nhưng quá trình geopolymer hóa đất sét là một quá trình liên tục và không phân lập rõ ràng. Các hydrosodalite có cấu trúc vô định hình, nên phải kết hợp các phương pháp phân tích hiện đại mới có thể xác định được.
Trang40
CHƯƠNG 3
ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP