Hóa chất, dụng cụ - THỰC NGHIỆM - (LUẬN văn THẠC s- 123docz.net

Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM

2.2 Hóa chất, dụng cụ

2.2.1 Hóa chất

Bảng 0.1. Danh mục hóa chất, nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu

Mục đích sử dụng Hóa chất

Nguyên liệu

 Bùn đỏ: của nhà máy Alumin Tân Rai- Công ty TNHH MTV nhôm Lâm Đồng- Tây Nguyên;

 Tro bay: của nhà máy nhiệt điện Phả Lại II;  Cao lanh: mỏ Trúc Thơn, Chí Linh – Hải Dương. Pha dung dịch hoạt hóa

kiềm

 NaOH (Trung Quốc 98%), Ca(OH)2 (Trung Quốc, 99%);

2.2.2 Dụng cụ và thiết bị

 Dụng cụ, thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu: - Cốc nhựa dùng 1 lần, cốc thủy tinh;

- Giấy lọc, phễu lọc, quả bóp cao su; - Máy cất nước, bình tia nước cất; - Găng tay, khẩu trang;

- Máy khuấy từ gia nhiệt; - Cân phân tích, cân kỹ thuật;

 Thiết bị:

- Máy đo cường độ chịu nén - Máy đo pH

- Máy đo nồng độ kim loại

- Khn đóng vật liệu làm bằng thép, mỗi khn đóng được 3 viên vật liệu kích thước 40mm x 40 mm x 40 mm (hình 2.1);

- Hộp nhựa đựng thành phần phối liệu; - Tủ sấy, lò nung;

2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu xử lý đóng rắn bùn đỏ

Căn cứ vào mục tiêu nghiên cứu đề ra và dựa trên cơ sở q trình thí nghiệm xử lý đóng rắn bùn đỏ Tân Rai như sau:

Hình 2.2. Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu xử lý đóng rắn bùn đỏ

Theo sơ đồ, các thành phần nguyên liệu được lắc đều và trộn lẫn theo các tỉ lệ yêu cầu. Tiếp đến đưa chất hoạt hóa vào trộn cùng với thành phần phối liệu để tạo thành dạng bột nhão. Sau đó đem đóng khn có kích thước 40x40x40mm, rồi đem sấy ở nhiệt độ khác nhau trong 24h đầu tiên, tiếp đó tháo khn để dưỡng các khối vật liệu này ở điều kiện nhiệt độ phòng. Cụ thể các nội dung của quá trình nghiên cứu sẽ được trình bày dưới đây:

2.3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng của chất hoạt hóa

Để đánh giá ảnh hưởng của các chất hoạt hóa đến khả năng đóng rắn của vật liệu, chúng tơi đã tiến hành thí nghiệm với chất hoạt hóa kiềm khác nhau là NaOH; hỗn hợp NaOH và Ca(OH)2; hỗn hợp NaOH, thủy tinh lỏng (chứa Na2SiO3) và Ca(OH)2.

2.3.1.1 Chất hoạt hóa là NaOH

Các thành phần phối liệu sau khi cân theo các tỉ lệ cao lanh: tro bay: bùn đỏ là 150: 75: 75 (g) sẽ được lắc, trộn đều với nhau rồi cho từ từ dung dịch NaOH với các nồng độ khác nhau từ 4M÷12M vào hỗn hợp rồi trộn, nhào hỗn hợp đó trong 15 phút. Tỉ lệ khối lượng chất lỏng/rắn được giữ nguyên khơng đổi là 0,46. Hỗn hợp sau đó được đưa vào khn tạo hình có kích thước 40x40x40 (mm) để tạo thành các khối vật liệu. Các khn này được đưa vào lị sấy ở nhiệt độ 600C trong vòng 24h. Sau đó, các mẫu được tháo khn và dưỡng ở nhiệt độ phòng cho đến khi được đem đo cường độ chịu nén.

Bảng 2.2. Thành phần phối liệu chế tạo polyme vơ cơ sử dụng chất hoạt hóa NaOH

Mẫu Cao lanh (g) Tro bay (g) Bùn đỏ (g) NaOH (M)

X01 150 75 75 4

X02 150 75 75 6

X03 150 75 75 8

X04 150 75 75 10

X05 150 75 75 12

2.3.1.2 Chất hoạt hóa: NaOH và Ca(OH)2

Ta tiến hành cân thành phần phối liệu bao gồm cao lanh 150g, tro bay 75g, bùn đỏ 75g và NaOH 40g pha trong 125ml nước (tương đương nồng độ là 8M), tuy nhiên ở đây ta thay đổi hàm lượng Ca(OH)2 cho vào vật liệu từ 0, 25, 30, 35,…90g như bảng dưới đây. Các phối liệu sau khi cân theo tỉ lệ sẽ được nhào trộn đều trong 30 phút sau đó đóng khn, ép thành viên hình vng có kích thước 40x40x40 (mm), lực ép được cài đặt ở 100kg/cm2. Sau khi ép viên, các khối vật liệu polyme được đem nung đóng rắn trong lị ở 600C trong vịng 24h. Sau 24h, các khối vật liệu này được lấy ra để khô ở nhiệt độ phịng, sau 7 ngày, 28 ngày thì đem đo cường độ chịu nén.

Bảng 2.3. Thành phần phối liệu chế tạo polyme vô cơ sử dụng chất hoạt hóa NaOH và Ca(OH)2

Mẫu Cao lanh (g) Tro bay (g) Bùn đỏ (g) NaOH (CM) Ca(OH)2 (g) XV01 150 75 75 4 15 XV02 150 75 75 4 30 XV03 150 75 75 4 45 XV04 150 75 75 4 60 XV05 150 75 75 4 75 XV06 150 75 75 6 15 XV07 150 75 75 6 30 XV08 150 75 75 6 45 XV09 150 75 75 6 60 XV10 150 75 75 6 75 XV11 150 75 75 8 15 XV12 150 75 75 8 30 XV13 150 75 75 8 45 XV14 150 75 75 8 60 XV15 150 75 75 8 75 XV16 150 75 75 10 15 XV17 150 75 75 10 30 XV18 150 75 75 10 45 XV19 150 75 75 10 60 XV20 150 75 75 10 75

2.3.1.3 Chất hoạt hóa: NaOH+ Ca(OH)2 và thủy tinh lỏng

Tiến hành làm tương tự như các quy trình ở các phương pháp trên với tỉ lệ khối lượng thủy tinh lỏng: NaOH lần lượt là 1:1, 1:2, 2:1.. Thành phần phối liệu được thể hiện trên bảng dưới đây:

Bảng 2.4. Thành phần phối liệu chế tạo polyme vơ cơ sử dụng chất hoạt hóa là hỗn hợp NaOH, Ca(OH)2 và thủy tinh lỏng

Mẫu Cao lanh (g) Tro bay (g) Bùn đỏ (g) NaOH (M) Thủy tinh lỏng (g) Ca(OH)2 (g) XT01 150 75 75 4 100 15 XT02 150 75 75 4 100 30 XT03 150 75 75 4 100 45 XT04 150 75 75 4 100 60 XT05 150 75 75 4 100 75

2.3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng của tỉ lệ cao lanh/tro bay đến tính chất của vật liệu.

Để đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ cao lanh và tro bay tới khả năng đóng rắn của vật liệu, ta thay đổi hàm lượng tro bay và cao lanh, giữ nguyên hàm lượng bùn đỏ là 75g, tỉ lệ chất kiềm hoạt hóa NaOH: Ca(OH) là 30/45 (g/g):

Bảng2.5. Ảnh hưởng của tỉ lệ cao lanh/ tro bay (g/g) đến tính chất vật liệu

Mẫu Cao lanh (g) Tro bay (g) Bùn đỏ (g) NaOH (CM) Ca(OH)2 (g) CT01 225 0 75 6 45 CT02 187,5 37,5 75 6 45 CT03 150 75 75 6 45 CT04 75 150 75 6 45

2.3.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian dƣỡng mẫu đến khả năng đóng rắn của vật liệu.

Để nghiên cứu ảnh hưởng thời gian dưỡng mẫu đến cường độ đóng rắn của vật liệu, ta tiến hành đóng rắn các khối vật liệu polyme giống như các thí nghiệm trên với tỉ lệ thành phần các phối liệu như sau: cao lanh là 150g, tro bay 75g, bùn đỏ 75g, dung dịch kiềm hoạt hóa NaOH là 30g, Ca(OH)2 là 45g. Sau khi đóng rắn theo dõi cường độ đóng rắn của các khối vật liệu polyme này sau 3 ngày, 5 ngày, 7 ngày, 28 ngày

2.3.4 Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ dƣỡng mẫu đến khả năng đóng rắn của vật liệu.

Để đánh giá nhiệt độ dưỡng mẫu đến q trình đóng rắn, cường độ nén của khối vật liệu polyme, ta tiến hành cân các mẫu với thành phần các phối liệu như nhau: cao lanh là 150g, tro bay 75g, bùn đỏ 75g, tỉ lệ dung dịch kiềm hoạt hóa NaOH: Ca(OH)2 là 30/45 (g/g), trộn đều các phối liệu rồi ép thành các khối vật liệu polyme có kích thước 40x40x40mm, tiếp đó để các khối vật liệu này đóng rắn ở các nhiệt độ khác nhau: t0p = 300C; 600C, 800C. Sau 7 ngày, đem đo cường độ nén các khối vật liệu này.

2.4 Phƣơng pháp hóa lý xác định đặc trƣng tính chất của nguyên vật liệu 2.4.1 Phƣơng pháp phổ huỳnh quang tia X

Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) được dùng để xác định thành phần hóa học của nguyên liệu. Nguyên lý hoạt động của phương pháp là khi chịu tác động bởi chùm điện tử hoặc chùm tia X (bức xạ sơ cấp) có năng lượng thích hợp từ ống phát xạ tia X hoặc từ nguồn đồng vị phóng xạ, các điện tử của lớp trong (K,L,M) của các nguyên tố có trên bề mặt mẫu bị kích thích lên trạng thái năng lượng cao hơn. Khi trở về trạng thái cơ bản ban đầu sẽ phát ra bức xạ tia X thứ cấp (bức xạ huỳnh quang đặc trưng) với năng lượng và bước sóng đặc trưng cho mỗi nguyên tố. Cường độ bức xạ tia X thứ cấp tỷ lệ với mật độ (hàm lượng) của nguyên tố đó. Sơ đồ nguyên lý phương pháp huỳnh quang tia X được thể hiện trên hình 2.2.

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý phát huỳnh quang tia X [11].

Mẫu nguyên liệu được nghiền nhỏ đến bột mịn và sấy ở 105°C trong 3 giờ trước khi đem đo. Trong luận văn này, các mẫu nghiên cứu được đo trên hệ máy Huỳnh quang tia X (WD-XRF) S4-Pioneer của hãng Bruker tại Viện Địa chất - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

2.4.2 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) được dùng để phân tích thành phần khống có trong ngun liệu. Ngồi ra, đây cũng là phương pháp quan trọng xác định động học của quá trình chuyển pha, kích thước hạt và xác định đơn lớp bề mặt của xúc tác kim loại trên chất mang. Qua phương pháp này giúp ta xác định thành phần pha, hàm lượng pha, cấu trúc hình học, các thơng số mạng tinh thể, kích thước hạt trung bình, sự phân bố vị trí các ngun tử trong tinh thể.

Nguyên lý hoạt động tuân theo nguyên lý về cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một quy định xác định. Khi chùm tia Rơnghen tới bề mặt tinh thể và đi vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng lưới này đóng vai trị như các phân tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ.

Hình 2.4. Tia tới và tia phản xạ.

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp nhiễu xạ tia X là dựa vào phương trình Vulf-bragg: nλ= 2d.sinθ

Trong đó: n- bậc nhiễu xạ

λ- là bước sóng của tia X

d- khoảng cách giữa hai mặt phẳng tinh thể θ- góc giữa tia tới và mặt phẳng phản xạ

Với mỗi nguồn tia X có bước sóng xác định, khi thay đổi góc tới θ, mỗi vật liệu có giá trị đặc trưng. So sánh giá trị d và d chuẩn sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thể của chất nghiên cứu và từ hình ảnh nhiễu xạ ghi nhận được ta biết được cấu trúc của mẫu.

Để xác định kích thước tinh thể, tính tốn theo cơng thức :

Trong đó: λ = 0,15406 nm k = 0,9

β =

(FWHM lấy trong kết quả chup XRD)

θ = (Obs lấy trong kết quả chụp XRD)

Mẫu được làm khô và nghiền nhỏ trước khi đem đi đo phổ nhiễu xạ tia X. Trong luận văn này, các mẫu nghiên cứu được đo trên máy D8 Advance- Brucker của Đức (anot Cu, λ=1.504 A˚) tại Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.

2.4.3 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại

Quang phổ hồng ngoại (IR – Infared spectroscopy) là một trong những phương pháp phổ biến được sử dụng để phân tích các hợp chất hữu cơ (đơi khi cả hợp chất vô cơ).

Nguyên lý của phương pháp: dựa trên nguyên tắc hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại của các phân tử. Ở nhiệt độ không tuyệt đối (00K), tất cả các nguyên tử trong phân tử dao động liên tục. Khi tần số của một dao động cụ thể bằng với tần số của bức xạ hồng ngoại, phân tử sẽ hấp thụ bức xạ. Các bước chuyển mức năng lượng dao động thường khá bé, tương đương với năng lượng bức xạ hồng ngoại do đó người ta thường gọi là phổ dao động là phổ hồng ngoại. Tuy nhiên, không phải tất cả các liên kết trong phân tử đều có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại ngay cả khi tần số của bức xạ hồng ngoại phù hợp với tần số của dao động liên kết, bởi vì chỉ có những momen lưỡng cực thay đổi nhưng là một hàm số của thời gian có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Dựa vào phổ hồng ngoại có thể xác định được các nhóm chức đặc trưng trong phân tử.

Trong luận văn này, các mẫu nghiên cứu được đo phổ hồng ngoại trên máy FTIR 1S của hãng Shimazu (Nhật Bản) tại Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.

2.4.4 Phƣơng pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét

Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) nghiên cứu về hình thái học cấu trúc của vật liệu mà chúng ta cần xác định như: hình dạng, kích thước, kết cấu bề mặt.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị SEM (trên hình 2.4): chùm electron từ ống phóng được đi qua một vật kính và được lọc thành một dòng hẹp. Vật kính chứa một số cuộn dây (cuộn lái electron) được cung cấp với điện thế thay đổi, cuộn dây tạo nên một trường điện từ tác động lên chùm electron, từ đó chùm electron sẽ quét lên bề mặt mẫu tạo thành trường quét. Tín hiệu của cuộn lái cũng được chuyển đến ống catôt để điều khiển quá trình quét ảnh trên màn hình đồng bộ với quá trình quét chùm electron trên bề mặt mẫu. Khi chùm electron đập vào bề mặt mẫu tạo thành một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới detector, tại đây nó được chuyển thành tín

hiệu điện và được khuyếch đại. Tín hiệu điện được gửi tới ống tia catôt và được quét lên màn hình tạo nên ảnh. Độ nét của ảnh được xác định bởi số hạt thứ cấp đập vào ống tia catơt, số hạt này lại phụ thuộc vào góc bắn ra của electron khỏi bề mặt mẫu, tức là phụ thuộc vào mức độ lồi lõm bề mặt. Vì thế ảnh thu được sẽ phản ánh diện mạo bề mặt của vật liệu.

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của phương pháp SEM.

Trong luận văn này, các mẫu nghiên cứu được đo trên máy SEM kết hợp EDX với model Quanta 450 (FEI – Mỹ) tại Trung tâm Phân tích, thí nghiệm cơng nghệ cao – Trường Đại học Mỏ - Địa chất.

2.4.5 Phƣơng pháp tán xạ năng lƣợng tia X

Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) hay Phổ tán xạ năng lượng dùng để phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử), có thể viết là tắt EDX hay EDS (xuất phát từ tên gọi tiếng Anh Energy-dispersive X-ray spectra). Các tia X tán xạ có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với số hiệu nguyên tử (hay số điện tử) của mỗi nguyên tố. Thông tin về thành phần và tỉ lệ các nguyên tố có trong vật liệu sẽ có được khi phân tích các tia tán xạ phát ra từ vật liệu.

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý phổ tán xạ năng lượng tia X.

Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm điện tử có năng lượng cao và được thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do đó ghi nhận thơng tin về các ngun tố cũng như thành phần của mẫu.

2.5 Đánh giá thông số chất lƣợng của vật liệu geopolyme 2.5.1 Phƣơng pháp xác định cƣờng độ chịu nén

Cường độ chịu nén là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá mác và chất lượng của vật liệu nên nó cần được xác định. Cường độ nén của gạch không nung hiện tại dao động rất lớn và được quy định rất khác nhau tùy từng loại gạch, mục đích sử dụng, khối lượng, thể tích của chúng và tuân theo TCVN 6477:2016. Các mác gạch thông dụng nhất hiện nay đáp ứng về yêu cầu làm tường chịu lực và tường ngăn không chịu lực thường sử dụng trên thị trường là M7.5 và M10. Đối với sản phẩm geopolyme từ bùn đỏ Tân Rai được chế tạo từ những nguyên liệu như bùn đỏ, tro bay, dung dịch kiềm NaOH... Để chế tạo geopolyme cường độ cao cần lượng oxit