CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Công nghệ geopolymer
Bằng nghiên cứu của mình, Davidovits (1978) đã dùng thuật ngữ GPC để giới thiệu loại polymer mới đƣợc tổng hợp từ các khống vật thuộc nhóm Aluminoilicate. Thành phần chủ yếu của GPC là các nguyên tố Si2+, Al3+ vàO2 có nguồn gốc từ khống sản tự nhiên (đất sét, cao lanh, đá fenpat…) hoặc sản phẩm từ sản xuất (tro bay, xỉ lò cao)…. Vật liệu GPC khác với vật liệu polymer thông thƣờng ở cấu trúc mạng không gian vơ định hình.
Cấu trúc vơ định hình của GPC cơ bản đƣợc tạo thành từ lƣới cấu trúc của những Alumino-Silico hay còn gọi là Poly-sialate. Sialate là viết tắt của Silic-Oxy- Nhôm, các cầu nối –Si-O-Al- tạo thành các bộ khung không gian vững chắc bên trong cấu trúc. Khung Sialate bao gồm những tứ diện SiO và AlO4 đƣợc nối xen kẻ với nhau bằng các nguyên tố Oxy. Những ion dƣơng (Na+, K+, Li+ Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O- ) phải hiện diện trong các hốc của khung để cân bằng điện tích của Al3+ [22] và hình thành monomer mới theo phƣơng trình sau:
Hình 2-1: Cấu trúc vơ định hình của GPC [22]
Quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu GPC gọi là q trình GPC hóa các nguyên vật liệu aluminosilicate ban đầu nhờ vào các dung dịch hoạt hóa kiềm. Q trình hoạt hóa kiềm cho các vật liệu aluminosilicate là một quá trình phức tạp và đến nay vẫn chƣa đƣợc mô tả một cách rõ ràng. Các bƣớc phản ứng không diễn ra tuần tự mà hầu nhƣ diễn ra cùng lúc và chồng lắp vào nhau. Do đó, rất khó phân
13
biệt cũng nhƣ khảo sát các bƣớc phản ứng một cách riêng biệt (Palomo et al. 1999) [23].
Phản ứng hóa học của q trình GPC có thể diễn ra theo 1 trong 2 phƣơng trình (2.2) hoặc (2.3).
Theo D.Hardjito [26], q trình phản ứng hóa học tạo thành GPC có thể đƣợc phân ra thành các bƣớc chính sau :
Hịa tan các phân tử Si và Al trong nguyên liệu nhờ vào các ion hydroxide trong dung dịch.
Định hƣớng lại các ion trong dung dịch tạo thành các monomer.
Đóng rắn các monomer thông qua các phản ứng trùng ngƣng polymer để tạo thành các cấu trúc polymer vô cơ.
Glukhovshy[27] đã đƣa ra một cơ chế tổng quát cho sự hoạt hóa kiềm đối với vật liệu có chứa oxit silic và oxit nhơm hoạt tính. Những năm gần đây, nhiều tác giả đã mở rộng lý thuyết của Glukhovshky, áp dụng vào lĩnh vực tổng hợp zeolite và giải thích q trình GPC hóa nói chung nhƣ hình 2.3. Cơ chế phản ứng trong sơ đồ trên phác thảo quá trình chuyển hóa từ vật liệu alumosilicat rắn sang vật liệu kiềm alumosilicat tổng hợp, những q trình này có thể xảy ra tuần tự nhƣ trên hoặc xảy ra đồng thời.
14
Hình 2-3: Sơ đồ mơ phỏng sự hoạt hóa vật liệu alumosilicate [27]
Alumosilicat rắn hòa tan trong dung dịch kiềm sinh ra những dạng hợp chất silicat và hợp chất nhơm. Chính sự hịa tan của các phân tử hạt rắn trên bề mặt đã giải phóng ra những hợp chất silicat và hợp chất nhôm này vào trong dung dịch. Đây là cơ chế chuyển hóa của những phân tử rắn khi tham gia vào q trình GPC hóa.
Những hợp chất đƣợc giải phóng khỏi bề mặt hạt rắn bằng cách hịa tan trong dung dịch thì lại kết hợp với nhau trong pha lỏng. Một hỗn hợp của các chất silicate, aluminate và aluminosilicate đƣợc tạo thành. Những hợp chất aluminosilicate vơ định hình hịa tan nhanh chóng ở mơi trƣờng có pH cao và tạo ra dung dịch aluminosilicate quá bão hòa. Khi dung dịch trở nên đậm đặc hơn thì các geloligomer bắt đầu sinh ra và trở thành một mạng lƣới lớn khi dung dịch càng cơ đặc. Q trình này cịn giải phóng ra nƣớc trong q trình hịa tan. Nƣớc đóng
15
vai trò chất trung gian phản ứng nhƣng nƣớc đƣợc giải phóng ra lại tồn tại bên trong của gel. Loại cấu trúc gel này có hai pha là chất rắn aluminosilicate và nƣớc.
Thời gian để dung dịch aluminosilicate quá bão hòa tạo thành gel sẽ khác nhau đối với các loại vật liệu ban đầu,quá trình phản ứng,thành phần dung dịch và điều kiện tổng hợp khác nhau. Mặc dù vậy có những hệ thống khơng bao giờ tạo thành gel.
Sau khi tạo thành gel, hệ thống tiếp tục tổ chức lại và mạng lƣới gel ngày càng gia tăng, kết quả là tạo thành mạng lƣới aluminosilicate ba chiều. Điều này đƣợc miêu tả trong hình 2.3 bằng sự hiện diện của nhiều giai đoạn gel .Sự hòa tan, sự tạo thành nhân của vật liệu alumiosilicate và sự tạo thành những dạng polymer thì phụ thuộc nhiều vào những thông số nhiệt động, động học trong hai bƣớc đầu của quá trình đƣợc đƣa ra bởi Glukhovsky.