CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ KHOA HỌC
2.2 Cơ sở q trình đóng rắn chất kết dính ximăng-tro bay vàbùn thải:
Các chất kết dính ximăng – tro bay được sử dụng trong xây dựng hiện nay đều có thành phần hố, thành phần khống ổn định và cho tính chất cơ lý tốt.Nhiệm vụ của chất kết dính là gắn kết các thành phần nguyên vật liệu với nhau.Mặt khác, chất kết dính cịn phản ứng với các hạt sét trong q trình hydrat hố tạo ra mối liên kết bề mặt, tạo ra một khối thống nhất cùng làm việc với nhau trong vữa bùn thải. Và cũng nhờ phản ứng hydrat hố mà các khống mới hình thành bao bọc các hạt sét, nâng cao tính ổn định của vữa bùn thải nạo vét , làm cho nó khơng cịn bị tả ra khi gặp nước và co ngót khi khơ như vật liệu bùn thải thường gặp.
Sự làm việc của hệ nguyên vật liệu trong vữa bùn thải nạo vét , người ta thường quan tâm đến hai vấn đề chính, đó là hai phản ứng hố học chính tiêu biểu xảy ra.Đầu tiên bao gồm những phản ứng cơ bản trong q trình hydrat hố của xi măng. Thứ hai gồm những phản ứng của các khống sét với vơi tự do của q trình đầu tiên[22, 23]
18
Hình 2.3:Đóng rắn của hệ cốt liệu Cát – Ximăng – Nước
Việc làm ổn định bùn thải nạo vét được định nghĩa làm biến đổi tính chất của bùn thải nạo vét bằng sự thay đổi bề mặt chung bùn thải - nước - khơng khí. Q trình làm ổn định bùn thải được tập trung vào sự thay đổi cấu trúc cụ thể là vào các phần bùn thải nạo vét , nước và khơng khí.Mục đích cuối cùng là làm giảm thể tích lỗ rỗng, thể tích các khe hở, và làm tăng sự dính kết giữa các hạt với nhau. Trong quá trình làm việc của hệ nguyên vật liệu bùn thải nạo vét sét, ximăng, nước, sản phẩm hydrat hoá của ximăng sẽ bao bọc các hạt sét, phản ứng với bề mặt hạt sét, tạo liên kết giữa các hạt và giảm thể tích lỗ rỗng giữa các hạt sét. Các sản phẩm hydrat hố này có cường độ cao nên cùng với cường độ mộc sẵn có của vật liệu bùn thải sẽ tạo cho sản phẩm vữa bùn thải một cường độ nhất định đủ đáp ứng yêu cầu cho một số sản phẩm vật liệu xây dựng. Mặt khác, các sản phẩm hydrat cũng bao bọc các hạt sét lại, làm lớp màng ngăn cách hạt sét tiếp xúc với nước, không cho nước xâm nhập vào các khoáng sét để làm trương nở và mất tính ổn định của vữa bùn thải giống như hiện tượng xảy ra với bùn thải nạo vét sét.
Khi nước lỗ rỗng của bùn thải nạo vét chứa các hạt sét gặp ximăng, q trình thủy hóa ximăng xảy ra nhanh chóng và sản phẩm chính yếu của sự thủy hóa là các khoáng tạo cường độ C-S-H và Ca(OH)2. Các sản phẩm Hydrate liệt kê ở đầu tiên ở trên là các sản phẩm kết dính ximăng được hình thành và thủy hóa vơi được sử dụng như những pha
19
tinh thể rắn riêng biệt. Những phần tử ximăng này kết hợp với các hạt ximăng nằm kế bên với nhau trong suốt qúa trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung được hóa cứng bao quanh các hạt sét và cát trong thành phần bùn thải. Một phần của pha Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các hydrate khác mà chỉ có một phần kết tinh. Hơn nữa thủy hóa ximăng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra sự phân li của vơi Hydrate. Các bazơ mạnh hịa tan Silicate và Aluminate từ cả khống vật sét và các chất vơ cơ định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng giữa các axít yếu với bazơ mạnh. Các Silica và Alumina ngậm nước sau đó sẽ từ từ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân ximăng để tạo thành hợp chất khơng hịa tan, hóa cứng khi được xử lí bùn thải nạo vét . Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng pozzolan.
Sự tương tác giữa ximăng và bùn thải nạo vét sét khi làm việc chung với nhau để tạo trạng thái ổn định cho vữa bùn thải nạo vét . Trong tự nhiên bùn thải sét tồn tại ở hai trạng thái khô và ngậm nước.Ở trạng thái ngậm nước, bùn thải nạo vét sét thể hiện tính dẻo, dính cao.Ở trạng thái khô, bùn thải nạo vét sét cứng và có cường độ, cường độ này gọi là cường độ mộc của vật liệu bùn thải nạo vét .Nhưng khi gặp nước trở lại thì bùn thải nạo vét sét lại thể hiện tính dẻo và khơng cho cường độ.Đây là quá trình thuận nghịch. Vì vậy, mục đích chính của việc cải thiện tính chất của vật liệu bùn thải nạo vét là lợi dụng tính dính bám, tính dẻo cao của bùn thải sét để tạo tính cơng tác cho vữa bùn thải nạo vét ; cịn khi đóng rắn dựa vào cường độ mộc sẵn có của vật liệu bùn thải nạo vét sau đó cải thiện, làm tăng cường độ này và giữ cho nó ổn định, khơng bị tả ra khi gặp nước trở lại.
20
Hình 2.4:Tương tác đóng rắn xi măng – tro bay – bùn thải nạo vét chứa sét [25]
2.3 Cơ sở quá trình xử lý nhiệt bùn thải nạo vét : [26]
Đốt chất thải là một q trình xử lý chất thải có liên quan đến các q trình đốt cháy của chất hữu cơ có trong chất thải.Thiêu hủy và hệ thống xử lý chất thải nhiệt độ cao khác được mơ tả như là q trình xử lý nhiệt.Đốt chất thải chuyển đổi chất thải thành tro, khí thải và nhiệt.Tro chủ yếu được hình thành bởi thành phần vơ cơ của chất thải.Khí thải phải được làm sạch các chất ơ nhiễm khí và hạt trước khi chúng được phân tán vào khơng khí.Khi q trình đốt được tiến hành, các thành phần độc hại bị phá vỡ các liên kết hóa học bởi nhiệt độ, giảm thiểu hay loại bỏ hồn tồn độc tính.Ở giai đoạn đầu sẽ xảy ra quá trình sấy, bốc hơi nước. Tiếp theo là giai đoạn khí hóa và cháy chất thải. Về bản chất đây là phản ứng cháy của các nguyên tố hóa học:Cacbon, hydro, lưu huỳnh, nitơ. Trong q trình thiêu đốt, các phản ứng cháy được mơ tả như sau:
Cát Bùn nạo vét Xi măng Nước Tro bay
Bùn nạo vét Hydrat hóa
Ca(OH)2
Trao đổi ION Thay đổi pH
Hydrat Hóa Phản ứng pozzolane C: C3O S: SiO2 A:AI2O3 H: H2O Sản phẩm đóng rắn C-S-H C-A-H C-A-S-H C-S-H C-S-H C-A-H C-A-S-H
21
Phương trình cháy hồn tồn cacbon, khi cung cấp đủ ôxy: C + O2→CO2 + Q1
Phương trình cháy khơng hồn tồn cacbon, khi thiếu ơxy: C + O2→ CO + Q2
Phương trình cháy hydro:
H2 + O2→ H2O + Q3 Phương trình cháy lưu huỳnh:
S + O2→ SO2 + Q4
Tổng hợp lại ta có phương trình cháy chất thải rắn như sau:
22 Quạt cấp khí Quạt cấp khí Khí Tro thải Hình 2.5:Qui trình xử lý nhiệt Khu vực tập kết Phễu nạp bùn nạo vét Lò đốt sơ cấp (400 - 450oC) Lò đốt thứ cấp (450 – 1200oC) Thiết bị làm nguội khí
Bộ phận trao đổi nhiệt
Cyclon
Quạt hút
Ống khói
Buồng lấy tro
23
Bùn thải nạo vét có chứa các thành phần vơ cơ và hữu cơ, trong đó chứa các thành phần hạt sét.Đất sét là hệ đa khoáng nên khi gia nhiệt sẽ xảy ra nhiều q trình hóa lý phức tạp. Khi chịu tác động của nhiệt độ xảy ra các hiên tượng chính sau đây:
- Biến đổi thể tích kèm theo mất nước lý học.
- Biến đổi thành phần khoáng bao gồm mất nước hoá học, biến đổi cấu trúc tinh thể khống, biến đổi thù hình.Các q trình biến đổi có thể xảy ra ở nhiệt độ cao.
-Nhiệt độ thường đến 1300C: Nước trong thành phần bùn chứa sét bay hơi và bùn chứa sét có hiện tượng bị co lại.
-Nhiệt độ từ 200÷4500C: Nước hấp phụ bay hơi, hiện tượng các chất hữu cơ bị cháy xảy ra theo phương trình chấy tổng hợp chất thải rắn, bùn chứa hạt sét bị co nhiều và kèm theo có sự biến đổi của thành phần Fe2O3 có trong khống sét thành FeO tạo mơi trường khử.
-Nhiệt độ từ 500÷5500C: Nước hóa học có trong khống sét bị mất đi, thành phần khoáng kaolinit chuyển thành metakaolinit (Al2O3.2SiO2) làm cho bùn chứa khống sét mất tính dẻo.
Q trình hóa lý xảy ra khi bùn thải nạo vét có chứa khống sét được xử lý nhiệt còn phụ thuộc rất nhiều vào qui trình gia nhiệt trong lị đốt theo các bước như sau:
-Giai đoạn đầu của quá trình gia nhiệtđược đặc trưng bằng sự đốt nóng nhanh bùn thải nạo vét có chứa khống sét, tạp chất hữu cơ, tạp chất và hàm lượngẩm rất cao từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ của chất tải nhiệt đã bão hoà (ở một hàm ẩm cho trước của chất tải nhiệt).
-Giai đoạn thứ hai của quá trình gia nhiệtđược đặc trưng bằng quá trình giữ hằng nhiệt ở nhiệt độ cần thiết, quá trình đốt cháy chất hữu cơ, phân hủy các tạp chất, bốc hơi nước có trong thành phần bùn thải nạo vét để tạo thành bán thành phẩm.
-Giai đoạn ba của quá trình gia nhiệtđược đặc trưng bởi sự giảm tốc độ gia nhiệt và sự tăng nhiệt độ của bán thành phẩm. Quá trình gia nhiệt giảm dần, bùn thải nạo vét tạo thành bán thành phẩm có thành phần bao gồm tro của tạp chất hữu cơ, khoáng sét đã bị mất nước và các thành phần vô cơ khác.
24
CHƯƠNG 3
NGUYÊN VẬT LIỆU & PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
3.1 Nguyên vật liệu
3.1.1 Bùn thải nạo vét
- Nghiên cứu đánh giá chất lượng của các lớp bùn thải nạo vét thực hiện tại các khu vực lấy mẫu, chủ yếu được thực hiện tại tỉnh Kiên Giang và tỉnh Cà Mau. Việc đánh giá này phải được thực hiện để xác nhận rằng các lớp bùn không bao gồm số lượng lớn các chất có hại với mơi trường, chẳng hạn như kim loại nặng hoặc các chất độc hại khác. Nếu các chất được tìm thấy được ở trên ngưỡng cho phép của các kim loại nặng, chất độc hại theo quy định của các tiêu chuẩn quốc gia, một kế hoạch xử lý đặc biệt nên được chuẩn bị, cùng với một kế hoạch giám sát. Kế hoạch xử lý đặc biệt cũng nên bao gồm một chương trình để bảo vệ các cư dân trong cộng đồng gần đó sử dụng bùn thải nạo vét để xây dựng nhà hoặc làm vườn. Các mẫu trầm tích đáy/bùn sẽ được phân tích chất ơ nhiễm quan trọng theo tiêu chuẩn của Việt Nam.
- Xác định các vùng đất có sẵn cho việc xử lý bùn thải nạo vét . Cần xác định các bãi chơn lấp và/hoặc đất mà có thể thích hợp cho việc xử lý bùn thải nạo vét phù hợp với mức độ rủi ro liên quan với nó. Đất cơng cộng, đất xây dựng đường giao thông nông thơn, cơng trình cơng cộng khác, hoặc đất tư nhân, có thể được sử dụng, nếu các chủ đất bị ảnh hưởng đồng ý. Nếu những rủi ro do ô nhiễm của bùn cao, bùn phải được xử lý tại các bãi chôn lấp vệ sinh.
- Chuẩn bị kế hoạch nạo vét và vận tải. Các thủ tục nạo vét và kế hoạch vận chuyển sẽ chuẩn bị như sau:
-Các phương pháp nạo vét, phương thức vận tải tới khu vực xử lý hoặc lưu trữ tạm thời tại chỗ.
-Thời gian thực hiện để đảm bảo an toàn và vệ sinh khu vực nạo vét
-Phương pháp vận chuyển để giảm sự rò rỉ của bùn thải nạo vét từ thiết bị vận chuyển.
- Lưu trữ và xử lý để không bị ô nhiễm trầm tích/bùn. Bùn thải nạo vét ở trong tình trạng giống như bùn trước khi xử lý cho 24 - 48 giờ.
25
Bùn thải nạo vét dùng trong thực nghiệm được lấy ở khu vực tỉnh Kiên giang và Cà Mau.Bùn thải nạo vét có lượng nước rất cao được phơi khơ để phong hóa các thành phần hữu cơ và chất khí có hại, sau đó được thiêu đốt bằng lị quay ở nhiệt độ 350- 4000C trong 5 giờ để đốt cháy chất hữu cơ và tạp chất lẫn vào như trên Hình 3.1. Sau đó, bùn khơ được nghiền nhỏ bằng máy nghiền bi.Bùn thải nạo vét sau khi xử lý được thí nghiệm xác định hàm lượng sét và phân loại thành 4 nhóm khác nhau.Thành phần cơ lý của đất sau khi xử lý được trình bày trong Hình 3.2 và bảng 3.1.
Bảng 3.1:Thành phần cơ lý của bùn thải nạo vét
Chỉ tiêu Nhóm 1 Nhóm 2 Nhóm 3 Nhóm 4
Hàm lượng sét (%) 79.5 56.3 66.6 59.1
Hàm lượng cát + Bụi (%) 20.5 43.7 33.4 40.9
Tỷ trọng (g/cm3) 2.49 2.57 2.51 2.55
Mất khi nung (%) 19.3 14.7 20.1 17.2
Hình 3.1:Qui trình gia nhiệt bùn thải nạo vét
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 50 100 150 200 250 300 350 N h iệ t độ C Thời gian (phút) Giai đoạn nâng nhiệt
Giai đoạn giữ nhiệt đốt cháy ở 400C Giai đoạn hạ nhiệt
26
Hình 3.2:Bùn sau khi thiêu đốt sẽ được nghiền nhỏ bằng máy nghiền bi khơ.
Hình 3.3:Hình dạng của bùn thải nạo vét sau khi xử lý nhiệt và nghiền mịn được phân
tích bằng phương pháp SEM (Scaning Electron microscope)
Kết quả phân tích sau khi gia nhiệt của 4 nhóm mẫu bùn thải nạo vét cho thấy thành phần hạt sét từ 56.3% đến 79.5%. Do đó, nghiên cứu lựa chọn bùn thải nạo vét nhóm 1 và nhóm 2 làm thực nghiệm.
27
3.1.2 Ximăng
Chất kết dính sử dụng là ximăng PC40, tính chất cơ lý của ximăng được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2:Chỉ tiêu cơ lý của ximăng
Chỉ tiêu cơ lý Đơn vị Giá trị
Cường độ nén N/mm2 3 ngày 26 7 ngày 34 28 ngày 44
Khối lượng riêng g/cm3 3,08
Độ mịn Blaine cm2/g 3760
Lượng nước yêu cầu % 27.5
Thời gian ninh kết
Phút
Bắt đầu 130
Kết thúc 165
Khối lượng tự nhiên kg/cm3 1250
3.1.3 Tro bay
Tro bayđượcsửdụngtại Formusa có thành phầnhạt có khốilượng riêng 2,5 g/cm3
và khốilượngthể tích 1.43 g/cm3. Các tính chất hóa học và vật lý của tro bay trình bày trong bảng 3.3.
Bảng 3.3:Thành phần hóa học của tro bay
Thành phần hố
học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O MgO SO3 MKN % khối lượng 53,9 34,5 4,0 1,0 0,3 0.81 0.25 9.63
3.1.4 Vôi
Thành phần hóa của vơi có tổng hàm lượng CaO lớn hơn 90% trong đó CaO tự do (hoạt tính) lớn hơn 75% thới gian tơi đạt từ 8 đến 15 phút, nhiệt độ tôi từ 850C đến 950C và hàm lượng vôi không tôi nhỏ hơn 10%.
28
3.1.5 Cát
Cát dùng được sử dụng là cát sơng, có modun độ lớn là 1.82.Cát có khối lượng riêng là 2.62 g/cm3 và khối lượng thể tích là 1540 kg/m3.Thành phần cát được dùng để kết hợp với thành phần bùn thải nạo vét trong cấp phối vữa.
3.2 Phương phápthực nghiệm và thành phần cấp phối
-Xác định mẫu và lấy mẫu thử nghiệm: Tiến hành tạo mẫu thí nghiệm dùng các nguyên liệu bùn thải nạo vét đã được xử lý nhiệt. Qui trình thực nghiệm được trình bày trong Hình 3.4.
Hình 3.4:Sơ đồ thực nghiệm
Thành phần cấp phối khảo sát khả năng kết hợp giữa tro bay và ximăng, vôi được sử dụng hàm lượng tro bay lần lượt là 10, 20, 30, 40% theo khối lượng, thay thế cho ximăng và vơi để tạo thành chất kết dính hỗn hợp. Tỷ lệ chất kết dính hỗn hợp – cốt liệu là 1-1, 1-2 và 1-3 theo khối lượng. Thành phần cấp phối thực nghiệm chất kết dính hỗn hợp trình bày trong bảng 3.4.
(1) Bùn nạo vét được xử lý nhiệt
(2) thử nghiệm tính chất bùn nạo vét
(3) Vật liệu và tỉ lệ pha trộn
(4) Trộn mẫu
(5) xác định tính cơng tác và tạo hình mẫu
(6) Bảo dưỡng mẫu
(7) Thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý
29
Bảng 3.4:Thành phần cấp phối của tro bay kết hợp ximăng và vôi
Cấp phối Ximăng (%) Tro Bay (%) Cấp phối Vôi (%) Tro Bay (%)
X 100 0 V 100 0
XTB1 90 10 VTB1 90 10
XTB2 80 20 VTB2 80 20
XTB3 70 30 VTB3 70 30
XTB4 60 40 VTB4 60 40
X: Cấp phối ximăng, V: cấp phối vôi
XTBi: Cấp phối ximăng – tro bay với hàm lượng i = 10, 20, 30 và 40%