Tương tự, kết quả phân tích thành phần pha của mẫu tro xỉ thải lò đốt rác tại Đồng Văn, Hà Nam được thể hiện trên hình 3.2:
Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu xỉ lò đốt rác tại Đồng Văn, Hà Nam
Nhận xét: qua phân tích thành phần pha bằng phương pháp nhiễu xạ tia X có thể thấy hàm lượng SiO2, Fe2O3 và Al2O3 tương đối cao, có khả năng phù hợp để làm vật liệu kết dính trong xây dựng. Để khẳng định thêm điều này, chúng tơi tiến hành phân tích thành phần hóa học các nguyên tố của 2 đối tượng nghiên cứu trên.
3.1.2. Phân tích hàm lượng các nguyên tố bằng phương pháp hóa học
Mẫu lấy về được cân với khối lượng 50 g sau đó thêm 50g Na2CO3 và K2CO3 vào cốc nikel 250 ml trộn đều sau đó nung ở 850oC trong 2 giờ, để nguội và nghiệt độ phịng. Mẫu sau đó được chuyển vào cộc thủy tinh 1000ml cho thêm 50ml nước cất, từ từ cho 500 ml dung dịch HCl đặc vào để chuyển hóa hồn tồn các chất tan thành dung dịch. Lọc rửa thu kết tủa Si(OH)4 và thu phần dung dịch. Phần kết tủa được cho vào cộc nung ở 850oC trong 2 giờ để xác định hàm lượng SiO2. Sau đó lấy mẫu SiO2 ra cân và chuyển vào cộc
platin rồi cho từ từ dung dịch 20 ml dung dịch HF vào để bốc bay SiO2, sau khi bốc bay sấy và cân phần cặn để tính hàm lượng SiO2. Phần dung dịch định mức thành 500ml để xác định hàm lượng Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO bằng phương pháp chuẩn độ, xác định hàm lượng SO3 bằng phương pháp so màu và các nguyên tố kim loại khác bằng phương pháp ICP – MS.
Xác định độ ẩm: Cân khoảng 10 g mẫu (± 0,0001g) chuyển vào hộp làm ẩm đã được sấy ở nhiệt độ 105 °C ± 5 °C và cân đến khi thu được khối lượng khơng đổi. Sấy hộp có mẫu ở nhiệt độ trên khoảng 1 h đến 1,5 h, để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phịng rồi cân. Lặp lại quá trình sấy ở nhiệt độ trên trong 15 min, làm nguội và cân đến khi thu được khối lượng không đổi. Từ sự giảm khối lượng tính ra được hàm lượng ẩm có trong mẫu.
Xác định hàm lượng mất khi nung (MKN): Cân khoảng 1 g mẫu (± 0,0001g) chuyển vào chén sứ đã được nung ở nhiệt độ 950 °C ± 50 °C và cân đến khi thu được khối lượng khơng đổi. Nung chén có mẫu ở nhiệt độ trên khoảng 1 h đến 1,5 h, lấy mẫu ra để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng và cân. Nung lại ở nhiệt độ trên trong 15 min, làm nguội và cân đến khi thu được khối lượng không đổi. Từ sự giảm khối lượng khi nung mẫu tại nhiệt độ trên tính ra lượng mất khi nung.
Kết quả phân tích thành phần của mẫu xỉ là kết quả trung bình của 10 lần thực nghiệm được tính tốn và đưa ra trên bảng 3.1:
Bảng 3.1. Thành phần tro xỉ thải nhà máy đốt rác tại Đồng Văn Hà Nam
TT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả
1 Mất khi nung % 3,81
2 Độ ẩm % 0,04
3 SiO2 % 56,6
4 Fe2O3 % 6,63
6 SO3 % 1,26 7 CaO % 6,31 8 MgO % 1,19 9 Na2O % 0,72 10 K2O % 4,15 11 TiO2 % 0,76
Kết quả phân tích thành phần tro xỉ thải nhà máy đốt rác Đồng Văn, Hà Nam cho thấy hàm lượng Fe2O3 + SiO2 + Al2O3 = 84,41%. Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng Fe2O3 + SiO2 + Al2O3 ≥ 70% (tro bay nghiên cứu thuộc loại F) phù hợp để làm vật liệu Geopolymer (TCVN 10302:2014 và ASTM C618-03).
Tương tự, mẫu xỉ thải của nhà máy thép Việt - Trung có kết quả phân tích thành phần như sau (bảng 3.2):
Bảng 3.2. Thành phần xỉ thải của nhà máy Việt - Trung
TT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả
1 Độ mịn trên sàng 45µm % 22,15 2 Mất khi nung % 2,72 3 Độ ẩm % 0,04 4 SiO2 % 38,20 5 Fe2O3 % 2,38 6 Al2O3 % 12,18 7 SO3 % 1,36 8 CaO % 33,56 9 MgO % 6,02 10 TiO2 % 0,68
Kết quả phân tích cho thấy thành phần xỉ thải của nhà máy Thép Việt Trung (Tằng Loỏng Lào Cai) có hàm lượng CaO tương đối cao chiếm 33,56%, hàm lượng SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 = 52,76%, SO3= 1,36% và MKN =
2,72%. Với kết quả này nhận thấy xỉ lò cao của nhà máy thép Việt - Trung có thể sử dụng để làm vật liệu geopolymer (TCVN 11586:2016 và BS EN 15167-1:2006).
Kết luận: Đã khảo sát và phân tích tro, xỉ thải ở nhà máy đốt rác tại khu công nghiệp Đồng Văn, Hà Nam và nhà máy thép Việt – Trung - Khu Công nghiệp Tằng Loỏng Lào Cai. Kết quả phân tích đánh giá cho thấy hàm lượng SiO2 và Al2O3, Fe2O3 và Cao phù hợp làm nguyên liệu cho q trình chế tạo geopolymer.
3.1.3. Phân tích thành phần một số kim loại nặng trong nguyên vật liệu
Thành phần tro xỉ lò đốt rác sinh hoạt, xỉ lò cao thường chứa lượng lớn các nguyên tố độc hại như As, Hg, Cd, Ni, Cu, Pb, v,v, do đó cần phân tích đánh giá hàm lượng các nguyên tố trong tro xỉ theo QCVN 07:2009/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng chất thải nguy hại).
Kết quả phân tích một số kim loại nặng độc hại trong tro xỉ nhà máy đốt rác sinh hoạt (DWS) tại Đồng Văn, Hà Nam và mẫu xỉ lò cao (BFS) lấy tại nhà máy thép Việt-Trung, khu công nghiệp Tằng Loỏng, Lào Cai được phân tích tính tốn và đưa ra ở bảng sau:
Bảng 3.3. Thành phần một số kim loại nặng độc hại trong nguyên vật liệu
STT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích Hàm lượng tuyệt đối cơ sở (QCVN 07:2009) Tro xỉ nhà máy đốt rác thải sinh hoạt
(DWS) Xỉ lò cao nhà máy luyện thép (BFS) 1 As ppm 4,869 3,73 40 2 Cd ppm 6,631 0,44 10 3 Cr ppm 161,98 208,03 100 4 Cu ppm 824 1914 -
5 Ni ppm 89,71 46,30 1.400
6 Pb ppm 136,97 31,11 300
7 Zn ppm 1.949,72 551,14 5.000
8 Hg ppm 0,088 0,296 4
Kết quả phân tích cho thấy tro xỉ của lị đốt rác thải sinh hoạt (DWS) và xỉ lò cao (BFS) chứa lượng lớn kim loại nặng độc hại như Cr, Ni, Cd, As và thủy ngân... ảnh hưởng đến môi trường nếu chúng bị rò rỉ. Hàm lượng Cr trong cả hai nguyên vật liệu đều cao vượt tiêu chuẩn cho phép, còn hàm lượng kim loại nặng độc hại khác đều nằm trong ngưỡng cho phép. Mặc dù vậy, hai nguyên liệu đầu vào này vẫn đạt tiêu chuẩn để sử dụng làm vật liệu geopolymer. Tuy nhiên, mẫu vật liệu geopolymer sau khi chế tạo cần đánh giá mức độ thôi nhiễm kim loại nặng độc hại ra môi trường thứ cấp bằng cách làm giàu các kim loại nặng độc hại trong mẫu geopolyme.
3.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO GEOPOLYMER TRÊN NỀN XỈ LÒ CAO VỚI TRO XỈ LÒ ĐỐT RÁC SINH HOẠT
3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ tro xỉ lò đốt rác sinh hoạt (DWS) và xỉ lò cao (BFS) đến cường độ nén (DWS) và xỉ lò cao (BFS) đến cường độ nén
Thành phần cấp phối cho mẫu geopolymer nghiên cứu với thành phần xỉ lò cao (BFS) và tro xỉ lò đốt rác sinh hoạt (DWS) thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.4. Tỷ lệ và thành phần cấp phối cho mẫu nghiên cứu
Kí hiệu mẫu DWS (g) BFS (g) NaOH 10M (ml) Na2SiO3 (ml) M41 800 200 90 250 M73 700 300 90 250 M32 600 400 90 250 M23 400 600 90 250 M37 300 700 90 250 M14 200 800 90 250
Mẫu vật liệu geopolyme chế tạo bằng cách trộn đều hỗn hợp vật liệu DWS, BFS trong thời gian khoảng 3 – 5 phút, sau đó cho từ từ dung dịch
kiềm hoạt hóa có tỷ lệ NaOH:Na2SiO3 là 0,36 (90ml NaOH 10 M và 250 ml dung dịch natri silicat trong 1000g tro xỉ thải). Khấy đều trong 2- 3 phút bằng máy, sau đó hỗn hợp geopolyme được tạo khn với kích thước 160 x 40 x 40mm, tiếp theo đặt trên máy lắc rung trong thời gian 30 phút lấy ra và dưỡng hộ ở điều kiện thường. Sau thời gian dưỡng hộ 14 ngày mẫu được đem xác định cường độ chịu nén
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ DWS:BFS đến cường độ nén dưỡng hộ ở nhiệt độ phòng
Tỷ lệ DWS:BFS Ngày Cường độ chịu nén (MPa)
4:1 14 14,6 7:3 14 17,5 3:2 14 19,9 2:3 14 18,2 3:7 14 16,9 1:4 14 12,5
Hình 3.3 Mẫu với tỉ lệ DWS:BFS (a) 4:1; (b) 7:3; (c) 3:2; (d) 2:3 qua kính hiển vi với độ phóng đại 40x
Hình trên cho thấy mẫu có hiện tượng bị lỗ khuyết theo tỷ lệ DWS: BFS là 4: 1 và 7: 3 trên cùng một độ phóng đại. Do đó, cường độ nén của mẫu đã bị giảm. Các mẫu theo tỷ lệ DWS: BFS = 3: 2 và 2: 3 có bề mặt nhẵn, khơng có lỗ khuyết. Tuy nhiên, mẫu có tỷ lệ DWS: BFS = 3: 2 cho tỷ lệ Al:Si cao.
Ảnh hưởng của tỷ lệ DWS:BFS đến cường độ nén của mẫu geopolymer theo bảng trên, dưỡng hộ ở điều kiện thường và đo cường độ nén sau 14 ngày cho thấy khi tỷ lệ DWS:BFS được tăng từ 1:4 lên 3:2, cường độ nén tăng dần do ảnh hưởng của kích thước hạt của DWS, BFS và tỷ lệ thành phần Si:Al trong mẫu. Ở tỷ lệ DWS:BFS bằng 3:2 thì cường độ nén đạt 19,9 là lớn nhất. Điều này cho thấy ở tỷ lệ DWS:BFS bằng 3:2 tỷ lệ Si:Al cao phù hợp với sự tạo geopolymer
Khi tiếp tục tăng tỷ lệ DWS:BFS thì tỷ lệ Si:Al được tăng lên và cường độ nén bị giảm. Điều này bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng kích thước của việc nén chặt mẫu hỗn hợp geopolymer. Hơn nữa, mẫu BFS có một lượng lớn CaO để tạo thành gel Ca-Si-H (Calcium-Silicate Hydrate) cũng làm giảm cường độ chịu nén [24].
3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng dung dịch kiềm đến cường độ nén cường độ nén
Từ các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ DWS:BFS ở trên đã chon tỷ lệ DWS:BFS là 3:2 để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến cường độ chịu nén của vật liệu geopolyme. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch kiềm đến cường độ chịu nén được nghiên cứu ở các nồng độ 8; 10; 12; 14 và 16 M. Kết quả nghiên cứu được trình bày trên bảng 3.6:
Bảng 3.6. Cường độ chịu nén của geopolymer theo nồng độ NaOH(M)
Nồng độ NaOH (M) 8 10 12 14 16