Tài liệu Nghiên cứu sản xuất geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ - tro bay

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT GEOPOLYMER TỪ HỖN HỢP BÙN ĐỎ - TRO BAY STUDYING THE PRODUCTION GEOPOLYMER
FROM RED MUD – FLY ASH ADMIXTURE




TÓM TẮT


Đề tài nghiên cứu tổng hợp vật liệu geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ và tro bay. Thủy tinh lỏng được cho vào để tiến hành quá trình đa ngưng tụ. Vật liệu geopolymer chế tạo được đem đi xác định cường độ nén. Thêm nữa, thành phần, các đặc trưng liên kết và hình thái bề mặt cũng được nghiên cứu nhờ nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ kế hồng ngoại (FT-IR) và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả cho thấy vật liệu nghiên cứu phù hợp để sản xuất gạch xây dựng theo tiêu
chuẩn Việt Nam TCVN 1451-1988.


ABSTRACT


The research deals with the synthesis of geopolymer from red mud and fly ash admixture. Water glass is added to carry out the polycondensation process. The compressive strength of manufactured geopolymer materials were determined. Furthermore, the composition, bonding and surface morphology characterization have been carried out by means of X-ray diffraction (XRD), FT-IR spectroscopy and scanning electron microscopy SEM. The results show that the researched materials are suitable for brick production according to vietnamese standards TCVN 1451-1988.
1. Đặt vấn đề
Geopolymer hay còn gọi là polymer vô cơ được nhà khoa học người Pháp Joseph Davidovits đặt tên năm 1970, là một loại vật liệu rắn tổng hợp từ nguyên liệu aluminosilicate với một dung dịch kiềm để tạo ra sản phẩm bền và có cường độ [1]. Như vậy, nguyên liệu để chế tạo vật liệu geopolymer gồm hai thành phần chính là nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu ban đầu thường ở dạng aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa. Chất hoạt hóa kiềm phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng natri silicat nhằm tạo môi trường kiềm và thực hiện phản ứng geopolymer hóa.
Vật liệu geopolymer từ aluminosilicate tạo thành từ mạng lưới polysialate trên cơ sở các các tứ diện SiO4 và AlO4 với công thức:
Mn[-(SiO2)z-AlO2]n.wH2O
Trong đó M là nguyên tố kiềm Na, K hay kiềm thổ Ca; n là mức độ đa trùng ngưng; z là 1, 2, 3 hoặc lớn hơn [2]. Phụ thuộc vào tỉ lệ SiO2/Al2O3 ta có ba loại đơn vị mắt xích cơ sở khác nhau: -Si-O-Al-O-, polysialate (PS), SiO2/Al2O3 = 2, tương ứng với tỉ lệ Si/Al =1; -Si-O-Al-O-Si-O-, polysialate-siloxo (PSS), SiO2/Al2O3 = 4, tương ứng với tỉ lệ Si/Al = 2; -Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-, polysialate-disiloxo (PSDS), SiO2/Al2O3 = 6, tương ứng với tỉ lệ Si/Al = 3 [3]. Như vậy, vật liệu geopolymer được chế tạo nhờ vào quá trình polymer hóa nguyên liệu aluminosilicat trong môi trường kiềm ở nhiệt độ thường, vật liệu





có cấu trúc vô định hình đến nửa tinh thể [11].


Hiện nay chất kết dính và vật liệu polymer vô cơ đã được ứng dụng khá rộng rãi ở một số nước trên thế giới và đã đạt được những thành tựu khả quan. Ở Việt Nam, loại vật liệu này vẫn còn rất mới, sản phẩm xuất hiện rất hạn chế trên thị trường vật liệu xây dựng ở Việt Nam.
Đề tài chúng tôi nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer từ hỗn hợp bùn đỏ và tro bay, được ứng dụng làm gạch xây dựng không nung. Bùn đỏ là chất thải từ nhà máy sản xuất alumina khi xử lý bauxite theo phương pháp Bayer [4]. Tro bay là chất thải từ hoạt động của nhà máy nhiệt điện chạy than đá [8]. Bùn đỏ và tro bay là chất thải với lượng rất lớn luôn tiềm ẩn mối đe dọa lớn, nghiêm trọng đến môi trường sinh thái ở Việt Nam. Với nghiên cứu chế tạo vật liệu xây dựng không nung từ bùn đỏ và tro bay chúng tôi hy vọng sẽ mở ra một hướng khả thi trong việc xử lí chúng để sản xuất ra sản phẩm có ích và có thể đưa vào sản xuất lớn. Đây là loại vật liệu sử dụng được chất thải từ các ngành khác tạo ra nên là loại vật liệu xây dựng “xanh”, đang rất được quan tâm ở hầu hết các quốc gia trên thế giới [9].
2. Thực nghiệm
2.1 Nguyên liệu


Chúng tôi sử dụng tro bay Moussa để cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình chế tạo
geopolymer.


Bùn đỏ được cung cấp bởi nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ Chí Minh ở dạng huyền phù lỏng. Đây là loại bã thải dạng cặn lắng rất mịn có màu đỏ nên được gọi là bùn đỏ. Trong đề tài, chúng tôi sử dụng thủy tinh lỏng sản xuất tại Công ty cổ phần hóa chất Đà Nẵng, được sử dụng như khi mua về từ thị trường, có thành phần hóa SiO2: 26,3%;
Na2O: 20%; H2O: 53,7%; trọng lượng riêng ρv = 1,48 g/cm3 được xác định bằng bình trọng
lượng riêng tại phòng thí nghiệm Silicat, khoa Hóa, Đại học Bách khoa Đà Nẵng.


2.2 Quy trình chế tạo


Bùn đỏ được sấy tự nhiên và sau đó sấy đến khô trong tủ sấy, tiếp tục nghiền trong máy nghiền bi đến cỡ hạt nhỏ hơn < 0,5 mm. Phối liệu gồm bùn đỏ, tro bay và thủy tinh lỏng được trộn chung trong thời gian 2 ư 3 phút để đạt độ đồng nhất, sau đó được tạo hình trong khuôn hình trụ có đường kính d = 27 mm, chiều cao h = 60 mm. Sau 2 ngày, tháo khuôn và dưỡng hộ mẫu trong môi trường không khí ở nhiệt phòng để vật liệu tiếp tục phát triển cường độ. Xem hình 1.

Hình 1: Mẫu vật liệu geopolymer
2.3 Phương pháp xác định tính chất vật liệu geopolymer


Mẫu được xác định cường độ nén tại thời điểm 14 ngày dưỡng hộ trên máy nén





Instron-5582 tại Trung tâm Kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 2, Đà Nẵng.


Mẫu được tiếp tục nghiên cứu thành phần, các đặc trưng liên kết và hình thái bề mặt nhờ nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ kế hồng ngoại (FT-IR) và kính hiển vi điện tử quét (SEM).
3. Kết quả và thảo luận
3.1 Xác định đặc trưng của tro bay


Tro bay Moussa được xác định thành phần hóa trên máy XRF tại viện Công nghệ gốm sứ tập đoàn Prime Vĩnh Phúc và độ mịn qua phân tích sàng. Kết quả được thể hiện
qua bảng 1.