Đề cương Luận văn Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer từ diatomite

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU SILICAT ---------------- ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GEOPOLYMER TỪ DIATOMITE Thành phố Hồ Chí Minh, 28 tháng 12 năm 2020 Đề cương luận văn Trang i MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... i DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. iii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iv CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ......................................................................................... 1 1.1. Bối cảnh đề xuất đề tài ......................................................................................... 1 1.2. Mục đích và nội dung đề tài ................................................................................. 1 1.2.1. Mục đích. ....................................................................................................... 1 1.2.2. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 1 1.3. Đối tượng nghiên cứu........................................................................................... 2 1.4. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................. 2 1.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng vật liệu geopolymer ........................................ 2 1.5.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng vật liệu geopolymer trên thế giới ................ 2 1.5.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng vật liệu geopolymer ở Việt Nam ................. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 7 2.1. Tổng quan về diatomite ........................................................................................ 7 2.2. Tổng quan về geopolymer .................................................................................... 8 2.2.1. Khái niệm geopolymer ...................................................................................... 8 2.2.2. Cơ chế phản ứng geopolymer hóa................................................................... 10 2.3. Nhiễu xạ tia X (X-Ray diffraction, XRD) .......................................................... 12 2.4. Phân tích bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại (FTIR) ............................. 13 2.5. Phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) .............................. 13 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 14 3.1. Thiết lập cấp phối cho đề tài .............................................................................. 15 Đề cương luận văn Trang ii 3.1.1. Nguyên liệu ..................................................................................................... 15 Diatomite.... .............................................................................................. 15 Dung dịch hoạt hóa ...................................................................................... 16 3.1.2. Dự kiến cấp phối được thực hiện khảo sát ...................................................... 16 3.2. Dự kiến thiết bị và nơi thực hiện thí nghiệm ..................................................... 16 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ DỰ KIẾN.......................................................................... 18 4.1. Cơ tính.. .......................................................... Error! Bookmark not defined. 4.1.1. Độ hút nước ..................................................... Error! Bookmark not defined. 4.1.2. Đánh giá độ bền cơ học ................................... Error! Bookmark not defined. 4.2. Phân tích XRD, XRF, FTIR, SEM ..................... Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 19 Đề cương luận văn Trang iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Biểu đồ về sự tăng số bài báo khoa học về geopolymer [1] ................... 3 Hình 1.2 Bê tông E-Crete 25 MPa lát nền đường cao tốc Westgate, cảng Melbourne, Victoria, Úc ........................................................................................ 4 Hình 1.3 Các tấm panel bê tông E-Crete 55 Mpa đúc sẵn ở Cầu Phố Salmon, cảng Melhourne Vitoria, Úc ................................................................................... 4 Hình 1.4 Tòa nhà GCI đại học Queensland Úc với kết cấu sử dụng bê tông ........ 5 HÌnh 2.1 Hình dạng tảo diatom .............................................................................. 7 Hình 3.1 Lưu đồ phương pháp nghiên cứu .......................................................... 15 Đề cương luận văn Trang iv DANH MỤC BẢNG Bảng 3. 1 Diatomite Phú Yên có thành phần như bảng sau: ............................... 15 Bảng 3. 2 Cấp phối dự kiến cho đề tài ................................................................. 16 Đề cương luận văn Trang 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1. Bối cảnh đề xuất đề tài Trong những năm gần đây việc tạo ra những vật liệu thân thiện với môi trường rất được chú trọng phát triển nhằm làm giảm các tác động phát thải khí CO2 đến môi trường. Vật liệu được chế tạo từ phương pháp geopolymer hóa sử dụng các nguồn chất thải công nghiệp hoặc các nguyên liệu tự nhiên khác, thay vì xi măng pooc lăng. Sử dụng phương pháp geopolymer hóa được đánh giá là có thể giải phóng lượng khí CO2 thấp hơn, thân thiện với môi trường hơn và trở thành một trong những giải pháp đầy hứa hẹn. Do đó phương pháp geopolymer hóa đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong sản xuất. Đề tài sử dụng diatomite làm nguyên liệu vì diatomite là một loại hóa thạch trầm tích có hàm lượng silica vô định hình cao, được hình thành bởi các di tích tảo cát hóa thạch đã được nghiên cứu sử dụng như nguồn silica thay thế. Bên cạnh đó diatomite có sở hữu nhiều đặc tính độc đáo bao gồm cấu trúc xốp cao (80 – 90%), khả năng hấp thụ tuyệt vời, mật độ thấp, tính trơ hóa học và giá thành tương tối thấp. Với những ưu điểm này, diatomite có thể được coi là vật liệu có tiềm năng cao trong ứng dụng sản xuất vật liệu nhẹ. 1.2. Mục đích và nội dung đề tài 1.2.1. Mục đích Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer từ nguyên liệu diatomite sử dụng dung dịch hoạt hóa kiềm NaOH và điều kiện dưỡng hộ hấp thủy nhiệt để tạo liên kết bền trong geopolymer. 1.2.2. Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu và khái quát về diatomite và geopolymer. - Tìm hiểu tính chất của diatomite. - Khảo sát và đánh giá sản phẩm geopolymer. Đề cương luận văn Trang 2 1.3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng của đề tài là nghiên cứu tính chất cơ lý và vi cấu trúc của vật liệu geopolymer từ diatomite với quy mô phòng thí nghiệm. 1.4. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm khảo sát các thông số cơ lý và sử dụng các công cụ phân tích để kiểm tra việc tạo thành các khoáng, các liên kết hóa học và vi cấu trúc của vật liệu. 1.5. Tình hình nghiên cứu và sử dụng vật liệu geopolymer 1.5.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng vật liệu geopolymer trên thế giới Ban đầu, geopolymer được ứng dụng rấet giới hạn, chỉ dùng để chế tạo các sản phẩm thuộc dạng cao cấp như các khuôn đúc và dụng cụ cho ngành hàng không. Nhưng càng về sau, đặc biệt là vào đầu thập niên 1990, khi con người đã ý thức được sự đe dọa từ khí thải CO2 trong sản xuất vật liệu xây dựng, vật liệu geopolymer mới dần được quan tâm nhiều hơn và do đó trở thành một loại vật liệu xây dựng thay thế một phần xi măng truyền thống. Trong những năm gần đây geopolymer được tập trung nghiên cứu theo hướng khai thác các tính chất ưu việt của nó như cường độ nén cao, chống cháy, thu hồi, ổn định các chất độc, rác thải phóng xạ. Bên cạnh đó, geopolymer còn là một “ vật liệu xanh” trong việc tiêu tốn năng lượng sản xuất thấp và lượng khí thải phát thải thấp. Đặc biệt hiện nay các nước trên thế giới đang quan tâm đến vấn đề bảo vệ môi trường, nhằm giảm khí thải CO2 cũng như việc tái sử dụng các chất thải công nghiệp như bùn thải, tro bay, xỉ lò cao, Chính vì lý do này mà từ năm 1999 đến nay, số lượng các bài báo nghiên cứu về vật liệu geopolymer không ngừng tăng lên như trên (hình 1.1). Đề cương luận văn Trang 3 Hình 1. 1 Biểu đồ về sự tăng số bài báo khoa học về geopolymer [1] Một số công trình sử dụng geopolymer ở Úc như: các thanh tà vẹt đúc sẵn, đường ống cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn khác trong xây dựng. Với đặc tính tốt nhất của các kết cấu đúc sẵn là cho cường độ sớm tuổi cao sau khi được bảo dưỡng hơi nước hoặc dưỡng hộ nhiệt [2]. Trong báo cáo về quá trình sản xuất các thanh tà vẹt bê tông geopolymer trên cơ sở geopolymer tro bay, Palomoetal. cho rằng các kết cấu bê tông geopolymer có thể dễ dàng được sản xuất bằng những công nghệ sản xuất bê tông hiện tại mà không cần phải có sự thay đổi lớn nào. Và cũng đã sản xuất các sản phẩm ống cống bê tông geopolymer cốt thép đúc sẵn có đường kính từ 375÷1800mm; các cống hộp bê tông geopolymer cốt thép có kích thước 1200x600x1200 mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khả năng chịu môi trường nước thải xâm thực rất tốt và tương đương sản phẩm bê tông xi măng. Bê tông geopolymer cũng đã được thương mại hóa ở Úc với nhãn hiệu E-Crete. E-Crete được sử dụng nguyên liệu tái chế từ tro bay và xỉ lò cao cùng với các chất hoạt tính kiềm thích hợp và được cung cấp ra thị trường ở dạng dạng đúc sẵn và trộn sẵn. Các sản phẩm đúc sẵn của E-crete chủ yếu như: các panel đúc sẵn, các ống, nắp và đế cống, cống hộp, bể xí tự hoại, hố 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 S ố b ài b áo năm Đề cương luận văn Trang 4 thu rác, gạch lát vỉa hè, tấm ốp lát trang trí hoặc cách âm Các công trình tiêu biểu sử dụng sản phẩm này như: các công trình lát nền đường thuộc dự án nâng cấp đường cao tốc Westgate, Cảng Melbourne, Victoria, Úc (hình 1.2), dự án VicRoads với 180 tấm panel đúc sẵn đặt ngang Cầu Phố Salmon ở Cảng Melbourne (hình 1.3) [3,4]. Hình 1. 2 Bê tông E-Crete 25 MPa lát nền đường cao tốc Westgate, cảng Melbourne, Victoria, Úc Hình 1. 3 Các tấm panel bê tông E-Crete 55 Mpa đúc sẵn ở Cầu Phố Salmon, cảng Melhourne Vitoria, Úc Cũng ở Úc, gần đây công ty Hassell liên kết với công ty Bligh Tanner và công ty Wagners đã thiết kế tòa nhà GCI (Global Change Institute) của trường đại học Queensland là công trình đầu tiên trên thế giới với kết cấu sử dụng bê tông Đề cương luận văn Trang 5 geopolymer (hình 1.4). Tòa nhà cao bốn tầng, bao gồm ba sàn lửng được lắp ghép từ 33 tấm panel. Các tấm panel này được chế tạo từ bê tông geopolymer sử dụng tro bay và xỉ làm chất kết dính hoạt hóa [1]. Hình 1. 4 Tòa nhà GCI đại học Queensland Úc với kết cấu sử dụng bê tông Ở Mỹ, ứng dụng chủ yếu của chất kết dính geopolymer là sản xuất xi măng geopolymer đóng rắn nhanh (Pyrament Blended Cement- PBC). PBC đã được nghiên cứu sản xuất và ứng dụng trong các sân bay quân sự từ những năm 1985. Sau đó, PBC được dùng nhiều trong sửa chữa đường băng bê tông, sàn nhà công nghiệp, đường cao tốc. Loại xi măng này có thể đạt cường độ 20 MPa sau 4-6h đóng rắn. Một loại xi măng geopolymer khác cũng được nghiên cứu sử dụng là xi măng geopolymer bền axit. Năm 1997, công ty Zeo tech corp đã thương mại hóa thành công sản phẩm bê tông geopolymer bền axit. Sản phẩm này đã được dùng nhiều trong các nhà máy hóa chất và thực phẩm. 1.5.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng vật liệu geopolymer ở Việt Nam Ở Việt nam, mới chỉ có 1 dạng sản phẩm thương mại có nguồn gốc từ vật liệu geopolymer là gạch không nung. Tuy nhiên chưa được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng. Đã có một số nghiên cứu bước đầu về vật liệu geopolymer như bê tông chịu lửa (BTCL) không xi măng của nhóm nghiên cứu ở Viện Vật liệu Xây dựng. BTCL không xi măng dựa trên liên kết rho- alumina – Đề cương luận văn Trang 6 tên thương phẩm là alphabond 300, so với BTCL ít xi măng là công nghệ chế tạo đơn giản, thời gian sử dụng của vật liệu này lâu hơn, tính chất cơ nhiệt tốt như tăng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng và tăng độ bền uốn ở nhiệt độ cao. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công BTCL không xi măng ứng dụng thử vào thực tế. Một nghiên cứu khác về ứng dụng chất kết dính geopolymer là sản xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay và xỉ lò cao cũng đã được thực hiện năm 2011. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được quy trình sản xuất vật liệu gạch block bê tông geopolymer có cường độ nén đạt >10 MPa, có giá thành rẻ hơn gạch block bê tông xi măng cốt liệu khoảng 15%. Trong những năm gần đây, các công trình xây dựng được xây dựng và phát triển ngày càng nhiều nhằm đáp ứng yêu cầu công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. Đa số các công trình xây dựng đều theo hướng sử dụng vật liệu chất kết dính xi măng poóclăng. Đây là chất kết dính có ưu điểm cả về tính dễ thi công và độ tin cậy. Tuy nhiên, sản xuất xi măng poóclăng được cho là gây ô nhiễm nghiêm trọng do mức độ phát thải khí và bụi nhiều. Tính riêng ngành này thải ra khoảng 5% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính trên toàn cầu, một lượng đáng kể khí NOx và các khí gây ô nhiễm khác như SO2. Trung bình để sản xuất ra 1 tấn xi măng cần xấp xỉ 1,7 tấn các nguyên liệu thô và thải ra khoảng 1 tấn khí CO2. Vì vậy, giảm dần lượng xi măng sử dụng và tìm kiếm một loại chất kết dính “xanh” thân thiện với môi trường là yêu cầu có thật và cấp thiết. Đề cương luận văn Trang 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Tổng quan về diatomite Diatomite (còn có tên gọi khác là Kizengua) là một loại đá trầm tích silic do hóa thạch của các tảo cát diatom (tảo diatom: sinh vật nguyên sinh xuất hiện rất sớm trên Trái Đất, chúng là các sinh vật phù du với chủng loại đa dạng khoảng 50000 đến 100000 loài), bao gồm các khung xương tảo silic xốp có thành phần chính là các silica hydrates có hàm lượng nước ở các mức độ khác nhau (opals) SiO2.nH2O kèm theo một lượng khoáng sét, cát silic, khoáng cacbonat, oxit sắt và một số chất hữu cơ.[5,7] Hình 2.1 Hình dạng tảo diatom [8] Phân tích ảnh từ kính hiển vi điện tử quét SEM (Hình 8) cho thấy tảo diatom là những ống hình trụ chiều dài khoảng 15-20µm, đường kính khoảng 10µm. Trên những ống trụ là những lỗ nhỏ có đường kính trung bình khoảng 0,5- 1µm. Chính dạng cấu trúc này làm cho diatomite trở nên xốp và nhẹ. Quặng diatomite được tạo thành từ các mảnh vỏ tảo diatomeae, một loại thực vật đơn bào ưu sắt có cấu tạo từ oxit silic. Các giống tảo diatomeae tạo đá chủ yếu là các tảo trôi nổi sống trong môi trường nước ngọt miền duyên hải, số lượng tảo bám đáy rất ít. Ngoài các mảnh vỏ tảo diatomeae, trong đá còn có thể có số lượng nhỏ gai xương bọt biển. Hàm lượng mảnh vỏ tảo diatomeae trong diatomite chiếm 50% trở lên với số lượng mảnh vỏ từ 5-7 triệu đến 100 triệu mảnh vỏ/gam đá. Nguồn vật liệu oxit silic dạng opal vô định hình cấu tạo nên vỏ Đề cương luận văn Trang 8 tảo có cấu trúc khung với nhiều lỗ mao quản kích thước nhỏ 0,5-3cm. Các mảnh vỏ tảo thường có dạng đốt trúc còn tồn tại quần thể hoặc từng đối đơn lẻ kích thước từ 3-5 đến 30cm, thậm chí bị vỡ vụn, đập nát. Do tính xốp cao, khối lượng thấp và diện tích bề mặt cao nên diatomite là chất hấp thu tốt với các chất vô cơ và hữu cơ.[9] Diatomite có thành phần chính là SiO2 tồn tại dưới dạng khoáng opal. Khoáng opal được phân thành ba nhóm chính bao gồm opal-A, opal-C và opal- CT. Tùy thuộc vào điều kiện thổ nhưỡng hình thành, khoáng diatomite có thể là một loại silic vô định hình với cấu trúc opal-A hoặc cấu trúc tinh thể opal-C (khoáng cristobalite) hoặc opal-CT (dạng bán kết tinh (semi-crystalline) gồm cùng kết tinh của cristobalite và tridimite)[10]. Diatomite có tỷ lệ SiO2 thường dao động 80-90% (có loại đến 95%), thành phần có tỷ lệ ít hơn và oxit nhôm (2 – 4%), oxit sắt (0,5 – 2%) và các oxit khác tồn tại trong các khoáng sét, cát, thạch cao, tràng thạch Diatomite có dạng hạt mịn, kích thước hạt nhỏ dao động từ nhỏ hơn 3mm đến lớn hơn 1mm; khối lượng thể tích thấp từ 0,32 đến 0,64 g/cm3; độ thấm cao (0,1-10 mD) và độ xốp cao (35-65%), kích thước hạt nhỏ, độ dẫn nhiệt và mật độ thấp, diện tích bề mặt cao [7]. Diatomite có màu thay đổi từ trắng xám, vàng đến đỏ tùy thuộc vào thành phần oxit chứa trong chúng [11]. 2.2. Tổng quan về geopolymer 2.2.1. Khái niệm geopolymer Geopolymer: Vật liệu tạo thành trong quá trình thủy tinh hóa một số nguyên liệu đất với thành phần chính là các alumino silicate khi phản ứng với các tác nhân kiềm, hoặc có thể coi là thủy tinh alumino silicate tổng hợp ở nhiệt độ thấp hay còn được gọi là vật liệu đất polymer hóa (là các polymer vô cơ). Đề cương luận văn Trang 9 Bản chất quá trình là sự tạo polymer từ phản ứng của dung dịch kiềm (NaOH hoặc KOH) với bột các hợp chất alumino silicate (từ khoáng sét, metakaolinite, xỉ lò cao, tro bay, các chất thải công nghiệp như bùn đỏ,). Khái niệm geopolymer được dùng để diễn tả họ các liên kết alumino-silicat kiềm được hình thành từ hoạt tính kiềm của các khoáng alumino-silicat. Các mạng sialate này hình thành bởi các tứ diện [SiO4]4- và [AlO4]5- liên kết cộng hóa trị luân phiên với nhau bằng cách dùng chung các nguyên tử oxy O. Ion Al3+ sẽ bị dư điện tích âm khi tham gia liên kết phối trí bậc IV nên cần phải có các ion dương như (Na+, K+, Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O+) nằm xen lẫn trong cấu trúc sialate để cân bằng điện tích. Công thức thực nghiệm của chuỗi poly (sialate) là [12,13]. Mn[(SiO2)x- (AlO2)]n. yH2O Trong đó: M: là các cation kim loại kiềm, kiềm thổ (Na+, K+, Ca2+, Ba2+). n: là bậc trùng ngưng. x: có thể là 1,2,3 hoặc lớn hơn, tùy thuộc vào loại chuỗi là sialate, sialate- silixo, sialate-disilixo. Mặc dù phản ứng tổng hợp geopolymer của nhiều vật liệu alumino-silicat khác nhau đã được nghiên cứu rất nhiều trong thời gian gần đây nhưng cơ chế phản ứng vẫn tồn tại nhiều giả thuyết khác nhau. Cơ chế tổng hợp geopolymer được đề xuất dưới đây gồm có 4 giai đoạn, các quá trình này diễn ra song song và do đó không thể phân biệt ranh giới rõ ràng. Cụ thể như sau [14]: - Hòa tan Si và Al từ vật liệu alumino-silicat rắn trong dung dịch kiềm mạnh - Tạo thành chuỗi cơ sở (oligomer) Si-Si hoặc Si-Al trong pha lỏng. - Quá trình đa trùng ngưng các oligomer tạo thành khung mạng lưới alunimo- silicat ba chiều. Đề cương luận văn Trang 10 - Tạo liên kết giữa các phân tử rắn thành khung geopolymer và đóng rắn trong toàn hệ thống hình thành cấu trúc geopolymer rắn. Vật liệu geopolymer được tổng hợp từ nguyên liệu rắn có chứa alumino- silicat bằng phương pháp hoạt chất kiềm [14,15]. Khái niệm hoạt chất kiềm được hiểu là sự hòa tan nguyên liệu chứa alumino-silicat trong môi trường kiềm mạnh được tạo bởi hydroxit natri hoặc hydroxit kali với nước. Geopolymer phụ thuộc vào họ của polymer vô cơ, liên kết thành phân tử lớn bằng liên kết cộng hóa trị và có mạch chính là -Si-O-M-O-, ở đây M chủ yếu là nhôm (Al) và thứ yếu là sắt (Fe) [14]. Sự khác nhau giữa geopolymer và các polymer vô cơ khác là do dạng của tiền chất silic và nhôm dùng để tổng hợp nên chúng. Polymer vô cơ thường được tồng hợp bằng phương pháp sol-gel, sử dụng silic và alkoxide nhôm trong dung dịch rượu và nước. Trong khi đó, geopolymer lại được tổng hợp bằng hoạt chất kiềm của nguyên liệu chứa alumino-silicat rắn trong dung dịch kiềm của hydroxit natri hoặc hydroxit kali [14]. Hệ geopolymer đã thu hút rất nhiều nhà khoa học tham gia nghiên cứu trong suốt hai thập niên qua. Có rất nhiều nguồn alumino-silicat khác nhau có thể dùng tổng hợp geopolyme