Chất kết dính trong xây dựng sản xuất từ phản ứng của chất kiềm hoạt tính với tro trấu

Chia sẻ: Nhan Chiến Thiên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu "Chất kết dính trong xây dựng sản xuất từ phản ứng của chất kiềm hoạt tính với tro trấu" sử dụng vỏ tro trấu, đã trải qua quá trình nung nóng, tác dụng với chất kiểm hoạt tính, cho ra sản phẩm chất kết dính trong xây dựng, có tiềm năng thay thế xi măng. Chất kết dính này khi được sử dụng rộng rãi sẽ giúp cắt giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính mà ngành công nghiệp sản xuất xi măng gây ra. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chất kết dính trong xây dựng sản xuất từ phản ứng của chất kiềm hoạt tính với tro trấu

. 243 CHẤT KẾT DÍNH TRONG XÂY DỰNG SẢN XUẤT TỪ PHẢN ỨNG CỦA CHẤT KIỀM HOẠT TÍNH VỚI TRO TRẤU Nguyễn Hoàng Minh* Trường Đại học Kiến trúc Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt Nghiên cứu này sử dụng vỏ tro trấu, đã trải qua quá trình nung nóng, tác dụng với chất kiềm hoạt tính, cho ra sản phẩm chất kết dính trong xây dựng, có tiềm năng thay thế xi măng. Chất kết dính này khi được sử dụng rộng rãi sẽ giúp cắt giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính mà ngành công nghiệp sản xuất xi măng gây ra. Ngoài ra, việc sử dụng vỏ trấu cũng giúp tận dụng phế phẩm nông nghiệp, hạn chế lượng chất thải nông nghiệp đối với môi trường, đặc biệt là với một quốc gia có sản lượng lúa gạo lớn như Việt Nam. Trong nghiên cứu này, chất kết dính sản xuất từ phản ứng của chất kiềm hoạt tính với vỏ trấu sẽ được đúc vào các khuôn mẫu có kích thước 3 x 3 x 3 (cm). Các mẫu này sau đó sẽ được thử cường độ nén. Thông qua thí nghiệm, có thể tìm ra được chất kết dính này có cường độ tối ưu khi hỗn hợp vỏ trấu, cát được trộn với dung dịch có hệ số W/B là 0,2, khối lượng vỏ trấu đầu vào để nung tối ưu là 100 (g). Thông qua các thí nghiệm, cũng có thể thấy rằng cường độ chịu nén các mẫu có kích thước 3 x 3 x 3 (cm) tại thời điểm 30 giờ sau khi đúc có lúc đạt đến 500kg/cm2, hoàn toàn đủ khả năng để trở thành vật liệu xây dựng. Từ khóa: Vỏ tro trấu, kiềm hoạt tính, chất kết dính trong xây dựng. 1. Đặt vấn đề Quá trình xay xát lúa gạo luôn tạo ra rất nhiều phế phẩm nông nghiệp, đó là vỏ trấu. Thông thường, trong hạt lúa, khoảng 78% trọng lượng là hạt gạo mà chúng ta sử dụng làm lương thực, 22% còn lại là vỏ trấu. Với một quốc gia nông nghiệp có sản lượng lúa gạo vô cùng lớn như Việt Nam, hằng năm, có một lượng lớn vỏ trấu được tạo ra và bỏ đi. Do đó, rất cần thiết có một phương pháp khoa học để tận dụng lượng vỏ trấu khổng lồ trên. Trong khi đó, xi măng vẫn là một thành phần vô cùng quan trọng trong ngành xây dựng của Việt Nam. Tuy nhiên, ngành công nghiệp xi măng lại đòi hỏi trữ lượng lớn đá vôi, thứ tài nguyên có hạn, và có thể cạn kiệt trong tương lai. Nghiêm trọng hơn, ngành công nghiệp xi măng là một trong những nguồn gây khí thải hiệu ứng nhà kính lớn của Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung, Cụ thể hơn, hai tác giả Humphreys và Mahasenan đã đề cập trong nghiên cứu của mình rằng: trung bình để tạo ra 1kg xi măng portland, có đến 0,87kg CO2 được tạo ra. Sản lượng xi măng vào năm 2000 là 1,57 tỷ tấn. Vì lý do trên, rất nhiều nhà khoa học đã rất nỗ lực để tạo ra vật liệu mới để thay thế xi măng. Chất kết dính xây dựng sản xuất từ phản ứng của chất kiềm hoạt tính với tro trấu nổi lên như một phương án hợp lý, bởi vì nó giúp giảm sự phụ thuộc vào xi măng, cũng như tận dụng được lượng vỏ trấu khổng lồ tại Việt Nam. Để làm ra vật liệu này, phản ứng hóa học được thúc đẩy bởi chất kiềm hoạt tính đối với vật liệu chứa hàm lượng lớn silica (SiO2) và nhôm oxit (Al2O3), kết quả của phản ứng là các phân tử có dạng chuỗi -Si-O-Al-O-Si- (các chuỗi có dạng khác nhau tùy * Ngày nhận bài: 12/3/2022 ; Ngày phản biện: 04/4/2022 ; Ngày chấp nhận đăng: 10/4/2022 * Tác giả liên hệ: Email: minh.nguyenhoang@uah.edu.vn
244 thuộc vào tỷ lệ của SiO2 và Al2O3 trong nguyên liệu đầu vào). Sản phẩm của phản ứng hóa học này tạo thành một khối thống nhất, có thể chịu lực được. Đã có rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới về sử dụng tro bay, bột thủy tinh để tạo ra chất kết dính từ kiềm hoạt tính. Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu chính thức nào về việc áp dụng vỏ trấu vào loại vật liệu này. Về phần vỏ trấu, vật liệu này chứa một hàm lượng lớn SiO2, cùng với một lượng Al2O3 nhất định. Tuy nhiên, trước khi được cho vào phản ứng, vỏ trấu cần được xử lý bằng cách nung. Mục đích của quá trình nung và cách thực hiện sẽ được đề cập trong những phần sau. 2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu 2.3. Quá trình nung vỏ trấu Để tối đa hóa phản ứng hóa học trong quá trình tạo ra chất kết dính từ tro trấu và kiềm hoạt tính, cần phải nâng cao hàm lượng của SiO2 và Al trong nguyên liệu đầu vào. Thành phần chính của vỏ trấu gồm có: Bảng 1. Thành phần hóa học của vỏ trấu theo thí nghiệm XRF Chất hóa học Thành phần phần trăm (%) Cellulose (C6H10O5) 50 Lignin (C31H34O11) 25 - 30 Silica 15 - 20 Thành phần khác 0 - 10 Từ bảng trên, ta có thể thấy được Cellulose và Lignin, các hợp chất hữu cơ chiếm tỷ trọng rất lớn trong vỏ trấu. Thật không may là những thành phần này không tham gia vào quá trình của phản ứng hóa học mà ta mong muốn. Trên thực tế, hai thành phần bao gồm Cellulose và Lignin, với cấu trúc rất vững chắc, lại góp phần ngăn chặn sự tiếp xúc của silica (SiO2) và nhôm oxit (Al2O3) với ion OH-, khiến cho mức độ phản ứng kém hơn. Để loại bỏ hai thành phần trên và nâng cao mức độ phản ứng, ta nung vỏ trấu ở nhiệt độ cao để đốt cháy Cellulose và Lignin theo phản ứng hóa học (1) và (2) dưới đây: C6H10O5 + 6O2 → 6CO2 + 5H2O (1) C13H34O11 + 34O2 → 31CO2 + 17H2O (2) Sản phẩm của hai phản ứng hóa học trên là nước và khí CO2, khí CO2 sẽ thoát ra khỏi hỗn hợp, nước cũng sẽ bị bốc hơi dưới tác dụng của nhiệt độ cao trong lò nung (thường là hơn 100oC). Do đó, có thể nói rằng quá trình nung sẽ loại bỏ Cellulose và Lignin ra khỏi vỏ trấu. Theo Della, Kuhn và Hotza, sau khi nung, vỏ trấu sẽ còn lại những thành phần hóa học như sau: Bảng 2. Thành phần hóa học của vỏ trấu sau khi nung theo thí nghiệm XRF Chất hóa học Thành phần phần trăm (%) SiO2 94,95 Al2O3 0,39 Fe2O3 0,26 CaO 0,54 Na2O 0,25 K 2O 0,94 MnO 0,16 TiO2 0,02 MgO 0,9 P2O5 0,74
. 245 Sản phẩm của quá trình nung vỏ trấu, tạm được gọi là tro trấu, có thành phần hóa học là SiO2 (chiếm 94,95%), Al2O3 (chiếm 0,39%). Hai thành phần này hoàn toàn phù hợp cho phản ứng của tro trấu với chất kiềm hoạt tính. Tuy nhiên, thành phần hóa học này chỉ có thể đạt được khi ta cung cấp đủ lượng ôxy để đốt cháy toàn bộ Cellulose và Lignin. Nếu trong quá trình nung, lượng ôxy không được cung cấp đủ thì sẽ xảy ra phản ứng như sau: 2C6H10O5 + 10O2 → 10CO2 + 10H2O + 2C (3) C13H34O11 + 33O2 → 30CO2 + 17H2O + C (4) Lượng cacbon (C) còn lại trong hỗn hợp là nhiều hay ít phụ thuộc rất lớn vào lượng ôxy cung cấp trong quá trình nung. Thông thường, để nung vỏ trấu, người ta dùng lò nung điện, và nhiệt độ khuyến nghị nằm trong khoảng 600 - 800oC. Thông thường, để nâng nhiệt độ lên mức cao như vậy, người ta phải đóng kín cửa lò nung, và không cho phép không khí bên ngoài lọt vào trong. Do đó, trong mỗi lượt chỉ có thể nung được một lượng vỏ trấu nhất định. 2.4. Cơ chế phản ứng của tro trấu với chất kiềm hoạt tính Phản ứng hóa học trên có sự tham gia của silica (SiO2) và nhôm oxit (Al2O3) trong tro trấu, cùng với ion OH- trong chất kiềm hoạt tính. Cơ chế đóng rắn của chất kết dính này được tác giả Kiều Quý Nam và Nguyễn Ánh Dương khái quát trong nghiên cứu của mình: Bước 1: Nguyên liệu khoáng có chứa SiO2 và Al2O3 tự nhiên (nhân tạo) bị phá vỡ cấu trúc (phân ly) trong môi trường kiềm cao, tạo nên các thành phần có hoạt tính hóa học mạnh [SiO4]-2, [(Al+3)O4]-2. Bước 2: Tiếp đó các thành phần hoạt tính mới được thành tạo này tác dụng với nhau, được tái cấu trúc lại với sự có mặt của các kim loại kiềm trong dung dịch. Bước 3: Keo tụ thành các polyme với cấu trúc ba chiều tương tự zeolite, có tính chất khác nhau phụ thuộc vào tỉ lệ của các thành phần tạo nên chất kết dính đó (tỷ lệ Si/Al, Na2O, H2O…). Với tỷ lệ Si:Al = 1, tạo thành polysialate; Si:Al = 2 tạo thành polysialte - siloxo, Si:Al = 3 tạo thành polysialte - disiloxo, Si:Al > 3 tạo thành polysialate - multisiloxo. 2.5. Chuẩn bị dung dịch kiềm hoạt tính Như đã được đề cập trong cơ chế phản ứng, rõ ràng rằng để phản ứng xảy ra, cần ba thành phần chính: ion OH-, silica SiO2, nhôm oxit Al2O3. Trong nghiên cứu này, Na2SiO3 (thủy tinh lỏng) được dùng để bổ sung ion OH- và SiO2, NaOH được dùng để bổ sung thêm in OH-. Cát sông được dùng làm cốt liệu chính cho chất kết dính này. Xỉ lò cao để cung cấp silica SiO2. Các thông số liên quan đến thành phần rắn và thành phần lỏng của hỗn hợp: a) Các thông số của thành phần lỏng m Na O (5) AE %  2 (%) M AE% là hàm lượng kiềm của chất hoạt tính, đây tỷ số giữa khối lượng Na2O ( mNa O ) và khối 2 lượng của thành phần rắn ( M ) trong chất kết dính. Tỷ số này càng lớn thì lượng ion OH- càng lớn. n SiO M  2 s n (6) Na O 2
246 Ms là module silicat của chất hoạt tính, đây là tỉ số giữa số mol của SiO2 ( nSiO ) và số mol của 2 Na2O ( nNa O ) chứa trong thành phần lỏng. 2 m W /B n (7) m r W/B là tỷ số giữa khối lượng nước ( mn ) và khối lượng chất rắn ( mr ) trong chất kết dính. Tỷ số này càng lớn, hỗn hợp sẽ có tính linh động càng cao. b) Các thông số của thành phần rắn m RHA (%) (8) % RHA  m r %RHA là tỷ lệ khối lượng tro trấu ( mRHA ) so với khối lượng tổng của thành phần rắn ( mr ). m % Sand  sand (%) (9) m r %Sand là tỷ lệ khối lượng cát ( msand ) so với khối lượng tổng của thành phần rắn ( mr ). m %SF  SF (%) (10) m r %SF là tỷ lệ khối lượng xỉ lò cao( mSF ) so với khối lượng tổng của thành phần rắn ( mr ) 2.6. Quá trình thí nghiệm a) Tóm tắt thí nghiệm Trước hết, vỏ trấu được nung trong lò điện (không gian bên trong lò có kích thước 46 (cm) x 60 (cm) x 63 (cm)) với nhiệt độ và khoảng thời gian nhất định. Sau khi nung, tro trấu sẽ có màu xám hoặc trắng tùy thuộc vào điều kiện nung. Tro trấu sau đó được trộn chung với cát và xỉ lò cao (với tỷ lệ khối lượng: 70% cát, 20% xỉ lò cao, 10% tro trấu). Hỗn hợp khô này sau đó được trộn chung với dung dịch kiềm hoạt tính và đúc thành các mẫu 3x3x3 (cm). Các mẫu thí nghiệm này được bảo dưỡng trong điều kiện nhiệt độ phòng, và nén ở các thời điểm 5 giờ, 10 giờ, 20 giờ, 30 giờ tuổi. Cường độ chịu nén của các mẫu thí nghiệm này sẽ được ghi lại, và đưa ra kết luận. Hình 1. Các thành phần rắn của chất kết dính (theo tỷ lệ khối lượng: 70% cát, 20% xỉ lò cao, 10% tro trấu) b) Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Nhóm mẫu thí nghiệm với khối lượng vỏ trấu nung khác nhau Nhóm mẫu thí nghiệm này có khối lượng nung đầu vào của vỏ trấu trong mỗi đợt khác nhau. Các khối lượng nung này lần lượt là 100g, 150g, 200g và 250g cho mỗi lượt. Lần lượt các nhóm
. 247 khối lượng của vỏ trấu này được nung với điều kiện như sau: trước tiên, nhiệt độ lò nung được nâng lên 700 oC trong 224 phút, tốc độ gia nhiệt là 3 oC/phút. Mức nhiệt độ này sau đó được giữ trong 2 giờ. Cuối cùng, nhiệt độ được giảm xuống từ 700 oC đến nhiệt độ phòng trong 5 giờ. Ký hiệu mẫu và khối lượng mẫu được thể hiện trong bảng 3 bên dưới: Bảng 3. Ký hiệu mẫu trong thí nghiệm với khối lượng vỏ trấu nung khác nhau Tên mẫu thí nghiệm Khối lượng ban đầu của vỏ trấu (g) RHA 100 100 RHA 150 150 RHA 200 200 RHA 250 250 Ngoài ra, những điều kiện khác được thực hiện giống nhau ở tất cả mẫu: - Tỷ lệ khối lượng trong thành phần rắn: cát 70%, xỉ lò cao 20%, tro trấu 10% - Thành phần dung dịch kiềm hoạt tích: AE% = 3,5%, Ms = 1,0 và W/B = 0,2 - Thời gian trộn: 5 phút Mẫu thí nghiệm với tỷ lệ W/B khác nhau Nhóm mẫu thí nghiệm này có tỷ số W/B khác nhau, lần lượt như trong bảng 4 bên dưới: Bảng 4. Ký hiệu mẫu trong thí nghiệm với tỷ lệ W/B khác nhau Tên mẫu thí nghiệm Tỷ lệ W/B RHA 0,15 0,15 RHA 0,2 0,2 RHA 0,25 0,25 RHA 0,3 0,3 Các mẫu tro trấu trong thí nghiệm này được nung với cùng một điều kiện: khối lượng nung mỗi lượt: 100g, nhiệt độ nung tối đa: 700 oC. Ngoài ra, những điều kiện khác được thực hiện giống nhau ở tất cả mẫu: - Tỷ lệ khối lượng trong thành phần rắn: cát 70%, xỉ lò cao 20%, tro trấu 10% - Thành phần dung dịch kiềm hoạt tích: AE% = 3,5% và Ms = 1,0 - Thời gian trộn: 5 phút 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Thí nghiệm với nhóm mẫu có khối lượng vỏ trấu nung khác nhau Trước hết, cần quan sát màu sắc của mẫu tro trấu đã nung (với khối lượng vỏ trấu đầu vào khác nhau) trong hình 2. Khi tăng khối lượng vỏ trấu đầu vào, màu sắc của tro trấu sẽ sậm hơn. Sự sẫm màu này do lượng cacbon còn lại trong tro trấu ngày càng tăng lên do lượng oxy trong lò nung là có hạn, không thể đốt cháy toàn bộ cacbon. Khi lượng oxy không đủ để đốt cháy toàn bộ cacbon, thay vì phản ứng đốt cháy như phương trình hóa học (1) và (2). Ngược lại, phương trình hóa học chiếm ưu thế sẽ là (3) và (4).
248 A B C D Hình 2. Màu sắc của mẫu tro trấu với khối lượng vỏ trấu nung khác nhau (A: RHA 100(g), B: RHA 150 (g), C: RHA 200(g), D: RHA 250(g)) Sau khi quan sát màu sắc tro trấu, ta xem xét cường độ các mẫu thí nghiệm. Thông qua kết quả thí nghiệm trong hình 3, có thể thấy các mẫu có xu hướng phát triển cường độ khá đồng đều. Biểu đồ cũng thể hiện rõ mối quan hệ giữa khối lượng vỏ trấu nung và cường độ chịu nén của mẫu. Cụ thể hơn, khi tăng khối lượng vỏ trấu nung thì cường độ chịu nén sẽ giảm. Điều này có thể giải thích bằng hàm lượng cacbon tăng cao khi tăng khối lượng vỏ trấu đầu vào, lượng cacbon này sẽ làm giảm sự tiếp xúc của dung dịch kiềm hoạt tính với Silica (SiO2) và nhôm (Al) trong vỏ trấu, dẫn đến mức độ phản ứng yếu hơn, làm giảm cường độ mẫu thí nghiệm. Hình 3. Cường độ chịu nén của mẫu thí nghiệm có khối lượng vỏ trấu nung khác nhau
. 249 3.3. Thí nghiệm với nhóm mẫu có tỷ lệ W/B khác nhau Thông qua kết quả thí nghiệm trong hình 4, ta thấy được cường độ chịu nén của mẫu thí nghiệm đạt mức tối đa khi tỷ lệ W/B là 0,2. Đối với mẫu thí nghiệm có tỷ lệ W/B là 0,15, lượng nước trong mẫu thí nghiệm không đủ để giúp chất kết dính đạt được độ linh động cần thiết, do lượng nước thấp không thể triệt tiêu sự ma sát giữa các thành phần rắn trong chất kết dính. Khi chất kết dính được đổ vào khuôn, độ linh động thấp tạo ra nhiều lỗ rỗng, dẫn đến sự giảm cường độ của mẫu thí nghiệm. Với các mẫu có tỷ lệ W/B lần lượt là 0,25 và 0,3, lượng nước quá nhiều trong chất kết dính gây ra hiện tượng phân tầng. Ngoài ra, lượng nước nhiều cũng làm giảm khối lượng của thành phần rắn (gồm cát, tro trấu, xỉ lò cao), khiến phản ứng hóa học xảy ra yếu, làm giảm cường độ mẫu thí nghiệm. Hình 4. Cường độ chịu nén của mẫu thí nghiệm có tỷ số W/B khác nhau 4. Kết luận 4.1. Kết luận về chất kết dính sản xuất từ phản ứng của tro trấu với chất kiềm hoạt tính - Khối lượng vỏ trấu đầu vào của mỗi lần nung phải được tính toán kỹ để đảm bảo lượng oxy trong lò nung đủ để đốt cháy toàn bộ Cellulose và Lignin bên trong vỏ trấu. - Có thể quan sát màu sắc để đánh giá tro trấu sau khi nung đã đạt yêu cầu hay chưa. Nếu tro trấu có màu sắc sáng, chứng tỏ lượng cacbon trong tro trấu đã bị đốt cháy gần hết, còn lại thành phần chủ yếu là silica (SiO2) và nhôm oxit (Al2O3). Nếu vỏ trấu sau khi nung có màu tối, lượng cacbon trong vỏ trấu vẫn chưa được nung hết. Lượng cacbon còn lại cản trở phản ứng hóa học, làm giảm cường độ của mẫu thí nghiệm. - Tỷ số W/B 0,2 được đề xuất để đạt được cường độ tối ưu của mẫu thí nghiệm. 4.2. Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai - Cần có nhiều thí nghiệm hơn để xác định các thông số tối ưu của: AE%, Ms, tỷ lệ khối lượng thành phần rắn, nhiệt độ nung của vỏ trấu, thời gian trộn hỗn hợp… - Do vỏ trấu thường được nung trong lò kín để có thể nâng nhiệt độ lên cao (khoảng 700oC). Do đó, lượng oxy giới hạn trong lò khiến cho khối lượng tro trấu nung được không quá cao. Cần có các nghiên cứu trong tương lai nhằm cung cấp lượng oxy trong quá trình nung, giúp nâng cao năng suất nung tro trấu. - Trong các nghiên cứu về phản ứng của nguyên liệu giàu silic với chất kiềm hoạt tính đã được thực hiện trên thế giới, nhiệt độ trộn và nhiệt độ bảo dưỡng mẫu đóng vai trò quan trọng
250 trong việc nâng cao cường độ. Do đó, cần có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ bảo dưỡng với cường độ chịu nén của chất kết dính từ tro trấu và chất kiềm hoạt tính. - Các nghiên cứu trên thế giới cũng chỉ ra rằng tỷ lệ của Silica và nhôm oxit có ảnh hưởng rất lớn đến cường độ của chất kết dính từ phản ứng hóa học này. Nói cách khác, cần nghiên cứu các biện pháp tăng hàm lượng nhôm oxit để tăng cường độ của chất kết dính này. Tài liệu tham khảo H.Ummah, D.A.Suriamihardja,m.Selintung and A.W.Wahab, 2015. Analysis of chemical composition of rice husk used as absober plates seawater into clean water ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. p. 6046. Humphreys, K. andm.Mahasenan, 2002. “Climate Change” in Toward a Sustainable Cement Industry. Battelle - World Business Council for Sustainable Development. J.Davidovits, 2008. Geopolymers: inorganic polymeric new materials, p20. J.Davidovits J., 1976. Solid phase synthesis of mineral blockpolymer by lowtemperature, polycondensation of alumino-silicate polymers. Proc.Long-term Prop.Polym. Mater. Intern. Kiều Quý Nam, Nguyễn Ánh Dương, 2020. Chất kết dính Geopolymer trong sản xuất vật liệu xây dựng không nung. ResearchGate. V.P.Della, I.Kuhn, D.Hotza, 2002. Rice husk ash as an alternative source for active silica production. Material Letters. Volume 57, Issue 4, 2002, p. 818-821.