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
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
Trang i
3.1. Thiết lập cấp phối cho đề tài .............................................................................. 15
Đề cương luận văn
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.
Trang ii
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 19
Đề cương luận văn
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
Trang iii
Hình 3.1 Lưu đồ phương pháp nghiên cứu .......................................................... 15
Đề cương luận văn
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3. 1 Diatomite Phú Yên có thành phần như bảng sau: ............................... 15
Trang iv
Bảng 3. 2 Cấp phối dự kiến cho đề tài ................................................................. 16
Đề cương luận văn
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.
Trang 1
- Khảo sát và đánh giá sản phẩm geopolymer.
Đề cương luận văn
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
Trang 2
(hình 1.1).
Đề cương luận văn
o á b
i à b
ố S
160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 năm
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
Trang 3
yếu như: các panel đúc sẵn, các ống, nắp và đế cống, cống hộp, bể xí tự hoại, hố
Đề cương luận văn
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
Trang 4
Queensland là công trình đầu tiên trên thế giới với kết cấu sử dụng bê tông
Đề cương luận văn
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
Trang 5
Viện Vật liệu Xây dựng. BTCL không xi măng dựa trên liên kết rho- alumina –
Đề cương luận văn
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
Trang 6
“xanh” thân thiện với môi trường là yêu cầu có thật và cấp thiết.
Đề cương luận văn
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
Trang 7
mảnh vỏ/gam đá. Nguồn vật liệu oxit silic dạng opal vô định hình cấu tạo nên vỏ
Đề cương luận văn
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
Trang 8
hay còn được gọi là vật liệu đất polymer hóa (là các polymer vô cơ).
Đề cương luận văn
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-
Trang 9
silicat ba chiều.
Đề cương luận văn
- 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 geopolymer, bao gồm các nguyên liệu từ khoáng công nghiệp: cao
lanh, tràng thạch, peclit, bentonit…; từ chất thải rắn công nghiệp: tro bay, bùn đỏ,
xỉ luyện kim,...[14,16]. Hiện nay nhóm nguyên liệu tiềm năng chủ yếu là dựa trên
tiêu chí bảo vệ môi trường.
2.2.2. Cơ chế phản ứng geopolymer hóa
Cơ chế tổng hợp geopolymer được đề xuất gồm có 4 giai đoạn cơ bản, các
quá trình này diễn ra song song và do đó không thể phân biệt ranh giới rõ ràng
[14].
Giai đoạn 1. Hòa tan Si và Al từ vật liệu alumino-silicat rắn trong dung dịch
kiềm mạnh:
Cơ chế hóa học của giai đoạn này là: Kiềm hóa và hình thành hóa trị IV của
3Na+ [10]. Sự thâm nhập của kiềm bằng Trang 10
Al trong nhóm silicate -Si- O-Al-(OH)-
Đề cương luận văn
cách đính kèm các nhóm OH- trên cơ sở các nguyên tử silicon, mà là do đó có thể
mở rộng phạm vi hóa trị V trong liên kết cộng hóa trị của chúng. Quá trình tiếp
theo của các phản ứng có thể được giải thích bởi sự phân cắt của oxy siloxane
trong Si-O-Si hình thành các silanol trung gian Si-OH trên một mặt, và siloxo cơ
bản Si-O- trên mặt khác.
Giai đoạn 2. Sự tạo thành các monomer Si-Si hoặc Si-Al trong pha lỏng:
Khi nồng độ của Si và Al trong pha lỏng tăng dần thì bắt đầu xuất hiện
những phản ứng hóa học giữa các phức hydroxyl. Kết quả của những phản ứng
này tạo thành các tiền chất Geopolymer là những dạng monomer (đa vòng
hydroxyl phức hợp) bao gồm các liên kết polymer của Si-O-Si và Si-O-Al được
diễn tả bằng phương trình hóa học (2.2),(2.3),(2.4).
Si(OH)4 + Si(OH)4 ↔ (OH)3Si - O - Si(OH)3 (2.2)
Si(OH)4 + Al(OH)4 ↔ (OH)3Si - O - Al(OH)3 (2.3)
2 - O - Si(OH)3 + 2H2O (2.4)
2Si(OH)4 + Al(OH)-4 ↔ (OH)3Si - O - Al - (OH)-
Sự tồn tại của các silicat hòa tan trong dung dịch kiềm của hệ polymer tăng
cường thêm sự tạo thành các dạng monomer. Silicat hòa tan trong pha lỏng làm
tăng nồng độ Si dịch chuyển chủ yếu ở phương trình (2.2) theo hướng hình thành
nhóm Si-O-Si cũng như phương trình (2.3), (2.4) theo hướng hình thành các
nhóm monomer cần thiết cho sự phát triển khung mạng geopolymer. Cơ chế hóa
học của giai đoạn này là: hình thành thêm các silanol nhóm Si-OH và cô lập của
các phân tử ortho-sialate, đơn vị chính trong geopolymer hóa. Phản ứng của
siloxo cơ bản Si-O- với cation natri Na+ và sự hình thành chuỗi liên kết Si-O-Na
[17].
Giai đoạn 3. Quá trình đa trùng ngưng các monomer tạo thành khung mạng
alumino-silicat ba chiều:
Phản ứng đa trùng ngưng tạo liên kết hóa học trong các tiền chất
Trang 11
geopolymer bằng cách loại bỏ đồng thời các phân tử nước. Quá trình này được
Đề cương luận văn
gọi là sự trùng ngưng. Cơ chế phản ứng bao gồm: cô đặc giữa các phân tử ortho-
sialate, nhóm Si-ONa và nhôm hydroxyl Al-OH, với kiềm NaOH tạo ra các cấu
trúc cyclo-tri-sialate, theo đó NaOH kiềm được giải phóng và phản ứng lại một
lần nữa và thêm nhiều cô đặc Na-poly(sialate) vào trong khung mạng [17].
Giai đoạn 4. Liên kết các hạt rắn vào mạng geopolymer và đóng rắn toàn bộ
hệ thống trong cấu trúc polymer rắn cuối cùng:
Khi cấu trúc polymer được phát triển trong pha lỏng, nó đi qua các bề mặt
hoạt hóa của các hạt rắn nơi có thể tạo liên kết với các hạt không hòa tan trong
cấu trúc polymer cuối cùng theo phương trình hóa học (2.5).
(2.5)
Trong đó: T là Si hoặc Al.
Các vị trí bề mặt hoạt hóa của các hạt rắn, nơi có nhóm T-OH trong phương
trình (2.7), đó là nhóm silanol (Si=OH) và aluminol (Al-OH). Nó có thể là các
chuỗi phân tử hoặc vòng phân tử lớn trong cấu trúc polymer tạo nên loại liên kết
Si-O-Si hoặc Si-O-Al ở các vị trí này, liên kết các hạt không tan trong mạng
polymer. Sau đó, đóng rắn mạng lưới polymer, lượng nước thừa xuất hiện được
loại bỏ từ các mạng polymer trong suốt quá trình bảo dưỡng, dẫn đến sự bền và
cứng của vật liệu. Giai đoạn này tiếp tục có sự cô đặc Na-poly (sialate-disiloxo)
tạo khung mạng điển hình của geopolymer [17].
2.3. Nhiễu xạ tia X (X-Ray diffraction, XRD)
XRD là kỹ thuật phổ biến để phân tích cấu trúc pha (tinh thể) xuất hiện
trong cấu trúc của vật liệu dựa trên sự tương tác của tia X với các tinh thể trong
Trang 12
theo nhiều hướng khác nhau và so sánh trên nguồn dữ liệu có sẵn.
Đề cương luận văn
Ngoài phân tích cấu trúc pha của vật liệu, XRD còn phân tích một số tính
chất thuộc về cấu trúc như thành phần pha (phân tích định lượng), cấu trúc
khuyết tật, kích thước tinh thể, chiều dày màng mỏng, ứng suất dư và hướng phát
triển biên giới hạt trong nghiên cứu về màng mỏng.
Mẫu sử dụng phân tích là mẫu bột và màng mỏng.
Hạn chế của phân tích bằng XRD:
- Phân tích định lượng: độ chính xác ở mức 2%.
- Ít nhạy trong phát hiện các nguyên tố nhẹ.
- Phổ phân tích phức tạp, đặc biệt với vật liệu nhiều pha.
- Đối với mẫu mỏng: chỉ nhạy trong chiều dày khoảng 50 Ao.
2.4. Phân tích bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại (FTIR)
Phân tích quang phổ hồng ngoại - Fourier Transform Infrared Spectroscopy
(FTIR) dựa trên nguyên tắc các phân tử có những tần số dao động đặc trưng ứng
với các rung động/quay của các nhóm chức nguyên tử. Sau khi hấp thụ các bức
xạ hồng ngoại, các phân tử của các hợp chất hóa học dao động với nhiều vận tốc.
Các đỉnh phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm
chức đặc trưng và các liên kết có trong hợp chất hóa học. Phổ hồng ngoại được
xem là “dấu vân tay” để nhận dạng.
Thiết bị phân tích PerkinElmer Frontier MIR/NIR, mẫu phân tích dạng bột
qua sàng 63μm với dãy bước sóng từ 4000 – 400 cm-1 .
2.5. Phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscope (SEM) một loại
kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật
bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt
mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân
Trang 13
tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Đề cương luận văn
Kết quả SEM cho ta thấy cấu trúc, hình thái học vật liệu: bề mặt, tổ chức
cấu trúc tinh thể…, là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật liệu. Kết
hợp các phương pháp khác giúp ta nhận dạng các khoáng, tinh thể cần tìm.
Mẫu phân tích là mẫu khối đã phá hủy để chụp được mặt gãy của mẫu.
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trang 14
Phương pháp nghiên cứu được thể hiện như lưu đồ hình 3.1 như sau:
Đề cương luận văn
Hình 3.1 Lưu đồ phương pháp nghiên cứu
Thuyết minh lưu đồ phương pháp nghiên cứu
Diatomite được nung ở nhiệt độ 700 – 750℃ để tạo thành meta caolanh. Sử
dụng diatomite đã nung trộn với NaOH 10M theo phối liệu được tính trước.
Nước được thêm vào để tạo độ ẩm thích hợp cho quá trình tạo hình.
Tiến hành trộn để tạo thành hỗn hợp phối liệu dẻo.
Hỗn hợp vừa phối trộn sẽ tiến hành bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng nhằm làm
tăng độ đồng nhất trong phối liệu. Đem hỗn hợp trên tiến hành đổ vào các khuôn
tròn có đường kính 60 mm bề dày 10 mm được đặt trên các đế giằng. Thực hiện
giằng mẫu để loại bỏ bớt các lổ xốp trong quá trình tạo hình.
Các mẫu sau tạo hình được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng trong 24h giúp các
mẫu sẽ có độ ẩm phù hợp để dễ tách khuôn. Các mẫu sau khi tách khuôn đánh
giá ngoại quan về mặt hình dáng. Các mẫu bị bể, nứt sẽ bị loại bỏ. Các mẫu đạt
đem đi hấp thủy nhiệt ở nhiệt độ 180oC trong thời gian 16h. Có thể thêm hoặc
giảm thời gian để so sánh giữa các mẫu hấp khác thời gian.
Mẫu sau hấp bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng trong 3 ngày, sau tiến hành đo đạt
và phân tích. Các mẫu được đo các tính chất cơ lý như mật độ thực, mật độ biểu
kiến, mật độ thể tích, cường độ nén, cường độ uốn và phân tích XRD, XRF,
FTIR, SEM. Sau khi phân tích kết quả đưa ra đánh giá và kết luận.
3.1. Thiết lập cấp phối cho đề tài
3.1.1. Nguyên liệu
Diatomite
Bảng 3.1 Diatomite Phú Yên có thành phần như bảng sau:
Thành phần hóa diatomite (%)
Trang 15
SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 CaO
Đề cương luận văn
63 19.2 0.8 8.3 2.2
Dung dịch hoạt hóa
Dung dịch NaOH hoặc KOH được sử dụng làm dung dịch hoạt hóa kiềm
trong chế tạo vật liệu geopolymer. Xu và van Deven [18] giải thích vì các ion
Na+ có kích thước nhỏ hơn, dễ dàng ghép cặp với anionsilicate tạo nên các
oligomer nhỏ hơn. Nói cách khác, việc ghép cặp của ion K+ có kích thước lớn
hơn tạo nên các oligomer lớn hơn. Điều này dẫn đến các geopolymer được chế
tạo từ dung dịch KOH có cường độ chịu nén cao hơn dung dịch NaOH 42%.
Ngoài ra, việc Na+ làm tan nhanh các hợp chất aluminosilicate làm tăng độ nhớt,
cản trở quá trình phản ứng đồng nhất gây ảnh hưởng đến việc giảm cường độ cơ
học.
3.1.2. Dự kiến cấp phối được thực hiện khảo sát
NaOH được thay đổi so với khối lượng diatomite lần lượt là 30%, 40%,
50%, 60%.
Bảng 3. 2 Cấp phối dự kiến cho đề tài
Kí hiệu Diatomite (%) NaOH (%)
Na30 85 15
Na40 80 20
Na50 75 25
Na60 70 30
Thực hiện khảo sát các cấp phối và có thể thay đổi lượng nước để tìm ra cấp
phối có khả năng tạo hình tốt.
Khảo sát với cùng cấp phối nhưng thay đổi nồng độ NaOH.
3.2. Dự kiến thiết bị và nơi thực hiện thí nghiệm
Trang 16
- Thiết bị sử dụng cho thí nghiệm:
Đề cương luận văn
+ Cân kỹ thuật, cân thủy tĩnh
+ Sử dụng phương pháp hấp thủy nhiệt bằng nồi hấp Autoclave
+ Máy đo độ bền uốn, bền nén
- Nơi thực hiện thí nghiệm
+ Tạo mẫu tại phòng thí nghiệm Silicate 103C4
+ Dự kiến hấp mẫu ở phòng thí nghiệm Silicate 103C4 hoặc gửi mẫu ở nhà
máy Hiệp Phú để quá trình hấp hiệu quả hơn.
+ Sử dụng máy đo độ bền uốn tại phòng thí nghiệm Silicate 103C4, đo độ
Trang 17
bền nén ở Viện Vật liệu Xây dựng phân Viện miền Nam quận 9.
Đề cương luận văn
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ DỰ KIẾN
Tận dụng được nguồn nguyên liệu diatomite với những ưu điểm về cấu trúc
xốp, chứa hàm lương cao oxit silic, có khả năng tương đối lớn để chế tạo vật liệu
geopolymer ứng dụng làm vật liệu nhẹ.
Đóng góp các thông tin về cơ tính, khả năng tạo khoáng của phương pháp,
tỷ lệ phối liệu, điều kiện bảo dưỡng sử dụng trong đề tài, góp một phần cho
hướng phát triển chế tạo vật liệu nhẹ từ diatomite ứng dụng vào mục đích xa hơn
Trang 18
như lọc, cách âm,…
Đề cương luận văn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] The Geopolymer Institute: http://www.geopolymer.org/science/world-
wideincrease-in-geopolymer-research.
[2] Lloyd N. A and Rangan B. V. (2010) Geopolymer Concrete with Fly Ash. in
2nd. Int. Conf. on Sustainable Construction Materials and Technologies, ed J
Zachar P Claisse, T R Naik, E Ganjian (Università Politecnica delle Marche,
Ancona, Italy).
[3] Tống Tôn Kiên, Phạm Thị Vinh Lanh, Lê Trung Thành (2014). Bê tông
geopolymer- những thành tựu, tính chất và khả năng ứng dụng ở Việt Nam. Tạp
chí Vật liệu xây dựng- Hội Vật liệu xây dựng Việt Nam, ISSN 1859-3011, trang
50-55.
[4] Ximangvn (2011). Bê tông geopolymer - Một sản phẩm thương mại.
[5] E. A. Mohamed, A. Q. Selim, A. M. Zayed, S. Komarneni, M. Mobarak, and
M.K. Seliem, “Enhancing adsorption capacity of Egyptian diatomaceous earth by
thermo-chemical purification: Methylene blue uptake,” Journal of Colloid and
Interface Science, vol. 534, pp. 408–419, Jan. 2019, doi:
10.1016/j.jcis.2018.09.024.
[6] S. Martinovic, M. Vlahovic, T. Boljanac, and L. Pavlovic, “Preparation of
filter aids based on diatomites,” International Journal of Mineral Processing,
vol. 80, no. 2–4, pp. 255–260, Sep. 2006, doi: 10.1016/j.minpro.2006.05.006.
[7] H. E. Galal Mors, “Diatomite: Its Characterization, Modifications and
Applications,” Asian J. of Materials Science, vol. 2, no. 3, pp. 121–136, Mar.
Trang 19
2010, doi: 10.3923/ajmskr.2010.121.136.
Đề cương luận văn
[8] “Công nghệ sản xuất bột trợ lọc và silic hoạt tính từ điatomit mỏ An Xuân,
huyện Tuy An, tỉnh Phú Yên.” http://vimluki.vn/Cong-nghe-san-xuat-bot-tro-loc-
va- silic-hoat-tinh-tu-diatomit-mo-An-Xuan-huyen-Tuy-An-tinh-Phu-Yen-6478
(accessed Sep. 15, 2020).
[9] Bùi Hải Đăng Sơn, Nguyễn Thị Ngọc Trinh, Nguyễn Đăng Ngọc, Đinh
Quang Hiếu, “So sánh các đặc trưng hóa lý hai loại diatomite Phú Yên và
diatomite Merck,” Journal of Thu Dau Mot University, no. 2, p. 5, 2015.
[10] S. I. Suzan, Q. S. Ali, “Heat Treatment of Natural Diatomite,”
Physicochemical Problems of Mineral Processing, vol. 48, pp. 413–424,
2012, doi: http://dx.doi.org/10.5277/ppmp120208.
[11] Trần Doãn Minh Đăng, Mai Thanh Phong, “Nghiên cứu quá trình xử lý
diatomite Lâm Đồng để sản xuất chất trợ lọc,” Science & Technology
Development, vol. 14, pp. 54–59, 2011.
[12] Davidovits J. (1994). Properties of geopolymer cements, Proceedings 1st
International Conference on Alkaline Cements and Concretes, Scientific
Research Institute on Binders and Materials , Kiev State Technical University,
Kiev, Ukraine, pp.131-149, 199.
[13] Davidovits J. (1994). Geopolymers: man-made rocks geosynthesis and the
resulting development of very early high strength cement. Journal of Material
Education, 16, 91139.
[14] Ioanna Giannopoulou and Dimitrios Panias, Structure, Design and
Applications of Geopolymeric Materials, 2008.
[15] FRANTIŠEK ŠKVÁRA, LUBOMÍR KOPECKÝ, JIØÍ NÌMEÈEK,
ZDENÌK BITTNAR, Microstructure of geopolymer materials based on fly ash,
2006.
Trang 20
[16] B. Vijaya Rangan, fly ash based geopolymer concrete, 2008.
Đề cương luận văn
[17] The Geopolymer Institute: http://www.geopolymer.org/science/world-
[18] Liew Y.-M., Heah C.-Y., và Kamarudin H. (2016). Structure and properties
wideincrease-in-geopolymer-research.
of clay-based geopolymer cements: A review. Progress in Materials Science, 83,
Trang 21
595–629.
