Tổng quan nghiên cứu

Tro bay là sản phẩm phụ sinh ra từ quá trình đốt than tại các nhà máy nhiệt điện, với sản lượng toàn cầu ước tính khoảng 400 triệu m³ mỗi năm. Tại Việt Nam, lượng tro bay thải ra hàng năm của các nhà máy nhiệt điện miền Bắc lên tới hơn 637.000 tấn, trong đó mỗi megawatt điện sản xuất tương ứng với khoảng 428 tấn tro bay. Tỉnh Thanh Hóa, với Nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn 1 và 2, cũng thải ra khoảng 400.000 tấn tro xỉ mỗi năm, trong đó tro bay chiếm phần lớn. Tro bay có thành phần chính là các oxit vô cơ như SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, với kích thước hạt từ vài trăm nanomet đến vài chục micromet, có tính chất nhẹ, bền nhiệt và kháng hóa chất tốt.

Trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, tro bay được ứng dụng làm chất độn và gia cường trong các composite polymer, đặc biệt là trong lớp sơn phủ bảo vệ công trình. Nhựa styrene acrylic nhũ tương được sử dụng phổ biến làm chất tạo màng trong sơn lót và sơn phủ nội thất nhờ khả năng kháng kiềm, chịu nước và bền cơ lý. Việc kết hợp tro bay vào lớp sơn styrene acrylic hứa hẹn cải thiện tính chống thấm và độ bền của màng sơn, góp phần nâng cao tuổi thọ công trình xây dựng.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của tro bay đến một số tính chất cơ lý của lớp sơn styrene acrylic nhũ tương, bao gồm độ bám dính, độ bền mài mòn, độ bền kiềm, độ bền rửa trôi và độ thấm nước. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình chế tạo và thử nghiệm các mẫu màng sơn với hàm lượng tro bay khác nhau, trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Thanh Hóa năm 2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu sơn phủ thân thiện môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu tro bay dồi dào tại địa phương, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải tro bay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết composite polymer và lý thuyết trùng hợp nhũ tương. Lý thuyết composite polymer giải thích cơ chế gia cường vật liệu bằng cách phân tán các hạt tro bay trong ma trận polymer styrene acrylic, nhằm cải thiện tính chất cơ lý của lớp phủ. Lý thuyết trùng hợp nhũ tương mô tả quá trình tổng hợp nhựa styrene acrylic bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do trong môi trường nước, tạo ra các hạt polymer có kích thước nhỏ, phân tán đều, giúp lớp sơn có độ bền và độ bóng cao.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Tro bay (Fly ash): sản phẩm phụ từ quá trình đốt than, chứa các oxit vô cơ, có kích thước hạt nhỏ và hình dạng tròn.
  • Nhựa styrene acrylic nhũ tương: copolymer styrene và acrylic được tổng hợp trong môi trường nước, có tính chất kháng kiềm, chịu nước và bền cơ học.
  • Độ bám dính: khả năng màng sơn bám chắc trên bề mặt vật liệu nền.
  • Độ bền mài mòn cát rơi: khả năng chống mài mòn của lớp phủ khi chịu tác động của cát rơi.
  • Độ bền kiềm và độ bền rửa trôi: khả năng chống chịu của màng sơn trong môi trường kiềm và khi bị rửa trôi.
  • Độ thấm nước: mức độ nước có thể thấm qua màng sơn, ảnh hưởng đến khả năng chống thấm của lớp phủ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mẫu tro bay của Nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn 1, được xử lý bằng phương pháp nghiền bi và xử lý bề mặt bằng dung dịch NaOH 0,5M nhằm tăng độ bám dính với nhựa styrene acrylic. Nhựa styrene acrylic nhũ tương được sử dụng là loại Revacryl R4322 với hàm lượng rắn 50±1%.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tán tro bay trong nhũ tương styrene acrylic bằng thiết bị rung siêu âm công suất 80W, kết hợp khuấy từ xen kẽ để đảm bảo phân tán đồng đều.
  • Chế tạo mẫu màng sơn với các hàm lượng tro bay từ 0% đến 40% theo trọng lượng nhựa rắn, màng sơn được tạo trên kính với độ dày khoảng 25 µm, để khô tự nhiên trong 7 ngày.
  • Phân tích hình thái và cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM) để quan sát kích thước, hình dạng hạt tro bay và cấu trúc bề mặt màng sơn.
  • Phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) để xác định sự biến đổi các nhóm chức hóa học trong lớp phủ khi thêm tro bay.
  • Thử nghiệm tính chất cơ lý theo tiêu chuẩn TCVN và ASTM, bao gồm độ bám dính (TCVN 2097:1993), độ bền mài mòn cát rơi (ASTM D968-15), độ bền kiềm (TCVN 8653-3:2012), độ bền rửa trôi (TCVN 8653-4:2012) và độ thấm nước của màng sơn.

Cỡ mẫu gồm các mẫu màng sơn với 7 mức hàm lượng tro bay khác nhau, mỗi mẫu được thử nghiệm ít nhất 3 lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp chọn mẫu và phân tích được thiết kế nhằm đánh giá ảnh hưởng của tro bay đến từng tính chất cụ thể của lớp sơn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hình thái và kích thước hạt tro bay: Qua quan sát FESEM, hạt tro bay ban đầu có kích thước từ vài trăm nanomet đến vài chục micromet, hình dạng chủ yếu là hình cầu không đồng đều. Sau khi nghiền và xử lý kiềm, kích thước hạt giảm xuống dưới 10 µm, bề mặt hạt trở nên sù sì, gồ ghề, tăng khả năng tương tác với nhựa styrene acrylic.

  2. Ảnh hưởng của tro bay đến độ bám dính: Màng sơn với hàm lượng tro bay từ 5% đến 20% có độ bám dính đạt mức 4B-5B theo tiêu chuẩn ISO, cao hơn so với mẫu không chứa tro bay (3B-4B). Khi hàm lượng tro bay vượt quá 30%, độ bám dính giảm nhẹ do hiện tượng kết tụ hạt tro bay.

  3. Độ bền mài mòn cát rơi: Màng sơn chứa 10% tro bay có độ bền mài mòn tăng khoảng 25% so với mẫu chuẩn, đạt giá trị trung bình 350 l/mil. Tuy nhiên, khi hàm lượng tro bay vượt quá 30%, độ bền mài mòn giảm do sự phân tán không đồng đều.

  4. Độ bền kiềm và độ bền rửa trôi: Màng sơn có tro bay thể hiện khả năng kháng kiềm và rửa trôi tốt hơn, với thời gian ngâm kiềm đạt trên 240 giờ mà không có dấu hiệu bong tróc, trong khi mẫu không có tro bay chỉ đạt khoảng 180 giờ. Độ bền rửa trôi cũng tăng 15-20% khi hàm lượng tro bay từ 5-20%.

  5. Độ thấm nước: Màng sơn chứa 10% tro bay có độ thấm nước giảm xuống dưới 6 mL/m², thấp hơn mức giới hạn 8 mL/m² của tiêu chuẩn sơn lót, cho thấy khả năng chống thấm được cải thiện rõ rệt.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng độ bám dính và độ bền mài mòn của màng sơn khi thêm tro bay có thể giải thích bởi bề mặt sù sì của hạt tro bay sau xử lý kiềm, tạo điều kiện cho liên kết cơ học và hóa học tốt hơn với ma trận polymer. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng tro bay trong composite polymer, cho thấy tro bay không chỉ là chất độn mà còn là chất gia cường hiệu quả.

Khả năng kháng kiềm và rửa trôi được cải thiện nhờ tro bay có thành phần oxit cao, giúp tăng tính ổn định hóa học của màng sơn trong môi trường kiềm và khi tiếp xúc với nước. Độ thấm nước giảm chứng tỏ tro bay góp phần làm tăng tính chống thấm, phù hợp với mục tiêu nâng cao tuổi thọ lớp phủ trong điều kiện khí hậu ẩm ướt.

Tuy nhiên, khi hàm lượng tro bay vượt quá 30%, các tính chất cơ lý bắt đầu giảm do hiện tượng kết tụ hạt và phân tán không đồng đều, làm giảm hiệu quả gia cường. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát hàm lượng tro bay và quy trình phân tán trong sản xuất sơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bám dính, độ bền mài mòn và độ thấm nước theo hàm lượng tro bay, giúp trực quan hóa xu hướng và điểm tối ưu của việc bổ sung tro bay.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hàm lượng tro bay trong sơn styrene acrylic: Khuyến nghị sử dụng tro bay trong khoảng 5-20% trọng lượng nhựa rắn để đạt hiệu quả tối ưu về độ bám dính, độ bền mài mòn và khả năng chống thấm. Thời gian áp dụng: ngay trong các quy trình sản xuất sơn hiện tại. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất sơn và vật liệu xây dựng.

  2. Áp dụng công nghệ xử lý bề mặt tro bay bằng dung dịch kiềm: Đề xuất triển khai quy trình xử lý tro bay bằng NaOH 0,5M để tăng cường tính tương tác với polymer, nâng cao chất lượng lớp phủ. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng để hoàn thiện quy trình. Chủ thể thực hiện: các nhà máy nhiệt điện phối hợp với đơn vị nghiên cứu và sản xuất vật liệu.

  3. Phát triển hệ thống phân tán tro bay bằng rung siêu âm trong sản xuất sơn: Khuyến khích ứng dụng thiết bị rung siêu âm để phân tán đồng đều tro bay trong nhũ tương styrene acrylic, tránh hiện tượng kết tụ hạt. Thời gian áp dụng: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất sơn và các đơn vị công nghệ vật liệu.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật cho cán bộ sản xuất: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật xử lý tro bay và công nghệ chế tạo sơn composite nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn môi trường. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất sơn và vật liệu xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm sơn mới có tính năng vượt trội, tận dụng nguồn nguyên liệu tro bay sẵn có, giảm chi phí và tăng giá trị sản phẩm.

  2. Các nhà máy nhiệt điện và đơn vị xử lý chất thải: Thông tin về thành phần, xử lý và ứng dụng tro bay giúp tối ưu hóa công tác thu hồi, xử lý và tiêu thụ tro bay, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành hóa học, vật liệu: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm, phương pháp phân tích và đánh giá tính chất vật liệu composite polymer/tro bay, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Kết quả nghiên cứu góp phần xây dựng chính sách thúc đẩy sử dụng tro bay trong công nghiệp xây dựng, giảm thiểu chất thải và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tro bay là gì và tại sao được sử dụng trong sơn?
    Tro bay là sản phẩm phụ từ quá trình đốt than tại nhà máy nhiệt điện, chứa các oxit vô cơ có kích thước nhỏ. Tro bay được sử dụng trong sơn để làm chất độn và gia cường, giúp cải thiện tính chất cơ lý và khả năng chống thấm của lớp phủ.

  2. Phương pháp xử lý tro bay trước khi đưa vào sơn là gì?
    Tro bay được nghiền nhỏ và xử lý bề mặt bằng dung dịch NaOH 0,5M nhằm làm tăng độ sù sì bề mặt, giúp tăng khả năng liên kết với nhựa styrene acrylic, từ đó cải thiện tính chất cơ học của màng sơn.

  3. Hàm lượng tro bay tối ưu trong lớp sơn là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy hàm lượng tro bay từ 5% đến 20% theo trọng lượng nhựa rắn là tối ưu, giúp tăng độ bám dính, độ bền mài mòn và giảm độ thấm nước mà không gây hiện tượng kết tụ hạt.

  4. Các tính chất cơ lý nào của lớp sơn được cải thiện khi thêm tro bay?
    Độ bám dính, độ bền mài mòn cát rơi, độ bền kiềm, độ bền rửa trôi và khả năng chống thấm nước đều được cải thiện rõ rệt khi bổ sung tro bay trong khoảng hàm lượng phù hợp.

  5. Ứng dụng thực tế của lớp sơn styrene acrylic có tro bay là gì?
    Lớp sơn này thích hợp dùng làm sơn lót và sơn phủ nội thất, đặc biệt trong các công trình xây dựng cần lớp phủ có độ bền cao, khả năng chống thấm và kháng kiềm tốt, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu tro bay tại địa phương.

Kết luận

  • Tro bay có thể được xử lý và phân tán hiệu quả trong nhũ tương styrene acrylic để tạo ra lớp sơn có tính chất cơ lý vượt trội.
  • Hàm lượng tro bay từ 5% đến 20% là mức tối ưu để cải thiện độ bám dính, độ bền mài mòn và khả năng chống thấm của màng sơn.
  • Xử lý bề mặt tro bay bằng dung dịch kiềm giúp tăng độ sù sì bề mặt, nâng cao khả năng liên kết với polymer.
  • Lớp sơn styrene acrylic chứa tro bay có khả năng kháng kiềm và rửa trôi tốt, phù hợp cho ứng dụng trong xây dựng.
  • Các bước tiếp theo nên tập trung vào mở rộng quy mô sản xuất, hoàn thiện quy trình xử lý tro bay và đào tạo kỹ thuật cho cán bộ sản xuất nhằm ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Để phát triển sản phẩm sơn thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế, các nhà sản xuất và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng các tính chất vật liệu và ứng dụng mới.