MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ở Việt Nam, vật liệu composite nền polymer đã và đang được ứng dụng và phát triển ở hầu hết các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân thay thế cho các vật liệu truyền thống. Vật liệu composite được tổ hợp từ hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau. Composite nền polymer luôn được quan tâm hàng đầu do khối lượng sản xuất lớn và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hàng không, vũ trụ, ô tô, hàng hải, xây dựng, y học, thể thao, tiêu dùng… Vật liệu gia cường trong composite được phân thành 3 nhóm chính là sợi, hạt và cấu trúc.
Vật liệu gia cường hạt thường sử dụng các loại hạt nhỏ mịn như bột gỗ, than đen, cao lanh, đồng, nhôm, tro bay… Trong những năm gần đây, tro bay (tên tiếng Anh là fly ash) đã được nghiên cứu dùng làm chất độn, chất gia cường cho các loại nền nhựa nhiệt rắn, cao su và nhựa nhiệt dẻo trong sản xuất các loại vật liệu polymer tổ hợp. Tro bay là một trong những sản phẩm phụ thu hồi từ bộ phận khí thải của các nhà máy nhiệt điện do quá trình đốt cháy than, thành phần chính của tro bay là các oxit: SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO. Hạt tro bay có hình dạng tròn đều, kích thướng hạt nhỏ cỡ vài trăm nanomet đến vài chục micromet. Ở tỉnh Thanh Hoá hiện nay, lượng tro bay được thải ra chủ yếu là từ Nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn có hàm lượng than chưa cháy cao, hoạt tính thủy lực thấp nên trong thực tế chưa được sử dụng nhiều.
Các ưu điểm nổi bật của tro bay là nhẹ, rất bền nhiệt, chống được co ngót kích thước, bền với các loại hóa chất, giá thành rẻ. Một trong những ứng dụng của composite nền polymer trong xây dựng là tạo lớp sơn phủ bảo vệ các công trình. Công thức sơn gồm 03 thành phần chính: chất tạo màng, bột màu và các phụ gia. Chất tạo màng được chế tạo từ nhựa acrylic được sử dụng nhiều do có thể tạo màng có nhiều tính chất tốt: độ bóng cao, bền thời tiết… Phần lớn các loại nhựa acrylic thương mại cho sơn công nghiệp được sử dụng trong điều kiện ngoài trời.
Một trong số đó có nhựa styrene acrylic sử dụng làm sơn lót kháng kiềm, sơn phủ nội thất với độ kháng nước, 1 kháng kiềm, kháng muối, độ bền chà rửa tốt. Để tăng tuổi thọ cho lớp sơn phủ bên ngoài các công trình kiến trúc, ngoài sử dụng lớp phủ có tính chất cơ học tốt và độ bền thời tiết cao thì tính chống thấm của lớp phủ rất quan trọng. Chính vì vậy việc đưa tro bay vào màng sơn được ứng dụng nhiều trong sản xuất vật liệu xây dựng với các loại chất kết dính hay chất nền khác nhau. Điển hình đó là việc đưa tro bay vào lớp phủ nhựa styrene acrylic, giúp cho bề mặt có độ bóng mịn, cải thiện khả năng chống thấm của lớp phủ.
Hiện nay, chưa có công bố nào ở Việt Nam về quá trình chế tạo của lớp phủ styrene acrylic với hạt tro bay làm cải thiện tính chất của màng nhựa. Việc kết hợp hạt tro bay với nhựa styrene acrylic sẽ hứa hẹn mang lại sự hiệu quả cao cho tính chất chống thấm của lớp phủ. Do đó, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tro bay đến một số tính chất của lớp sơn styrene acrylic chế tạo lớp sơn có những tính năng cơ lý vượt trội. Mục đích của đề tài Sử dụng tro bay chế tạo hệ sơn nước có một số tính chất vượt trội trên cơ sở nhựa styrene acrylic nhũ tương.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nhựa styrene acrylic. - Phạm vi nghiên cứu: quy trình chế tạo và một số tính chất của lớp phủ trên cơ sở sơn styrene acrylic nhũ tương và tro bay. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lựa chọn, xử lý tro bay. - Phân tán tro bay trong nhũ tương styrene acrylic bằng phương pháp khuấy, rung siêu âm.
- Phân tích cấu trúc hình thái của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ. 2 - Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến một số tính chất cơ lý (độ bám dính, độ bền mài mòn cát rơi, độ bền kiềm, độ bền rửa trôi và độ thấm nước) của màng sơn styrene acrylic theo bộ tiêu chuẩn TCVN. Giả thuyết khoa học Không 6. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiền và xử lý tro bay, phân tán tro bay vào sơn styrene acrylic nhũ tương, thử nghiệm một số tính chất cơ lý của màng sơn.
Tình hình sản xuất, tiêu thụ tro bay 1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ tro bay trên thế giới Trên thế giới, lượng tro bay thải ra khoảng 400 triệu m3, theo Viện nghiên cứu than thế giới ở Luân Đôn, Vương quốc Anh [6]. Các nước Úc, Trung Quốc, Ấn Độ, Hoa Kỳ, các nước châu Âu, Cadacstan là các quốc gia đã xử lý rất có hiệu quả tro bay thải ra từ các nhà máy nhiệt điện và sản xuất tro bay thương phẩm với sản lượng lớn. Tại Úc, tro bay được sản xuất trong năm 2002 xấp xỉ 12,5 triệu tấn.
Trong tổng số tro bay sản xuất ra, 4,1 triệu tấn đã được sử dụng có hiệu quả. Những lĩnh vực chính sử dụng tro bay là ứng dụng trong sản xuất xi măng khoảng 1,35 triệu tấn, trong các dự án xây dựng đường địa phương là 2,28 triệu tấn, các lĩnh vực khác 0,47 triệu tấn [6]. Tại Thái Lan: Lượng tro bay sản xuất hàng năm khoảng 3 triệu tấn trong 10 năm gần đây [23]. Sử dụng tro bay trong bê tông tại Thái Lan [23] 4 Hình 1.
Biểu đồ sản lượng và sử dụng tro bay ở Hoa Kỳ giai đoạn 1990-2012 [6] Tại châu Âu: Tổng sản lượng than đốt (CCP) (Coal combustion products) ở 27 nước thành viên EU khoảng 100 triệu tấn. Các số liệu thống kê về sản xuất và sử dụng các CCP phản ánh các sản phẩm cháy điển hình như tro bay (FA), tro đáy (BA), xỉ (BS) và tro đốt lò hơi tầng sôi (FBC) cũng như các sản phẩm khí khô hoặc ướt sau khi khử lưu huỳnh, đặc biệt là sản phẩm hút bụi khô (SDA) và khí lò khử lưu huỳnh (FGD) thạch cao. Sự phát triển của CCP sản xuất tại các quốc gia thành viên EU từ 1993 đến 2007 được thể hiện ở hình 1. Khối lượng sản phẩm đốt than ở châu Âu từ năm 1993 đến 2007 [6] 1.
Tình hình sản xuất và tiêu thụ tro bay tại Việt Nam Tại Việt Nam, lượng tro thải ra hàng năm của các nhà máy nhiệt điện miền Bắc thuộc EVN lên tới 637.1 cho thấy, lượng tro bay thải ra bình quân mỗi năm là 428 tấn ứng với mỗi mỗi megawatt (MW) điện. Do đó, cần thiết phải có những cải tạo mang tính đột phá để tổng lượng tro xỉ than thải ra không vượt qua con số hàng triệu tấn mỗi năm [9]. Lượng tro của các nhà máy phía Bắc [9] Lượng tro Tên nhà máy Công suất (MW) (tấn/năm) Phả lại 1 400 188000 Phả lại 2 600 249000 Ninh Bình 100 37000 Uông Bí 100 39000 Uông Bí mở rộng 300 124600 Tổng số 637600 Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2010-2020, tổng công suất điện nhiệt điện khoảng 36.000 MW, sẽ tiêu thụ khoảng 67,3 triệu tấn 6 than. Với khối lượng đó, sẽ phát sinh khoảng 42,11 triệu tấn tro thải và khoảng 70-90% khối lượng nằm lại dưới dạng tro bay [1].
Hầu hết lượng tro bay này được trộn với nước và bơm ra ngoài bãi thải. Riêng nhà máy nhiệt điện Phải Lại 2 (Hải Dương), mỗi ngày trung bình thải ra 3.000 tấn tro xỉ, trong đó 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn. Hai Nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1 và 2 hàng ngày đang xả lượng chất thải khổng lồ vào môi trường. TS Nguyễn Hồng Quyền, Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và là lãnh đạo Công ty Cổ phần Công nghiệp và Dịch vụ Cao Cường đã xây dựng nhà máy thu hồi chế biến tro bay.
Sau đó, Công ty Cổ phần Sông Đà – Cao Cường (thành lập năm 2007) đã xây dựng nhà máy sản xuất tro bay bằng công nghệ tuyển ướt và sấy khô đồng bộ, công suất sản phẩm tro bay ẩm đạt gần 35 nghìn tấn/tháng, sản phẩm tro bay khô đạt 25 nghìn tấn/tháng, tương đương 300 nghìn tấn/năm [6],[7]. Tình hình sản xuất và tiêu thụ tro bay tại Thanh Hoá Lượng tro bay tại Thanh Hóa chủ yếu ở nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn 1 và Nhiệt điện Nghi Sơn 2 sắp đi vào vận hành thương mại. Nhà máy Nhiệt điện (NMNĐ) Nghi Sơn 1, có địa chỉ thuộc địa phận xã Hải Hà và Hải Thượng, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa thuộc Khu kinh tế Nghi Sơn nay là xã Hải Hà và phường Hải Thượng, thị xã Nghi Sơn, tỉnh Thanh Hóa. Vị trí địa lý NMNĐ Nghi Sơn 1 7 Hình 1.
Toàn cảnh NMNĐ Nghi Sơn 1 Dự án NMNĐ Nghi Sơn 1 là dự án đầu tiên trong Trung tâm điện lực Nghi Sơn diện tích 350 hecta được qui hoạch với 02 nhà máy với tổng công suất dự kiến 1. Dự án NMNĐ Nghi Sơn 1 là dự án thuộc Qui hoạch phát triển điện lực Việt Nam giai đoạn 2001-2010 có xét đến triển vọng 2020 nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển phụ tải của khu vực Nam Thanh - Bắc Nghệ và giảm tổn thất truyền tải trên hệ thống điện quốc gia. Sản lượng điện phát theo công suất thiết kế là 3,6 tỷ kWh, mức tiêu thụ than bình quân là 1,5 triệu tấn/năm. Hỗn hợp tro xỉ sản xuất ra hàng năm khoảng 400.000 tấn, thạch cao khoảng 25.
Sơ đồ công nghệ NMNĐ Nghi Sơn 1 Tro bay: ~35tấn/h/1 tổ máy. Tro bay được mang theo trong khói thải. Hệ thống thải tro bay được lắp đặt để thu gom tro bay từ 6 phễu tro của bộ hâm nước (Econmizer Hoppers), 8 phễu của bộ sấy gió lò (Air Preheater Hoppers) và 16 phễu của bộ lọc bụi tĩnh điện (ESP) và vận chuyển tới silo tro bay. Tại đây các xe bồn sẽ lấy và đưa đi tiêu thụ.
Hệ thống thu gom tro bay 9 Thực hiện Quyết định 452/QĐ-TTg ngày 12/4/2018 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt đề án đẩy mạnh, sử dụng, tiêu thụ tro xỉ, thạch cao của các nhà máy nhiệt điện, hóa chất, phân bón làm nguyên vật liệu xây dựng và các công trình xây dựng khác, Công ty Nhiệt điện Nghi Sơn đã ký hợp đồng hợp tác đầu tư với đơn vị bao tiêu là Công ty cổ phần đầu tư Minh Phong (Hà Nội).