CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỔNG HỢP GEOPOLYMER 1. Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu: Sự phát triển nhanh chóng của ngành vật liệu xây dựng, cùng với mục tiêu chung là tận dụng các nguồn nguyên vật liệu phế phẩm, tiết kiệm các nguồn tài nguyên sẵn có. Các nhà khoa học đã tìm ra rất nhiều đề tài, nhiều công trình nghiên cứu phục vụ mục tiêu chung đó. Việc định hướng và tìm ra cấu trúc vật liệu geopolymer vô cơ tổng hợp từ đất và các phụ phẩm công nghiệp từ thập niên 1960 đã đưa ngành công nghệ vật liệu xây dựng phát triển theo chiều hướng mới.
Trong thực tế thì nguồn phụ phẩm tro bay của các nhà máy nhiệt điện thải ra ngày càng nhiều, công nghệ sản xuất gạch đất sét nung thì càng phát triển trên diện rộng. Chính vì thế, ý tưởng tận dụng được nguồn tro bay và nguồn đất sét tự nhiên sản xuất gạch để tạo ra một loại vật liệu mới không nung, thân thiện với môi trường đã được nhiều nhà khoa học đặc biệt quan tâm và nghiên cứu. Việt Nam là một đất nước đang phát triển, đang trong quá trình hiện đại hóa các ngành công nghiệp. Nguồn nguyên liệu khoáng sản sét khá dồi dào, có chất lượng khá tốt tạo điều kiện thuận lợi cho ngành công nghiệp sản xuất gạch và gốm phát triển.
Diện phân bố các khoáng sản sét được tập trung chủ yếu ở các vùng Bắc Trung Bộ, Đồng bằng sông Hồng, Đông Bắc, Tây Bắc, và Khu vực Tây Nam Bộ. Các mỏ sét khu vực Đông Nam Bộ và Tây Nam Bộ đều có điều kiện phân bố nguyên liệu dưới mực nước ngầm và sét nằm xen kẽ giữa đất phủ nên công nghệ khai thác có thể vận tải trực tiếp tại tầng khai thác hoặc sử dụng các loại công nghệ khai thác bằng máy xúc nhiều gàu, xúc bốc theo từng lớp, vận tải bằng băng tải. Công nghệ sản xuất gạch đất sét nung trên thế giới là một công nghệ truyền thống lâu đời nhưng tỉ lệ sản xuất và sử dụng ngày càng giảm do nguồn nguyên liệu cho sản xuất ngày càng cạn kiệt, công nghệ sản xuất gây ra nhiều chất thải có hại, việc tiếp tục khai thác đất sét cho sản xuất gạch đất sét nung làm giảm diện tích trồng lương thực, ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sinh thái. Trang 9 Theo số liệu báo cáo kết quả của dự án điều tra lập hệ thống dữ liệu tài nguyên khoáng sản làm nguyên liệu cho sản xuất gốm và các dự án quy hoạch vật liệu xây dựng trong cả nước của Viện Vật liệu Xây dựng - Bộ Xây dựng thì trong số 102 khoáng sản được khảo sát, đất sét có trữ lượng dự báo khoảng 2,932 tỷ tấn.
Để sản xuất 1 tỷ viên gạch đất sét nung có kích thước tiêu chuẩn sẽ tiêu tốn khoảng 1,5 triệu m3 đất sét, tương đương 75ha đất nông nghiệp và 150.000 tấn than, đồng thời thải ra khoảng 0,57 triệu tấn khí CO2. [2] Vấn đề được đặt ra là làm sao sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên này và vẫn đảm bảo được yếu tố môi trường bền vững. Có rất nhiều kết quả nghiên cứu đã thành công với các loại vật liệu mới làm từ đất sét nhưng không phải qua quá trình nung (nhằm hạn chế việc thải khí CO2 và tận dụng một số nguồn nguyên liệu phế thải công nghiệp) theo công nghệ Geopolymer hóa. Geopolymer là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu vô cơ tổng hợp từ vật liệu có nguồn gốc aluminosilicate.
Khái niệm Geopolymer lần đầu tiên được sử dụng bởi giáo sư Joseph Davidovits từ những năm 1970. Nguyên lý chế tạo vật liệu Geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm có các tính chất và cường độ tốt hơn. Hệ nguyên liệu để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa xảy ra (thường dùng là tro bay, metacaolanh, silicafume…).
Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các dung dịch Sodium Hydroxit, KOH và thủy tinh lỏng Sodium Silicat nhằm tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa. [9] Vật liệu geopolymer được nghiên cứu với mục tiêu tạo ra quá trình sản xuất thân thiện với môi trường, giảm phát thải CO2, tận dụng các chất thải công nghiệp như tro xỉ, bùn đỏ… thành các sản phẩm có tính năng sử dụng cao. Trên thế giới, các ứng dụng của vật liệu Geopolymer đã được sử dụng trong sản xuất xi măng đặc biệt như xi măng đóng rắn nhanh, xi măng bền axit, sản xuất gạch và gốm không nung, ứng dụng trong vật liệu công nghệ cao như vật liệu composite chống cháy, xử lý phế thải độc hại và chất thải phóng xạ, ứng dụng trong vật liệu composite chịu nhiệt, ứng dụng trong khảo cổ học và mỹ thuật. Trang 10 Tro bay là sản phẩm thu được từ việc đốt than ở nhà máy nhiệt điện.
Tro bay được thu gom bằng phương pháp tĩnh điện hoặc biện pháp cơ học ở ống khói thải. Tro bay có độ mịn tự nhiên (không cần nghiền) như xi măng, hạt tro bay hình cầu. Thành phần hoá học của tro bay chủ yếu là SiO2, Al2O3, Fe2O3 với tổng khối lượng yêu cầu lớn hơn 70% khối lượng tro bay, trong đó có một phần hoạt tính và một phần không hoạt tính (trơ). Ngoài ra, còn có các các axít khác và than chưa cháy [5].
Nguồn sản lượng tro bay trên thế giới rất dồi dào, tổng sản lượng ước tính năm 1998 ở Trung quốc và Ấn độ là hơn 390 triệu tấn, năm 2010 tổng sản lượng trên toàn thế giới tăng đến khoảng 780 triệu tấn, tuy nhiên chỉ có khoảng 14% khối lượng này được sử dụng, vẫn còn một khối lượng rất lớn bị lãng phí. [25] Công nghệ Geopolymer hóa đá đất đã được áp dụng để tạo ra các sản phẩm đất sét không nung với thành phần nguyên liệu chủ yếu là đất sét, tro bay và dung dịch kiềm hoạt tính. Phát minh này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng về mặt kinh tế lẫn khoa học do tận dụng được nguồn phế thải, tiết kiệm được nguồn tài nguyên sẵn có, vừa tạo ra loại vật liệu mới thân thiện với môi trường nhiều hơn. Lịch sử phát triển của ngành công nghệ vật liệu Geopolymer đất: 1.
Lịch sử phát triển và ứng dụng công nghệ Geopolymer trên thế giới: Ngành Công nghệ vật liệu Geopolymer ra đời từ những năm 1960, nhưng được quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn từ những năm 1972 đến nay. Hiện tại, đã có rất nhiều bằng sáng chế, nghiên cứu và ứng dụng Geopolymer vào các ngành công nghệ vật liệu hiện đại (vật liệu cách nhiệt, vật liệu chống cháy, chất kết dính vô cơ, công nghệ xử lý chất thải…) được giới thiệu và ứng dụng trên toàn thế giới. Khởi đầu bằng việc Viện Geopolymer được thành lập tại Pháp năm 1972. Xuất phát từ ý tưởng phải tìm ra vật liệu vô cơ có khả năng chống cháy và chịu được nhiệt độ cao, Joseph Davidovits đã phát hiện ra hệ nguyên liệu bao gồm đất sét, cao lanh có thể tương tác với dung dịch kiềm hoạt hóa Sodium Hydroxit ở 100 – 150 độ C để tạo ra hợp chất mới là Hydrosodialte: Si2O5, Al2(OH)4 + Sodium Hydroxit ⇒ Na(-Si-O-Al-O)n Kaolinite Hydrosodalite Điều này là tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển của công nghệ vật liệu tổng hợp Geopolymer đến sau này.
Trang 11 Công nghệ Geopolymer được quan tâm nghiên cứu rất nhiều tại Pháp, với ứng dụng lần đầu tiên vào năm 1973 -1976 để chế tạo các tấm panel gỗ cách nhiệt bằng cách phủ hai bề mặt của tấm panel gỗ bằng hợp chất silic-aluminosiliate sau khi xử lý qua quá trình gia nhiệt (Công ty A.S và Saint-Gobain, Pháp). Năm 1977 -1978, công nghệ Geopolymer tiếp tục được ứng dụng vào ngành công nghiệp sản xuất gốm sứ khi công ty A.S tiếp tục nghiên cứu và tìm ra hợp chất nano composite mới (cấu trúc phân tử -(Na-PS)-(SiO2)n-(Na-PS)-(SiO2)n-, tại điểm nhiệt độ 1460 độ C, tạo thành hợp chất gốm có khả năng bền nhiệt và hệ số giãn nỡ nhiết rất thấp) [16]. Những năm sau đó, Công nghệ Geopolymer được ứng dụng và chế tạo thành công gạch nung ở nhiệt độ thấp, còn gọi là gạch L. Gạch này được thực hiện bằng cách trộn phối liệu đất sét cao lanh trong dung dịch kiềm có độ hoạt tính cao, hỗn hợp tương tác và hình thành chuỗi M-Polysiliate (M là kim loại kiềm có hoạt tính cao, thường là Na hoặc K).S có khả năng chịu được nhiệt độ tối đa là 10000C, có khả năng bền hóa học và độ hút nước thấp.
Sản phẩm này đã được công nhận và cấp bằng sáng chế ở nhiều nước Châu Âu. [16] Trên cơ sở lý thuyết Geopolymer của Joseph Davidovits, Lone Star (một cty sản xuất xi măng hàng đầu của Mỹ) đã nghiên cứu và chế tạo thành công một loại xi măng mới, bằng cách kết hợp nguyên liệu sét và dung dịch kiềm hoạt tính cao, tạo thành chất kết dính vô cơ mới có khả năng đóng rắn nhanh và cho cường độ ban đầu rất tốt với tên gọi là xi măng polymer. Công nghệ này nhanh chóng được phát triển rộng rải trên toàn thế giới, và đang dần dần có ưu thế hơn xi măng portland do có ưu điểm về nguyên liệu sản xuất và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường. [16] Một nghiên cứu khác về xi măng geopolymer (High – Akali – Poly) đã cho thấy ứng dựng trong nhiều ngành kỹ thuật như : hàng không, xây dựng, công nghiệp chất dẻo, kim loại…Kết quả nghiên cứu cho thấy xi măng mới này đóng rắn nhanh với nhiệt độ phòng, cường độ chịu nén có thể đạt tới 20 Mpa sau 4 giờ ở nhiệt độ 2000C và có thể đạt từ 70 – 100 Mpa sau khi bảo dưỡng 28 ngày.
[15] Những nghiên cứu về geopolymer xuất hiện riêng rẽ ở từng quốc gia và tài liệu khoa học thì rất ít. Cho đến những năm 1990, các tài liệu nghiên cứu khoa học Trang 12 về geopolymer bắt đầu xuất hiện nhiều hơn, các nghiên cứu về ảnh hưởng của từng loại vật liệu trong geopolymer bắt đầu được nghiên cứu sâu hơn [12]. Mối quan tâm đầu tiên về geopolymer những năm này là ứng dụng vào công nghệ đóng gói chất thải rắn, giúp tận dụng được nguồn chất thải độc hại thành những vật liệu có ích, giúp bảo vệ môi trường tốt hơn [22] [26]. Lần đầu xuất bản năm 2008, Geopolymer chemistry and application đã khái quát toàn bộ kiến thức tổng thể về công nghệ Geopolymer [13].
Các ứng dụng của công nghệ này đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên toàn thế giới.