Nghiên Cứu Chế Tạo Chất Kết Dính Thạch Cao Hỗn Hợp Cường Độ Cao Và Chịu Nước Trên Cơ Sở Phế Thải Phosphogypsum

• Tác giả: Nguyễn Thế Hân
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Danh Đại
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Chất Kết Dính Thạch Cao Chịu Nước Từ Phế Thải Phosphogypsum
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• MỞ ĐẦU
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI
• 1.1. Khái niệm về chất kết dính thạch cao
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu
• 2.2. Phân thải phosphogypsum (PG)
• 2.3. Phụ gia siêu dẻo PCE
• 2.4. Quy trình thí nghiệm
• 2.4.1. Quy trình thí nghiệm chế tạo nhũ tương gia công nhiệt phân thải phosphogypsum và hỗn hợp phân thải phosphogypsum + bột phụ gia
• 2.4.2. Quy trình thí nghiệm đánh giá tính chất của chất kết dính anhydrite
• 2.4.3. Quy trình thí nghiệm đánh giá tính chất của chất kết dính thạch cao hỗn hợp
• 2.4.4. Quy trình thí nghiệm đánh giá khả năng nén của chất kết dính thạch cao hỗn hợp
• 2.4.5. Quy trình thí nghiệm đánh giá phụ gia siêu dẻo tại tính chất của chất kết dính thạch cao hỗn hợp
• 2.4.6. Quy trình thí nghiệm đánh giá khả năng hóa mềm của chất kết dính thạch cao hỗn hợp
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu chế tạo nhũ tương gia công nhiệt phân thải phosphogypsum và hỗn hợp phân thải phosphogypsum + bột phụ gia
• 3.2. Nghiên cứu đánh giá tính chất của chất kết dính anhydrite
• 3.3. Nghiên cứu đánh giá tính chất của chất kết dính thạch cao hỗn hợp
• 3.4. Nghiên cứu đánh giá phụ gia siêu dẻo tại tính chất của chất kết dính thạch cao hỗn hợp
• 3.5. Nghiên cứu đánh giá khả năng hóa mềm của chất kết dính thạch cao hỗn hợp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Chất Kết Dính Thạch Cao Ưu Điểm

Chất kết dính thạch cao là vật liệu xây dựng quan trọng, nổi bật với khả năng đông kết nhanh và ít co ngót. Ưu điểm này giúp tiết kiệm thời gian thi công và giảm thiểu rủi ro nứt vỡ. Thạch cao còn có khả năng chịu lửa tương đối, thích hợp cho các công trình yêu cầu an toàn cháy nổ. Điểm đặc biệt, quy trình sản xuất chất kết dính thạch cao đơn giản, tiêu thụ ít năng lượng và thải ra lượng CO2 thấp, thân thiện với môi trường. Sản phẩm từ thạch cao có thể tái chế nhiều lần, thể hiện tính bền vững cao. Tuy nhiên, tính chất thạch cao chịu nước còn hạn chế là một nhược điểm lớn. Nghiên cứu tìm cách khắc phục nhược điểm này là rất quan trọng. Theo tài liệu, hệ số hóa mềm của đá thạch cao chỉ đạt khoảng 0,35-0,45, cho thấy độ bền nước thấp.

1.1. Các Loại Thạch Cao Xây Dựng Phổ Biến Hiện Nay

Thạch cao xây dựng, thạch cao khan, và thạch cao nhân tạo là các loại chính. Thạch cao tự nhiên chứa chủ yếu muối canxi sulfat dihydrat (CaSO4.2H2O). Đá anhydrite chứa chủ yếu muối canxi sulfat khan (CaSO4). Thạch cao nhân tạo, chủ yếu từ phế thải công nghiệp như phosphogypsum, cần được xem xét tái chế. Tái chế phế thải phosphogypsum thành vật liệu xây dựng là một hướng đi bền vững. Cần nghiên cứu để tận dụng hiệu quả nguồn tài nguyên này.

1.2. Ứng Dụng Thạch Cao Chịu Nước Tiềm Năng Phát Triển

Mặc dù có nhược điểm về độ bền nước, thạch cao vẫn có nhiều ứng dụng tiềm năng. Khả năng cách âm, cách nhiệt tốt, cùng với trọng lượng nhẹ giúp thạch cao được ưa chuộng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp. Phát triển quy trình sản xuất thạch cao chịu nước sẽ mở rộng ứng dụng của vật liệu này. Nghiên cứu các phụ gia cho thạch cao chịu nước là một hướng đi quan trọng để cải thiện độ bền và khả năng chống thấm.

II. Thách Thức Xử Lý Phế Thải Phosphogypsum Giải Pháp

Việt Nam có lượng lớn phế thải phosphogypsum từ các nhà máy sản xuất phân bón DAP. Lượng phế thải này tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được xử lý đúng cách. Phế thải phosphogypsum chứa nhiều chất độc hại như axit H2SiF6, H2SO4, H3PO4, các muối kim loại nặng và thậm chí cả chất phóng xạ. Việc lưu trữ phế thải phosphogypsum không kiểm soát có thể gây ô nhiễm nguồn nước và đất. Theo luận văn, nhà máy DAP Đình Vũ phát sinh khoảng 750.000 tấn phosphogypsum mỗi năm và đến cuối năm 2016, lượng tồn đã lên tới trên 4 triệu tấn. Cần có giải pháp xử lý phosphogypsum triệt để và bền vững.

2.1. Ảnh Hưởng Môi Trường Của Phosphogypsum

Ảnh hưởng môi trường của phosphogypsum là vấn đề cấp bách. Các chất độc hại có thể ngấm vào đất và nước, gây ô nhiễm nghiêm trọng. Các kim loại nặng có thể tích tụ trong chuỗi thức ăn, gây hại cho sức khỏe con người. Nghiên cứu giải pháp xử lý chất thải phosphogypsum là cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và cộng đồng.

2.2. Các Hướng Xử Lý Phế Thải Phosphogypsum Trên Thế Giới

Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào tái chế phosphogypsum thành vật liệu xây dựng. Một số công nghệ đã được áp dụng để sản xuất xi măng, tấm thạch cao, và vật liệu san lấp. Các phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế. Việt Nam cần học hỏi kinh nghiệm quốc tế và phát triển công nghệ tái chế phosphogypsum phù hợp.

2.3. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Kinh Tế Tuần Hoàn

Việc tái chế phosphogypsum phù hợp với mô hình kinh tế tuần hoàn, biến chất thải thành nguồn tài nguyên. Sử dụng phosphogypsum làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu xây dựng giúp giảm sự phụ thuộc vào khai thác tài nguyên tự nhiên, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy sự phát triển bền vững.

III. Phương Pháp Chế Tạo Chất Kết Dính Thạch Cao Chịu Nước

Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo chất kết dính thạch cao chịu nước từ phế thải phosphogypsum thông qua quá trình gia công nhiệt và phối trộn với các phụ gia. Mục tiêu là tạo ra sản phẩm có cường độ nén cao (≥ 40 N/mm2) và hệ số hóa mềm tốt (≥ 0.75). Quá trình nghiên cứu bao gồm khảo sát chế độ gia công nhiệt phế thải phosphogypsum, đánh giá ảnh hưởng của các phụ gia như clinker xi măng, silica fume, và phụ gia siêu dẻo đến tính chất của chất kết dính thạch cao.

3.1. Gia Công Nhiệt Phế Thải Phosphogypsum

Quá trình gia công nhiệt phế thải phosphogypsum là bước quan trọng để loại bỏ nước và các tạp chất. Nhiệt độ và thời gian nung ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm. Cần xác định chế độ gia công nhiệt tối ưu để tạo ra chất kết dính thạch cao có hoạt tính cao và khả năng liên kết tốt. DTA được sử dụng để phân tích và xác định các biến đổi pha trong quá trình nung.

3.2. Sử Dụng Phụ Gia Clinker Xi Măng và Silica Fume

Clinker xi măng và silica fume được sử dụng như phụ gia để cải thiện tính chất thạch cao chịu nước. Clinker xi măng cung cấp các khoáng chất có khả năng thủy hóa, tạo liên kết bền vững. Silica fume tăng cường độ đặc chắc và khả năng chống thấm. Tỷ lệ phối trộn phụ gia cần được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất.

3.3. Vai Trò Của Phụ Gia Siêu Dẻo PCE

Phụ gia siêu dẻo (PCE) giúp giảm lượng nước cần thiết để tạo hỗn hợp vữa, từ đó tăng cường độ và giảm độ rỗng của chất kết dính thạch cao. PCE cũng cải thiện khả năng thi công và độ dẻo của hỗn hợp. Hàm lượng PCE cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình đông kết.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu và Thảo Luận Thạch Cao Chịu Nước

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo chất kết dính thạch cao chịu nước từ phế thải phosphogypsum với các tính chất cơ lý đáp ứng yêu cầu. Quá trình gia công nhiệt và phối trộn phụ gia đóng vai trò then chốt. Kết quả cho thấy việc sử dụng clinker xi măng và silica fume giúp tăng cường độ nén và cải thiện độ bền nước của chất kết dính thạch cao. Phụ gia siêu dẻo giúp giảm lượng nước nhào trộn và tăng cường độ đặc chắc.

4.1. Ảnh Hưởng Của Đá Vôi Đến Tính Chất CKD Anhydrite

Nghiên cứu hàm lượng đá vôi ảnh hưởng đến chất lượng chất kết dính anhydrite. Đá vôi có ảnh hưởng đến thời gian đông kết và cường độ nén của chất kết dính. Cần xác định hàm lượng đá vôi tối ưu để đảm bảo tính chất cơ lý tốt nhất của sản phẩm.

4.2. Ảnh Hưởng Clinker và Silica Fume

Ảnh hưởng của clinker xi măng và silica fume đến chất lượng chất kết dính thạch cao hỗn hợp cũng được khảo sát. Tỷ lệ phối trộn clinker và silica fume có tác động đáng kể đến cường độ nén, thời gian đông kết và hệ số hóa mềm của chất kết dính. Cần tối ưu hóa tỷ lệ này để đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật mong muốn.

4.3. Tác Động Phụ Gia Siêu Dẻo Đến Chất Kết Dính

Phụ gia siêu dẻo ảnh hưởng đến tính chất của chất kết dính thạch cao, giúp cải thiện cường độ nén và khả năng chống thấm. Tỷ lệ pha trộn phụ gia siêu dẻo ảnh hưởng đến lượng nước tiêu chuẩn và tính chất cuối cùng của vật liệu

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và So Sánh Vật Liệu

Chất kết dính thạch cao hỗn hợp chế tạo từ phế thải phosphogypsum có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất vật liệu xây dựng như tấm thạch cao, vữa xây trát, và các sản phẩm trang trí. So với các vật liệu truyền thống, chất kết dính thạch cao chịu nước có ưu điểm về trọng lượng nhẹ, khả năng cách âm cách nhiệt, và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ bền và khả năng chống thấm lâu dài.

5.1. So Sánh Với Các Vật Liệu Khác

So sánh thạch cao chịu nước và các vật liệu khác như xi măng, gạch, gỗ sẽ làm nổi bật ưu điểm và nhược điểm của từng loại. Giá thành sản xuất thạch cao chịu nước cần cạnh tranh để vật liệu này có thể thay thế các vật liệu truyền thống trong nhiều ứng dụng.

5.2. Ứng Dụng Tiềm Năng Trong Xây Dựng Xanh

Thạch cao chịu nước có thể đóng góp vào vật liệu xây dựng xanh. Khả năng tái chế, giảm thiểu lượng khí thải carbon, trọng lượng nhẹ, chi phí thấp sẽ giúp nó có ưu thế.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Tương Lai

Nghiên cứu đã chứng minh khả năng chế tạo chất kết dính thạch cao chịu nước từ phế thải phosphogypsum. Việc ứng dụng chất thải từ ngành phân bón vào xây dựng giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững. Hướng phát triển tiếp theo là nghiên cứu các công nghệ xử lý phế thải phosphogypsum hiệu quả hơn, tối ưu hóa quy trình sản xuất, và mở rộng ứng dụng của chất kết dính thạch cao trong nhiều lĩnh vực.

6.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Sản Xuất CKD

Hướng nghiên cứu bao gồm tối ưu hóa chế độ gia công nhiệt, lựa chọn phụ gia phù hợp, và kiểm soát chất lượng nguyên liệu. Các công nghệ mới như nghiền siêu mịn, kích hoạt cơ học có thể được áp dụng để cải thiện tính chất của chất kết dính.

6.2. Nghiên Cứu Tính Bền Vững Lâu Dài

Các chỉ tiêu cần nghiên cứu là độ bền, khả năng chống ăn mòn và tuổi thọ của chất kết dính. Nghiên cứu cũng cần tập trung vào đánh giá tác động môi trường của quy trình sản xuất và sử dụng chất kết dính.