Tổng quan nghiên cứu

Phosphogypsum (PG) là phế thải công nghiệp phát sinh từ quá trình sản xuất axit photphoric, với sản lượng toàn cầu ước tính khoảng 100-280 triệu tấn mỗi năm. Tại Việt Nam, lượng phosphogypsum thải ra cũng rất lớn, chủ yếu tập trung tại các nhà máy sản xuất phân bón DAP như Đình Vũ, Hải Phòng. Việc xử lý và tái chế phosphogypsum là vấn đề cấp thiết nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn nguyên liệu giá trị. Chất kết dính thạch cao (CKD) là vật liệu xây dựng phổ biến, có ưu điểm là đông kết nhanh, không co ngót và thân thiện môi trường. Tuy nhiên, CKD truyền thống có cường độ thấp và khả năng chịu nước kém, hạn chế ứng dụng trong xây dựng hiện đại.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo chất kết dính thạch cao hỗn hợp có cường độ cao và khả năng chịu nước tốt dựa trên phế thải phosphogypsum, kết hợp với các phụ gia khoáng và siêu dẻo nhằm nâng cao tính chất cơ lý. Nghiên cứu tập trung vào việc gia công nhiệt phosphogypsum, phối liệu với đá vôi, clinker xi măng, silica fume và phụ gia siêu dẻo PCE để tạo ra chất kết dính anhydrite và hỗn hợp thạch cao cải tiến. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2019.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện ở việc tận dụng phế thải phosphogypsum làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng thân thiện, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời nâng cao chất lượng vật liệu xây dựng với cường độ nén đạt khoảng 25 MPa và hệ số hóa mềm từ 0,35 đến 0,45. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng phosphogypsum trong ngành xây dựng và phát triển công nghệ xử lý phế thải hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết kết dính thạch cao: Chất kết dính thạch cao chủ yếu là canxi sulfat hemihydrat (CaSO4·0.5H2O) và anhydrite (CaSO4), có tính chất đông kết nhanh, không co ngót, chịu nước kém. Sự chuyển hóa giữa các pha này ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của vật liệu.

  • Mô hình hóa học của quá trình thuỷ hóa và đông kết: Quá trình thuỷ hóa canxi sulfat hemihydrat tạo thành canxi sulfat dihydrat (CaSO4·2H2O) với sự giải phóng nhiệt và thay đổi cấu trúc tinh thể, ảnh hưởng đến thời gian đông kết và cường độ nén.

  • Khái niệm về chất kết dính hỗn hợp ba thành phần: Hỗn hợp thạch cao - clinker xi măng - puzolan nhằm cải thiện tính chất cơ lý và khả năng chịu nước của chất kết dính, trong đó puzolan đóng vai trò hoạt hóa khoáng, tăng cường độ bền lâu dài.

  • Thuật ngữ chuyên ngành: Phosphogypsum (PG), chất kết dính thạch cao (CKD), anhydrite, silica fume (SF), phụ gia siêu dẻo polycarboxylate ether (PCE), clinker xi măng, hệ số hóa mềm, cường độ nén, thời gian đông kết.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là phế thải phosphogypsum thu thập từ nhà máy phân bón DAP Đình Vũ, đá vôi, clinker xi măng Hải Phòng, silica fume và phụ gia siêu dẻo PCE.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phân tích hóa học (XRF), phân tích nhiệt (DTA, TGA), đo nhớt bằng nhớt kế Suttard, xác định thời gian đông kết bằng dụng cụ Vicat theo tiêu chuẩn GOST 23789-79, đo cường độ nén mẫu viên ép thủy lực theo TCVN 6016:2011.

  • Quy trình thí nghiệm: Gia công nhiệt phosphogypsum ở nhiệt độ 950°C để chuyển hóa thành anhydrite, phối liệu với đá vôi, clinker, silica fume và phụ gia siêu dẻo theo các tỷ lệ khác nhau. Mẫu viên được tạo hình bằng máy ép thủy lực, nung và nghiền bi rung để tạo chất kết dính anhydrite và hỗn hợp thạch cao cải tiến.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu phosphogypsum được lấy từ bãi thải chính của nhà máy DAP Đình Vũ, các nguyên liệu phối trộn được chuẩn bị theo tỷ lệ xác định nhằm đánh giá ảnh hưởng từng thành phần đến tính chất vật liệu.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2019 tại phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bao gồm các giai đoạn thu thập nguyên liệu, gia công nhiệt, phối liệu, thử nghiệm tính chất cơ lý và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Gia công nhiệt phosphogypsum tạo anhydrite chất lượng cao: Nung phosphogypsum ở 950°C chuyển hóa thành canxi sulfat khan (anhydrite) với hàm lượng CaSO4 đạt khoảng 83,44%. Mẫu anhydrite thu được có thời gian đông kết từ 15 đến 30 phút, cường độ nén đạt 20 MPa sau 28 ngày (Bảng 3-1).

  2. Ảnh hưởng hàm lượng đá vôi đến tính chất chất kết dính anhydrite: Khi tăng hàm lượng đá vôi trong phối liệu từ 0% đến khoảng 10%, cường độ nén của chất kết dính anhydrite tăng từ 15 MPa lên 25 MPa, thời gian đông kết giảm 20%. Đá vôi đóng vai trò kích hoạt khoáng, cải thiện cấu trúc mạng tinh thể (Bảng 2-12, Hình 3-6).

  3. Tác động của clinker xi măng và silica fume: Phối trộn clinker và silica fume với tỷ lệ thích hợp (khoảng 15% clinker, 5% silica fume) làm tăng cường độ nén chất kết dính thạch cao hỗn hợp lên 30%, đồng thời giảm lượng nước tiêu chuẩn cần thiết khoảng 10% nhờ hiệu ứng hoạt hóa khoáng và tăng tính dẻo của hỗn hợp (Bảng 3-3, Hình 3-10, Hình 3-11).

  4. Phụ gia siêu dẻo PCE cải thiện tính công tác và cường độ: Thêm phụ gia PCE với hàm lượng 0,5% đến 1% làm giảm lượng nước tiêu chuẩn từ 0,45 xuống 0,35, tăng cường độ nén lên 35 MPa, đồng thời kéo dài thời gian đông kết thêm 10 phút, giúp dễ thi công và nâng cao độ bền (Bảng 3-4, Hình 3-13, Hình 3-14).

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc gia công nhiệt phosphogypsum thành anhydrite là bước quan trọng để tạo ra chất kết dính thạch cao có tính chất cơ lý tốt, phù hợp với yêu cầu xây dựng hiện đại. Sự bổ sung đá vôi kích hoạt khoáng giúp tăng cường độ và giảm thời gian đông kết nhờ tăng cường phản ứng thuỷ hóa. Clinker xi măng và silica fume đóng vai trò puzolan, cải thiện cấu trúc mạng tinh thể và tăng cường độ bền lâu dài, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về chất kết dính hỗn hợp ba thành phần.

Phụ gia siêu dẻo PCE giúp giảm lượng nước sử dụng, tăng tính công tác và cường độ nén, đồng thời kiểm soát thời gian đông kết, phù hợp với yêu cầu thi công thực tế. Các số liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ nén theo tỷ lệ phối liệu và thời gian đông kết, bảng so sánh lượng nước tiêu chuẩn và cường độ nén với và không có phụ gia siêu dẻo.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định tiềm năng sử dụng phosphogypsum làm nguyên liệu chính trong sản xuất chất kết dính thạch cao hỗn hợp cường độ cao, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và tận dụng nguồn phế thải công nghiệp hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình gia công nhiệt phosphogypsum ở quy mô công nghiệp nhằm tạo anhydrite chất lượng cao, nâng cao hiệu quả tái chế phế thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: các nhà máy sản xuất phân bón và vật liệu xây dựng.

  2. Phát triển phối liệu chất kết dính thạch cao hỗn hợp với tỷ lệ đá vôi, clinker và silica fume tối ưu để đạt cường độ nén trên 25 MPa và khả năng chịu nước tốt. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp vật liệu xây dựng.

  3. Sử dụng phụ gia siêu dẻo PCE trong sản xuất chất kết dính thạch cao để giảm lượng nước sử dụng, tăng tính công tác và độ bền sản phẩm. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: nhà sản xuất phụ gia và doanh nghiệp vật liệu xây dựng.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho chất kết dính thạch cao hỗn hợp từ phosphogypsum phù hợp với điều kiện Việt Nam, đảm bảo chất lượng và an toàn môi trường. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: Bộ Xây dựng, Bộ Khoa học và Công nghệ.

  5. Tuyên truyền, đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp và kỹ sư xây dựng về ứng dụng chất kết dính thạch cao hỗn hợp từ phosphogypsum. Thời gian: liên tục. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu, doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu xây dựng: Nắm bắt kiến thức về xử lý phế thải phosphogypsum và công nghệ chế tạo chất kết dính thạch cao hỗn hợp cường độ cao.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Áp dụng quy trình gia công nhiệt và phối liệu mới để sản xuất vật liệu thân thiện môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và xây dựng: Tham khảo để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn xử lý phế thải công nghiệp hiệu quả.

  4. Các nhà tư vấn và thiết kế công trình xây dựng: Ứng dụng vật liệu mới có tính năng chịu nước và cường độ cao trong thiết kế và thi công các công trình bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phosphogypsum là gì và tại sao cần tái chế?
    Phosphogypsum là phế thải từ sản xuất axit photphoric, chứa chủ yếu CaSO4·2H2O và tạp chất. Nếu không xử lý, nó gây ô nhiễm môi trường do chứa phóng xạ và các chất độc hại. Tái chế giúp tận dụng nguồn nguyên liệu, giảm thiểu tác động môi trường.

  2. Gia công nhiệt phosphogypsum có tác dụng gì?
    Gia công nhiệt ở khoảng 950°C chuyển phosphogypsum thành anhydrite (CaSO4), loại bỏ nước kết tinh, tạo chất kết dính thạch cao có cường độ cao và khả năng chịu nước tốt hơn.

  3. Phụ gia siêu dẻo PCE ảnh hưởng thế nào đến chất kết dính?
    PCE làm giảm lượng nước cần thiết, tăng tính công tác, kéo dài thời gian đông kết và nâng cao cường độ nén, giúp vật liệu dễ thi công và bền chắc hơn.

  4. Tỷ lệ phối liệu tối ưu cho chất kết dính hỗn hợp là bao nhiêu?
    Phối liệu gồm khoảng 75% phosphogypsum gia công nhiệt, 10% đá vôi, 15% clinker xi măng và 5% silica fume, cùng 0,5-1% phụ gia siêu dẻo PCE cho kết quả tốt nhất về cường độ và độ bền.

  5. Ứng dụng thực tế của chất kết dính thạch cao hỗn hợp từ phosphogypsum?
    Sản phẩm có thể dùng làm vữa xây, tấm thạch cao, lớp lót nền, vật liệu san lấp và các sản phẩm bê tông nhẹ, phù hợp với xây dựng dân dụng và công nghiệp.

Kết luận

  • Gia công nhiệt phosphogypsum thành anhydrite là bước then chốt để tạo chất kết dính thạch cao cường độ cao và chịu nước.
  • Phối liệu với đá vôi, clinker xi măng và silica fume cải thiện đáng kể tính chất cơ lý của chất kết dính.
  • Phụ gia siêu dẻo PCE giúp giảm lượng nước sử dụng, tăng tính công tác và cường độ nén.
  • Nghiên cứu mở ra hướng xử lý phế thải phosphogypsum hiệu quả, góp phần phát triển vật liệu xây dựng xanh.
  • Đề xuất áp dụng quy trình và phối liệu nghiên cứu trong sản xuất công nghiệp, đồng thời xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật, chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp.

Call to action: Các đơn vị nghiên cứu và sản xuất vật liệu xây dựng nên hợp tác để phát triển và ứng dụng công nghệ này, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng công trình xây dựng.