Luận văn thạc sĩ về kỹ thuật sản xuất calcium silicate hydrate từ kính thải

Khám phá luận văn thạc sĩ về kỹ thuật vật liệu tổng hợp từ khoáng calcium silicate hydrate, sử dụng nguồn kính thải hiệu quả và bền vững.

• Tác giả: Trần Ngô Quân
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Trung Kiên
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu
• Đề tài: Tổng hợp khoáng Calcium Silicate Hydrate từ nguồn kính thải
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
• MỞ ĐẦU. MỞ ĐẦU
• 1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 1.1. Kính thải PV - Nguyên liệu cung cấp Silic cho CSH
• 1.2. Bùn thải Carbide - Nguyên liệu cung cấp Calcium cho CSH
• 1.3. Tính toán cấp phối
• 1.4. Sodium Hydroxide – NaOH – tạo môi trường thủy nhiệt
• 1.5. Dung dịch giả lập nước thải Cr(III)
• 1.6. Thiết bị thực nghiệm
• 1.7. Khuôn tạo mẫu
• 1.8. Cốc hấp thủy nhiệt (Hydrothermal Autoclave)
• 1.9. Phương pháp phân tích và đánh giá
• 1.9.1. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier – FTIR
• 1.9.2. Nhiễu xạ tia X – XRD
• 1.9.3. Huỳnh quang tia X – XRF
• 1.9.4. Kính hiển vi điện tử quét – SEM
• 1.9.5. Phổ tán xạ năng lượng tia X - EDX
• 1.9.6. Phổ hấp thụ Tử ngoại-Khả kiến – UV-Vis
• 1.10. Quy trình thí nghiệm
• 1.10.1. Sơ đồ quy trình thí nghiệm
• 1.10.2. Sơ đồ quy trình tổng hợp khoáng CSH
• 1.10.3. Sơ đồ quy trình thí nghiệm khả năng hấp phụ Cr(III)
• 1.10.4. Thuyết minh quy trình
• 1.10.5. Quy trình tổng hợp khoáng CSH
• 1.10.6. Quy trình khảo sát hấp phụ Cr(III)
• 2. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 2.1. Đặc tính nguyên liệu - Khoáng CSH trước hấp thủy nhiệt
• 2.2. Kết quả phân tích XRF
• 2.3. Kết quả phân tích XRD
• 2.4. Đặc tính khoáng CSH sau khi hấp thủy nhiệt
• 2.5. Kết quả phân tích FT-IR
• 2.6. Kết quả phân tích chụp SEM
• 2.7. Kết quả phân tích EDX
• 2.8. Kết quả đo độ xốp
• 2.9. Khoáng CSH tổng hợp trong môi trường nước
• 2.10. Khoáng CSH tổng hợp trong môi trường NaOH 8M
• 2.11. Khảo sát khả năng hấp phụ Cr(III) của khoáng CSH
• 2.11.1. Kết quả đánh giá hiệu suất hấp phụ Cr(III)
• 2.11.2. Đường chuẩn dung dịch Cr(III)
• 2.11.3. Kết quả hấp phụ Cr(III) của khoáng CSH hấp thủy nhiệt trong môi trường nước
• 2.11.4. Kết quả hấp phụ Cr(III) của khoáng CSH hấp thủy nhiệt trong môi trường NaOH 8M
• 2.11.5. Kết quả phân tích FT-IR
• 2.11.6. Kết quả của khoáng CSH hấp thủy nhiệt trong môi trường nước
• 2.11.7. Kết quả của khoáng CSH hấp thủy nhiệt trong môi trường NaOH 8M
• 2.11.8. Kết quả phân tích chụp SEM
• 2.11.9. Khoáng CSH tổng hợp trong môi trường nước hấp phụ Cr(III)
• 2.11.10. Khoáng CSH tổng hợp trong môi trường NaOH 8M hấp phụ Cr(III)
• 2.11.11. Kết quả phân tích EDX
• 2.11.12. Khoáng CSH tổng hợp thủy nhiệt trong môi trường nước hấp phụ dung dịch Cr(III) trong 12 giờ
• 2.11.13. Khoáng CSH tổng hợp thủy nhiệt trong môi trường NaOH hấp phụ dung dịch Cr(III) trong 9 giờ
• 2.11.14. Kết quả phân tích XRD
• 2.11.15. Khoáng CSH tổng hợp trong môi trường nước hấp phụ Cr(III)
• 2.11.16. Khoáng CSH tổng hợp trong môi trường NaOH 8M hấp phụ Cr(III)
• 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG BỐ KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Calcium Silicate Hydrate và kính thải

Calcium Silicate Hydrate (CSH) là một khoáng vật quan trọng trong ngành xây dựng, nổi bật với các tính chất cơ lý ưu việt. Nguồn nguyên liệu chính để tổng hợp CSH thường là từ các vật liệu tự nhiên, tuy nhiên, việc khai thác này có thể dẫn đến cạn kiệt tài nguyên. Trong bối cảnh này, việc sử dụng kính thải như một nguồn nguyên liệu tái chế để sản xuất CSH trở nên cấp thiết. Kính thải, đặc biệt là từ các tấm pin mặt trời (PV), không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn cung cấp silicate cần thiết cho quá trình tổng hợp. Việc nghiên cứu và phát triển quy trình sản xuất CSH từ kính thải không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

II. Quy trình sản xuất Calcium Silicate Hydrate từ kính thải

Quy trình tổng hợp CSH từ kính thải thường được thực hiện thông qua phương pháp thủy nhiệt. Trong nghiên cứu này, kính thải và bùn thải carbide được sử dụng làm nguồn cung cấp silicate và calcium. Phương pháp thủy nhiệt cho phép tổng hợp CSH ở nhiệt độ cao (180 °C) trong thời gian 96 giờ, với môi trường phản ứng là NaOH hoặc nước. Các mẫu CSH sau khi tổng hợp sẽ được phân tích bằng các phương pháp hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD) và quang phổ hồng ngoại (FT-IR) để xác định cấu trúc và thành phần hóa học. Kết quả cho thấy, CSH tổng hợp có cấu trúc tinh thể tương tự như khoáng Xonotlite và Tobermorite, cho thấy tiềm năng ứng dụng cao trong ngành xây dựng.

III. Tính chất và ứng dụng của Calcium Silicate Hydrate

Calcium Silicate Hydrate không chỉ có tính chất cơ lý tốt mà còn có khả năng hấp phụ cao đối với các ion kim loại nặng, như Cr(III). Nghiên cứu đã chỉ ra rằng CSH tổng hợp từ kính thải có hiệu suất hấp phụ Cr(III) lên tới 98,9%. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của CSH trong việc xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng, góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Việc ứng dụng CSH trong xử lý nước thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị từ nguồn chất thải, thể hiện rõ nét định hướng phát triển kinh tế tuần hoàn.

IV. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu về tổng hợp Calcium Silicate Hydrate từ kính thải đã mở ra hướng đi mới cho việc tái chế và sử dụng chất thải công nghiệp. Các kết quả đạt được không chỉ khẳng định tính khả thi của việc sử dụng kính thải và bùn thải carbide làm nguyên liệu cho sản xuất CSH, mà còn chỉ ra hiệu quả nổi bật của vật liệu này trong việc hấp phụ Cr(III). Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc khảo sát khả năng hấp phụ của CSH đối với các ion kim loại nặng khác, từ đó mở rộng ứng dụng của vật liệu này trong xử lý nước thải và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và nhu cầu vật liệu xây dựng ngày càng tăng, khoáng Calcium Silicate Hydrate (CSH) đã trở thành vật liệu quan trọng nhờ các đặc tính cơ lý ưu việt. Theo ước tính, lượng kính thải từ các tấm pin mặt trời (PV) dự kiến lên tới hàng triệu tấn vào năm 2050, đồng thời bùn thải carbide từ sản xuất khí acetylene cũng phát sinh với khối lượng lớn, gây áp lực lên môi trường nếu không được xử lý hiệu quả. Vấn đề ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là Cr(III) trong nước thải công nghiệp, đang là thách thức nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp khoáng CSH từ nguồn kính thải PV và bùn thải carbide bằng phương pháp thủy nhiệt, khảo sát vi cấu trúc và đánh giá hiệu suất hấp phụ Cr(III) nhằm hướng tới giải pháp xử lý nước thải và phát triển kinh tế tuần hoàn. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện thủy nhiệt ở 180 °C trong 96 giờ, sử dụng môi trường NaOH 8M hoặc nước tinh khiết, với phạm vi khảo sát tại Việt Nam trong năm 2023. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tận dụng nguồn thải công nghiệp làm nguyên liệu thay thế, giảm thiểu khai thác tài nguyên thiên nhiên, đồng thời phát triển vật liệu chức năng có khả năng loại bỏ kim loại nặng hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cấu trúc khoáng CSH và cơ chế hấp phụ ion kim loại nặng. Khoáng CSH là hợp chất vô cơ calcium silicate ngậm nước, có cấu trúc tinh thể dạng chuỗi tứ diện SiO4 liên kết với ion Ca2+ qua lớp Ca-O, tạo thành các pha phổ biến như Tobermorite và Xonotlite với tỷ lệ mol CaO/SiO2 khoảng 1. Các pha này có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho ứng dụng hấp phụ ion kim loại. Cơ chế hấp phụ Cr(III) trên bề mặt CSH bao gồm hấp phụ vật lý qua tương tác tĩnh điện giữa Cr(III) mang điện tích dương và chuỗi SiO4- mang điện tích âm, cùng với hấp phụ hóa học qua trao đổi ion Cr(III) với Ca2+ và Na+ trên bề mặt, tạo phức Cr-O liên kết với tứ diện silicate. Quá trình này có thể phá vỡ cấu trúc tinh thể, làm tăng khả năng hấp phụ sâu bên trong vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm kính thải PV thu gom từ nhà máy First Solar và bùn thải carbide từ Công ty CP Hơi Kỹ nghệ Que Hàn Sovigaz. Kính thải được xử lý nghiền mịn, sấy khô và phân tích thành phần bằng XRF, XRD; bùn thải carbide cũng được xử lý tương tự. Tỷ lệ mol CaO/SiO2 được tính toán dựa trên thành phần hóa học, với tỷ lệ cấp phối tối ưu là 1:1 nhằm tạo pha CSH ổn định. Tổng hợp khoáng CSH được thực hiện bằng phương pháp thủy nhiệt trong autoclave ở 180 °C trong 96 giờ, sử dụng môi trường NaOH 8M hoặc nước tinh khiết. Sau tổng hợp, mẫu được phân tích vi cấu trúc bằng XRD, FT-IR, SEM và EDX để xác định pha tinh thể, nhóm chức và hình thái bề mặt. Hiệu suất hấp phụ Cr(III) được khảo sát bằng cách ngâm mẫu trong dung dịch giả lập nước thải Cr(III) 8 g/L ở các mốc thời gian khác nhau, đo nồng độ Cr(III) còn lại bằng phổ UV-Vis. Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp định lượng và so sánh hiệu suất hấp phụ theo thời gian, đồng thời đánh giá sự thay đổi vi cấu trúc sau hấp phụ Cr(III) qua các kỹ thuật phân tích trên. Cỡ mẫu nghiên cứu đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy, với các mẫu được chuẩn bị và phân tích lặp lại để kiểm soát sai số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp khoáng CSH thành công với cấu trúc tinh thể tương tự Xonotlite và Tobermorite: Phân tích XRD cho thấy các đỉnh đặc trưng của pha Xonotlite và Tobermorite xuất hiện rõ ràng ở góc 2θ từ 5° đến 80°, khẳng định sự hình thành cấu trúc tinh thể ổn định. FT-IR xác nhận các liên kết Si-O và Ca-O đặc trưng, trong khi SEM cho thấy cấu trúc dạng sợi và bề mặt xốp với kích thước tinh thể từ 1-10 µm.

2. Hiệu suất hấp phụ Cr(III) đạt tới 98,9% trong môi trường NaOH 8M: Kết quả UV-Vis cho thấy nồng độ Cr(III) giảm từ 8 g/L xuống còn khoảng 0,09 g/L sau 12 giờ ngâm mẫu CSH trong dung dịch NaOH, vượt trội so với hiệu suất 85% trong môi trường nước tinh khiết. Biểu đồ hiệu suất hấp phụ theo thời gian minh họa sự tăng nhanh trong 6 giờ đầu và đạt bão hòa sau 12 giờ.

3. Sự thay đổi vi cấu trúc sau hấp phụ Cr(III): Phân tích XRD và FT-IR sau hấp phụ cho thấy sự giảm cường độ đỉnh tinh thể, đặc biệt ở các đỉnh liên quan đến liên kết Si-O-Si, chứng tỏ Cr(III) đã trao đổi ion với Ca2+ trong cấu trúc CSH, phá vỡ một phần cấu trúc tinh thể. SEM và EDX xác nhận sự hiện diện của Cr trên bề mặt và trong cấu trúc vật liệu, với tỷ lệ khối lượng Cr tăng dần theo thời gian ngâm.

4. Tác động của môi trường NaOH 8M thúc đẩy sự hình thành tinh thể và tăng khả năng hấp phụ: So sánh giữa mẫu tổng hợp trong môi trường nước và NaOH 8M cho thấy mẫu trong môi trường kiềm có cấu trúc tinh thể phát triển hơn, độ xốp cao hơn (khoảng 15% so với 10% trong nước), góp phần nâng cao diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ Cr(III).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu suất hấp phụ cao là do cấu trúc xốp và khả năng trao đổi ion của khoáng CSH, đặc biệt là pha Xonotlite và Tobermorite với tỷ lệ mol CaO/SiO2 = 1. Môi trường NaOH 8M không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành tinh thể CSH mà còn tăng cường tương tác hóa học giữa Cr(III) và bề mặt vật liệu. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về khả năng hấp phụ kim loại nặng của CSH tổng hợp từ các nguồn thải khác như tro bay và vỏ trấu. Việc phá vỡ cấu trúc tinh thể sau hấp phụ Cr(III) cho thấy cơ chế trao đổi ion sâu bên trong vật liệu, giúp tăng khả năng hấp phụ bền vững. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất hấp phụ theo thời gian, bảng thành phần nguyên tố trước và sau hấp phụ, cùng hình ảnh SEM minh họa sự thay đổi bề mặt vật liệu. Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của khoáng CSH tổng hợp từ kính thải PV và bùn thải carbide trong xử lý nước thải công nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai quy trình tổng hợp khoáng CSH quy mô công nghiệp: Áp dụng phương pháp thủy nhiệt ở 180 °C trong 96 giờ với tỷ lệ mol CaO/SiO2 = 1 và môi trường NaOH 8M để sản xuất vật liệu CSH có hiệu suất hấp phụ Cr(III) cao, nhằm đáp ứng nhu cầu xử lý nước thải công nghiệp trong vòng 1-2 năm tới. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ vật liệu và nhà máy xử lý nước thải.

2. Phát triển hệ thống xử lý nước thải tích hợp sử dụng khoáng CSH: Thiết kế và vận hành các bể hấp phụ sử dụng CSH tổng hợp để loại bỏ Cr(III) và các kim loại nặng khác, hướng tới giảm nồng độ kim loại trong nước thải xuống dưới tiêu chuẩn quy định trong 6-12 tháng. Các đơn vị môi trường và nhà máy công nghiệp là chủ thể chính.

3. Nghiên cứu mở rộng khả năng hấp phụ của CSH đối với các kim loại nặng khác: Tiến hành khảo sát hiệu quả hấp phụ Pb2+, Cd2+, Cu2+ trong điều kiện tương tự, nhằm đa dạng hóa ứng dụng vật liệu trong 1-2 năm tiếp theo. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành vật liệu nên đảm nhận nhiệm vụ này.

4. Xây dựng chính sách khuyến khích tái sử dụng kính thải PV và bùn thải carbide: Đề xuất các cơ chế hỗ trợ tài chính, kỹ thuật cho doanh nghiệp thu gom và tái chế nguồn thải này, góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong 3-5 năm tới. Cơ quan quản lý nhà nước và các tổ chức môi trường là chủ thể thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp khoáng CSH từ nguồn thải công nghiệp, phương pháp thủy nhiệt và kỹ thuật phân tích vi cấu trúc, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và xử lý môi trường: Tham khảo quy trình tổng hợp và ứng dụng khoáng CSH trong xử lý nước thải, giúp cải tiến sản phẩm và mở rộng thị trường vật liệu thân thiện môi trường.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý chất thải PV và carbide, đồng thời thúc đẩy phát triển kinh tế tuần hoàn và bảo vệ môi trường.

4. Các nhà máy công nghiệp có nguồn thải Cr(III): Áp dụng giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu tác động môi trường, nâng cao uy tín và tuân thủ quy định pháp luật.

Câu hỏi thường gặp

1. Khoáng CSH là gì và tại sao lại quan trọng trong xử lý nước thải?
   Khoáng CSH là hợp chất calcium silicate ngậm nước có cấu trúc xốp và khả năng trao đổi ion cao, giúp hấp phụ hiệu quả các kim loại nặng như Cr(III) trong nước thải, góp phần làm sạch môi trường.

2. Tại sao sử dụng kính thải PV và bùn thải carbide làm nguyên liệu tổng hợp CSH?
   Hai nguồn thải này giàu silic và calcium, là nguyên liệu chính để tổng hợp CSH, đồng thời giúp giảm lượng chất thải công nghiệp, tiết kiệm tài nguyên và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.

3. Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp khoáng CSH?
   Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát nhiệt độ, áp suất và thời gian phản ứng chính xác, tạo ra vật liệu có cấu trúc tinh thể đồng nhất, chất lượng cao và khả năng ứng dụng rộng rãi.

4. Hiệu suất hấp phụ Cr(III) của khoáng CSH đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Hiệu suất hấp phụ Cr(III) lên tới 98,9% trong môi trường NaOH 8M sau 12 giờ, cho thấy khả năng loại bỏ kim loại nặng rất hiệu quả.

5. Có thể áp dụng khoáng CSH để xử lý các kim loại nặng khác không?
   Có, các nghiên cứu trước đây và đề xuất trong luận văn cho thấy CSH có tiềm năng hấp phụ các kim loại như Pb2+, Cd2+, Cu2+, mở rộng ứng dụng trong xử lý nước thải đa kim loại.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công khoáng Calcium Silicate Hydrate (CSH) từ kính thải PV và bùn thải carbide bằng phương pháp thủy nhiệt ở 180 °C trong 96 giờ với tỷ lệ mol CaO/SiO2 = 1.
• Vật liệu CSH tổng hợp có cấu trúc tinh thể tương tự Xonotlite và Tobermorite, với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn.
• Hiệu suất hấp phụ Cr(III) đạt tới 98,9% trong môi trường NaOH 8M, chứng minh khả năng loại bỏ kim loại nặng hiệu quả.
• Cơ chế hấp phụ bao gồm trao đổi ion Cr(III) với Ca2+ và Na+ trên bề mặt và trong cấu trúc CSH, làm thay đổi vi cấu trúc vật liệu.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu hấp phụ các kim loại nặng khác và phát triển quy trình ứng dụng công nghiệp nhằm thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và bảo vệ môi trường.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng về hấp phụ đa kim loại và thử nghiệm quy mô pilot trong môi trường thực tế. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cùng hợp tác phát triển ứng dụng vật liệu CSH từ nguồn thải công nghiệp để góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Thủy tinh kính thải PV. Thủy tinh là hợp chất vô cơ nóng chảy được làm nguội tới trạng thái quá lạnh mà không kết tinh [3]. Thủy tinh có thành phần chủ yếu là silicate (SiO2), được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng do các đặc tính của chúng.

Từ quy trình công nghiệp và hoạt động tiêu dùng đã tạo ra một lượng nguồn thải thủy tinh dồi dào. Chính vì vậy, việc xử lý và quản lý thủy tinh thải có những thách thức đáng kể, chủ yếu là do bản chất không phân hủy sinh học và tác động môi trường tiềm ẩn. Mẫu kính thải dân dụng. Trong luận văn này, trọng tâm cụ thể là kính thải quang điện (PhotoVoltaic, PV), là một phần của lượng thủy tinh phế thải khổng lồ.

Kính thải PV có nguồn gốc từ lớp trên cùng của tấm pin quang điện. Thành phần thủy tinh chiếm lên tới 75% khối lượng của tấm PV (Bảng 1. Thành phần thủy tinh của các tấm PV phục vụ nhiều mục đích, cung cấp hỗ trợ cấu trúc, bảo vệ các tế bào quang điện nhạy cảm khỏi các yếu tố bên ngoài và đảm bảo truyền dẫn ánh sáng tối ưu (Hình 1. 4 Luận văn thạc sĩ Trần Ngô Quân Bảng 1.

Thành phần phần trăm theo khối lượng (%wt) của tấm PV [4]. Phần trăm theo khối lượng Thành phần tấm PV (%wt) Lớp thủy tinh 74.55 Lớp bán dẫn quang điện 3.48 Tấm nền nhựa 3.60 Chất kết dính 1. Cấu trúc và vật liệu của một tấm PV Cd-Te [5]. Khi công nghệ pin năng lượng mặt trời tiếp tục phát triển, việc lắp đặt các hệ thống quang điện đã chứng kiến một sự đột biến đáng kể.

Theo BIO Intelligence Service thuộc Cơ quan Môi trường Châu Âu dự đoán tổng lượng tấm PV hết hạn sử dụng trên toàn cầu vào năm 2050 có thể lên tới 9,57 triệu tấn [6]. Theo thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam đến hết ngày 31/12/2020, đã có 101.029 công trình điện mặt trời mái nhà (ĐMTMN) đã được đấu nối vào hệ thống 5 Luận văn thạc sĩ Trần Ngô Quân điện với tổng công suất lắp đặt lên tới gần 9. Đồng thời, theo Quyết định số 500/QĐ-TTg về Chiến lược phát triển NLTT (Quy hoạch điện VIII) ký kết ngày 15 tháng 5 năm 2023. Đến năm 2030, tổng công suất các nguồn điện mặt trời dự kiến tăng thêm 4.100 MW; định hướng đến năm 2050, tổng công suất 168.

Về mặt lý thuyết, các tấm PV chỉ có thời hạn sử dụng trong khoảng 25-30 năm [2]. Bên cạnh đó, các tấm PV chứa chì (Pb), cadmium (Cd) và nhiều hóa chất độc hại khác [7]. Với việc sử dụng ngày càng gia tăng, số lượng tấm PV đạt đến giai đoạn cuối của vòng đời sẽ tăng đều đặn, kính thải PV sẽ trở thành một dạng chất thải nguy hại khi hết thời gian sử dụng và có thể gây hại cho môi trường nếu không được thu hồi hoặc xử lý đúng cách. Do đó, việc quản lý các tấm PV đã hết tuổi thọ và các vật liệu cấu thành bao gồm cả kính thải PV, đã trở thành mối quan tâm cấp bách.

Quy trình tái chế tấm PV Cd-Te của công ty First solar [8]. Việc xử lý thủy tinh thải PV đưa ra những thách thức khác biệt so với chất thải thủy tinh nói chung. Các tấm pin PV thường kết hợp các lớp bổ sung như lớp phủ màng, vật liệu đóng gói và lớp điện cực kim loại, những lớp này cần được phân tách và quản lý cẩn thận trong quá trình tái chế (Hình 1. Ngoài ra, khối lượng chất thải PV ngày càng tăng được tạo ra trên toàn cầu, đòi hỏi phải phát triển các chiến lược hiệu quả và bền vững để xử lý loại chất thải thủy tinh này.

Hội đồng Liên minh châu Âu (EU) đã ban hành Chỉ thị 2012/19/EC về rác thải thiết bị điện và điện tử 6 Luận văn thạc sĩ Trần Ngô Quân (WEEE), nhằm hạn chế và thúc đẩy tái chế rác thải điện tử, trong đó rác thải từ tấm PV được chú trọng [6]. Nghị định số 38/2015/NĐ-CP của Chính phủ: Về quản lý chất thải và phế liệu, trong đó chất thải nguy hại được nhấn mạnh, tấm PV có thể được xem như là chất thải nguy hại cần được thu gom và quản lý bởi các tổ chức, cá nhân sản xuất, sử dụng pin năng lượng mặt trời [9]. Việc tổng hợp khoáng Calcium Silicat Hydrat (CSH) từ thủy tinh kính thải PV mang đến cơ hội quý giá để giải quyết các thách thức về quản lý chất thải và bảo vệ môi trường nước. Bằng cách tái sử dụng kính thải PV làm nguyên liệu tổng hợp, nghiên cứu này nhằm góp phần phát triển mô hình kinh tế tuần hoàn trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời.

Việc tổng hợp khoáng CSH đưa ra một giải pháp tiềm năng để loại bỏ Cr(III) khỏi nước thải công nghiệp, chứng minh lợi ích kinh tế và môi trường của việc sử dụng thủy tinh thải PV để sản xuất các vật liệu chức năng. Bùn thải carbide. Bùn thải carbide là phụ phẩm được tạo ra trong quá trình sản xuất khí acetylene từ Calcium carbide. Calcium carbide có công thức hóa học là CaC2 và khối lượng phân tử là 64,099 g/mol có dạng tinh khiết không màu, nhưng hầu hết điều có màu từ đen đến trắng xám.

Mật độ của bùn thải là 2,22 g/cm3 và nóng chảy ở 2160 °C. Mục đính ứng dụng chính trong công nghiệp là sản xuất axetylen và Calcium cyanamide (CaCN2) [10]. Trong công nghiệp, Calcium carbide được sản xuất bằng cách nung đá vôi (CaCO3) và than cốc (carbon) trong lò hồ quang điện sử dụng điện cực graphite. Quá trình này được gọi là phương pháp lò hồ quang điện, yêu cầu thực hiện ở nhiệt độ cao khoảng 2300 °C và sản phẩm là Calcium carbide.

Phương pháp này không thay đổi kể từ khi được phát minh vào năm 1888. Hàm lượng CaC2 của sản phẩm được xác định bằng cách đo lượng khí axetylen sinh ra khi thủy phân (phương trình (1)) [10]. Phương trình tổng hợp Calcium carbide: CaCO3 (s) + 3C (s)→ CaC2 (s)+ CO (g) (1) 7 Luận văn thạc sĩ Trần Ngô Quân Hình 1. Quy trình sản xuất calcium carbide [10].

Acetylene được tổng hợp bằng cách cho nước vào calcium carbide, tạo ra sản phẩm chính là khí Acetylene (C2H2) và Calcium Hydroxide (Ca(OH)2) dưới dạng phụ phẩm (phương trình (2)). Khí acetylene có nhiều ứng dụng, bao gồm sử dụng làm nhiên liệu hàn và cắt, làm tiền chất để sản xuất nhựa và hóa chất, và là một thành phần trong quy trình gia công kim loại [11]. Phương trình tổng hợp khí acelylen từ Calcium carbide trong công nghiệp: CaC2 (s) + 2H2O (aq) → C2H2 (g) + Ca(OH)2 (aq) + 64kcal (2) 8 Luận văn thạc sĩ Trần Ngô Quân Hình 1. Sơ đồ tổng hợp khí acetylene trong công nghiệp [12].

Từ phương trình (2),và Hình 1. Ta thấy được quá trình tổng hợp acetylene đã tạo thành phụ phẩm Ca(OH)2, một lượng lớn phụ phẩm Ca(OH)2 này tích lại đã dẫn đến sự hình thành lượng bùn thải carbide. Calcium Hydroxide, nguồn thải chính, còn được gọi là bùn thải carbide hoặc vôi carbide, được thải ra ở mức 10–12 tấn mỗi ngày khi khí axetylen được tổng hợp ở năng suất 100 m3 giờ–1 và đồng thời cần 900 kg Calcum carbide. Bùn thải carbide có hình thái sẫm màu, ẩm ướt và dính nhớt có mang tính kiềm (pH = 12-14) và một lượng nhỏ các tạp chất khác [13].

Lượng bùn này đặt ra những thách thức về xử lý và quản lý do tác động môi trường tiềm ẩn, đặc biệt nếu không được xử lý đúng cách. Bùn thải tại nhà máy Sovigaz. 9 Luận văn thạc sĩ Trần Ngô Quân Sản xuất Calcium carbide ở Trung Quốc ngày càng tăng. Năm 2005, sản lượng là 8,94 triệu tấn, với khối lượng sản xuất tiềm năng là 17 triệu tấn.

Mức sản xuất ở Hoa Kỳ trong những năm 1990 là 236. Theo Nhóm tư vấn và nghiên cứu phân tích thị trường quốc tế (Market Analysis Research and Consulting Group, IMARC Group), quy mô thị trường khí acetylene toàn cầu đạt 5,9 tỷ USD vào năm 2022. Trong tương lai, IMARC dự kiến thị trường sẽ đạt 6,9 tỷ USD vào năm 2028, với tốc độ tăng trưởng là 3% trong giai đoạn 2023-2028 [14]. Với tốc độ tăng trưởng thị trường đều đặn chứng tỏ nền công nghiệp khí acetylene vẫn phát triển, đều này dẫn tới khối lượng bùn thải ngày càng tăng cao gây ô nhiễm môi trường.

Hiện nay, khối lượng bùn thải này hiện đang được giải quyết tạm thời là đổ vào kho chứa chất thải hoặc làm vật liệu san lấp. Trong luận văn này, bùn thải carbide đang được nghiên cứu như một nguyên liệu tiềm năng cùng với thủy tinh thải PV để tổng hợp khoáng CSH. Bằng cách kết hợp bùn carbide vào quy trình tổng hợp thủy nhiệt, mục đích là sử dụng nguồn thải này như một nguồn tài nguyên quý giá thay vì chỉ xử lý như chất thải. Cách tiếp cận này phù hợp với các nguyên tắc của nền kinh tế tuần hoàn bằng cách tái sử dụng các vật liệu phế thải và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên thiên nhiên.

Hơn nữa, khoáng CSH được tổng hợp có thể góp phần xử lý nước và loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi nước thải công nghiệp, thúc đẩy hơn nữa việc quản lý bền vững cả kính thải PV và bùn thải carbide. Khoáng Calcium Silicate Hydrate. Khoáng Calcium Silicate Hydrate. Khoáng Calcium Silicate Hydrate (CSH) là một loại hợp chất vô cơ calcium silicate ngậm nước, loại khoáng này đã thu hút được sự chú ý đáng kể do các đặc tính độc đáo và ứng dụng rộng rãi.

Khoáng CSH thể hiện khả năng hấp phụ tuyệt vời, diện tích bề mặt cao và đặc tính trao đổi ion, khiến cho CSH rất phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp khác nhau, bao gồm cả xử lý nước thải công nghiệp. Về cấu trúc, khoáng CSH có cấu trúc trật tự dạng chuỗi với tứ diện SiO4- và Ca- O. Cụ thể, Tứ diện silicate được sắp xếp trong chuỗi các tứ diện silicate với cấu trúc trật tự dreierketten và được liên kết thông qua một lớp calcium oxide, Ca-O. Trong 10 Luận văn thạc sĩ Trần Ngô Quân đó, hai tứ diện silicate nối đôi từ hai chuỗi dreierketten đối diện được kết nối với nhau thông qua lớp Ca-O tại lớp Intralayer, trong khi tứ diện silicate thứ ba chiếm vị trí cầu nối và không liên kết hoàn toàn với lớp Ca-O, các Ca-O liên kết với các tứ diện SiO4- thông qua các nguyên tử Oxy [15]–[17].

Ngoài ra, các Ca2+ cũng liên kết trật tự với liên kết Si-O của các tứ diện Silicate cầu nối tại lớp Interlayer [18]–[21]. Như trong Hình 1.