MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Hiện nay, hầu hết các loại sơn phủ được sử dụng trong các công trình xây dựng được chế tạo trên cơ sở chất tạo màng nhũ tương, trong đó, chất tạo màng cho sơn tường ngoại thất chủ yếu là nhựa acrylic nhũ tương. Tuy nhiên, dưới tác động của các yếu tố môi trường như ánh sáng tia cực tím, oxy, nhiệt, độ ẩm, các chất ô nhiễm. cũng như quá trình tiếp xúc với môi trường kiềm của bê tông, lớp phủ có thể bị biến đổi hóa học, làm suy giảm các tính chất – ưu điểm tự có và mất dần khả năng bảo vệ, trang trí, … của chúng.
Để hạn chế những suy giảm này có thể sử dụng các chất phụ gia tạo ra các lớp phủ hữu cơ trên cơ sở vật liệu polyme composite. Trong đó, tro bay với tỷ trọng thấp, tính chất cơ học cao, bền nhiệt, chống co ngót kích thước,. có thể là phụ gia hiệu quả cho các vật liệu polyme trên cơ sở các nhựa nền khác nhau. Việc sử dụng tro bay để chế tạo vật liệu sơn phủ không chỉ góp phần giải quyết đáng kể sự ảnh hưởng của hạt phế thải này đối với môi trường, giảm tải được sự khan hiếm về nguồn nguyên vật liệu, mà còn mang lại những lợi ích về mặt kinh tế.
Ở Việt Nam chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu chế tạo sơn nước sử dụng tro bay. Do đó, để góp phần mở rộng đa dạng hóa các sản phẩm sơn nước, hạ giá thành sản phẩm, việc hoàn thiện các nghiên cứu ứng dụng tro bay trong chế tạo sơn nước acryic là vô cùng cần thiết, nó không chỉ có ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội mà còn có giá trị thực tiễn cao. Do đó, để nghiên cứu sâu hơn và mong muốn phát triển trong lĩnh vực này chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng tro bay trong chế tạo lớp phủ composite từ nhựa acrylic”. Mục tiêu nghiên cứu Chế tạo được lớp sơn phủ composite trên nền nhựa acrylic sử dụng phụ gia tro bay với hàm lượng tro bay thích hợp làm tăng tính chất cơ lý và độ bền nhiệt.
Đối tƣợng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: - Tro bay ở nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn. 1 - Lớp phủ composite từ nhựa acrylic và tro bay - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu chế tạo lớp phủ composite từ nhựa acrylic và tro bay. Đánh giá một số tính chất của lớp phủ trong phạm vi phòng thí nghiệm. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu xử lý biến tính tro bay - Nghiên cứu cấu trúc hóa học của nhựa acrylic - Phân tán và ổn định tro bay trong nhựa acrylic - Khảo sát một số tính chất của lớp phủ composite từ nhựa acrylic và tro bay 5.
Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp lí thuyết: Tổng hợp các tài liệu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài. Phương pháp thực nghiệm: - Nghiên cứu lựa chọn, xử lý tro bay. - Nghiên cứu phân tán tro bay trong nhựa acrylic bằng phương pháp khuấy, rung siêu âm. - Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến một số tính chất cơ và tính chất nhiệt của các màng sơn.
- Phân tích cấu trúc hình thái của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ. - Phân tích hồng ngoại được thực hiện trên thiết bị FT-IR.Tính mới của đề tài Tìm ra được hàm lượng tro bay tốt nhất trong chế tạo lớp phủ composite từ nhựa acrylic có sử dụng tro bay góp phần hoàn thiện nghiên cứu màng nhựa acrylic, tận dụng chất thải tro bay, giảm giá thành sản phẩm, giảm ô nhiễm môi trường. Tình hình sản xuất, tiêu thụ tro bay 1. Khái niệm Trong các nhà máy nhiệt điện, chất thải rắn của quá trình đốt than đá được gọi là tro xỉ gồm hai phần: phần xỉ than thu được từ đáy lò và phần tro bay gồm các hạt nhỏ, mịn thoát ra cùng với khí ống khói được thu hồi bằng hệ thống thu gom.
Thuật ngữ tro bay (fly ash) được dùng để chỉ phần thải rắn thoát ra cùng các khí ống khói ở các nhà máy nhiệt điện. Thành phần hóa học của tro bay thường chứa các oxide như: silicon (IV) oxide (SiO2), aluminium oxide (Al2O3), calcium oxide (CaO), iron oxide (iron (II) oxide FeO), (iron (III) oxide Fe2O3), manganese (IV) oxide (MnO2) và sulfur oxide (SO2, SO3),… ngoài ra có thể chứa một lượng nhỏ than chưa cháy. Thành phần và hàm lượng các chất trong tro bay phụ thuộc vào loại than được sử dụng và quá trình đốt cháy của các nhà máy nhiệt điện [26]. Phân loại tro bay có nhiều cách dựa vào mục đích sử dụng, vào thành phần lý hóa hoặc nguồn gốc,.
Trong đó, có những cách phân loại phổ biến sau: - Theo tiêu chuẩn DBJ08-230-98 (cách phân loại của Trung Quốc) tro bay được phân loại dựa vào hàm lượng calcium có trong tro bay. Theo đó, tro bay được chia thành hai loại [27]: Loại tro bay có hàm lượng calcium dưới 8% (hoặc CaO tự do dưới 1%) gọi là tro bay có hàm lượng calcium thấp, loại này có màu hơi xám. Loại thứ hai là tro bay có hàm lượng calcium cao, màu hơi vàng. Sử dụng hàm lượng CaO có trong tro bay hoặc CaO tự do để tính ra hàm lượng calcium.
- Theo cách phân loại của Canada, dựa vào hàm lượng calcium oxide có trong tro bay. Theo đó, tro bay được chia thành ba loại [21]: Loại F là loại tro bay có chứa hàm lượng calcium oxide (CaO) ít hơn 8%; loại CI là loại tro bay 3 có chứa hàm lượng calcium oxide (CaO) từ 8% đến 20%; loại C là loại tro bay có chứa hàm lượng calcium oxide (CaO) lớn hơn 20%. - Theo tiêu chuẩn ASTM C618 (cách phân loại của Mỹ), dựa vào tổng hàm lượng các chất aluminium oxide (Al2O3), silicon (IV) oxide (SiO2 ) và iron (III) oxide (Fe2O3) có trong tro bay. Theo đó, tro bay được chia thành hai loại: loại C có tổng hàm lượng aluminium oxide (Al2O3), silicon (IV) oxide (SiO2 ) và iron (III) oxide (Fe2O3) nhỏ hơn 70%, loại F có tổng hàm lượng aluminium oxide (Al2O3), silicon (IV) oxide (SiO2 ) và iron (III) oxide (Fe2O3) lớn hơn 70% [15].
Về hình dạng hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt rất khác nhau trong khoảng 10-350 m, về hình thái cấu trúc tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng [28]. Các hạt tro bay dạng đặc là các hạt rắn hình cầu, rất cứng và bền chắc. Các hạt tro bay dạng rỗng thường có cấu trúc hình cầu rỗng bên trong, phần không gian rỗng bên trong hạt có thể không chứa hoặc chứa các hạt nhỏ hơn, dạng rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu composite siêu nhẹ. Sản lượng và tiêu thụ tro bay 1.
Trên thế giới Các nhà máy nhiệt điện trên thế giới sử dụng nhiên liệu chủ yếu là than. Theo ước tính, trên thế giới hàng năm thải ra khoảng trên 700 triệu tấn tro bay. Ở các nước phát triển như Mỹ, Trung Quốc có mức tiêu thụ điện năng hàng đầu thế giới, là những nước có số lượng rất lớn các nhà máy nhiệt điện công suất lớn, trong quá trình đốt cháy than tạo ra sản lượng rất lớn tro bay. Năm 2012, Mỹ đã tạo ra hơn 125 triệu tấn các sản phẩm từ than đá gồm tro bay, tro đáy lò, xỉ lò,… Năm 2017, lượng tro bay tạo ra ở ở Trung Quốc là 480 triệu tấn và tốc độ tăng trưởng mỗi năm 20 triệu tấn, dự kiến hiện nay ở Trung Quốc đạt trên 500 triệu tấn tro bay được tạo ra.
4 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 lưu huỳnh, đặc biệt là sản phẩm hút bụi khô (SDA) và khí lò khử lưu huỳnh (FGD) thạch cao. Ở Việt Nam Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, số lượng, công suất và công nghệ các nhà máy nhiệt điện than của Việt Nam có nhiều biến động thay đổi theo từng giai đoạn phát triển của đất nước. Tuy nhiên, dù ở giai đoạn nào, nhiệt điện than cũng là nguồn điện không thể thiếu.
Vấn đề xử lý tro, xỉ thải phát sinh trong quá trình sản xuất của các nhà máy nhiệt điện than trong thời gian dài đang là vấn đề rất quan trọng [8]. Năm 2018, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số 452/QĐ- TTg về việc phê duyệt Đề án đẩy mạnh sử dụng tro, xỉ, thạch cao của các nhà máy nhiệt điện, hóa chất, phân bón làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng và sử dụng trong các công trình xây dựng (Quyết định số 452/QĐ- TTg). Tại Thanh Hóa, tro bay chủ yếu ở nhà máy Nhiệt Điện Nghi Sơn 1 thuộc Khu kinh tế Nghi Sơn, có địa chỉ tại hai xã Hải Hà và Hải Thượng, huyện Tĩnh Gia nay là xã Hải Hà và phường Hải Thượng, thị xã Nghi Sơn, tỉnh Thanh Hóa (hình 1. Với công suất 600MW, sản lượng điện hàng năm là 3,6 tỷ kWh, nhà máy Nhiệt Điện Nghi Sơn I đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp nguồn điện cho khu vực Bắc Trung Bộ, góp phần phát triển kinh tế cho Khu kinh tế Nghi Sơn, vùng Nam Thanh Hóa và Bắc Nghệ An.
Vị trí địa lý NMNĐ Nghi Sơn 1 Hình 1. Toàn cảnh NMNĐ Nghi Sơn 1 Để đáp ứng đuọc sản lượng điện 3,6 tỷ kWh, mức tiêu thụ than bình quân của nhà máy Nhiệt Điện Nghi Sơn 1 là 1,5 triệu tấn/năm, hỗn hợp tro xỉ sản xuất ra hàng năm khoảng 400.000 tấn, thạch cao khoảng 25. Năm 2020, sản lượng tro bay được thải ra từ Nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn 1 cao nhất trong giai đoạn 2015- 2020 với sản lượng là 392 nghìn tấn/năm. Do kinh tế xã hội ngày càng phát triển, song song với sự phát triển là nhu cầu sử dụng điện của người 6 dân ngày càng cao, nhiều máy móc,thiết bị phục vụ cho đời sống của người dân ngày càng được sử dụng rộng rãi, nhiều khu kinh tế,.
vì vậy mà lượng than được sử dụng trong sản xuất điện tại Nhà máy Nhiệt điện Nghi Sơn 1 ngày càng tăng lên dẫn đến lượng tro bay thải ra cũng tăng dần. Nguồn điện sử dụng tăng thì lượng than trong sản xuất nhiệt điện cũng sẽ tăng và chất thải tro bay trong nhà máy cũng sẽ tăng nhanh.