Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia có trữ lượng dầu mỏ lớn trong khu vực châu Á, với các nhà máy lọc dầu như Nghi Sơn, Dung Quất và Phú Mỹ đóng vai trò quan trọng trong cung cấp năng lượng cho phát triển kinh tế. Tuy nhiên, quá trình chế biến dầu khí tạo ra lượng lớn phế thải xúc tác cracking, đặc biệt là Residue Fluid Catalytic Cracking (RFCC), chứa các kim loại nặng như vanadi (V) và niken (Ni), gây nguy hiểm cho môi trường và sức khỏe con người. Theo báo cáo, Nhà máy Đạm Phú Mỹ sử dụng hơn 500 tấn xúc tác các loại, trong đó xúc tác FCC chiếm gần 80% khối lượng xúc tác rắn và hơn 50% giá trị. Hiện nay, phần lớn xúc tác thải được xử lý bằng phương pháp chôn lấp, chưa tận dụng hiệu quả nguồn tài nguyên này.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng tái sử dụng phế thải RFCC trong sản xuất bê tông, bao gồm bê tông xi măng và bê tông geopolymer, nhằm giảm thiểu tác động môi trường, tiết kiệm nguyên liệu tự nhiên và giảm chi phí sản xuất vật liệu xây dựng. Nghiên cứu tập trung vào phân tích thành phần hóa học, tính chất cơ lý của RFCC, ảnh hưởng của RFCC đến quá trình thủy hóa xi măng, khả năng làm việc và tính chất cơ học của bê tông sử dụng RFCC thay thế tro bay hoặc xi măng. Thời gian nghiên cứu từ tháng 10/2016 đến tháng 5/2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và các phòng thí nghiệm liên quan.

Việc ứng dụng RFCC trong bê tông không chỉ góp phần xử lý chất thải nguy hại mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu xây dựng, giảm phát thải CO2 và chi phí sản xuất. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển bền vững ngành xây dựng và công nghiệp dầu khí tại Việt Nam.

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:

  • Quá trình hoạt hóa xúc tác cracking (RFCC): Xúc tác FCC trong quá trình cracking dầu mỏ bị giảm hoạt tính do tích tụ cặn carbon (cốc), tác động của kim loại nặng và nhiệt độ cao. Quá trình tái sinh xúc tác nhằm loại bỏ cặn carbon và duy trì hoạt tính xúc tác. RFCC thải chứa thành phần aluminosilicat (Al2O3, SiO2) có khả năng phản ứng puzơlan trong môi trường xi măng.

  • Quá trình ổn định và hóa rắn chất thải: Phương pháp này làm tăng tính chất vật lý của chất thải, giảm khả năng phát tán các chất độc hại ra môi trường. Các chất kết dính như xi măng, puzơlan, đất sét biến tính và polime được sử dụng để đóng rắn và ổn định RFCC thải.

  • Phản ứng alumina-silicate trong geopolymer: Quá trình trùng hợp polymer vô cơ gồm ba giai đoạn hòa tan, tạo monome và polymer hóa, tạo thành cấu trúc poly(sialate) bền vững. Ion kiềm (Na+, K+) đóng vai trò xúc tác và tham gia cấu trúc polymer.

  • Phản ứng puzơlan trong xi măng: Phụ gia khoáng hoạt tính chứa SiO2 và Al2O3 phản ứng với Ca(OH)2 tạo thành các khoáng chất C-S-H giúp tăng cường độ bền và độ đặc chắc của bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm: hoạt tính puzơlan, thời gian ninh kết, cường độ nén và uốn, độ sụt, modun đàn hồi, và tỷ lệ thay thế RFCC trong hỗn hợp bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Phế thải RFCC lấy từ nhà máy lọc dầu Dung Quất, xi măng PC40, tro bay loại F từ nhà máy nhiệt điện, cốt liệu lớn và nhỏ chuẩn theo TCVN.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu RFCC được xử lý và phân tích thành phần hóa học, kích thước hạt, tính chất cơ lý. Các mẫu bê tông được phối trộn với tỷ lệ RFCC thay thế xi măng hoặc tro bay từ 10% đến 50% theo khối lượng.

  • Phương pháp phân tích: Thực nghiệm xác định độ dẻo tiêu chuẩn, thời gian ninh kết, cường độ nén và uốn của vữa xi măng theo TCVN 6017-2015, TCVN 8875-2012, TCVN 6016-2011. Độ sụt bê tông theo TCVN 3106-1993, thời gian ninh kết bê tông theo TCVN 9338-2012, cường độ nén và uốn bê tông theo TCVN 3118-1993 và TCVN 3119-1993, modun đàn hồi theo TCVN 5276-1993.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 10/2016 đến tháng 5/2018, gồm giai đoạn thu thập nguyên liệu, chuẩn bị mẫu, thực nghiệm và phân tích kết quả.

  • Cỡ mẫu: Mỗi tỷ lệ phối trộn được thử nghiệm ít nhất 3 mẫu để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm nhằm đánh giá toàn diện ảnh hưởng của RFCC đến tính chất vật liệu xây dựng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của RFCC đến vữa xi măng:

    • Khi thay thế xi măng bằng RFCC từ 10% đến 50%, lượng nước tiêu chuẩn tăng, thời gian bắt đầu ninh kết tăng khoảng 20%, thời gian ninh kết kéo dài khoảng 13%.
    • Cường độ uốn giảm 40%, cường độ nén giảm 30% so với mẫu chuẩn không có RFCC.

  2. Ảnh hưởng của RFCC trong bê tông xi măng:

    • Độ sụt của hỗn hợp bê tông giảm rõ rệt, thời gian bắt đầu ninh kết kéo dài thêm từ 20 đến 35 phút, thời gian ninh kết kéo dài từ 20% đến 50%.
    • Cường độ nén giảm từ 50% đến 65%, cường độ uốn giảm từ 45% đến 67%, modun đàn hồi giảm khoảng 30% đến 40% tùy theo tỷ lệ RFCC và tỷ lệ nước-xi măng.
    • Sử dụng RFCC trong khoảng 10% đến 30% đảm bảo yêu cầu về cường độ và tận dụng được đặc tính xúc tác còn lại.

  3. Ảnh hưởng của RFCC trong bê tông geopolymer:

    • Thay thế tro bay bằng RFCC làm giảm hàm lượng alumino-silicate, giảm tỷ lệ SiO2/Al2O3 và Na2O/(SiO2 + Al2O3).
    • Cần sử dụng nhiệt độ hoạt hóa cao hơn để đảm bảo thời gian đóng rắn.
    • Độ sụt của hỗn hợp giảm khoảng 40%, độ nhớt dẻo tăng hơn 60%, thời gian bắt đầu hoạt hóa geopolymer tăng 15% so với hỗn hợp tro bay.
    • Cần tăng hàm lượng dung dịch hoạt hóa để đạt tính nhớt – dẻo và cường độ mong muốn.

  4. So sánh tính chất cơ học giữa bê tông xi măng – RFCC và bê tông geopolymer – RFCC:

    • Bê tông xi măng – RFCC có cường độ nén và uốn cao hơn bê tông geopolymer – RFCC khi cùng tỷ lệ RFCC.
    • Tuy nhiên, bê tông geopolymer – RFCC có ưu điểm về khả năng chống ăn mòn và môi trường kiềm cao hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân giảm cường độ bê tông khi tăng tỷ lệ RFCC là do thành phần RFCC chứa các tạp chất và kim loại nặng làm giảm khả năng phản ứng puzơlan và ảnh hưởng đến cấu trúc mạng tinh thể của xi măng. Thời gian ninh kết kéo dài do RFCC làm giảm tốc độ thủy hóa xi măng. Độ sụt giảm phản ánh tính làm việc kém hơn của hỗn hợp bê tông chứa RFCC, do kích thước hạt và tính chất bề mặt của RFCC khác biệt so với tro bay.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với việc RFCC có thể thay thế một phần xi măng hoặc tro bay mà không làm giảm đáng kể tính chất cơ học, đồng thời giảm chi phí và tác động môi trường. Việc sử dụng RFCC trong bê tông geopolymer đòi hỏi điều kiện hoạt hóa nghiêm ngặt hơn, phù hợp với các ứng dụng đặc thù.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ nén, uốn và modun đàn hồi theo tỷ lệ RFCC, bảng tổng hợp thời gian ninh kết và độ sụt hỗn hợp bê tông để minh họa rõ ràng ảnh hưởng của RFCC.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Khuyến khích sử dụng RFCC thay thế tro bay hoặc xi măng trong bê tông với tỷ lệ từ 10% đến 30% nhằm đảm bảo cường độ và tính làm việc của bê tông, đồng thời tận dụng hiệu quả phế thải RFCC. Thời gian áp dụng: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng và nhà thầu xây dựng.

  2. Nâng cao công nghệ xử lý và nghiền RFCC để cải thiện kích thước hạt và loại bỏ tạp chất, giúp tăng tính hoạt tính puzơlan và giảm ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất bê tông. Thời gian: 2-3 năm. Chủ thể: các nhà máy lọc dầu phối hợp với viện nghiên cứu.

  3. Phát triển quy trình sản xuất bê tông geopolymer sử dụng RFCC với điều kiện hoạt hóa nhiệt độ cao và tăng hàm lượng dung dịch kiềm, phù hợp cho các công trình yêu cầu đặc biệt về môi trường và độ bền hóa học. Thời gian: 3-5 năm. Chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ vật liệu.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn môi trường cho việc sử dụng RFCC trong vật liệu xây dựng nhằm đảm bảo an toàn sức khỏe và môi trường, đồng thời tạo điều kiện pháp lý cho việc ứng dụng rộng rãi. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: Bộ Xây dựng, Bộ Tài nguyên và Môi trường.

  5. Tuyên truyền, đào tạo và nâng cao nhận thức cho các bên liên quan về lợi ích và phương pháp sử dụng RFCC trong xây dựng để thúc đẩy áp dụng công nghệ xanh, tiết kiệm tài nguyên. Thời gian: liên tục. Chủ thể: các trường đại học, tổ chức đào tạo và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng và vật liệu xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm về tái sử dụng phế thải RFCC trong bê tông, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và bê tông: Tham khảo để áp dụng công nghệ phối trộn RFCC nhằm giảm chi phí nguyên liệu, nâng cao giá trị sản phẩm và đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường.

  3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực môi trường và xây dựng: Cung cấp thông tin khoa học để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về xử lý và tái sử dụng chất thải công nghiệp, thúc đẩy phát triển bền vững.

  4. Các nhà máy lọc dầu và công nghiệp dầu khí: Tham khảo giải pháp xử lý và tái sử dụng phế thải RFCC, giảm thiểu tác động môi trường và chi phí xử lý chất thải.

Câu hỏi thường gặp

  1. RFCC là gì và tại sao cần tái sử dụng?
    RFCC là phế thải xúc tác cracking trong công nghệ chế biến dầu khí, chứa các kim loại nặng và có thể gây ô nhiễm môi trường. Tái sử dụng RFCC giúp giảm lượng chất thải, tiết kiệm nguyên liệu và giảm chi phí sản xuất vật liệu xây dựng.

  2. RFCC có ảnh hưởng đến tính chất bê tông như thế nào?
    RFCC làm tăng lượng nước tiêu chuẩn, kéo dài thời gian ninh kết và giảm cường độ nén, uốn và modun đàn hồi của bê tông. Tuy nhiên, khi sử dụng với tỷ lệ hợp lý (10-30%), bê tông vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

  3. Bê tông geopolymer sử dụng RFCC có ưu điểm gì?
    Bê tông geopolymer dùng RFCC có khả năng chống ăn mòn tốt, thân thiện môi trường và tận dụng được đặc tính puzơlan của RFCC. Tuy nhiên, cần điều kiện hoạt hóa nhiệt độ cao và tăng hàm lượng dung dịch kiềm.

  4. Có tiêu chuẩn nào quy định việc sử dụng RFCC trong xây dựng không?
    Hiện tại, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn riêng cho RFCC trong vật liệu xây dựng, nhưng các nghiên cứu đang đề xuất xây dựng quy chuẩn kỹ thuật và môi trường để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

  5. Làm thế nào để xử lý RFCC trước khi sử dụng trong bê tông?
    RFCC cần được xử lý nghiền mịn, loại bỏ tạp chất và kiểm soát hàm lượng kim loại nặng để đảm bảo tính hoạt tính puzơlan và an toàn môi trường trước khi phối trộn vào bê tông.

Kết luận

  • RFCC là phế thải có tiềm năng tái sử dụng trong sản xuất bê tông xi măng và bê tông geopolymer, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm nguyên liệu.
  • Thay thế RFCC từ 10% đến 30% trong hỗn hợp bê tông đảm bảo cường độ và tính làm việc phù hợp với yêu cầu xây dựng.
  • Bê tông geopolymer sử dụng RFCC cần điều kiện hoạt hóa nghiêm ngặt hơn nhưng có ưu điểm về độ bền hóa học và môi trường.
  • Cần phát triển công nghệ xử lý RFCC, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn môi trường để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi.
  • Khuyến nghị các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng, nhà quản lý và viện nghiên cứu phối hợp triển khai nghiên cứu và ứng dụng trong 1-5 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các bên liên quan nên phối hợp xây dựng dự án thí điểm ứng dụng RFCC trong bê tông, đồng thời hoàn thiện khung pháp lý và tiêu chuẩn kỹ thuật để thúc đẩy phát triển bền vững ngành xây dựng và công nghiệp dầu khí tại Việt Nam.