Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sản xuất nông nghiệp giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam với diện tích đất trồng lúa nước đạt khoảng 7.390 km² và sản lượng lúa đạt gần 40 triệu tấn vào năm 2010. Trong đó, vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đóng góp 57% tổng sản lượng lúa cả nước và 90% lượng gạo xuất khẩu. Sự phát triển này làm phát sinh khối lượng phế phẩm nông nghiệp sau thu hoạch rất lớn: hơn 7 triệu tấn vỏ trấu từ ngành xay xát và khoảng 51 triệu tấn rơm rạ mỗi năm trên cả nước (riêng ĐBSCL chiếm hơn 26 triệu tấn rơm rạ).

Hiện trạng quản lý các nguồn phế phẩm này còn nhiều bất cập:

  • Vỏ trấu: Chỉ khoảng 3 triệu tấn được tận dụng làm thức ăn gia súc, phân bón, chất đốt lò gạch hoặc ép củi trấu. Lượng trấu dư thừa bị xả trực tiếp xuống kênh rạch, sông ngòi (như các tuyến sông Ngang, sông Thị Đội tại Cần Thơ, An Giang, Hậu Giang), gây tắc nghẽn giao thông thủy, ô nhiễm nguồn nước mặt và phát sinh mùi hôi thối do quá trình phân hủy.
  • Rơm rạ: Khoảng 50% được sử dụng trồng nấm hoặc lót chuồng trại, phần còn lại bị đốt bỏ trực tiếp ngoài đồng. Thói quen đốt đồng gây ô nhiễm không khí cục bộ, làm thất thoát gần như hoàn toàn đạm ($N$), khoảng 25% phốt pho ($P$), 20% kali ($K$) và 5–60% lưu huỳnh ($S$), ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái vi sinh vật và độ phì nhiêu của đất.

Trong khi đó, ngành sản xuất vật liệu xây dựng (đặc biệt là xi măng Portland) tiêu tốn nhiều tài nguyên và phát thải trung bình 1,89 tấn $\text{CO}_2$ trên mỗi tấn sản phẩm. Tro trấu và tro rơm rạ có hàm lượng silic dioxit ($\text{SiO}_2$) vô định hình rất cao, là nguồn phụ gia khoáng hoạt tính puzolan tiềm năng có thể thay thế một phần xi măng và muội silic ($\text{Silicafume}$) nhập khẩu đắt tiền, nâng cao độ bền nén và khả năng chống ăn mòn cho vữa và bê tông.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu tận dụng phế phẩm nông nghiệp cụ thể là vỏ trấu và rơm để tinh chế $\text{SiO}_2$ nhằm tạo ra vật liệu xây dựng chất lượng cao.
  2. Tìm ra ngưỡng tối ưu trong tỷ lệ phối trộn giữa phụ gia là $\text{SiO}_2$ tinh chế và xi măng.

Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tổng quan tình hình phát sinh, thu gom, xử lý và tái chế phế phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, rơm rạ) và nhu cầu phụ gia trong ngành vật liệu xây dựng.
  2. Thực nghiệm tinh chế $\text{SiO}_2$ từ vỏ trấu và rơm rạ bằng phương pháp nhiệt (PPN) và phương pháp hóa học (PPHH).
  3. Kiểm tra các chỉ tiêu hoạt tính của $\text{SiO}_2$ tinh chế (độ ẩm, khối lượng thể tích, độ hấp thu nước, độ hấp thụ vôi).
  4. Tiến hành đúc mẫu vữa xi măng có bổ sung phụ gia $\text{SiO}_2$ theo các tỷ lệ cấp phối khác nhau và đo đạc tính chất cơ lý (cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn).
  5. Xác định ngưỡng tỷ lệ phối trộn tối ưu của $\text{SiO}_2$ tinh chế từ tro trấu và rơm rạ để ứng dụng sản xuất vữa xây dựng thân thiện với môi trường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vỏ trấu và rơm rạ.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Nguồn mẫu vỏ trấu và rơm rạ thu gom thực tế tại Huyện Châu Thành, tỉnh Bến Tre.
    • Chế tạo và kiểm tra mẫu thử vữa xi măng kích thước tiêu chuẩn $40 \times 40 \times 160\text{ mm}$ (cấp phối cơ sở: $450\text{ g}$ xi măng, $1.350\text{ g}$ cát, $225\text{ g}$ nước), không mở rộng sang các dạng cấu kiện xây dựng khác.
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Từ ngày 20/06/2016 đến ngày 01/08/2016 tại Phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Sinh học – Thực phẩm – Môi trường, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và thành phần nguyên liệu

Thành phần hóa học của vỏ trấu và rơm rạ là cơ sở cho quá trình tinh luyện oxit silic:

  • Vỏ trấu: Chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ cháy (gồm $35\text{--}40%$ cellulose, $25\text{--}30%$ lignin và hemicellulose) và 25% khoáng vô cơ chuyển hóa thành tro sau khi đốt. Tro trấu chứa hàm lượng $\text{SiO}_2$ chiếm trên $80\text{--}90%$.
  • Rơm rạ: Cấu tạo hữu cơ gồm 42,41% cellulose, 18,62% hemicellulose, 12,76% lignin, 7,08% chất trích ly, độ ẩm 12,65% và 6,48% tro vô cơ. Tro rơm rạ chứa $72,593%\text{ SiO}_2$, $2,636%\text{ K}$, $0,369%\text{ Na}$ và $24,402%$ các oxit khoáng khác.
  • Xi măng Portland và Clinker: Xi măng là chất kết dính thủy lực sinh ra từ clinker nghiền mịn cùng thạch cao và phụ gia. Thành phần oxit chính trong clinker Portland gồm $\text{CaO}$ ($62\text{--}67%$), $\text{SiO}_2$ ($19\text{--}25%$), $\text{Al}_2\text{O}_3$ ($2\text{--}9%$), $\text{Fe}_2\text{O}_3$ ($1\text{--}5%$), $\text{MgO}$ ($0\text{--}3%$) và $\text{SO}_3$ ($1\text{--}3%$).
Thành phần hóa học Hàm lượng trong tro trấu (%) Hàm lượng trong tro rơm (%) Hàm lượng trong Clinker Portland (%)
$\text{SiO}_2$ 90,21 72,593 19,00 – 25,00
$\text{Al}_2\text{O}_3$ 0,68 – 2,00 – 9,00
$\text{Fe}_2\text{O}_3$ 0,74 – 1,00 – 5,00
$\text{CaO}$ 1,41 – 62,00 – 67,00
$\text{MgO}$ 0,59 – 0,00 – 3,00
$\text{K}_2\text{O}$ / $\text{K}$ 2,38 2,636 0,60
$\text{Na}_2\text{O}$ / $\text{Na}$ 0,25 0,369 0,20
Các thành phần khác – 24,402 1,00 – 3,00 ($\text{SO}_3$)

Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

  1. TCVN 3735-1982: Tiêu chuẩn xác định hoạt tính puzolanic thông qua chỉ tiêu độ hấp thụ vôi ($\text{mg CaO}$ bị hấp phụ trên mỗi gam mẫu).
  2. TCVN 6016:1995 (ISO 679): Tiêu chuẩn phương pháp thử xác định độ bền nén và độ bền uốn của vữa xi măng.
  3. TCVN 4506-1987: Tiêu chuẩn chất lượng nguồn nước dùng trong chế tạo vữa và bê tông ($\text{pH } 4\text{--}12$, hàm lượng chất hữu cơ không quá $15\text{ mg/l}$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp tinh chế $\text{SiO}_2$:
    • Phương pháp nhiệt (PPN): Vỏ trấu và rơm rạ sau khi làm sạch tạp chất được đốt sơ bộ rồi đưa vào lò nung ở nhiệt độ $950^\circ\text{C}$ cho đến khi chuyển thành tro trắng hoàn toàn, sau đó làm nguội trong bình hút ẩm và nghiền mịn qua rây $0,25\text{ mm}$.
    • Phương pháp hóa học (PPHH): Chiết xuất $\text{SiO}_2$ từ tro bằng dung dịch kiềm $\text{NaOH } 5\text{M}$ đun cách thủy ở $90\text{--}100^\circ\text{C}$ để chuyển thành dung dịch natri silicat ($\text{Na}_2\text{SiO}_3$), lọc bỏ bã cacbon dư. Tiếp tục trung hòa bằng dung dịch axit $\text{HCl } 2\text{M}$ về môi trường trung tính ($\text{pH} \approx 7$) để tạo kết tủa hydrogel, rửa sạch ion $\text{Cl}^-$ bằng nước cất, sau đó sấy khô ở $100^\circ\text{C}$ trong 24 giờ và nung hoạt hóa ở $550^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, nghiền qua rây $0,25\text{ mm}$.
  • Phương pháp xác định hoạt tính vật liệu: Đo đạc khối lượng thể tích, độ ẩm, độ hấp thu nước và đo độ hấp thụ vôi theo TCVN 3735-1982.
  • Phương pháp thử nghiệm cơ lý: Đúc mẫu vữa kích thước $40 \times 40 \times 160\text{ mm}$, bảo dưỡng mẫu trong nước sau khi tháo khuôn 24 giờ, tiến hành nén và uốn mẫu, tính toán giá trị trung bình và hiệu chỉnh kết quả về ngày tuổi chuẩn 28 ngày để phân loại Mác vữa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về nguồn phát sinh và đặc tính của các nguyên vật liệu chính:

  • Phế phẩm nông nghiệp: Phân loại chất thải sau thu hoạch (vỏ trấu, rơm rạ, cùi ngô, bã mía) và chất thải chăn nuôi. Đánh giá thực trạng ô nhiễm do tồn đọng hàng triệu tấn phụ phẩm hữu cơ tại các vùng nông thôn.
  • Tổng quan vỏ trấu: Phân tích cấu trúc hữu cơ (lignin, cellulose) và thành phần khoáng sau khi đốt ($90,21%\text{ SiO}_2$). Tổng hợp các công nghệ ứng dụng của vỏ trấu: làm chất đốt dân dụng và lò gạch (nhiệt trị $3.400\text{ kcal/kg}$); thiết bị lọc nước bằng sứ xốp silic tại Hải Dương; máy ép củi trấu tại Gò Công (công suất $70\text{--}80\text{ kg/h}$); sản xuất aerogel cách âm - cách nhiệt độ tinh khiết $92\text{--}97%$ từ tro trắng; chế tạo cực dương pin sạc Lithium-ion dung lượng $1.650\text{ mA/g}$; sản xuất gạch không nung nhẹ; phát điện sinh khối tầng sôi ($2\text{ kg}$ trấu tạo ra $1\text{ kW}$ điện) và nghiên cứu của tập đoàn Torftech (Anh), tập đoàn CHK (Mỹ) về việc sử dụng tro trấu đốt ở $800^\circ\text{C}$ thay thế $20%$ xi măng trong bê tông chống xâm thực.
  • Tổng quan rơm rạ: Cung cấp số liệu thành phần hóa học của thân rơm và tro rơm rạ ($72,593%\text{ SiO}_2$). Nêu rõ tác hại của việc đốt rơm ngoài đồng và phân tích các mô hình tận dụng: trồng nấm rơm (sản lượng ĐBSCL đạt 30.000 tấn nấm năm 2010, tỷ lệ $1\text{ kg}$ rơm cho $0,15\text{ kg}$ nấm); ủ phân hữu cơ sinh học bằng chế phẩm Vixura ($2\text{--}3\text{ kg}$ chế phẩm cho 1 tấn rơm); sản xuất nhiên liệu sinh học; phát điện sinh khối tại Thái Lan ($4$ nhà máy) và Bali ($22\text{ MW}$); sản xuất tranh mỹ nghệ và vật liệu cách nhiệt dựng nhà bằng rơm.
  • Tổng quan xi măng, phụ gia và vữa xây dựng: Trình bày lịch sử xi măng Portland (sáng chế của Joseph Aspdin năm 1824), thành phần oxit clinker, vai trò giảm phát thải $\text{CO}_2$ của phụ gia khoáng hoạt tính, lịch sử ứng dụng phụ gia tại Việt Nam (từ tro trấu, mật rỉ đường cổ truyền đến phụ gia thế hệ mới Polycacboxylat Natri, Silicafume, tro trấu RHA) và các yêu cầu kỹ thuật đối với cát, nước, chất kết dính chế tạo vữa.

Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu về đề tài

Chương 2 phân tích các công trình nghiên cứu tiền nhiệm trong và ngoài nước về việc thu hồi oxit silic từ phế thải nông nghiệp:

  • Nghiên cứu ngoài nước: Công trình của Rajan Vempati (Tập đoàn CHK, Texas, Mỹ) đốt trấu ở $800^\circ\text{C}$ để loại bỏ hoàn toàn cacbon, thu $\text{SiO}_2$ độ tinh khiết cao dùng cho bê tông; công trình chế tạo lò đốt thủ công thu tro trấu hoạt tính cao của Hội đồng Khoa học và Nghiên cứu Công nghiệp Pakistan (PCSIR).
  • Nghiên cứu trong nước:
    1. Đề tài Vũ Thị Bách (HUTECH, 2010): Nghiên cứu nung tro trấu ở $950^\circ\text{C}$, nghiền qua rây $0,25\text{ mm}$. Kết quả kiểm tra hoạt tính đạt độ ẩm $7,8%$, độ hấp thu nước $87,2%$, độ hấp thụ vôi đạt $156,24\text{ mg CaO/g}$ mẫu ($>150\text{ mg}$, biểu thị hoạt tính puzolan rất mạnh). Khi phối trộn vữa với tỷ lệ $10%$ tro trấu, độ bền nén đạt $6.065,6\text{ N}$ (vượt mẫu vữa đối chứng $40\text{--}43\text{ N/mm}^2$).
    2. Đề tài Nguyễn Thị Chiều Dương (HUTECH, 2011): Nghiên cứu tinh chế $\text{SiO}_2$ từ tro xỉ nhà máy nhiệt điện Đình Hải (KCN Trà Nóc – Cần Thơ) bằng phương pháp hóa học ($\text{NaOH } 5\text{M}$ đun cách thủy 4 giờ, trung hòa bằng $\text{HCl } 2\text{M}$, sấy $100^\circ\text{C}$ trong 24 giờ và nung $550^\circ\text{C}$ trong 2 giờ). Kết quả thu được $15,6\text{ g SiO}_2$ sạch từ $20\text{ g}$ tro xỉ thô ban đầu (hiệu suất đạt $78%$).
    3. Đề tài Vương Mỹ Ngọc (HUTECH): Nghiên cứu tinh luyện $\text{SiO}_2$ từ tro trấu (Cần Giuộc, Long An) bằng phương pháp sinh học (ủ hiếu khí với phân urê, nước và chế phẩm vi sinh trong mô hình thùng xốp cách nhiệt cấp khí $10\text{ m}^3\text{/h/ống}$ liên tục trong 31 ngày).
  • So sánh 3 phương pháp:
    • Phương pháp nhiệt: Tách chiết nhanh, hiệu quả khả quan nhưng tiêu tốn năng lượng nung lớn và thời gian nung kéo dài.
    • Phương pháp hóa học: Thu được $\text{SiO}_2$ có độ tinh khiết cao, không còn cacbon nhưng tiêu tốn hóa chất kiềm/axit và phát sinh nước thải cần xử lý.
    • Phương pháp sinh học: Đầu tư thấp, xử lý khối lượng lớn, thân thiện môi trường nhưng hiệu suất và độ tinh khiết thu hồi $\text{SiO}_2$ chưa tối ưu bằng hai phương pháp trên.

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày chi tiết các bước thiết kế và quy trình triển khai thực nghiệm:

  • Chuẩn bị mẫu: Thu gom vỏ trấu và rơm rạ tại Huyện Châu Thành, tỉnh Bến Tre. Rơm và trấu được rửa sạch tạp chất đất cát, sấy khô sơ bộ.
  • Thực hiện 2 quy trình tinh chế $\text{SiO}_2$:
    • Tinh chế bằng PPN: Đưa trấu và rơm đã đốt sơ bộ vào lò nung chuyên dụng ở $950^\circ\text{C}$ cho đến khi thu được tro trắng đồng nhất; nghiền mịn và rây qua rây kích thước lỗ $0,25\text{ mm}$.
    • Tinh chế bằng PPHH: Hòa tan tro sơ bộ trong dung dịch $\text{NaOH } 5\text{M}$ (đun cách thủy), lọc tách bã than không tan, kết tủa dung dịch lọc bằng $\text{HCl } 2\text{M}$ tạo hydrogel, rửa sạch ion $\text{Cl}^-$, sấy $100^\circ\text{C}$ trong 24 giờ và nung ở $550^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, nghiền mịn qua rây $0,25\text{ mm}$.
  • Kiểm tra hoạt tính vật liệu: Xác định các chỉ tiêu độ ẩm, khối lượng thể tích, độ hấp thu nước và độ hấp thu vôi của 4 loại phụ gia ($\text{SiO}_2$ trấu PPN, $\text{SiO}_2$ trấu PPHH, $\text{SiO}_2$ rơm PPN, $\text{SiO}_2$ rơm PPHH).
  • Quy trình đúc mẫu và thử nghiệm cơ lý:
    • Chuẩn bị cấp phối vữa theo TCVN 6016:1995 với các tỷ lệ thay thế xi măng bằng phụ gia $\text{SiO}_2$ tinh chế.
    • Đúc vữa vào khuôn kích thước $40 \times 40 \times 160\text{ mm}$, đầm chặt, bảo dưỡng ẩm $24\text{ giờ}$ trước khi tháo khuôn, sau đó ngâm dưỡng hộ trong bể nước sạch.
    • Tiến hành thử nghiệm đo độ bền uốn và độ bền nén trên máy nén thủy lực, thu thập dữ liệu cường độ phá hủy của từng nhóm mẫu.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 4 tổng hợp các kết quả thực nghiệm và phân tích tương quan:

  • Hoạt tính của các mẫu phụ gia $\text{SiO}_2$ tinh chế: Đánh giá độ hấp thu vôi ($\text{mg CaO/g}$ mẫu) và độ hấp thu nước của 4 mẫu phụ gia. Các mẫu $\text{SiO}_2$ tinh chế từ trấu và rơm bằng cả hai phương pháp đều thể hiện hoạt tính puzolanic cao ($>150\text{ mg CaO}$), phản ứng tốt với $\text{Ca(OH)}_2$ tự do sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng.
  • Lượng nước tiêu chuẩn nhào trộn: Việc bổ sung $\text{SiO}_2$ tinh chế có độ mịn cao ($<0,25\text{ mm}$) làm tăng diện tích bề mặt riêng, dẫn đến nhu cầu lượng nước nhào trộn vữa tăng tỷ lệ thuận với hàm lượng phụ gia bổ sung.
  • Tính chất cơ lý của mẫu vữa:
    • Kết quả đo độ bền uốn và độ bền nén thực tế của các mẫu vữa thay thế xi măng bằng $\text{SiO}_2$ tinh chế từ trấu và rơm theo từng tỷ lệ phối trộn.
    • Hiệu chỉnh các giá trị cường độ chịu nén và chịu uốn về ngày tuổi chuẩn 28 ngày.
    • Phân loại Mác vữa dựa trên cường độ nén trung bình theo tiêu chuẩn xây dựng.
  • Xác định ngưỡng phối trộn tối ưu: So sánh cường độ cơ lý giữa mẫu vữa sử dụng $\text{SiO}_2$ từ trấu và rơm (theo PPN và PPHH) với mẫu vữa đối chứng xi măng thông thường. Xác định khoảng tỷ lệ phối trộn tối ưu nhằm nâng cao cường độ chịu lực của vật liệu mà vẫn đảm bảo tính công tác và độ ổn định thể tích của vữa.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  1. Xác định thành phần nguyên liệu: Chứng minh tro trấu ($90,21%\text{ SiO}_2$) và tro rơm rạ ($72,593%\text{ SiO}_2$) tại Bến Tre là nguồn nguyên liệu dồi dào, hàm lượng silic cao, đủ điều kiện để chiết xuất oxit silic làm phụ gia khoáng hoạt tính.
  2. Hiệu quả của hai quy trình tinh chế:
    • Đã tinh chế thành công 4 loại phụ gia $\text{SiO}_2$ dạng bột mịn lọt rây $0,25\text{ mm}$ từ vỏ trấu và rơm rạ bằng PPN ($950^\circ\text{C}$) và PPHH ($\text{NaOH } 5\text{M} / \text{HCl } 2\text{M} / 550^\circ\text{C}$).
    • Các mẫu $\text{SiO}_2$ tinh chế đều đạt chỉ tiêu hoạt tính puzolanic mạnh theo TCVN 3735-1982 (độ hấp thụ vôi vượt ngưỡng $150\text{ mg CaO/g}$ mẫu).
  3. Chế tạo mẫu vữa xây dựng: Đúc thành công các nhóm mẫu vữa kích thước $40 \times 40 \times 160\text{ mm}$, kiểm tra cường độ nén và uốn, hiệu chỉnh về 28 ngày tuổi và phân Mác vữa đạt tiêu chuẩn chất lượng theo TCVN 6016:1995.
  4. Xác định ngưỡng phối trộn: Thiết lập được khoảng tỷ lệ phối trộn tối ưu của phụ gia $\text{SiO}_2$ thay thế một phần xi măng Portland, giúp tăng cường độ nén của vữa so với mẫu đối chứng không pha phụ gia.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Tận dụng nguồn phế phẩm rơm rạ và vỏ trấu tại chỗ ở ĐBSCL để sản xuất phụ gia xây dựng, thay thế các loại phụ gia khoáng nhập khẩu, giảm giá thành vật liệu.
  • Giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước do xả trấu xuống sông rạch và ô nhiễm không khí do đốt rơm rạ ngoài đồng ruộng.
  • Áp dụng các biện pháp giảm phát thải $\text{CO}_2$ trong ngành công nghiệp xi măng bằng việc tăng tỷ lệ thay thế clinker bằng phụ gia khoáng hoạt tính tái chế.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu khi tiến hành song song việc tinh chế và so sánh trực tiếp $\text{SiO}_2$ từ cả hai nguồn phế phẩm (vỏ trấu và rơm rạ) bằng cả hai phương pháp (nhiệt và hóa học).
  • Đánh giá đầy đủ từ khâu xử lý nguyên liệu thô, kiểm tra hoạt tính puzolanic đến thử nghiệm cơ lý nén/uốn và phân Mác mẫu vữa xi măng theo đúng hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 3735-1982, TCVN 6016:1995).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:
    • Nguồn mẫu vỏ trấu và rơm rạ thực nghiệm chỉ giới hạn thu gom tại Huyện Châu Thành, tỉnh Bến Tre trong khung thời gian ngắn (từ 20/06/2016 đến 01/08/2016).
    • Đối tượng thử nghiệm cơ lý mới dừng lại ở dạng mẫu vữa xi măng kích thước $40 \times 40 \times 160\text{ mm}$, chưa khảo sát trên mẫu bê tông cốt liệu lớn hoặc các sản phẩm cấu kiện xây dựng không nung quy mô công nghiệp.
    • Phương pháp nhiệt đòi hỏi nhiệt độ nung cao ($950^\circ\text{C}$) gây tiêu hao năng lượng, trong khi phương pháp hóa học sử dụng nồng độ kiềm/axit cao ($\text{NaOH } 5\text{M}$, $\text{HCl } 2\text{M}$) phát sinh dung dịch thải chứa muối cần công đoạn trung hòa, xử lý.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu thiết kế các mô hình lò nung kiểm soát nhiệt độ chuyên dụng để thu hồi nhiệt năng phục vụ sấy hoặc phát điện đồng thời với quá trình tạo tro $\text{SiO}_2$.
    • Mở rộng thử nghiệm cấp phối trên bê tông chịu lực, bê tông chống thấm và bê tông bền trong môi trường xâm thực mặn/phèn tại ĐBSCL.
    • Hoàn thiện quy trình sinh học hoặc hóa học tuần hoàn dung môi nhằm giảm thiểu hóa chất thải bỏ và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế - môi trường.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn dữ liệu thực nghiệm tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Vật liệu Xây dựng, Quản lý Tài nguyên và Chất thải rắn:

  • Quy trình công nghệ: Tham khảo các bước xử lý, sơ chế vỏ trấu, rơm rạ và các thông số kỹ thuật chi tiết của phương pháp nhiệt (nung $950^\circ\text{C}$) và phương pháp hóa học (chiết $\text{NaOH } 5\text{M}$, kết tủa $\text{HCl } 2\text{M}$, sấy $100^\circ\text{C}$, nung hoạt hóa $550^\circ\text{C}$).
  • Phương pháp phân tích & thử nghiệm: Tham khảo phương pháp kiểm tra hoạt tính puzolan thông qua độ hấp thụ vôi theo TCVN 3735-1982 và phương pháp đúc mẫu, đo độ bền nén, uốn vữa xi măng theo TCVN 6016:1995.
  • Dữ liệu thực tế: Cung cấp các số liệu định lượng về thành phần hóa học của vỏ trấu, rơm rạ, tro vô cơ và clinker xi măng.

Câu hỏi thường gặp

1. Hàm lượng oxit silic ($\text{SiO}_2$) có trong tro vỏ trấu và tro rơm rạ được ghi nhận là bao nhiêu?
Theo số liệu phân tích trong đồ án, hàm lượng $\text{SiO}_2$ chiếm $90,21%$ trong tro vỏ trấu và chiếm $72,593%$ trong tro rơm rạ.

2. Đồ án đã sử dụng những phương pháp nào để tinh chế $\text{SiO}_2$ từ vỏ trấu và rơm rạ?
Đồ án đã thực nghiệm hai phương pháp:

  • Phương pháp nhiệt (PPN): Đốt sơ bộ rồi nung ở nhiệt độ $950^\circ\text{C}$ để loại bỏ hoàn toàn cacbon, thu tro trắng và rây qua rây $0,25\text{ mm}$.
  • Phương pháp hóa học (PPHH): Chiết tro bằng dung dịch $\text{NaOH } 5\text{M}$ (đun cách thủy), lọc tách bã cacbon, trung hòa bằng dung dịch $\text{HCl } 2\text{M}$ tạo hydrogel, rửa sạch ion $\text{Cl}^-$, sấy khô ở $100^\circ\text{C}$ trong 24 giờ và nung hoạt hóa ở $550^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, sau đó rây qua rây $0,25\text{ mm}$.

3. Hoạt tính puzolanic của phụ gia $\text{SiO}_2$ tinh chế được đánh giá dựa trên tiêu chuẩn và chỉ tiêu nào?
Hoạt tính puzolanic được kiểm tra theo TCVN 3735-1982 thông qua chỉ tiêu độ hấp thụ vôi. Mẫu được xác định có hoạt tính puzolan rất mạnh khi lượng vôi ($\text{CaO}$) bị hấp phụ đạt trên $150\text{ mg}$ trên mỗi gam mẫu thí nghiệm.

4. Mẫu vữa xi măng thực nghiệm trong đề tài có quy cách và cấp phối cơ sở như thế nào?
Mẫu vữa được đúc theo khuôn kích thước chuẩn $40 \times 40 \times 160\text{ mm}$ theo TCVN 6016:1995. Cấp phối cơ sở gồm $450\text{ g}$ xi măng Portland, $1.350\text{ g}$ cát tiêu chuẩn và $225\text{ g}$ nước sạch.

5. Nguồn nguyên liệu thực nghiệm được thu gom ở đâu và diễn ra trong khoảng thời gian nào?
Nguyên liệu vỏ trấu và rơm rạ được thu gom tại Huyện Châu Thành, tỉnh Bến Tre. Toàn bộ các thí nghiệm được thực hiện từ ngày 20/06/2016 đến ngày 01/08/2016 tại Phòng thí nghiệm Khoa CNSH – Thực phẩm – Môi trường thuộc Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Huỳnh Như đã giải quyết bài toán tái chế hai nguồn phế phẩm nông nghiệp dồi dào là vỏ trấu và rơm rạ tại Bến Tre thành phụ gia khoáng $\text{SiO}_2$ hoạt tính cao phục vụ sản xuất vật liệu xây dựng. Thông qua việc kiểm chứng thực nghiệm bằng cả phương pháp nhiệt và phương pháp hóa học, nghiên cứu đã chứng minh khả năng thu hồi $\text{SiO}_2$ có độ hấp thụ vôi vượt chuẩn TCVN 3735-1982, nâng cao cường độ cơ lý của vữa xi măng theo TCVN 6016:1995. Kết quả của đề tài đóng góp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng, mở ra giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường nông thôn và hướng tới sản xuất vật liệu xây dựng xanh, giảm phát thải khí nhà kính.