Đặt vấn đề: Sự thay đổi khí hậu và sự nóng lên của trái đất là một vấn đề môi trường được quan tâm nhiều nhất trong những thập niên vừa qua. Nguyên nhân của vấn đề này là do sự phát thải các chất khí độc vào khí quyển gây hiệu ứng nhà kính từ các hoạt động của con người. Trong các chất khí này thì CO2 chiếm khoảng 5 McCa rey, 2002), trong đó công nghiệp xi măng chiếm khoảng 4 vì cứ mỗi tấn clinker xi măng poóclăng sản xuất ra thì s thải khoảng 1 tấn khí CO2 ra ngoài khí quyển. Tuy nhiên, bê tông vẫn là vật liệu được sử dụng nhiều thứ hai trên thế giới sau nước và xi măng poóc lăng là chất kết dính chính để sản xuất bê tông.
Bên cạnh đó, theo báo cáo về độ bền của bê tông sử dụng xi măng poóclăng của nhiều công trình bê tông đặc biệt trong những môi trường ăn mòn thì bê tông bị phá hoại sau 20 - 30 năm mặc d chúng được thiết kế tuổi thọ hơn 50 năm (Mehta and Burrows, 2001). Đây là những vấn đề mà cả thế giới đang tìm cách giải quyết nhằm hướng đến “Phát triển bền vững”, “Sản xuất xanh”. Trước tình hình đó, trong lĩnh vực vật liệu xây dựng cần : Hạn chế sử dụng xi măng hay các vật liệu nung kết khối vì d ng nhiều xi măng đồng nghĩa với việc gián tiếp hủy hoại môi trường bởi việc khai thác nguyên liệu và quá trình sản xuất lại thải ra một lượng lớn khí CO 2 vào khí quyển. Tái chế và sử dụng phế thải công nghiệp làm phụ gia khoáng hoạt tính để cải thiện một số tính chất của xi măng cũng như cho bê tông về độ đặc chắc, tăng cường độ và độ bền.
Nghiên cứu chế tạo chất kết dính mới thân thiện với môi trường hơn nhằm thay thế xi măng cũng như tận dụng các phế thải công nghiệp. 2 Từ những yêu cầu đó, tôi chọn đề tài là nghiên cứu tổng hợp geopolymer từ xỉ thép và quan trọng hơn nữa là s góp phần giải quyết phế phẩm công nghiệp, bảo vệ môi trường. Tn ấ đề : Hiện nay, tại Việt Nam ngành công nghiệp luyện thép lò điện đang thải ra một lượng xỉ phế phẩm cực lớn mà nếu không được xử lý nó s gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Khu vực phía Nam, điển hình như tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu nơi được xem như là trung tâm luyện kim của cả nước với sản lượng phôi thép khoảng 3,75 triệu tấn/năm, khối lượng xỉ thép được dự báo khoảng 412.
Đây là nguồn chất thải công nghiệp khổng lồ, nếu giải quyết nó bằng cách chôn lấp s gây tốn kém hơn 10 triệu USD mỗi năm. Điều này vừa gây tốn quỹ đất, lãng phí nguồn tài nguyên vừa gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy, xử lý nguồn chất thải rắn công nghiệp luyện kim là một vấn đề lớn. Ngoài ra sự phát triển của đô thị kéo theo nhu cầu sử dụng xi măng tăng trong những năm gần đây, theo quy hoạch phát triển công nghiệp xi măng được Chính phủ phê duyệt lượng xi măng tiêu thụ trên cả nước vào năm 2020 ước tính đạt mức xấp xỉ 70 triệu tấn.
Khi sản xuất xi măng đạt sản lượng như ước tính s đồng thời thải ra một lượng lớn khí CO2 tương đương gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Với ảnh hưởng nghiêm trọng đến tài nguyên thiên nhiên và môi trường khí hậu trong việc chế tạo chất kết dính xi măng pooc lăng và thép như hiện nay, đã cho thấy chúng ta cần nghiên cứu một loại chất kết dính không phải xi măng pooc lăng và tận dụng nguồn tài nguyên bị bỏ quên cũng như các loại chất thải công nghiệp để sản xuất vật liệu xây dựng, giảm thiểu tác đông xấu của quá trình xây dựng đến tài nguyên và môi trường, tạo điều kiện phát triển vững bền. Mụ êu v ý ng ĩ đề tài: 1. Mục tiêu: Giải quyết vấn đề môi trường do xỉ thép.
Nghiên cứu tổng hợp và quá trình hình thành cấu trúc của vật liệu geopolymer từ xỉ thép. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của geopolymer xỉ thép. Ý ng ĩ k o ọc: Tạo ra một hướng ứng dụng khác của xỉ thép, tạo tiền đề cho các đề tài tiếp theo nhằm tìm ra cường độ tốt hơn và cách chế tạo vật liệu geopolymer hiệu quả hơn. Thúc đẩy những nghiên cứu về vật liệu “xanh” nhằm giảm những tác hại của việc sử dụng vật liệu truyền thống.
Góp phần vào các nghiên cứu nhằm giảm phát thải khí CO2 vào trong môi trường. Ý ng ĩ xã ội: Xỉ thép nếu không xử lý hợp lý s gây ô nhiễm môi trường, tốn diện tích chôn lấp, lãng phí tài nguyên. Vì vậy nghiên cứu chế tạo geopolymer từ xỉ thép s góp phần giải quyết các vấn đề của xỉ thép, bảo vệ môi trường, tiết kiệm tài nguyên quốc gia. 4 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN 2.
Tổng quan về geopolymer: 2. Địn ng ĩ : Geopolymer là thuật ngữ được nhà khoa học người Pháp Davidovits d ng vào năm 1979 để nói về polimer vô cơ mà đơn vị cấu trúc của nó là các tứ diện SiO4 và AlO4, chúng có thành phần hóa học giống eoolite nhưng có cấu trúc vô định hình (Palomo et al. Quá trình tr ng hợp là phản ứng hóa học nhanh chóng của khoáng alumina silicate dưới điều kiện kiềm, kết quả là tạo thành cấu trức không gian ba chiều gồm các liên kết Si-O-Al-O như sau Davidovits 1999): Mn [-(SiO2)z–AlO2] n. wH2O Trong đó: M: cation hoặc nguyên tố kiềm như Kali, natri, canxi.
n: là mức độ tr ng ngưng hoặc tr ng hợp. : là 1,2,3, hoặc cao hơn có thể lên đến 32. Cơ tổng hợp Geopolymer: Cơ chế tạo thành Geopolymer được đề xuất nhiều nhất gồm có 4 giai đoạn, các quá trình này diễn ra song song và do đó không thể phân biệt được [18]. Giai đoạn 1 :Hòa tan Si và Al từ vật liệu aluminosilicat rắn trong dung dịch kiềm mạnh: Sự hiện diện của nước trên bề mặt các ion kim loại trong các oxit aluminosilicat có thể kết hợp với phân tử nước và hình thành các bề mặt hydroxyl hóa được biết đến như các nhóm silanol (>Si-OH) và aluminol (>Al-OH).
Các nhóm này gồm có những bề mặt hoạt tính nơi mà các ion hydroxyl của dung dịch kiềm phản ứng hóa học tạo thành dạng bề mặt hóa học. Dưới một cơ chế phức tạp, những ion Si và Al được giải phóng từ bề mặt vào trong dung dịch, nơi chúng tạo thành dạng lỏng trong suốt phản 5 ứng phức tạp của ion hydroxyl hoàn thành theo cách này trong quá trình hòa tan. Sự hòa tan Si và Al từ vật liệu ban đầu có thể được mô tả bởi phương trình hóa học (1) : SiO2 , Al2O3 2MOH 5H 2O – Si OH 2 2 Al OH 4 2M 1 Trong đó: M là Na hoặc K. Trong dung dịch, sự hòa tan hóa học của khoáng Al-Si và vật liệu aluminosilicate nói chung thuận lợi khi ở trong khoảng gịá trị pH cao, tỉ lệ hòa tan của các vật liệu này tăng đáng kể khi pH dung dịch tăng.
Ngoài ra tỉ lệ hòa tan của vật liệu aluminosilicate phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt và diện tích bề mặt riêng của các hạt vì nó liên quan đến phản ứng hóa học dị thể đặc trưng. Giai đoạn 2 :Tạo thành các oligomer Si-Si hoặc Si-Al trong pha lỏng: Khi nồng độ của Si và Al trong pha lỏng tăng dần những phản ứng hóa học nào đó xảy ra giữa các phức hydroxyl. Kết quả của những phản ứng này tạo thành các tiền chất geopolymer là những dạng oligomer đa vòng hydroxyl phức hợp) bao gồm các liên kết polymer của Si-O-Si và Si-O-Al, được diễn tả bằng phương trình hóa học (2), (4): Si(OH)4 + Si(OH)4 ↔ (OH)3Si-O-Si(OH)3 (2) Si(OH)4 + Al (OH)3Si-O-Al(OH)3- (3) 2Si(OH)4 + Al (OH)3Si-O-Al-(OH)2- -O-Si(OH)3 +2H2O (4) Sự tồn tại của các silicate hòa tan trong dung dịch kiềm của hệ polymer tăng cường thêm sự tạo thành các dạng oligomer. Silicate hòa tan trong pha lỏng làm tăng nồng độ Si dịch chuyển chủ yếu ở phương trình 2) theo hướng hình thành nhóm Si- O-Si cũng như phương trình 3) và 4) theo hướng hình thành các nhóm oligomer Si- O-Al.
Vì vậy silicat kiềm được sử dụng trong tổng hợp geopolymer cung cấp các hệ oligomer cần thiết cho sự phát triển khung mạng geopolymer. Giai đoạn 3 :Quá trình đa trùng ngưng các oligomer tạo thành khung mạng aluminosilicat 3 chiều: 6 Sự tăng nồng độ các oligomer trong pha lỏng ảnh hưởng đến sự đa tr ng ngưng của chúng, do đó dẫn đến sự phát triển của một khung mạng 3 chiều của tứ diện SiO4, AlO4 được liên kết luân phiên bằng các ion oxy, được mô tả bằng phương trình hóa học (5a) và (5b): (5a) (5b) Phản ứng đa tr ng ngưng tạo liên kết hóa học trong các tiền chất geopolymer bằng cách loại bỏ đồng thời các phân tử nước. Quá trình này được gọi là sự trùng ngưng. Các oligomer có thể phản ứng với mỗi nhóm ion hydroxyl tạo thành các chuỗi phân tử hoặc các vòng phân tử và kết quả là tạo ra khung mạng không gian 3 chiều.
Sự tham gia của ion Al3+ vào trong mạng geopolymer bằng bốn phối trí với oxy phương trình 4) và 5)) tạo ra sự mất cân bằng điện tích. Do đó sự hấp thụ các ion ( Na+, K+, Li+, Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O+,…) trong các lỗ hổng cấu trúc gần khu vực các ion Al3+ để cân bằng điện tích trong mạng. Các liên kết phối trí đặc trưng trong Geopolymer [7]. 7 Giai đoạn 4:Liên kết các hạt rắn vào mạng geopolymer và đóng rắn toàn bộ hệ thống trong cấu trúc polymer rắn cuối cùng.
Khi cấu trúc polymer được phát triển trong pha lỏng, nó đi qua các bề mặt hoạt hóa của các hạt rắn nơi có thể tạo liên kết với các hạt không hòa tan trong cấu trúc polymer cuối c ng theo phương trình hóa học (6) : (6) Trong đó: T là Si hoặc Al. Các vị trí bề mặt họat hóa của các rắn, nơi có nhóm >T-OH trong phương trình ), đó là nhóm silanol >Si-OH) và aluminol (>Al-OH). Nó có thể là các chuỗi phân tử hoặc các vòng phân tử lớn trong cấu trúc polymer tạo nên loại liên kết >Si-O-Si hoặc >Si-O-Al ở các vị trí này, liên kết các hạt không tan trong mạng polymer. Sau đó, đóng rắn mạng lưới polymer, lượng nước thừa xuất hiện được loại bỏ từ các mạng polymer trong suốt quá trình bảo dưỡng, dẫn đến sự bền và cứng của vật liệu.
