Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HOÁ HỌC
*****&&& *****

BÙI THỊ TRANG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
ĐÓNG RẮN TỪ TRO BAY

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Người hướng dẫn khoa học
PGS. TS LÊ XUÂN THÀNH

HÀ NỘI - 2011

Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

1


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

LỜI NÓI ĐẦU

Khóa luận “Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay ” được
hoàn thành dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy PGS.TS. Lê Xuân Thành.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết
quả nêu trong khóa luận là trung thực, không trùng với các khóa luận khác đã
công bố. Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2011
Sinh viên
Bùi Thị Trang

Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

3


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .................................................................................................................................................. 1
Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT.................................................................................................. 2

1.1 Giới thiệu về tro bay

2

1.1.1 Nguồn cung cấp

2


8

1.3.4 Vấn đề vật liệu mới

10

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12
2.1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị sử dụng

12

2.2 Các phương pháp nghiên cứu 12

Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

4


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011
2.2.1 Phương pháp chế tạo mẫu

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa
12

2.2.2 Phương pháp đo độ xốp của vật liệu sau nung............................................................................... 12

2.2.3 Phương pháp xác định mođun silica của thủy tinh lỏng
2.3 Các phương pháp phân tích



25

3.3 Chế tạo vật liệu đóng rắn không nung từ tro bay và thủy tinh lỏng
3.3.1 Sử dụng thủy tinh lỏng TL0

25

25

3.3.2 Sử dụng thủy tinh lỏng TL1, TL2, TL3 ........................................................................................... 26
3.4 Khảo sát ảnh hưởng của một số chất phụ gia tới đặc tính của sản phẩm ........................................ ..28

Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

5


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Trữ lượng tro bay của một số nhà máy nhiệt điện Việt Nam 2
Bảng 1.2 Thành phần các oxit có trong tro bay của một số nhà máy
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên tắc máy đo độ bền nén

4


Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

6

32


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

MỞ ĐẦU
Ngày nay vấn đề ô nhiễm môi trường, cạn kiệt tài nguyên đang trở nên
cấp bách. Do đó yêu cầu đặt ra đối với các nhà khoa học, nhà sản xuất là phải
tìm ra những phương pháp để có thể thu hồi, tái sử dụng các loại chất thải, tạo
ra các sản phẩm có ích phục vụ đời sống xã hội. Việc làm này vừa mang hiệu
quả kinh tế vừa có ý nghĩa lớn đối với vấn đề bảo vệ môi trường.
Những năm gần đây, tro bay - phế thải của các nhà máy nhiệt điện đốt
than trở thành mối quan tâm lớn đối với các nhà sản xuất, nhà quản lí và của
cả cộng đồng. Tính đến năm 2015, tổng trữ lượng thải ra của các nhà máy
nhiệt điện đốt than lên tới 5 triệu tấn/năm. Với thành phần hạt có trọng lượng
nhẹ, kích thước hạt rất nhỏ - tương đương 1/3 hạt xi măng nên tro xỉ có thể
bay tự do trong không khí, gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng không nhỏ
đến đời sống, sinh hoạt của nhân dân.
Với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, việc thay thế
những vật liệu truyền thống bằng các vật liệu mới có tính ứng dụng cao đang
được giới khoa học quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong cuộc sống. Ở
nước ta, tro bay chủ yếu được dùng để làm phụ gia cho bê tông, tuy nhiên
lượng dư thừa còn rất lớn.
Từ nhận định trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu xử lý bã thải tro bay của

Bảng 1.1: Trữ lượng tro bay của một số nhà máy nhiệt điện Việt Nam

Tên nhà máy

Trữ lượng tro (triệu tấn)

Uông Bí

2,0 – 2,1

Phả Lại

3,8 – 4,8

Thái Nguyên

1,0 – 1,2

Việt Trì

0,9 – 1,0

Các nhà máy khác

2,3 – 3,0

Dự báo dến năm 2020 sẽ có thêm 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi
vào hoạt động . Lúc đó lượng tro bay sẽ còn tăng lên rất nhiều. Bên cạnh đó,
hàng loạt các lò cao ở các khu gang thép sử dụng nhiên liệu là than cũng thải
ra một lượng tro bay khá lớn. Từ đó có thể thấy tro bay là một chất thải rắn có

bột mịn, thường có dạng hình cầu có cỡ nhỏ hơn 0,075 mm. Tùy thuộc vào
công nghệ thu hồi, công nghệ đốt than mà thành phần các oxit có trong tro
bay của các nhà máy nhiệt điện là khác nhau. Cụ thể:

Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

9


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

Bảng 1.2: Thành phần các oxit có trong tro bay của một số nhà máy

Nhà máy
Thông số

Phả Lại 1,2

Uông Bí

Ninh Bình

SiO2

58,4

58,5


1,1

0,8

Na2O

0,4

0,1

0,2

K2O

4,3

2,6

4,3

SO3

0,3

-

0,3

Lượng mất


kéo dài tuổi thọ công trình, giá thành có thể rẻ hơn đến 30%, giảm 10% nước
trộn bê tông.
Tro bay làm phụ gia sản xuất xi măng bền sunfat, phụ gia cho bê tông
tự lèn đối với công trình đòi hỏi chịu lực cao. Với vữa trát tường có thể thay
thế 30-35% xi măng, tạo bề mặt mịn, tốt, chống thấm.
Sản xuất gạch blok (gạch không nung) có sử dung tro bay còn có thể
giảm lượng xi măng nhiều hơn nữa. Đặc biệt là trong bê tông đầm lăn “không
thể thiếu phụ gia tro bay”.
Ở một số nước phát triển trên thế giới, tro bay còn được dùng để chế
tạo zeolit, dùng để làm vật liệu hấp phụ trong việc xử lí nước thải chứa ion
kim loại nặng,…
Trong công trình này, tôi muốn tạo ra một lĩnh vực ứng dụng mới của
tro bay là sử dụng nó để chế tạo vật liệu đóng rắn, nhằm nâng cao hiệu quả
kinh tế của việc tái sử dụng tro bay, vừa giải quyết bài toán bảo vệ môi
trường.
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CHẤT KẾT DÍNH
1.2.1. Thủy tinh lỏng
Thủy tinh lỏng thu được do hoà tan thuỷ tinh silicat kiềm hệ hai cấu tử
Na2O - SiO2 hoặc K2O - SiO2 trong nước. Tỉ lệ phân tử SiO2: Na2O hoặc
SiO2 : K2O của thuỷ tinh được gọi là môđun silica (m) của TTL, thông thường
giá trị m = 2 - 4. Trong công nghiệp, TTL được sản xuất bằng cách nấu thủy
tinh từ cát và cacbonat kiềm (hoặc sunfat kiềm), sau đó nghiền nhỏ và hoà tan
trong nước (đun sôi ở áp suất thường hoặc hoà tan trong nồi hơi áp suất cao).
TTL được sử dụng trong các ngành công nghiệp xà phòng, giày vải, que hàn,
gốm sứ, vật liệu xây dựng, keo dán, .v.v...
Các phản ứng xảy ra khi điều chế thủy tinh lỏng:
SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2
Na2SiO3 + SiO2 → Na2Si2O5
Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay


chảy thường dùng là H3BO3, Na2B4O7.10H2O, B2O3, các muối của kim loại
kiềm K2CO3, Na2CO3, CaF2, Na2SiF6. Hàm lượng các chất trợ chảy trong phối
liệu thường khoảng 1 – 2%. Khi nung ở nhiệt độ khảo sát, các chất trợ chảy
nóng chảy tạo pha lỏng.

Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

12


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

Pha lỏng có độ nhớt có khả năng thấm ướt các hạt rắn phối liệu, thúc đẩy
phản ứng giữa chúng xảy ra nhanh hơn, cũng như có thể làm giảm thấp nhiệt
độ phản ứng cần thiết.
1.3. TỔNG QUAN LÍ THUYẾT VẬT LIỆU ĐÓNG RẮN
1.3.1. Vai trò của công nghệ vật liệu
Nhờ có lao động mà con người ngày phát triển và hoàn thiện vì vậy ở
đâu xuất hiện sự sống của loài người, thì kèm theo đó là sự xuất hiện của các
loại vật liệu. Vật liệu gắn liền với đời sống hàng ngày của con người đó là các
loại vật liệu được sử dụng để chế tạo các vật dụng sinh hoạt hàng ngày, chế
tạo các đồ trang trí, các công cụ lao động, vật liệu được sử dụng trong xây
dựng nhà cửa, các công trình giao thông, thuỷ lợi, các phương tiện đi lại.
Trong các ngành khoa học và công nghệ khác, cũng luôn tồn tại sự có
mặt của các loại vật liệu, sử dụng trong việc chế tạo thiết bị sản xuất công
nghiệp,vật liệu xây dựng nhà xưởng,…
Còn rất nhiều ứng dụng khác của vật liệu trong các lĩnh vực khác như
vật liệu sử dung trong y học, trong quân sự,…

con người, đó là khả năng cách nhiệt, cách âm, chống nóng, lạnh, chống nấm
mốc rong rêu…đảm bảo điều kiện sống tốt, hạn chế tối đa việc sử dụng các
năng lượng nhân tạo (điều hoà nhiệt độ, quạt máy, lò sưởi…).
Vật liệu xây dựng, theo thời gian ngày càng được cải thiện và phát triển
đáng kể, nhằm phù hợp với kiến trúc hiện đại. Từ những vật liệu dân gian
trước đây như rơm trộn bùn đất, tường trình dần được thay thế bằng gạch xỉ
vôi, vữa toocxi, rồi đến gạch đặc, ngói mũi hài sản xuất thủ công, thay thế bởi
gạch lỗ, tấm lợp, ngói tây… Các vật liệu kết cấu hiện đại ngày nay như
bêtông cốt thép, thép xây dựng đã thay thế dần cho những vật liệu tự nhiên
hoặc nhân tạo đơn giản trong kết cấu chịu lực chính, cũng như các cấu kiện
bao che. Tuy nhiên, các vật liệu này cũng còn cần phải cải tiến rất nhiều, để
đáp ứng những yêu cầu đặc biệt của kiến trúc. Với các vật liệu dùng trong
xây dựng các công trình giao thông, cần phải có khả năng chịu lực nén ép cao,
và tính bền trong các điều kiện thời tiết như nắng, mưa, nóng lạnh…
Nhằm giải quyết vấn đề nâng cao các tính năng cho vật liệu, các nghiên
cứu về vật liệu tập chung cho các hướng sau:
 Vật liệu cách nhiệt:
Hiện nay, ở các nước phát triển đã sản xuất được những sản phẩm cách
nhiệt. Tuy nhiên, việc sử dụng đại trà ở nước ta còn gặp nhiều khó khăn, nhất
là vấn đề kinh tế. Ngoài gạch và bê tông nhẹ còn có các chế phẩm hiện đại, có
nhiệt trở lớn, trọng lượng nhẹ của nước ngoài cũng được đưa đến Việt nam để
Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

14


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa


15


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

 Dung dịch phun thường có vật liệu nền, gốc silicat, có khả năng lấp các
lỗ rỗng, rỗ trong bêtông, tăng cường lực liên kết, trám các vết nứt chân chim
do co ngót.
 Ngoài ra hiện nay còn có thêm loại dung dịch trộn cùng với xi măng, bê
tông. Có cấu trúc siêu mịn và các tinh thể có khả năng hút nước, khi hút nước
tạo thành tinh thể hidrat trương lên và lấp đấy các khoảng trống trong bê tông
làm cho bê tông có khả năng ngăn chặn các phân tử nước xâm nhập, ngấm
vào bê tông.
 Vật liệu cao su Latex được trộn với hỗn hợp xi măng tạo ra màng phủ
cứng và đàn hồi sử dụng cho khu vệ sinh, tầng hầm, sàn mái, bể bơi và các
đường thoát nước.
1.3.4. Vấn đề vật liệu mới
Ngày nay, các loại vật liệu truyền thống, bao gồm vật liệu khai thác tự
nhiên, dân dã như đá ong, đá sò, đá xẻ…hay các vật liệu chế tạo thủ công, đã
không còn phù hợp trong xây dựng. Các loại vật liệu đương đại như bêtông,
sắt thép cũng cần nghiên cứu, hoàn thiện bổ sung những tính năng phù hợp
với yêu cầu. Song song với nó là việc tiến hành nghiên cứu và đưa vào sử
dụng các loại vật liệu và hoá phẩm xây dựng mới, hiên đại. Vật liệu xây dựng
mới đề cập ở đây là những vật liệu được nghiên cứu và sản xuất tại Việt Nam,
theo nguyên liệu mới, trên dây chuyền và công nghệ mới, và cả những vật
liệu có khả năng du nhập hoặc chuyển giao trong tương lai.
Một số loại vật liệu mới có triển vọng:
 Chất dẻo cốt sợi vô cơ:

chất độn khác, phụ gia, đem phối trộn với nhau, cho vào máy nén ép tạo hình,
sau đó đem sấy hoặc để phơi khô tự nhiên để thu được sản phẩm. Sản phẩm
có thể có trọng lượng nhẹ hơn gạch nung, có độ cứng, độ bền hóa tốt, mặt
khác phương pháp chế tạo lại được đơn giản hóa hơn, sẽ làm cho giá thành
sản phẩm có tính cạnh tranh cao. Sản phẩm này có thể sử dụng để xây nhà, lát
nền, gạch ốp tường, hoặc có thể sử dụng để xây dựng các công trình chịu môi
trường mặn…

Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

17


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

Chương 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG
 Nguyên liệu và hóa chất
- Tro bay lấy từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại.
- Đất sét Trúc thôn: Chí Linh – Hải Dương.
- Thủy tinh lỏng Việt Trì
- Các hóa chất: Na2SiF6, ZnO, HCl và các chất khác.
 Thiết bị
- Cân, lò nung, tủ sấy...
- Khuôn đóng rắn mẫu, bộ nén khi đóng mẫu và máy đo độ bền nén
- Thiết bị chụp giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại,…
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

hành chuẩn độ bằng dung dịch HCl 0,1N với chỉ thị phenolphtalein, khi
chuyển từ màu hồng sang không màu. Ghi chính xác thể tích dung dịch HCl
đã dùng.
Nồng độ Na2O được xác định theo công thức:
[ Na2O] 

2.[ HCl ].VHCl 250
(mol/l)
.
Vdd
5

 Xác định hàm lượng SiO2
Dùng pipet lấy 5 ml thủy tinh lỏng, thêm dần axit H2SO4 20% cho đến
khi dung dịch dư axit (thử bằng giáy đo pH).
Lọc rửa sạch kết tủa, sấy khô và nung ở 900°C trong 1 giờ.
Cân chính xác khối lượng chất rắn thu được, đó chính là khối lượng SiO2 có
trong 5ml thủy tinh lỏng.
Nồng độ SiO2 được xác định theo công thức:
[SiO2]=

mSiO2
60.Vdd

(mol/l)

Trong đó:
- mSiO là khối lượng của SiO2 thu được sau nung (g)
2



Trong đó: F: Tổng lực ép
S: Diện tích bề mặt bị ép
2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
- Nguyên tắc:
Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

20


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các
nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một quy luật xác
định. Khi chùm tia Rơnghen tới bề mặt tinh thể và đi vào bên trong mạng lưới
tinh thể thì mạng lưới này đóng vai trò như một cấu tử nhiễu xạ đặc biệt. Các
nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X tới sẽ tạo thành các tâm phát ra
các tia phản xạ. Mặt khác, các nguyên tử, ion này được phân bố trên các mặt
phẳng song song. Do đó, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai
mặt phẳng song song cạnh nhau được tính như sau:
 = BC + CD = 2dsin
Trong đó:
d: là độ dài khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song.
: là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ.

Hình 2.2: Sự nhiễu xạ tia X trên bề mặt tinh thể
Theo điều kiện giao thoa, để các sóng phản xạ trên hai mặt phẳng cùng pha
thì hiệu quang trình phải bằng số nguyên lần độ dài bước sóng.

hồng ngoại, các phân tử của các hơp chất hoá học dao động với nhều vận tốc
dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các
nhóm chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử hợp chất hoá học. Bởi
vậy phổ hồng ngoại của một hợp chất hoá học coi như "dấu vân tay", có thể
căn cứ vào đó để nhận dạng chúng.
Vùng bức xạ hồng ngại là một vùng phổ bức xạ điện từ rộng nằm giữa vùng
trông thấy và vùng vi ba, vùng này có thể chia thành 4 vùng nhỏ.
- Vùng tác dụng với phim ảnh: từ cuối vùng trông thấy đến 1,2Micro.
- Vùng hồng ngoại cực gần 1,2 - 2,5Micro (1200 - 2500Micromet).

Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

22


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

- Vùng hồng ngoại gần cũng gọi là vùng phổ dao động.
- Vùng hồng ngoại xa cũng gọi là vùng quay, ….. 25 đến 300,400Micro.
Phổ ứng với vùng năng lượng quay nằm trong vùng hồng ngoại xa, đo
đạc khó khăn nên ít dùng trong mục đích phân tích.
Như vậy phương pháp phân tích phổ hồng ngoại nói ở đây là vùng phổ nằm
trong khoảng 2,5 – 25 Micro hoặc vùng có số sóng 4000 - 400 cm-1.
Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao động
của các phân tử do đó là các thông tin về cấu trúc của các phân tử.
2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Phương pháp SEM (Scanning Electron Spectroscopy)

phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát
ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng
lượng cao trong các kính hiển vi điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ
Nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng rắn từ tro bay

24


Khãa LuËn Tèt NghiÖp – 2011

Bùi Thị Trang – K33D – Hóa

thuật này thường được viết tắt là EDS xuất phát từ tên gọi tiếng Anh EnergyDispersive Spectroscopy.
Kỹ thuật EDS chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử ở đó,
ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có
năng lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lượng lớn
được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương
tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tương tác này dẫn đến việc
tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên
tử theo định luật Mosley:

Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất
có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông
tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về
tỉ phần các nguyên tố này.
Có nhiều thiết bị phân tích EDS nhưng chủ yếu EDS được phát triển
trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các
chùm điện tử có năng lượng cao và được thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện
từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một
vùng rộng và được phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do đó ghi nhận