Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xử lý tro xỉ nhiệt điện bằng chất kết dính vô cơ trên cơ sở cao lanh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu nhằm xác định một số thành phần, tính chất của tro, xỉ, cao lanh; tổng hợp, phân tích và đánh giá chất kết dính vô cơ trên cơ sở cao lanh; nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối liệu đến khả năng đóng rắn tro xỉ; đánh giá một số tính chất cơ, lý, hóa của vật liệu sau đóng rắn; đánh giá khả năng gây ô nhiễm thứ cấp của vật liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xử lý tro xỉ nhiệt điện bằng chất kết dính vô cơ trên cơ sở cao lanh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ DUNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN BẰNG CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ TRÊN CƠ SỞ CAO LANH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2019
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ DUNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ TRO XỈ NHIỆT ĐIỆN BẰNG CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ TRÊN CƠ SỞ CAO LANH Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 8440112.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phƣơng Thảo PGS. TS Trần Hồng Côn Hà Nội - 2019
LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắ m xin m ơn TS Phương Th o, PGS. TS Trần Hồng Côn giao ề tài và tận tình hướng ẫn t o mọi iều i n tốt nh t trong suốt quá trình nghiên ứu và hoàn thành uận văn này. Em xin hân thành m ơn toàn th thầy ô trong Khoa Hóa họ Trường Đ i họ Khoa họ T nhiên Đ i họ Quố gia Hà Nội nhi t t nh gi ng y truyền t ho m nh ng iến thứ qu u trong suốt thời gian qua góp phần ho n thân em hoàn thành uận văn này ư tốt hơn. Em xin gửi ời m ơn tới thầy ô anh hị và n trong Ph ng th nghi m Hóa Môi trường Khoa Hóa họ Trường Đ i họ Khoa họ T nhiên giúp ỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập t i ây. Cuối cùng em xin c m ơn nhóm ề tài ĐT – CNMT. 01/17 gia nh và người thân t o mọi iều ki n tốt nh t về vật ch t ũng như tinh thần cho em hoàn thành tốt luận văn này. Em xin hân thành m ơn Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Dung
MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU…. ...............................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................2 1.1. Tổng quan tro xỉ nhiệt điện ...............................................................................2 1.1.1. Tình hình phát th i tro xỉ nhi t i n than ..........................................................2 1.1.2. Tình hình xử lý, tái chế, tái sử dụng tro xỉ ........................................................4 1.2. Cơ sở lý thuyết về polyme vô cơ và sự hình thành bê tông polyme ...............9 1.2.1. Cơ hế s hình thành geopolyme ......................................................................9 1.2.2. Cơ hế polyme hóa tr c tiếp ...........................................................................11 1.2.3. Cơ hế polyme hóa gián tiếp ...........................................................................12 1.2.4. Một số nghiên cứu và ứng dụng công ngh geopolyme .................................12 1.3. Tổng quan về cao lanh .....................................................................................14 1.3.1. Khái ni m chung .............................................................................................14 1.3.2. Thành phần, ch t ư ng cao lanh Vi t Nam ...................................................17 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM .............................................................................21 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu....................................................................21 2.2. Hóa chất và dụng cụ .........................................................................................21 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu.................................................................................24 2.3.1. X ịnh một số thành phần, tính ch t của nguyên vật li u ...........................24 2.3.2. Tổng h p ch t kết nh vô ơ trên ơ sở cao lanh – NaOH ............................32 2.3.3. Tổng h p ch t kết nh trên ơ sở cao lanh – Ca(OH)2 ..................................32 2.3.4. Nghiên cứu nh hưởng của tỷ l phối li u ến kh năng óng rắn tro xỉ .......32 2.3.5. Đ nh gi h năng gây ô nhiễm thứ c p của vật li u .....................................33 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................34 3.1. Thành phần, tính chất của nguyên vật liệu ...................................................34 3.1.1. Thành phần, tính ch t của tro bay và xỉ nhi t i n .........................................34 3.1.2. Thành phần chính một số mẫu cao lanh kh o sát ...........................................35
3.2. Các thông số của chất kết dính vô cơ .............................................................37 3.2.1. Ch t kết dính cao lanh – NaOH ......................................................................37 3.2.2. Ch t kết dính cao lanh – Ca(OH)2 ..................................................................41 3.3. Ảnh hƣởng của thành phần phối liệu và một số điều kiện đến khả năng đóng rắn tro xỉ .........................................................................................................45 3.3.1. Ảnh hưởng của hàm ư ng NaOH ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn .....................................................................................................................45 3.3.2. Ảnh hưởng của hàm ư ng Ca(OH)2 ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn .....................................................................................................................47 3.3.3. Ảnh hưởng của tỷ l hỗn h p NaOH/ Ca(OH)2 ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn .................................................................................................49 3.3.4. Ảnh hưởng của hàm ư ng ch t kết dính ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ..............................................................................................................51 3.3.5. Ảnh hưởng của tỷ l tro bay/ tro xỉ nhi t i n ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn .................................................................................................53 3.3.6. Ảnh hưởng của l ép ịnh h nh ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn .....................................................................................................................55 3.3.7. Ảnh hưởng của thời gian ưu ê tông tươi ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn .......................................................................................................56 3.3.8. Ảnh hưởng của thời gian ưu ưỡng ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn .....................................................................................................................57 3.4. Một số đặc tính hóa lý khác của vật liệu sau đóng rắn .................................58 3.5. Đặc trƣng cấu trúc một số vật liệu sau đóng rắn ..........................................62 3.6. Đánh giá khả năng gây ô nhiễm thứ cấp của vật liệu ...................................65 KẾT LUẬN ..............................................................................................................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................70
DANH MỤC BẢNG BIỂU B ng 1.1. Lư ng tro của các nhà máy phía Bắc -------------------------------------------4 B ng 1.2. S n ư ng và phần trăm sử dụng tro bay t i một số nước trên thế giới ----8 B ng 1.3. C ặ i m chính của khoáng vật nhóm kaolinit ------------------------- 16 B ng 2.1. Danh mục các hóa ch t sử dụng trong nghiên cứu-------------------------- 21 B ng 2.2. Danh mục dụng cụ, thiết bị sử dụng ------------------------------------------ 22 B ng 2.3. Thứ t và ịnh ư ng các ch t trong phân tích Al3+ ------------------------ 30 B ng 3.1. Thành phần hóa học của tro bay và tro xỉ của ba nhà máy nhi t i n Ph L i, Uông Bí và Thái Bình ----------------------------------------------------------------- 34 B ng 3.2. Thành phần nhôm, sắt, silic oxit và thông số khác trong mẫu caolanh -- 35 B ng 3.3. S phụ thuộc của ộ trương nở của cao lanh vào nồng ộ NaOH và thời gian ngâm ------------------------------------------------------------------------------------- 37 B ng 3.4. Ảnh hưởng của hàm ư ng NaOH ến nồng ộ aluminat và silicat t do trong ch t kết dính cao lanh - NaOH ------------------------------------------------------ 39 B ng 3.5. S phụ thuộc của ộ nhớt vào hàm ư ng NaOH --------------------------- 40 B ng 3.6. S phụ thuộc của ộ trương nở của ao anh vào hàm ư ng Ca(OH)2 và thời gian ngâm ------------------------------------------------------------------------------- 41 B ng 3.7. Ảnh hưởng của hàm ư ng Ca(OH)2 ến nồng ộ aluminat và silicat t do trong dung dịch ------------------------------------------------------------------------------ 42 B ng 3.8. Ảnh hưởng của hàm ư ng Ca(OH)2 ến ộ nhớt của ch t kết dính ----- 43 B ng 3.9. Ảnh hưởng của hàm ư ng NaOH và a on ư ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn-------------------------------------------------------------------- 45 B ng 3.10. Ảnh hưởng của hàm ư ng Ca(OH)2 và a on ư ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn -------------------------------------------------------------- 48 B ng 3.11. Ảnh hưởng của tỷ l hỗn h p kiềm NaOH - Ca(OH)2 và a on ư ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ------------------------------------------ 50 B ng 3.12. Ảnh hưởng của hàm ư ng ch t kết dính ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ------------------------------------------------------------------------ 52
B ng 3.13. Ảnh hưởng của tỷ l tro bay/xỉ tới ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn --------------------------------------------------------------------------------------- 53 B ng 3.14. Ảnh hưởng của l ép ịnh h nh ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ---------------------------------------------------------------------------------- 55 B ng 3.15. Ảnh hưởng của thời gian ưu ê tông tươi ến ường dộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ------------------------------------------------------------------------ 56 B ng 3.16. Ảnh hưởng của thời gian ưu ưỡng ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ----------------------------------------------------------------------------- 57 B ng 3.17. Một số ặc tính hóa lý khác của vật li u sau óng rắn ------------------- 59 B ng 3.18. pH pha nước khi ngâm vật li u sau óng rắn 28 ngày tuổi -------------- 66 B ng 3.19. Nồng ộ các ch t có kh năng gây ô nhiễm nước của vật li u tro xỉ sau óng rắn 28 ngày hi ngâm trong nước --------------------------------------------------- 68
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Tứ di n SiO4 và AlO4 ----------------------------------------------------------- 10 H nh 1.2. Cơ hế polyme hóa tr c tiếp --------------------------------------------------- 11 H nh 1.3. Cơ hế polyme hóa gián tiếp --------------------------------------------------- 12 Hình 1.4. C u trúc của cao lanh ----------------------------------------------------------- 15 H nh 2.1. M y nén và huôn ú vật li u ------------------------------------------------ 23 Hình 2.2. Máy nghiền trộn phối li u PTN ------------------------------------------------ 23 Hình 2.3. Hi n tư ng nhiễu x trên tinh th ---------------------------------------------- 24 Hình 2.4. Nguyên lý phổ tán x năng ư ng tia X -------------------------------------- 26 Hình 2.5. Nguyên lý phát huỳnh quang tia X ------------------------------------------- 27 Hình 3.1. Gi n ồ XRD tro bay và tro xỉ nhi t i n Ph L i -------------------------- 35 Hình 3.2. Gi n ồ XRD cao lanh Trúc Thôn M1 --------------------------------------- 36 Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng ộ NaOH ến kh năng trương nở của cao lanh theo thời gian --------------------------------------------------------------------------------- 38 Hình 3.4. Ảnh hưởng của hàm ư ng NaOH ến nồng ộ aluminat và silicat t do -------------------------------------------------------------------------------------------------- 39 Hình 3.5. Ảnh hưởng của hàm ư ng NaOH ến ộ nhớt của dung dịch (120 giờ) 40 Hình 3.6. Ảnh hưởng của hàm ư ng Ca(OH)2 ến kh năng trương nở của cao lanh theo thời gian --------------------------------------------------------------------------- 42 Hình 3.7. Ảnh hưởng của hàm ư ng Ca(OH)2 ến nồng ộ aluminat và silicat t do trong dung dịch --------------------------------------------------------------------------- 43 Hình 3.8. S phụ thuộc của ộ nhớt vào hàm ư ng Ca(OH)2 ------------------------ 44 Hình 3.9. Ảnh hưởng của hàm ư ng NaOH và a on ư ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn-------------------------------------------------------------------- 46 Hình 3.10. Ảnh vật li u sau óng rắn bằng ch t kết nh trên ơ sở cao lanh – NaOH ------------------------------------------------------------------------------------------ 46 Hình 3.11. Ảnh hưởng của hàm ư ng Ca(OH)2 và a on ư ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn -------------------------------------------------------------- 48 Hình 3.12. Ảnh vật li u sau óng rắn bằng ch t kết dính cao lanh – Ca(OH)2------ 49
Hình 3.13. Ảnh hưởng của tỷ l hỗn h p NaOH – Ca(OH)2 và a on ư ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ------------------------------------------ 50 Hình 3.14. Ảnh vật li u sau óng rắn bằng ch t kết dính cao lanh kiềm hỗn h p NaOH – Ca(OH)2 ---------------------------------------------------------------------------- 51 Hình 3.15. Ảnh hưởng của hàm ư ng ch t kết nh ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ------------------------------------------------------------------------ 52 Hình 3.16. Ảnh hưởng của tỷ l tro bay/xỉ tới ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn --------------------------------------------------------------------------------------- 54 Hình 3.17. Ảnh hưởng của l ép ịnh h nh ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ---------------------------------------------------------------------------------- 55 Hình 3.18. Ảnh hưởng của thời gian ưu ê tông tươi ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ------------------------------------------------------------------------ 56 Hình 3.19. Ảnh hưởng của thời gian ưu ưỡng ến ường ộ kháng nén của vật li u sau óng rắn ----------------------------------------------------------------------------- 58 Hình 3.20. H số hóa mềm và ộ hút nước của một số mẫu vật li u sau óng rắn - 61 Hình 3.21. Hình nh chụp SEM của một số mẫu vật li u ------------------------------ 63 Hình 3.22. Ảnh SEM - EDX mẫu TXCXV2 (15%C) ---------------------------------- 63 Hình 3.23. Ảnh SEM - EDX mẫu TXCXV3 (15%C) ---------------------------------- 64 Hình 3.24. Ảnh SEM - EDX mẫu TXCXV4 (15%C) ---------------------------------- 64 Hình 3.25. Gi n ồ XRD tro xỉ và một số mẫu vật li u sau óng rắn ---------------- 65 H nh 3.26 . pH pha nước khi ngâm vật li u sau óng rắn 28 ngày tuổi -------------- 67
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ch viết tắt Tiếng Vi t Tiếng Anh ASTM Hi p hội vật i u và thử American Society for Testing and nghi m Hoa Kỳ Materials BTCL Bê tông hịu ửa EDX T n x năng ư ng tia X Energy Dispersive X-ray Spectrometry MKN Hàm ư ng m t hi nung P Cường ộ h ng nén (Mpa) PTN Ph ng th nghi m QCVN Quy huẩn Vi t Nam SEM Hi n vi i n tử quét Scanning Electron Microscopy TCVN Tiêu huẩn Vi t Nam TKPT Tinh hiết phân t h XRD Nhiễu x tia X X-Ray diffraction XRF Huỳnh quang tia X X-ray fluorescence
MỞ ĐẦU Tính ến ầu năm 2019 th o thống ê ủa Tổng ụ năng ư ng Bộ Công thương với 23 nhà m y nhi t i n h y than trên toàn quố ang ho t ộng ư ng tro xỉ th i ra hàng năm ho ng 15 tri u t n và ến năm 2022 với 43 nhà m y th ư ng tro xỉ tương ương hàng năm à ho ng 29 tri u t n. Th o số i u thống ê h th ến ầu năm 2017 số ư ng này à ho ng trên 20 tri u t n. Nguy ơ hông ủ i hứa “vỡ trận” gây ô nhiễm môi trường à hi n h u. Cũng th o thống ê trên th hi n t t ơ sở sử ụng tro xỉ àm vật i u hông nung nền ập thủy i n ường giao thông è ờ... mới hỉ tiêu thụ ư ho ng 3 – 4 tri u t n/năm. Vi sử ụng tro xỉ nhi t i n hi n nay gặp nhiều hó hăn về nhiều mặt; ó à ph i o i ỏ than ư xuống ưới 5% mới ó th sử ụng ư . C hó hăn h t ộng ến h năng t i sử ụng rộng r i tro xỉ à vi vận huy n và tăng gi thành hi uôn uôn ph i ết h p ùng với xi măng óng rắn. Do iều i n ặ thù ủa Vi t Nam, ông ngh ốt và h t ư ng than r t h nhau gi a nhà m y nên ư ng than ư trong tro xỉ ao hông ồng ều và s phối ết h p gi a ngành hưa tốt... ho nên xử t i sử ụng tro xỉ nhi t i n ần ph i ó gi i ph p ơn gi n hơn gi thành rẻ hơn hông ần ph i tuy n nổi o i than ư ưới 5% và hông ần sử ụng xi măng àm t nhân hóa rắn. Công ngh sử ụng h t ết nh vô ơ hông qua thiêu ết (thường gọi à po ym vô ơ) ó th p ứng ư yêu ầu trên; o ông ngh này sử ụng h t ết nh vô ơ iều hế từ ho ng h t ó sẵn trong t nhiên hứa Si A F Mg... trong môi trường ó ộ iềm h nhau. C h t ết nh này ứng hóa vật i u ở rời th o ơ hế ết nh và ao ọ h t vật i u với nhau trong iều i n hông nướ ( hô) ằng iên ết phân tử àm ho vật i u rắn hắ và ền v ng th o thời gian. Xu t ph t từ nh ng iều trên ề tài uận văn này ư th hi n với tiêu ề “Nghiên cứu xử lý tro xỉ nhiệt điện bằng chất kết dính vô cơ trên cơ sở cao lanh.” 1
CHƢƠNG 1 . TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan tro xỉ nhiệt điện Trong nhà m y nhi t i n sau qu tr nh ốt h y nhiên i u than phần phế th i rắn tồn t i ưới hai ng: phần xỉ thu ư từ y và phần tro gồm h t r t mịn ay th o h ống hói ư thu hồi ằng h thống thu gom ủa nhà m y nhi t i n. Ở một số nướ tùy th o mụ h sử ụng mà người ta phân o i tro ay th o o i h nhau. Th o tiêu huẩn DBJ08 – 230 – 98 ủa thành phố Thư ng H i tro ay ư phân àm hai o i à tro ay ó hàm ư ng anxi th p và tro ay hàm ư ng ao. Th o h phân o i ủa Cana a tro ay ư hia àm a o i:  Lo i F: hàm ư ng CaO t hơn 8%  Lo i CI: hàm ư ng CaO ớn hơn 8% nhưng t hơn 20%  Lo i C: hàm ư ng CaO ớn hơn 20% Trên thế giới hi n nay thường phân o i tro ay th o tiêu huẩn ASTM C618 [15]. Th o phân o i này th phụ thuộ vào thành phần h p h t mà tro ay ư phân àm hai o i à o i C và o i F:  Tro ay o i F hi tổng hàm ư ng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) ớn hơn 70%  Tro bay o i C hi tổng hàm ư ng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) nhỏ hơn 70% Tro ủa nhà m y nhi t i n gồm hủ yếu s n phẩm t o thành từ qu trình cháy, phân hủy và iến ổi ủa h t ho ng ó trong than . Thông thường tro ở y (xỉ) hiếm ho ng 25% và tro ay hiếm ho ng 75% tổng ư ng tro th i ra. Thành phần hóa họ ủa tro ay phụ thuộ vào nguồn nguyên i u than sử ụng ốt và iều i n ốt h y trong nhà m y nhi t i n [3]. 1.1.1. Tình hình phát thải tro xỉ nhiệt điện than Trên thế giới, yêu cầu về năng ư ng ư p ứng chủ yếu từ các nhà máy nhi t i n sử dụng than ốt. Vi này ũng ẫn ến v n ề phát th i ra môi trường ngày àng tăng của ch t th i rắn từ các nhà máy nhi t i n ốt than ặc bi t là tro xỉ. C nướ ứng ầu thế giới về số ư ng phát th i tro xỉ gồm Ấn ộ, Trung Quốc, Hoa Kỳ, Liên minh châu Âu. 2
T i Ấn Độ, kho ng 80 – 100 tri u t n tro ay ư c t o ra hàng năm từ kho ng 75 nhà m y trong ó hơn 10 tri u t n từ các nhà máy nhi t i n công su t th p. Lư ng tro từ các nhà máy nhi t i n t i Ấn ộ tăng ùng với ư ng i n năng s n xu t, từ 75 tri u t n năm 1995 ên 90 tri u t n, 110 tri u t n trong năm 2000, 2010 và d o n tăng ên 140 tri u t n vào năm 2020. Với hàm ư ng tro trung bình là 40%, và theo d báo tiêu thụ than trong 5 năm tới kho ng 285 tri u t n, các nhà máy nhi t i n sẽ t o ra ư ng tro xỉ (tro bay cộng tro xỉ) d kiến sẽ kho ng 115 tri u t n mỗi năm [13]. T i Trung Quốc, theo thống kê, tổng ư ng tro xỉ ở Trung Quố năm 2002 là 150 tri u t n. Lư ng tro bay t o ra trong ướ t nh ến năm 2020 sẽ là 570 ~ 610 tri u t n [19]. T i Hoa Kỳ, tổng ư ng tro bay t o ra hàng năm ên ến 26,5 tri u t n, với xu hướng tiếp tụ tăng [30]. Nga ứng thứ hai thế giới về tr ư ng than với kho ng 173 tỷ t n. Hàng năm nhà m y i n ốt than t i Nga s n xu t hơn 75 tri u t n tro xỉ và chỉ kho ng 11% ư c sử dụng, chủ yếu ở d ng vật li u xây d ng thứ c p. Hầu hết các nhà m y ũ ủa Nga ưới thời liên bang Xô viết ều tách lo i tro xỉ th o phương ph p ướt, tro than sau ó thường xuyên ư ổ tr c tiếp vào các con sông và hồ. Do ó phần lớn nỗ l c của Nga hi n t i iên quan ến làm s ch v n ề ô nhiễm tro xỉ l i từ thời Xô viết [20]. Nhật Bản à t nước d a hoàn toàn vào than nhập khẩu s n xu t i n và ngành công nghi p. Hàng năm ư ng tro xỉ t o ra là 8,54 tri u t n [20]. T i Úc và New Zealand ư ng tro trong năm 2002 ên ến 12,5 tri u t n [20]. Tại Việt Nam, ến cuối năm 2018 có tổng cộng 23 nhà máy nhi t i n ho t ộng trong ó ó 13 nhà m y sử dụng công ngh ốt than phun, 10 nhà máy sử dụng công ngh ốt than tầng sôi. Tổng công su t nhi t i n 13.110 MW. Tổng ư ng tro, xỉ th c tế ph t sinh năm 2016 ho ng 15.784.357 t n/năm trong ó tro xỉ ốt theo công ngh than phun PC là 10.681.896 t n/năm hiếm kho ng 68%, công ngh ốt than tầng sôi là 5.102.461t n/năm hiếm kho ng 32%. Tổng ư ng tro, xỉ, th ch cao hi n ang tồn t i các bãi chứa kho ng 22.705.558 t n. D kiến ến 3
năm 2020 nước có thêm 12 d án nhi t i n than i vào ho t ộng, sẽ th i ra kho ng 22,6 tri u t n tro, xỉ, th ch cao mỗi năm. Nguy ơ hông ủ bãi chứa, gây ô nhiễm môi trường. Th c tế ư ng tro xỉ, th ch cao th i ra từ các nhà máy nhi t i n lớn hơn lư ng ang tồn tr , s chênh l h ư ng phát th i và ư ng trên bãi chứa là do th c tế có nhà máy nhi t i n tiêu thụ ư c kho ng 25% -30% hoặc tiêu thụ hết ư ng tro, xỉ ư c th i ra hoặ ó ơn vị hưa tiêu thụ ư c. Lư ng tro xỉ phát sinh từ các nhà máy nhi t i n than rơi vào ho ng 15 tri u t n/ năm trong ó ư ng phát th i tập trung chủ yếu t i khu v c miền Bắc (chiếm 60% tổng ư ng th i), miền Trung chiếm 21% và miền Nam chiếm 19% tổng ư ng th i. Th o h o s t ủa ngân hàng h p t quố tế Nhật B n (JBIC) hỉ t nh riêng nhà m y nhi t i n ph a Bắ thuộ EVN th ư ng tro th i ra hàng năm ên ến 637 600 t n. Bảng 1.1. Lượng tro của các nhà máy phía Bắc Tên nhà máy Công suất Lƣợng tro (MW) (Tấn/năm) Ph L i 1 400 188 000 Ph L i 2 600 249 000 Ninh Bình 100 37 000 Uông Bí 100 39 000 Uông B mở rộng 300 124 600 Tổng số 637 600 Từ các số li u thống kê trên, mỗi năm ó hàng trăm tri u t n tro xỉ ư c th i ra từ nhi t i n than và hưa ư c các nhà máy nhi t i n xử lý tri t . 1.1.2. Tình hình xử lý, tái chế, tái sử dụng tro xỉ Trên thế giới, tro ay ư c sử dụng r t thành công trong ngành công nghi p ê tông hơn 50 năm qua. Ở Mỹ ó hơn 6 tri u t n và ở hâu Âu à hơn 9 tri u t n ư c sử dụng trong xi măng và ê tông [21]. Có nhiều d án lớn trong 4
thời gian gần ây sử dụng bê tông tro bay, bao gồm ập ngăn nước, các nhà m y i n, các công trình ngoài bi n ường hầm ưới bi n ường cao tốc, sân ay t a nhà thương m i hay ân ư ầu ường ống dẫn,... T i Liên minh châu Âu, vi c sử dụng tro bay trong ngành xây d ng hi n ang hiếm kho ng 46% và tro xỉ chiếm ~ 41%; trong phần lớn trường h p, tro xỉ ư c sử dụng như một nguồn thay thế các nguồn tài nguyên sẵn ó và o ó mang l i l i ích môi trường bằng cách tránh s khai thác mỏ. Tái sử dụng tro xỉ ũng giúp gi m nhu cầu năng ư ng và gi m ư ng khí th i vào khí quy n. Chúng ư c sử dụng rộng rãi ứng dụng chủ yếu trong ngành xây d ng như s n xu t bê tông hay như à một ch t thay thế xi măng tro xỉ ũng ư c sử dụng như à một ch t kết dính hoặ t ường, hoặc làm ch t khoáng và phân bón [20]. Trong ph m vi các quốc gia thành viên, không có quy tắc chung về vi c sử dụng tro xỉ, các quốc gia khác nhau có cách tiếp cận phương n sử dụng tro xỉ khác nhau. Ví dụ như tại Đức, trung bình s n xu t 4,3×106 t n tro bay một năm với xu hướng ngày càng tăng. Trong giai o n 1997 – 2005 gần như 100% ư ng tro ay ư c tái chế chỉ với nh ng thay ổi nhỏ trong ĩnh v c ứng dụng. Hơn 50% tro ay ư c sử dụng cho bê tông trộn sẵn. Khu v c ứng dụng lớn thứ hai với kho ng 17% là làm vật li u xây d ng khô và trong khai thác mỏ với ư ng x p xỉ 12% [30]. Đến năm 2008 tổng ư ng các s n phẩm từ ốt than ủa nhà máy nhi t i n ở Châu Âu là 58 tri u t n trong ó tro ay hiếm gần 68% tương ương kho ng 39 tri u t n. Kho ng 18 tri u t n tro ay ư c sử dụng trong công nghi p xây d ng và san l p hầm mỏ. Phần lớn tro bay làm phụ gia bê tông, kết c u ường và làm vật li u s n xu t clinker xi măng. Tro ay ũng ư c sử dụng trong xi măng trộn, bê trong khối và làm ch t iền l p [23]. T i Hoa Kỳ, vi c sử dụng tro xỉ và th ch cao tổng h p ũng tăng ên với kho ng 7,6 tri u t n ư c sử dụng hàng năm cho công vi ường xá, kè cống và kết c u. Lư ng tro xỉ hông ư c tận dụng thường ư c chôn l p, mặc dù mứ ộ có sẵn bãi chôn l p thay ổi gi a các vùng. Vi c sử dụng tro bay t i Hoa kỳ có khác bi t rõ ràng gi a các ti u bang [20]. Cơ quan B o v Môi trường Hoa Kỳ (EPA. 2014) ưa ra quy ịnh liên ang ầu tiên về vi c th i bỏ tro xỉ. Th o hướng 5
dẫn mới, các nhà máy nhi t i n ốt than của Mỹ ph i tr tro xỉ ở các bãi chôn l p và bãi th i phù h p với các tiêu chuẩn c u trúc tối thi u. Theo Hi p hội tro xỉ than Hoa Kỳ (ACAA) trong năm 2013 53 tri u t n ư c t o ra trong ó 23 tri u t n ư c tái sử dụng. Trong số các phần không sử dụng, EPA cho biết 36% ư ưu gi t i bãi chôn l p và 21% trong ơ sở ưu tr ướt [30]. T i Úc và New Zealand ư ng tái sử dụng tro xỉ t 4,1 tri u t n (chiếm 32,8%). Các ứng dụng chính gồm s n xu t xi măng (1 35 tri u t n), các ứng dụng hông xi măng (0 47 tri u t n), và 2,28 tri u t n sử dụng trong các d n như xây d ng ường bộ, l p ầy mỏ và các ứng dụng khác. Tuy nhiên, vi c sử dụng tro xỉ vẫn còn h n chế do các rào c n như s cô lập về ịa lý của một số nhà m y i n và quy ịnh và luật pháp phối h p kém [20]. Cũng như nhiều quốc gia trên thế giới hàng trăm nhà m y nhi t i n trên khắp lãnh thổ Trung Quốc th i ra hàng trăm tri u t n tro bay mỗi năm [16]. Do vậy, chính phủ Trung Quốc r t khuyến khích phát tri n các công ngh iên quan ến vi c sử dụng tro bay. Một vài thành phố sử dụng r t tốt tro bay trong nh ng năm gần ây như thành phố Nam Ninh. Năm 2005 ư ng tro ay ư c sử dụng ở thành phố này vư t qua c ư ng tro ay ư c t o ra. Tuy nhiên, Nam Ninh chỉ là một trường h p ngo i l . Tỷ l sử dụng tro xỉ kho ng 10% vào nh ng năm 1980 trong nh ng năm 1990 tỷ l này t trên 53%. Theo thống kê, tổng ư ng tro xỉ ở Trung Quố năm 2002 à 150 tri u t n trong ó ho ng 100 tri u t n ư c sử dụng. T i Nam Kinh Thư ng H i từ năm 1997 tro ay ư c tái sử dụng 100%, phần lớn là àm t ót ường và vật li u t m. Ở các khu v ang ph t tri n, v n ề ũng ang ư c gi i quyết. T i tỉnh Hà Nam ho ến năm 2005 ư ng tro bay tồn ọng là 130 tri u t n trong ó 34 tri u t n, kho ng một nửa ùng s n xu t xi măng [19]. Ở Trung Quốc từ năm 2007 từng ước c m s n xu t g h t sét à ơ hội gi i quyết v n ề xử lý tro bay, sử dụng tro bay s n xu t g h thay ho t sét. Tro bay ở Trung Quố ư c sử dụng trong ĩnh v c chủ yếu sau: Các s n phẩm bê tông (phụ gia ho xi măng v a, bê tông, g ch,...); xây d ng ường giao thông; xây d ng c ng; c i t o t trồng; xử lý ô nhiễm nước; sử dụng l p các mỏ hay 6
vùng t lớn hơn ọc theo bờ bi n. Ngoài ra tro ay n ư c sử dụng cho một vài ứng dụng h như tổng h p zeolit, ch t gia ường cho cao su [19]. T i Nhật Bản, hàng năm ư ng tro xỉ t o ra ư c sử dụng là 7 tri u t n chiếm 82% s n ư ng trong ó ho ng 78% ư ng tro ư c s n xu t bởi các nhà máy nhi t i n ư c sử dụng. Ngành xi măng hiếm tỷ trọng lớn nh t với 71% (4,89 tri u t n) trong tổng số. Ngoài vi c sử dụng phổ biến trong s n xu t xi măng và bê tông, nhiều mụ h sử dụng h ũng ang ư c khuyến khích và phát tri n [20]. T i Ấn Độ, Mứ ộ sử dụng tro ay tăng ng từ ưới 10% vào năm 2000 ến nay t ~ 40%, trong số này, 19 tri u t n ư c sử dụng cho s n xu t xi măng và phần còn l i chủ yếu thử nghi m ót ường. Vi c s n su t xi măng từ tro bay với hàm ư ng hông qu 35% giúp Ấn ộ tiêu thụ kho ng 25 tri u t n tro bay thay vì sử dụng cùng một ư ng xi măng in r và giúp tiết ki m 25 tỉ Rs. Vi n Nghiên cứu Nhiên li u Trung ương Dhan a ph t tri n công ngh sử dụng tro ay s n xu t g ch xây d ng với ư ng tiêu thụ tro ay ư c kho ng 40-70%. Như vậy trong trường h p khi kỹ thuật s n xu t g ch từ tro bay ch p nhận ư c, gi i pháp này sẽ kh thi về kinh tế và thân thi n với môi trường. Với mục tiêu s n xu t ít nh t 2 tỷ viên g ch từ tro bay mỗi năm sẽ góp phần tiêu thụ kho ng 5 tri u t n tro ay/năm. Bên nh ó à sử dụng trong nông nghi p. Tro bay giúp c i thi n tính thẩm th u của t; c i thi n tình tr ng sức khoẻ của t năng su t cây trồng, kết c u t; gi m mật ộ khối ư ng t; c i thi n kh năng gi nướ / ộ xốp; tối ưu hóa giá trị pH; cung c p các ch t vi ư ng như F Zn Cu Mo B Mn; ung p các ch t inh ưỡng như K P Ca Mg S vv… ho t ộng như một ch t thay thế cho th ch cao giúp phục hồi t cát kiềm và vôi [13]. Chính phủ nướ này ó nhiều quy ịnh nâng cao nhận thức về l i ích của vi c sử dụng tro bay cho các s n phẩm khác nhau [16, 25]. Tro bay là một nguyên li u tiềm năng tuy t vời cho s n xu t vật li u xây d ng như xi măng pha trộn, g ch tro bay, g h ốp t và hối rỗng trong xây d ng. Chúng ư c ứng dụng mô ươ g ớn r i ường, xây d ng kè, và san l p hầm mỏ. S n phẩm tro 7
bay có nhiều l i thế hơn so với các s n phẩm thông thường. Lư ng xi măng sử dụng trong s n xu t s n phẩm xây d ng có th gi m bằng cách thay thế bằng tro bay và ư ng tro bay thay thế có th ên ến 50%. Nh ng s n phẩm chứa tro ay ó ộ bền cao, hi u qu hơn và tiết ki m ng nguyên li u. Vi c sử dụng tro bay ở Ấn Độ t o ra ông ăn vi c làm cho kho ng 3.000 ao ộng [26]. Bảng 1.2. Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay tại một số nước trên thế giới S n ư ng tro bay TT Nước s n xu t Tro bay sử dụng (%) hằng năm (tri u t n) 1 Trung Quốc (2010) 480 67 2 Ấn Độ (2012) 131 54 3 Mỹ (2010) 70 45 4 Đức 40 85 5 Anh 15 50 6 Australia 10 85 7 Canada 6 75 8 Pháp 3 85 9 Đan M ch 2 100 10 Ý 2 100 11 Hà Lan 2 100 Tại Việt Nam, Các nhà máy Nhi t i n không có chủ trương hai th tro hoặ hông ó iều ki n khai thác, nhân dân quanh khu v c các bãi xỉ than ang khai thác một cách t phát, chủ yếu là làm g ch xây nhà bằng cách trộn với xi măng và nướ . Lư ng khai thác t phát này r t nhỏ và không nên khuyến khích vì các lý o an ninh và môi trường. Ví dụ như vi c sử dụng tro làm nền ường, g ch sân phơi ngói p nhà v.v một cách có tổ chứ m b o an ninh, v sinh và có s tham gia của chuyên gia. Mặt khác, hi n nay ở trong nước có một số nhà m y ó nh ng bi n pháp thu hồi và s n xu t g ch không nung từ tro xỉ ư c xây d ng vận hành ở gần một số nhà máy nhi t i n. Nhà máy Chế biến tro xỉ Cao Cường có công su t 80.000 t n s n phẩm/năm (sử dụng nguồn tro xỉ của Nhà m y Đi n Ph L i). 8
Trong năm 2017 ư ng tro xỉ tiêu thụ t gần 4 tri u t n, chiếm kho ng 30% ư ng ph t sinh trong ó miền Bắc tiêu thụ kho ng 3,25 tri u t n. Hàng tri u t n tro xỉ than ư c th i ra từ nhà m y nhi t i n Vi t Nam. Hầu hết ư ng tro này ư c trộn với nướ và ơm ra ngoài i th i. Mà tro xỉ ở nhà m y nhi t i n trên thuộc lo i F, không ph n ứng với nướ . Lư ng than hưa ốt cháy hết còn nhiều nên không th áp dụng vi c trộn tro ay vào xi măng kết tinh như xi măng Port an ư c. Mặt khác khi s n xu t một t n xi măng sẽ th i ra kho ng một t n khí CO2 v vậy ư ng tro bay thay thế trong xi măng trong ê tông ũng h nh à ư ng h tương ứng mà húng ta ó th cắt gi m. V vậy cần có một công ngh bê tông mới gi i quyết v n ề này như ê tông po ym vô ơ hông nung. Theo Quyết ịnh số 452/QĐ – TTg của Thủ tướng Chính phủ: Phê duy t Đề n ẩy m nh xử lý, sử dụng tro, xỉ, th ch cao của các nhà máy nhi t i n, nhà máy hóa ch t, phân bón làm nguyên li u s n xu t vật li u xây d ng và trong các công trình xây d ng với mụ tiêu à: ến năm 2020 ph i xử lý, sử dụng tro, xỉ, th ch cao mb o p ứng ư ng tồn tr t i bãi chứa của từng nhà máy nhi t i n, nhà máy hóa ch t, phân bón nhỏ hơn tổng ư ng phát th i của 2 năm s n xu t. 1.2. Cơ sở lý thuyết về polyme vô cơ và sự hình thành bê tông polyme Po ym vô ơ à s n phẩm của s liên kết các ch t vô ơ i với nhau bằng từ l c gi a các phần tử t h i n trái d u. Đây à s liên kết ở mứ ộ phân tử, cho nên polyme t o thành ó ộ bền r t cao về chịu l ũng như về thời gian. Trong t nhiên, các d ng huyền phù sét và o si i thường là các phần tử mang i n tích; ở một iều ki n phù h p nh t ịnh, chúng sẽ hình thành các polyme và cùng với các h t t, cát, sỏi ưới l c ép t nhiên chúng t o thành các tầng nguồn gốc polyme hóa từ o vô ơ và t . Qu tr nh này ó th th c hi n nhân t o bằng cách dùng ho t ch t polyme trộn vào t t o ra qu tr nh po ym ho . Khi ư c nén l i với nhau chúng sẽ t o thành d ng ứng trong iều ki n hô; ây h nh à ê tông polyme. 1.2.1. Cơ chế sự hình thành geopolyme Th o Davi ovits ó tên gọi g opo ym ( ê tông po ym ) à v húng ó s huy n iến thù h nh po ym hóa và óng rắn ở nhi t ộ th p nhưng ồng thời 9
ũng à h p h t vô ơ ứng và ổn ịnh ở nhi t ộ ao và hông ị h y. Có nhiều o i g opo ym h nhau nhưng o i ó h năng ứng ụng nhiều nh t trong xây ng à a uminosilicat [22]. H nguyên i u hế t o vật i u g opo ym ao gồm hai thành phần h nh à nguyên i u an ầu và h t ho t hóa iềm. Nguyên i u a uminosi i at nhằm ung p nguồn Si và A ho qu tr nh g opo ym hóa x y ra (thường ùng à tro ay m ta ao anh muội si i …). Ch t ho t hóa iềm ư sử ụng phổ iến nh t à ung ị h NaOH KOH và thủy tinh ỏng - natri silicat (Na2SiO3) nhằm t o môi trường iềm và tham gia vào ph n ứng g opo ym hóa. C u trú ủa g opo ym ơ n ư t o thành từ ưới u trú ủa nh ng Alumino - Si i o hay n gọi à Po y - Sialate (Silic – Oxy – Nhôm). Khung Sialate ao gồm nh ng tứ i n SiO4 và AlO4 ư nối x n ẽ với nhau ằng nguyên tố Oxy. Nh ng ion ương (Na+, K+, Li+ Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O+) ph i hi n i n trong hố ủa hung ân ằng i n t h ủa A 3+ [29] và hình thành monome mới. Hình 1.1. Tứ diện SiO4 và AlO4 Cơ hế ph n ứng ư minh họa ở nh ng ph n ứng sau: 10