Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer chống tia x từ tro bay và zeolite thải.doc

Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
Tải tài liệu tại kết bạn zalo : 0973.287.149
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG
NGUYỄN NGỌC TRAI
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GEOPOLYMER
CHỐNG TIA X TỪ TRO BAY VÀ ZEOLITE THẢI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT HÓA HỌC
Đà Nẵng - Năm 2018

i
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------
NGUYỄN NGỌC TRAI
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU
GEOPOLYMER CHỐNG TIA X TỪ TRO BAY
VÀ ZEOLITE THẢI
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 8520301
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Nguyễn Văn Dũng
Đà Nẵng – Năm 2018

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Dũng HVTH: Nguyễn Ngọc Trai

i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Văn Dũng. Các số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Những số liệu được tôi tìm ra trong quá trình làm thí nghiệm, nội dung tài liệu tham
khảo có nguồn gốc rõ ràng và theo đúng quy định.
Học viên thực hiện
Nguyễn Ngọc Trai

ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................................... i
MỤC LỤC .....................................................................................................................ii
TÓM TẮT ..................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT........................................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG.........................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... ix
MỞ ĐẦU........................................................................................................................ 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 3
4. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài ............................................................ 3
4.1. Ý nghĩa khoa học..................................................................................................... 3
4.2. Ý nghĩa thực tiễn ..................................................................................................... 4
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GEOPOLYMER................................................. 5
1.1. Giới thiệu geopolymer aluminosilicate ................................................................... 5
1.2. Nguyên liệu sản xuất geopolymer aluminosilicat ................................................... 6
1.2.1. Tro bay.................................................................................................................. 6
1.2.2. Zeolite ................................................................................................................. 10
1.2.3. Thủy tinh lỏng..................................................................................................... 12
1.2.4. Natri hydroxit ..................................................................................................... 13
1.3. Khái niệm geopolymer .......................................................................................... 15
1.3.1. Cơ chế hình thành geopolymer........................................................................... 15
1.3.2. Cấu trúc của geopolymer ................................................................................... 17
1.3.3. Lịch sử phát triển và ứng dụng của geopolymer................................................ 19
1.3.3.1. Lịch sử phát triển............................................................................................. 19
1.3.3.2. Ứng dụng của geopolymer .............................................................................. 20
1.3.4. Lợi ích của việc nghiên cứu geopolymer............................................................ 23

iii
1.4. Giới thiệu một số hệ geopolymer khác.................................................................. 26
1.4.1. Geopolymer trên cơ sở photphate ...................................................................... 26
1.4.2. Geopolymer khoáng hữu cơ ............................................................................... 26
CHƢƠNG 2 - MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..... 28
2.1. Mục tiêu nghiên cứu.............................................................................................. 28
2.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................. 28
2.3. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 28
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).................................................................... 28
2.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)................................................... 31
2.3.3. Xác định cường độ chịu nén............................................................................... 32
2.3.4. Xác định thành phần hóa của thủy tinh lỏng công nghiệp................................. 34
2.3.4.1. Xác định hàm lượng của silic đioxit................................................................ 34
2.3.5. Phân tích thành phần kích thước hạt nguyên liệu.............................................. 36
2.3.6. Hiện tượng hấp thụ bức xạ tia X hoặc tia gamma và hệ số suy giảm tuyến tính 38
CHƢƠNG 3 - NGUYÊN LIỆU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM .................. 40
3.1. Nguyên liệu............................................................................................................ 40
3.1.1. Tro bay................................................................................................................ 40
3.1.2. Zeolite ................................................................................................................. 40
Sử dụng zeolite thải từ nhà máy lọc dầu Bình Sơn, Quảng Ngãi................................. 40
3.1.3. Natri hydroxide - NaOH..................................................................................... 40
3.1.4. Cát ...................................................................................................................... 40
3.1.5. Nước ................................................................................................................... 40
3.2. Dụng cụ và quy trình thực nghiệm........................................................................ 41
3.2.1. Dụng cụ............................................................................................................... 41
3.2.2. Quy trình thực nghiệm........................................................................................ 41
CHƢƠNG 4 - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.............................................................. 44
4.1. Xác định đặc trưng của tro bay.............................................................................. 44
4.2. Xác định đặc trưng của zeolite thải ....................................................................... 44
4.3. Xác định đặc trưng của thủy tinh lỏng .................................................................. 47
4.4. Xác định đặc trưng của cát .................................................................................... 47
4.5. Xác định thành phần cấp phối và cường độ R28 của vật liệu geopolymer............ 48
4.6. Xác định quá trình phát triển cường độ của vật liệu ............................................. 51

iv
4.7. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) vật liệu geopolymer ........................................... 53
4.8. Phân tích hình thái bề mặt mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................ 56
4.9. Đề xuất cấu trúc của các loại vật liệu geopolymer................................................ 56
4.10. Xác định khả năng che chắn tia X của vật liệu geopolymer ............................... 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................... 58
1. Kết luận: ................................................................................................................... 58
1.1. Về nguyên liệu....................................................................................................... 58
1.2. Về vật liệu geopolymer ......................................................................................... 58
2. Một số kiến nghị....................................................................................................... 59
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 4

v
TÓM TẮT
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GEOPOLYMER
CHỐNG TIA X TỪ TRO BAY VÀ ZEOLITE THẢI
Học viên: Nguyễn Ngọc Trai
Mã số: 8520301 Khóa: 34
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt - Sử dụng chất thải công nghiệp chế tạo ra sản phẩm phục vụ cho cuộc sống
là xu hướng nghiên cứu khoa học hiện nay để giải quyết nạn ô nhiễm môi trường. Mục tiêu
của đề tài là chế tạo vật liệu geopolymer chống tia X từ tro bay và zeolite thải, là nghiên cứu
tạo ra một loại vật liệu xây dựng không nung có ý nghĩa về khoa học và kinh tế, đó là chế tạo
ra vật liệu có khả năng ngăn chặn tia X được sử dụng trong y tế, vừa sử dụng được chất thải từ
nhà máy nhiệt điện chạy than và nhà máy lọc dầu. Đề tài đã khảo sát nhiều cấp phối vật liệu
geopolymer khác nhau, đã khảo sát các điều kiện dưỡng hộ với nhiều nhiệt độ và thời gian
khác nhau, đã nghiên cứu cấu trúc, thành phần pha và khả năng chống tia X của vật liệu…
Tro bay là một chất thải công nghiệp thu được từ nhà máy nhiệt điện chạy than. Zeolite thải là
chất thải trong quá trình lọc dầu của nhà máy lọc dầu. Kết quả thực nghiệm bước đầu cho thấy
tính khả thi của việc sử dụng tro bay, zeolite và dung dịch kiềm để chế tạo vật liệu
geopolymer chống tia X với hệ số suy giảm tuyến tính khả quan.
Từ khóa - Geopolymer chống tia X; tro bay; zeolite thải; dưỡng hộ; hệ số suy giảm
tuyến tính.
STUDYING THE MANUFACTURE OF ANTI X-RAY
GEOPOLYMER MATERIAL FROM FLY ASH AND ZEOLITE WASTE
Abstract - The study deals with the production of anti X-ray geopolymer
material from fly ash and zeolite waste. Fly ash is the waste generated from coal-fired
power plants. Zeolite waste is the waste generated from refinery industry. This study has the
advantage of using industrial wastes to make useful medical materials.
The study investigated various mixtures that use fly ash, zeolite or fly ash-zeolite mix.
The study also investigated the effect of curing factors such as temperature and time on
material properties. The results showed that geopolymer material from zeolite need less water
to produce and have very high strength (cured sample at 80o
C for 12 hours have compressive
strength of 36.98 MPa). Although the material has not good X-Ray shielding protection
(0.14616 cm-1
for 137
Cs source), lower than that of heavy aggregate concrete, but the
experimental results showed that the mixture batch can be improved and fly ash, zeolite
would be used to produce anti X-ray geopolymer materials.
Keyword – Anti X-Ray geopolymer; fly ash; zeolite waste; curing; X-Ray shielding
protection.

vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU
ΔH0 Entanpy hòa tan
I Cường độ bức xạ
Ms Modul Silicat
m Khối lượng
N Tốc độ đếm của đầu dò
go Khối lượng nguyên liệu ẩm
µ Hệ số suy giảm tuyến tính
FA Mẫu 100% tro bay
FZ Mẫu 50% tro bay, 50% zeolite
ZE Mẫu 100% zeolite
Rn7 Cường độ chịu nén của mẫu dưỡng hộ 07 ngày
u Sai số
W Độ ẩm
CÁC TỪ VIẾT TẮT
ASTM American Society for Testing and materials (Tổ chức tiêu chuẩn
Hoa Kỳ)
CT Computed Tomography (Phương pháp chụp cắt lớp vi tính)
FCC Fluid Catalytic Cracking (Cracking xúc tác pha lưu thể)
MRI Magnetic Resonance Imaging (Chụp hình cộng hưởng từ trường)
OPC Ordinary Porland Cement (Xi măng Portland gốc)
PE Polyethylene

vii
PVC
SEM
TCVN
TCXDVN
TEM
Polyvinyl chloride
Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét)
Tiêu chuẩn Việt Nam
Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam
Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền
qua)
XRD
TTL
X-ray Difraction (Nhiễu xạ tia X)
Thủy tinh lỏng

viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
Tên hình Trang
hình
Bảng 1. 1 Yêu cầu về thành phần hóa học của tro bay 6
Bảng 1. 2 Sự chuyển hóa thành phần khoáng của than thành tro bay 7
Bảng 1. 3 Những sự kiện quan trọng trong hóa học aluminosilicate 19
Bảng 1. 4
Sự phụ thuộc cấu trúc và các ứng dụng của geopolymer vào tỉ
23
lệ phân tử Si/Al
Bảng 3. 1 Thành phần cỡ hạt cát tiêu chuẩn 40
Bảng 4. 1 Thành phần hóa học của Zeolite (% trọng lượng) 44
Bảng 4. 2 Thành phần hóa của zeolite thải (% trọng lượng) 45
Bảng 4. 3 Thành phần hóa và tính chất thủy tinh lỏng 47
Bảng 4. 4
Thành phần phối liệu chế tạo vật liệu geopolymer theo trọng
48
lượng cấu tử
Bảng 4. 5
Thành phần cấp phối chế tạo vật liệu geopolymer (% trọng
49
lượng), Ms và cường độ chịu nén 28 ngày của vật liệu
Bảng 4. 6
Thành phần cấp phối chế tạo vật liệu geopolymer (theo trọng
49
lượng cấu tử) có bổ sung cốt liệu cát và nước
Bảng 4. 7 Kết quả đo sự phát triển cường độ của mẫu FA3, FZ3,ZE3 52
Bảng 4. 8 Tỉ lệ SiO2/Al2O3 (mol/mol) của các mẫu 56
Bảng 4. 9 Hệ số suy giảm tuyến tính của các mẫu geopolymer 57

ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
Tên hình Trang
hình
Hình 1.1 Mô phỏng cấu trúc Geopolymer của Davidovits 6
Hình 1. 2 Ảnh SEM của tro bay 9
Hình 1. 3 Sự phân bố thành phần kích thước hạt của tro bay 9
Hình 1. 4 Ảnh chụp SEM của zeolite 11
Hình 1. 5 Cấu trúc thủy tinh lỏng 12
Hình 1. 6 Sơ đồ qui trình sản xuất thủy tinh lỏng 13
Hình 1. 7 Hình ảnh và mô phỏng cấu trúc tinh thể của xút 13
Hình 1. 8 Sơ đồ điện phân sản xuất xút 14
Hình 1. 9 Mô phỏng cấu trúc Polysialate geopolymer 18
Hình 1. 10 Mô phỏng cấu trúc Polysialatesiloxon geopolymer 18
Hình 1. 11 Mô phỏng cấu trúc Polysialatedisiloxo geopolymer 18
Hình 1. 12 Mô phỏng cấu trúc Sialate link geopolymer 18
Hình 1. 13 Ứng dụng của geopolymer 29
Hình 1. 14 So sánh vật liệu geopolymer với OPC 21
Hình 1. 15 Quá trình hình thành kerogen polymer 27
Hình 2. 1 Sơ đồ nhiễu xạ và cơ chế phát xạ tia X 29
Hình 2. 2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một ống phát tia X 29
Hình 2. 3 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một ống phát tia X 30
Hình 2. 4 Sơ đồ hoạt động của SEM 31
Hình 2. 5 Máy nén 34
Hình 2. 6 Quá trình hấp thụ bức xạ tia X 38
Hình 2. 7 Sự suy giảm cường độ gamma khi truyền qua vật liệu 39
Hình 3. 1 Khuôn 4x4x16 cm 41
Hình 3. 2 Quy trình chuẩn bị mẫu 41
Hình 4. 1 Ảnh SEM của tro bay 44
Hình 4. 2
Thành phần kích thước hạt zeolite thể hiện qua đường cong
45
tích lũy
Hình 4. 3 Giản đồ nhiễu xạ XRD của zeolite thải 46
Hình 4. 4 Ảnh SEM của zeolite thải 47

x
Hình 4. 5 Thành phần kích thước hạt của cát (đường cong tích lũy) 48
Hình 4. 6
Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của cường độ chịu nén của vật
50
liệu geopolymer vào Ms
Biểu đồ thể hiện sự phát triển cường độ của mẫu FA3, FZ3,
Hình 4. 7 ZE3 ở 60oC trong 24 h và 80oC trong 12 h theo thời gian 52
dưỡng hộ 7 ngày, 14 ngày, 28 ngày
Hình 4. 8
Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu geopolymer FZ3 (từ hỗn hợp
54
tro bay-zeolite)
Hình 4. 9 Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu geopolymer ZE3 (từ zeolite) 55
Hình 4. 10
a) Ảnh SEM mẫu FZ3 (geopolymer từ hỗn hợp tro bay và
56
zeolite); b) Ảnh SEM mẫu ZE3 (geopolymer từ zeolite)

1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ở nước ta hiện nay, song song với quá trình công nghiệp hoá, đô thị hoá là
vấn đề xử lý các chất thải rắn từ công nghiệp và sinh hoạt. Hàng năm khối lượng
các chất thải rắn tạo ra từ các ngành công nghiệp và sinh hoạt tương ứng như tro
bay nhiệt điện; xỉ lò cao; bụi từ các nhà máy xi măng; lốp cao su thải; thuỷ tinh
thải; bùn đỏ do sản xuất oxit nhôm từ quặng bauxite; chất thải phá dỡ công trình
xây dựng; zeolite thải từ công nghệ lọc dầu… rất lớn. Trên thế giới, các chất thải
trên đã được tận dụng một cách có hiệu quả trong các ứng dụng xây dựng. Tuy
nhiên, vấn đề xử lí, tận dụng các chất thải trên trong nước còn nhiều hạn chế và
bất cập. Theo thống kê và dự báo của Bộ xây dựng, đến năm 2020 cả nước ta sẽ
có thêm 28 nhà máy nhiệt điện chạy than đi vào hoạt động và lượng tro bay sẽ
thải ra hàng năm khoảng 60 triệu tấn... Nhà máy lọc dầu Bình Sơn thải ra
khoảng 1500 tấn chất thải xúc tác RFCC/ năm. Chất xúc tác FCC (chủ yếu là
zeolite) đã mất hoạt tính sẽ trở thành chất thải thuộc loại nguy hại, bề mặt xúc
tác đã bị đầu độc bởi các kim loại nặng, các hydrocacbon và bị cốc hoá. Kích
thước hạt giảm do xúc tác bị vỡ vụn, vì thế bụi của chúng có khả năng gây bệnh
bụi phổi silic, ung thư khi tiếp xúc và hít phải liên tục trong thời gian dài. Từ
những điều trên, cho thấy những nguy cơ tiềm ẩn về tác động bất lợi đến môi
trường của tro bay và zeolite ở Việt Nam là rất lớn.
Vật liệu geopolymer là loại vật liệu mới được phát triển từ những năm 50
của thế kỷ trước, tuy nhiên đã có những bước đột phá sau những nghiên cứu của
Giáo sư Davidovits [22] với tên gọi vật liệu là geopolymer. Vật liệu geopolymer
hiện nay được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong xây dựng, làm vật liệu che chắn
bức xạ hạt nhân, vật liệu che chắn tia X dùng trong y tế [21,27].
Bức xạ X (tia X hay X-ray) là một dạng của sóng điện từ. Hầu hết tia X có
dải bước sóng trong khoảng từ 0,01 đến 10 nano mét tương ứng với dãy tần số
từ 30 Petahertz đến 30 Exahertz (3×1016
Hz đến 3×1019
Hz) và có năng lượng
từ 120 eV đến 120 keV. Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn
tia gamma. Bức xạ tia X còn được gọi là bức xạ Röntgen [33] được đặt tên theo
nhà khoa học Đức/Hà Lan Wilhelm Röntgen, ngay sau khi ông khám phá ra một
loại bức xạ mà chưa ai biết đến. Các tia X cực mạnh có thể đi qua các vật

2
thể dày mà không bị hấp thu hoặc phân tán nhiều. Vì lý do này, tia X được sử
dụng rộng rãi để thu hình ảnh bên trong các đối tượng bọc kín. Các ứng dụng
thường thấy nhất là trong chụp X quang y tế và máy quét an ninh sân bay, nhưng
các kỹ thuật tương tự cũng quan trọng trong công nghiệp và nghiên cứu (ví dụ
CT động vật nhỏ).
Trong y tế, tia X được phát triển để sử dụng cho chụp hình y tế. Khoa X
quang là một lĩnh vực chuyên biệt trong y tế sử dụng ảnh tia X và các kĩ thuật
khác để chẩn đoán bệnh bằng hình ảnh nên còn được gọi là Khoa chẩn đoán
hình ảnh. Việc sử dụng tia X đặc biệt hữu dụng trong việc xác định bệnh lý về
xương, nhưng cũng có thể giúp ích tìm ra các bệnh về phần mềm. Việc tạo hình
cho phần mềm được thay thế bằng kĩ thuật chụp Cắt lớp vi tính (Computed
Axial Tomography, CAT hay CT Scanning) hoặc tạo hình bằng chụp cộng
hưởng từ (MRI) hay siêu âm. Xạ trị tia X, là một can thiệp y tế, hiện nay dùng
chuyên biệt cho ung thư, dùng các tia X có năng lượng mạnh.
Tuy nhiên, bên cạnh đó tia X cũng mối nguy hiểm tác hại đến cuộc sống
lâu dài của con người và môi trường nếu không được quan tâm. Tia X có khả
năng gây ion hóa các chất hoặc có các phản ứng gây nguy hiểm cho con người.
Ở nước ta, hàng năm có hàng nghìn người bị ung thư do nhiễm xạ. Theo các
chuyên gia y học, tổn thương khi bị nhiễm xạ biểu hiện ở nhiều cơ quan như tủy
xương, niêm mạc ruột, máu, da, giảm sức đề kháng của cơ thể, vô sinh, ung
thư,… Đặc biệt đối với phụ nữ đang mang thai, ảnh hưởng không nhỏ đến thai
nhi, có thể gây khuyết tật, dị dạng, quái thai…
Do nguy hiểm đối với sức khỏe con người nên người ta dùng chì (Pb) hoặc
bột barit (BaSO4) làm vật liệu ngăn cản tia X. Nhưng hiện tại chì rất độc và bột
barit làm cho vật liệu có cường độ rất thấp, nên vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu
vật liệu thân thiện với môi trường, vừa đáp ứng các yêu cầu về xây dựng, vừa có
khả năng ngăn cản tia X để xây dựng các cơ sở có sử dụng tia X vào mục đích
phục vụ cho cuộc sống, ngăn cản tia X ra môi trường xung quanh.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy vật liệu geopolymer có khả năng đáp
ứng được các yêu cầu trên. Geopolymer là loại polymer vô cơ được tạo ra bởi
phản ứng giữa dung dịch kiềm và một nguyên liệu aluminosilicate. Phối liệu sau
khi đóng rắn có cấu trúc vô định hình giống như thủy tinh aluminosilicate.

3
Nguyên liệu để sản xuất geopolymer là hydroxyt của kim loại kiềm hoặc là thủy
tinh lỏng (chất hoạt hóa) và một chất liên kết aluminosilicate mịn. Ngoài ra, còn
sử dụng các loại nguyên liệu aluminosilicate khác như tro bay, xỉ lò cao, meta
caolanh. Geopolymer có công thức cấu tạo Mn[-(Si-O)z-Al-O]n.wH2O, trong đó
M là Na+
hoặc K+
.
Nhận thức được vấn đề này cộng với sự định hướng của giảng viên hướng
dẫn, đồng thời mong muốn được tìm hiểu về một loại vật liệu mới vừa đáp ứng
được yêu cầu về xây dựng, vừa có tác dụng ngăn cản được tia X ra môi trường
tại các cơ sở sử dụng tia X, đặc biệt giải quyết được chất thải từ các nhà máy
nhiệt điện, nhà máy lọc dầu, mở ra một hướng mới trong xử lí, tận dụng zeolite
và tro bay, hoàn thiện công nghệ mới đưa vào ứng dụng thực tiễn nên tôi đã
chọn đề tài “Nghiên cứu sản xuất vật liệu geopolymer chống tia X từ tro bay
và zeolite thải” làm luận văn thạc sĩ.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định thành phần hóa của tro bay, zeolite thải.
- Xác định thành phần hóa của tác nhân hoạt hóa (thủy tinh lỏng).
- Xác định các nhóm chức tồn tại trong tro bay, zeolite thải và vật liệu
geopolymer bằng phương pháp hồng ngoại.
- Xác định sự phụ thuộc của cường độ vật liệu geopolymer vào các yếu tố
như nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ, môđun silicate (Ms), tỉ lệ nước/pha rắn
geopolymer (nước ở đây gồm nước hòa tan NaOH, nước trong thủy tinh lỏng và
lượng nước thêm vào để trộn và tăng khả năng công tác của vữa; pha rắn gồm
tro bay, NaOH khan và Na2SiO3).
- Xác định khả năng che chắn bức xạ tia X của vật liệu geopolymer.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu geopolymer tổng hợp ở các điều
kiện nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ khác nhau, theo quy trình đi từ khoáng
silicate được polymer hóa trong môi trường kiềm (Na2SiO3; NaOH).
3.2. Phạm vi nghiên cứu: Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu lí thuyết
kết hợp với thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm.
4. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học

4
- Xác định được các điều kiện tối ưu để chế tạo vật liệu geopolymer từ tro
bay và zeolite thải.
- Xác định được các tính chất kỹ thuật của vật liệu geopolymer.
- Tìm hiểu được khả năng che chắn tia X của vật liệu geopolymer.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Có tính xã hội cao do phù hợp với xu thế hiện đại là thời đại phát triển vật
liệu không nung; phù hợp với chiến lược phát triển vật liệu xây không nung của
chính phủ. Đáp ứng kịp thời cho sự chuyển đổi sang thời kỳ của những vật liệu
tiên tiến, vật liệu xanh thân thiện với môi trường.
- Xác định được các điều kiện tối ưu để chế tạo vật liệu geopolymer từ tro
bay và zeolite thải
- Xác định được các tính chất kỹ thuật của vật liệu geopolymer.
- Tìm hiểu được khả năng che chắn tia X của vật liệu geopolymer.

5
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GEOPOLYMER
1.1. Giới thiệu geopolymer aluminosilicate
Khái niệm polymer và vật liệu polymer thường gắn liền với nguồn gốc hữu
cơ như Poly vinyl chloride (PVC), Polyethylene (PE), keo epoxy, chất dẻo tổng
hợp... Cho đến trước những năm 80 của thế kỷ trước, khái niệm polymer vô cơ
hãy còn rất mới mẻ và ít được thừa nhận. Bởi lẽ, ngành hóa học cổ điển không
tin là các chất vô cơ có thể polymer hoá được ở nhiệt độ thường, kể cả dưới các
điều kiện áp suất cao. Tuy nhiên, khi đi sâu vào phân tích hoá lý cho thấy quá
trình hút nhau giữa các điện tích trái dấu ở một số vật liệu phù hợp sẽ hình thành
nên các mạch polymer đa phân tử rất dài với bộ xương là các khoáng vật bền
vững. Các polymer thu được có những tính chất hoá học, lý học và cơ học bền
vững, có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực [22].
Thuật ngữ “geopolymer” hay còn gọi là polymer vô cơ được đặt ra trong
năm 1970 bởi nhà khoa học Pháp là Joseph Davidovits, được áp dụng cho một
loại vật liệu rắn được tổng hợp bởi các phản ứng của một loại bột
aluminosilicate với một dung dịch kiềm để tạo ra sản phẩm bền và có cường độ
[27]. Nguyên liệu để chế tạo vật liệu geopolymer bao gồm hai thành phần chính
là các nguyên liệu ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu ban đầu thường ở
dạng aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer
hóa xảy ra. Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các dung dịch
NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat nhằm tạo môi trường kiềm và tham
gia vào các phản ứng geopolymer hóa.
Vật liệu geopolymer tổng hợp từ aluminosilicate được tạo thành từ mạng
lưới poly(sialate) trên cơ sở các các tứ diện [SiO4] và [AlO4] với công thức cấu
tạo như sau [21]: Mn[-(SiO2)z-AlO2]n.wH2O
Trong đó:
+ M là nguyên tử kiềm Na, K.
+ n là mức độ đa trùng ngưng.
+ z là 1, 2, 3 hay >3.
Cấu trúc của Geopolymer được Davidovits mô phỏng như hình 1.1.

6
Hình 1. 1: Mô phỏng cấu trúc Geopolymer của Davidovits [23]
1.2. Nguyên liệu sản xuất geopolymer aluminosilicat 1.2.1. Tro
bay
1.2.1.1. Nguồn gốc: Tro bay là một loại puzzolan nhân tạo có tính puzzolan
cao, bao gồm oxit silic (SiO2), oxit nhôm (Al2O3), oxit canxi (CaO), oxit manhe
(MgO), oxit sắt (Fe2O3), oxit lưu huỳnh (SO3) và một lượng than chưa cháy hết
(lượng mất khi nung). Yêu cầu về thành phần hóa học của tro bay được ghi
trong bảng 1.1.
Bảng 1. 1: Yêu cầu về thành phần hóa học của tro bay
Thành phần Tro bay loại C Tro bay loại F
SiO2 + Al2O3 +Fe2O3, min, % 70 50
SO3, max, % 5,0 5,0
Độ ẩm, max, % 3,0 3,0
MKN, max, % 6,0 (1)
6,0
Độ kiềm chuyển đổi sang Na2O, max, %(2)
1,5 1,5
Ghi chú: (1) Có thể cho phép giá trị này tới 12%, nếu báo cáo về phẩm chất
hoặc kết quả thí nghiệm chấp nhận được.

7
(2) Chỉ áp dụng khi bê tông dùng cốt liệu có phản ứng kiềm và xi
măng có hàm lượng kiềm đạt tới giới hạn.
Để đánh giá chất lượng tro bay người ta có thể sử dụng 2 chỉ tiêu: mô đun
kiềm tính và mô đun hoạt tính.
- Mô đun kiềm tính:
+ M0 > 1: kiềm tính.
+M0 = 1: trung tính.
+ M0 < 1: axit.
- Mô đun hoạt tính hay silicat:
+ Ma = 0,17 ÷ 0,25: xỉ kiềm.
+ Ma = 0,33 ÷ 0,4: xỉ axit.
Tro bay được hình thành trong quá trình đốt than cám trong lò hơi đốt than
của nhà máy nhiệt điện than đá, bụi bay ra theo các đường ống khói sau đó được
thu hồi bằng phương pháp lọc bụi tĩnh điện, lọc bụi túi hay cyclone lắng.
1.2.1.2. Thành phần khoáng hóa của tro bay
Phụ thuộc vào thành phần khoáng hóa của than sử dụng. Khi làm lạnh
nhanh khoảng 50-90% tro bay ở dạng thủy tinh, chỉ một lượng nhỏ tinh thể.
Than không cháy được thu lại cùng tro bay như là các hạt carbon, có thể lên tới
16% (phụ thuộc vào tốc độ và nhiệt độ cháy, điều kiện cháy, …). Sự chuyển hóa
thành phần khoáng của than thành tro bay trong quá trình cháy được chỉ ra ở
bảng 1.2 như sau:
Bảng 1. 2: Sự chuyển hóa thành phần khoáng của than thành tro bay
Thành phần khoáng của than Thành phần tạo thành trong hạt tro bay
Quartz tự do Quartz dạng thủy tinh
Khoáng sét
Thủy tinh dạng xỉ Si-Al hoặc Mullite
(không có motmorillonite)
Motmorillite, glauconite, micas Thủy tinh dạng xỉ Si-Al (Na, Ca, K, Mg)
Amfiboles, pyroxenes, tràng
Thủy tinh Si-Al (Mg, Fe)
thạch
Pyrite, marcasite, arsenopyrite. FexOy (cùng As, Bi, Hg, Sn,…)
Hematite, limonite, magnetite. Sắt hoặc FexOy (các nguyên tố đất hiếm)

8
Thành phần hóa của tro bay chứa một hàm lượng lớn các oxit SiO2, Al2O3,
Fe2O3 và ngoài ra còn có oxit khác như CaO, MgO, MnO, TiO2, Na2O, K2O,
SO3…Tro bay chứa nhiều CaO (15÷40) có thể gây hại cho vữa và bê tông.
Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học và điện tử cho thấy các
hạt tro bay có hình dạng và kích thước rất khác nhau dạng hình cầu; tròn góc;
góc cạnh hay không đều. Hạt tro bay hình cầu hay tròn góc có kích thước từ 0.5
đến 200µm. Các hạt tro bay có hình dạng không đều hay góc cạnh thường có
kích thước lớn hơn.
Hình dạng của tro bay phụ thuộc vào bản chất và kích thước hạt than đem
đốt, điều kiện đốt cháy trong nhà máy điện. Nếu nhiệt độ cháy thấp, tro bay
không thể nóng chảy và sẽ có hình dạng không đều. Nếu nhiệt độ đốt cháy cao,
các khoáng nóng chảy để tạo nên hạt cầu rỗng (gọi là cenosphere) hay hạt cầu
bên trong có chứa rất nhiều hạt cầu nhỏ hơn (gọi là plerosphere). Ở nhiệt độ
khoảng 1500o
C thì phần lớn các hạt dạng tròn góc và rỗng, về bề mặt thì trơn
hay xù xì.
Độ mịn hay diện tích bề mặt của tro bay xác định theo phương pháp Blain
dao động từ 2500 – 5500 cm2
/g. Tro bay thu được từ lọc bụi tĩnh điện có độ mịn
4000-7000 cm2
/g, thu được từ cyclone hay các phương pháp cơ học khác là
1500 - 2000 cm2
/g, một số thiết bi lắng bụi tĩnh điện hiện đại có thể thu gom
được tro bay với độ mịn lên tới 12000 cm2
/g.
1.2.1.3. Tính chất vật lí
- Hình thái: hạt có hình cầu tròn, thành phần chủ yếu là pha thủy tinh. Xem
hình 1.2.

9
Hình 1. 2: Ảnh SEM của tro bay [28]
- Độ mịn dao động từ 2000 đến 4000cm2
/g (Blaine) hay lượng sót sàng
45μm là 10 đến 40% nghĩa là tro bay có độ mịn tương tự như xi măng Porland.
Theo một nghiên cứu tro bay ở Czech, phân bố các cỡ hạt của tro bay như trên
hình 1.3.
Hình 1. 3: Sự phân bố thành phần kích thước hạt của tro bay [28]
1.2.1.4. Tính chất hóa học
Thành phần hóa học và đặc trưng khoáng vật của tro và các loại than cũng
có thể khác nhau nhiều. Điều này dẫn đến việc hình thành 2 loại tro theo ASTM
618: tro bay loại C và tro bay loại F. Tro loại C là sản phẩm đốt than lignite hoặc
than chứa bitum, có lượng than chưa cháy < 2%, ngoài tính chất puzzolan còn có
tính kết dính. Tro bay loại F chỉ có tính puzzolan, thu được từ việc đốt than
atraxit hoặc than chứa bitum, có lượng mất khi nung cao hơn loại C, khoảng 2 ÷
10%. Tro bay loại C nói chung tốt hơn tro bay loại F, riêng về chống sunfat có
kém hơn. Ở nước ta hiện nay mới chỉ dùng tro bay Phả Lại thuộc loại F.

10
Tro bay không phải là chất độn trong bê tông. Nó giống như một chất
puzzolan hạt rất mịn, tham gia phản ứng với canxi hidroxit sinh ra do phản ứng
thuỷ hoá xi măng và nước để tạo ra các tính chất kết dính cho chính bản thân nó.
Điều đó làm cho bê tông bền vững hơn, ít thấm và giảm độ kiềm, giảm sự nguy
hiểm của phản ứng kiềm silic trong cốt liệu. Bê tông có tro bay có độ linh động
và khả năng bơm tốt hơn bê tông thường nhờ những tinh cầu tròn siêu nhỏ. Quá
trình thuỷ hoá chậm hơn và giảm lượng nhiệt thuỷ hoá – yếu tố quan trọng giảm
nứt trong các công trình bê tông khối lớn. Tất cả những ưu điểm đó làm cho bê
tông tro bay bền vững hơn so với bê tông xi măng Porland thường. Ngoài ra, bê
tông tro bay chi phí ít hơn vì tro bay rẻ hơn xi măng.
1.2.2. Zeolite
1.2.2.1. Nguồn gốc
Vào năm 1795 Lebaron Bronstied, một nhà khoáng học người Thụy Điển
đã phát hiện ra khi nung một loại khoáng, ta được một loại khoáng mới gọi là
zeolite. Tuy nhiên, mãi đến hai thế kỷ sau zeolite mới bắt đầu được nghiên cứu ở
phòng thí nghiệm. Các loại zeolite tổng hợp có nhiều tính chất tốt hơn zeolite tự
nhiên. Các loại zeolite này đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, chủ
yếu trong các lĩnh vực:
+ Hấp phụ: tách, làm khô, làm sạch các chất khí hoặc chất lỏng.
+ Xúc tác: zeolite được dùng làm xúc tác trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ
hóa dầu và đã mở rộng được lĩnh vực ứng dụng của các sản phẩm hữu cơ khác
nhau ankyl hóa, hydro hóa, hydro ankyl hóa, reforming, cracking…..[5]
1.2.2.2. Tính chất và cấu trúc của zeolite
Zeolite là các aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian ba chiều với hệ
thống lỗ xốp đồng đều và rất trật tự. Không gian bên trong gồm những hốc nhỏ
được nối với nhau bằng những đường hầm cũng ổn định. Nhờ hệ thống lỗ và
đường hầm này mà zeolite có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn
kích thước lỗ và đường của chúng, và đẩy ra những phân tử có kích thước lớn
hơn. Vì khả năng đó, zeolite được xem là một loại “rây phân tử”.
Zeolite được tạo thành do nhôm thay thế cho một số nguyên tử silic trong
mạng lưới tinh thể của oxit silic kết tinh. Vì nguyên tử nhôm hóa trị 3 thay cho

11
nguyên tử silic hóa trị 4, nên mạng lưới tinh thể zeolite có điện tích âm. Số điện
tích âm bằng số nguyên tử nhôm trong mạng lưới. Để bảo đảm tính trung hòa
điện tích, zeolite cần có các ion dương để bù trừ điện tích âm dư. Trong thiên
nhiên, hay ở dạng tổng hợp ban đầu, những cation đó thường là cation kim loại
kiềm ( Na+
, K+
…) hay kim loại kiềm thổ ( Mg2+,
Ca2+
…). Những cation này
nằm ngoài mạng lưới tinh thể zeolite và dễ dàng tham gia vào quá trình trao đổi
ion với cation amoni hay cation đa hóa trị khác nhau. Chính nhờ những đặc tính
đó mà có thể biến tính zeolite và đem đến cho zeolite những tính chất và ứng
dụng rất phong phú và hấp dẫn trong hấp phụ và xúc tác. Để tạo nên tinh thể
zeolite, các tứ diện SiO2 và AlO2 liên kết với nhau qua nguyên tử oxi. Theo
nguyên tắc Loentein, hàm lượng của nhôm trong mạng lưới zeolite phải bằng
hoặc nhỏ hơn hàm lượng của silic Vì tứ diện nhôm – oxi mang điện tích âm
[AlO2]-
nên khi 2 tứ diện này lân cận nhau, chúng đẩy nhau làm cho cấu trúc
zeolite trở nên không bền. Tỉ số giữa silic và nhôm trong mạng lưới là đại lượng
quan trọng, thông thường, khi tăng tỉ số này, độ bền cấu trúc của zeolite được
tăng lên. Hình thái hạt được thể hiện như hình 1.4.
Hình 1. 4: Ảnh chụp SEM của zeolite [10]
1.2.2.3. Công thức tổng quát của các Zeolite [14]:
Me2/n
O.Al2O3 .xSiO2 .yH2O
n: hoá trị của cation Me
x: tỉ số SiO2/Al2O3
y: số phân tử H2O

12
Trong cấu trúc zeolite không tồn tại liên kết Al-O-Al mà chỉ có dạng liên
kết Si-O-Si và Si-O-Al nên tỉ lệ Si/Al >= 1.
1.2.3. Thủy tinh lỏng
Thủy tinh lỏng natrisilicat là hợp chất vô cơ silicat có công thức hóa
Na2O.nSiO2, mođun silicat Ms = 2 - 4. Thủy tinh lỏng được ứng dụng trong
nhiều ngành công nghiệp như xà phòng, giấy vải, gốm sứ, vật liệu xây dựng, keo
dán…
1.2.3.1. Tính chất: Dạng dung dịch keo, màu hơi vàng, khối lượng riêng
1,3 – 1,5 g/cm3
. Không cháy, không phân hủy, bền axit.
1.2.3.2. Cấu trúc của thủy tinh lỏng (xem hình 1.5)
Hình 1. 5: Cấu trúc thủy tinh lỏng – Na2SiO3
[31] 1.2.3.2. Quy trình sản xuất
Quá trình sản xuất thủy tinh lỏng gồm 2 - 3 bước, phụ thuộc vào yêu cầu
của sản phẩm (xem hình 1.6).
- Bước 1. Tạo thủy tinh vụn: Na2CO3 và SiO2 (từ cát) được nấu chảy ở
1100–1200o
C để tạo thủy tinh rắn vô định hình gọi là thủy tinh vụn, gồm hỗn
hợp của SiO2 và Na2O.
- Bước 2. Chuyển hóa thủy tinh vụn thành thủy tinh lỏng: thủy tinh vụn
được đưa vào bình phản ứng, sau đó được hỗn hợp cùng với nước và hơi để tạo
áp suất cao hòa tan thủy tinh vụn. Dung dịch tạo thành này được gọi là thủy tinh
lỏng.
- Bước 3. Điều chỉnh mođun silicate: Tính chất của thủy tinh lỏng phụ
thuộc vào tỉ lệ SiO2/Na2O. Tỉ lệ này có thể thay đổi bằng cách thêm NaOH vào
dung dịch.

Na2CO3
13
SiO2
Lò nung 1100 ÷ 1200o
C
Hòa tan
Dung
dịch
NaOH điều chỉnh Ms
Thủy tinh
lỏng
Hình 1. 6: Sơ đồ qui trình sản xuất thủy tinh lỏng
1.2.4. NaOH
Natri hydroxit (NaOH) được tạo thành dung dịch kiềm mạnh khi hòa tan
trong dung môi như nước. Nó được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp
như: giấy, dệt nhuộm, xà phòng và chất tẩy rửa (xem hình 1.7).
Hình 1. 7: Hình ảnh và mô phỏng cấu trúc tinh thể của xút [32]
1.2.4.1. Tính chất:
- Natri hydroxit tinh khiết là chất rắn màu trắng ở dạng viên, vảy, hạt rất dễ
hấp thụ CO2 trong không khí. Nó phản ứng mãnh liệt với nlước và giải phóng
một lượng nhiệt lớn, hòa tan trong metanol và etanol. Nó cũng hòa tan trong ete
và các dung môi không phân cực, để lại màu vàng trên giấy và sợi.
- Trong dung dịch, natri hydroxit chủ yếu tồn tại ở dạng ion, bao gồm
cation Na+
và anion OH-
. Ion OH-
làm cho NaOH có tính bazơ mạnh, nó phản
ứng với axit cho nước và muối tương ứng.

14
- Entanpy hòa tan ΔH0 = -44,5 KJ/mol, entanpy tạo thành ΔH0 = -734,95
KJ/mol, điểm nóng chảy 65,1o
C và khối lượng riêng 1,829 g/cm3
.
1.2.4.2. Phương pháp sản xuất công nghiệp:
- Toàn bộ dây chuyền sản xuất xút (NaOH) là dựa trên phản ứng điện phân
nước muối (nước cái). Trong quá trình này dung dịch nước muối (NaCl) được
điện phân thành clo nguyên tố (trong buồng anôt), dung dịch natri hydroxit và
hydro nguyên tố (trong buồng catôt)(xem hình 1.8).
Hình 1. 8: Sơ đồ điện phân sản xuất xút
+ Phản ứng tổng thể để sản xuất xút và clo bằng điện phân là:
2Na+
+ 2H2O + 2e- → H2 + NaOH
+ Phản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bình điện phân có màng
ngăn là:
NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2
- Các kiểu buồng điện phân: điểm phân biệt giữa các công nghệ này là ở
phương pháp ngăn cản không cho natri hydroxit và khí clo lẫn lộn với nhau,
nhằm tạo ra sản phẩm tinh khiết. Có 3 kiểu buồng điện phân như sau:
* Buồng điện phân kiểu thủy ngân: Sử dụng thủy ngân như một phương
tiện chia tách.

15
* Buồng điện phân kiểu màng chắn: nước muối từ khoang anôt chảy qua
màng chia tách để đến khoang catôt, vật liệu làm màng chia tách là amiăng phủ
lên catôt có nhiều lỗ.
* Buồng điện phân kiểu màng ngăn: màng chia tách tạo thành một màng
trao đổi ion.
Ngoài ra, NaOH còn được tạo thành tử phản ứng trao đổi giữa Ca(OH)2 và
Na2CO3 theo phương trình sau:
Ca(OH)2 + Na2CO3 → 2NaOH + CaCO3
1.3. Khái niệm geopolymer
1.3.1. Cơ chế hình thành geopolymer
Cơ chế hình thành geopolymer bao gồm bốn giai đoạn song song không thể
phân biệt rõ ràng được. Có thể tóm tắt cơ chế hình thành geopolymer như sau
[24]:
- Giai đoạn 1: Tách Si và Al từ các khoáng aluminosilicate rắn trong dung
dịch kiềm mạnh.
Trong sự hiện diện của nước và chất hoạt hóa kiềm các aluminosilicate có
thể kết hợp với phân tử nước (H2O) và hình thành các hydroxyt trên bề mặt
được biết đến như là nhóm silanol (>Si-OH) và nhóm aluminol (>Al-OH).
Những nhóm này được hình thành ở vị trí các ion hydroxyt của kiềm giải phóng
mạnh nhất theo một cơ chế phức tạp. Quá trình tách Si và Al từ nguyên liệu ban
đầu có thể được mô tả qua phương trình hóa học (1) như sau:
(SiO2, Al2O3) + 2MOH + 5H2O → Si(OH)4 + 2Al(OH)4
-
+2M+
(1)
Với M là K hoặc Na.
Trong dung dịch, quá trình hóa học tách Si và Al ở trong nguyên liệu của
các thành phần aluminosilicate diễn ra ở giá trị pH cao. Tỉ lệ tách Si và Al tăng
lên khi tăng độ pH. Mặt khác, tỉ lệ tách Si và Al còn phụ thuộc mạnh mẽ vào
kích thước, bề mặt của nguyên liệu ban đầu.
- Giai đoạn 2: Sự hình thành các oligomer Si hoặc Si-Al trong dung dịch.
Quá trình tách Si và Al ở giai đoạn 1 làm cho nồng độ tăng dần, một số
phản ứng hóa học diễn ra hình thành nên phức hydroxyt. Kết quả phản ứng là sự
hình của các geopolymer tiền chất là các oligomer bao gồm nhiều loại hợp chất

16
cao phân tử của Si-O-Si và Si-O-Al, được mô tả bởi những phương trình hóa
học (4) như sau:
Si(OH)4 + Si(OH)4 ↔ (OH)3Si-O-Si(OH)3 + H2O (2)
Si(OH)4 + Al(OH)4
-
↔ (OH)3Si-O-Al(-)(OH)3 + H2O (3)
2Si(OH)4 + Al(OH)4
-
↔ (OH)3Si-O-Al(-)(OH)2-O-Si(OH)3 + 2H2O (4)
Sự tồn tại của các silicat hòa tan trong giai đoạn 1 của hệ thống geopolymer
tăng cường sự hình thành oligomer. Ở giai đoạn 2, phản ứng chủ đạo theo
phương trình (2) hình thành nên hợp chất của Si-O-Si còn các phản ứng theo
phương trình (3) và (4) để định hướng hình thành oligomer Si-O-Al. Vì vậy, các
giải pháp silicat kiềm được sử dụng trong tổng hợp geopolymer để cung cấp các
hệ thống với tiền thân là các oligomer silicat là cần thiết cho sự phát triển sườn
geopolymer.
- Giai đoạn 3: Đa trùng ngưng oligomer hình thành hệ thống khung ba
chiều aluminosilicate.
Sự gia tăng của các oligomer tập trung ở giai đoạn 2 liên quan đến sự đa
trùng ngưng của nó. Do đó dẫn đến sự phát triển của hệ thống khung ba chiều
bao gồm SiO4 và AlO4 tứ liện liên kết luân phiên với các ion oxy. Quá trình đa
trùng ngưng được trình bày theo các phương trình (5a), (5b) như sau:
n[(OH)3Si-O-Si(OH)3] (-Si - O - Si – O -)n + 3n H2O) (5a)
O O
n[(OH)3Si-O-Al(-)
(OH)3] (-Si - O - Al(-)
- O -) n + 3n H2O) (5b)
O O
Phản ứng đa trùng ngưng diễn ra với việc liên kết các geopolymer tiền chất
(oligomer) bằng cách loại bỏ đồng thời các phân tử nước. Quá trình này được
gọi là trùng hợp. Các oligomer có thể phản ứng trong tất cả vị trí của ion
hydroxyt, hình thành chuỗi phân tử hoặc vòng và kết quả là khung ba chiều hình

17
thành. Ion nhôm Al3+
tham gia vào cấu trúc geopolymer bằng cách 4 lần kết hợp
với oxy (phương trình (3) ÷ (5)) tạo ra một sự mất cân bằng điện tích âm. Do đó,
sự hấp phụ các cation trong dung dịch như: Na+
, K+
, Li+
, Ca2+
, Ba2+
, NH4+
,
H3O+
,...trong các hốc của khung gần vị trí của ion nhôm là sự cần thiết để duy
trì tính trung lập điện trong ma trận.
- Giai đoạn 4: Liên kết các hạt rắn vào khung geopolymer và đông cứng
toàn bộ hệ thống vào một cấu trúc cao phân tử cuối cùng.
Khi khung geopolymer được phát triển trong dung dịch nó đi qua nhưng bề
mặt hoạt động của các hạt rắn, nơi có thể xảy ra phản ứng gắn chặt lại những hạt
không bị hòa tan trong cấu trúc geopolymer cuối cùng. Quá trình này diễn ra
theo phương trình hóa học (6), được mô tả như sau:
>T-OH + HO-(Si-O-Al-O-)n T-O-(-Si-O-Al-O-)n + H2O(6)
OO OO
Với >T-OH trong phương trình (6) là các nhóm silanol (>Si-OH) và nhóm
aluminol (Al-OH). Quá trình phản ứng trên có thể cho một chuỗi phân tử hoặc
một vòng khung geopolymer để tạo nên liên kêt Al-O-Si và Si-O-Si để kết nối
các hạt không hòa tan trong cấu trúc geopolymer. Đồng thời với quá trình đông
cứng diễn ra vật liệu bền hơn, là sự tách nước bên trong khung geopolymer (xem
phản ứng (6)).
1.3.2. Cấu trúc của geopolymer
Geopolymer là sản phẩm tổng hợp có cấu trúc vô định hình đến nửa tinh
thể [6]. Các yếu tố ảnh hưởng tới cấu trúc của geopolymer rất nhiều và chưa
hoàn toàn được giải thích chi tiết. Hiện nay, các nhà khoa học chấp nhận với giả
thuyết là cấu trúc geopolymer phụ thuộc vào tỉ lệ Si/Al trong nguyên liệu tổng
hợp [24]. Do đó, geopolymer có những loại sau:
- PS: Polysialate geopolymer (-Si-O-Al-O-),(SiO2/Al2O3 = 2 ↔ Si/Al = 1)
xem hình 1.9.

18
Hình 1. 9: Mô phỏng cấu trúc Polysialate geopolymer [19]
- PSS: Polysialatesiloxo geopolymer (-Si-O-Al-O-Si-O-) (SiO2/Al2O3 = 4
↔ Si/Al = 2) xem hình 1.10.
Hình 1. 10: Mô phỏng cấu trúc Polysialatesiloxon geopolymer [19]
- PSDS:Polysialatedisiloxo geopolymer (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)
(SiO2/Al2O3 = 6 ↔ Si/Al = 3) xem hình 1.11.
Hình 1. 11: Mô phỏng cấu trúc Polysialatedisiloxo geopolymer [19]
- SL: Sialate link geopolymer (Si/Al >3) xem hình 1.12.
Hình 1. 12: Mô phỏng cấu trúc Sialate link geopolymer [19]

19
1.3.3. Lịch sử phát triển và ứng dụng của geopolymer
1.3.3.1. Lịch sử phát triển
Kim loại kiềm (Na, K) là nguyên tố có hại trong sản xuất xi măng portland,
nguyên nhân do chúng tạo thành các khoáng KC12S23 và NC8A3 cũng như tạo
ra các phản ứng kiềm với SiO2 làm giãn nỡ bê tông. Hàm lượng kiềm trong xi
măng thể hiện qua hàm lượng Na2O không được quá 0.6%.
Năm 1940, Purdon đã chỉ ra rằng dung dịch kiềm làm tăng nhanh quá trình
hydrat hóa và hình thành nên pha thủy lực mới bên trong vật liệu.
Năm 1959, Gluchovskij mô tả khả năng chế tạo một loại vật liệu xây dựng
mới bằng phản ứng aluminosilicate với hợp chất kiềm.
Trong những năm 1976 – 1979 Davitdovits đã xác định tên gọi của vật liệu
mới đó là vật liệu geopolymer. Theo ông, vật liệu này hình thành bởi quá trình
đa trùng ngưng vô cơ gọi là quá trình geopolymer hóa. Những sự kiện quan
trọng trong hóa học aluminosilicate được thể hiện như trong bảng 1.3.
Bảng 1. 3: Những sự kiện quan trọng trong hóa học aluminosilicate [22]
Vật liệu Zeolite Xỉ kiểm Kaolin Geopolymer
Năm
1930 1934: Olsen
(Hà Lan)
1940 1945: 1940: Purdon (Bỉ) 1945: Cục tiêu
Barrer chuẩn Mỹ;
(Anh) 1949: Borchert,
Keidel (Đức)
1950 1953: 1953: Trief
Barter Cement (Anh)
(Anh) 1957: Glukovskij
1956: (Ucraina) (bê
Milton tông đất silicate)
(Mỹ)
1960 1963: Howell
(Mỹ )
1964: Berg và
cộng sự (Liên
Xô)
1969: Besson và

20
cộng sự (Pháp)
1970 1972: 1976:
Davidovits Davidovits
(Pháp) (Sicate (Đưa ra danh
bề mặt) pháp hóa học)
1979:
Davidovits
(Geopolymer)
1.3.3.2. Ứng dụng của geopolymer
Geopolymer được ứng dụng từ những năm 1972 tại Pháp, Châu Âu và Mĩ
[20]. Theo số liệu thống kê thì kể từ năm 1997 cho đến nay, hơn 80.000 công
trình nghiên cứu về geopolymer của hơn 15.000 nhà khoa học trên thế giới đã
công bố tại Viện Geopolymer (thành lập năm 1972). Sau hơn 50 năm nghiên cứu
và phát triển, vật liệu geopolymer được ứng dụng rộng rãi trong những lĩnh vực
sau: vật liệu chống cháy, vật liệu cách nhiệt, vật liệu trang trí mỹ thuật, vật liệu
xây dựng như gạch xây, gạch ceramic, vật liệu chịu lửa, bền nhiệt, ứng dụng
trong kỹ thuật đúc nhôm, xi măng và bê tông polymer, vật liệu composite chịu
lửa để sửa chữa và gia cường cơ sở hạ tầng, vật liệu composite cao cấp cho nội
thất ô tô, máy bay, nhựa hệ thống công nghệ cao... (xem hình 1.13).

21
Hình 1. 13: Ứng dụng của geopolymer [9]
Ở Mỹ, ứng dụng chủ yếu của chất kết dính geopolymer là sản xuất xi măng
geopolymer đóng rắn nhanh (Pyrament Blended Cement - PBC). PBC đã được
nghiên cứu sản xuất và ứng dụng trong các sân bay quân sự từ những năm 1985.
Sau đó PBC được dùng nhiều trong sửa chữa đường băng bê tông, sàn nhà công
nghiệp, đường cao tốc. Loại xi măng này có thể đạt cường độ 20 MPa sau 4-6h
đóng rắn. Một loại xi măng geopolymer khác cũng được nghiên cứu sử dụng là

22
xi măng geopolymer bền axit. Năm 1997, công ty Zeo tech corp đã thương mại
hóa thành sản phẩm bê tông geopolymer bền axit. Sản phẩm này đã được dùng
nhiều trong các nhà máy hóa chất và thực phẩm.
Ở Úc, bê tông geopolymer đã và đang ứng dụng trong thực tiễn như: các
thanh tà vẹt đúc sẵn, đường ống cống và các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn khác
trong xây dựng. Với đặc tính tốt nhất của các kết cấu đúc sẵn là cho cường độ
tuổi sớm cao sau khi được bảo dưỡng hơi nước hoặc dưỡng hộ nhiệt [25,26].
Trong báo cáo về quá trình sản xuất các thanh tà vẹt bê tông geopolymer trên cơ
sở geopolymer tro bay, Palomo và công sự cho rằng các kết cấu bê tông
geopolymer có thể dễ dàng được sản xuất bằng những công nghệ sản xuất bê
tông hiện tại mà không cần phải thay đổi lớn nào. Một số nhà nghiên cứu khác
cũng đã sản xuất các sản phẩm ống cống bê tông geopolymer cốt thép đúc sẵn
có đường kính từ 375-1800mm; các cống hộp bê tông geopolymer cốt thép có
kích thước 1200x600x1200 mm [9]. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khả năng chịu
môi trường nước thải xâm thực rất tốt và tương đương sản phẩm bê tông xi
măng. Bê tông geopolymer có hoạt tính kiềm cũng đã được thương mại hóa ở
Úc với nhãn hiệu kinh doanh E-Crete(TM). E-Crete được tái chế từ tro bay và xỉ
lò cao cùng với các chất hoạt tính kiềm thích hợp và hiện có sẵn ở dạng đúc sẵn
và trộn sẵn. Các sản phẩm đúc sẵn của E-crete chủ yếu như: các panel đúc sẵn,
các ống, nắp và đế cống; cống hộp; bể xí tự hoại; hố thu rác, gạch lát vỉa hè; tấm
ốp lát trang trí hoặc cách âm....
Ở Việt nam, mới chỉ có một dạng sản phẩm thương mại có nguồn gốc từ bê
tông geopolymer là gạch đất không nung. Tuy nhiên chưa được sử dụng rộng rãi
trong các công trình xây dựng. Đã có một số nghiên cứu bước đầu về bê tông
geopolymer như bê tông chịu lửa không xi măng của nhóm nghiên cứu ở Viện
Vật liệu Xây dựng [12]. Bê tông chịu lửa không xi măng – tên thương phẩm là
Alphabond 300, so với bê tông chịu lửa ít xi măng có công nghệ chế tạo đơn
giản, thời gian sử dụng của vật liệu này tăng, tính chất cơ nhiệt tốt như tăng
nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng và tăng độ bền uốn ở nhiệt độ cao. Nhóm
nghiên cứu đã chế tạo thành công bê tông chịu lửa không xi măng ứng dụng thử
vào thực tế. Một nghiên cứu khác về ứng dụng chất kết dính geopolymer là sản
xuất vật liệu không nung từ phế thải tro bay và xỉ lò cao cũng đã được thực hiện
năm 2011. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng được quy trình sản xuất vật liệu

23
gạch block bê tông geopolymer có cường độ nén đạt >10 MPa, có giá thành rẻ
hơn gạch block bê tông xi măng cốt liệu khoảng 15% [4].
Tùy thuộc vào tỉ lệ Si/Al mà có những sản phẩm với những cấu trúc khác
nhau, cho các ứng dụng khác nhau và được thể hiện ở bảng 1.4.
Bảng 1. 4: Sự phụ thuộc cấu trúc và các ứng dụng của geopolymer vào tỉ lệ phân
tử Si/Al [4]
Tỉ lệ Si:Al Cấu trúc Ứng dụng
phân tử
Kỹ thuật thấp Kỹ thuật cao
Si:Al = 1:1 Cấu trúc mạng - Làm gạch
3 chiều - Gốm sứ
- Vật liệu chống cháy
Si:Al = 2:1 - Xi măng
- Bê tông
- Vật liệu ngăn phóng xạ
và chất thải độc hại
Si:Al = 3:1 Cấu trúc liên - Sản xuất khuôn đúc vật - Công cụ ngành
kết ngang 2 liệu hàng không
chiều - Sợi composite thủy - Composite chịu
tinh chống cháy nhiệt
Si:Al > 3:1 - Chất hàn kín trong - Công cụ ngành
công nghiệp hàng không
20:1 < Si:Al và Sợi composite
Si:Al > 35:1 chịu nhiệt và
chống cháy
1.3.4. Lợi ích của việc nghiên cứu geopolymer
1.3.4.1. Ưu điểm:
- Xử lí chất thải thành sản phẩm hữu dụng: Geopolymer được tạo ra nhờ
phản ứng giữa aluminosilicate có trong nguyên liệu với tác nhân kiềm. Các chất
thải như tro bay nhà máy nhiệt điện hay xỉ trong sản xuất thép có thể được dùng
như nguyên liệu cơ bản cho phản ứng này. Điều này đã giúp chuyển hóa một
loại chất thải của ngành công nghiệp này thành nguyên liệu đầu vào cho một
ngành công nghiệp khác. Một số loại chất thải được sử dụng làm nguyên liệu
tổng hợp geopolymer như tro của nhà máy nhiệt điện chạy than.; xỉ lò cao; bùn
đỏ từ quá trình sản xuất alumin từ quặng bauxite theo phương pháp Bayer; cao

24
lanh thải; puzzolan; chất thải khai thác mỏ; một số loại vật liệu chứa một lượng
lớn Si, Al dưới dạng vô định hình; zeolite thải của ngành lọc dầu.
- Vật liệu xây dựng tiềm năng: geopolymer được sử dụng làm vật liệu xây
dưới các dạng sau: gạch, bê tông, vữa, tấm panel và có thể kết hợp với các vật
liêu công nghiệp tiêu chuẩn hiện hành như OPC và các polymer hữu cơ như
nhựa, PVC, epoxy, polyester, polyurethane...
- Ít co ngót hơn
- Ít thấm hơn
- Ít phụ thuộc vào
công nghiệp hóa
dầu và chất dẻo
- Khó cháy hơn và
ngọn lửa không có
khói độc
- Bền băng giá hơn
- Chống acide tốt hơn
- An toàn và không
nổ trong lửa
- Bền hơn
- Ứng dụng trong
cuộc sống nhiều hơn
ÍT HƠN NHIỀU HƠN
Hình 1. 14: So sánh vật liệu geopolymer với OPC [33]
So với OPC thì geopolymer ít co ngót, ít thấm nước, khó cháy, bền băng
giá hơn, chịu axit tốt hơn và khi gặp lửa không phát thải khí độc (xem hình
1.14). Nếu xét về giá cả của sản phẩm truyền thống so với geopolymer chế tạo
từ chất thải (tro bay, xỉ...) với các hóa chất sử dụng thì giá gần như bằng nhau.
Tuy nhiên, nếu tính luôn chi phí xử lí sự phát thải cacbon dioxyt thì giá
geopolymer sẽ rẻ hơn. Giá của geopolymer trên thực tế hiện nay có đắt hơn chút
ít, nhưng xét về sự tồn tại dài lâu, sự an toàn cho công trình sử dụng và sự phát
triển bền vững thì sự dụng sản phẩm geopolymer vẫn ưu việt hơn.
- Xử lí ô nhiễm chất thải: Các kim loại nặng, độc hại được liên kết hoàn
toàn trong mạng luới của geopolymer như là một phần của chuỗi polymer hay bị
giam chặt trong hốc của cấu trúc nó (xem cơ chế geopolymer). Còn trong OPC
chúng tồn tại trong lỗ xốp và mạng lưới mao quản. Điều này đưa ra một giải

25
pháp khá tốt để xử lí chất thải độc hại như chất thải trong quá trình khai thác mỏ,
chất thải của công nghiệp và chất thải có độ phóng xạ thấp. Theo cách này, việc
sản xuất geopolymer từ chất thải có thể cung cấp một giải pháp rẻ mà hiệu quả
để xử lí chất thải trong khi các sản phẩm trên cơ sở OPC thì đắt hoặc không đủ
độ bền để tồn tại lâu dài.
- Giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính: Để sản xuất một tấn OPC sẽ
giải phóng gần một tấn CO2 vào khí quyển (đã tính cả lượng CO2 giải phóng khi
nung đá vôi để tạo các khoáng canxi silicate cũng như năng lượng khi nghiền
clinker thành xi măng), sự sản xuất xi măng đóng góp 7% lượng CO2 của toàn
cầu [18]. Nền công nghiệp xi măng toàn cầu tiêu thụ toàn cầu tiêu thụ khoảng 8
EJ năng lượng hàng năm và là ngành thứ ba về tiêu thụ năng lượng. Về cơ bản
có hai phương pháp sản xuất xi măng là phương pháp khô và phương pháp ướt
(phụ thuộc vào lượng nước trong phối liệu). Phương pháp khô tránh việc phải
làm bay hơi nước và kết quả là tiêu thụ ít năng lượng hơn, khoảng 4.6 GJ/tấn
clinker so với khoảng 5.9 ÷ 6.8 GJ/tấn clinker của phương pháp ướt [11].
Ngược lại khi sản xuất một tấn geopolymer bằng cách sử dụng chất thải tro
bay và chất hoạt hóa tiêu chuẩn sẽ chỉ giải phóng ra môi trường 0.16 tấn CO2.
Nghĩa là giảm phát thải CO2 khoảng 80%. Nếu thay thế hoàn toàn xi măng OPC
bằng geopolymer thì lượng CO2 trên toàn cầu sẽ giảm được từ 4 ÷ 7%.
- Làm vật liệu ngăn ngừa tia X: Những nghiên cứu gần đây cho thấy vật
liệu geopolymer có khả năng ngăn cản được tia X, nên có thể dùng để xây dựng
các cơ sở có sử dụng tia X, hạn chế sử dụng chì vì chì rất độc, ngăn cản tia X ra
môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe của con người.
1.3.4.2. Khuyết điểm
Ngoại trừ các ưu điểm, bê tông geopolymer vẫn được cho là khó có thể phổ
biến trên thị trường hiện nay. Lý do chính cho điều này là phần lớn các nhà máy
xi măng còn lo ngại về nguy cơ sụt giảm lợi nhuận khi đầu tư. Trên quan điểm
công nghiệp xây dựng, xi măng xanh mới chỉ được đề cập đến như một khái
niệm chứ chưa được chứng minh bằng thực tiễn công nghệ. Vẫn còn có sự tranh
cãi về khả năng giảm thiểu khí CO2 và tính kinh tế khi xem xét đến giá thành và
sự tồn tại của chất hoạt hóa kiềm trong bê tông geopolymer. Rõ ràng là có sự
nguy hiểm nhất định khi sử dụng dung dịch kiềm mạnh và dung dịch kiềm mạnh

26
cũng đòi hỏi quá trình sản xuất bê tông phức tạp hơn, điều này dẫn đến gia tăng
tiêu thụ năng lượng cũng như phát sinh hiệu ứng nhà kính. Trên thực tế, còn có
ít nghiên cứu về các tính chất vật lý của bê tông geopolymer, mặc dù điều này
khá phức tạp và cần thiết thực hơn bê tông thường. Ví dụ như quá trình phản
ứng polyme hóa chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ và thường đòi hỏi phải
bảo dưỡng ở nhiệt độ cao cùng với sự kiểm soát nghiêm ngặt chế độ nhiệt. Một
nhược điểm cuối cùng nữa có thể là khả năng phát thải các chất kiềm kích hoạt
vào môi trường nước và không khí khi sử dụng sản phẩm bê tông geopolymer.
1.4. Giới thiệu một số hệ geopolymer khác
1.4.1. Geopolymer trên cơ sở photphate
Vật liệu phospate được tổng hợp ở nhiệt độ thường và chúng đóng rắn
nhanh như polymer thông thường. Chúng chứa các khoáng có tồn tại trong thiên
nhiên, đặc biệt là apatite. Vật liệu phosphate là một dạng geopolymer trong đó
các nguyên tử Si được thay thế một phần hay hoàn toàn bởi nguyên tử P [22].
Geopolymer phosphate được tạo nên nhờ phản ứng axit – badơ giữa một
oxyt kim loại và axit phosphoric. Thật ra bất kỳ một oxyt hóa trị 2 hay 3 nào nếu
như có thể hòa tan được đều dùng làm geopolymer phosphate được.
Ngoài ra, chúng ta còn có polymer silico - phosphate tạo nên nhờ phản ứng
giữa axit phosphoric và khoáng wollastonite.
1.4.2. Geopolymer khoáng hữu cơ
1.4.2.1. Silicone
Có sự tương tự về cấu trúc siloxane (Si-O-Si) tạo thành chuỗi, vòng trong các
hợp chất silicone hữu cơ với silica (SiO2) và các khoáng silicate. Noll (1968) thấy
rằng có thể chuyển từ khoáng silicate polymer sang hợp chất siloxane hữu cơ bằng
cách thay các anion silicate bằng các nhóm metyl. Cấu trúc mới này gần giống với
các phân tử silicate và aluminosilicate: monomer, dimer, trimer, vòng, chuỗi, tấm
lớp và khung tạo bởi các tứ diện [SiO4]4-
chung góc hợp lại với nhau.
1.4.2.2. Geopolymer trên cơ sở axit humit (kerogen polymer)
T.K.Yen và các công sự đã chú ý đến geopolymer kết hợp với kerogen và
dầu mỏ. Các hợp chất hữu cơ có thể gắn kết vào các đại phân tử như ligin,

27
melanodin hay humic axit. Vật liệu humic geopolymer có cấu trúc vô cơ – hữu
cơ.
Quá trình hình thành kerogen polymer được mô tả như hình 1.15.
Hình 1. 15: Quá trình hình thành kerogen polymer [29]

28
CHƢƠNG 2 - MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm ra bài cấp phối thích hợp để chế tạo sản xuất vật liệu geopolymer từ
hỗn hợp zeolite, tro bay. Xác định các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình polymer
hóa và các tính chất của kỹ thuật của nó.
2.2. Nội dung nghiên cứu
Với mục đích như trên, tôi đã đề ra nội dung nghiên cứu như sau:
- Xác định thành phần kích thước hạt, thành phần hóa nguyên liệu.
- Xác định khối lượng riêng và độ pH của thủy tinh lỏng.
- Xác định cường độ chịu nén của vật liệu geopolymer.
- Xác định thành phần khoáng của nguyên liệu, vật liệu geopolymer bằng
phương pháp XRD
- Xác định hình thái bề mặt vật liệu bằng phương pháp chụp ảnh SEM.
- Xác định khả năng che chắn bức xạ tia X của vật liệu nhờ thí nghiệm với
các chất phóng xạ 137
Cs và 60
Co.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật
liệu, ngoài ra phương pháp này còn có thể ứng dụng để xác định động học của
quá trình chuyển pha, kích thước hạt và xác định trạng thái đơn lớp bề mặt của
xúc tác oxit kim loại trên chất mang.
Theo lí thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các phân tử
hay ion được phân bố đều đặn trong không gian theo một qui luật nhất định. Khi
chùm tia Rơnghen (tia X) tới bề mặt tinh thể và đi vào trong mạng tinh thể thì
mạng lưới này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử,
ion bị kích thích bởi chùm tia sẽ trở thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Xem
hình 2.1.

29
Hình 2. 1: Sơ đồ nhiễu xạ và cơ chế phát xạ tia X [23]
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là phương trình Vulf – Bragg:
2dhklsin = n. Trong đó:
+ dhkl: khoảng cách 2 mặt tinh thể
+ θ: góc giữa chùm tia tới và mặt phẳng phản xạ
+ λ: bước sóng tia tới.
Định luật là Bragg là điều kiện cần nhưng chưa đủ cho phương pháp nhiễu
xạ tia X vì nhiễu xạ chỉ có thể chắc chắn xảy ra khi có các nguyên tử ở nút
mạng. Còn khi các nguyên tử không có ở nút mạng mà nằm ở các vị trí khác,
chúng hoạt động như các tâm tán xạ phụ lệch pha với các góc Bragg nào đó, kết
quả là mất đi một số tia nhiễu xạ theo phương trình phải có mặt.
Nguyên tắc hoạt động của máy phát tia Rơnghen đó là tia X được tạo ra khi
các điện tử với vận tốc lớn bị kìm hãm bởi một vật chắn (xem hình 2.2).
Hình 2. 2: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một ống phát tia X [8]

30
Hai điện cực anod và catod được đặt trong ống thủy tinh thạch anh có áp
suất cao. Chùm tia điện tử phát ra từ catod được gia tốc do điện áp lớn ở anod
sẽ bay về phía anod với vận tốc lớn. Khi các điện tử có động năng lớn đập vào
anod thì phần lớn chuyển hóa thành nhiệt năng, chỉ có một phần rất nhỏ được
chuyển thành tia X, do đó cần được làm nguội ống phát tia Rơnghen bằng
nước. Tùy theo điều kiện nhất định (điện thế anod, chất liệu làm anod…) có thể
thu được các bức xạ hầu như đơn sắc gọi là tia Rơnghen đặc trưng. Trong
nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X, tia CuKα là bức xạ thường được sử dụng rộng
rãi nhất. Ba phương pháp nhiễu xạ tia X [30] là:
Phương pháp λ θ
Phương pháp Laue Biến đổi Cố định
Phương pháp quay đơn tinh thể Cố định Biến đổi một phần
Phương pháp bột Cố định Biến đổi
Trong luận văn này, giản đồ nhiễu xạ XRD được ghi trên máy Siemens
D5005 với tia phát xạ CuKα có bước sóng, góc quét từ 10o
đến 70o
, góc mỗi
bước quét là 0,03o
và thời gian quét mỗi bước là 2s. Xem hệ thống phân tích
nhiễu xạ tia X ở hình 2.3 như sau:
Hình 2. 3: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một ống phát tia X [8]

31
2.3.2. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo
ra ảnh có độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm
điện tử (electron) quét lên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu được thực hiện
thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ sự tương tác của
chùm điện tử với bề mặt mẫu (xem hình 2.4).
Hình 2. 4: Sơ đồ hoạt động của SEM [14]
Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng như việc tạo ra các chùm điện
tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua TEM tức là điện tử được phóng ra từ
súng phóng điện tử (phát xạ nhiệt, phát xạ trường,…) sau đó được tăng tốc. Tuy
nhiên thế tăng tốc của SEM chỉ từ 10kV đến 50kV vì sự hạn chế của thấu kính
từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm nhỏ sẽ rất
khó khăn. Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp
(cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét
trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM được xác
định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị
hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không thể đạt được độ phân giải tốt
như TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật
liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ

32
có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực
hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu gồm:
+ Điện tử thứ cấp (secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thông
dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có năng lượng
thấp (thường nhỏ hơn 50eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì
chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với
độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.
+ Điện tử tán xạ ngược (backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngược là
chùm điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đó
chúng thường có năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào vào
thành phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích
cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học. Ngoài ra, điện tử tán xạ
ngược có thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc
phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử). Ngoài ra, điện tử tán xạ
ngược phụ thuộc vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên có thể đem lại thông
tin về các đômen sắt điện.
Mặc dù không thể có độ phân giải tốt như kính hiển vi điện tử truyền qua
nhưng kính hiển vi điện tử quét lại có điểm mạnh là phân tích mà không cần phá
hủy mẫu vật và có thể hoạt động ở chân không thấp. Một điểm mạnh khác của
SEM là các thao tác điều khiển đơn giản hơn rất nhiều so với TEM khiến cho nó
rất dễ sử dụng. Một điều khác là giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với
TEM, vì thế SEM phổ biến hơn rất nhiều so với TEM.
Trong luận văn này ảnh SEM của các mẫu được chụp bằng máy JEOL
5410LV, của hãng JEOL, Nhật Bản. Máy có thế làm việc từ 1 đến 30kV, độ
phân giải 3,5nm, độ phóng đại: từ 50X đến 200.000X, có chế độ làm việc ở điều
kiện chân không thấp, được tích hợp với hệ phân tích thành phần nguyên tố EDS
của Hãng OXFORD- UK: ISIS 300.
2.3.3. Xác định cường độ chịu nén
Sản phẩm mà đề tài chúng tôi thực hiện là geopolymer được ứng dụng làm
gạch xây dựng (không nung). Do đó, tôi xác định cường độ chịu nén của sản
phẩm dựa theo TCVN 6355-1:1988 (xác định độ bền nén gạch xây) [3].

33
2.3.3.1. Nguyên tắc:
Đặt mẫu thử lên máy nén và nén đến khi mẫu bị phá hủy. Từ lực phá hủy
lớn nhất tính cường độ chịu nén của mẫu thử.
2.3.3.2. Thiết bị thử
- Máy thủy lực có bảng lực từ 30 ÷ 60 tấn, sai số của máy không lớn hơn ±
2%.
- Máy cưa để tạo mẫu thử.
- Thước đo bằng kim loại chính xác đến 1mm.
- Các miếng kính, giấy mài để làm phẳng bề mặt mẫu.
2.3.3.3. Tiến hành thử
- Trước khi nén, phải tiến hành đo các kích thước của mẫu đã được chuẩn
bị bằng thước kim loại với sai số không quá 1mm. Các kích thước của mẫu được
tính bằng trung bình cộng của ba lần đo.
- Đặt mẫu thử lên mặt ép, sao cho tâm mẫu thử trùng với tâm nén dưới của
máy nén. Sau đó, tăng tải trọng ép đều, liên tục và bằng 0.2 ÷ 0.3 N/mm2
trong
1s cho đến khi mẫu bị phá hủy hoàn toàn.
2.3.3.4. Tính kết quả
- Cường độ chịu nén (X, N/mm2
hay MPa) của mẫu được tính theo công
thức:
XF
P
Trong đó:
+ P: Là tải trọng lớn nhất ghi được khi mẫu bị phá hủy, N.
+ F: Là diện tích bề mặt chịu nén của mẫu, mm2
.
Chú ý: Với mẫu thử có chiều cao không nhỏ hơn 2 lần chiều rộng thì kết
quả mẫu thử được nhân với hệ số k = 1.2.
Trong luận văn này, cường độ chịu nén của mẫu xác định bằng máy nén
tại phòng thí nghiệm khoa Xây dựng cầu đường, Đại học Bách khoa Đà Nẵng
(xem hình 2.5).

34
Hình 2. 5: Máy nén
2.3.4. Xác định thành phần hóa của thủy tinh lỏng công nghiệp
2.3.4.1. Xác định hàm lượng của silic đioxit
Xác định hàm lượng silic đioxit bằng phương pháp khối lượng (phương
pháp trọng tài) theo tiêu chuẩn ngành 64 TCVN 38 -86 (natri silicat) [15].
- Dụng cụ và thuốc thử:
+ Axit clohiđric (d=1.19g/ml), dung dịch HCl 1%.
+ Dung dịch bạc nitrat AgNO3 1%.
+ Cân điện tử 4 số.
+ Lò nung 1000ºC.
+ Nồi đun cách thuỷ.
+ Bát sứ dung tích 250ml.
+ Phễu thuỷ tinh, đường kính 80mm.
+ Giấy lọc không tro.
- Tiến hành xác định:
Cân 2g mẫu với độ chính xác 0,0002g trong cốc cân sứ dung tích 50ml.
Thêm từ từ 10ml axit clohiđric HCl d=1,19 khuấy đều và để yên hỗn hợp 10

35
phút. Chuyển hết mẫu sang bát sứ dung tích 250ml, tráng cốc cân ít nhất 3 lần
bằng nước, pha loãng hỗn hợp bằng nước tới thể tích 100ml. Gia nhiệt trên nồi
đun cách thuỷ, khuấy đều; đun sôi trong 10 phút để kết tủa axit silixic. Lấy ra
làm nguội đến nhiệt độ phòng rồi lọc qua giấy lọc định lượng không tro. Rửa kết
tủa nhiều lần bằng axit clohiđric HCl 1%; sau đó rửa bằng nước nóng cho đến
khi hết Cl (kiểm tra nước rửa bằng dung dịch bạc nitrát 1% đến khi không xuất
hiện tua trắng là được).
Chuyển kết tủa và giấy lọc vào cốc nung bằng sứ, đã được nung trước ở
nhiệt độ 900 ÷ 1000o
C tới khối lượng không đổi, gia nhiệt cốc nung trên bếp
điện 1000W cho cháy giấy lọc, sau đó đưa vào lò nung, gia nhiệt tới 900 ÷
1000o
C rồi duy trì một giờ (mẫu đạt yêu cầu khi trong cốc tro không còn màu
đen). Mẫu lấy ra làm nguội trong bình hút ẩm tới nhiệt độ phòng rồi cân. Lặp lại
đến khi mẫu đạt tới khối lượng không đổi.
- Tính kết quả:
Hàm lượng silic đioxit SiO2 trong mẫu tính bằng %, theo công thức:
M SiO
m2
 m1
100[%]
2 m
Trong đó:
+ m2: Khối lượng cốc cân và ôxít silic, tính bằng g.
+ m1: Khối lượng cốc cân, tính bằng g.
+ m: Lượng mẫu cân để thử, tính bằng g.
2.3.4.2. Xác định hàm lượng nước của thủy tinh lỏng
- Dụng cụ:
+ Cân điện tử.
+ Tủ sấy nhiệt độ 200°C.
+ Cốc thủy tinh dung tích 50ml.
- Tiến hành xác định:
Cân 10g mẫu với độ chính xác 0.01g trong cốc thủy tinh 50ml và cho vào
tủ sấy ở nhiệt độ 105 ÷ 110°C. Sấy khô đến khối lượng không đổi (sai số giữa
hai lần cân liên tiếp không quá 0.5%), lấy ra để nguội trong bình hút ẩm và sau
đó đem cân (chính xác đến 0.01g).
- Tính kết quả:

36
Độ ẩm tuyệt đối hay độ ẩm tính theo mẫu khô được tính theo công thức:
W 
g
0
g
1100[%]
g1
Trong đó:
+ W: Độ ẩm tuyệt đối của nguyên liệu, [%].
+ g0: Khối lượng nguyên liệu ẩm, [g].
+ g1: Khối lượng nguyên liệu sấy khô đến khối lượng không đổi, [g].
+ Độ ẩm tương đối (W0) hay độ ẩm tính theo mẫu ướt, tính theo công thức:
W0
g 0
g
 g1
100[%]
0
Sự phụ thuộc giữa độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối biểu thị qua công
thức:
W0 
W100
[%]
W W0 100 [%]
100  W0
100  W và
2.3.5. Phân tích thành phần kích thước hạt nguyên liệu
Các quá trình trong công nghệ sản xuất silicate đều liên quan chặt chẽ đến
việc xử lí các hệ dạng hạt. Sự phân bố kích thước các hạt trong phối liệu có ảnh
hưởng đến tính chất của sản phẩm. Các phương pháp xác định thành phần cỡ hạt
bao gồm [1]:
- Phân tích bằng sàng.
- Phân tích bằng phương pháp lắng.
- Phương pháp đếm hạt.
- Phương pháp phân loại hạt.
Trong đề tài này, chúng tôi thực hiện phân tích thành phần kích thước hạt
của nguyện liệu sử dụng theo phương pháp sàng.
2.3.5.1. Giới thiệu phương pháp phân tích bằng sàng:
Đây là phương pháp thông thường để xác định thành phần cỡ hạt, dùng để
xác định kích thước hạt từ 40 μm đến 6 ÷ 8 μm, đặc biệt có thể đến 125 mm.
Ngày nay, người ta dùng để phân tích bột liệu từ 5 đến 40 μm (dùng sàng có lỗ
nhỏ). Sàng được sản xuất thành bộ có kích thước lỗ nhất định và được đánh số
theo tiêu chuẩn của từng nước. Xếp sàng theo mức độ hạt thô hay tinh, sàng kích
thước lỗ lớn nhất đặt trên cùng, sàng có kích thước lỗ nhỏ nhất đặt dưới cùng.

37
Phân tích bằng sàng thường có sai số tạo nên bởi sự kết hợp của các hạt,
các hạt không đồng nhất hình dạng hay thời gian sàng không đủ. Các lỗi này có
thể được khắc phục bằng cách sử dụng các chuyển động bắt buộc của các hạt
trên bề mặt sàng (rung, lắc), sàng với không khí thổi hay sàng ướt.
Phân tích sàng thường chia thành 2 loại:
- Phƣơng pháp sàng khô: Sàng khô nghĩa là nguyên liệu được sấy khô rồi
cho qua sàng, sàng khô có thể vận hành bằng tay hoặc bằng máy trên thiết bị
rung. Nếu bằng máy, tất cả các sàng đều được đặt trên máy rung, sàng có kích
thước thước lỗ lớn nhất được đặt trên cùng như đã nói ở trên. Số lượng nguyên
liệu đem sàng được chọn sao cho sàng không bị quá tải. Đối với nguyên liệu khó
sàng, sau 5 phút phải làm sạch mặt dưới của sàng bằng chổi mịn, thời gian sàng
máy thông thường là 10 phút.
Phân tích sàng bằng tay dùng để phân tích chính xác hay dùng trong các
thí nghiệm cần tư cách pháp nhân. Phân tích sàng bằng máy dùng để phân tích
hàng loạt. Sau khi sàng xong đem cân. Những hạt nằm kẹp trong lỗ được tính là
nằm trên sàng. Nếu một lượng lớn nguyên liệu đem sàng có kích thước hạt gần
với kích thước lỗ sàng, cần phải cho vào 30 g thanh đồng có độ dài 10 mm hay
các khối vuông bằng cao su.
Sau khi sàng xong, đem cân những phần còn lại trên sàng. Tổng khối lượng
của tất cả các đoạn cỡ hạt không được nhỏ hơn khối lượng nguyên liệu đem sàng
từ 1 ÷ 2 %. Phần chênh lệch có thể được chia đều cho các đoạn cỡ hạt theo khối
lượng từng đoạn sao cho tổng khối lượng các đoạn cỡ hạt là 100.
- Phƣơng pháp sàng ƣớt: Sàng ướt nghĩa là quá trình phân loại diễn ra
trong môi trường lỏng, thường là trong nước, trong xăng hay trong một
hydrocacbon khác. Khi sàng ướt nếu cần thiết người ta thêm vào tác nhân phân
tán, chất làm sạch hay chất thấm ướt. Quá trình sàng ướt thường kết thúc khi
nước chảy xuống hoàn toàn trong suốt. Phần còn lại trên sàng được dội nước,
đem sấy và cân.
Nói chung, khi sàng hạt mịn, sàng ướt sẽ hiệu quả hơn sàng khô. Tuy
nhiên, sàng ướt lại chỉ dùng cho vật liệu không tác dụng với nước và số lượng
các hạt kích thước lớn phải nhỏ.

38
Nhược điểm của phương pháp phân tích sàng ướt là cần phải sấy, và quá
trình này làm chậm kết quả đến 20 ÷ 30 phút. Ưu điểm là có thể thực hiện được
với sàng mịn và sàng siêu mịn. Để sàng ướt diễn ra nhanh, có thể dùng biện
pháp hút chân không, rung hay có thể dùng siêu âm.
2.3.6. Hiện tƣợng hấp thụ bức xạ tia X hoặc tia gamma và hệ số
suy giảm tuyến tính
Một chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma khi đi qua vật chất thì cường độ
của chúng bị suy giảm. Hiện tượng này được gọi là sự hấp thụ bức xạ tia X hoặc
tia gamma trong vật chất (xem hình 2.6). Lượng bức xạ bị suy giảm phụ thuộc
vào chất lượng của chùm bức xạ, vật liệu, mật độ của mẫu vật và bề dày của
mẫu vật mà chùm tia bức xạ đi qua.
Hình 2. 6: Quá trình hấp thụ bức xạ tia X
Hệ số suy giảm tuyến tính. Hình 2.7 trình bày sự suy giảm của chùm bức
xạ khi truyền qua vật liệu có bề dày x. Theo công thức Beer – Lambert, một
chùm bức xạ song song với năng lượng E có cường độ ban đầu Io truyền qua
mẫu có bề dày x (cm) giảm theo phương trình:
I = I 0 exp (-μx)
trong đó:
Io là cường độ của bức xạ gamma trước khi qua mẫu.
I là cường độ của bức xạ gamma sau khi qua mẫu.
µ là hệ số suy giảm tuyến tính của mẫu (cm-1
).

39
Hấp thụ
I0 I
Nguồn
Đầu dò
x
Hình 2. 7: Sự suy giảm cường độ gamma khi truyền qua vật liệu
Tuy nhiên, hệ phổ kế gamma chỉ ghi nhận tốc độ đếm của đầu dò nên công
thức trên được viết lại như sau:
N = N 0 exp (-μx)
trong đó:
No là tốc độ đếm của đầu dò ứng với hộp rỗng (số đếm/s).
N là tốc độ đếm của đầu dò ứng với hộp chứa mẫu (số đếm/s).
Từ đó, suy ra hệ số suy giảm tuyến tính của mẫu
μ=
1
x ln(
N
N0
)
Theo công thức truyền sai số, ta có:
u2
() u2
(x) 1  u2
N0 u2N
    

2
x
2 2
(N0 / N)
2
N
2
ln  N0 
trong đó, u(
): sai số tuyệt đối của hệ số suy giảm tuyến tính, u(x): sai số
tuyệt đối của bề dày, u(No): sai số tuyệt đối của tốc độ đếm đối với hộp rỗng,
u(N): sai số tuyệt đối của tốc độ đếm đối với hộp chứa mẫu.

40
CHƢƠNG 3 - NGUYÊN LIỆU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
3.1. Nguyên liệu
3.1.1. Tro bay
Trong đề tài nghiên cứu này, tôi sử dụng tro bay Formosa Đồng Nai làm
nguồn nguyên liệu cung cấp Si và Al cho quá trình geopolymer hóa.
3.1.2. Zeolite
Sử dụng zeolite thải từ nhà máy lọc dầu Bình Sơn, Quảng Ngãi.
3.1.3. Thủy tinh lỏng
Trong đề tài, sử dụng thủy tinh lỏng sản xuất tại Công ty cổ phần hóa chất
Đà Nẵng.
3.1.4. Natri hydroxit
Trong đề tài nghiên cứu này chúng tôi sử dụng NaOH của Trung Quốc có
hàm lượng NaOH ≥ 96%.
3.1.5. Cát
Chúng tôi đã dùng cát vàng Túy Loan và sàng bằng bộ sàng để có cát tiêu
chuẩn theo TCVN 6227 – 1996 [7]. Thành phần cỡ hạt cát tiêu chuẩn được thể
hiện trong bảng 3.2.
Bảng 3. 1: Thành phần cỡ hạt cát tiêu chuẩn
Kích thước lổ vuông, mm Phần còn lại trên sàng của cát TCVN 6227 - 1996, %
2 0
1.6 7 ± 5
1 33± 5
0.5 67±5
0.16 87±5
0.08 99±1
3.1.6. Nước
Nước dùng phải tuân theo tiêu chuẩn TCXDVN 302:2004; “Nước trộn bê
tông và vữa – Yêu cầu kỹ thuật” [16].

Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer chống tia x từ tro bay và zeolite thải.doc

Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer chống tia x từ tro bay và zeolite thải.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer chống tia x từ tro bay và zeolite thải.doc

Similar to Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer chống tia x từ tro bay và zeolite thải.doc (20)

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer chống tia x từ tro bay và zeolite thải.doc