Tổng quan chất thải công nghiệp vô cơ dùng cho sản xuất vật liệu xây dựng: Tăng trưởng kinh tế và công nghiệp trong những thập kỷ gần đây đã mang lại sự gia tăng các loại rác thải khác n
Trang 1TÁI CHẾ CHẤT THẢI CÔNG NGHIỆP VÔ CƠ TRONG VIỆC SẢN XUẤT GỐM CHO
II Tổng quan công nghệ tái chế chất thải công nghiệp vô cơ
II.1.Tái chế chất thải công nghiệp vô cơ trong sản xuất gạch xây dựng
II.2.Tái chếchấtthảicôngnghiệpvôcơtrongsảnxuấtgạch men
II.3.TáichếchấtthảicôngnghiệpvôcơtrongsảnxuấtcácốngbằngđấtsétđượcthủytinhhóaII.4.Táichếchấtthảicôngnghiệpvôcơtrongsảnxuất xi măng
III Phươngphápsửdụngchấtthảivôcơtrongviệcsảnxuấtgốmchoxâydựng
III.1. Gốmxâydựngvàđặctínhcủagốmxâydựng
III.2. CácnghiêncứukhoahọcvềsửdụngchấtthảicôngnghiệpvôcơtrongsảnxuấtgốmIII.3. Kếtquảthuđược (tổngquát)
Chương 1: Tổngquan chất thải công nghiệp vô cơ dùng cho sản
xuất vật liêu xây dựng và tình hình xử lý chúng
1.1. Tổng quan chất thải công nghiệp vô cơ dùng cho sản xuất vật liệu xây dựng:
Tăng trưởng kinh tế và công nghiệp trong những thập kỷ gần đây đã mang lại sự gia tăng các loại rác thải khác nhau (đô thị, công nghiệp, xây dựng ) bất chấp các chính sách quản lý chất thải đã được thông qua ở cấp quốc gia và quốc tế
Trang 2Việc thực hiện việc bán phá giá và / hoặc việc quản lý không hợp lý chất thải từ các ngành sản xuất khác nhau đã có tác động đáng kể đến môi trường tiếp nhận, dẫn đến ô nhiễm nước, đất, không khí và tiếng ồn, và các biến chứng khác và thêm vào các vấn đề môi trường hiện có Tiêu thụ một lượng chi phí đáng kể cho việc xử lý.
Tuy nhiên, nếu rác thải được quản lý một cách chính xác thì nó có thể được chuyển đổi thành nguồn lực góp phần tiết kiệm nguyên vật liệu, bảo tồn tài nguyên thiên nhiên và khí hậu, thúc đẩy sự phát triển bền vững
Vật liệu xây dựng truyền thống như bê tông, gạch, khối rỗng, khối rắn, khối vỉa hè và ngói đang được sản xuất từ các nguồn tài nguyên hiện có Điều này gây tổn hại đến môi trường do việc không ngừng khám phá và cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên Hơn nữa, các chất độc hại khác như nồng độ cao cacbon monoxit, oxit lưu huỳnh, oxit nitơ và các vấn
đề về hạt lơ lửng luôn được thải vào khí quyển trong quá trình sản xuất vật liệu xây dựng Việc phát thải các chất độc hại gây ô nhiễm không khí, nước, đất, thực vật, động vật và thủy sinh, và do đó ảnh hưởng đến sức khoẻ con người cũng như mức sống của chúng ta
Chi phí vật liệu xây dựng ngày càng tăng do nhu cầu cao, khan hiếm nguyên vật liệu và giá năng lượng cao Từ quan điểm của việc tiết kiệm năng lượng và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên, việc sử dụng các thành phần thay thế trong vật liệu xây dựng hiện nay là một vấn đề toàn cầu Đối với điều này, việc nghiên cứu và phát triển rộng rãi hướng tới việc khám phá các thành phần mới là cần thiết để sản xuất vật liệu xây dựng bền vững và thân thiện với môi trường
1.2 Tình hình xử lý chất thải công nghiệp vô cơ
Các chất thải rắn như thủy tinh, kim loại, plastic là một phần lớn chất thải rắn công nghiệp có nguồn gốc từ các hoạt động sản xuất của con người hiện nay.Số lượng lớn các chất thải này được tạo ra trên toàn cầu ở cả các nước phát triển và đang phát triển do sự gia tăng dân số, công nghiệp hóa- hiện đại hóa đất nước
Theo thống kê của ngân hàng thế giới về quản lý chất thải rắn (the World Bank’s Urban Development and Local Government Unit of the Sustainable Development Network), các thành phố trên thế giới hiện đang sản xuất khoảng 1,3 tỷ tấn chất thải rắn mỗi năm và khối lượng này dự kiến sẽ tăng lên 2,2 tỷ tấn vào năm 2025 Đồng thời, tỷ lệ phát sinh chất thải
dự kiến sẽ tăng gấp đôi trong vòng 20 năm tới ở các nước có thu nhập thấp
Trang 3Các bảng I và II chỉ ra ước tính toàn cầu hiện tại và tương lai về thành phần chất thải dựa trên mức thu nhập quốc gia, trong khi Bảng III trình bày về thành phần chất thải rắn toàn cầu Hiện nay, ở hầu hết các quốc gia có thu nhập thấp và thấp, các chất thải này đều bị đốt hoặc
đổ đầy Đây là một cách tiếp cận có thể gây ra nhiều vấn đề môi trường khác nhau như ô nhiễm không khí, phát thải khí nhà kính và chiếm dụng đất hữu ích Việc gia tăng phí bãi chôn lấp đang làm trầm trọng thêm vấn đề
Nhu cầu thải bỏ các chất thải này là điều tối quan trọng, để đạt được tính bền vững về môi trường Ngành xây dựng và vật liệu xây dựng xây dựng là một ngành chính khi đảm bảo tính bền vững về môi trường do tiêu thụ nhiều vật liệu, nên việc sử dụng chất thải rắn trong ngành này có thể là một lựa chọn có thể giải quyết
Trang 4** What a Waste : A Global Review of Solid Waste Management - the World Bank’s Urban Development and Local Government Unit of the Sustainable Development Network
Chương 2: Tổng quan công nghệ tái chế chất thải công
nghiệp vô cơ
Việc sản xuất nhựa polyester chưa bão hòa dựa trên PET tái chế được thực hiện theo hai bước Bước đầu tiên là cho PET Phế liệu và glycols vào một lò phản ứng và sưởi ấm trong vài giờ với sự có mặt của một chất xúc tác transesterification Bước thứ hai bao gồm bổ sung axit dibasic vào để tạo nhựa polyester không bão hòa Polyester không bão hòa sau đó được pha loãng bằng styrene để giảm độ nhớt của nó và cho phép tiếp tục dung rắn tới một chất rắn (polymer) khi bổ sung các chất khởi tạo và promoter gốc tự do thích hợp Có thể sử dụng đến 50% styrene trong các polyester không bão hòa mà không ảnh hưởng bất lợi đến các đặc tính vật
lý và cơ học của nhựa cứng Lợi thế chính của việc sử dụng PET tái chế trong sản xuất polyester không bão hòa, so với việc sử dụng nguyên liệu nguyên chất, là phải mất khoảng 50% thời gian chế biến ngắn hơn để sản xuất nhựa polyester với trọng lượng phân tử và axit nhất định Các tính chất của nhựa polyester chưa bão hòa được sử dụng trong thí nghiệm này như sau:
Phần trăm theo trọng lượng của PET tái chế trong phần kiềm: 40
Tỷ lệ phần trăm của monomer styrene trong nhựa: 40
Trang 5Độ nhớt ở 25 ° C: 110 cps
Trọng lượng trung bình trọng lượng phân tử: 3340
Số trung bình trọng lượng phân tử: 1000
Số axit: 8
Trọng lượng riêng: I.09
Trọng lượng phân tử của nhựa được xác định bằng phép sắc ký, loại trừ kích thước và độ nhớt nhựa được đo bằng cách sử dụng một máy đo độ nhớt Brookfield Nhựa có độ nhớt thấp (110 cps) và độ ướt tốt đối với cốt liệu Các hợp chất vô cơ thô đã được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm: sỏi hạt 10 mm; Cát silic cát sông Colorado với môđun độ mịn là 3,25, và loại tro bay F Việc sử dụng tro bay, một sản phẩm phụ của quá trình đốt than, cải thiện rất nhiều sự
dễ dàng mà PC có thể được trộn lẫn và đổ vào khuôn Các hạt tinh thể và tinh thể của tro bay cung cấp hỗn hợp tươi với các tính chất bôi trơn tốt hơn, do đó cải thiện tính dẻo và độ dính của
nó Độ hòa tan tốt hơn của tro bay kết hợp làm PC cứng lại với cường độ nén và uốn cong cao hơn đáng kể, mô đun đàn hồi cao hơn, và sự cải thiện bề mặt
Các chất bổ sung khoáng chất, ngoại trừ tro bay đã được sấy khô trong lò ít nhất 24 giờ ở
130 ° C để giảm độ ẩm xuống dưới 0,5% trọng lượng, do đó đảm bảo một mối liên kết tốt giữa mạch polymer và các cốt liệu vô cơ Các cốt liệu sau đó được làm nguội ở nhiệt độ phòng và được bảo quản trong các thùng chứa kín Các loại chất khoáng khác, như canxi cacbonat, cũng
có thể đã được sử dụng rất thành công
Quy trình pha trộn máy PC theo phương pháp thử nghiệm bê tông polyme 1.0’ của Hiệp hội Công nghiệp Nhựa, được gọi là SPI 1.07 Thiết kế pha trộn PC đã được tối ưu hóa về tính khả thi, sức mạnh và kinh tế Thiết kế kết hợp tối ưu, cân xứng theo trọng lượng, như sau: 10% nhựa, 45% sỏi, 32% cát khô, và 13% tro bay Quá trình trộn được thực hiện bằng cách sử dụng một máy trộn bê tông truyền thống trong một khoảng thời gian khoảng ba phút Sau đó các mẫu được đúc khuôn, và được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng Việc xử lý đã diễn ra bởi vì styrene kết hợp với các liên kết đôi phản ứng của chuỗi polyester, do đó liên kết chúng lại với nhau và tạo thành một mạng polymer ba chiều mạnh mẽ
Trang 6Xỉ từ các nhà máy sản xuất thép.Cho phế liệu sắt và vôi vào lò nung điện Vật liệu sau đó được chuyển sang bộ chuyển đổi và máy đúc để sản xuất một phôi thép Phôi thép được chế biến tiếp bằng thép không gỉ Bột xỉ đã được giữ từ lò hồ quang điện và bộ chuyển đổi trước khi sản xuất thép đầy đủ Mặt khác, đất sét thu được từ các nhà máy sản xuất gạch Kích thước phân bố của nguyên liệu được liệt kê trong bảng 4 Để có được kích thước hạt đồng nhất, cả xỉ và đất sét đều nghiền và đất dưới 0,074 mm và sau đó làm khô cho các ứng dụng khác.
Các thành phần hoá học của nguyên liệu được trình bày trong Bảng 5 Canxi, silic, nhôm, magiê và sắt là những thành phần chính có trong cả đất sét và xỉ Phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy rằng đất sét được sử dụng trong nghiên cứu này chủ yếu là thạch anh và cao lanh, có tính xây dựng cho quá trình hấp phụ sau Nó khảo sát hành vi của vật liệu thô ở nhiệt độ cao, phân tích nhiệt lượng Các kết quả trong hình 1 cho thấy rằng xỉ sẽ có một sự giảm trọng lượng đáng
kể trong phạm vi 600-8000C và sự tăng cân ở nhiệt độ trên 9000C Đánh giá từ thành phần hoá học, Các thành phần canxi trong xỉ có thể ở dạng CaCO3 và làm giảm trọng lượng trong khoảng 600-8000 C Để xác minh thêm giả thuyết, canxi cacbonat tinh khiết cũng đã được đưa lên phân tích Sự mất trọng lượng nhiệt độ xỉ gần như chồng chéo với việc giảm trọng lượng Nhiệt độ của canxi cacbonat, và khẳng định giả thuyết đã nêu ở trên Tuy nhiên, canxi cacbonat có thể ở dạng
Trang 7vô định và do đó đỉnh điểm hình nhiễu xạ (d = 3.03 A˚) của canxi cacbonat không được tiết lộ trong mô hình XRD của xỉ Mặt khác, hàm lượng sắt trong xỉ có thể ở dạng giảm và có thể bị oxy hóa ở nhiệt độ cao trong môi trường giàu oxy, có thể là lý do tăng khối lượng của xỉ vượt
900 0 C
2.2.1 Quy trình sản xuất gạch
Để điều tra tính khả thi của việc tái sử dụng xỉ trong sản xuất gạch, hàm lượng xỉ trong hỗn hợp bột sét biến đổi từ 5% đến 10%, 20% hoặc 30% theo trọng lượng Hỗn hợp được đồng nhất lần đầu tiên trong máy xay Hỗn hợp được trộn với tỷ lệ nước rắn là 3: 5 và sau đó được đúc bằng khuôn 50x50x50 mm Mẫu được đúc đã được làm khô bằng không khí ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, sau đó sấy khô ở 800C trong 24 giờ để loại bỏ lượng nước, sau đó các mẫu khô được làm nóng Ít nhất ba mẫu đã được chuẩn bị để phân tích trong tương lai của mỗi tỷ lệ pha trộn đất sét-xỉ
Quá trình gia nhiệt được thiết kế theo môi trường trong quá trình sản xuất gạch thực Các mẫu được gia nhiệt đến 500oC trong 3 giờ Sau khi nhiệt độ được duy trì ở 500 ° C trong 2 giờ, các mẫu được nung ở nhiệt độ chỉ định (800, 950, 1000, 1050 và 1100 C) trong 6 giờ và nhiệt độ cũng được duy trì trong 6 giờ để nung gạch Sau đó, các mẫu được làm mát đến 300 ° C trong 6 giờ và lò được làm lạnh đến nhiệt độ phòng
Trang 82.2.2 Sức chịu lực nén của gạch
Thử nén là thử nghiệm quan trọng nhất khi đảm bảo chất lượng kỹ thuật cho ứng dụng vật liệu xây dựng Bảng 6 cho thấy kết quả của bài kiểm tra nén Kết quả chỉ ra khi nhiệt độ nung nhỏ hơn 800 ° C, mẫu gạch không đạt được độ thiêu kết Khi nhiệt độ nung tăng lên 950 ° C trở lên, sức nén của gạch tăng dần Khi hàm lượng xỉ khác nhau từ 0% đến 30%, cường độ nén của gạch thay đổi từ 6,3 đến 9,6; 16,1 đến 64,9; 18,9 đến 71,0; 64,2 đến 95,3; và 95,0 đến 110,0 kg /
cm2 đối với nhiệt độ nung là 800 , 950, 1000, 1050 và 11000 C, tương ứng Tuy nhiên, vì xỉ là sản phẩm từ quá trình xử lý nhiệt độ cao, xỉ không trơ để quá trình nung kết thúc nếu nhiệt độ không
đủ cao Do đó, khi hàm lượng xỉ tăng lên, cường độ nén sẽ giảm khi nhiệt độ thiêu kết thấp (ví
dụ 950 và 10000 C) Sức chịu lực của gạch trộn đáp ứng các tiêu chí cho gạch bậc ba khi nhiệt độ bắn cao hơn 1050oC
2.2.3 Hấp thụ nước
Sự hấp thụ nước so với các chất xỉ khác nhau được trình bày trong Bảng 7 Theo tiêu chí được liệt kê trong CNS 382, gạch bậc nhất phải có ít hơn 15% nước; Gạch thứ hai phải có 15-19% nước, và gạch thứ ba đòi hỏi ít hơn 23% nước Khi mẫu thử chứa ít hơn 10% xỉ và nhiệt độ nung cao hơn 1050 ° C, thì tiêu chuẩn hấp thụ nước hạng ba đã được đáp ứng
Khi hàm lượng xỉ từ 0% đến 30%, sự hấp thụ nước là từ 31,3% đến 42,1%, 26,6% đến 38,4%, 22,8% đến 40,4%, 9,8% đến 30,0% và 2,6% đến 9,8% so với Nhiệt độ nung là 800, 950,
1000, 1050 và 11000 C Kết quả chỉ ra rằng sự hấp thụ nước của gạch tăng lên khi hàm lượng xỉ tăng lên Thêm vào đó, khi nhiệt độ gia tăng, sự hấp thụ nước của gạch giảm Tuy nhiên, khi hàm lượng xỉ cao hơn 20% thì sự hấp thụ nước của gạch đã đạt đỉnh ở 1000 0 C
Trang 92.3 Tái chế kính- thủy tinh trong Vật liệu xây dựng
Loại kính thải được sử dụng trong nghiên cứu này được lấy từ đèn huỳnh quang tái chế
Đó là một loại thủy tinh vôi soda điển hình Thành phần hóa học của thủy tinh được phân tích
bằng máy phân tích vi-tia X và được liệt kê trong Bảng 8 cùng với tro xỉ F và tia silica để so
sánh Mặc dù hàm lượng silic trong thủy tinh cao hơn tro bay, các thành phần phản ứng tương đương (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) tương đối thấp trong thủy tinh
Ngoài ra, để đáp ứng yêu cầu về độ mịn, kính phải đi qua một sàng 45 micromet Điều này đã được thực hiện bằng cách nghiền thủy tinh trong một máy nghiền trong phòng thí nghiệm,và bằng cách sàng thủy tinh đến kích thước hạt mong muốn Để đạt được kích thước hạt, ba kích thước khác nhau đã được sử dụng:
• Kính 150 micromet: thủy tinh có các hạt đi qua một sàng # 100 (150 micromet) và được giữ lại trên một sàng # 200 (75 micromet);
Trang 10• Thủy tinh có độ dày 75 micromet: thủy tinh có các hạt đi qua một sàng # 200 (75 micromet) và được giữ lại trên một cái sàng # 400 (38 micromet); Và
• Thủy tinh có độ dày 38 micromet: thủy tinh có các hạt đi qua sàng 400 # (38 micromet)
Theo ASTM C618 (Tiêu chuẩn cho tro bay than đá và Nguyên liệu thô hoặc vôi tự nhiên
để sử dụng trong bê tông), chỉ có kính 38 micromet đáp ứng yêu cầu độ mịn Các kích cỡ hạt của kính cũng như tro bay và silica fume cũng được liệt kê trong Bảng 8 Kích thước hạt và hình dạng hạt của kính được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét Các bức xạ nhỏ điển hình được thể hiện trong hình 1 Đối với mỗi loại thủy tinh, kích thước hạt quy định chiếm ưu thế, mặc dù vẫn có một lượng lớn phiến có trong thủy tinh 150 và 75 micromet Độ tinh thể của thủy tinh được kiểm tra bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X Tia X của thủy tinh được trình bày trong Hình 2 Rõ ràng là Soda vôi thủy tinh là một vật liệu vô định hình điển hình
Trang 11Các phép thử vôi vôi được thực hiện theo ASTM C593 (Tiêu chuẩn cho tro bay và các Pozzolan (Pozzolan là một vật liệu mà khi kết hợp với canxi hiđroxit thì tạo thành hợp chất có tính chất xi măng) khác để sử dụng với vôi để ổn định đất) Năm lô mẫu với các chất phụ gia khoáng khác nhau đã được chuẩn bị Tương ứng, chúng chứa tro bay Class F, khói silic, thủy tinh 150 micromet, thủy tinh 75 micromet và thủy tinh 38 micromet Cả hai tro bay và các lớp khói silic được sử dụng làm kiểm soát để so sánh Các thành phần hoá học của tất cả các chất phụ gia được liệt kê trong Bảng 8 và tỷ lệ hỗn hợp được đưa ra trong Bảng 9 Vôi hydrat, phụ gia khoáng và loại cát tiêu chuẩn được bổ sung lên đến 100% và nước được điều chỉnh để đạt được dòng chảy từ 65 đến 75% nhất quán thông qua một bài kiểm tra bảng lưu lượng Hỗn hợp được đúc bằng khuôn nệm 50mm, được gói bằng khăn lau ướt, đóng gói bằng bao ni lông, và được bảo dưỡng ở 540C trong
lò nung Xét nghiệm độ bền nén của tất cả các lô đã được thực hiện sau 7 ngày ở 540C Ít nhất ba mẫu đã được thử nghiệm và tính trung bình cho mỗi lô Các khối với kính 75 micromet và thủy tinh 38 micromet cũng được kiểm tra sau 21 ngày xử lý ở 230C trong nước để theo dõi mức độ tăng cường độ dài hạn Theo khuyến cáo của ASTM C593, vật liệu đạt yêu cầu phải có cường độ
