Nghiên cứu sử dụng tro trấu làm tấm cách nhiệt silicat canxi

I.MỞ ĐẦU Hiện nay, trên thế giới đã áp dụng nhiều công nghệ sản xuất vật liệu xây dựng không nung, nhằm tạo ra vật liệu xây dựng với nhiều đặc tính như nhẹ, khả năng cách nhiệt chống chá

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt, bảng và hình vẽ 4

I.MỞ ĐẦU 7

II TỔNG QUAN 8

1.Tình hình sử dụng và nghiên cứu trong nước và trên thế giới 8

1.1.Tình hình sử dụng vật liệu cách nhiệt trên thế giới 8

1.2 Tình hình sử dụng và nghiên cứu ở trong nước 9

2 Cơ sở khoa học của đề tài 10

2.1.Tro trấu 10

2.2.Phương pháp thủy nhiệt 11

2.3 Phản ứng giữa CaO và SiO 2 13

2.4 Cường độ các sản phẩm thủy nhiệt chưng áp 18

III.NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 20

1 Mục tiêu nghiên cứu 20

2 Phương pháp đánh giá sản phẩm nghiên cứu 20

2.1 Các phương pháp tiêu chuẩn (TCXDVN 317:2004) 20

2.2 Các phương pháp phi tiêu chuẩn 23

2.2.1.Xác định tính chất cách nhiệt 23

2.3.Phương pháp nghiên cứu 24

3 Thực nghiệm 25

3.1 Nguyên liệu 25

3.2 Sơ đồ thí nghiệm và kết quả 29

3.2.1 Xác định tỷ lệ w/s, và khảo sát sơ bộ nhiệt độ và thời gian chưng áp 29

3.2.2 Kết quả phân tích các mẫu sản phẩm chưng áp 4h 34

3.2.3 Kết quả phân tích các mẫu sản phẩm chưng áp 6h 43

V.KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 56

1 Kết luận 56

2 Kiến nghị 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

Các thiết bị đã sử dụng trong quá trình làm luận văn 59 PHỤ LỤC

LỜI CAM ĐOAN

Em cam đoan đây là công trình nghiên cứu của em 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

Em xin có lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc tới người thầy, người đã hướng dẫn nhiệt tình cho em trong suốt quá trình làm luận văn - TS.Tạ Ngọc Dũng

Em cũng rất biết ơn sự giúp đỡ của Ths.Trần Đức Thiện và KS.Phạm Văn Vinh cùng đông đảo bạn bè trong suốt quá trình chuẩn bị nguyên liệu, chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm, gia công nguyên liệu, thực hiện các thí nghiệm, cùng các tư vấn góp ý quý báu

Em cũng xin cảm ơn sự nhiệt tình, và tạo điều kiện thuận lợi tối đa của các thầy

cô giáo trong bộ môn CNVL Silicat, Viện kỹ thuật hóa học, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội để giúp em hoàn thành bản luận văn này

Học viên thực hiện

Lê Hồng Hải

Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt, bảng và hình vẽ

 Danh mục các chữ viết tắt

 Danh mục các hình vẽ đồ thị

Hình 2.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ phần khối lượng C/S đến sự hình

Hình 2.8 Sơ đồ sản xuất vật liệu silicat canxi không nước 30 Hình 2.9

Sơ đồ sản xuất vật liệu cách nhiệt silicat canxi có sấy

nung ở 6000C của sản phẩm chưng áp 6h

Hình 2.28 Hình ảnh SEM của mẫu chưng ở 1600

 Danh mục các bảng

43

Bảng 3.5

Giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường của mẫu chưng áp

Bảng 3.8 Nhiệt độ bề mặt của các mẫu sau khi nung ở 6000C 55

I.MỞ ĐẦU

Hiện nay, trên thế giới đã áp dụng nhiều công nghệ sản xuất vật liệu xây dựng không nung, nhằm tạo ra vật liệu xây dựng với nhiều đặc tính như nhẹ, khả năng cách nhiệt chống cháy và cường độ chịu nén cao, dễ xây dựng, giúp giảm thời gian thi công

Và trong những năm gần đây, vật liệu không nung đã và đang được sử dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực xây dựng dân dụng và xây dựng công nghiệp Ở lĩnh vực xây dựng dân dụng với các hạng mục trần và vách trang trí mặc dù chỉ chiếm quy

mô nhỏ trong tổng chi phí xây dựng công trình nhưng lại là yếu tố rất quan trọng góp phần tạo nên vẻ đẹp, sự cuốn hút và cá tính cho mỗi công trình, đồng thời chống ẩm, chống cháy, Còn ở lĩnh vực xây dựng công nghiệp, vật liệu loại này dùng để cách nhiệt cho máy móc, thiết bị và tạo điều kiện môi trường thuận lợi cho con người làm việc

Một điều quan trọng nữa là nước ta là một nước nông nghiệp chuyên xuất khẩu gạo lớn trên thế giới, hàng năm thải ra môi trường khối lượng rất lớn vỏ trấu và chưa

có một quy trình xử lý hiệu quả gây ô nhiễm môi trường, lãng phí nguồn nguyên liệu xanh sạch này

Vật liệu không nung hệ CaO-SiO2-H2O đi từ nguyên liệu tro trấu trên thị trường hiện nay trong nước chưa có cơ sở nào sản xuất được hoặc đang trong nghiên cứu đều phải nhập khẩu của nước ngoài với giá thành cao

Trên những cơ sở đó em đã lựa chọn đề tài :” Nghiên cứu sử dụng tro trấu làm tấm cách nhiệt Silicat- Canxi

II TỔNG QUAN

1.Tình hình sử dụng và nghiên cứu trong nước và trên thế giới

1.1.Tình hình sử dụng vật liệu cách nhiệt trên thế giới [1]

Trên thế giới , vật liệu cách nhiệt đã được các nước có nền công nghiệp phát triển như: Mỹ, Đức, Nhật bản, Anh, nghiên cứu và đưa vào sản xuất rộng rãi trong các ngành công nghiệp và xây dựng dân dụng với nhiều chủng loại khác nhau từ khá lâu

Công nghệ sản xuất vật liệu không nung sử dụng nhiệt độ và áp suất cao đã được biết đến từ năm 1920 Sản phẩm khi đó là bê tông khí chưng áp Các nghiên cứu

về cấu trúc vật liệu bê tông khí chưng áp cho thấy ở nhiệt độ và áp suất cao cấu trúc khoáng của vật liệu này chủ yếu tồn tại ở dạng khoáng tobermorite Vật liệu hệ CaO-SiO2 cũng được sản xuất trong điều kiện tương tự với vật liệu bê tông khí chưng áp nhưng cấu trúc ngoài tobermorite còn có khoáng xonotlite Sự hình thành của các khoáng này phụ thuộc vào tỷ lệ CaO/SiO2 của vật liệu tham gia và nhiệt độ dưỡng hộ

Nghiên cứu năm 1955 của R.O.Peppler đã công bố quá trình phản ứng giữa CaO,SiO2 và H2O ở nhiệt độ 1800C để chế tạo ra vật liệu cách nhiệt nhẹ dạng tobermorite và xonotlite

11 năm sau vào năm 1966 Công ty Japan Insulation CO.Ltd (JIC) đã nghiên cứu thành công vật liệu cách nhiệt siêu nhẹ Calsium-Silicate với cấu trúc chủ yếu là xonotlite bằng công nghệ chưng áp Từ đó đến nay công ty JIC đã chuyển giao công nghệ sản xuất vật liệu cách nhiệt này cho nhiều nước trên thế giới

Năm 1976, Moriker-người Mỹ đã công bố bằng sáng chế với nội dung “ Công nghệ sản xuất Vật liệu cách nhiệt Calsium-Silicate trong điều kiện chưng áp”

Năm 1992, J.H Thomasin đã nghiên cứu quá trình phản ứng giữa CaO,SiO2,H2O trong điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau, nhiệt độ trong dải từ 180-3500C

Từ những nghiên cứu đó, các nước này đã đưa vào sản xuất để phục vụ trong dân dụng như: cách âm, cách nhiệt, chống cháy cho các nhà cao tầng, tàu thủy, trong công nghiệp: sản xuất xi măng, nhiệt điện, dầu khí,

 Công nghệ sản xuất vật liệu cách nhiệt của Nhật Bản.[1]

Các oxit chính được cung cấp từ các nguyên liệu để sản xuất tấm xốp chịu nhiệt là : CaO, SiO2 và H2O

Công thức tổng quát như sau:

CaO + SiO2 + H2O + phụ gia ( tỉ lệ CaO/SiO2 = 1 : 1 )

Cao, SiO2 và phụ gia trộn với nước thành dạng bùn Trong quá trình trộn có một số phụ gia chống lắng và kích thích tạo khoáng, sau đó hỗn hợp này được đổ vào khuôn và đưa vào thiết bị autoclaved để chưng áp ở nhiệt độ 180-2200

C, với áp suất từ 10-24 at, với thời gian 8-12h Quá trình phản ứng thủy nhiệt xảy ra giữa CaO, SiO2 và

H2O tạo thành khoáng xonotlite (Ca6Si6O17(OH)2).[1]

1.2 Tình hình sử dụng và nghiên cứu ở trong nước

Nước ta hiện nay thường sử dụng các loại vật liệu cách nhiệt như gạch xốp samot ( gạch samot nhẹ), gạch đinat, bông khoáng ( dạng tấm, dạng sợi, ), bông thủy tinh, sợi amiang ( dạng tấm, dạng sợi, )

Đặc biệt loại tấm xốp chịu nhiệt được sử dụng trong công nghiệp xi măng, nhiệt điện, luyện kim có hệ số dẫn nhiệt thấp, chịu được nhiệt độ cao, khối lượng thể tích nhỏ, có độ bền cao và thể tích ổn định, đó là tấm xốp chịu nhiệt hệ CaO-SiO2 Những năm về trước, vật liệu chịu lửa hệ này được nhập vào nước ta chủ yếu qua các dự án dây chuyền sản xuất đồng bộ sản xuất xi măng, nhiệt điện, dầu khí, Những năm gần đây Vật liệu chịu nhiệt hệ CaO-SiO2 được sử dụng rộng rãi hơn, chủ yếu là qua nguồn nhập khẩu từ các nước như: Nhật Bản, Trung quốc, Đức, với giá thành cao

Sản phẩm của Đức với giá thành: 13-14 triệu đồng /m3

Sản phẩm của Nhật với giá thành: 11-12 triệu đồng/m3 Sản phẩm của Trung Quốc với giá thành 8-9 triệu đồng/m3

 Những nghiên cứu trong nước

Hiện nay ở nước ta, thiết bị để sản xuất vật liệu cách nhiệt hệ CaO-SiO2chưa

có, công nghệ để chế tạo vật liệu cách nhiệt hệ này ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao chưa được nghiên cứu nhiều, trong đó có thể kể ra:

 Đề tài: “ Nghiên cứu sản xuất tấm xốp chịu nhiệt “ của Viện vật liệu xây dựng

năm 2005

Đề tài đã nghiên cứu chế tạo ra tấm xốp cách nhiệt từ nguyên liệu là bột nhẹ CaCO3 và axit H2SiO3, sợi gốm, cao lanh và một số phụ gia Phối liệu được trộn đều với nước thành bùn và đổ hồ vào khuôn để đem đi sấy tạo mộc khô trước khi nung ở 700-9000

C

 Đề tài: “ Chế tạo sản phẩm Silicate calsium ứng dụng làm vật liệu nhẹ cách nhiệt” của Bộ môn vật liệu Silicat, Khoa Công Nghệ Vật Liệu trường Đại Học

Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh năm 2011

Đề tài đã nghiên cứu chế tạo tấm xốp cách nhiệt từ nguyên liệu là Silicafume, vôi, phụ gia ( thủy tinh lỏng Na2SiO3 và thạch cao CaSO4.0,5H2O) Phối liệu được đưa vào máy nghiền bi cùng với nước theo tỉ lệ w/s khoảng 5-20 lần trong thời gian 1 giờ Huyền phù được đổ đầy vào khay đỡ trong thiết bị autoclaved

và chưng áp ở 2000

C, 15kgf/cm2 trong thời gian 5 giờ Sau đó bột thu được đem

đi sấy rồi ép tạo tấm sản phẩm.[5]

 Mới đây nhất là Báo cáo kết quả đề tài mang mã số RD-30-11 của Tổng Công

Ty Viglacera: “Nghiên cứu sản xuất vật liệu cách nhiệt chịu lửa hệ CaO-SiO 2 trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.”

Nguyên liệu CaO, Silicafume, sợi, phụ gia được cân theo tỷ lệ Hỗn hợp được trộn với H2O theo tỷ lệ 1:7, trộn đều giữ trong 4 giờ Hỗn hợp bùn được đưa vào khuôn tạo mẫu sau đó đưa vào nồi chưng áp ở nhiệt độ 13at, 2000C trong 4 giờ Sản phẩm sau quá trình chưng áp được lấy ra và sấy ở nhiệt độ 1100C.[1]

 Trong đề tài này :

+ Nghiên cứu điều kiện tạo tro trấu phù hợp

+ Nghiên cứu tạo các khoáng cần thiết trong hệ CaO-SiO2-H2O

+Với nguồn nguyên liệu chính từ tro trấu và vôi với giai đoạn chính tạo ra sản phẩm dạng khối luôn

2 Cơ sở khoa học của đề tài

2.1.Tro trấu

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát

Vỏ trấu có kích thước trung bình dài 8-10mm, rộng 2-3mm và dày 0,2mm Hầu hết các loại vỏ trấu có thành phần hữu cơ chiếm trên 90% khối lượng Trong đó chứa khoảng

75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là SiO2

Khi trấu được đốt ở điều kiện khống chế nhiệt, SiO2 vô định hình với độ hoạt tính cao và diện tích bề mặt lớn có thể được tạo ra.[4]

2.2.Phương pháp thủy nhiệt

Thuật ngữ “thủy nhiệt” đã được sử dụng vào đầu năm 1849 bởi một nhà địa chất người Anh, Sir Roderick Murchison (1792-1871) Việc thúc đẩy nhanh phản ứng giữa các pha rắn được thực hiện bằng phương pháp thủy nhiệt tức là phương pháp dùng nước dưới áp suất cao và nhiệt độ cao hơn điểm sôi bình thường Phương pháp thủy nhiệt cũng được sử dụng để nuôi tinh thể Thiết bị sử dụng trong phương pháp này thường là nồi hấp (autoclave)

Quá trình thủy nhiệt silicat canxi trong thiết bị chưng áp autoclave: Xét trong điều kiện áp suất hơi nước quá nhiệt và nhiệt độ cao trong thiết bị chưng áp, phản ứng giữa SiO2 và Ca(OH)2 xảy ra trước hết bởi sự tạo thành lớp gel calcium silicate trên bề mặt các hạt SiO2 Lớp lõi bên trong hạt SiO2 khuếch tán ra lớp gel, đồng thời Ca(OH)2

dung dịch khuếch tán ngược vào trong và bị hấp thụ tiếp tục tạo thêm nhiều sản phẩm Trong hai cơ chế đó, sự khuếch tán của vật liệu lõi xảy ra mạnh hơn và đóng vai trò quyết định nhất Tốc độ phản ứng theo xu hướng chậm dần do lớp sản phẩm dày lên và dần cản trở sự tiếp xúc của SiO2 và Ca(OH)2 Theo lý thuyết, sản phẩm tạo thành tại vùng nhiệt độ lân cận 1800C là các tinh thể Tobermorite Ở nhiệt độ từ 2000C đến

2500C, các tinh thể sản phẩm Tobermorite chuyển thành tinh thể Xonotlite mang đặc tính kết tinh bền vững hơn [5]

Tinh thể tobermorite dạng thanh dài như sợi, bó sợi (hình 2.1)

Tinh thể xonotlite dạng que thon dài, dạng sợi liên kết với nhau tạo thành hình cầu, thể hạt rỗng (hình 2.2) Chính mối liên kết như vậy nên sản phẩm Vật liệu cách nhiệt hệ CaO-SiO2 có khối lượng thể tích nhỏ, độ dẫn nhiệt nhỏ Khoáng xonolite khi nung ở nhiệt độ 400-5000C thì mất đi OH- hình thành khoáng wollastonite ( CaSiO3) Quá trình phản ứng xảy ra khoáng xonotlite không bị phá vỡ cấu trúc Độ chịu lửa

13000C

Trong quá trình chế tạo thường hình thành sản phẩm phụ là khoáng vật tobermorite, khoáng vật này không chịu nhiệt và bị phá hủy ở nhiệt độ 700-8000C

Hình 2.1 Hình thái khoáng Tobermorite

Hình 2.2 Hình thái khoáng Xonotlite

Hydrat canxi silicate hình thành bởi phản ứng của các ion canxi và hòa tan silic

“thông qua hòa tan” Nồng độ của cả hai loại ion canxi và silic bị hòa tan trong nước xác định nếu xảy ra bão hòa tỷ lệ C/S của pha ban đầu Các pha trong hệ vôi-silic-nước được giới thiệu trong hình dưới

Hình 2.3: Các pha trong hệ CaO-SiO2-H2O[15]

Nhiệt động lực học của sự hình thành hydrat tinh thể calcium silic đã được nghiên cứu bởi Babushkin và cộng sự Các khoáng được xem xét

Bảng 2.1-Hydrat canxi silicat phổ biến.[15]

Hillebrandite Ca12Si6O172 .12Ca(OH)2 2CaO.SiO2 .1.17H2O Afwillite Ca32H2OSiO3(OH)2 3CaO.2SiO2 .3H2O

Riversideite 2{Ca10Si12O31(OH)6 .3H2O} 5CaO.6SiO2 .3H2O

Tobermorite Ca10Si12O31(OH)6 .8H2O 5CaO.6SiO2 .5.5H2O Plombierite Ca10Si12O31(OH)6 18H2O 5CaO.6SiO2 .10.5H2O Gyrolite Ca4Si6O15(OH)2 .4H2O 2CaO.3SiO2 .2.5H2O Okenite 3{Ca3Si6O152H2O.4H2O} CaO.2SiO2 .2H2O

Truscottite 4{Ca3Si6O15.2H2O} CaO.2SiO2 .0.67H2O Nekoite Ca3Si6O15.2H2O.4H2O CaO.2SiO2 .2H2O

Cũng liên quan về tổng hợp thủy nhiệt hydrat canxi silicat hình 2.4 - được nêu

ra bởi Taylor, các điều kiện ủ của sản phẩm chưng áp có thể được xem xét và dự đoán liên quan đến việc hình thành các hydrat canxi silicat

Hình 2.4 Các điều kiện hình thành các pha CSH

Các pha mong muốn với các sản phẩmchưng áp thương mại được cho dưới đây:

Ảnh hưởng của tỷ lệ C/S được nhấn mạnh bởi nhiều tác giả Phản ứng của CaO

và SiO2 được đặc trưng bởi sự hình thành nhanh chóng của pha CSHn trong vòng 2-3h

và duy trì cho đến 10h Sự hình thành nhanh chóng của CSHn được coi là do tỷ lệ hòa tan cao của SiO2

Các phản ứng thủy nhiệt của SiO2 vô định hình và CaO đã được nghiên cứu bởi Assarson và Ryberg ở nhiệt độ từ 1200-2200C từ 2 đến 48 giờ Trộn với tỷ lệ phần mol C/S từ 0,67-1,0 cho thấy tiêu thụ hoàn toàn CaO trong 4h ở nhiệt độ 1600C hoặc cao hơn 1200

C, tuy nhiên một lượng nhỏ vôi đã được phát hiện ngay cả sau 24h Trộn với

tỷ lệ C/S từ 1,5-2,0 cũng cho thấy một số CaO không phản ứng thậm chí ủ kéo dài tại

2200C Ở giai đoạn nhiệt độ chưng áp ban đầu pha giống với CSH (I) được hình thành với một tỷ lệ C/S bằng 1-1,2, hillebrandite, xonotlite, gyrolite và pha tobermorite đã được phát hiện Giai đoạn nhiệt độ cao, pha tạo thành bị chi phối bởi tỷ lệ phần mol C/S ban đầu của hỗn hợp

Hình 2.5- Ảnh hưởng của tỷ lệ phần khối lượng C/S đến sự hình thành của các pha ở

nhiệt độ cao[15]

Liên quan đến tỷ lệ C/S từ 1,25-0,8 quá trình chưng áp kéo dài cho kết quả cường độ nén lớn nhất, dẫn tới cường độ tăng mạnh với việc biến đổi lượng lớn C-S-H (I) sang dạng tobermorite CSH (I) được phát hiện bởi nhiễu xạ tia X sau 2h và

tobermorite đã được quan sát sau 4h CaO đã được hấp thụ trong vòng 4h của quá trình chưng áp Tobermorite hình thành tối đa từ 4 đến 16h của quá trình chưng áp và sau đó

2.4 Cường độ các sản phẩm thủy nhiệt chưng áp.[15]

Hydrat canxi silicat có thể sẽ là pha liên kết chính trong các sản phẩm chưng áp Cường độ các pha này sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chịu lực của vật liệu

Lach nói rằng cường độ của vật liệu chưng áp là do sự có mặt của CSH(I), nhưng tobermorite cũng được coi như có tham gia tạo cường độ Tobermorite đã được công nhận cung cấp cường độ đáng kể Tính chất vật lý của hệ CSH được đưa ra bởi Butt và cộng sự được tóm tắt trong bảng sau

Bảng 2.2- Tính chất vật lý của pha CSH

Hydrat canxi

silicat

Tỷ trọng biểu kiến (g/cm3) Cường độ nén (kg/cm2

( kg/cm2)

6.5tháng Ban đầu sau 6.5

tháng C-S-H(I)

Tobermorite

xonotlite

C2SH(A)

C2SH(C)

C3SH2 (TSH)

1.13 1.12

1 00 0.87 0.98 1.45

1.43 1.12 1.22 0.91 1.11 1.52

230 175

70 85

120 320

2.5 22

15 115

140 400

32

30

75

1

4

100

8

30

18

4

5

n d

Cường độ nén cao của CSH(I) là đặc biệt chú ý Xonotlite và C3SH2 cũng có cường độ cao Điều thú vị là, tobermorite có cường độ nén tương đối khiêm tốn, khoảng 30% so với CSH(I) và hơn 50% so với xonolite

Vi cấu trúc của các hydrat canxi silicat, như tiết lộ của thạch học và kính hiển vi điện tử, tương quan với kết quả cường độ Do CSH(I), xonotlite và C3SH2 có hình dạng tinh thể mịn dẫn tới một mức độ cao của liên kết chéo Tobermorite có các tinh thể tấm lớn nhưng nó cung cấp các mạng với một vài điểm lên kết và do đó hạn chế các liên kết Có một sự bất thường giữa các báo cáo chưng áp về không gian điền đầy của hydrat dicanxi silicat và trọng lượng riêng của chúng Các mao quản vi mạch sẽ ảnh hưởng đến cường độ sản phẩm chưng áp, nhưng bản chất của sản phẩm phản ứng

và hình dạng tinh thể là những yếu tố quan trọng

 Kết luận

Từ tổng quan em thấy:

- Nghiên cứu chế tạo tấm vật liệu SiO2-CaO đã nhiều nhưng đều làm qua 2 công đoạn (Phối liệu được đưa vào nồi chưng áp tạo vật liệu dạng bột có thành phần khoáng chính là xonotlite, sau đó đưa thêm chết kết dính để ép tạo khối)

- Nguyên liệu cung cấp SiO2 chưa dùng tro trấu

Do vậy đề tài này em sẽ nghiên cứu chế tạo tấm vật liệu SiO2-CaO một công đoạn (nghiên cứu tạo khối trực tiếp ngay trong quá trình chưng áp) và dùng nguyên liệu cung cấp SiO2 là tro trấu

III.NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Mục tiêu nghiên cứu

 Tìm ra phương pháp chế tạo khối vật liệu nhẹ cách nhiệt từ nguyên liệu chính là tro trấu và vôi bằng phương pháp chưng áp chỉ với một công đoạn

 Đánh giá chất lượng, giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường, khối lượng thể tích khô, độ co nung, khả năng cách nhiệt của sản phẩm

 Tìm ra nhiệt độ và thời gian chưng áp phù hợp để phản ứng tạo khoáng hiệu quả nhất và chất lượng sản phẩm tốt nhất trong khoảng nhiệt độ khảo sát

2 Phương pháp đánh giá sản phẩm nghiên cứu

2.1 Các phương pháp phi tiêu chuẩn dựa theo TCXDVN 317:2004

- Xác định giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường

- Xác định khối lượng thể tích khô

Chọn thang đo 2 tấn trên máy để đo mẫu

Tăng tải trọng cho đến khi mẫu bị phá hủy, tức là khi tải trọng đọc được trên máy không tăng nữa Ghi tải trọng cao nhất đạt được

 Tính kết quả

Giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường (nhiệt độ trong phòng thí nghiệm bộ môn silicat) của mẫu thử (Rn) tính bằng N/mm2

theo công thức:

n

P R S

Trong đó :

Rn: giới hạn bền khi nén ở nhiệt độ thường ( N/mm2 )

P: lực nén phá hủy mẫu, tính bằng Niuton ( N )

S: là diện tích chịu nén của viên mẫu, tính bằng mm2 Tính giá trị trung bình các kết quả thử Loại bỏ kết quả sai số có giá trị sai số trên 10% so với giá trị trung bình

Kết quả của phép thử là trung bình của ít nhất hai kết quả riêng biệt của một lô mẫu Chính xác tới 0,01 N/mm2

2.1.2 Xác định khối lượng thể tích khô

Để nguội mẫu trong tủ hút ẩm đến nhiệt độ phòng thí nghiệm rồi tiến hành thử

m: là khối lượng mẫu sau khi sấy khô, tính bằng gam

l, b, h: lần lượt là chiều dài, rộng, cao trung bình của mẫu thử, tính bằng milimet

Tính giá trị trung bình các kết quả thử Loại bỏ kết quả sai số có giá trị sai số trên 10% so với giá trị trung bình

Kết quả là giá trị trung bình cộng của ít nhất hai kết quả riêng biệt của một lô mẫu thử, chính xác tới 10 kg/m3

Đặt mẫu trong lò nung và nâng nhiệt từ từ với tốc độ nâng nhiệt 1000C/h đến

6000C Lưu mẫu ở nhiệt độ 6000

C trong thời gian 1 giờ, rồi để lò và mẫu nguội tự nhiên đến nhiệt độ thí nghiệm

Xác định lại kích thước mẫu theo các chiều rộng, dài, cao sau khi nung bằng thước kẹp với độ chính xác 0,05mm

Kết quả phép thử là giá trị trung bình của ít nhất 2 kết quả riêng biệt của một lô mẫu thử, chính xác tới 0,1%

2.2 Các phương pháp phi tiêu chuẩn

- Xác định tính chất cách nhiệt

- Phương pháp hiển vi điện tử quét – SEM

- Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen – XRD

- Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA, TG

Mài nhẵn hai bề mặt cần xác định nhiệt độ trên bề mặt và khoảng cách của hai

bề mặt cần xác định nhiệt độ của ba mẫu là như nhau Xác định khoảng cách của hai

bề mặt cần xác định nhiệt độ bằng thước kẹp với độ chính xác là 0,05mm

Đánh số thứ tự 1, 2, 3 tương ứng lần lượt là mẫu sản phẩm chưng áp ở nhiệt độ

1600C, 1800C, 2000C

 Thiết bị xác định so sánh độ cách nhiệt

Sử dụng một lò nung 8000C Lò nung có 2 hệ thống can đo nhiệt độ, một can đo nhiệt độ bên trong lò, một can đo nhiệt độ bên trên bề mặt mẫu thử tiếp xúc với môi trường Có hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nung qua dòng điện vào

Miệng lò có nắp đậy bằng gạch chịu nhiệt, ở giữa nắp có khoét lỗ hình vuông vừa đủ để đặt mẫu vào đo nhiệt độ

 Tiến hành thử

Nâng nhiệt độ trong lò lên tới từng mức nhiệt độ: 2000C; 4000C; 6000C

Ở mỗi một nhiệt độ lò nung đặt mẫu vào miệng trên lò và đặt can đo nhiệt độ lên trên bề mặt của mẫu

Cứ sau 10 phút thì ghi lại nhiệt độ trong lò và nhiệt độ bên trên bề mặt mẫu thử

Đo và ghi lại 3 giá trị thì đổi mẫu thử khác

T2; T1: lần lượt là nhiệt độ bề mặt trong và ngoài, tính bằng độ C

F: diện tích bề mặt truyền nhiệt, tính bằng met vuông

l: khoảng cách 2 bề mặt truyền nhiệt, tính bằng met

Theo phương trình 2.10 thì khi mà F bằng nhau, l bằng nhau và truyền nhiệt là

ổn định thì Q là không đổi theo thời gian Khi đó λ tỉ lệ nghịch với hiệu số ( T2–

T1 ) Khi đó các mẫu được đo ở cùng điều kiện thí nghiệm, cùng nhiệt độ trong lò, cùng bề dày mẫu thử, cùng diện tích truyền nhiệt thì nhiệt độ trên bề mặt mẫu thử nào nhỏ hơn thì hiệu số ( T2 – T1) sẽ lớn hơn nên độ dẫn nhiệt λ nhỏ hơn hay là độ cách nhiệt của mẫu thử đó tốt hơn

2.2.2 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA, TG

Mẫu được đập nhỏ vụn ra, nghiền mịn bằng cối mã não và đem đi phân tích nhiệt DTA, TG Dựa vào việc thay đổi nhiệt độ và khối lượng của mẫu đo và mẫu chuẩn và được xem như là một hàm của nhiệt độ mẫu Các tính chất của mẫu chuẩn là hoàn toàn xác định và yêu cầu mẫu chuẩn phải trơ về nhiệt độ Với mẫu đo thì luôn xảy ra một trong hai quá trình giải phóng và hấp thụ nhiệt khi ta tăng nhiệt độ của hệ, ứng với mỗi quá trình này sẽ có một trạng thái chuyển pha tương ứng Phương pháp này cho ta biết được phân biệt các nhiệt độ đặc trưng, hành vi nóng chảy và kết tinh của vật liệu và độ ổn định nhiệt…

2.3.Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích các tài liệu tham khảo, các sản phẩm nhập ngoại hiện đang được sử dụng trên thị trường Việt nam, qua kết quả nghiên cứu thăm

dò, xác định và lựa chọn nguyên liệu chính, công nghệ chế tạo vật liệu cách nhiệt hệ CaO-SiO2

Bằng phương pháp so sánh đối chứng: xác định các tính chất của vật liệu cách nhiệt chế tạo được và so sánh với mẫu đối chứng là các mẫu vật liệu cách nhiệt trên thị trường thông qua các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá thích hợp

3 Thực nghiệm

Tấm xốp chịu nhiệt hệ CaO – SiO2 được tạo thành từ ba thành phần chính là CaO, SiO2 và H2O Nguyên liệu cung cấp SiO2 ở đây sử dụng tro trấu, nguyên liệu cung cấp CaO là vôi công nghiệp ở Bỉm Sơn và nước sinh hoạt

Thành phần phần trăm khối lượng hóa học (%)

SiO2 CaO K2O Al2O3 MgO Fe2O3 TiO2 P2O5 MnO CK Tổng Tro Trấu 88.01 2.02 3.25 0.55 1.24 0.40 0.03 1.36 0.20 2,94 100

Dưới đây là một số hình ảnh về vỏ trấu và tro trấu:

Hình 2.6 Vỏ trấu Hình 2.7 Tro trấu sau khi nghiền mịn

3.1.2 Vôi sống

Vôi sống sử dụng ở đây là vôi sống công nghiệp được sản xuất từ quá trình

nung đá vôi CaCO3 ở nhiệt độ cao từ 9500

C – 10000C trong lò đứng tại nhà máy sản xuất vôi Bỉm Sơn, khí CO2 thoát đi còn lại là CaO

Vôi cục được nghiền trong máy nghiền bi sắt (Hình 3.1) trong thời gian 30

phút Trộn đều nguyên liệu vôi sống sau khi nghiền mịn rồi cho vào túi bóng buộc kín

tránh tiếp xúc với môi trường

* Cách xác định hàm lượng CaO:

Lấy 50 – 100g xác định hàm lượng mất khi nung ở 5000C lưu 30 phút, 10000

C lưu 30 phút và độ ẩm tương đối

 Xác định độ ẩm tương đối:

Bước 1: Rửa sạch chén sứ, sau đó đem sấy khô đến khối lượng không đổi ở

100 – 1050C, làm nguội trong bình hút ẩm rồi cân, sau đó lại đưa chén vào bình hút

ẩm Ghi lại giá trị m1

Bước 2: Lấy từ 50 – 100 gam bột vôi sống cho vào chén sứ đã chuẩn bị trước rồi

cân cả chén và vôi được giá trị m2

Bước 3: Đặt chén sứ có bột vôi vào sấy ở nhiệt 1000

C ± 50C Sấy cho đến khi khối lượng không đổi ( tức là chênh lệch khối lượng của 2 lần cân chén và bột sau khi làm

nguội trong bình hút ẩm bằng sai số của cân, nếu chênh lệch này vượt quá sai số của cân thì phải tiếp tục sấy đến khối lượng không đổi ) Cân chén và bột được giá trị m3.

Độ ẩm tương đối được tính theo công thức:

Bước 1: Rửa sạch cốc chịu nhiệt, sau đó đem sấy khô đến khối lượng không đổi ở

100 – 1050C, làm nguội trong bình hút ẩm rồi cân, sau đó lại đưa cốc vào bình hút ẩm Ghi lại giá trị m1

Bước 2: Lấy từ 50 – 100 gam bột vôi sống cho vào cốc đã chuẩn bị trước rồi cân cả

cốc và vôi được giá trị m2

Bước 3: Đặt cốc có bột vôi vào trong lò nung, nâng nhiệt từ từ với tốc độ nâng

nhiệt 1500C/h Khi nào lò đạt 10000C thì lưu ở nhiệt độ này trong thời gian 30 phút

Để lò nguội từ từ đến nhiệt độ môi trường đem cân lại cốc và bột vôi được giá trị m3

Công thức tính hàm lượng mất khi nung:

Các nguyên liệu nghiên cứu và thiết bị thí nghiệm được sử dụng là cố định, thống nhất trong suốt quá trình thực hiện nhằm góp phần hạn chế sai số trong quá trình sản xuất và thử nghiệm

Bằng phương pháp so sánh đối chứng: xác định các tính chất của tấm xốp chịu nhiệt chế tạo được so sánh với các mẫu đối chứng Phụ thuộc vào tính chất cần xác định cho vật liệu mà lựa chọn mẫu so sánh phù hợp

Phương án tạo mẫu

Đề tài này lần đầu tiên nghiên cứu chế tạo vật liệu silicat canxi từ nguyên liệu chính là tro trấu theo phương pháp chưng áp Trước tiên cần phải tìm ra phương pháp tạo mẫu

Bài phối liệu

Tỉ lệ về khối lượng nguyên liệu được sử dụng sao cho tỉ lệ mol C/S = 1/1 nhằm tạo ra khoáng Xonotlite cần thiết theo như phần cơ sở lý thuyết nêu ở trên

* Tính bài phối liệu:

Ta có tỉ lệ C/S = 1/1

Ở đây ta cố định lượng tro trấu là 150g Giả sử lượng vôi là a (g)

Ta có phương trình tạo khoáng Xonotlite:

Vậy vôi sống là 185.37g

3.2 Sơ đồ thí nghiệm và kết quả

3.2.1 Xác định tỷ lệ w/s, và khảo sát sơ bộ nhiệt độ và thời gian chưng áp.

Sau đây là các phương pháp tạo mẫu đã thử nghiệm và kết quả đạt được

a Sơ đồ thực nghiệm 1: tỉ lệ w/s = 0/1

Sơ đồ sản xuất:

Hình 2.8 Sơ đồ sản xuất vật liệu silicat canxi không nước

Nguyên liệu được cân định lượng theo bài phối liệu sao cho tỉ lệ mol C/S = 1.0 sau

đó được trộn đồng nhất với nhau Bột khô sau khi trộn được cho vào túi vải buộc lại đem chưng áp ở nhiệt độ 1600

C, 1800C,2000C và lưu trong thời gian 6 tiếng

Kết quả: Mẫu sau khi chưng ở dạng tơi, không liên kết

b) Sơ đồ thực nghiệm 2: tỉ lệ w/s = 1/1

Nguyên liệu được cân định lượng theo bài phối liệu sao cho tỉ lệ mol C/S = 1.0 sau

đó đổ vào máy nghiền bi sứ đã làm sạch, khô bên trong Thêm nước bằng ống đong theo tỉ lệ nước/tổng nguyên liệu rắn ( w/s ) = 1.0 vào máy nghiền Thời gian máy nghiền chạy là 1 giờ Nguyên liệu và nước trong máy nghiền vừa được đảo trộn đồng đều, vừa được nghiền mịn hơn giúp cho quá trình phản ứng thủy hóa trong nồi chưng

áp diễn ra dễ dàng hơn và đồng nhất hơn

* Ở đây sử dụng bi sứ để đảo trộn và nghiền mịn:

- Khối lượng bi sứ: 1000g

- Đường kính bi sứ: từ 1.5cm – 1,8cm

- Thời gian nghiền: 1 giờ

Sau khi nghiền, hồ được đổ vào khuôn sắt kích thước chuẩn 20mm x 20mm

Các mẫu được chia làm 2 phần: