TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU
Tổng quan về phế phẩm nông nghiệp
1.1.1 Định nghĩa về phế phẩm nông nghiệp
- Phế phẩm nông nghiệp là chất thải từ các loại cây trồng phát sinh ra sau khi thu hoạch và chế biến để tạo ra sản phẩm chính
Ngành nông nghiệp trồng trọt đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam Mặc dù diện tích đất nông nghiệp đang giảm, nhưng sản lượng và năng suất cây trồng vẫn tiếp tục tăng trưởng qua các năm.
Hình 1.1 Sản lƣợng một số loại cây trồng qua các năm
1.1.2 Nguồn gốc phát sinh phế phẩm nông nghiệp
Sự phát triển của sản lượng nông nghiệp kéo theo sự gia tăng đáng kể về khối lượng phế phẩm nông nghiệp sau thu hoạch và chế biến, đạt hàng chục triệu tấn.
Phế phẩm nông nghiệp thường được nông dân sử dụng cho nhiều mục đích như chất đốt, phân bón, giá thể trồng nấm, thức ăn chăn nuôi và lợp chuồng trại Tuy nhiên, việc chưa qua sơ chế khiến chúng trở nên bất tiện cho người dân, và việc tận dụng chủ yếu diễn ra trên quy mô hộ gia đình.
Trong những năm gần đây, khoa học kỹ thuật đã có nhiều tiến bộ trong việc tận dụng phụ, phế phẩm từ sản xuất nông sản và thực phẩm để sản xuất phân hữu cơ vi sinh, vật liệu xây dựng, thức ăn chăn nuôi, khí đốt và năng lượng Tuy nhiên, việc thu gom và phân loại phụ, phế thải vẫn gặp nhiều khó khăn do đặc thù sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam hiện nay còn nhỏ lẻ và phân tán.
Phế phẩm nông nghiệp hiện chưa được khai thác triệt để, dẫn đến tình trạng người dân thường xử lý bằng cách đốt bỏ hoặc thải ra ao, hồ, sông, suối, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Một trong những nguồn nguyên liệu dồi dào bị bỏ phí, đang làm ô nhiễm đó chính là vỏ trấu và rơm.
Tổng quan về vỏ trấu
1.2.1 Nguồn gốc của vỏ trấu
Lúa (Oryza spp.) là một trong năm loại cây lương thực chính toàn cầu, cung cấp hơn 1/5 lượng calo cho con người Cây lúa có chiều cao từ 1-1,8 m, với lá mỏng và dài từ 50-100 cm Hoa lúa nhỏ, thụ phấn nhờ gió, mọc thành cụm hoa dài 30-50 cm Hạt lúa, khi non có màu xanh và khi chín chuyển sang màu vàng, dài từ 5-12 mm và dày 2-3 mm Cây lúa non được gọi là mạ và có thể được gieo thẳng vào ruộng hoặc qua giai đoạn gieo mạ Sản phẩm thu được từ cây lúa là thóc, sau khi xát vỏ ngoài sẽ thu được gạo cùng với các phụ phẩm như cám và trấu.
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa, được tách ra trong quá trình xay xát Trong trấu có khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi, cháy trong quá trình đốt, và 25% còn lại chuyển thành tro Chất hữu cơ chủ yếu bao gồm cellulose, lignin và hemicellulose, chiếm 90% tổng thành phần, trong đó lignin chiếm 25-30% và cellulose chiếm 35-40%.
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa, chiếm 20% trọng lượng hạt thóc Vỏ trấu có màu vàng, nhẹ và xốp, với kích thước trung bình khoảng 8-10mm chiều dài, 2-3mm chiều rộng và 0,2mm độ dày Khối lượng thể tích của vỏ trấu khi nén đạt khoảng 122 kg/m³ Khi đốt 1kg trấu, nó tạo ra khoảng 3000 Kcal nhiệt lượng và 0,2kg tro.
Hình 1.2 Cây lúa Hình 1.3 Vỏ trấu
1.2.2 Hiện trạng của vỏ trấu ở Việt Nam
Vỏ trấu là nguồn tài nguyên quan trọng được người dân nông thôn sử dụng làm chất đốt, phân bón và trong sản xuất gốm sứ, gạch thủ công Nhờ áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật, sản lượng lúa của Việt Nam đã đạt gần 40 triệu tấn vào năm 2010, dẫn đến phát sinh khoảng 8 triệu tấn vỏ trấu, chủ yếu tập trung ở Đồng bằng sông Cửu Long Tuy nhiên, việc tiêu thụ vỏ trấu theo phương pháp truyền thống còn hạn chế, khiến lượng lớn vỏ trấu thải ra từ các nhà máy xay xát không được sử dụng, gây ô nhiễm môi trường nước và ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân Mặc dù nhiều nghiên cứu và dự án đã được triển khai để tận dụng nguồn vỏ trấu này, nhưng do khối lượng phát sinh quá lớn và tính chất nhỏ lẻ của nông nghiệp, việc thu gom và tiêu thụ vẫn gặp khó khăn, khiến vỏ trấu trở thành một loại chất thải độc hại đe dọa môi trường sống tại khu vực này.
Hình 1.4 Vỏ trấu đƣợc đổ bỏ ra sông
1.2.3 Các ứng dụng của vỏ trấu hiện nay
1.2.3.1 Sử dụng làm chất đốt
Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt và sản xuất nhờ vào khả năng cháy tốt và sinh nhiệt hiệu quả, với thành phần chứa 75% chất xơ Một kilogram trấu khi đốt có thể tạo ra 3.400 Kcal, tương đương với 1/3 năng lượng từ dầu, nhưng có giá thành thấp hơn đến 25 lần.
Trấu là nguồn nguyên liệu phong phú và giá rẻ, với sản lượng lúa năm 2010 đạt 38 triệu tấn, tương đương 7,6 triệu tấn vỏ trấu (chiếm 20% trọng lượng hạt lúa) Tại ĐBSCL, lượng trấu có thể thu gom lên tới 1,4 - 1,6 triệu tấn.
Nguyên liệu trấu là lựa chọn lý tưởng cho chất đốt nhờ vào những ưu điểm nổi bật Vỏ trấu sau khi xay xát có dạng khô, nhỏ gọn, tơi xốp và nhẹ, giúp việc vận chuyển trở nên dễ dàng Với thành phần chính là chất xơ cao phân tử khó phân hủy bởi vi sinh vật, trấu dễ dàng được bảo quản và lưu trữ, đồng thời yêu cầu chi phí đầu tư thấp.
Hình 1.5 Lò đốt trấu dùng trong sinh hoạt
Trấu được sử dụng phổ biến làm chất đốt do nhiều ưu điểm vượt trội Người dân đã thiết kế lò nấu nướng chuyên dụng với trấu, mang lại lửa nóng và đều, giữ nhiệt lâu Lò trấu vẫn được ưa chuộng ở nông thôn, đồng thời cũng thường xuyên được sử dụng trong sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi Trấu chủ yếu được dùng để nấu thức ăn cho cá và lợn, nấu rượu, và một lượng lớn trấu còn được dùng để nung gạch trong ngành sản xuất gạch tại khu vực ĐBSCL.
Hình 1.6 Lò nung gạch sử dụng trấu
1.2.3.2 Sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu
- Máy ép củi trấu được sản xuất tại Gò Công (Tiền Giang) có công suất
Máy sản xuất củi trấu có khả năng tạo ra từ 70 đến 80 kg củi mỗi giờ và tiêu thụ điện năng từ 6 đến 7 KW/h Tỷ lệ chuyển đổi là 1.05 kg trấu cho ra 1 kg củi trấu Người dùng chỉ cần cho trấu vào họng máy, qua bộ phận ép, máy sẽ sản xuất những thanh củi trấu có đường kính 73mm và chiều dài từ 0,5 đến 1m Mỗi kg củi trấu đủ để nấu bữa ăn cho 4 người.
Củi trấu là nguồn nhiên liệu hiệu quả, giữ lửa lâu hơn so với trấu hoặc than đá khi nấu trực tiếp Nó có thể được sử dụng dễ dàng trong các loại lò truyền thống, cà ràng, bếp than và bếp than đá Củi trấu bắt lửa nhanh, không tạo khói và khi cháy tỏa ra mùi hương dễ chịu, mang lại trải nghiệm nấu nướng thoải mái.
Củi trấu, mặc dù có giá thành thấp hơn gas, nhưng vẫn gặp hạn chế trong việc phát triển, đặc biệt là ở các khu đô thị Việc sử dụng củi trấu đòi hỏi không gian để lưu trữ, cần bếp lò và nơi thải tro, điều này khiến nó khó có thể phổ biến trong các thành phố Do đó, củi trấu có khả năng chỉ phát triển mạnh mẽ ở nông thôn hoặc các vùng ven gần khu dân cư đô thị.
Hình 1.7 Máy ép củi trấu
Hình 1.8 Thanh củi trấu sau khi ép
1.2.3.3 Trấu và các phế phẩm khác có thể làm pin sạc
Trấu, vỏ đậu phụng, bã mía và các phế phẩm nông nghiệp khác có thể được chế biến thành vật liệu cực dương cho pin sạc Lithium-ion Quá trình chế biến đặc biệt này không chỉ tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có mà còn góp phần vào việc phát triển công nghệ pin bền vững.
Trấu, vỏ đậu phụng, bã mía và các phế phẩm nông nghiệp khác có thể được chế biến thành nguyên liệu carbon tích điện cao, sử dụng làm cực dương cho pin sạc Lithium-ion, góp phần vào việc phát triển công nghệ sạch và bảo vệ môi trường.
Khoa Hóa Học tại Trường Đại học Trung ương Đài Loan đã nghiên cứu và phát triển công nghệ pin lithium từ các phế phẩm nông sản như vỏ trấu, vỏ đậu phụng và bã mía Quá trình nghiên cứu sử dụng xử lý axit và tác nhân tạo lỗ xốp, sau đó nung ở nhiệt độ cao để tạo ra vật liệu carbon có công suất điện áp cao Vật liệu này có khả năng đạt điện dung tối đa 1650 mA/gram, vượt trội so với graphite thương mại chỉ đạt 370 mA/gram Tuy nhiên, một hạn chế lớn là vật liệu carbon này không thể đảo ngược điện dung quá lớn và sẽ mất nhiều điện năng sau lần sử dụng đầu tiên.
1.2.3.4 Dùng vỏ trấu để lọc nước
Tại thành phố Hải Dương, một phát minh mới đã ra đời với thiết bị lọc nước từ vỏ trấu, có khả năng biến nước ao hồ thành nước uống sạch Thiết bị này sử dụng cụm sứ xốp trắng, được chế tạo từ ôxit silic tách ra từ trấu, với khả năng lọc tốt nhờ lỗ lọc siêu nhỏ Ngoài ra, thiết bị còn có khả năng khử mùi và chất dioxin khi kết hợp với bình lọc có ống than hoạt tính Trung tâm y tế dự phòng tỉnh Hải Dương đã kiểm tra hiệu quả của thiết bị bằng cách xử lý nước hồ Bạch Đằng, và kết quả cho thấy nước đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn Việc bảo dưỡng lõi lọc cũng rất đơn giản, chỉ cần lau sạch bằng giẻ hoặc khăn mặt để khôi phục tốc độ lọc như ban đầu.
1.2.3.5 Vỏ trấu làm sản phẩm vật liệu xây dựng nhẹ không nung
Tổng quan về rơm rạ
1.3.1 Nguồn gốc của rơm rạ
Lúa là một loại cây lượng thực có hạt phổ biến ở Châu Á và Châu Mỹ
Cây lúa sau khi thu hoạch sẽ được lấy hạt, sấy khô và tách vỏ, tạo ra hạt gạo, trong khi phần thân và gốc lúa bị bỏ lại ngoài đồng được gọi là rơm rạ Rơm rạ thường được nông dân sử dụng làm thức ăn cho gia súc, lót chuồng trại, lợp nhà, hoặc đốt để tạo ra tro bón ruộng.
Gốc rạ và rơm có chứa nhiều cellulose, lignin, hemicellulose, các hợp chất trich ly, và nhiều thành phần khác
Bảng 1.4 Thành phần hóa học của rơm
Các hợp chất trich ly Độ ẩm Ligni n Tro Tổng
Quản lý rơm sau thu hoạch có nhiều phương pháp như sử dụng làm nhiên liệu, đốt, rải trên đồng, cày vùi vào đất hoặc làm chất che phủ cho cây trồng Mỗi phương pháp này đều ảnh hưởng lâu dài đến cân bằng và tình trạng dinh dưỡng của đất Tuy nhiên, việc đốt rơm rạ thường được nông dân áp dụng nhưng không được khuyến khích do những tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe.
Đốt rơm rạ gây ra sự mất mát gần như hoàn toàn N Lượng P mất đi khoảng 25%, K mất đi khoảng 20% và S mất từ 5-60%
Lượng dinh dưỡng mất mát khi đốt rơm rạ phụ thuộc vào phương pháp thực hiện Ở những vùng thu hoạch cơ giới hóa, rơm rạ thường được đốt tại chỗ, dẫn đến sự mất mát S, P và K rất nhỏ Ngược lại, ở những nơi rơm rạ được tập trung thành đống và đốt sau thu hoạch, tro không được phân bố đều, gây mất mát khoáng chất lớn Các nguyên tố như K, Si, Ca, Mg dễ bị rửa trôi từ tro, làm giảm hiệu quả sử dụng dinh dưỡng do sự chuyển dịch không đồng đều từ ngoại vi vào giữa ruộng Mặc dù việc đốt rơm rạ gây ô nhiễm không khí và mất mát dinh dưỡng, nhưng nó cũng giúp giảm giá thành sản xuất và kiểm soát sâu bệnh hiệu quả.
Kỹ thuật canh tác lúa tốt giúp giảm đáng kể lượng phân bón hóa học, từ đó bảo vệ tài nguyên đất đai và nâng cao chất lượng gạo Tuy nhiên, việc vùi rơm rạ không ngay lập tức cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng cho vụ lúa tiếp theo; chỉ một lượng nhỏ có thể được sử dụng ngay, trong khi phần lớn cần thời gian để chuyển hóa thành các chất dễ hấp thụ cho cây, mang lại hiệu quả lâu dài.
Bảng 1.5 Thành phần tro của rơm rạ
Thành phần SiO2 K Na Các chất khác Tổng
1.3.2 Hiện trang rơm rạ tại Việt Nam
Rơm rạ là sản phẩm phụ phổ biến từ cánh đồng lúa, chủ yếu tập trung ở đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Nông dân thường sử dụng rơm rạ để lót chuồng cho gia súc, trong khi một phần nhỏ được dùng để trồng nấm, còn lại thường bị bỏ ngoài đồng, gây ô nhiễm môi trường Năm 2010, Việt Nam có khoảng 4 triệu ha đất trồng lúa với sản lượng đạt 38 triệu tấn, tạo ra khoảng 51 triệu tấn rơm rạ hàng năm, trong đó khoảng 50% được tái sử dụng.
Sau khi thu hoạch lúa, nông dân thường đốt rơm và gốc rạ, gây ô nhiễm môi trường và lãng phí chất dinh dưỡng quý giá cho đất Các nhà khoa học khuyến cáo rằng thay vì đốt, nông dân nên vùi rơm rạ vào đất bằng cách cày xới để bổ sung dưỡng chất, giúp cải thiện độ màu mỡ của đất.
Diện tích trồng lúa ngày càng mở rộng dẫn đến sự gia tăng phế phẩm nông nghiệp, đặc biệt là rơm rạ Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đóng góp hơn 50% sản lượng lúa của cả nước, với ước tính mỗi năm sản xuất hơn 26 triệu tấn rơm rạ Việc xử lý lượng phế phẩm khổng lồ này là một thách thức lớn và không thể giải quyết trong thời gian ngắn.
Hình 1.11 Đốt gốc rạ trực tiếp ngoài đồng
Hình 1.12 Đốt rơm trên các tuyến dường giao thông
1.3.3 Ứng dụng của rơm rạ hiện nay Đồng hành cùng với nổi lo của người nông dân thì các nhà nghiên cứu cũng tìm tòi, nghiên cứu tìm những ứng dụng mới của rơm rạ để giải quyết phần nào nạn ô nhiễm môi trường nông nghiệp mà vừa tạo được thu nhập cho người nông dân
1.3.3.1 Sử dụng rơm rạ để trồng nấm
Người nông dân đã hiệu quả tái sử dụng phế phẩm từ cây lúa để tạo thêm thu nhập bằng cách trồng nấm rơm từ rơm sau thu hoạch Ban đầu, việc trồng nấm chỉ mang tính nhỏ lẻ, nhưng với khối lượng rơm lớn, cần phải áp dụng quy trình kỹ thuật để nâng cao chất lượng và sản lượng nấm Nhờ vào sự hỗ trợ từ chính quyền địa phương, sản lượng nấm đã tăng đáng kể, đạt 30 ngàn tấn ở ĐBSCL vào năm 2010 Trung bình, 1kg rơm cho ra 0,15kg nấm, tương đương với việc sử dụng 200.000 tấn rơm mỗi năm, không chỉ giải quyết vấn đề rác thải nông nghiệp mà còn mang lại nguồn thu nhập lớn cho nông dân.
Trồng nấm bằng rơm có nhiều ưu điểm, bao gồm yêu cầu diện tích nhỏ, vốn đầu tư thấp và kỹ thuật trồng đơn giản hơn so với hoa lan hay cây kiểng Hơn nữa, giá trị kinh tế từ việc trồng nấm cao vượt trội so với nhiều loại cây trồng và vật nuôi khác.
Trồng nấm là một quá trình đơn giản với bốn bước chính: chuẩn bị rơm, chọn giống nấm, xếp mô và rắc giống, sau đó là chăm sóc và thu hoạch So với việc trồng lúa và rau, trồng nấm chỉ cần thực hiện qua ít bước hơn, giúp tiết kiệm thời gian và công sức.
Sau khi rơm được thu hoạch từ đồng về, cần ủ trong khoảng 10 - 12 ngày Trong quá trình ủ, việc tưới nước vôi lên rơm giúp diệt nấm tạp và rửa sạch các chất phèn, chất mặn Tiếp theo, chọn giống meo chất lượng tốt để tiến hành gieo Rơm đã ủ được xếp thành mô và meo giống được gieo dọc hai bên luống Sau khoảng 14 - 15 ngày, nấm có thể được thu hoạch.
Hình 1.14 Nấm rơm sau khi thu hoạch 1.3.3.2 Sử dụng rơm rạ để làm phân hữu cơ
Sử dụng rơm rạ làm phân bón hữu cơ cho đất là một biện pháp bền vững để bảo vệ tài nguyên đất đai Có hai phương thức chính để chuyển đổi rơm rạ thành phân hữu cơ: một là vùi trực tiếp rơm rạ vào đất thông qua cày, bừa, và hai là ủ rơm rạ trước khi bón cho đất.
Vùi trực tiếp rơm rạ vào đất giúp trả lại các nguyên tố dinh dưỡng cho đất, bảo toàn nguồn dự trữ dinh dưỡng lâu dài, mặc dù ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất lúa vụ kế tiếp không lớn Khi kết hợp việc bón phân định kỳ với việc vùi rơm rạ, có thể bảo toàn dinh dưỡng N, P, K và S cho lúa, đồng thời tăng cường dự trữ dinh dưỡng cho đồng ruộng Tuy nhiên, việc vùi rơm rạ vào đất ướt có thể gây cố định tạm thời của đạm và làm tăng lượng metan, dẫn đến tình trạng tích lũy khí nhà kính.
Việc vùi rơm rạ tươi vào đất đòi hỏi nhiều công sức và cần sử dụng máy móc phù hợp, đồng thời có thể gây ra các vấn đề về bệnh cây Do đó, việc trồng trọt chỉ nên bắt đầu sau 2 đến 3 tuần kể từ khi vùi rơm rạ.
Tổng quan về xi măng
Xi măng, hay còn gọi là ciment trong tiếng Pháp, là một loại khoáng chất mịn và chất kết dính thủy lực được tạo ra từ việc nghiền clinker, thạch cao thiên nhiên và các phụ gia Khi tiếp xúc với nước, xi măng trải qua quá trình thủy hóa, hình thành hồ xi măng, sau đó ninh kết và hóa cứng để tạo ra vật liệu có độ bền và ổn định cao Đặc biệt, xi măng Portland là loại xi măng phổ biến nhất, chiếm hơn 90% khối lượng từ clinker Portland, kèm theo 3-5% thạch cao và các phụ gia khoáng khác như xỉ lò và tro than, giúp tăng khả năng đóng rắn và bền vững trong môi trường nước.
1.4.2 Nguồn gốc của xi măng
Xi măng Portland đã chính thức ra đời vào ngày 21 tháng 10 năm 1824 khi Joseph Aspdin nhận bằng sáng chế cho quy trình sản xuất loại xi măng này Tên gọi "xi măng Portland" được đặt theo màu sắc xám tương tự của đá ở đảo Portland, miền Nam nước Anh, nơi mà Aspdin đã lấy cảm hứng.
1.4.3 Thành phần hóa học của clinke Portland biểu thị bằng hàm lƣợng
Bảng 1.6 Hàm lƣợng các oxit trong clinke Portland
Xi măng là vật liệu phổ biến trong xây dựng nhờ vào tính thi công đơn giản, nguyên liệu sẵn có, khả năng cơ học tốt và tuổi thọ cao Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, xi măng là vật liệu chính để xây dựng cầu, nhà, kênh, cống, và nhiều công trình khác Ngoài ra, xi măng còn được ứng dụng trong xử lý rác thải hạt nhân, giúp cố định các chất phóng xạ một cách hiệu quả trong vi cấu trúc của nó.
Tổng quan về phụ gia trong vật liệu xây dựng
Sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp Việt Nam, đặc biệt sau khi gia nhập WTO, đã tạo ra nhu cầu ngày càng cao về vật liệu xây dựng, đặc biệt là xi măng Nhà nước đã ưu tiên phát triển ngành xi măng thông qua nguồn vốn trong nước và hợp tác với nước ngoài để tiếp thu công nghệ tiên tiến Việc sử dụng nguyên liệu và hóa chất trong sản xuất xi măng là cần thiết để cải thiện quy trình nghiền, nung và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm giá thành và tăng sản lượng Do đó, việc lựa chọn phụ gia phù hợp trong sản xuất xi măng Portland trở nên quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu xây dựng trong nước và quốc tế.
Tổng quan về sử dụng phụ gia tại Việt Nam
1.6.1 Nhu cầu về sử dụng phụ gia
Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, nhu cầu chỉnh trang và xây dựng cơ sở hạ tầng đang gia tăng mạnh mẽ, tạo ra diện mạo mới cho Việt Nam và thu hút vốn đầu tư nước ngoài Các công trình như khu công nghiệp, khu vui chơi giải trí, trung tâm thương mại và cao ốc đang được xây dựng rộng rãi, kéo theo nhu cầu vật liệu xây dựng, đặc biệt là xi măng Xi măng Portland là loại vật liệu phổ biến trong ngành xây dựng không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới Sự phát triển không ngừng của các nền kinh tế lớn đã làm tăng nhu cầu vật liệu xây dựng, dẫn đến việc phát thải khí nhà kính gia tăng, với khoảng 1,89 tấn CO2 phát thải cho mỗi tấn xi măng sản xuất Do đó, cần hướng tới một ngành công nghiệp xi măng bền vững hơn.
Các chuyên gia nhấn mạnh rằng để giảm khí CO2 trong ngành xi măng, cần phải thay đổi đồng thời cả sản xuất và tiêu dùng Việc sử dụng vật liệu thay thế tiên tiến và truyền thống cho xi măng pooclăng có thể giúp giảm khí CO2 từ 20 đến 80% Sử dụng các chất phụ gia và vật liệu thay thế cho lò nung xi măng portland đã chứng minh là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để giảm phát thải CO2 Tuy nhiên, thách thức vẫn tồn tại do nguồn cung các chất phụ gia không tăng kịp với nhu cầu xi măng Do đó, quá trình này cần được khởi động sớm, đặc biệt ở các quốc gia đang trong giai đoạn phát triển Sản xuất xi măng phải đảm bảo chất lượng, sản lượng và giá thành, khiến việc sử dụng phụ gia trở nên quan trọng và cần thiết.
1.6.2 Lịch sử dùng phụ gia
Trước đây, vữa vôi được cải tiến bằng cách thêm các chất phụ gia để tăng tính dẻo, tốc độ đóng rắn và độ bền Một số chất như nhớt dâm bụt giúp vữa dẻo hơn, mật rỉ đường giúp đóng rắn nhanh, trong khi tro trấu tăng cường độ bền với nước biển Giấy bản, chứa sợi cellulose, giúp ngăn ngừa nứt, rạn Từ đầu thế kỷ XX, xi măng pooclăng đã được sử dụng tại Việt Nam trong các công trình nổi bật như cầu Long Biên (1909) và Cung An Định (1919) Đến những năm 60, SSB (Liên Xô) được áp dụng cho thủy điện Thác Bà, tiếp theo là phụ gia nước thải từ nhà máy giấy vào những năm 70, giúp giảm nước khoảng 10% cho thủy điện Hòa Bình Những năm 80, phụ gia Lignhin kiềm và khoáng sét bentonite được sử dụng để giảm nước 15% và tăng khả năng chống thấm Đến những năm 2000, phụ gia siêu dẻo Polycacboxylat Natri ra đời, giúp giảm nước từ 25-35%, cùng với các khoáng hoạt tính mạnh như SF, RHA, MK.
Vữa xây dựng
Vữa xây dựng là vật liệu đá nhân tạo được tạo thành từ chất kết dính, nước, cốt liệu nhỏ và phụ gia Các thành phần này được trộn theo tỷ lệ phù hợp, tạo ra hỗn hợp dẻo gọi là hỗn hợp vữa Khi cứng lại, nó trở thành vữa có khả năng chịu lực Phụ gia được sử dụng để cải thiện tính chất của hỗn hợp vữa.
1.7.2 Vật liệu chế tạo vữa
1.7.2.1 Chất kết dính Để chế tạo vữa thường dùng chất kết dính vô cơ như xi măng portland, xi măng portland hỗn hợp, vôi không khí, vôi thủy, thạch cao xây dựng v.v… Việc lựa chọn sử dụng loại chất kết dính phải đảm bảo cho vữa có cường độ và độ ổn định trong điều kiện cụ thể
Cốt liệu cát đóng vai trò quan trọng như bộ xương chịu lực cho vữa, giúp chống co ngót và tăng sản lượng vữa Để chế tạo vữa, có thể sử dụng cát thiên nhiên hoặc cát nhân tạo nghiền từ đá hoặc đá rỗng Chất lượng cát ảnh hưởng đáng kể đến cường độ của vữa.
Trong quá trình chế tạo vữa, có thể sử dụng các phụ gia vô cơ như đất sét dẻo, cát nghiền nhỏ, bột đá pouzzolan và phụ gia hoạt tính tăng dẻo Việc lựa chọn loại phụ gia và xác định hàm lượng thích hợp cần được kiểm tra thông qua thực nghiệm.
Nước dùng để chế tạo vữa phải là nước sạch, không chứa váng dầu mỡ, với lượng hợp chất hữu cơ không vượt quá 15mg/l Độ pH của nước cần duy trì trong khoảng từ 4 đến 12.5 Hàm lượng các tạp chất khác cũng phải đáp ứng theo tiêu chuẩn TCVN 4506-1987 tùy theo mục đích sử dụng.
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Việc sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu phát điện không chỉ giúp giảm ô nhiễm mà còn mang lại giá trị từ lượng tro thu được sau khi đốt Các nhà khoa học đã nhận ra tiềm năng của vỏ trấu trong ngành xây dựng, tuy nhiên, để tận dụng tro từ vỏ trấu làm nguyên liệu thay thế cho xi măng, cần chú ý đến hàm lượng cacbon cao trong vỏ trấu, điều này khiến nó không thể thay thế hoàn toàn xi măng.
Khoa học đang nỗ lực tìm ra giải pháp cho vấn đề này Theo thông tin từ Discovery, các nhà khoa học Mỹ, với sự hỗ trợ từ các quỹ khoa học và xã hội, đã phát triển một phương pháp gia công trấu mới, cho phép sử dụng tro trấu làm thành phần xi măng Rajan Vempati, Giám đốc tập đoàn CHK tại Texas, cho biết phương pháp này đốt trấu ở nhiệt độ 800 °C, tạo ra SiO2 với độ tinh khiết cao Nghiên cứu tập trung vào việc phát minh các kiểu lò đốt để thu hồi SiO2 từ tro trấu sau khi đốt Hội đồng Khoa học và Nghiên cứu Công nghiệp Pakistan (PCSIR) đã thiết kế một lò đốt thủ công để thu được tro trấu có hoạt tính cao, nhưng với công suất nhỏ và chưa tận dụng hết nguồn nhiệt lượng từ trấu.
Tình hình nghiên cứu trong nước
2.2.1 Đề tài Nghiên cứu tận dụng phế phẩm nông nghiệp làm vật liệu xây dựng (Vũ Thị Bách, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh,2010)
Tác giả đã thực hiện thí nghiệm bằng cách xử lý vỏ trấu, bắt đầu bằng việc loại bỏ các tạp chất Sau đó, vỏ trấu được sấy khô ở nhiệt độ 105°C cho đến khi khối lượng ổn định Tiếp theo, tro trấu sau khi sấy được đưa vào bình hút ẩm trong 30 phút và sau đó được nung trong lò ở nhiệt độ 950°C cho đến khi đạt được màu trắng hoàn toàn.
Tác giả tiến hành lấy tro trấu và rây qua rây 0,25 mm để đạt độ mịn cần thiết cho việc phối trộn với xi măng Tiếp theo, tác giả kiểm tra hoạt tính của vật liệu thông qua việc xác định độ ẩm, độ thấm nước và đo độ hấp thu vôi, từ đó đánh giá hoạt tính của mẫu theo tiêu chuẩn TCVN 3735 – 1982.
Bảng 2.1 Kết quả kiểm tra hoạt tính vật liệu
Thông số Đơn vị Mẫu tro trấu Độ ẩm % 7.8 Độ hấp thu nước % 87.2 Độ hấp thụ vôi mg 156.24
Theo bảng 2.1, mẫu tro trấu cho thấy hoạt tính rất mạnh, với lượng CaO hấp phụ lên đến hơn 150 mg cho mỗi 1 mg mẫu Điều này cho thấy rằng, mẫu hấp phụ càng nhiều vôi thì hoạt tính của chất phụ gia càng cao.
Tác giả đã phối trộn xi măng, cát và nước theo tỷ lệ 10% và 20% dựa trên TCVN 6016 – 1995 để tạo ra mẫu vữa Sau đó, mẫu được đúc và tiến hành kiểm tra độ bền nén cũng như độ bền uốn của vật liệu theo tiêu chuẩn này.
Bảng 2.2 kết quả đo độ bền nén trung bình của mẫu vữa Đơn vị Giá trị trung bình của mẫu vữa
So với mẫu vữa xi măng đối chứng có độ bền nén từ 40 – 43 N/mm2, tác giả kết luận rằng mẫu vữa chứa 10% tro trấu làm phụ gia đạt yêu cầu nhờ vào hàm lượng SiO2 lớn, vượt quá 90% trong mẫu thí nghiệm Điều này cho thấy độ hoạt tính của tro trấu rất cao, tương đương với cận dưới của Silicafume.
2.2.2 Đề tài “Nghiên cứu tận dụng tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện Đình Hải (KCN Trà Nóc – Cần Thơ) làm vật liệu xây dựng” (Nguyễn Thị Chiều Dương, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, 2011)
Tác giả đã thực hiện đề tài với phương pháp sau:
Tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện có màu đen, chủ yếu là tro khô, xốp, nhẹ và thường lẫn đất cát Để đạt được độ mịn cần thiết, tro xỉ được nghiền và sau đó rây qua lưới có kích thước lỗ 0,25mm.
- Sau đó tác giả cân 20g mẫu đổ vào cốc thủy tinh 1000ml (a), cho vào 250ml dung dịch NaOH 5M (b) Đem đun cách thủy trong 4 giờ (c)
- Sau quá trình đun cách thủy hoàn toàn tiến hành lọc dung dịch này để loại bỏ chất bẩn và tro trấu còn dư (d), (e), (f) a b c d e f
Tác giả sử dụng dung dịch HCl 2M với liều lượng thích hợp cho đến khi đạt được môi trường trung tính, được kiểm tra bằng giấy pH Hỗn hợp sau đó chuyển thành dạng Gel và được rửa sạch nhiều lần bằng nước cất để loại bỏ ion Cl-.
- Sau đó đem Gel đi sấy ở nhiệt độ 100oC trong 24 giờ, rồi nung ở 550 o C trong 2 giờ
- Mang sản phẩm sau khi nung đi nghiền, tiếp theo rây qua rây 0,25 mm để tạo bột mịn cho mẫu
Tác giả đã thu được mẩu SiO2 có độ tinh khiết cao, không còn carbon, từ 20 g tro trấu lấy từ nhà máy, tinh chế ra được 15.6 g hỗn hợp chủ yếu chứa SiO2, cùng với một lượng nhỏ OH- và Cl-, đạt hiệu suất 78.17%.
Hình 2.1 trình bày quá trình xử lý Gel qua các giai đoạn: a Gel trong môi trường kiềm, b Gel trong môi trường trung tính, c Gel sau khi rửa, d Sấy Gel, e Gel sau khi sấy, f Nung Gel, g Gel sau khi nung, h Nghiền và rây Gel sau khi nung, i Gel sau khi nghiền và rây.
2.2.3 Đề tài “Nghiên cứu tinh luyện SiO2 từ tro trấu bằng phương pháp sinh học để sản xuất vật liệu xây dựng chất lượng cao.” (Vương Mỹ Ngọc, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Thàng Phố Hồ Chí Minh)
Mẫu tro thu mua từ địa điểm bán tro trấu tại xã Kế Mỹ, huyện Cần Giuộc, tỉnh Long An, cho thấy tro trấu chưa cháy hết, còn chứa nhiều vỏ trấu và tạp chất như rơm, sạn, sỏi.
+ Mẫu tro trấu ban đầu màu đen, còn xen lẫn trấu chưa cháy hết và tạp chất như rơm, sạn, sỏi
Tro trấu được xử lý bằng cách rây qua lưới 1mm để loại bỏ các tạp chất như vỏ trấu tươi, sỏi và gạch Sau khi loại bỏ tạp chất, tro trấu được xay, nghiền mịn và tiếp tục rây qua lưới 0.25mm để thu được sản phẩm tro có kích thước nhỏ và mịn.
+ Tro trấu mịn được bảo quản trong bao nilon bịt kín để tránh hơi ẩm
Sau khi tiền xử lý mẫu tro trấu, các chỉ tiêu đầu vào cần được phân tích bao gồm nhiệt độ, pH, khối lượng riêng, độ ẩm, hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng Carbon, Nitơ và tỷ lệ C/N.
+ Mô hình ủ được làm bằng vật liệu xốp cách nhiệt, dạng hình hộp chữ nhật, kích thước dài × rộng × cao = 45 × 32 × 29 cm (kích thước trong lòng)
Đáy thùng được lót một lớp sỏi dày khoảng 5cm, có chức năng hỗ trợ ống cấp khí và lọc nước rỉ từ quá trình ủ Ngoài ra, ở góc đáy thùng có một lỗ nhỏ đường kính 2cm, nghiêng 45°, dùng để thoát nước rỉ từ quá trình phân hủy.
+ Trên lớp sỏi là đường ống để cấp khí cho quá trình ủ Khí được cấp vào 4 đường, chia thành 6 đường ống vuông góc chiều dài thùng Mỗi đường ống d
= 6mm, trên mỗi đường ống có đục lỗ d = 2 mm Không khí được đưa vào mô hình bằng máy sục khí liên tục
+ Để hạn chế tro làm bít lỗ khí, trên đường khí là 1 màng lưới mắt lưới 1×1mm