NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO BAY LÀM PHỤ GIA XỬ LÝ BÙN ĐỎ TẠO CHẤT KẾT DÍNH THEO PHƯƠNG PHÁP GEOPOLYMER

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO BAY LÀM PHỤ
GIA XỬ LÝ BÙN ĐỎ TẠO CHẤT KẾT DÍNH
THEO PHƯƠNG PHÁP GEOPOLYMER
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH ẢNH
LỜI NÓI ĐẦU
Với quy hoạch phát triển bauxite ở Tây Nguyên đến năm 2015 mỗi năm sản
xuất khoảng 7 triệu tấn alumin tưởng đương với việc thải ra môi trường 10 triệu tấn
bùn đỏ. Đến năm 2025 là 15 triệu tấn alumin tương đương với 23 triệu tấn bùn đỏ
và cứ như thế sau 10 năm sẽ có 230 triệu tấn bùn đỏ và với quy hoạch các nhà máy
alumin ở Việt Nam có thời gian hoạt động là 50 năm sẽ có 1,15 tỷ tấn bùn đỏ tồn
đọng trên Tây Nguyên.
Hiện nay chính phủ đang khuyến khích sử dụng các vật liệu không nung để
giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ nguồn tài nguyên đất sét. Tuy nhiên đa số
vật liệu không nung hiện nay là vật liệu làm từ xi măng, để sản xuất ra xi măng cần
phải trải qua một quá trình nung ở nhiệt độ cao, tiêu tốn một lượng đá vôi cao lanh
và quá trình sản xuất cũng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Từ đặc tính của
bùn đỏ là chứa hàm lượng oxit sắt và kiềm cao trong khi đó tro bay thì có nhiều oxit
silic vô định hình và oxit nhôm nên chọn hướng geopolymer hóa. Hai loại vật liệu
này kết hợp để tạo ra một loại vật liệu đóng rắn ở nhiệt độ không quá cao và đặc
biệt là tận dụng được các loại vật liệu phế thải tại địa phương nên rất thích hợp cho
nhu cầu xây dựng nhà ở của người dân có thu nhập thấp ở Tây Nguyên.
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Bùn đỏ
Bùn đỏ là chất thải không thể tránh khỏi trong quá trình sản xuất alumin. Bùn
đỏ bao gồm các thành phần không thể hòa tan, trơ và khá bền vững trong điều kiện
phong hóa như Hematit, Natrisilicat, Aluminate, Canxi-titanat, Mono-hydrate
nhôm… và đặc biệt là có chứa một lượng xút, một hóa chất độc hại dư thừa từ quá
trình sản xuất alumin. Trong quá trình sản xuất, các nhà sản xuất sẽ phải cố gắng tối
đa để thu hồi lượng xút dư thừa để giảm thiểu chi phí tài chính và bảo vệ môi

trường. Tuy nhiên, lượng xút dư thừa vẫn có thể gây độc hại, nguy hiểm cho con
người, vật nuôi và cây trồng nếu bị phát tán ra ngoài. Cho đến nay, trên thế giới đã
có một số công trình nghiên cứu sử dụng bùn đỏ (làm vật liệu xây dựng…) nhưng
vẫn chưa có các giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. Cách thức phổ biến về
xử lý bùn đỏ vẫn là xây hồ chứa hoặc chôn cất bùn đỏ ở nơi hoang vắng, gần bờ
biển, xa các vùng đầu nguồn các sông suối và các mạch nước ngầm.
Như vậy, nếu các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hồ bùn đỏ không đảm bảo,
nguy cơ như vỡ đập, hoặc sự cố tràn (khi lượng mưa quá lớn đột xuất) vẫn sẽ là mối
nguy thường trực hàng ngày. Một vấn đề về ô nhiễm môi trường khác cũng cần
được quan tâm đó là bùn thải quặng đuôi trong quá trình tuyển quặng. Cùng với
nước trong quá trình tuyển quặng, lượng bùn thải này sẽ trôi xuống các con suối,
con sông và như bài học kinh nghiệm rút ra từ Tĩnh Tây, Quảng Tây, Trung Quốc
các con suối sẽ trở nên ‘nhuộm’ một màu đỏ (màu đỏ là màu của đất đỏ bazan).
Nguy cơ ô nhiễm lưu vực sông sẽ trở nên lớn hơn.
Sản xuất hydroxit nhôm từ công nghệ Bayer luôn phát sinh một lượng chất
thải bùn đỏ lớn. Loại bùn này rất chậm đóng rắn và phải 20 năm lưu giữ mới có thể
di chuyển trên nền bùn được. Đặc biệt, khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm là
rất cao khi lưu giữ bùn với khối lượng lớn trong thời gian dài, không đảm bảo kỹ
thuật. Ở một số nước trên thế giới, trước đây người ta thường bơm bùn xuống đáy
sông, đáy biển hay ngăn một phần vịnh biển để chứa bùn thải. Tuy nhiên, hiện nay
các biện pháp này đều bị nghiêm cấm vì nó phá hủy hoàn toàn môi trường sống của
các sinh vật đáy thủy vực. Ở Australia bùn đỏ được thải vào sa mạc.
Từ năm 1945, nước Anh đã sử dụng bùn đỏ làm chất keo tụ. Hiện nay, trên thế
giới đã có nhiều ứng dụng từ bùn đỏ, trong đó tập trung vào 3 lĩnh vực như: chất
phụ gia trong xi măng, sản xuất vật liệu xây dựng, điều chế quặng sắt.
Các phương pháp xử lý bùn đỏ hiện nay đang được áp dụng bao gồm các bước
chính sau:
+ Xử lý phần chất lỏng đi kèm bùn đỏ hoặc phát sinh trong hồ bùn đỏ bằng cách tái
sử dụng trong dây chuyền sản xuất hoặc trung hoà bằng nước biển (trường hợp nhà
máy đặt cạnh biển) hoặc trung hoà bằng CO

2
+ Chôn lấp bùn đỏ đã thải, tiến hành hoàn thổ, phục hồi môi trường
Xử lý bùn đỏ từ bãi thải, dùng cho các ứng dụng như vật liệu xây dựng (gạch,
ngói, bê tông ), làm đường, chế biến sơn, chế tạo các vật liệu đặc biệt khác
Việc lựa chọn các phương án xử lý bùn đỏ sau thải được thực hiện tùy theo
các nhà máy alumin cụ thể, tuy nhiên hiện nay phương án chôn lấp, hoàn thổ chiếm
ưu thế và được áp dụng rộng rãi, phương án chế biến bùn đỏ đang được nghiên cứu,
thử nghiệm vì chi phí để thực hiện cao, hiệu quả kinh tế thấp.
1.1.1. Sản xuất alumin và xử lý bùn đỏ
1.1.1.1. Tình hình sản xuất
Trên thế giới, nhôm là một trong 4 kim loại màu cơ bản được sử dụng nhiều
trong các ngành công nghiệp quan trọng như chế tạo thiết bị điện, phương tiện vận
tải, xây dựng, chế tạo máy, vũ khí, vật liệu bao gói, đồ đựng nước uống giải khát và
sản xuất đồ gia dụng. Tổng tài nguyên khoáng sản bauxit trên thế giới ước đạt 75,2
tỷ tấn, phân bố chủ yếu tại các quốc gia nhiệt đới và cận nhiệt đới, trong đó Ghi nê,
Australia và Việt Nam là các quốc gia có trữ lượng bauxit lớn nhất.
Tổng lượng tiêu thụ nhôm nguyên sinh trên thế giới năm 2007 đạt 38 triệu tấn
và dự báo sẽ tăng lên 51,8 triệu tấn năm 2012 và đạt 74,9 triệu tấn vào năm 2020.
Trong khi đó, theo dữ liệu nghiên cứu của Cơ quan Thống kê Kim loại Thế giới
(WBMS) thì sản xuất nhôm của thế giới năm 2007 đạt 38,02 triệu tấn, năm 2008 đạt
41,9 triệu tấn và đến năm 2020 có thể đạt 78,5 triệu tấn. Từ năm 2008 đến 2011 thị
trường nhôm sẽ xảy ra dư thừa từ 0,1 - 1,8 triệu tấn/năm, nhưng đến giai đoạn từ
2012 đến 2020, nhôm sẽ rơi vào tình trạng thiếu hụt khoảng từ 0,3 triệu tấn đến 2,6
triệu tấn/năm.
Theo đánh giá của AOA VAMI RUSAL (Nga), sản lượng alumin (nhôm ôxít)
của thế giới năm 2007 đạt 74,7 triệu tấn, tăng 6,9% so với năm 2006 và tăng 40,1%
so với năm 2000. Sự tăng trưởng mạnh mẽ sản lượng alumin đạt được là do nhu cầu
về nhôm tăng mạnh, đặc biệt là từ nhu cầu của Trung Quốc và các quốc gia thuộc
Mỹ La tinh. Cũng theo dự báo của RUSAL sản lượng alumin trên thế giới giai đoạn
2008-2014 sẽ tăng khoảng 50 triệu tấn. Phần lớn alumin được giao dịch trên thị

trường Thế giới thông qua những hợp đồng dài hạn, chỉ có một phần nhỏ, khoảng
10% tham gia vào thị trường trôi nổi. Giá alumin trên thị trường dao động bằng
khoảng từ 11-15% so với giá nhôm. Nhóm Broc Hunt nghiên cứu thị trường alumin
Thế giới và cho ra một dự báo dài hạn về thị trường alumin đến năm 2020 theo
bảng dưới đây:
Bảng 1.1 - Dự báo về thị trường alumin đến năm 2020
Đơn vị: Triệu tấn
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2020
Sản
lượng
83.7 90.0 97.7 100.5 104.0 107.0 113.4 118.3 126.8 129.3 148.7
Nhu
cầu
82.4 88.4 95.7 99.4 101.8 107.5 113.1 118.8 127.1 130.3 148.3
Thừa/
Thiếu
1.3 1.6 2.0 1.1 2.1 -0.5 0.3 -0.5 -0.3 -1.0 0.4
Bauxit là một trong những tài nguyên khoáng sản khá dồi dào trên Trái đất. Từ
bauxit có thể thu hồi alumin (Al
2
O
3
), rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi aluminium
(nhôm kim loại). Những khoáng vật chủ yếu của bauxit là: gippsite, diaspore,
boehmite là một biến dạng đa hình của diaspore. Khoảng 96% bauxit khai thác
được sử dụng trong ngành luyện kim, 4% còn lại được sử dụng trong các ngành
công nghiệp khác như: Sản xuất vật liệu chịu lửa, gốm sứ, vật liệu mài-đánh bóng,
đá trang sức nhân tạo
Hơn 90% sản lượng alumin (được gọi là alumin luyện kim) được sử dụng làm
nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% còn lại được

sử dụng trong công nghiệp hoá chất và các ngành công nghiệp khác. Nguồn quặng
bauxit toàn thế giới ước tính khoảng 55-75 tỷ tấn, trong đó châu Phi chiếm 33%;
châu Đại Dương 24%; Nam Mỹ và vùng Caribê 22%; châu Á 15%; các nơi khác là
6%.
Tình hình sản xuất bauxit trên thế giới được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 1.2 - Khai thác bauxit trên thế giới (đơn vị tính 1000 tấn)
TT Quốc gia Sản lượng khai thác
Trữ lượng
khai thác
Trữ lượng
ban đầu
2007 2008
1 Hoa Kỳ - - 20 000 40 000
2 Australia 62400 63 000 5 800 000 7 900 000
3 Braxin 24 800 25 000 1 900 000 2 500 000
4 Trung Quốc 30 000 32 000 700 000 2 300 000
5 Hy Lạp 2 220 2 200 600 000 650 000
6 Guinea 18 000 18 000 7 400 000 8 600 000
7 Guyana 1 600 1 600 700 000 900 000
8 Ấn Độ 19 200 20 000 770 000 1 400 000
9 Jamaica 14 600 15 000 2 000 000 2 500 000
10 Kazakhstan 4 800 4 800 360 000 450 000
11 Nga 6 400 6 400 200 000 250 000
12 Suriname 4 900 4 500 580 000 600 000
13 Venezuela 5 900 5 900 320 000 350 000
14 Việt Nam 30 30 2 100 000 5 400 000
15 Các nước khác 7 150 6 800 3 200 000 3 800 000
16
Tổng cả thế giới 202 000 205 000 27 000 000 38 000 000
1.1.1.2. Công nghệ sản xuất alumin

Trong công nghiệp, có một số công nghệ sản xuất alumin tùy theo loại nguyên
liệu và chất lượng nguyên liệu. Hiện tại và trong tương lai, 85% alumin trên thế giới
được sản xuất từ quặng bauxit, 10% từ quặng nephelin và alunit, 5% từ các nguyên
liệu khác. Điều đó cho thấy bauxit vẫn là nguồn nguyên liệu quan trọng nhất trong
sản xuất alumin nói riêng và sản xuất nhôm nói chung.
Nếu nguyên liệu là bauxit chất lượng tốt (tỷ lệ Al
2
O
3
/SiO
2
>= 7), hàm lượng
SiO
2
thấp, thì có thể áp dụng công nghệ Bayer. Nếu là bauxit chất lượng trung bình,
có thể áp dụng phương pháp kết hợp Bayer - thiêu kết song song hoặc nối tiếp. Nếu
là bauxit chất lượng xấu, hàm lượng SiO
2
cao, có thể áp dụng phương pháp thiêu
kết đơn thuần. Hiện tại và dự báo trong tương lai, khoảng 90% sản lượng alumin
trên thế giới vẫn được sản xuất bằng công nghệ Bayer.
Quá trình sản xuất alumin thực chất là quá trình làm giàu Al
2
O
3
, nhằm tách
lượng Al
2
O
3

trong bauxit ra khỏi các tạp chất khác (các ôxít…). Alumin luyện kim
được chuyển hoá trong quá trình điện phân trong bể muối cryolite nóng chảy
(Na
3
AlF
6
) để thành nhôm kim loại.
- Sản xuất alumin bằng phương pháp hoả luyện
Trong số các phương pháp hỏa luyện thì phương pháp thiêu kết bauxit với
Na
2
CO
3
có sự tham gia của CaCO
3
(gọi là phương pháp soda-vôi) là phương pháp
kinh tế và được ứng dụng trong công nghiệp. Phương pháp thiêu kết dùng để xử lý
quặng bauxit có chất lượng trung bình hoặc kém (hàm lượng SiO
2
cao) mà nếu xử
lý bằng công nghệ Bayer (công nghệ thủy luyện) thì không có hiệu quả kinh tế.
Nguyên lý của phương pháp hỏa luyện là: Thiêu kết hỗn hợp bauxit + Na
2
CO
3
+
CaCO
3
trong lò quay ở nhiệt độ 1200
o

C để thực hiện các phản ứng sau:
Al
2
O
3
+ Na
2
CO
3
= 2 NaAlO
2
+ CO
2
SiO
2
+ 2 CaCO
3
= 2 CaO.SiO
2
+ 2CO
2
NaAlO
2
rắn là sản phẩm từ thiêu kết, dễ tan trong nước. Còn 2CaO. SiO
2
không tan
trong nước và đi vào cặn thải (bùn thải).
Phương pháp thiêu kết có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phương pháp
Bayer: song song hoặc nối tiếp.
- Sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer (phương pháp thuỷ luyện)

Công nghệ Bayer được Karl Bayer phát minh vào năm 1887. Khi làm việc ở
Saint Petersburg, Nga ông đã phát triển từ một phương pháp ứng dụng alumin cho
ngành công nghiệp dệt (nó được dùng làm chất ăn mòn trong nhuộm sợi bông), vào
năm 1887 Bayer đã phát hiện rằng nhôm hydroxit kết tủa từ dung dịch kiềm ở dạng
tinh thể và có thể tách lọc và rửa dễ dàng, trong khi nó kết tủa bởi sự trung hòa dung
dịch trong môi trường axít, thì ở dạng sệt và khó rửa sạch.
Vài năm trước đó, Louis Le Chatelier, nhà bác học Pháp trong lĩnh vực hoá
học và luyện kim đã phát triển phương pháp tạo ra alumin khi nung bauxit trong
natri cacbonat, Na
2
CO
3
, ở 1200°C, tạo ra natri alumint (NaAlO
2
) và nước, sau đó
tạo kết tủa nhôm hydroxit bằng carbon dioxide, CO
2
, tiếp theo nhôm hidroxit được
đem đi lọc và làm khô. Quá trình này đã không được sử dụng khi phương pháp của
Bayer ra đời. Công nghệ Bayer trở nên rất quan trọng trong ngành luyện kim cùng
với những phát minh về điện phân nhôm vào năm 1886. Cùng với phương pháp xử
lý bằng xyanua được phát minh vào năm 1887, công nghệ Bayer đã hình thành
ngành luyện kim bằng nước hiện đại.
Ngày nay, công nghệ này vẫn không thay đổi và nó tạo ra hầu hết các sản
phẩm nhôm trung gian trên thế giới. Để chuyển từ bauxit thành alumin, người ta
nghiền quặng và trộn với đá vôi và sođa cốt tích, bơm hỗn hợp này vào bình chứa
áp lực cao, rồi nung lên. Nhôm ôxít bị phân giải bằng sođa cốt tích, sau đó kết tủa,
rửa, và nung để tách nước ra. Thành phẩm là bột màu trắng mịn hơn muối ăn mà ta
gọi là alumin. Công nghệ Bayer là phương pháp sản xuất chính tinh luyện quặng
thô bauxit để sản xuất ra quặng tinh alumin. Trong bauxit có đến 30-54% là alumin,

Al
2
O
3
, phần còn lại là các silica, nhiều dạng ôxít sắt, và điôxít titan. Alumin phải
được tinh chế trước khi có thể sử dụng để điện phân sản xuất ra nhôm kim loại.
Trong quy trình Bayer, bauxit bị chuyển hóa bởi một luồng dung dịch natri hydroxit
(NaOH) nóng lên tới 175°C để trở thành hydroxit nhôm, Al(OH)
3
tan trong dung
dịch hydroxit theo phản ứng sau:
Al
2
O
3
+ 2OH
−
+ 3H
2
O → 2[Al(OH)
4
]
−
Các thành phần hóa học khác trong bauxit không hòa tan theo phản ứng trên
được lọc và loại bỏ ra khỏi dung dịch tạo thành bùn đỏ, quặng đuôi hay đuôi quặng
của loại quặng bauxit.Chính thành phần bùn đỏ này gây nên vấn đề môi trường liên
quan đến đổ thải, giống như các loại quặng đuôi của các khoáng sản kim loại màu
nói chung. Tiếp theo, dung dịch hydroxit được làm lạnh và hydroxit nhôm ở dạng
hòa tan phân lắng tạo thành một dạng chất rắn, bông, có màu trắng. Khi được nung
nóng lên tới 1050°C (quá trình canxit hóa), hydroxit nhôm phân rã vì nhiệt trở

thành alumin và giải phóng hơi nước:
2Al(OH)
3
→ Al
2
O
3
+ 3H
2
O
Công nghệ Bayer có thể khái quát gồm các công đoạn sau:
- Bauxit được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH. Lượng Al
2
O
3
được tách ra
trong dạng NaAlO
2
hoà tan và được tách ra khỏi cặn không hoà tan (gọi là
bùn đỏ mà chủ yếu là các ôxít sắt, ôxít titan, ôxít silic…).
- Dung dịch aluminate, NaAlO
2
được hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho
mầm Al(OH)
3
để kết tủa.
- Sản phẩm Al(OH)
3
cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành Al
2

O
3
thành
phẩm.
Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ kiềm Bayer được giới thiệu trong hình dưới
đây:
Hình 1.1- Sơ đồ công nghệ sản xuất alumin theo phương pháp kiềm Bayer
Trong quá trình sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer, tùy theo thành
phần khoáng vật của bauxit mà công nghệ Bayer được chia thành 2 phương pháp
khác nhau:
- Công nghệ Bayer châu Mỹ
Được áp dụng nếu Al
2
O
3
của bauxit ở dạng gippsite (trihydrate Al
2
O
3
. 3H
2
O),
có thể được hoà tách dễ dàng. Bauxit này thường được hòa tách ở nhiệt độ tối đa
140-145
0
C trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm thấp (120-140g/l Na
2
O).
- Công nghệ Bayer châu Âu
Được áp dụng nếu Al

2
O
3
của bauxit ở dạng boehmite và diaspore
(monohydrate Al
2
O
3
.H
2
O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 200
o
C (240 - 250
o
C
trong các nhà máy hiện đại và có chất xúc tác đối với quặng diaspore) và trong dung
dịch hòa tách có nồng độ kiềm cao hơn (180-250g/l Na
2
O).
1.1.1.3. Tính chất của bùn đỏ
Nguồn gốc của bùn đỏ được lấy từ nhà máy hóa chất cơ bản miền Nam, thành
phố Hồ Chí Minh.
- Bản chất tự nhiên của bùn đỏ
Bùn đỏ hoặc quặng thải bauxit là cách gọi chất thải từ quá trình hoà tách
khoáng sản alumin ngậm nước của bauxit. Bauxit được hoà tách với dung dịch kiềm
NaOH. Lượng Al
2
O
3
hoà tan trong kiềm và được tách ra khỏi cặn không hoà tan,

gọi là bùn đỏ.
Bùn đỏ về cơ bản vẫn là các nguyên tố có trong thành phần bauxit không hoà
tan trong kiềm, nguyên tố có thêm là thành phần Na (vì sử dụng kiềm để hoà tan),
hoặc Ca (nếu công nghệ có sử dụng CaO làm chất xúc tác với lượng ít), bùn đỏ này
được tận dụng nhằm mục đích bổ sung thành phần hạt mịn cũng như bổ sung oxit
nhôm cho quá trình geopolymer hóa.
Bùn đỏ có khuynh hướng trở nên nứt nẻ và vỡ khi khô. Trong quá trình làm
khô bùn đỏ, bụi bùn đỏ bay lên khi có gió. Nếu bùn đỏ được tạo ra ở dạng vụn và đã
được làm khô sẽ không bốc bụi. Mưa thấm vào các bùn khô chỉ ở mức độ tối thiểu.
Nếu dòng dung dịch đáy có hàm lượng chất rắn cao từ thiết bị rửa hoặc thiết bị cô
đặc xuất hiện thì xu hướng bốc bụi không xảy ra với bùn đỏ.
Khối lượng và chất lượng bùn đỏ, hàm lượng caustic của pha lỏng (dung dịch
bám dính đi theo bùn đỏ) rất khác nhau tại các nhà máy luyện alumin khác nhau.
Khối lượng bùn đỏ dao động từ 0,4 tấn đến 2 tấn (tấn khô) cho một tấn alumin sản
phẩm, trước tiên phụ thuộc vào chất lượng bauxite đầu vào cấp cho nhà máy.
Bảng 1.3 - Thành phần hóa học của bùn đỏ
Thành
phần
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
SiO
2
CaO Na
2

O TiO
2
Cr
2
O
3
P
2
O
5
SO
3
Cl
% 31,26 47,44 6,17 0,41 6,64 6,73 0,22 0,24 0,44 0,15
Hàm lượng oxit sắt khá cao 47,44 % sẽ mang lại màu sắc đỏ cho gạch không nung.
- Hợp chất khoáng hoá của bùn đỏ
Các hợp chất khoáng hoá sau đây được tìm thấy trong bùn đỏ: gibbsite,
boehmite, diaspore, hematite, alumo-goethite, magnetite, maghmite, kaolinite,
quarts, chamosite, sodium-aluminium-hydrosilicats (sodalite, cancrinite, v.v…),
anatase, rutile, Ca(Mg, Al, Fe) titanates, calcium-alumo-silicate. Hai hợp chất sau
cùng là đặc tính của chất thải bùn đỏ từ chu trình hoà tách nhiệt độ cao. Bùn đỏ
cũng có nhiều hoặc ít các cấu thành không định hình.
- Đặc tính vật lý của bùn đỏ
Tỷ trọng: 2,6-3,5 t/m
3
; pH: 12-13,5 (có khi tới 14); tỷ lệ lắng, Cm/Ks: 0,014-35,9
(tỷ lệ cao hơn cho thấy có cát), lượng sót sàng 0,063 mm là 2,14 %.
Hình 1.2 - Bùn đỏ
1.2. Tro bay
1.2.1. Đặc điểm

Tro bay là một loại puzzoland nhân tạo có hoạt tính cao bao gồm silic oxit,
nhôm oxit, canxi oxit, magie oxit, lưu huỳnh oxit, và lượng than chưa cháy hết. Các
hạt tro bay có dạng hình cầu, rất mịn, kích thước 10 – 100 µm.
Nguồn gốc : tro bay loại F thấp can xi lấy từ nhà máy nhiệt điện Nhơn Trạch,
Đồng Nai.
Bảng 1.4 - Thành phần hóa học của tro bay
Thành
phần
SiO
2
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
CaO MgO K
2
O Na
2
O MKN
% 48,8 18,6 6,3 0,8 0,7 3,5 0,98 20,32
Tỷ lệ SiO
2
/Al
2
O
3

= 2,6 nên đây là nguồn vật liệu alumino silicat rất phù hợp để chế
tạo gạch không nung bằng phương pháp geopolymer.
- Thành phần khoáng của tro bay
Tro bay chứa các pha tinh thể chính là quazt và mulit. Ngoài ra còn có một lượng
nhỏ các pha tinh thể hemantite và magnienite.
Hình 1.3 - Tro bay
Sản phẩm được tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy nhiệt điện. Các
hạt bụi tro được đưa ra qua các đường ống khói sau đó được thu hồi từ phương pháp
kết sương tĩnh điện hoặc bằng phương pháp lốc xoáy. Tro bay là những tinh cầu
tròn siêu mịn được cấu thành từ các hạt silic có kích thước hạt là 0,05 micromet, tức
là 50 nanomet (1 nanomet = 10
-9
centimet). Nhờ bị thiêu đốt ở nhiệt độ rất cao trong
lò đốt (đạt khoảng 1400
o
C) nên nó có tính puzzolan là tính hút vôi rất cao.
Nhờ độ mịn cao, độ hoạt tính lớn cộng với lượng silic tinh ròng (SiO
2
) có rất
nhiều trong tro bay, nên khi kết hợp với ximăng portland hay các loại chất kết dính
khác sẽ tạo ra các sản phẩm bê tông với độ cứng vượt trội (mác cao) có khả năng
chống thấm cao, tăng độ bền với thời gian, không nứt nẻ, giảm độ co gãy, có tính
chống kiềm và tính bền sulfat, dễ thao tác, rút ngắn tiến độ thi công do không phải
xử lý nhiệt Ngoài ra, nó còn giảm nhẹ tỉ trọng của bê tông một cách đáng kể.
Trong hơn 5 thập niên qua, tro bay được ứng dụng vào thực tiễn của ngành
xây dựng một cách rộng rãi và đã có những công trình lớn trên thế giới sử dụng sản
phẩm này như là một phụ gia không thể thiếu. Các công trình tiêu biểu đã sự dụng
tro bay làm phụ gia là: Đập Tomisato cao 111m ở Nhật Bản được xây dựng từ
những năm 1950 đã sử dụng 60% tro bay thay thế xi măng; Trung Quốc đưa tro bay
vào công trình xây dựng đập thủy điện từ những năm 1980; Công trình Azure trị giá

100 triệu USD hoàn thành năm 2005 đã sử dụng 35% tro bay thay thế xi măng.
1.2.2. Tính ưu việt của tro bay
- Tăng mác bê tông
Bê tông là một loại đá nhân tạo được làm chủ yếu bằng xi măng portland. Trải
qua hơn 3 thế kỷ với kỹ thuật cải tiến không ngừng, xi măng đã được đem ra kết
hợp với một silic mịn như là một chất xúc tác để nâng cao chất lượng và độ bền của
bê tông. Đây là một công nghệ mới, giúp xi măng quy ước có sức mạnh vượt trội,
chất xúc tác ưu việt đó chính là tro bay. Tro bay khi trộn với xi măng portland và
cát sạch sẽ tạo ra được bê tông portland có mác 300 hay 400. Hơn nữa, thêm một ưu
điểm của tro bay là nếu được sấy khô trong 12 giờ trở lại (gọi là lưu hóa) thì bê tông
có trộn tro bay sẽ đạt mác 500 hay cao hơn nữa.
- Giảm khả năng xâm thực của nước, chống chua mặn
Trụ thép nơi bê tông portland hay bê tông polyme thường bị nước mặn xâm
thực qua khe nứt hay lỗ châm kim. Nước mặn có Clo gặm mòn cốt thép, làm hỏng
công trình. Phương pháp khắc phục là trộn tro bay với với xi măng để trám bít khe
nứt hoặc chỗ châm kim của bê tông. Đây là một giải pháp vừa hiệu quả, vừa kinh tế
nhất là các công trình ở vùng nước mặn và vùng biển.
- Chống rạn nứt, giảm co gãy, cải thiện bề mặt sản phẩm và có tính chống thấm cao
Tính cực mịn của tro bay có hàm lượng silic cao hay silic nano tạo ra được
tính dẻo của xi măng portland trong quá trình làm ra bê tông. Chẳng những tính dẻo
giúp cho việc tạo hình, giải phóng khuôn nhanh chóng mà còn giúp cho sản phẩm
được tạo ra không bị rạn nứt, không cong vênh, có tính chống thấm cao và bền chắc
hơn là chỉ làm bằng xi măng thông thường. Quy luật cơ học còn giúp ta hiểu được
tro bay có khả năng làm chất xúc tác để tạo ra các sản phẩm cứng hơn và bền hơn.
- Tính chịu lực cao của bê tông tự nén với tro bay: phát triển và ứng dụng
Xi măng portland được trộn với cát và nước tạo ra được một bê tông không
nung ở cấp trung bình và tự nén trong thời gian khoảng 03 ngày, đó là điều đang
được thực hiện trong ngành công nghiệp xây dựng. Tuy nhiên, nếu trộn thêm tro
bay vào vữa hồ thì bê tông sẽ có tính chịu lực cao. Điều này xảy ra vì các hạt silic
nano đã len vào khe hổng của bê tông và cùng lúc tạo ra một SiO

2
nhờ độ pH kiềm
của xi măng. Đó là một kết quả vừa được công bố của của một công nghệ mới và
tiên tiến của thế kỷ 21. Tro bay là một silic ưu việt, cần được sử dụng rộng rãi trong
ngành xây dựng.
- Chống được sự xâm nhập của acid sulfuric của bê tông hiện đại
Khi khói của các nhà máy bay lên thì có lẫn cặn SO
2
. Cặn này trộn lẫn với hơi
nước của mây tạo thành H
2
SO
4
(Acid Sulfuric), khi mưa sẽ có một lượng nước mưa
có vị chua, gọi là mưa acid. Mưa này làm cho bê tông portland bị rỗ mặt và sau đó
bị rạn nứt theo thời gian. Nếu là bê tông cốt thép thì lượng thép nằm bên trong sẽ bị
hen gỉ. Để chống lại hiện tượng này, dùng tro bay trộn vào bê tông portland, các hạt
nhỏ li ti sẽ lấp đầy các khe nứt và chống được sự xâm nhập của H
2
SO
4
có thể phá
hỏng cốt thép.
- Hiệu quả của việc xử lý bền vững của bê tông bằng tro bay
Bê tông của xi măng porland sẽ tăng thêm hiệu quả khi được xử lý với tro bay
để có tính bền vững cao. Tro bay gặp xi măng portland sẽ nhường CaO cho cặn
SiO
2
để trở thành một SiO
2

không nung, tốt hơn nhiều so với CaO độc lập trong bụi
SiO
2
có nung (còn gọi là clinker). Nhờ đó, xi măng có tính bền vững hơn và mức độ
chịu tải cũng tốt hơn nhờ có Silic của tro bay.
- Tạo tính bền sulfat cho bê tông của xi măng portland
Xi măng portland trộn với cát và nước ngọt tạo ra một bê tông có độ bền đến
50 năm, nhưng khi trộn với nước mặn, độ bền lại không quá 5 năm. Vì khi nung xi
măng portland bằng đá vôi và đất sét, bao giờ cũng có một lượng CaO tự do chiếm
khoảng 6% trong xi măng. Đất vôi này gặp nước lợ hay nước mặn có gốc sulfat,
gốc này kết hợp với vôi để tạo ra một muối thạch cao có cơ tính đặc biệt là hút
nước và trương nở. Sự trương nở đó làm khối bê tông portland rạn nứt theo thời
gian, và cuối cùng, phá tan cơ cấu bê tông.
Muốn cho cơ cấu bê tông portland chống lại sự rạn nứt ấy, gọi là chống sulfat
hay bền sulfat, cần pha tro bay nghèo vôi vào với một tỉ lệ rất thấp. Nhờ đó, có thể
dùng nước mặn để trộn với xi măng Portland đề làm vữa hồ và khi bêtông đông
cứng, có thể ngâm trong nước mặn vẫn được.
- Tác dụng của tro bay đến vấn đề hạ nhiệt cho bê tông
Khi thi công các công trình bê tông khối lớn một vấn đề cấp thiết luôn được
đặt ra là làm thế nào để giảm được nhiệt độ trong lòng bê tông. Nhiệt độ trong lòng
bê tông có thể lớn hơn 40
o
C gây nguy cơ nứt do ứng suất nhiệt. Nên rất cần giảm xi
măng và bổ xung một lượng chất độn mịn là tro bay để đảm bảo tính công tác, tính
chống thấm và cường độ RCC. Như vậy việc sử dụng tro bay làm chất độn cho
RCC đạt được 3 mục đích: Giảm được lượng nhiệt sinh ra trong lòng bê tông; giảm
giá thành bê tông một cách đáng kể; đảm bảo tính dễ thi công và cường độ bê tông.
Qua kinh nghiệm của một số nước trên thế giới thì hàm lượng dùng tro bay thay thế
xi măng trong bê tông đầm lăn có phạm vi từ 30 – 60%.
1.3. Cát

Cát nghiền được lấy từ công ty cổ phần Vương Hải - Huyện Vĩnh Cửu – Tỉnh
Đồng Nai.
Cát là loại nguyên liệu silic tác dụng chính của cát chính là cung cấp SiO
2.
Cát
có nhiều loại và kích cỡ hạt cũng không giống nhau, vì thế thành phần hóa học của
cát và các khoáng thể tổ hợp hình thành cũng khác nhau.
Thành phần hóa học chính của cát là SiO
2,
ngoài ra cũng có một ít chất khác
như Al
2
O
3,
Fe
2
O
3
và CaO. Các thành phần khoáng thể của cát rất phức tạp, có lúc
lên tới mấy trăm loại, hàm lượng nhiều nhất là thạch anh, thứ 2 là đá, có lúc xen lẫn
vân mẫu, cacbonat, đất sét….
Cát sử dụng cần đảm bảo các tiêu chí:
- Hàm lượng SiO
2
không nhỏ hơn 75%
- Al
2
O
3
tối đa 3-5 %

- Hàm lượng Fe
2
O
3
tối đa 1-3%
- Thành phần hữu cơ tối đa 5%
- Thành phần sét, tràng thạch tối đa 5%
Hàm lượng mất khi nung <1%
Cát sau khi nghiền phải đảm bảo các tiêu chí sau:
- Tỷ trọng > 1,65 kg/l
- Độ linh động 33 – 36 cm
- Sót sàng 0,09 mm < 20%
Hình 1.4 - Nguyên liệu cát thô
1.4. Phụ gia
Phụ gia được sử dụng ở đây là NaOH 8M có pH khoảng 12-13.
1.5. Geopolymer
Geopolymer là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu tổng hợp từ vật liệu
có nguồn gốc aluminosilicate. Từ Geopolymer lần đầu tiên được sử dụng bởi giáo
sư Joseph Davidovits từ những năm 1970. Nguyên lý chế tạo vật liệu Geopolymer
dựa trên khả năng phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm
để tạo ra sản phẩm bền và có cường độ. Hệ 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 SiO
4
và AlO

4
với công thức như sau:[1]
M
n
[-(SiO
2
)
z
– AlO
2
]
n
.wH
2
O
Trong đó:
- M là các nguyên tử kiềm như K, Na hay Ca.
- n là mức độ đa trùng ngưng.
- z là 1, 2, 3 hay >3.
Phản ứng tổng hợp geopolymer (geopolymerization) là phản ứng tỏa nhiệt và
xảy ra dưới áp suất không khí ở nhiệt độ dưới 100
o
C. Mặc dù phản ứng tổng hợp
geopolymer của nhiều vật liệu aluminosilicat khác nhau được nghiên cứu rất nhiều
trong thời gian gần đây, nhưng cơ chế chính xác trong phản ứng tổng hợp
geopolymer vẫn chưa được hiểu biết một cách đầy đủ. Cơ chế tổng hợp geopolymer
được đề xuất nhiều nhất gồm có 4 giai đoạn, các quá trình này diễn ra song song và
do đó không thể phân biệt được:
• Hòa tan Si và Al từ vật liệu aluminosilicat rắn trong dung dịch kiềm mạnh.
• Tạo thành chuỗi cơ sở (oligomer) Si-Si hoặc Si-Al trong pha nước.

• Quá trình đa trùng ngưng các oligomer tạo thành khung mạng aluminosilicat 3
chiều.
• Tạo liên kết giữa các phẩn tử rắn thành khung geopolymer và đóng rắn trong toàn
hệ thống hình thành cấu trúc polymer rắn.
1.5.1. Giới thiệu vật liệu geopolymer
Geopolymer là họ mới của vật liệu aluminosilicat tổng hợp từ nguyên liệu rắn
chứa aluminosicat bằng hoạt chất kiềm. Khái niệm hoạt chất kiềm được hiểu là sự
hòa tan nguyên liệu aluminosilicat trong môi trường kiềm mạnh được tạo ra từ dung
dịch của hydroxit natri hoặc hydroxit kali với nước. Geopolymer phụ thuộc vào họ
của polymer vô cơ, liên kết thành phân tử lớn bằng liên kết cộng hóa trị và có mạch
là –Si-O-M-O-, ở đây M được hiểu chủ yếu là nhôm (Al) và thứ yếu là sắt (Fe). Sự
khác nhau giữa geopolymer và các polymer vô cơ khác là do các dạng của tiền chất
silic và nhôm dùng để tổng hợp nên chúng. Polymer vô cơ thông thường được tổng
hợp bằng phương pháp sol-gel, sử dụng silic và alkoxide nhôm trong dung dịch
rượu và nước như là tiền chất. Geopolymer thì lại được tổng hợp bằng hoạt chất
kiềm của nguyên liệu aluminosilicat rắn trong dung dịch kiềm mạnh của natri
hydroxit hoặc kali silicat và natri hydroxit hoặc kali hyroxit. Tiền chất Si là natri
silicat, kali silicat và nguyên liệu aluminoslicat bị hòa tan. Trong khi đó, trường hợp
này tiền chất Al là chỉ do nguyên liệu aluminosilicat hòa tan, mặc dù trong một số
trường hợp dung dịch hoạt tính có lẫn tạp chất là cation Al. Hệ geopolymer đã thu
hút rất nhiều nhà khoa học tham gia nghiên cứu trong suốt hai thập niên qua. Có rất
nhiều loại aluminosilicat khác nhau có thể dùng để tổng hợp geopolymer. Bao gồm
các nguyên liệu aluminosilicat rắn, khoáng công nghiệp, như là cao lanh, tràng
thạch, bentonit, peclit,…; chất thải rắn công nghiệp như tro bay, bùn đỏ, quặng từ
việc khai thác bentonit và peclit , xỉ luyện kim, xà gồ,…. Hiện nay nhóm nguyên
liệu được coi là tiềm năng chủ yếu là dựa vào lý do môi trường. Thật vậy, liên minh
châu Âu đã xác định các tác động có hại mà nguyên nhân là do chất thải công
nghiệp và yêu cầu các thành viên thiết lập khung luật pháp để bảo vệ sức khỏe con
người và môi trường. Liên minh châu Âu còn khuyến khích phục hồi và tái sử dụng
chất thải công nghiệp nhằm bảo tồn tài nguyên thiên nhiên. Kỹ thuật tổng hợp

geopolymer sử dụng chất thải công nghiệp rắn có chứa aluminosilicat như là một
nguyên liệu dùng để sản xuất vật liệu có thể thay thế cho vật liệu xây dựng truyền
thống với những tính chất cơ lý và tính chất nhiệt tương thích.
1.5.2. Cơ chế phản ứng tổng hợp và cấu trúc của vật liệu
geopolymer
Cơ chế của hoạt hóa kiềm bao gồm các phản ứng kế tiếp nhau như phá hủy
hóa đặc trong đó bao gồm sự phá hủy của các vật liệu chính thành các đơn vị cấu