Nghiên cứu tổng hợp khoáng wollastonite từ tro trấu Việt Nam bằng phương pháp thủy nhiệt (Full toàn văn)

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG



TRẦN NGỌC CƯỜNG


NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP KHOÁNG
WOLLASTONITE TỪ TRO TRẤU VIỆT NAM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Mã số: 60.52.75


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. PHẠM CẨM NAM


Đà Nẵng – Năm 2011

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN NGỌC CƯỜNG



NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP KHOÁNG
WOLLASTONITE TỪ TRO TRẤU VIỆT NAM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





Đà Nẵng - Năm 2011


3

LỜI CAM ĐOAN


Tôi cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn trực tiếp của PGS. TS. Phạm Cẩm Nam.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.


Tác giả luận văn


Trần Ngọc Cường
4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
DANH MỤC CÁC HÌNH vii
MỞ ĐẦU 1
1. Lý do chọn ñề tài 1
2. Mục ñích nghiên cứu 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
3.1. Đối tượng nghiên cứu 2
3.2. Phạm vi nghiên cứu 2
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của ñề tài 3
6. Cấu trúc của luận văn 4
Chương 1 − TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5
1.1. Tro trấu (RHA) 5
1.1.1. Thành phần của trấu 6
1.1.2. Ứng dụng của vỏ trấu 7

1.2. Calcium silicate 10
1.2.1. Truscottite 11
1.2.2. Xonotlite 11
1.2.3. Tobermorite 12
1.2.4. Wollastonite 14
1.2.4.1. Hệ thống tinh thể wollastonite 15
1.2.4.2. Tổng hợp các wollastonite 17
5

1.3. Phương pháp thủy nhiệt 20
1.4. Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về tổng hợp wollastonite 22
1.4.1. Những nghiên cứu trên thế giới 22
1.4.2. Tình hình nghiên cứu tổng hợp wollastonite tại Việt Nam 24
Chương 2 − ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25
2.1. Đối tượng nghiên cứu 25
2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất 25
2.1.1.1. Tro trấu (RHA) 25
2.1.1.2. Ca(OH)
2
25
2.1.2. Dụng cụ nghiên cứu 25
2.2. Phương pháp nghiên cứu 26
2.2.1. Cơ sở lý thuyết 26
2.2.2. Các phương pháp phân tích thực nghiệm 28
2.2.2.1. Phân tích phổ huỳnh quang tia X (XRF) 28
2.2.2.2. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 28
2.2.2.3. Phân tích hồng ngoại biến ñổi Fourier (FT-IR) 29
2.2.2.4. Phân tích kính hiển vi ñiện tử quét (SEM) 29
2.3. Các bước tiến hành 31
2.3.1. Chuẩn bị nguyên liệu 31

2.3.2. Cách tiến hành 31
Chương 3 − KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 34
3.1. Tro trấu (RHA) 34
3.1.1. Phân tích XRF 34
3.1.2. Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR 35
3.1.3. Phân tích XRD 35
3.1.4. Phân tích hình thái học SEM 36
3.1.5. Nhận xét 37
6

3.2. Tổng hợp wollastonite 38
3.2.1. Phản ứng tại 170
0
C trong 12 giờ 38
3.2.2. Phản ứng tại 180
0
C trong 12 giờ 41
3.2.3. Phản ứng tại 190
0
C trong 12 giờ 44
3.2.4. Phản ứng tại 200
0
C trong 12 giờ 47
3.2.5. Phản ứng tại 210
0
C trong 12 giờ 50
3.2.6. Nhận xét 52
3.2.7. Đánh giá hình thái học của các mẫu sản phẩm sau nung 54
3.2.8. Thành phần hóa học của mẫu 56
3.3. Đánh giá thực tế 56

3.3.1. Thử ñộ kết khối 57
3.3.2. Đưa vào bài engobe 57
3.3.3. Đưa vào bài phiếu liệu men trắng 58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 62
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
PHỤ LỤC 67

7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CS : Wollastonite (CaSiO
3
)
C-S-H : CaO-SiO
2
-H
2
O
FT-IR : Phân tích hồng ngoại biến ñổi Fourier (Fourier Transformation
Infrared)
RHA : Tro trấu (Rice Husk Ash)
SEM : Hiển vi ñiện tử quét (Scanning Electronic Microscope)
XRD : Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction)
XRF : Huỳnh quang tia X (X-ray fluorescence)

8

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
Tên bảng Trang
1.1 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu 7
1.2 So sánh các nhiên liệu 8
1.3 Tính chất vật lý và hóa học của truscottite 11

1.4 Tính chất vật lý và hóa học của xonotlite 11
1.5 Tính chất vật lý và hóa học của tobermorite 12
1.6 Tính chất vật lý và hóa học của wollastonite 15
1.7 Tinh thể học của wollastonite 16
2.1 Thành phần hóa của Ca(OH)
2
, (% khối lượng) 25
2.2 Các thông số tổng hợp cho các mẫu R1 ñến R5 31
3.1 Thành phần hóa của tro trấu, (% khối lượng) 34
3.2
Thành phần hóa các mẫu tổng hợp sau nung, (%
khối lượng)
56

9

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
Tên hình Trang
1.1
Sự liên kết của các chuỗi silicate bát diện [CaO
6
]
10-

trong tinh thể xonotlite
12
1.2
Sự liên kết của các chuỗi silicate bát diện [CaO
6
]
10-

trong tinh thể tobermorite
13
1.3
Khu vực hình thành khoáng trong hệ CaO-SiO
2
-H
2
O
(% mol)
13

1.4 Hình phối trí của Si và Ca trong wollastonite 16
1.5 Đơn vị ô mạng của wollastonite theo hướng [010] 17
1.6
Liên kết của các chuỗi bát diện [CaO
6
]
10-
theo hướng
[100] và [001] trong wollastonite
17
1.7 Biểu ñồ pha hệ CaO-SiO
2
19
1.8
Sự phụ thuộc áp suất hơi vào nhiệt ñộ trong ñiều kiện
ñẳng tích
21
1.9
Bình thép dùng tổng hợp thủy nhiệt (nồi hấp) ñể nuôi
tinh thể
21
2.1 Một số dụng cụ thí nghiệm cơ bản 26
2.2 Quan hệ pha của các khoáng trong hệ C-S-H 27
3.1 Phổ FT-IR của RHA sau khi nung ở 800
0
C lưu 3 giờ 35
3.2
Phổ XRD của RHA sau khi nung ở nhiệt ñộ 800
0
C lưu

3 giờ
36
3.3 Ảnh SEM của tro trấu sau khi nung ở 800
0
C lưu 3 giờ 37
3.4
Phổ FT-IR của mẫu R1 ở nhiệt ñộ 170
0
C (a) trước
nung, (b) sau nung
39
3.5
Phổ XRD của mẫu R1 ở nhiệt ñộ 170
0
C (a) trước
nung, (b) sau nung
40
3.6
Phổ FT-IR của mẫu R2 ở nhiệt ñộ 180
0
C (a) trước
nung, (b) sau nung
42
10

Số hiệu
hình
Tên hình Trang
3.7
Phổ XRD của mẫu R2 ở nhiệt ñộ 180

0
C (a) trước
nung, (b) sau nung
43
3.8
Phổ FT-IR của mẫu R3 nhiệt ñộ 190
0
C (a) trước nung,
(b) sau nung
45
3.9
Phổ XRD của mẫu R3 ở nhiệt ñộ 190
0
C (a) trước
nung, (b) sau nung
46
3.10
Phổ FT-IR của mẫu R4 ở nhiệt ñộ 200
0
C (a) trước
nung, (b) sau nung
48
3.11
Phổ XRD của mẫu R4 ở nhiệt ñộ 200
0
C (a) trước
nung, (b) sau nung
49
3.12
Phổ FT-IR của mẫu R5 ở nhiệt ñộ 210

0
C (a) trư
ớc
nung, (b) sau nung
50
3.13
Phổ XRD của mẫu R5 ở nhiệt ñộ 210
0
C (a) trước
nung, (b) sau nung
51
3.14
Phổ FT-IR của mẫu R4 sau khi nung ở nhiệt ñộ 950
0
C
lưu 3 giờ so sánh với phổ của wollastonite trong thư
viện máy
52
3.15
Ảnh SEM của mẫu nung 950
0
C lưu 3 giờ sau khi phản
ứng thủy nhiệt ở (a) 170
0
C, (b) 180
0
C, (c) 190
0
C, (d)
200

0
C, (e) 210
0
C, và (f) wollastonite thực tế
55
3.16 Mẫu ñánh giá thực tế 59




1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn ñề tài
Hiện nay wollastonite là một nguyên liệu ñược ứng dụng rộng rãi, ñặc
biệt trong lĩnh vực gốm sứ, là nguồn cung cấp calcium oxide (CaO) và silicon
oxide (SiO
2
) cho men sứ hoặc frit, hay chất tạo thành lớp trung gian giữa men
và xương. Wollastonite ñược cho là chất ổn ñịnh men, tăng chiều dày của lớp
trung gian, chống nứt, bong men… Gần ñây, các nhà máy gốm sứ có xu
hướng thay thế nguồn ñá vôi bằng wollastonite trong quá trình sản xuất nhằm
hạn chế dạng khuyết tật chân kim trên men.
Wollastonite còn ñược ứng dụng làm cốt liệu cho vữa cường ñộ cao,
chất trợ dung dùng trong xi măng ñóng rắn nhanh, chất ñộn cho các thành
phần chống cháy, chất cách nhiệt, vật liệu chịu lửa, sơn silicat
Như vậy wollastonite là một nguyên liệu có tầm quan trọng trong
ngành công nghiệp. Nhu cầu sử dụng chúng ngày càng tăng ở trên thế giới,
trong khi ñó nguồn wollastonite tự nhiên ngày càng khan hiếm, do ñó chúng

ta cần phải nghiên cứu sản xuất các sản phẩm wollastonite tổng hợp ñể thay
thế nguồn tự nhiên. Trên thế giới hiện nay ñã có nhiều nghiên cứu tổng hợp
wollastonite bằng cách sử dụng các nguồn nguyên liệu chứa silicon khác nhau
ñể phản ứng với ñá vôi. Tuy nhiên, theo hiểu biết của chúng tôi ở Việt Nam
chưa có công trình nghiên cứu nào về tổng hợp wollastonite bằng cách sử
dụng tro trấu (RHA), một nguồn nguyên liệu chứa silicon (SiO
2
) dồi dào lấy
từ phế phẩm của ngành nông nghiệp.
Trên nhu cầu ứng dụng thực tiễn chúng tôi thực hiện ñề tài: “Nghiên
cứu tổng hợp khoáng wollastonite từ tro trấu Việt Nam bằng phương pháp
thủy nhiệt”.

2

2. Mục ñích nghiên cứu
Trong ñề tài này, hướng nghiên cứu tổng hợp wollastonite ñược thực
hiện thông qua việc tổng hợp xonotlite-Ca
6
Si
6
O
17
(OH)
2
và các khoáng
calcium silicate hydrate [14], [48] hình thành trong hệ CaO−SiO
2
−H
2

O với tỷ
lệ mol CaO/SiO
2
hợp lý ở ñiều kiện áp suất cao ñã ñược chúng tôi ñặt ra với
mục tiêu giảm nhiệt ñộ phản ứng, giảm chi phí nhiên liệu cho quá trình và ñặc
biệt tận dụng các nguồn nguyên liệu, phế liệu trong nước, góp phần làm giảm
ô nhiễm môi trường.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu tổng hợp khoáng wollastonite (CaO.SiO
2
hay

viết tắt là CS)
từ nguồn nguyên liệu có chứa SiO
2
và CaO.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Nguồn tro trấu nung chứa hàm lượng SiO
2
ở dạng vô ñịnh hình là
nguyên liệu lý tưởng ñể cung cấp SiO
2
. Trong phạm vi nghiên cứu của ñề tài
này, chúng tôi tập trung vào việc tổng hợp khoáng wollastonite từ nguyên liệu
tro trấu của An Giang ñã ñược nung và các nguyên liệu chứa calcium oxide
cụ thể là Ca(OH)
2
hay CaO sử dụng phương pháp thủy nhiệt.
4. Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phổ huỳnh quang tia X (XRF) dùng ñể phân tích thành phần
hóa nguyên liệu, sản phẩm;
- Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X (XRD) ñể xác ñịnh thành phần
pha cho nguyên liệu và sản phẩm;
- Phân tích hồng ngoại biến ñổi Fourier FT-IR ñể ñánh giá các ñặc
trưng hóa lý của nguyên liệu và sản phẩm;
- Phân tích hình thái học các khoáng bằng kính hiển vi ñiện tử quét
(SEM);
3

Các phân tích ñược thực hiện tại Trung tâm Phân tích phân loại hàng
hóa xuất nhập khẩu - Chi nhánh tại Đà Nẵng.
5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của ñề tài
Ở nước ta, nguồn cát và các nguồn nguyên liệu chứa SiO
2
, CaO rất
nhiều nhưng chưa khai thác và ứng dụng có hiệu quả trong việc tổng hợp các
sản phẩm có giá trị như wollastonite. Trong khi ñó chúng ta phải nhập ngoại
wollastonite (CS) với giá thành cao.
Wollastonite (CaSiO
3
) ñang ñược quan tâm, vì nó có các thuộc tính
như: chịu ñược nhiệt cao, trơ hóa học, ổn ñịnh nhiệt, ít dãn nở và ñộ dẫn nhiệt
thấp, do ñó ñược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ sản xuất [4].
Vỏ trấu ñược tách từ hạt lúa ñã trở thành một trong những vấn ñề lớn
của môi trường. Nhưng sau khi ñược nghiên cứu và ứng dụng ñúng cách, sản
phẩm chất thải của ngành công nghiệp lúa gạo, có thể sẽ trở thành nguồn
nguyên liệu có giá trị và thân thiện môi trường ñối với các ngành công nghiệp
khác [11], [26].
Vỏ trấu của hạt lúa khi cháy tạo thành tro chứa hàm lượng SiO

2
rất cao
và có thể là một nguyên liệu hiệu quả kinh tế. Vì vậy, chúng tôi chọn tro trấu
là nguồn cung cấp SiO
2
cho nguyên liệu tổng hợp wollastonite. Trong ñịnh
hướng nghiên cứu, chúng tôi chọn tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, với
lý do phương pháp này có thể giảm nhiệt ñộ phản ứng và tạo ra sản phẩm với
ñộ tinh khiết cao hơn.
Về mặt khoa học và thực tiễn, việc nghiên cứu phản ứng CaO với SiO
2

trong hơi nước áp suất cao sẽ hình thành nên các khoáng có mặt trong hệ
CaO−SiO
2
−H
2
O. Với tỉ lệ mol các oxide CaO/SiO
2
= 0.55 sẽ tạo thành
khoáng truscottite-Ca
14
Si
24
O
58
(OH)
8
.2H
2

O, và tỷ lệ mol CaO/SiO
2
= 1 tạo
thành khoáng xonotlite-Ca
6
Si
6
O
17
(OH)
2
và tobermorite-
Ca
5
Si
6
O
16
(OH)
2
.4H
2
O. Chúng tôi ñặc biệt quan tâm ñến sự tạo thành khoáng
4

xonotlite, một khoáng khi nung sẽ mất nước cấu trúc ñể hình thành khoáng
wollastonite. Để tổng hợp xonotlite, chúng tôi tiến hành các phản ứng thủy
nhiệt trong khoảng nhiệt ñộ từ 170
0
C ñến 210

0
C trong thời gian 12 giờ. Sản
phẩm của phản ứng trên ñược nung ở nhiệt ñộ 900
0
C ñến 1000
0
C ñể tạo ra
khoáng wollastonite, nguồn nguyên liệu ñược sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp gốm sứ. Đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao tại Việt Nam khi triển khai áp
dụng thực tế tại các tỉnh miền Tây Nam Bộ nơi có nguồn tro trấu dồi dào.
6. Cấu trúc của luận văn
Nội dung của luận văn ñược trình bày theo các phần sau:
Mở ñầu
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

5

Chương 1 − TỔ NG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Tro trấu (RHA)
Trong những năm gần ñây, tro trấu ñược nhiều quan tâm nghiên cứu vì
nó là một nguồn chứa nguyên tố silicon ñể ñiều chế các vật liệu bao gồm
silicon oxide, silicon carbide, silicon nitride, silicon tretrachloride,
zeolite…[31]. Các ứng dụng của vật liệu có nguồn gốc từ tro trấu là rất ña
dạng. Các nhà khoa học nhận thấy rằng, tro trấu trong tự nhiên có chứa cả
silicon oxide, carbon và các thành phần khác, với diện tích bề mặt riêng rất
lớn [24], [30]. Quan trọng hơn, nhiều hứa hẹn ñầy triển vọng của nguồn
nguyên liệu dồi dào và sẵn có này là ñối tượng ñể nhiều nhà khoa học ñã và
ñang nghiên cứu các ứng dụng của tro trấu cho các lĩnh vực vật liệu cao cấp
[40].
Năm 2004, Freitas J.C.C. và các tác giả [12] nghiên cứu những ñặc tính
và xử lý nhiệt vỏ trấu. Moustafa S.F. [36] sử dụng các môi trường nung khác
nhau như Ar và N
2
tại nhiệt ñộ cao trong khoảng 700-1700
0
C, ñể sản xuất các
vật liệu gốm có chứa silicon (SiC, Si
3
N
4
, Si
2
N
2

O, và SiO
2
). Jonatas S.R. [21]
nhận thấy rằng calcium silicate có thể tổng hợp ñược từ tro trấu. Luyi S. and
Kecheng G. [31] ñã công bố các công trình của mình trên các tạp chí khoa
học về ứng dụng của vỏ trấu.
Tro trấu là sản phẩm khi ñốt vỏ trấu. Trên thế giới việc tận dụng tro
trấu ñã ñược nghiên cứu từ ñầu những năm 1970 [32]. Tro trấu ñã ñược sử
dụng có hiệu quả trong các ngành công nghiệp như: công nghiệp thép ñể sản
xuất các loại thép tấm chất lượng cao, hay ngành công nghiệp sản xuất các vật
liệu cách nhiệt [3]. Ngoài ra tro trấu còn ñược dùng ñể sản xuất ra các loại xi
măng hỗn hợp, chế tạo bê tông xi măng. Trong công nghệ bê tông xi măng,
tro trấu có thể thay thế 40% lượng xi măng nhưng vẫn ñảm bảo các yêu cầu
6

kỹ thuật của bê tông. Tro trấu ñược sản xuất nhiều ở Ấn Độ, Nhật Bản cho
những lĩnh vực vật liệu cao cấp, ñặc biệt hiện nay ñã bắt ñầu ñược quan tâm
sản xuất ở Việt Nam.
Việt Nam là nước có nền văn minh lúa nước rất lâu ñời, từ lâu cây lúa
ñã gắn liền với ñời sống của nhân dân. Không những hạt lúa ñược sử dụng
làm thực phẩm chính, mà các phần còn lại sau khi ñã thu hoạch lúa cũng ñược
người dân tận dụng trở thành những vật liệu có ích trong ñời sống hàng ngày.
Ví dụ rơm ñược sử dụng lợp nhà, cho gia súc ăn, làm chất ñốt, hoặc ủ làm
phân. Trấu ñược sử dụng làm chất ñốt hay trộn với ñất sét làm vật liệu xây
dựng Không những trấu ñược sử dụng làm chất ñốt trong sinh hoạt hàng
ngày mà còn ñược sử dụng như là một nguồn nguyên liệu thay thế cung cấp
nhiệt trong sản xuất với giá rất rẻ.
1.1.1. Thành phần của trấu
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và ñược tách ra trong quá trình
xay xát. Vỏ trấu có kích thước trung bình: dài 8-10mm, rộng 2-3mm và dày

0.2mm. Khối lượng thể tích của vỏ trấu khi nén trong bao ñựng khoảng 122
kg/m
3
[10]. Thành phần hóa học của loại trấu thay ñổi theo loại thóc, mùa vụ
canh tác, ñiều kiện khí hậu và ñặc trưng vùng miền. Tuy nhiên, hầu hết các
loại vỏ trấu có thành phần hữu cơ chiếm trên 90% theo khối lượng (xem chi
tiết trong Bảng 1.1). Các hợp chất chính có cấu trúc xốp dạng cellulose và
lignin [5]. Hàm lượng lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm
khoảng 35-40%. Trong ñó, chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy
trong quá trình ñốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro.
Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrate rất dài nên hầu
hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp ñược, nhưng các thành phần
này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất ñốt. Sau khi ñốt, tro trấu có chứa
trên 80% là silicon oxide, ñây là thành phần ñược sử dụng trong rất nhiều lĩnh
vực.
7

Bảng 1.1. Thành phần hữu cơ của vỏ trấu [5]
Thành phần chủ yếu Tỷ lệ theo khối lượng (%)
α
-cellulose
Lignin
D-xylose
I-arabinose
43.30
22.00
17.52
6.53
Tổng cộng 94.99
Khi chế biến, cứ mỗi tấn lúa tạo ra khoảng 200 kg vỏ trấu và lượng vỏ

trấu này sau khi ñốt tạo ra khoảng 40 kg tro [33]. Như vậy, trung bình hàng
năm thế giới tạo ra khoảng 130 triệu tấn vỏ trấu. Hiện tại một số nơi, hầu hết
lượng vỏ trấu tạo ra chưa ñược tận dụng mà bị vứt bỏ như là một dạng chất
thải nông nghiệp. Chất thải này tập trung phổ biến ở các quốc gia nông
nghiệp. Riêng Việt Nam, khối lượng chất thải vỏ trấu trung bình là 8 triệu
tấn/năm. Do chưa có giải pháp xử lý hiệu quả nên vỏ trấu sau khi bị thải ra ñã
gây hậu quả nghiệm trọng về ô nhiễm môi trường, nhất là nguồn nước và các
nguồn lợi gắn liền với nguồn nước [1].
1.1.2. Ứng dụng của vỏ trấu
a) Sử dụng làm chất ñốt
Từ lâu, vỏ trấu ñã là một loại chất ñốt rất quen thuộc với bà con nông
dân, ñặc biệt là ở vùng ñồng bằng sông Cửu Long. Chất ñốt từ vỏ trấu ñược
sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất
(làm gạch, sấy lúa) nhờ những ưu ñiểm sau:
- Vỏ trấu có khả năng cháy và sinh nhiệt tốt do thành phần có 75% là
chất xơ. Theo Bảng 1.2 thì 1 kg vỏ trấu khi ñốt sinh ra 3400 kcal bằng 1/3
nhiệt lượng của dầu diesel nhưng giá lại thấp hơn ñến 27 lần (năm 2006).
8

Bảng 1.2. So sánh các nhiên liệu
Giá
Khả năng
tỏa nhiệt
Hiệu
suất lò
Tiêu thụ
nhiên liệu
Chi phí
hơi nước
Baht/ kg

(Baht/ lít)
USD/kg Kcal/kg %
Kg/tấn
hơi nước
USD/tấn
37.78
Diesel
(27.54)
0.988 10.200 87 62 61.3
14.80
Banker C
(14.50)
0.542 9.900 85 64 34.7
LPG 16.81 0.439 11.900 92 53 23.3
NG 8.5 0.222 7.000 92 68 15
Mùn cưa 1.6 0.042 3.800 75 189 7.9
Gỗ vụn 1.2 0.031 2.800 70 275 8.5
Vỏ trấu 1.4 0.036 3.400 75 211 7.6
Vỏ cây cọ 2.1 4.700 70 164 9
Than
Indonesia
2.9 0.076 5.500 80 123 9.3
(Nguồn: Công ty Thai Boiler Co., Ltd, 2006)
- Vỏ trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và lại rẻ tiền: sản lượng lúa
năm 2007 cả nước ñạt 37 triệu tấn, trong ñó, vụ lúa Đông Xuân 17.7 triệu tấn,
vụ lúa Hè Thu 10.6 triệu tấn, và vụ lúa mùa 8.7 triệu tấn.
- Nguyên liệu trấu có các ưu ñiểm nổi bật khi sử dụng làm chất ñốt: vỏ
trấu sau khi xay xát luôn ở rất dạng khô, có hình dáng nhỏ và rời, tơi xốp,
nhẹ, vận chuyển dễ dàng. Thành phần là chất xơ cao phân tử rất khó cho vi

sinh vật sử dụng nên việc bảo quản, tồn trữ rất ñơn giản, chi phí ñầu tư ít.
Chính vì các lý do trên mà trấu ñược sử dụng làm chất ñốt rất phổ biến.
Trong sinh hoạt người dân ñã thiết kế một dạng lò chuyên nấu nướng với chất
ñốt là trấu. Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng
ñược sử dụng rất thường xuyên. Thông thường trấu là chất ñốt dùng cho việc
9

nấu thức ăn nuôi cá hoặc lợn, nấu rượu và một lượng lớn trấu ñược dùng nung
gạch trong nghề sản xuất gạch, lò hơi tại khu vực ñồng bằng sông Cửu Long.
b) Các ứng dụng khác của vỏ trấu
- Sử dụng nhiệt lượng của trấu sản xuất ñiện năng: với khả năng ñốt
cháy mạnh và rẻ, có thể ứng dụng hơi nóng sinh ra khi ñốt nóng không khí
bằng trấu ñể làm quay tua bin phát ñiện. Theo tính toán 1 kg trấu có thể tạo
ñược 0.125 kW giờ ñiện và 4 kW giờ nhiệt, tùy theo công nghệ. Ứng dụng
này ñược áp dụng chế tạo máy phát ñiện loại nhỏ cho các khu vực vùng sâu
vùng xa.
- Sử dụng làm vật liệu xây dựng: vỏ trấu nghiền mịn và có thể ñược
trộn với các thành phần khác như mụn dừa, hạt xốp, xi măng, phụ gia và lưới
sợi thuỷ tinh ñể sản xuất vật liệu nhẹ. Trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn gạch
xây thông thường khoảng 50% và có tính cách âm, cách nhiệt và không thấm
nước cao. Đây là vật liệu thích hợp với các vùng như miền Tây, miền Trung
bị ngập úng, lũ lụt và nền ñất yếu. Sau khi sử dụng có thể nghiền nát ñể tái
chế lại. Hiện nay ñã có vài công ty sản xuất và ñưa loại vật liệu này ứng dụng
vào thực tế.
- Sử dụng tro trấu sản xuất silicon oxide: tro của trấu sau khi ñốt cháy
có hơn 80% là silicon oxide. Silicon oxide là oxide ñược sự dụng khá nhiều
trong các lĩnh vực như xây dựng, thời trang, luyện thủy tinh… Vấn ñề tận
dụng silicon oxide trong vỏ trấu hiện ñang ñưọc rất quan tâm, mục ñích là thu
ñược tối ña lượng silicon với thời gian ngắn. Hiện nay ñã có công trình
nghiên cứu về trích ly silicon oxide bằng xút (NaOH) thành công mang lại

hiệu quả kinh tế cao.
- Một số ứng dụng khác, vỏ trấu còn có thể dùng làm thiết bị lọc nước,
thiết bị cách nhiệt, làm chất ñộn, giá thể trong công sản xuất meo giống, dùng
ñánh bóng các vật thể bằng kim loại, tro trấu có thể dùng làm phân bón
10

Vỏ trấu có thể ñược ứng dụng rất ña dạng trong ñời sống của con người
Việt Nam. Vỏ trấu có ưu thế rất lớn về nguồn nguyên liệu và giá thành nên
việc nghiên cứu sử dụng vỏ trấu vào sản xuất luôn mang lại hiệu quả kinh tế
cao và tiết kiệm chi phí. Thực tế hiện nay tại một số tỉnh ở nước ta, ñặc biệt là
các tỉnh ở ñồng bằng sông Cửu Long lượng vỏ trấu vẫn còn rất dồi dào nên
cần lưu ý tăng cường việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nguyên liệu này nhằm
mở rộng khả năng sử dụng trấu vừa tiết kiệm chi phí sản xuất, vừa có lợi cho
môi trường.
1.2. Calcium silicate
Các silicate hiện ñang ñược quan tâm nhất và là những loại khoáng
phức tạp nhất cho ñến nay. Các ñơn vị hóa học cơ bản của silicate là hình tứ
diện [SiO
4
]
4-
. Theo cấu trúc, các silicate chia ra thành các lớp sau: tứ diện ñơn
(nesosilicates), tứ diện ñôi (sorosilicates), chuỗi ñơn và ñôi (insosilicates),
mảng (phyllosilicate), vòng (cyclosilicates) và cấu trúc dạng khung
(tectosilicate). Bằng các cách khác nhau kết hợp các tứ diện silicate làm cho
các silicate lớn nhất, thú vị nhất và chúng là các loại khoáng phức tạp nhất.
Trong các khoáng thuộc hệ CaO−SiO
2
−H
2

O thành phần hóa học gồm CaO,
SiO
2
và H
2
O và số lượng lớn của hợp chất thuộc hệ này ñược biết trong ngành
xi măng (Taylor, 1997). Do thành phần của chúng nên ñược gọi là khoáng
CSH. Sự hình thành các tinh thể của hệ này rất kém và sự ổn ñịnh các pha
tinh thể khác nhau là khó xác ñịnh. Rất ít các cấu trúc tinh thể trong số những
số lượng lớn. Ở ñây, chúng tôi giới thiệu một vài khoáng calcium silicate
hydrate, bao gồm truscottite, xonotlite, và tobermorite cũng như wollastonite
là ñối tượng nghiên cứu trong ñề tài này.

11

1.2.1. Truscottite [27]
Truscottite-Ca
14
Si
24
O
58
(OH)
8
.2H
2
O ñược ñặt tên theo nhà ñịa chất học
Anh, Samuel John Truscott (1870-1950). Truscottite ñược hình thành trong
môi trường trầm tích thủy nhiệt.
Bảng 1.3. Tính chất vật lý và hóa học của truscottite

Tính chất vật lý
Thành phần hóa học
(% khối lượng)
Màu sắc Trắng SiO
2
60.98
Ánh Ánh xà cừ CaO 28.45
Độ cứng (Mohs) 3.5 H
2
O 4.57
Mật ñộ (g/cm
3
) 2.35
Hệ ô mạng, (Ǻ) a = 9.731, c = 18.836
Hệ tinh thể Lục giác
1.2.2. Xonotlite [13]
Xonotlite-Ca
6
Si
6
O
17
(OH)
2
ñược ñặt tên theo ñịa danh Tetela de
Xonotla, Mexico. Xonotlite là một khoáng calcium silicate hydrate, khi nung
dễ chuyển thành khoáng wollastonite.
Bảng 1.4. Tính chất vật lý và hóa học của xonotlite
Tính chất vật lý
Thành phần hóa học

(% khối lượng)
Màu sắc không màu, xám, trắng, ánh sáng
màu xám, hồng
SiO
2
50.42
Ánh Ánh thủy tinh CaO 47.06
Độ cứng (Mohs) 6.5 H
2
O 2.52
Mật ñộ (g/cm
3
) 2.7
Kích thước ô
mạng
a = 17.029 Ǻ, b = 3.678 Ǻ, c =
7.007 Ǻ, β = 90.34
o


Hệ tinh thể Đơn tà

12


Hình 1.1. Sự liên kết các chuỗi silicate bát diện [CaO
6
]
10-
trong tinh thể xonotlite

1.2.3. Tobermorite [44]
Tobermorite-Ca
5
Si
6
O
16
(OH)
2
.4(H
2
O) ñược ñặt tên theo ñịa danh
Tobermory trên ñảo Mull ở Scotland.
Bảng 1.5. Tính chất vật lý và hóa học của tobermorite
Tính chất vật lý
Thành phần hóa học
(% khối lượng)
Màu sắc Trắng, ánh sang hồng SiO
2
47.05
Ánh Ánh lụa CaO 34.33
Độ cứng (Mohs) 2.5 H
2
O 12.82
Mật ñộ (g/cm
3
) 2.423 – 2.44, trung bình 2.43 Al
2
O
3

3.63
Hệ ô mạng
a = 11.3 Ǻ, b = 7.33 Ǻ, c = 22.6
Ǻ, β = 90
o


Hệ tinh thể Trực thoi

13


Hình 1.2. Sự liên kết các chuỗi silicate bát diện [CaO
6
]
10-
trong tinh thể tobermorite

Hình 1.3. Khu vực hình thành khoáng trong hệ CaO–SiO
2
–H
2
O (% mol)
14

1.2.4. Wollastonite
Wollastonite là một khoáng hình thành trong tự nhiên ñược ñặt tên theo
nhà khoáng vật học và hóa học nổi tiếng người Anh là William Hyde
Wollaston (1766-1828). Thành phần của wollastonite chứa các nguyên tố
calcium, silicon, oxygen có công thức hóa học là CaSiO

3
, (CS) với 48.3%
CaO và 51.7% SiO
2
. Trong thành phần của khoáng wollastonite còn có chứa
một lượng nhỏ Fe, Mg, Mn, Al, K, Na thay thế cho calcium trong cấu trúc
khoáng. Wollastonite tinh khiết có màu trắng, khi có lẫn một số loại tạp chất
thì sản phẩm có thể màu xám, màu kem, màu xanh lá cây, hoặc màu ñỏ [41].
Trong thập kỷ 60, wollastonite ñã ứng dụng phổ biến rộng rãi như là
một khoáng chất công nghiệp và nhiều tiềm năng sử dụng. Wollastonite ñược
bắt ñầu sản xuất thương mại ở Phần Lan và Mexico trong những năm cuối
thập kỷ 60, ở Ấn Độ và châu Phi trong những năm ñầu của thập kỷ 70, và sản
xuất ở Trung Quốc trong thập kỷ 80. Sản xuất trên toàn thế giới ñã tăng gấp
ñôi trong mười năm qua với mức tăng trưởng trung bình hàng năm trên 10%.
Nhu cầu tiêu thụ wollastonite gần ñây tăng mạnh, ñược sử dụng chủ
yếu làm vật liệu phụ trong nhựa và chất dẻo, cũng như trong các sản phẩm
công nghiệp khác, như vật liệu gốm sứ, vật liệu phủ bên ngoài, sản phẩm chịu
ma sát (phanh, ly hợp), vật liệu chịu lửa, vật liệu xây dựng, vật liệu ñàn hồi,
sản phẩm luyện kim, sơn, vật liệu sinh học. Bởi vì wollastonite có những ñặc
tính tốt như: ñộ co ngót thấp, lượng mất khi nung thấp, ñộ bền cao, thành
phần dễ bay hơi ít, thẩm thấu thấp, ñộ trắng, hệ số dãn nở nhiệt thấp…[25].
15

Bảng 1.6. Tính chất vật lý và hóa học của wollastonite
Tính chất vật lý
Thành phần hóa học
(% khối lượng)
Màu sắc
Trắng, trắng xám, xanh lá cây,
hồng nhạt, nâu, ñỏ, vàng

SiO
2
49-52
Ánh Ánh xà cừ CaO 44-47
Hệ số dãn nở
nhiệt
6.5 x 10
-6
mm/mm/
o
C Fe
2
O
3
≤ 0.2
Điểm nóng chảy 1540
0
C Al
2
O
3
≤ 1.2
Độ cứng (Mohs) 4.5-5 MgO ≤ 2.5
Mật ñộ (g/cm
3
) 2.86-3.09 P ≤ 0.001
Các tính chất
khác
Hòa tan trong hydrochloric acid
và một vật sẽ phát huỳnh quang

1.2.4.1. Hệ thống tinh thể wollastonite [46]
Wollastonite tồn tại trong một thay ñổi với công thức hóa học giống
nhau nhưng cấu trúc tinh thể khác nhau, nó xuất hiện trong tự nhiên chỉ hai
hình thức wollastonite chung ñược khoa học biết ñến là: wollastonite 1T (1 có
nghĩa “từ ñầu tiên trong công thức”, T viết tắt từ triclinic hay tam tà), nó là
một trong tinh thể wollastonite trong hệ tam tà (T), cũng có thể ñược gọi là
wollastonite 1A hoặc β-CaSiO
3
. Hình thức thứ hai trong tự nhiên là
wollastonite 2M (2 có nghĩa là “từ ñầu tiên trong công thức”, M viết tắt từ
monocline hay ñơn tà), xuất hiện hiếm hơn wollastonite 1T. Từ ñồng nghĩa
của wollastonite 2M là parawollastonite hoặc cũng có thể là β-CaSiO
3
. Tên β-
CaSiO
3
ñược sử dụng cho cả wollastonite 1T và wollastonite 2M vì cả hai ñều
thay ñổi ở nhiệt ñộ thấp. Tuy nhiên, wollastonite 2M thường không xuất hiện
cùng với wollastonite 1T. Thay ñổi ở nhiệt ñộ cao gọi là wollastonite giả ổn
ñịnh (pseuowollastonite hay wollastonite 4A) hoặc α-CaSiO
3
và chỉ ổn ñịnh