Tổng quan về vật liệu Geopolymer

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
ĐỀ TÀI

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GEOPOLYMER

GVHD:TS. NGUYỄN HỌC
THẮNG
SVTH: LÊ NGUYỄN HOÀI BĂNG
MSSV: 3004140065
LỚP: 14CDHH2


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12/2016

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 2


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
SVTH: Lê Nguyễn Hoài Băng
MSSV: 3004140065
Nhận xét:
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Điểm đánh giá:
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Ngày . ……….tháng ………….năm 2016
( ký tên, ghi rõ họ và tên)

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 3

Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
SVTH: Lê Nguyễn Hoài Băng
MSSV: 3004140065
Nhận xét:
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Điểm đánh giá:
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Ngày . ……….tháng ………….năm 2016
( ký tên, ghi rõ họ và tên)

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 4


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình
1.1
1.2
1.3
3.1
3.2

Nội dung
5 loại Olygomer
Sơ đồ hoạt hóa Aluminosilicate
Quá trình Hydroxyl hóa của Sialate – siloxo
Cơ chế đóng rắn của Xi măng Portland và Xi măng Gepolymer
Cơ chế phản ứng giữ aluminosilicate với polisilicate kiềm

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 5

Trang
10
11
12
17
17


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

LỜI CẢM ƠN
Trong cuộc sống không có sự thành công nào không gắn liền với sự hỗ trợ ,giúp
đỡ dù ít hay nhiều , dù trực tiếp hay gián tiếp. Trong suốt quá trình học tập tại trường em
đã nhận được rất nhiều sự quan tâm , giúp đỡ của thầy cô và bạn bè. Với lòng biết ơn, em
xin gửi đến thầy cô Khoa Công Nghệ Hóa Học –Trường Đại Học Công Nghiệp Thực
Phẩm đã dùng tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho
chúng em trong thời gian học tại trường .Trong học kì này, khoa đã tổ chức cho chúng em
được tiếp cận và tìm hiểu về chuyên ngành mình đang theo học với đồ án chuyên ngành
hóa học rất là hữu ích dành cho sinh viên khoa Công nghệ Hóa học chúng em. Bên cạnh
đó, em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy NGUYỄN HỌC THẮNG giáo viên hướng dẫn của
em đã tạo điều kiện để em được học hỏi và tìm hiểu về đề tài: Tổng quan về vật liệu
Geopolymer.
Trong quá trình thực hiện đồ án kiến thức của em còn nhiều hạn chế và bỡ ngỡ.
Do đó, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được
những chỉ bảo của Thầy để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn.
Tp.Hồ Chí Minh tháng 12 năm 2016
Sinh viên thực hiện

LÊ NGUYỄN HOÀI BĂNG

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 6


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

LỜI MỞ ĐẦU
Cuộc cách mạng khoa học vật liệu không những đã tạo ra tính đa dạng sản
phẩm cho xã hội mà còn tạo ra sự đa dạng về bản chất của vật liệu. Đặc biệt trong
lĩnh vực vật liệu xây, đi từ những sản phẩm truyền thống như gạch bê tông xi măng
– cát; gạch đất sét nung, đến gạch bê tông polymer vô cơ từ đất sét và gạch
polymer khoáng, rồi gạch polymer khoáng tổng hợp. Sản phẩm ngày càng có nhiều
đặc tính thân thiện với môi trường, dễ sản xuất và dễ sử dụng hơn.
Gạch polymer khoáng vô cơ từ đất sét là một loại vật liệu xây không nung đi
từ nguyên liệu cơ bản là đất sét tạp, đất đồi kết hợp với vôi- xi măng và phụ gia
hoạt tính. Loại này có ưu điểm là nguồn nguyên liệu phong phú, quy trình sản xuất
đơn giản, kích thước sản phẩm đồng nhất nên rất dễ sử dụng. Nhưng lại có nhược
điểm rất lớn là tính đa dạng của các loại khoáng sét sẽ làm mất tính ổn định về chất
lượng của sản phẩm nếu không có một nguồn nguyên liệu thuần và ổn định. Vì vậy
hiện tại loại gạch này chưa phát triển ở thị trường trong nước.
Một loại cao cấp hơn đó là geopolymer, bản chất là một polymer vô cơ, đi từ
nguyên liệu cơ bản là các khoáng silicate cao nhôm có trong tự nhiên hoặc nhân
tạo như mê ta kaolanh, tro bay, tro xỉ ( tro đáy),.. được polymer hóa trong môi
trường sol-gel kiềm. Sản phẩm là những polymer có khung xương chủ yếu là các
nguyên tố silic thật cứng chắc. Loại này có những tính năng ưu việt như chịu nhiệt,

khán hóa chất và môi trường mặn. Có thể dùng để sản xuất gạch siêu nhẹ hoặc bê
tông mác cao. Hiện tại giá thành còn cao nên chưa hấp dẫn người sử dụng. Đây có
thể là sản phẩm chiến lược trong tương lai.
Hiện nay ở Việt Nam theo thống kê của Tổng cục Năng lượng (Bộ Công
Thương) năm 2015, hiện có 19 nhà máy nhiệt điện than (công suất đạt 14.300
MW) đang vận hành và tiêu thụ khoảng 42 triệu tấn than/năm. Ước tính lượng tro
xỉ thải ra hàng năm hơn 14,4 triệu tấn với tổng số diện tích làm bãi thải khoảng 700
ha. Ngoài ra, còn có 12 nhà máy (11.700 MW) đang xây dựng và 12 nhà máy đã và
đang phê duyệt đầu tư (12.900 MW) với tổng số than tiêu thụ 63 triệu tấn/năm và
lượng tro xỉ thải ra khoảng 14,7 triệu tấn/năm với diện tích bãi thải xỉ khoảng hơn
1.100 ha. Tính đến năm 2022-2023, Việt Nam sẽ có 43 nhà máy, tiêu thụ khoảng
110 triệu tấn than và thải ra khoảng 29 triệu tấn tro xỉ/năm. Đại diện các nhà máy
GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 7


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

nhiệt điện than cho biết, hầu hết lượng tro xỉ than đều được chôn lấp nhưng cũng
chỉ kéo dài được khoảng 2 đến 3 năm, nhiều nhất là 5 năm. Một số ít nhà máy bán
được tro xỉ ra bên ngoài, phục vụ sản xuất gạch không nung, làm phụ gia xi măng,
bê tông nhưng số lượng hạn chế, không thường xuyên [1]. Như vậy khi khai thác
tro bay, tro xỉ để tạo ra vật liệu geopolymer không những thân thiện với môi trường
mà còn giải quyết được vấn đề tro bay, tro đáy tạo ra sau khi đốt than nhiên liệu ở
các nhà máy nhiệt điện.

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 8


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ GEOPOLYMER
1.1.Khái niệm về geopolymer.
Geopolymer hay còn gọi là polymer vô cơ, có bản chất là một hợp chất hóa
học hoặc hỗn hợp của các hợp chất gồm các đơn vị lặp đi lặp lại. Ví dụ như Siloxo
(-Si-O-Si-O-),Sialate (-Si-O-Al-O-), Ferro-sialate (-Fe-O-Si-O-Al-O-Si-O-),
Alumino-phospho (-Al-O-P-O-), tạo ra thông qua quá trình geopolymer hóa [2].
Việc tổng hợp vật liệu này (geosynthesis) lần đầu tiên được trình bày tại hội nghị
chuyên đề IUPAC về các tính chất của Polymer và Vật liệu polymer tại Stockholm
vào năm 1976 [3].
Vật liệu Geopolymer là một loại vật liệu rắn, được tổng hợp từ nguyên liệu
chứa aluminosilicate và một dung dịch kiềm có nồng độ pH cao.
Như vậy, để tổng hợp nên vật liệu Geopolymer thì nguyên liệu ban đầu
thường ở dạng aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình
geopolymer hóa. Chất hoạt hóa kiềm phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH
và thủy tinh lỏng natri silicat nhằm tạo môi trường kiềm và thực hiện phản ứng
geopolymer hóa.
Vật liệu Geopolymer trước khi đưa vào khai thác và sử dụng rộng rãi đã
được nghiên cứu, kiểm tra các đặc tính và thấy rằng Geopolymer có tính chất hóa
học và đặc tính vật lý tuyệt vời, chẳng hạn như tính chịu lửa và tính kháng acid.
Nhờ các đặc tính đó mà vật liệu Geopolymer được ngày càng được khai thác và sử
dụng nhiều trong ngành xây dựng, là loại vật liệu “ xanh” đang được hầu hết các
nước trên thế giới quan tâm và nghiên cứu.

1.2. Phân loại Geopolymer.
Theo T.F. Yen [4] Geopolymers có thể được phân loại thành hai nhóm chính:
geopolymers vô cơ tinh khiết và geopolymers chứa hữu cơ, các chất tương tự tổng
hợp từ những đại phân tử có trong tự nhiên.Cũng có thể phân loại Geopolymer
theo cách tổng hợp , theo đó Geopolymer chia làm 3 loại.
1.2.1.Geopolymer được tổng hợp dựa trên liên kết cộng hóa trị.

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 9


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

Các đơn vị cơ bản trong cấu trúc geopolymer là một phức tứ diện gồm Si
hoặc Al liên kết với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị với bốn
oxy. Các geopolymer hình thành từ liên kết ngang giữa các tứ diện, tạo nên mạng
aluminosilicat 3 chiều nơi mà các điện tích âm kết hợp với nhôm tứ diện được cân
bằng bởi cation, phổ biến nhất là cation kim loại kiềm. Các cation kim loại kiềm
thường trao đổi ion khi chúng tạo liên kết, nhưng chỉ tạo liên kết không bền với
mạng cộng hóa trị chính, tương tự như các cation trong mạng tinh thể Zeolit.
1.2.2. Geopolymer tổng hợp từ các phân tử oligomer.
Geopolymer hóa là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ được gọi là
oligomer thành một mạng lưới đồng hóa trị. Việc tổng hợp Geopolymer được thực
hiện thông qua các oligomer (dimer, trimer, tetramer, pentamer). Các oligomer
hình thành nên cấu trúc thực tế của khung phân tử ba chiều.
Vào năm 2000, T.W. Swaddle và nhóm của ông đã chứng minh sự tồn tại
của các phân tử Alumino-silicat cô lập hòa tan trong dung dịch có nồng độ và độ

pH cao , ở nhiệt độ rất thấp, có thể đến -9°C [5].

Hình 1.1 5 loại Olygomer

Ví dụ về quá trình geopolymer hóa của (-Si-O-Al-O-) với metakaolin MK750 trong môi trường kiềm [6].
GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 10


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

Quá trình gồm bốn giai đoạn chính:
Giai đoạn 1: Khử trùng hợp kiềm với kaolin có cấu trúc lớp đã được nung
Giai đoạn 2: Hình thành monomer và oligomer, trong đó có phân tử "ortho-sialate"
(OH) 3 -Si-O-Al- (OH) 3 (vd #1 hình 1);
Giai đoạn 3: Với sự có mặt của thủy tinh lỏng tuần hoàn cấu hình Al-Si (ví dụ # 5
hình 1), theo đó các hydroxit được giải phóng bởi các phản ứng trùng ngưng và có
thể phản ứng lại;
Giai đoạn 4: Tổng hợp Geopolymer (đa trùng ngưng) tạo ra oligomer cao hơn và
polyme có cấu trúc mạng 3 chiều
Khi tổng hợp Geopolymer thì sự hoạt động hóa học của các Na-poly (sialatesiloxo) và K-poly (sialate-siloxo) khác nhau . Điều này là do các kích thước khác
nhau của cation Na+ và cation K+, K+ là lớn hơn so với Na+.

Hình 1.2 Sơ đồ hoạt hóa Aluminosilicate
Ví dụ về zeolitic (Si-O-Al-O) geopolymerization với tro bay trong môi
trường kiềm [7].
Nó bao gồm 5 giai đoạn chính

•

Giai đoạn mầm trong đó alumin từ tro bay hạt hòa tan trong môi trường
kiềm (Na + ), tạo thành aluminat và silicat, có lẽ là monome .

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 11


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM
•
•
•

•

Khoa Công Nghệ Hóa Học

Gia đoạn 2: Các monomer phản ứng với nhau để tạo thành dimer , dimer
lần lượt phản ứng với monome khác để tạo thành trimer, tetramers...
Giai đoạn 3: Khi các dung dịch đạt tới độ bão hòa, tạo thành một kết tủa
nhôm (có gốc Gel 1).
Giai đoạn 4: Khi phản ứng xảy ra,nhóm Si-O từ nguồn rắn ban đầu hòa tan,
tăng nồng độ silic và tỷ trọng của Silicon trong gel tiền thân của Zeolit (gel
2).
Giai đoạn 5:các kết tủa dạng gel băt đầu đóng rắn thành một mang 3D
khung như Zeolit.

1.2.3.Geopolymer có cấu trúc mạng không gian 3 chiều.

Năm 1994, Davidovits trình bày một cấu trúc lý thuyết cho K-poly (sialatesiloxo) (K) - (Si-O-Al-O-Si-O) phù hợp với quang phổ NMR [8] . Trong cấu trúc
không có sự hiện diện của nước vì ông chỉ tập trung vào các mối liên kết giữa Si,
Al, Na, K, các nguyên tử khác. Nước tồn tại dạng lỏng ở nhiệt độ dưới 150 oC200oC, trong khi nhiều Geopolymer ứng dụng trong công nghiệp và thương mại
làm việc ở nhiệt độ trên 200 oC có khi lên tới 1400oC, tức là trên nhiệt độ hydroxyl
hóa. Tuy nhiên, các nhà khoa học nghiên cứu trên các ứng dụng nhiệt độ thấp,
chẳng hạn như xi măng và quản lý chất thải, đã cố gắng để xác định cation hydrat
hóa với các phân tử nước[9][10]. Một số Geopolymer có cấu trúc Khung 3D được
mô tả trong cuốn sách “geopolymer Hóa học và ứng dụng" [11]. Sau khi hydroxyl
hóa (và mất nước), nhiệt độ trên 250°C, geopolymers càng trở nên tinh và trên
500-1000°C (tùy thuộc vào tính chất của các cation kiềm) sẽ kết tinh và có mô
hình nhiễu xạ X-quang và cấu trúc khung giống tương tự địa chất.

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 12


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

Hình 1.3 Quá trình Hydroxyl hóa của Sialate - siloxo

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 13


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

CHƯƠNG 2: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU GEOPOLYMER
2.1.Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài.
Geopolymer đầu tiên được tổng hợp tại Pháp bởi J. Davidovits vào năm
1979. Được công nhận và trao bằng phát minh ngày 14 tháng 9 năm 1982 với tiêu
đề “Polyme khoáng sản và phương pháp chế tạo” (Mineral Polymers and methods
of making them). Nhưng từ năm 1979, một loạt các loại nhựa, chất kết dính và các
loại xi- măng được phát triển bởi các ngành công nghiệp hóa chất, trên toàn thế
giới. Geopolymer về cơ bản được tổng hợp từ silicat hoà tan trong kiềm [thủy tinh
lỏng hoặc (Na, K) -polysiloxonate] với đất sét nung kaolinitic (sau này đặt ra
metakaolin MK-750 để làm nổi bật tầm quan trọng của nhiệt độ nung, cụ thể là 750
° C trong trường hợp này). Năm 1985, Kenneth MacKenzie và nhóm của ông từ
New-Zealand, đã phát hiện ra phối trí Al(V) của kaolinite nung (MK-750) [12].
Điều này giúp cho các nhà nghiên cứu sự hiểu biết tốt hơn về các phản ứng của
geopolymeric.
Vào năm 1983, tại Phòng thí nghiệm trung tâm của công ty Lone Star
(Mỹ) các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu về các loại xi-măng geopolymer, họ
nghiên cứu và tạo ra xi-măng geopolymer trong môi trường kiềm. Vài tháng
sau, họ phát hiện ra rằng việc bổ sung các xỉ lò làm tăng thủy lực sản phẩm xi
măng, đến các loại poly (sialate) của geopolymer, tăng tốc thời gian đóng rắn
và cải thiện đáng kể độ bền nén và uốn [13].
Tháng 9/1983 xi măng Geopolymer kháng acid với tổ chức zeolitic được
phát triển cho việc ngăn chặn chất thải nguy hại ở Mỹ. Bởi vì xi măng
Geopolymer không giống với xi măng Portland thông thường, xi măng
geopolymeric không dựa vào vôi và không có tính axit. Nó cứng nhanh chóng
ở nhiệt độ phòng và có độ bền nén trong khoảng 20 MPa, sau chỉ có 4 giờ ở
20°C, độ bền nén sau 28 ngày là trong phạm vi 7-10 MPa [14]. Hơn nữa khi
sản xuất xi măng Portland một lượng lớn khí CO2 vào khí quyển, theo ước tính
khi sản xuất một tấn xi măng Portland đồng nghĩa với việc thải ra một tấn khí CO2

từ đá vôi và than đốt.
GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 14


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

Năm 1990, Davidovits và các Cộng sự thành công trong việc cố định hơn
90% các ion kim loại nặng có trong chất thải bằng mạng 3D. Vào giữa những
năm 1990, Van Jaarsveld và Van Deventer bắt đầu nghiên cứu hiệu quả cố định
của geopolymer sản xuất từ tro bay.
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.
Ngày 12 tháng 5 năm 2010, Viện Vật liệu xây dựng đã tổ chức hội nghị
chuyên đề về vật liệu geopolymer và ứng dụng của geopolymer trong lĩnh vực vật
liệu xây dựng. Vật liệu geopolymer được nghiên cứu với mục tiêu tạo ra quá trình
sản xuất thân thiện với môi trường, giảm khí thải CO 2 , tận dụng các chất thải công
nghiệp như tro bay, tro đáy, tro xỉ, bùn đỏ… thành các sản phẩm có tính năng sử
dụng cao.
Vào năm 2012, tại Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu khoa học lần thứ 8 Đại
học Đà Nẵng đã trình bày kết quả Đề tài nghiên cứu tổng hợp vật liệu geopolymer
từ hỗn hợp bùn đỏ và tro bay. Theo đó, thủy tinh lỏng được cho vào để tiến hành
quá trình đa ngưng tụ. Vật liệu geopolymer chế tạo được đem đi xác định cường độ
nén. Thêm nữa, thành phần, các đặc trưng liên kết và hình thái bề mặt cũng được
nghiên cứu nhờ nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ kế hồng ngoại (FT-IR) và kính
hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả cho thấy vật liệu nghiên cứu phù hợp để sản
xuất gạch xây dựng theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1451-1988.
Vào năm 2016 trên số báo đầu tiên năm 2016 của Tạp chí Khoa học Công

nghệ Xây dựng đã công bố công trình nghiên cứu của TS. Phan Đức Hùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và TS. Lê Anh Tuấn Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh về đề tài “Tính chất cơ học
của bê tông geopolymer sử dụng tro bay gia cường sợi Poly-propylene”. Tháng
4/2016 Nguyễn Phan Anh một sinh viên Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí
Minh đã tận dụng lượng tro bay từ các nhà máy nhiệt điện, tạo ra loại vật liệu
Geopolymer trên dầm bê tông cốt thép có khả năng chịu lực lên đến 100 kN
(kilônewton), cao hơn dầm bê tông cốt thép thường 10%.
Chuyên đề về ứng dụng gạch bê tông đất ép Geopolymer cũng được các
nghiên cứu viên rất quan tâm. Nhóm báo cáo đã đưa ra một số kết quả khảo sát thí
GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 15


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

nghiệm gạch bê tông đất ép so với gạch bê tông và gạch đất sét nung. Loại sản
phẩm này phù hợp cho xây dựng nhà xưởng, trường học, tường rào, bể chứa
nước… bằng cách sử dụng các nguồn nguyên liệu rộng rãi tải chỗ như đất sét, đất
sét pha cát, sỏi, đất laterit, các loại đất đồi…
Tuy có rất nhiều nghiên cứu về vật liệu Geopolymer nhưng hiện nay loại vật
liệu này vẫn còn rất mới và hạn chế trên thị trường Việt Nam.

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 16


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU GEOPOLYMER
3.1.Chất kết dính và vật liệu chịu lửa.
Các loại vật liệu polime được nghiên cứu bởi Davidovits bao gồm [15]:
• Chất kết dính Geopolymer trên nền Metakaolin MK-750, công thức hóa học:
(Na, K) - (Si-O-Al-O-Si-O), tỷ lệ Si: Al = 2 (khoảng 1,5-2,5)
• Chất kết dính Geopolymer trên nền Silica, công thức hóa học:
(Na, K) -n (Si-O -) - (Si-O-Al-), tỷ lệ Si: Al> 20 (khoảng 15-40).
• Chất kết dính Geopolymer trên nền Sol-gel (tổng hợp MK-750),công thức
hóa học
(Na, K) - (Si-O-Al-O-Si-O), tỷ lệ Si: Al = 2
Các ứng dụng về vật liệu chịu lửa ví dụ như:
Cục Hàng không Liên bang Mỹ FAA đã chọn carbon compositeGeopolymer là vật liệu tốt nhất cho chương trình cabin chịu lửa (1994-1997) [16].
Carbon-Geopolymer tổng hợp được áp dụng trên những chiếc xe đua quanh
phần ống xả. Công nghệ này có thể được chuyển giao và áp dụng cho sản xuất
hàng loạt các bộ phận ô tô (ống xả chống ăn mòn và các loại tương tự) cũng như
tấm chắn nhiệt. một nhà sản xuất xe hơi nổi tiếng đã phát triển một hệ thống ống
xả Geopolymer-composite.
3.2.Công nghệ Xi măng Geopolymer.
Xi măng Geopolymer đang được phát triển và sử dụng như là một thay thế
cho xi măng Portland thông thường để sử dụng trong giao thông vận tải, cơ sở hạ
tầng, xây dựng. Nó được tổng hợp dựa trên các vật liệu tự nhiên hoặc phụ phẩm
công nghiệp để giảm đáng kể của lượng khí thải carbon.
Đi từ nguyên liệu thô là đất sét và những phế thải trong công nghiệp như tro
bay, xỉ lò cao, rác thải trong xây dựng… qua xử lý và phối trộn với phụ gia hoạt
tính ở tỉ lệ thích hợp, tạo thành một sản phẩm kết dính có thể thay thế hoàn toàn
cho vai trò của xi măng Portland truyền thống.
Cơ chế đóng rắn của xi măng geopolymer tương tự như cơ chế tổng hợp

những khoáng felspat và zeolite nhân tạo. Thực chất của quá trình là những phản
ứng trùng ngưng của các khoáng aluminosilicate khoáng sét, xảy ra ở điều kiện
GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 17


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

thủy nhiệt ở nhiệt độ từ 20 – 150oC, trong môi trường có độ pH cao, áp suất khí
quyển.

Hình 3.1 Cơ chế đóng rắn của Xi măng Portland và Xi măng Gepolymer

Ở nhiệt độ thấp hơn 100oC, quá trình Geopolymer hóa các khoáng sét là phản ứng
hóa học giữa các oxit aluminosilicate với polisilicate kiềm tạo thành một khung
xương -Si-O-Al- ở trạng thái vô định hình đến nửa kết tinh. Tạo nên cấu trúc
silixo-aluminate theo mạng không gian 3 chiều thật bền chắc.
Cơ chế phản ứng được minh họa theo phương trình sau:

Hình 3.2 Cơ chế phản ứng giữ aluminosilicate với polisilicate kiềm

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 18


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

Khác với cơ chế đóng rắn của xi măng portland là quá trình kết tinh trong
nước của các silicate canxi với kích thước phân tử CaO.SiO2, xi măng Geopolymer
với cơ chế đóng rắn là quá trình polymer hóa với kích thước phân tử dài bằng
10.000 lần phân tử CaO.SiO2 của xi măng portland.
Khả năng ứng dụng của Xi măng Geopolymer
Lĩnh vực xây dựng: Xi măng Geopolymer từ khoáng sét làm chất kết dính
thay thế hoàn toàn xi măng portland truyền thống, có thể áp dụng cho những vùng
phèn, mặn. Bê tông làm từ xi măng Geopolymer có tính năng bền hóa học, chịu
nhiệt, chịu được sự khắc nghiệt của thời tiết.
Lĩnh vực gốm không nung: Xi măng Geopolymer từ đất sét làm nguyên liệu
để sản xuất những sản phẩm gốm dân dụng không nung, gốm mỹ thuật không
nung, men gốm không nung.
Lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng: Xi măng pôlime không kén cốt liệu. Vì
thế, chúng được dùng để sản xuất các vật liệu xây dựng không nung như gạch xây
không nung, gạch lát nền không nung, ngói không nung, gạch gốm trang trí không
nung và nhiều loại vật liệu không nung khác.
Lĩnh vực giao thông: Xi măng Geopolymer được ứng dụng để làm đường
với độ bền và độ chịu tải cao bằng nguyên liệu đất tại chỗ.
Ngoài những lĩnh vực thông dụng kể trên, khả năng ứng dụng của xi măng
Geopolymer có thể áp dụng vào những lĩnh vực khác như: Khuôn đúc chịu nhiệt,
gạch chịu lửa, xử lý môi trường bê tông hóa những loại rác ô nhiễm, rác phóng xạ,
composite chịu lực, chịu nhiệt khi kết hợp với các sợi cacbon, sợi thủy tinh.
3.3.Ứng dụng Geopolymer trong khảo cổ học.
3.3.1.Đá Kim tự tháp ở Ai Cập.
Vào giữa những năm 1980, Joseph Davidovits trình bày kết quả phân tích
đầu tiên của ông được thực hiện trên đá của Kim tự tháp. Ông tuyên bố rằng người
Ai Cập cổ đại đã biết làm thế nào để tạo ra một phản ứng geopolymeric trong việc

tạo ra một khối đá vôi lại đóng thành khối. Và một nghiên cứu gần đây nhất cho
thấy đá ở Kim tự tháp có bản chất nhân tạo vấn đề này được trình bày trong số 65
của tạp chí Materials Letters (2011). Các nhà nghiên cứu nói rằng họ đã thực hiện
so sánh trạng thái rắn của 29Si, 27Al và 43Ca MAS NMR của đá vỏ ngoài từ
Kim tự tháp Bent Snefru trong Dahshour, Ai Cập với hai mỏ đá vôi từ khu vực
GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 19


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

này. Kết quả NMR cho thấy vỏ đá bao gồm các hạt đá vôi từ mỏ đá Tura, gắn
với gel canxi silicat vô định hình được tạo thành bởi sự can thiệp của con
người, bởi việc bổ sung thêm silica, diatomit từ khu vực Fayium [17].
3.3 2.Xi măng La Mã.
Từ việc đào di tích La Mã cổ đại, người ta biết rằng khoảng 95% của bê tông và
vữa xây dựng cấu thành các tòa nhà La Mã bao gồm xi măng vôi rất đơn giản, đó
là sự đóng rắn chậm bản chất là sự kết tủa của carbon dioxide CO 2 từ khí quyển và
sự hình thành của hydrat canxi silicat (CSH).Vật liệu bền môi trường đã được sử
dụng chủ yếu trong xây dựng cơ sở và các tòa nhà cho dân.
Nhưng đối với việc xây dựng "ouvrages d'art" của họ, đặc biệt là các công trình có
liên quan để lưu trữ nước (bể nước, cống dẫn nước), các kiến trúc sư La Mã đã
không ngần ngại sử dụng các thành phần phức tạp và tốn kém hơn. Những loại xi
măng La Mã nổi bật dựa vào sự hoạt thuộc về vôi cốt liệu gốm (trong tiếng Latin
là testa , tương tự như metakaolin hiện đại (MK-750) và kiềm tuffs từ núi lửa
(cretoni, zeolitic pozzolan), tương tự với vôi. Khi đo quang phổ MAS-NMR đã
chứng minh các loại xi măng La Mã được tạo ra như môt vật liệu công nghệ cao có

niên đại từ thế kỷ thứ II. Chứng tỏ rằng từ thế kỷ thứ II người La Mã cổ đại đã có
thể thực hiện các phản ứng geopolymeric để tạo ra vật liệu Geopolymer.

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 20


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

KẾT LUẬN
Vật liệu Geopolymer là một loại vật liệu thân thiện với môi trường. Có
xương là các nguyên tố Si – O – Al, cấu trúc vô định hình đến nửa kết tinh. Được
tổng hợp từ các nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên như đất sét, bùn đỏ… hoặc các
sản phẩm phụ của các ngành công nghiệp như tro bay, tro đáy, xỉ tran được hoạt
hóa trong môi trường kiềm để tạo ra Geopolymer.
Việc đem các ứng dụng của vật liệu Geopolymer vào các ngành như xây
dựng, giao thông vận tải, gốm sứ..giúp hạn chế rất nhiều lượng khí thải Carbon vào
môi trường do quá trình sản xuất các loại xi măng truyền thống thải lượng rất lớn
khí CO2 trong quá trình sản xuất. Và tại Việt Nam giải quyết được vấn đề tro bay,
tro đáy tạo ra sau khi đốt than nhiên liệu ở các nhà máy nhiệt điện.
Trên thế giới các ứng dụng của vật liệu đã được sử dụng trong sản xuất xi
măng đặc biệt như xi măng đóng rắn nhanh, xi măng bền axit, sản xuất gạch và
gốm không nung, ứng dụng trong vật liệu công nghệ cao như vật liệu composite
chống cháy, xử lý phế thải độc hại và chất thải phóng xạ, ứng dụng trong vật liệu
composite chịu nhiệt, ứng dụng trong khảo cổ học và mỹ thuật.

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 21


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] />[2] />[3] #20 Milestone paper IUPAC
76 at />[4] Kim, D.; Lai, H.T.; Chilingar, G.V.; Yen T.F. (2006), Geopolymer formation
and its unique properties, Environ. Geol
[5] North, M.R. and Swaddle, T.W. (2000). Kinetics of Silicate Exchange in
Alkaline Aluminosilicate Solutions, Inorg. Chem.
[6] />[7] Duxson, P.; Fernández-Jiménez, A.; Provis, J.l.; Lukey, G.C; Palomo, A. and
Van Deventer, J.S.J., (2007), Geopolymer technology: the current state of the
art, J. Mat. Sci.
[8] Joseph Davidovits, J., (1994), Geopolymers: Man-Made Rock Geosynthesis
and the Resulting Development of Very Early High Strength Cement, J. Materials
Education
[9] Rowles, M.R. (2004), The Structural Nature of Aluminosilicate Inorganic
Polymers: a Macro to Nanoscale Study, PhD Thesis, Curtin University of
Technology, Perth, Australia
[10] Barbosa, V.F.F; MacKenzie, K.J.D. and Thaumaturgo, C., (2000), Synthesis
and characterization of materials based on inorganic polymers of alumina and
silica: sodium polysialate polymers, Intern. Journal of Inorganic Materials.
[11] Davidovits, “Geopolymer Chemistry and Applications”, Sections 8.6-8.7.
[12] MacKenzie, K.J.D.; Brown, I.W.M; Meinhold, R.H. and Bowden, M.E.
(1985), Outstanding Problems in the Kaolinite-Mullite Reaction; Sequence

GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 22


Trường ĐHCN Thực Phẩm TPHCM

Khoa Công Nghệ Hóa Học

Investigated by 29Si and 27Al Solid-State Nuclear Magnetic Resonance: I,
Metakaolinite, J. Am. Ceram. Soc.
[13] Joseph Davidovits, “30 Years of Successes And Failures in Geopolymer
Applications. Market Trends and Potential Breakthroughs’’, Geopolymer 2002
conference, October 28 – 29, 2002, Melbourne, Australia, 1 – 16, 2002.
[14] Joseph Davidovits, “30 Years of Successes And Failures in Geopolymer
Applications. Market Trends and Potential Breakthroughs’’, Geopolymer 2002
conference, October 28 – 29, 2002, Melbourne, Australia, 1 – 16, 2002.
[15] Joseph Davidovits, “Geopolymer Chemistry and Applications”, Chapters 8,
11, 20.
[16] Lyon, R.E.; Foden, A.J.; Balaguru, P.N.; Davidovits, J. and Davidovics, M.
(1997), Properties of Geopolymer Matrix-Carbon Fiber Composites, Fire and
Materials
[17] />
GVHD: TS. Nguyễn Học Thắng

Trang 23