Nghiên cứu tái chế TRO BAY từ các nhà máy nhiệt điện sản xuất vật liệu compozit EVATRO BAY

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

VIỆN MÔI TRƢỜNG
------------------

LÊ THỊ YẾN

NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ TRO BAY TỪ CÁC NHÀ
MÁY NHIỆT ĐIỆN SẢN XUẤT VẬT LIỆU
COMPOZIT EVA/TRO BAY

HẢI PHÒNG – 2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

VIỆN MÔI TRƢỜNG
------------------

LÊ THỊ YẾN

NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ TRO BAY TỪ CÁC NHÀ
MÁY NHIỆT ĐIỆN SẢN XUẤT VẬT LIỆU
COMPOZIT EVA/TRO BAY

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẠT MÔI TRƢỜNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN: TS. VŨ MINH TRỌNG

HẢI PHÒNG - 2015

LỜI CẢM ƠN

Đƣợc sự phân công của Viện Môi trƣờng, trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam
và sự đồng ý của thầy giáo hƣớng dẫn TS. Vũ Minh Trọng, em đã thực hiện đề tài
“Nghiên cứu tái chế tro bay từ các nhà máy nhiệt điện sản xuất vật liệu compozit
EVA/tro bay”.
Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô
giáo đã tận tình hƣớng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và
rèn luyện ở Viện Môi Trƣờng, Trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Vũ Minh Trọng đã tận
tình, chu đáo hƣớng dẫn em thực hiện đề tài này.
Dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách tốt nhất. Nhƣng do lần
đầu làm quen với công tác nghiên cứu, phân tích, tìm hiểu thực tế cũng nhƣ hạn
chế về kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất
định mà bản thân chƣa nhận thấy đƣợc. Em rất mong nhận đƣợc sự góp ý của quý
Thầy, Cô giáo để khóa luận đƣợc hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, ngày 5 tháng 12 năm 2015
Sinh viên

Lê Thị Yến


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................. 3
1.1. Tro bay ........................................................................................................ 3
1.1.1. Các vấn đề ô nhiễm môi trường do tro bay từ các nhà máy nhiệt điện ở

nước ta hiện nay .............................................................................................. 3
1.1.2. Tình hình nghiên cứu tái sử dụng tro bay trên thế giới và Việt Nam ...... 7
1.1.2.1. Trên thế giới........................................................................................ 7
1.1.2.2. Ở Việt Nam ......................................................................................... 8
1.1.3. Thành phần, đặc điểm, hình thái cấu trúc của tro bay............................ 9
1.1.4. Biến tính tro bay ...................................................................................12
1.1.5. Ứng dụng của tro bay ...........................................................................15
1.2. Vật liệu compozit EVA/tro bay ..................................................................17
1.2.1.Vật liệu compozit nhựa nhiệt rắn/tro bay ...............................................17
1.2.2. Vật liệu compozit nhựa nhiệt dẻo tro bay ..............................................20
1.2.3. Vật liệu compozit cao su/tro bay ...........................................................26
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM .........................................................................29
2.1. Nguyên liệu và hóa chất ..............................................................................29
2.2. Chế tạo vật liệu compozit EVA/tro bay ở trạng thái nóng chảy ....................29
2.2.1. Biến tính tro bay ....................................................................................29
2.2.2. Chế tạo vật liệu compozit EVA/tro bay ...................................................30
2.3. Phƣơng pháp và thiết bi nghiên cứu.............................................................30
2.3.1. Phương pháp phổ huỳnh quang tia X ....................................................30
2.3.2. Phương pháp phổ hấp tụ hồng ngoại (IR) ..............................................31
2.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scaning Electron Microscopy – SEM)
.......................................................................................................................33


2.3.4. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TGA –Thermal Gravimetric
Analysis) .........................................................................................................33
2.3.5. Xác định tính chất cơ học ......................................................................34
2.3.5.1. Độ bền kéo đứt ...................................................................................34
2.3.5.2. Độ dãn dài khi đứt .............................................................................34
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .....................................................36
3.1. Xác định thành phần hóa học của tro bay ...................................................36

3.2. Biến tính tro bay bằng APTES (3-aminopropyltriethoxy silane) .................38
3.2.1. Phổ hồng ngoại của tro bay trước và sau khi biến tính APTES .............38
3.2.3. Hình thái cấu trúc của tro bay trước và sau khi biến tính APTES .........40
3.3. Hình thái cấu trúc của vật liệu compozit EVA/tro bay chƣa biến tính và biến
tính APTES .......................................................................................................42
3.4. Tính chất cơ học của vật liệu compozit EVA/tro bay chƣa biến tính và biến
tính APTES .......................................................................................................44
3.4.1. Độ bền kéo đứt ......................................................................................44
3.4.2. Độ dãn dài khi đứt ................................................................................45
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO


BẢNG CHỮ VIẾT TẮT
APTES: 3-aminopropyltriethoxy silane
EVA: Etylen-vinyl axetat
EPCNSL: Epoxy phenol cashew nut shell liquid
FA(Fly ash): Tro bay
PE: Polyetylen
PP: Polypropylen
LDPE (Low density polyethylene): Polyetylen tỷ trọng thấp
HDPE (High density polyethylene): Polyetylen tỷ trọng cao
PET: Polyetylen terephtalat
PVA: Polyvinyl axetat


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Cơ cấu hệ thống điện nƣớc ta năm 2007

3

Bảng 1.2

Trữ lƣợng tro bay của một số nhà máy nhiệt điện lớn ở Việt
Nam

4

Bảng 1.3

Lƣợng tro bay của các nhà máy nhiệt điện ở miền Bắc

4

Bảng 1.4

Thành phần tro bay của các nhà máy nhiệt điện ở miền Bắc
nƣớc ta

10

Bảng 1.5

Bảng 1.6
Bảng 1.7

Thành phần hóa học của tro bay ở một số nhà máy nhiệt điện
ở miền Bắc nƣớc ta
Hàm lƣợng các oxit chủ yếu trong tro bay loại C và loại F
Độ bền va đập của nhựa epoxy gia cƣờng bằng sợi có và không
có tro bay

11
11
19

Độ bền nén, mô đun nén, độ bền va đập của vật liệu compozit
Bảng 1.8

epoxy/tro bay và 20% EPCNSL – epoxy dai/ tro bay(dạng bột

20

granit
Bảng 1.9

Khả năng hấp thụ nƣớc của vật liệu compozit epoxy/tro bay
và vật liệu compozit 20% EPCNSL-epoxy dai/tro bay

21

Bảng 1.10

Khả năng đúc phun của LDPE với các chất độn khác nhau

23

Bảng 1.11

Tính chất cơ học của LDPE với các chất độn khác nhau

23

Bảng 1.12

Tính chất cơ học của PP và PP/tro bay

27

Bảng 1.13

Một số tính chất của vật liệu PLASH-REA

28

Bảng 1.14

Các số liệu lƣu biến cao su thiên nhiên có các chất độn khác nhau
khâu mạch ở 150 oC

29

Bảng 3.1

Thành phần hóa học của tro bay Phả Lại

34


Bảng 3.2

Độ bền kéo đứt của vật liệu compozit EVA/tro bay và
EVA/tro bay biến tính với APTES

41


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Bãi xỉ thải nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2

6

Hình 1.2

Ống khói nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2 đang hoạt động

6

Hình 1.3

Ảnh SEM hình dạng các hạt tro bay

9

Hình 1.4

Hình thái cấu trúc tro thô và tro mịn của nhà máy nhiệt điện
ở miền Bắc nƣớc ta

10

Hình 1.5

Hình 1.6

Hình 1.7

Hình 1.8

Hình 1.9

Hình 1.10

Ảnh SEM của tro bay chƣa biến tính (A) và tro bay biến
tính axit stearic(B)

Ảnh SEM của tro bay trƣớc và sau khi tráng phủ [112].

Ảnh SEM của tro bay chƣa biến tính (A) và biến tính
bằngSi-69(B)
Các chi tiết, bộ đỡ dây điện trong thân ôtô chế tạo từ vật liệu
compozit LDPE/tro bay của hãng General Motor.
Chốt, kẹp định vị trên ôtô chế tạo từ vật liệu compozit
LDPE/tro bay của hãng Chryler.
Ảnh hiển vi điện tử quét của vật liệu compozit HDPE/tro
bay (80:20)

13

14

15

24

25

25

Hình 1.11

Bề mặt đứt gãy của HDPE trộn 40 % CaCO3.

26

Hình 1.12

Bề mặt đứt gãy của PP trộn 40% tro bay.

26

Hình 2.1

Sự tán xạ tia X từ các mặt phẳng tinh thể.

29

Hình 2.2

Mẫu đo tính chất cơ lý

30

Hình 3.1

Phổ huỳnh quang tia X của tro bay đầu lò

34

Hình 3.2

Phổ hồng ngoại của tro bay FA

36

Hình 3.3

Phổ hồng ngoại của tro bat biến tính APTES

37

Hình 3.4

Giản đồ TGA của tro bay (FA) và tro bay biến tính APTES

37

Hình 3.5

Ảnh SEM của tro bay, độ khuếch đại 1000 lần

38

Hình 3.6

Hình 3.7

Ảnh SEM của tro bay biến tính APTES độ khuếch đại 1000
lần
Ảnh SEM của APTES với độ phóng đại 100.000 lần (A) và
200.000 lần (B)

39

39

Ảnh SEM của EVA/tro bay (bên trái) và EVA/tro bay biế n
Hình 3.8

tính (bên phải), hàm lƣợng tro bay và tro bay biế n tiń h : 5

40

%.
Hình 3.9

Độ dãn dài khi đứt của vật liệu compozit EVA tro bay và
compozit EVA/tro bay biến tính bằng APTES

42

Hình 3.10

Ảnh SEM bề mặt đứt gãy của vật liệu compozit EVA/tro
bay

43

Hình 3.11

Ảnh SEM bề mặt đứt gãy của vật liệu compozit EVA/tro
bay biến tính APTES.

44

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trƣờng, cạn kiệt tài nguyên đang trở nên cấp
bách. Do đó, yêu cầu đặt ra đối với các nhà khoa học, nhà sản xuất là phải tìm ra
những phƣơng pháp để có thể thu hồi, tái sử dụng các loại chất thải, tạo ra các sản
phẩm có ích phục vụ đời sống xã hội. Việc làm này vừa mang lại hiệu quả kinh tế
vừa có ý nghĩa lớn đối với vấn đề bảo vệ môi trƣờng.
Những năm gần đây, tro bay (fly ash) – chất phế thải của các nhà máy nhiệt
điện đốt than trở thành mối quan tâm lớn đối với các nhà sản xuất, nhà quản lí và
của cả cộng đồng.Tính đến năm 2015, tổng trữ lƣợng thải ra của các nhà máy nhiệt
điện đốt than lên tới 5 triệu tấn/năm. Tro bay rất độc hại do chứa nhiều hóa chất và
kim loại nặng, ngoài việc gây tốn hàng nghìn ha đất để chứa và chôn lấp, tro bay
còn là nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng đặc biệt nghiêm trọng cho đất, nƣớc và
không khí. Nếu không đƣợc xử lí, tro bay sẽ gây ô nhiễm không khí và nguồn
nƣớc, gây ra các bệnh về đƣờng hô hấp khi con ngƣời hít phải. Vì vậy, tìm kiếm
giải pháp tận thu tro xỉ nhiệt điện, biến loại phế thải này thành nguồn nguyên liệu
có giá trị đang là bài toán đƣợc các nhà khoa học đặt ra cấp bách. Nghiên cứu ứng
dụng tro bay sẽ đạt đƣợc ba mục đích: một là tạo ra đƣợc một loại vật liệu mới
với những tính chất mong muốn, hai là nhà máy nhiệt điện có thêm lợi ích và ba
là môi trƣờng xung quanh nhà máy nhiệt điện không bị ô nhiễm do tro bay gây
ra.
Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học về
các giải pháp tái chế tro bay ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Tro bay đƣợc
xem nhƣ nguồn nguyên liệu dồi dào trong các lĩnh vực kỹ thuật và dân dụng.
Ở nƣớc ta hiện nay, tro bay chủ yếu đƣợc dùng để làm phụ gia cho bê tông,
tuy nhiên lƣợng dƣ thừa còn rất lớn. Với nhiều tính chất đặc thù và khả năng biến
tính đa dạng, tro bay có nhiều ứng dụng cho các ngành công nghệ vật liệu để
không xảy ra hiện tƣợng lãng phí nguồn nguyên liệu, làm giảm nguy cơ gây ô
nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng.

1


Là sinh viên ngành kỹ thuật môi trƣờng, em tự nhận thấy mình cần có trách
nhiệm tìm hiểu, nghiên cứu và cố gắng tìm ra những giải pháp để góp phần làm
giảm ô nhiễm môi trƣờng, tái sử dụng những chất phế thải để tạo ra sản phẩm mới
hữu ích. Từ nhận định trên, em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tái chế tro bay từ
các nhà máy nhiệt điện sản xuất vật liệu compozit EVA/tro bay” nhằm mục
đích tạo ra loại vật liệu mới với những ƣu điểm nổi trội, đóng góp cho phát triển
kinh tế xã hội và làm giảm ô nhiễm môi trƣờng.
2. Mục tiêu của đề tài
- Tìm hiểu, thu thập dữ liệu liên quan đến sản lƣợng tro bay hàng năm tại các nhà
máy nhiệt điện lớn ở Việt Nam và khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng của tro thải.
- Nghiên cứu thành phần hóa học, đặc điểm, hình thái cấu trúc của tro bay.
- Nghiên cứu khả năng biến tính tro bay.
- Nghiên cứu, chế tạo vật liệu compozit từ phụ gia là tro bay.
3. Cấu trúc đề tài gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về tro bay từ các nhà máy nhiệt điện.
Chƣơng 2: Thực nghiệm.
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận.

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tro bay
1.1.1. Các vấn đề ô nhiễm môi trường do tro bay từ các nhà máy nhiệt điện ở
nước ta hiện nay
Hiện nay, nền kinh tế nƣớc ta đang tăng trƣởng một cách mạnh mẽ với mức GDP
tăng khoảng 8,5-9%/năm và còn cao hơn trong thời gian tới, yêu cầu tiêu thụ điện

đƣợc dự báo tăng 17%/năm (dự báo cơ bản) và 20% năm (dự báo mức cao) trong
giai đoạn 2006 – 2015. Do đó, việc tập trung phát triển ngành công nghiệp điện là
yêu cầu hàng đầu trong quá trình phát triển kinh tế. Bảng 1.1 là cơ cấu hệ thống
điện của nƣớc ta năm 2007.
Bảng 1.1: Cơ cấu hệ thống điện năm 2007 [1]
Công suất đặt
MW

%

Công suất phát điện
GWh

%

Toàn hệ thống

13.512

Thuộc EVN

9.386

69,46

50.616

73,68

- Nhà máy thủy điện

4.393

32,51

21.480

31,27

- Nhà máy nhiệt điện đốt than

1.545

11,43

8.973

13,06

- Nhà máy nhiệt điện đốt khí

3.248

24,04

18.880

27,48

- Nhà máy nhiệt điện đốt dầu

200

1,48

740

1,08

Trạm phát điện Diesel và thủy điện
nhỏ

454

3,36

42

0,06

3.675

27,18

18.041

26,26

Ngoài EVN

68.699

Dựa vào bảng số liệu trên ta thấy nguồn nhiệt điện chiếm một phần lớn (trên 42%)
trong tổng công suất phát điện của các nhà máy điện ở nƣớc ta. Nhiều tài liệu
nghiên cứu cho thấy nhà máy nhiệt điện đốt than sẽ thải ra từ 4-5 tấn tro
3


bay/MW/ngày. Nhƣ vậy lƣợng tro bay từ ngành công nghiệp nhiệt điện là rất lớn,
khoảng vài triệu tấn/năm, nếu lƣợng tro bay này không đƣợc tận dụng một cách
hợp lí thì sẽ chiếm một diện tích tồn trữ rất lớn, gây nhiều khó khăn cho quá trình
phát triển của ngành công nghiệp nhiệt điện và là tác nhân trực tiếp gây ô nhiễm
môi trƣờng. Do đó, cần có các biện pháp thích hợp để giải quyết vấn đề tro bay ở
các nhà máy nhiệt điện. Bảng 1.2 cho thấy trữ lƣợng tro bay hiện tại của một số
nhà máy nhiệt điện lớn ở nƣớc ta hiện nay.
Bảng 1.2: Trữ lượng tro bay của một số nhà máy nhiệt điện lớn ở Việt Nam [2]
Tên nhà máy

Trữ lƣợng tro (triệu tấn)

Uông Bí

2,0 – 2,1

Phả Lại

3,8 – 4,8

Thái Nguyên

1,0 – 1,2

Việt Trì

0,9 – 1,0

Các nhà máy khác

2,3 – 3,0

Theo số liệu thống kê của Bộ Công Thƣơng, hiện cả nƣớc có 19 nhà máy nhiệt
điện đốt than đang vận hành với tổng công suất phát điện 14.480 MW và thải ra
khoảng 15 triệu tấn tro, xỉ hàng năm. Trong đó, lƣợng tro bay chiếm khoảng 75%,
còn lại là xỉ[12]. Bảng 1.3 là lƣợng thải tro bay thống kê của các nhà máy nhiệt
điện ở miền Bắc nƣớc ta.

4


Bảng 1.3: Lượng tro bay của các nhà máy nhiệt điện ở miền Bắc [2]
Tên nhà máy

Công suất(MW)

Lƣợng tro(tấn/năm)

Phả Lại 1

400

188000

Phả Lại 2

600

249000

Uông Bí

100

39000

Uông Bí mở rộng

300

124600

Tổngsố

600600

Dự báo đến năm 2020 sẽ có thêm 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt
động, lúc đó lƣợng tro bay sẽ còn tăng lên rất nhiều. Bên cạnh đó, hàng loạt các lò
cao ở các khu gang thép sử dụng nhiên liệu là than cũng thải ra một lƣợng tro bay
khá lớn. Từ đó có thể thấy tro bay là một chất thải rắn có khối lƣợng lớn, cần đƣợc
xử lí triệt để nhằm bảo vệ môi trƣờng đồng thời mang lại giá trị kinh tế từ việc tái
sử dụng chất thải này.

Hiện nay trên 700.000 tấn tro xỉ than đƣợc thải ra từ các nhà máy nhiệt điện
phía Bắc thuộc tổng công ty điện lực Việt Nam, các nhà máy thuộc tổng công ty
Than Việt Nam (nhƣ Na Dƣơng) và các doanh nghiệp khác [6]. Hầu hết lƣợng tro
này đƣợc trộn với nƣớc và bơm ra ngoài bãi thải.Việc này, ngoài tác động đến môi
trƣờng còn là một sự lãng phí tài nguyên rất lớn.
Đầu năm nay, một vấn đề ô nhiễm môi trƣờng từ nhà máy nhiệt điện đƣợc dƣ luận
quan tâm là sự việc nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2 xả khói và xỉ than gây ô nhiễm
môi trƣờng kéo dài. Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 2 do tập đoàn Điện lực Việt
Nam làm chủ đầu tƣ, Công ty Điện khí Thƣợng Hải (Trung Quốc) làm tổng thầu
với hai tổ máy công suất 1.244 MW đã hoạt động gần 2 năm nay. Mỗi khi nhà máy
hoạt động, ống khói (cao 210m, đƣờng kính 7m) xả khói thẳng vào khu dân cƣ
khiến cuộc sống của hàng ngàn hộ dân bị ảnh hƣởng nặng nề khiến ngƣời dân phải
kéo nhau ra đƣờng quốc lộ 1 chặn xe để phản đối [11]. Vấn đề nghiêm trọng hơn
chính là bãi xỉ than của nhà máy này rộng tới 64,7 ha. Mỗi ngày, hai tổ máy của
nhà máy thải ra gần 4.000 tấn xỉ than. Tuy nhiên, quá trình vận chuyển không đảm
5


bảo nhƣ: xe chở xỉ không có bạt che đậy, đổ xỉ không đúng nơi quy định, quá trình
vận chuyển rơi vãi trên đƣờng, không đƣợc đƣa vào bãi xỉ, không có bãi rửa xe
riêng,… dẫn đến tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng cả khu vực [6]. Hình 1.1, 1.2 là
hiện trạng bãi xỉ than và ống khói của nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2 gây ô nhiễm
đang trong quá trình hoạt động.

Hình 1.1: Bãi xỉ thải Nhiệt điện Vĩnh Tân 2 [6].

Hình 1.2: Ống khói nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2 đang hoạt động[11].
6

Sau sự cố này, chính quyền tỉnh Bình Thuận đã 2 lần kiểm tra và xử phạt, Tổng
cục môi trƣờng đã xử phạt nhà máy này 1,4 tỉ đồng vì để khói bụi và liên tục cử
các đoàn công tác về kiểm tra thƣờng xuyên [6].
1.1.2. Tình hình nghiên cứu tái sử dụng tro bay trên thế giới và Việt Nam
1.1.2.1. Trên thế giới
Tro bay đã đƣợc sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp bê tông
trên thế giới hơn 50 năm qua. Ở Mỹ có hơn 6 triệu tấn và ở Châu Âu là hơn 9 triệu
tấn đã đƣợc sử dụng trong xi măng và bê tông [17]. Có nhiều dự án lớn gần đây sử
dụng bê tông từ tro bay, bao gồm các đập ngăn nƣớc, nhà máy điện, các công trình
xây dựng ngoài biển, đƣờng hầm dƣới biển, đƣờng cao tốc, sân bayvà các tòa nhà
thƣơng mại hay dân cƣ, cầu cống, các đƣờng ống dẫn,…
Đến năm 2008, tổng lƣợng các sản phẩm từ đốt than đá của nhà máy nhiệt
điện ở Châu Âu là 58 triệu tấn, trong đó tro bay chiếm gần 68% tƣơng đƣơng
khoảng 30 triệu tấn. Khoảng 18 triệu tấn tro bay đƣợc sử dụng trong công nghiệp
xây dựng và san lấp hầm mỏ. Phần lớn tro bay làm phụ gia bê tông, kết cấu đƣờng
và làm vật liệu để sản xuất clinke xi măng. Tro bay cũng đƣợc sử dụng trong xi
măng trộn, bê tông khối và làm chất điền lấp[19].
Tại Trung Quốc, hàng trăm triệu tấn tro bay thải ra mỗi năm[14]. Do vậy,
chính phủ Trung Quốc rất khuyến khích phát triển các công nghệ liên quan đến
việc sử dụng tro bay. Năm 2005, lƣợng tro bay đƣợc sử dụng ở đất nƣớc này đã
vƣợt qua cả lƣợng tro bay đƣợc tạo ra.
Tại Ấn Độ, chính phủ nƣớc này đã có nhiều quy định để nâng cao nhận thức
về lợi ích của việc sử dụng tro bay cho các sản phẩm khác nhau[25]. Tro bay là
nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất vật liệu xây dựng nhƣ xi măng pha trộn, gạch
tro bay, gạch ốp lát và các khối rỗng trong xây dựng. Chúng đƣợc ứng dụng một
lƣợng lớn để rải đƣờng, xây dựng kè và san lấp hầm mỏ. Sản phẩm tro bay có
nhiều lợi thế hơn so với các sản phẩm thông thƣờng. Lƣợng xi măng sử dụng trong
sản xuất sản phẩm xây dựng có thể giảm bằng cách thay thế bằng tro bay và lƣợng
tro bay có thể thay thế lên tới 50%. Những sản phẩm chứa tro bay có độ bền cao,
7

hiệu quả hơn và tiết kiệm đáng kể nguyên liệu. Việc sử dụng tro bay ở Ấn Độ đã
tạo ra công ăn việc làm cho khoảng 3000 lao động[26].
1.1.2.2. Ở Việt Nam
Ở nƣớc ta, các nghiên cứu về tro bay, đặc biệt là nghiên cứu sử dụng tro bay
trong các lĩnh vực kỹ thuật còn khá mới mẻ. Tuy nhiên, gần đây đã có một số công
trình nghiên cứu ứng dụng tro bay làm vật liệu kết dính trong xây dựng [4, 3].
Một số công trình nghiên cứu chế tạo zeolit từ tro bay ứng dụng trong xử lí môi
trƣờng (hấp thụ các kim loại nặng và xử lí chất thải rắn). Tác giả Nguyễn Văn Nội
và cộng sự đã xử lí tro bay bằng dung dịch NaOH 3,5M để thu đƣợc zeolit Na.
Zeolit biến tính từ tro bay đƣợc tạo hạt với đất sét trắng dùng làm chất hấp phụ các
kim loại nặng [30].
Tác giả Tạ Ngọc Đôn và cộng sự đã xử lí tro bay trong dung dịch kiềm. Sau khi xử
lí tro bay chuyển hóa thành zeolit P1 và có thể sử dụng làm chất xử lí ô nhiễm môi
trƣờng [7].
Tác giả Lê Thanh Sơn và cộng sự cũng đã nghiên cứu xử lí tro bay làm vật liệu hấp
phụ cải tạo đất [3, 22].
Vấn đề nghiên cứu xử lí, biến tính tro bay để ứng dụng trong lĩnh vực cao su
và chất dẻo cũng đã đƣợc một số tác giả quan tâm. Tác giả Thái Hoàng và cộng sự
đã nghiên cứu biến tính bề mặt tro bay bằng 2 tác nhân liên kết silan là vinyl
trimetoxy silan (VTMS) và 3-glycidoxy propyl trimetoxy silan (GPTMS)[9]. Kết
quả thu đƣợc cho thấy, trên bề mặt tro hình thành một lớp màng silan hữu cơ rất
mỏng. Tro bay sau khi biến tính đƣợc sử dụng chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở
nhựa PE, PP và EVA.
Việc nghiên cứu tái sử dụng tro bay ở nƣớc ta nói chung còn khá mới mẻ. Các tác
giả thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tiến hành một số đề
tài về chế tạo vật liệu tổ hợp polyme/tro bay và thu đƣợc kết quả tốt. Đó là các vật
liệu tổ hợp PP, PE, EVA/tro bay; vật liệu tổ hợp trên cơ sở hỗn hợp
HDPE/LLPE/tro bay làm các loại ống cứng, ống gân xoắn [22, 8]…

8


1.1.3. Thành phần, đặc điểm, hình thái cấu trúc của tro bay
Tro bay (Fly Ash) là một loại bụi đƣợc tạo ra từ quá trình đốt than của các nhà máy
nhiệt điện thải ra môi trƣờng. Các hạt bụi tro đƣợc đƣa ra qua các đƣờng ống khói
sau đó đƣợc thu hồi từ phƣơng pháp tĩnh điện, tuyển nổi hoặc phƣơng pháp cơ học.
Tro bay thƣờng có màu xám, ghi sáng hoặc trắng mờ và thƣờng tồn tại ở dạng hạt
hình cầu. Hình 1.3 là hình dạng của các hạt tro bay.

Hình 1.3: Ảnh SEM hình dạng các hạt tro bay [21].
Kích thƣớc hạt tro bay nằm trong khoảng (2-350 µm). Ba phần tƣ tro bay có
kích thƣớc hạt nhỏ hơn 45 µm, trong đó tro bay siêu mịn thì thƣờng có kích thƣớc
hạt nhỏ hơn nhiều. Một vài trƣờng hợp, tro bay còn mang hình dạng bất thƣờng với
hình dạng hạt tro không xác định.
Tro bay là một loại puzzolan nhân tạo, có tính puzzolan cao, thành phần hóa học
chủ yếu là hỗn hợp của các oxit vô cơ nhƣ: SiO2, Al2O3, CaO, SO3, MgO và một
lƣợng than chƣa cháy hết (gọi là hàm lƣợng mất khi nung)
Tùy thuộc vào công nghệ thu hồi, công nghệ đốt than mà thành phần các oxit có
trong tro bay của nhà máy nhiệt điện là khác nhau. Có 2 loại tro bay là tro bay loại
C (hàm lƣợng Ca và Mg cao, tới 20%) và tro bay loại F (hàm lƣợng Ca và Mg nhỏ
hơn nhiều so với tro bay loại C).
9


Bảng 1.4 thể hiện thành phần tro thải của các nhà máy nhiệt điện ở miền Bắc nƣớc
ta.
Bảng 1.4: Thành phần tro thải của các nhà máy nhiệt điện ở miền Bắc nước ta [5]

Tro thô

Tro mịn (tro bay)

Phả Lại 1

27%

73%

Phả Lại 2

27%

73%

Ninh Bình

27%

73%

Uông Bí

29%

71%

Nhà máy

A. Tro thô đáy lò

B. Tro mịn

Hình 1.4: Hình thái cấu trúc tro thô và tro mịn của nhà máy nhiệt điện ở miền Bắc
nước ta [5].

10


Bảng 1.5: Thành phần hóa học của tro bay ở một số nhà máy nhiệt điện ở miền
Bắc nước ta [5]
Nhà máy
Thành phần

Phả Lại 1,2 (%)

Uông Bí (%)

Ninh Bình (%)

SiO2

58,4

58,5

60,7

Al2O3

26,1

28,1

27,2

Fe2O3

7,2

6,1

4,8

CaO

0,7

0,8

0,4

MgO

1,2

1,1

0,8

Na2O

0,4

0,1

0,2

K2O

4,3

2,6

4,3

SO3

0,3

-

0,3

Lƣợng mất khi
nung(%)

15-35

20-45

20-40

Bảng 1.6: Hàm lượng các oxit chủ yếu trong tro bay loại C và loại F [15]
Thành phần

Tro bay loại F(%)

Tro bay loại C(%)

SiO2

55

40

Al2O3

26

17

Fe2O3

7

6

CaO

9

24

MgO

2

5

SO3

1

3

11


1.1.4. Biến tính tro bay
Phần lớn các hạt tro bay có bề mặt tƣơng đối nhẵn, trơn trƣợt nên tro bay
tƣơng đối trơ về mặt hóa học. Để tăng cƣờng hiệu quả sử dụng tro bay trong nền
polyme hữu cơ, ngƣời ta thƣờng biến tính hữu cơ bề mặt tro bay. Các phƣơng pháp
chính để biến tính tro bay là phƣơng pháp thủy nhiệt axit hữu cơ, axit vô cơ, kiềm,
silan hữu cơ,…
+ Phương pháp thủy nhiệt axit
Hai tác giả Samson Oluwaseyiba Bada và Sanja Potgieter-Vemaak thuộc
TrƣờngĐại học Witwatersrand, Nam Phi [34] đã nghiên cứubiến tính tro bay bằng
cách sử dụng axit HCl 1M. Sau khi xử lí axit, diện tích bề mặt riêng của tro bay
tăng từ 2,9969 m2 /g đến 5,4116 m2/g. Nguyên nhân là do sự ăn mòn lớp bên

ngoài của tro bay. Kết quả khảo sát bằng ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy
các vết nứt đƣợc tạo ra bởi sự ăn mòn lớp ngoài của tro bay (do phản ứng hóa học
của axit HCl phá vỡ chuỗi thủy tinh bảo vệ bao gồm Al, Si, C), làm lộ ra các thành
phần lõi bên trong của tro bay bao gồm các hạt xốp, rỗ và vô định hình, dẫn đến
làm tăng số lƣợng mao quản. Tro bay sau khi biến tính đƣợc sử dụng làm chất hấp
phụ đã cải thiện hiệu suất hấp phụ thông qua sự gia tăng diện tích bề mặt riêng và
thay đổi các tính chất bề mặt.

A

B

Hình 1.5: Ảnh SEM của tro bay chưa biến tính (A) và tro bay biến tính axit stearic
(B) [35].
12


Quan sát hình 1.5.A ta thấy các hạt tro bay có bề mặt nhẵn, trơn trƣợt. Các hạt tro
bay có sự co cụm với nhau nên có kích thƣớc tƣơng đối lớn.
Hình 1.5 B cho thấy sau khi biến tính, trên bề mặt tro bay xuất hiện lớp axit
hữu cơ bao xung quanh. Ngoài ra, kích thƣớc hạt tro bay cũng giảm so với hạt tro
bay chƣa biến tính. Nhƣ vậy, biến tính tro bay đã cải thiện hình thái bề mặt của hạt,
giảm kích thƣớc của hạt dẫn tới làm tăng diện tích bề mặt riêng. Phần hữu cơ bao
quanh tro bay làm cải thiện độ trơn trƣợt, giúp tro bay bám dính và phân tán vào
polyme tốt hơn.
+ Phương pháp thủy nhiệt kiềm.
Để giảm giá thành và cải thiện một số tính chất của vật liệu tổ hợp nền polyme, các
loại chất độn vô cơ nhƣ silicac, canxi cacbonat thƣờng đƣợc sử dụng để đƣa vào
polyme. Tro bay thích hợp để làm chất phụ gia cho polyme vì có khả năng phân
tán tốt và khá linh động. Tuy nhiên, việc sử dụng tro bay làm chất độn cho polyme

chƣa đƣợc sử dụng rộng rãi cho đến nay vì 2 lí do sau:
- Thứ nhất, liên kết bề mặt giữa tro bay và polyme yếu vì tro bay có bề mặt nhẵn,
trơn trƣợt.
- Thứ hai, tro bay chủ yếu có màu xám nên màu sắc của sản phẩm bị hạn chế.
Mặc dù liên kết giữa tro bay và polyme có thể đƣợc cải thiện nhờ sử dụng chất
liên kết hoặc biến đổi bề mặt tro bay nhƣng màu sắc gần nhƣ không đƣợc cải
thiện. Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu về màu sắc của tro bay trong các ngành công
nghiệp nhựa và cao su, nhóm tác giả GuanjieZhaivà cộng sự[38] đã nghiên cứu
biến đổi bề mặt tro bay và tăng cƣờng độ trắng của hạt tro bay bằng cách tráng
phủ hỗn hợp hay hệ chất Ca(OH)2-CO2-H2O. Hình thái của tro bay trƣớc và sau
khi tráng phủ hỗn hợp trên đƣợc thể hiện trên hình 1.6.

13


B. Tro bay đã tráng phủ

A. Tro bay banđầu.

Hình 1.6: Ảnh SEM của tro bay trước và sau khi tráng phủ [38]
Quan sát từ hình 1.6B ta thấy xuất hiện một lớp phủ đơn trên bề mặt tro bay (gần
nhƣ 100% so với các hạt tro bay không tráng phủ ở hình 1.6A). Tro bay sau khi
tráng phủ có bề mặt thô ráp và diện tích bề mặt riêng tăng cao, từ 3,03m2/g đến
9,77m2/g, tăng 222%. Giá trị độ trắng của tro bay tăng trong phạm vi lớn từ 29,8
đến 66,63, tăng 123,59%.
+ Phương pháp thuỷ nhiệt bằng silan hữucơ:
Các tác giả Nabil A N Alkadasi, D G Hundiwale và U R Kapadi [28] ở
Trƣờng Đại học Bắc Maharashtra đã dùng tác nhân liên kết Si-69 (Bis(3trietoxy silyl propyl) tetrasulphit) để biến tính tro bay. Hình thái cấu trúccủa
tro bay chƣa biến tính và biến tính đƣợc thể hiện trên hình1.7.

14


B

A

Hình 1.7: Ảnh SEM của tro bay chưa biến tính (A) và biến tính bằngSi69(B)[28].
Từ ảnh SEM trên hình 1.7 có thể thấy tro bay biến tính có hình dạng đồng đều hơn,
phần lớn là hình cầu và các hạt tách rời nhau, trong khi tro bay chƣa biến tính có
xu hƣớng kết tụ, co cụm với nhau nên kích thƣớc hạt lớn hơn. Nhƣ vậy, sau khi
biến tính bằng Si-69, các hạt tro bay đã tách rời nhau, kích thƣớc hạt giảm dẫn đến
diện tích bề mặt riêng lớn, năng lƣợng bề mặt tăng lên. Tro bay sau khi biến tính
ƣahữu cơ hơn, phân tán và bám dính với polyme tốt hơn [28].
1.1.5. Ứng dụng của tro bay
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, hiện nay tro bay đƣợc sử dụng
rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành vật liệu xây dựng.
- Ứng dụng tro bay làm phụ gia trong sản xuất bê tông đầm lăn
Dùng tro bay làm phụ gia bê tông sẽ làm tăng độ bền bê tông lên từ 1,5 – 2 lần,
làm tăng độ nhớt của vữa giúp bê tông chui vào các khe lỗ dễ dàng, “khử vôi tự do
CaO” trong xi măng (khoảng 6%) là thành phần gây “nổ” làm giảm chất lƣợng bê
tông trong môi trƣờng nƣớc. Ngoài ra giúp tăng độ bền, kéo dài tuổi thọ công trình,
giá thành có thể rẻ hơn đến 30%, giảm 10% nƣớc trộn bê tông.
- Ứng dụng trong ngành sản xuất xi măng

15