Nghiên cứu chế tạo vật liệu geopolymer chống tia X từ tro bay và zeolite thải

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

NGUYỄN NGỌC TRAI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU GEOPOLYMER
CHỐNG TIA X TỪ TRO BAY VÀ ZEOLITE THẢI

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 8520301

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG

Phản biện 1: PGS.TS PHẠM CẨM NAM
Phản biện 2: PGS.TS LÊ MINH ĐỨC

Luận văn sẽ đơợc bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ Thuật Hóa Học họp tại Trường Đại
Học Bách Khoa vào ngày 21 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luân văn tại:
-

Trung tâm học liệu, Đại Học Đà Nẵng tại Trường Đại
Học Bách Khoa Đà Nẵng

-

Thư viện Khoa Hóa, Trường Đại Học Bách Khoa Đà
Nẵng.


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Theo thống kê và dự báo của Bộ xây dựng, đến năm 2020 cả
nước ta sẽ có thêm 28 nhà máy nhiệt điện chạy than đi vào hoạt động
và lượng tro bay sẽ thải ra hàng năm khoảng 60 triệu tấn... Nhà máy
lọc dầu Bình Sơn thải ra khoảng 1500 tấn chất thải xúc tác RFCC/
năm. Chất xúc tác FCC (chủ yếu là zeolite) đã mất hoạt tính sẽ trở
thành chất thải thuộc loại nguy hại, bề mặt xúc tác đã bị đầu độc bởi
các kim loại nặng, các hydrocacbon và bị cốc hoá. Kích thước hạt
giảm do xúc tác bị vỡ vụn, vì thế bụi của chúng có khả năng gây
bệnh bụi phổi silic, ung thư khi tiếp xúc và hít phải liên tục trong
thời gian dài. Từ những điều trên, cho thấy những nguy cơ tiềm ẩn
về tác động bất lợi đến môi trường của tro bay và zeolite ở Việt Nam
là rất lớn.
Trong y tế, tia X được phát triển để sử dụng cho chụp hình y tế
để chẩn đoán hình ảnh, trong việc xác định bệnh lý về xương, nhưng
cũng có thể giúp ích tìm ra các bệnh về phần mềm. Tuy nhiên, tia X

có khả năng gây ion hóa các chất hoặc có các phản ứng gây nguy
hiểm cho con người. Do nguy hiểm đối với sức khỏe con người nên
người ta dùng chì (Pb) hoặc bột barit (BaSO4) làm vật liệu ngăn cản
tia X. Nhưng hiện tại chì rất độc và bột barit làm cho vật liệu có
cường độ rất thấp, nên vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu vật liệu thân
thiện với môi trường, vừa đáp ứng các yêu cầu về xây dựng, vừa có
khả năng ngăn cản tia X để xây dựng các cơ sở có sử dụng tia X vào
mục đích phục vụ cho cuộc sống, ngăn cản tia X ra môi trường xung
quanh.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy vật liệu geopolymer có
khả năng đáp ứng được các yêu cầu trên. Geopolymer là loại
polymer vô cơ được tạo ra bởi phản ứng giữa dung dịch kiềm và một


2
nguyên liệu aluminosilicate. Phối liệu sau khi đóng rắn có cấu trúc
vô định hình giống như thủy tinh aluminosilicate. Nguyên liệu để sản
xuất geopolymer là hydroxyt của kim loại kiềm hoặc là thủy tinh
lỏng (chất hoạt hóa) và một chất liên kết aluminosilicate mịn. Ngoài
ra, còn sử dụng các loại nguyên liệu aluminosilicate khác như tro
bay, xỉ lò cao, meta caolanh. Geopolymer có công thức cấu tạo Mn[(Si-O)z-Al-O]n.wH2O, trong đó M là Na+ hoặc K+.
Nhận thức được vấn đề này cộng với sự định hướng của giảng
viên hướng dẫn, đồng thời mong muốn được tìm hiểu về một loại vật
liệu mới vừa đáp ứng được yêu cầu về xây dựng, vừa có tác dụng
ngăn cản được tia X ra môi trường tại các cơ sở sử dụng tia X, đặc
biệt giải quyết được chất thải từ các nhà máy nhiệt điện, nhà máy lọc
dầu, mở ra một hướng mới trong xử lí, tận dụng zeolite và tro bay,
hoàn thiện công nghệ mới đưa vào ứng dụng thực tiễn nên tôi đã
chọn đề tài “Nghiên cứu sản xuất vật liệu geopolymer chống tia X
từ tro bay và zeolite thải”.

2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định thành phần hóa của tro bay, zeolite thải.
- Xác định thành phần hóa của tác nhân hoạt hóa (thủy tinh
lỏng).
- Xác định các nhóm chức tồn tại trong tro bay, zeolite thải và
vật liệu geopolymer bằng phương pháp hồng ngoại.
- Xác định sự phụ thuộc của cường độ vật liệu geopolymer vào
các yếu tố như nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ, môđun silicate (Ms),
tỉ lệ nước/pha rắn geopolymer (nước ở đây gồm nước hòa tan NaOH,
nước trong thủy tinh lỏng và lượng nước thêm vào để trộn và tăng
khả năng công tác của vữa; pha rắn gồm tro bay, NaOH khan và
Na2SiO3).
- Xác định khả năng che chắn bức xạ tia X của vật liệu
geopolymer.


3
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu geopolymer tổng hợp ở
các điều kiện nhiệt độ và thời gian dưỡng hộ khác nhau, theo quy
trình đi từ khoáng silicate được polymer hóa trong môi trường kiềm
(Na2SiO3; NaOH).
3.2. Phạm vi nghiên cứu: Trong đề tài này, chúng tôi nghiên
cứu lí thuyết kết hợp với thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm.
4. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học
- Xác định được các điều kiện tối ưu để chế tạo vật liệu
geopolymer từ tro bay và zeolite thải.
- Xác định được các tính chất kỹ thuật của vật liệu
geopolymer.

- Tìm hiểu được khả năng che chắn tia X của vật liệu
geopolymer.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Có tính xã hội cao do phù hợp với xu thế hiện đại là thời đại
phát triển vật liệu không nung; phù hợp với chiến lược phát triển vật
liệu xây không nung của chính phủ. Đáp ứng kịp thời cho sự chuyển
đổi sang thời kỳ của những vật liệu tiên tiến, vật liệu xanh thân thiện
với môi trường.
- Xác định được các điều kiện tối ưu để chế tạo vật liệu
geopolymer từ tro bay và zeolite thải
- Xác định được các tính chất kỹ thuật của vật liệu
geopolymer.
- Tìm hiểu được khả năng che chắn tia X của vật liệu
geopolymer.


4
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ GEOPOLYMER
1.1. Giới thiệu geopolymer aluminosilicate
1.2. Nguyên liệu sản xuất geopolymer aluminosilicat
1.2.1. Tro bay
1.2.2. Zeolite
1.2.3. Thủy tinh lỏng
1.2.4. NaOH
1.3. Khái niệm geopolymer
1.3.1. Cơ chế hình thành geopolymer
1.3.2. Cấu trúc của geopolymer
1.3.3. Lịch sử phát triển và ứng dụng của geopolymer
1.3.4. Lợi ích của việc nghiên cứu geopolymer
1.4. Giới thiệu một số hệ geopolymer khác

1.4.1. Geopolymer trên cơ sở photphate
1.4.2. Geopolymer khoáng hữu cơ
CHƢƠNG 2 - MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm ra bài cấp phối thích hợp để chế tạo sản xuất vật liệu
geopolymer từ hỗn hợp zeolite, tro bay. Xác định các yếu tố ảnh
hưởng tới quá trình polymer hóa và các tính chất của kỹ thuật của nó.
2.2. Nội dung nghiên cứu
Với mục đích như trên, tôi đã đề ra nội dung nghiên cứu như
sau:
- Xác định thành phần kích thước hạt, thành phần hóa nguyên
liệu.
- Xác định khối lượng riêng và độ pH của thủy tinh lỏng.
- Xác định cường độ chịu nén của vật liệu geopolymer.


5
- Xác định thành phần khoáng của nguyên liệu, vật liệu
geopolymer bằng phương pháp XRD
- Xác định hình thái bề mặt vật liệu bằng phương pháp chụp
ảnh SEM.
- Xác định khả năng che chắn bức xạ tia X của vật liệu nhờ thí
nghiệm với các chất phóng xạ 137Cs và 60Co.
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Trong luận văn này, giản đồ nhiễu xạ XRD được ghi trên máy
Siemens D5005 với tia phát xạ CuKα có bước sóng, góc quét từ 10o
đến 70o, góc mỗi bước quét là 0,03o và thời gian quét mỗi bước là 2s.
Xem hệ thống phân tích nhiễu xạ tia X ở hình 2.3 như sau:

Hình 2. 1: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của một ống phát
tia X [24]
2.3.2. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Trong luận văn này ảnh SEM của các mẫu được chụp bằng
máy JEOL 5410LV, của hãng JEOL, Nhật Bản. Máy có thế làm việc
từ 1 đến 30kV, độ phân giải 3,5nm, độ phóng đại: từ 50X đến


6
200.000X, có chế độ làm việc ở điều kiện chân không thấp, được tích
hợp với hệ phân tích thành phần nguyên tố EDS của Hãng
OXFORD- UK: ISIS 300.

Hình 2.2: Sơ đô hoạt động của SEM
2.3.3. Xác định cường độ chịu nén
Sản phẩm mà đề tài chúng tôi thực hiện là geopolymer được
ứng dụng làm gạch xây dựng (không nung). Do đó, tôi xác định
cường độ chịu nén của sản phẩm dựa theo TCVN 6355-1:1988 (xác
định độ bền nén gạch xây) [27].
2.3.4. Xác định thành phần hóa của thủy tinh lỏng công
nghiệp
2.3.4.1. Xác định hàm lượng của silic đioxit
Xác định hàm lượng silic đioxit bằng phương pháp khối lượng
(phương pháp trọng tài) theo tiêu chuẩn ngành 64 TCN 38 -86 (natri
silicat) [28].
Hàm lượng silic đioxit SiO2 trong mẫu tính bằng %, theo cônG
thức:

7

M SiO2 

m2  m1
100[%]
m

Trong đó:
+ m2: Khối lượng cốc cân và ôxít silic, tính bằng g.
+ m1: Khối lượng cốc cân, tính bằng g.
+ m: Lượng mẫu cân để thử, tính bằng g.
2.3.4.2. Xác định hàm lượng nước của thủy tinh lỏng
- Độ ẩm tuyệt đối hay độ ẩm tính theo mẫu khô được tính theo
công thức:

W

g0  g1
100[%]
g1

Trong đó: + W: Độ ẩm tuyệt đối của nguyên liệu, [%].
+ g0: Khối lượng nguyên liệu ẩm, [g].
+ g1: Khối lượng nguyên liệu sấy khô đến khối
lượng không đổi, [g].
- Độ ẩm tương đối (W0) hay độ ẩm tính theo mẫu ướt, tính
theo công thức:

W0 

g0  g1
100[%]
g0

Sự phụ thuộc giữa độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối biểu thị
qua công thức:

W 100
[%]
100  W
W 100
W 0
[%]
100  W0

W0 

2.3.5. Phân tích thành phần kích thước hạt nguyên liệu


8
Trong đề tài này, chúng tôi thực hiện phân tích thành phần
kích thước hạt của nguyện liệu sử dụng theo phương pháp sàng.
2.3.6. Hiện tƣợng hấp thụ bức xạ tia X hoặc tia gamma và hệ số
suy giảm tuyến tính

Hấp thụ
Hình 2. 2: Sự suy giảm cường độ gamma khi truyền qua vật liệu

I0

I

Đầu dò

Nguồn

x

CHƢƠNG 3 - NGUYÊN LIỆU VÀ QUY TRÌNH THỰC
NGHIỆM
3.1. Nguyên liệu
3.1.1. Tro bay
3.1.2. Zeolite
3.1.3. Thủy tinh lỏng
3.1.4. Natri hydroxit (NaOH)
3.1.5. Cát


9
Bảng 3. 1: Thành phần cỡ hạt cát tiêu chuẩn
Kích thước lổ vuông, Phần còn lại trên sàng của cát TCVN 6227 mm
1996, %
2

0

1.6

7±5

1

33± 5

0.5

67 ± 5

0.16

87 ± 5

0.08

99 ± 1

3.1.6. Nước
3.2. Dụng cụ và quy trình thực nghiệm
3.2.1. Dụng cụ
3.2.2. Quy trình thực nghiệm
3.2.2.1. Chuẩn bị dung dịch hoạt hóa
Dung dịch tác nhân hoạt hóa được phối trộn từ NaOH (được
hòa tan hoàn toàn trong nước thành dung dịch) với thủy tinh lỏng để
có thể tạo nhiều modul silicate (Ms) khác nhau. Modul silicat được
tính theo công thức sau:

Ms 

SiO2 %TL
Na 2 O%TL

Chúng tôi sử dụng dung dịch hoạt hóa với Ms =1. Dung dịch
hoạt hóa này được chuẩn bị khoảng 1 ngày trước khi tiến hành thí
nghiệm.


10
3.2.3.2. Thực nghiệm
Chuẩn bị vữa, bằng cách trộn cát, tro bay và dung dịch hoạt
hóa. Dùng khuôn 4×4×16 cm để tạo hình mẫu. Quy trình chuẩn bị
mẫu như trong hình 3.2.
Thủy
tinh
lỏng

Dung
dịch
NaOH

Tro
bay,
zeolite

Cát

Định
lƣợng

Định
lƣợng

Định
lƣợng

Định
lƣợng

Khuấy
trộn

Khuấy
trộn
Đổ
khuôn

Sấy

Tháo
khuôn

Dƣỡng
hộ
Hình 3. 1: Quy trình chuẩn bị mẫu


11
CHƢƠNG 4 - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1. Xác định đặc trƣng của tro bay

Thành phần hóa của tro bay Formosa được xác định trên máy
XRF tại Viện Công nghệ gốm sứ Tập đoàn Prime, Vĩnh Phúc; độ
mịn của tro bay được xác định qua phân tích bằng sàng. Kết quả thí
nghiệm được thể hiện qua bảng 4.1.
Bảng 4. 1 : Thành phần hóa học của Zeolite (% trọng lượng)
Mất khi SiO2
nung

Fe2O3

Al2O3

SO3

8,43

5,63

22,46

2,57

42,40

Lượng sót sàng
0,063
mm

0,045 mm

1,72

5,91

Như vậy tro bay Formosa thuộc loại F (tổng hàm lượng
SiO2+Al2O3+Fe2O3> 70% trọng lượng) và khá mịn.
Ảnh SEM (xem hình 4.1) cho thấy tro bay Formosa Đồng Nai
có dạng hạt tròn điển hình của tro bay, kích thước hạt từ 5-6 µm, phù
hợp với lượng sót sàng 0,063 mm là 1,72%; sót sàng 0,045 mm là
5,91 mm.

Hình 4. 1: Ảnh XRD của Zeolite


12
4.2. Xác định đặc trƣng của zeolite thải
Zeolite thải từ quy trình lọc dầu của nhà máy lọc dầu Bình Sơn
có thành phần hóa trong bảng 4.2 và thành phần kích thước hạt
(đường cong tích lũy ) như trong hình 4.2.
Bảng 4. 2: Thành phần hóa của zeolite thải (% trọng lượng)
SiO2
Al2O3
Re2O3
P2O5
42,82

50,17

2,29

0,24

Hình 4. 2: Thành phần kích thước hạt zeolite thể hiện qua đường
cong tích lũy
Từ thành phần hóa cho thấy hàm lượng oxit nhôm rất cao
chiếm đến 50,17% trọng lượng nên đây là loại nguyên liệu quý có
thể ứng dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau như vật liệu
chịu lửa cao alumin, samôt..v.v.. Ở đây chúng tôi nghiên cứu để sử
dụng zeolite thải làm vật liệu geopolymer.
Từ đồ thị trên hình 4.2 có thể thấy zeolite thải có thành phần
kích thước hạt khá mịn (đường kính hạt trung bình d50 = 27,24 µm),
thành phần kích thước hạt nhỏ như trên sẽ tạo điều kiện cho quá trình


13
hoạt hóa khi zeolite tương tác với chất hoạt hóa kiềm trong quá trình
sản xuất vật liệu.
4.3. Xác định đặc trƣng của thủy tinh lỏng
Thủy tinh lỏng được sản xuất tại công ty cổ phần Hóa chất Đà
Nẵng có thành phần hóa và một số tính chất như trọng lượng thể tích
và độ pH được thể hiện trong bảng 4.3 như sau.
Bảng 4. 3: Thành phần hóa và tính chất thủy tinh lỏng
SiO2 (%TL) Na2O (%TL) H2O (%TL) ρv (g/cm3) pH
26,3

20,0

53,7

1,48

11,3

4.4. Xác định đặc trƣng của cát
Cát sử dụng cho đề tài nghiên cứu này là cát sông cát Túy
Loan được mua về và làm sạch qua các bước lọc rửa loại bỏ tạp chất
và sấy khô. Sau đó đem cát sàng theo phương pháp sàng khô theo
tiêu chuẩn TCVN 6227 – 1996. Kích thước hạt cát được thể hiện
trong biểu đồ hình 4.3. Như vậy cát sử dụng phù hợp với cát theo
tiêu chuẩn TCVN 6227 – 1996 (đường màu đỏ).


14
Hình 4. 3: Thành phần kích thước hạt của cát (đường cong tích lũy)

4.5. Xác định thành phần cấp phối và cƣờng độ R28 của vật
liệu geopolymer
Cấp phối vữa geopolymer gồm cát, tro bay (hay zeolite) và
dung dịch hoạt hóa. Tỉ lệ cát/tro bay (hay zeolite) là 3/1, tỉ lệ của
dung dịch hoạt hóa 2÷3. Để xác định được bài cấp phối hiệu quả nhất
chúng tôi đã tiến hành làm thí nghiệm đối với mẫu tro bay, mẫu hỗn
hợp tro bay zeolite và zeolite. Thành phần các bài cấp phối, Ms và
Rn28 (dưỡng hộ ở 60oC trong 24 h) trong suốt quá trình thí nghiệm
được thể hiện ở các bảng 4.4, 4.5, 4.6 và hình 4.6 như sau:
Bảng 4. 4: Thành phần phối liệu chế tạo vật liệu geopolymer theo
trọng lượng cấu tử
Mẫu Tro (g) Zeolite (g) NaOH (g) Thủy tinh lỏng(g)
FA1 400
127.8
222

FA2 450
153.4
266.4
FA3 420
153.4
266.4
FZ1 200
200
127.8
222
FZ2 225
225
153.4
266.4
FZ3 210
210
153.4
266,4
ZE1 400
127.8
222
ZE2 450
153.4
266.4
ZE3 420
153.4
266.4
Bảng 4. 5: Thành phần cấp phối chế tạo vật liệu geopolymer (%
trọng lượng), Ms và cường độ chịu nén 28 ngày của vật liệu
Mẫu Tro

Zeolite NaOH TTL

Ms

Rn28 (MPa)


15
29,61 4,4
30,63 4,2

Không tạo hình được

FA1

53,35 -

17,04

FA2

51,74 -

17,63

FA3

50,01 -

18,26

FZ1

26,67 26,67

17,04

FZ2

25,87 25,87

17,63

FZ3

25,01 25,01

18,26

ZE1

-

53,35

17,04

ZE2

-

51,74

17,63

29,61 4,01 17,00
30,63 3,82 18,88

ZE3

-

50,01

18,26

31,72 3,64 22,67

3,19

31,72 4,04 8,71
29,61 4,2 12,08
30,63 4,04 12,97
31,72 3,83 15,36

Bảng 4. 6: Thành phần cấp phối chế tạo vật liệu geopolymer (theo
trọng lượng cấu tử) có bổ sung cốt liệu cát và nước
Mẫu Tro
Zeolite

NaOH
Thủy tinh
Cát
Nước
(g)
(g)
(g)
lỏng (g)
(g)
(g)
FA1 400
127,8
222
1200 150
FA2 450
153,4
266.4
1350 120
FA3 420
153,4
266.4
1260 120
FZ1 200
200
127,8
222
1200 30
FZ2 225
225
153,4

266.4
1350 45
FZ3 210
210
153,4
266,4
1260 45
ZE1 400
127,8
222
1200 21
ZE2 450
153,4
266.4
1350 15
ZE3 420
153,4
266.4
1260 15
So sánh sự ảnh hưởng của Ms (%SiO2/%Na2O) đến cường độ
chịu nén của mẫu khi dưỡng hộ ở 60oC trong 24h của các mẫu vật
liệu được thể hiện ở hình 4.4.


16

Hình 4. 4: Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của cường độ chịu nén của
vật liệu geopolymer vào Ms

Trong quá trình thí nghiệm chúng tôi thấy hàm lượng nước sử

dụng cho mẫu có zeolite thì thấp hơn rất nhiều so với mẫu dùng tro
bay hoặc là hỗn hợp tro bay và zeolite.
Như vậy có thể thấy vật liệu geopolymer từ zeolite rất hứa hẹn
làm nguyên liệu để sản xuất vật liệu geopolymer so với nguyên liệu
truyền thống là tro bay.
4.6. Xác định quá trình phát triển cƣờng độ của vật liệu
Để xác định quá trình phát triển cường độ của vật liệu
geopolymer với các cấp phối khác nhau chúng tôi quan sát các mẫu
FA3, FZ3 và ZE3 tại các nhiệt độ 60oC trong 24 h và 80oC trong 12 h
theo thời gian dưỡng hộ 7 ngày, 14 ngày, 28 ngày.
Kết quả Được thể hiện trên bảng 4.7 và hình 4.5 như sau.


17
Bảng 4. 7: Kết quả đo sự phát triển cường độ của mẫu FA3,
FZ3,ZE3
Mẫu

FA3 (từ tro bay)

FZ3 (từ hỗn hợp tro bayzeolite)

ZE3 (từ zeolite)

60⁰C, 24h

80⁰C, 12h

60⁰C, 24h

80⁰C, 12h

60⁰C, 24h

80⁰C, 12h

10,25

12,97

21,25

19,17

30,97

11,83

13,78

23,00

20,15

33,91

14,87

13,36

24,64

22,67

36,98

Rn7
6,45
(MPa)
Rn14
7,08
(MPa)
Rn28
8,71
(MPa)

Hình 4. 5: Biểu đồ thể hiện sự phát triển cường độ của mẫu
FA3, FZ3, ZE3 ở 60oC trong 24 h và 80oC trong 12 h theo thời
gian dưỡng hộ 7 ngày, 14 ngày, 28

ngày


18
4.7. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) vật liệu geopolymerĐể phân
tích định tính và bán định lượng các khoáng trong vật liệu
geopolymer, chúng tôi sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
với góc nhiễu xạ 2θ = 6÷70o. Giản đồ nhiễu xạ XRD của các mẫu
geopolymer FZ3 (từ hỗn hợp 50% tro bay và 50% zeolite), mẫu ZE3
(từ zeolite) được thể hiện trên hình 4.6 và 4.7.

VNU-HN-SIEMENSD5005- MauM4- Geopolymer khong nung
1500

d= 3.359

1400
1300
1200
1100

900
800
700
d= 4.258

L in (Cp s)

1000

600
500

d= 1.3803
d= 1.3721

d= 1.4497

d= 1.4182

d= 1.5387

d= 1.6681

d= 1.8165

d= 1.9754

d= 2.1233

d= 2.2827
d= 2.2342

100

d= 2.4555

200

d= 2.5829

300

d= 2.8917

d= 3.243
d= 3.206

400

0

7

10

20

30

40

50

60

70

2-Theta - Scale
File: Dung-DH DaNang-M4.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 3.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 05/30/18 18:50:03
46-1045 (*) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 53.47 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
29-0855 (N) - Palygorskite - MgAlSi4O10(OH)·4H2O - Y: 0.61 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
09-0438 (D) - Epidote - Ca2(Al,Fe)Al2Si3O12(OH) - Y: 0.99 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
15-0776 (I) - Mullite, syn - Al6Si2O13 - Y: 2.62 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
41-1486 (*) - Anorthite, ordered - CaAl2Si2O8 - Y: 4.01 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
36-0426 (*) - Dolomite - CaMg(CO3)2 - Y: 1.52 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
09-0466 (*) - Albite, ordered - NaAlSi3O8 - Y: 1.66 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

Hình 4. 6: Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu geopolymer FZ3 (từ hỗn hợp tro bay-zeolite)


19

Hình 4. 7: Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu geopolymer ZE3 (từ zeolite)
Giản đồ nhiễu xạ chứng tỏ vật liệu có pha tinh thể nhiều hơn
so với nguyên liệu tro bay hay zeolite ban đầu, nguyên nhân do vật
liệu được chế tạo dưới dạng vữa geopolymer, lượng cát (cốt liệu nhỏ)
đưa vào với lượng lớn gấp 3 lần lượng nguyên liệu aluminosilicate.
4.8. Phân tích hình thái bề mặt mẫu bằng kính hiển vi điện
tử quét (SEM).
Kết quả chụp ảnh SEM mẫu FZ3 (geopolymer từ hỗn hợp tro
bay và zeolite) được thể hiện trên hình 4.8a, mẫu ZE3 (geopolymer


20
từ zeolite) được thể hiện trên hình 4.8b. Hình thái bề mặt các mẫu
cho thấy vật liệu hình thành từ nhiều pha kết hợp chặt chẽ, có ít lỗ
xốp. Trên ảnh rất ít nhìn thấy hạt tròn đặc trưng của nguyên liệu đầu
là tro bay (hình 4.8a) hay hạt zeolite (hình 4.8b), chứng tỏ quá trình
phản ứng để hình thành geopolymer diễn ra khá tốt.

(a)
(b
)
)
Hình 4. 8: a) Ảnh SEM mẫu FZ3 (geopolymer từ hỗn hợp tro
bay và zeolite) b) Ảnh SEM mẫu ZE3 (geopolymer từ zeolite)
4.9. Đề xuất cấu trúc của các loại vật liệu geopolymer
Để đề xuất các loại cấu trúc geopolymer chúng tôi thiết lập tỉ
lệ SiO2/Al2O3 (mol/mol) của các mẫu vật liệu geopolymer đã chế tạo
như trình bày trong bảng 4.8.
Bảng 4. 8: Tỉ lệ SiO2/Al2O3 (mol/mol) của các mẫu

Mẫ FA FA FA FZ FZ2 FZ3
ZE ZE2
ZE3
u
1
2
3
1
1
Tỉ lệ SiO2/Al2O3
7,1
3,
2,
7,4
7
3,2 3
2 2
1
3
2


21
Kết hợp bảng 4.8 và các hình 1.9, 1.10, 1.11. 1.12 ta thấy cấu
trúc của các mẫu vật liệu geopolymer như sau:
+ Đối với mẫu vật liệu geopolymer sử dụng tro bay có tỉ lệ
SiO2/Al2O3 (mol/mol) từ 7 đến 7,4 cho thấy mẫu có cấu trúc Sialate
link geopolymer.
+ Đối với mẫu vật liệu geopolymer sử dụng hỗn hợp tro bay
và zeolite có tỉ lệ SiO2/Al2O3 (mol/mol) từ 3 đến 3,3 cho thấy mẫu

có cấu trúc gần giống với cấu trúc Polysialatedisiloxo geopolymer.
+ Đối với mẫu vật liệu geopolymer sử dụng zeolite có tỉ lệ
SiO2/Al2O3 (mol/mol) từ 2 đến 2,2 cho thấy mẫu có cấu trúc
Polysialate geopolymer.
4.10. Xác định khả năng che chắn tia X của vật liệu
geopolymer
Để xác định khả năng che chắn tia X của vật liệu geopolymer
chúng tôi sử dụng nguồn phát tia gamma là 137Cs với năng lượng 662
keV và 60Co với năng lượng 1173 và 1332 keV. Thí nghiệm được
tiến hành tại khoa Vật lý hạt nhân trường Đại học khoa học tự nhiên
TP Hồ Chí Minh. Hệ số suy giảm tuyến tính được tính từ kết quả
trung bình của 5 lần đo và được thể hiện trên bảng 4.9.
Bảng 4. 9: Hệ số suy giảm tuyến tính của các mẫu geopolymer
Năng
Hệ số suy giảm tuyến tính (cm-1)
Nguồn lượng
Mẫu FA3
Mẫu FZ3
Mẫu ZE3
(keV)
137
Cs
662
0,13724
0,13787
0,14616
60
Co
1173
0,09856

0.09857
0,10482
60
Co
1332
0,09566
0,09597
0,10132


22
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận:
1.1. Về nguyên liệu
- Đã xác định được thành phần hóa, thành phần kích thước hạt
và hình thái bề mặt hạt của tro bay Formosa Đồng Nai.
- Đã xác định được thành phần hóa, thành phần kích thước hạt
và hình thái bề mặt hạt của zeolite thải của nhà máy lọc dầu Bình
Sơn, Quảng Ngãi.
- Đã xác định được các thông số trọng lượng riêng và độ pH
của thủy tinh lỏng sản xuất tại công ty hóa chất Đà Nẵng.
- Đã chế tạo được cát tiêu chuẩn theo TCVN 6227 – 1996 từ
cát Túy Loan.
1.2. Về vật liệu geopolymer
- Đã chế tạo được vật liệu geopolymer từ tro bay, hỗn hợp tro
bay-zeolite và từ zeolite với nhiệt độ dưỡng hộ 60oC trong 24 h và
80oC trong 12 h.
- Qua kết quả thực nghiệm đã thu được nhiều kết luận đáng
chú ý như sau:
+ Đối với vật liệu geopolymer dùng tro bay khi hàm lượng tro

giảm dần từ 53,35% - 50,01% và tăng hàm lượng dung dịch hoạt hóa
thì Ms giảm từ 4,4 xuống 4,04; cường độ nén tăng dần khi Ms giảm
nhưng cường độ nói chung vẫn còn khá thấp.
+ Đối với vật liệu geopolymer dùng hỗn hợp 50% tro bay và
50% zeolite khi hàm lượng hỗn hợp giảm từ 53,35 - 50,01% và tăng
hàm lượng dung dịch hoạt hóa thì Ms giảm từ 4,2 xuống 3,83; cường
độ nén cũng tăng dần khi Ms giảm và tăng khá tốt từ 12,08-15,36
MPa.
+ Đối với vật liệu geopolymer dùng zeolite khi giảm hàm
lượng zeolite từ 53,35-50,01% và tăng hàm lượng dung dịch hoạt


23
hóa thì Ms cũng giảm từ 4,01 xuống còn 3,64; cường độ nén tăng
dần khi giảm Ms và tăng lên rất cao từ 16,99 MPa lên 22,67 MPa.
+ Thấy rằng khi dưỡng hộ vật liệu geopolymer ở nhiệt độ 80oC trong
12 h thì vật liệu sẽ có cường độ cao hơn rất nhiều so với mẫu
geopolymer dưỡng hộ ở 60oC trong 24 h. Cường độ mẫu vật liệu
geopolymer tăng lên rất nhanh trong giai đoạn sớm 7 ngày, khi tiếp
tục dưỡng hộ đến các giai đoạn 14 ngày và 28 ngày thì cường độ
tăng lên không nhiều.
+ Kết luận được hàm lượng nước sử dụng cho mẫu dùng
zeolite thì thấp hơn rất nhiều so với mẫu dùng tro bay hoặc là hỗn
hợp tro bay và zeolite. Điều này cho thấy vật liệu geopolymer dùng
zeolite có cường độ phát triển rất cao, lượng nước sử dụng cũng thấp
hơn rất nhiều so với vật liệu dùng tro bay. Điều này làm cho quá
trình trộn, tạo hình và chế tạo sản phẩm geopolymer dùng zeolite sẽ
dễ dàng hơn rất nhiều.
+ Đã phân tích thành phần khoáng nhờ nhiễu xạ tia X và phân
tích hình thái bề mặt của vật liệu geopolymer qua chụp ảnh SEM.

+ Đã đề xuất các cấu trúc dự kiến của vật liệu geopolymer đó
là cấu trúc Sialate link, Polysialatedisiloxo và Polysialate
geopolymer.
+ Về khả năng che chắn tia X, đối với nguồn 137Cs năng lượng
662 keV, hệ số suy giảm tuyến tính của mẫu ZE3 mới đạt 0,14616
cm-1. Đối với nguồn 60Co thì µ còn nhỏ hơn.
2. Một số kiến nghị
Chúng tôi có một số kiến nghị để tiếp tục thực hiện đề tài như
sau:
- Tiếp tục nghiên cứu xác định cấp phối tốt hơn (kể cả việc
cho thêm vào phối liệu quặng barit BaSO4) để có được sản phẩm có
khả năng chống tia X hữu hiệu nhất ứng dụng trong y tế.