Nghiên cứu ảnh hưởng của xúc tác thải trong công nghiệp dầu khí (fcc) đến tính chất cơ học của bê tông khí chưng áp dùng thay thế vật liệu xây dựng

TỔNG QUAN

Vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường

Ngành sản xuất gạch đất sét nung là một ngành truyền thống quan trọng trong xây dựng, nhưng việc phát triển tràn lan đã dẫn đến tiêu hao đất nông nghiệp và ô nhiễm môi trường Theo Bộ xây dựng, để sản xuất 1 tỷ viên gạch tiêu chuẩn, cần khoảng 1.5 triệu m³ đất sét, tương đương 75 ha đất nông nghiệp, và 150.000 tấn than, thải ra khoảng 0.57 triệu tấn khí CO2, góp phần vào hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm không khí.

Hình 1.1: Lò gạch đất sét công nghệ truyền thống

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 2

Để giải quyết những bất cập trong ngành vật liệu xây dựng và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng, cần hạn chế sử dụng đất canh tác, giảm tiêu thụ than, đồng thời bảo vệ môi trường và an sinh xã hội Quy hoạch tổng thể đến năm 2020 hướng tới việc tăng tỷ lệ gạch không nung lên 20-25% vào năm 2015 và 30-40% vào năm 2020 trong tổng số vật liệu xây dựng trong nước Đặc biệt, các công trình nhà cao tầng từ 9 tầng trở lên sẽ yêu cầu sử dụng tối thiểu 30% vật liệu xây dựng không nung loại nhẹ, với khối lượng – thể tích không lớn hơn 1.000 kg/m³.

Chương trình phát triển vật liệu xây không nung đến năm 2020 được xác định qua quyết định số 567/QĐ-TTg ngày 28/4/2010 của Thủ tướng Chính phủ Ngày 18/12/2017, Bộ Xây dựng ban hành Thông tư số 17/2017/TT–BXD quy định sử dụng vật liệu không nung trong các công trình xây dựng, có hiệu lực từ ngày 01/02 Theo đó, các công trình xây dựng sử dụng vốn ngân sách nhà nước, vốn nhà nước ngoài ngân sách, hoặc doanh nghiệp vay vốn với hơn 30% là vốn nhà nước phải áp dụng vật liệu không nung với tỷ lệ 100% tại Thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, cùng với các tỉnh vùng Đông Nam Bộ và Đồng Bằng Trung.

Tại khu vực phía Bắc, yêu cầu sử dụng tối thiểu 90% đất cho các khu đô thị loại III trở lên và tối thiểu 70% cho các khu vực khác Đối với các tỉnh còn lại, quy định là tối thiểu 70% cho đô thị loại III trở lên và tối thiểu 50% cho các khu vực khác Đặc biệt, các công trình xây dựng từ 9 tầng trở lên cần sử dụng tối thiểu 80% đất.

Vật liệu AAC (Bê tông khí chưng áp) là một loại bê tông đặc biệt với lịch sử phát triển dựa trên nhiều sáng chế.

Vào năm 1880, nhà nghiên cứu người Đức Michaels đã được cấp bằng sáng chế cho quy trình dưỡng hộ trong môi trường ẩm Năm 1889, Czech Hoffman cũng thành công trong việc thử nghiệm và được cấp bằng sáng chế với phương pháp tạo pha khí vào bê tông bằng khí carbon dioxide (CO2) Tại Mỹ, Aylsworth và Dyer đã phát triển hỗn hợp ximăng bọt từ bột nhôm và Ca(OH)2, nhận bằng sáng chế vào năm 1914 Hiện nay, bê tông khí chưng áp được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng với nhiều loại hình như khối xây Block, tấm Panel, kết cấu chịu lực, kết cấu không chịu lực, cùng với các ứng dụng cách âm và cách nhiệt.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 3

Các bộ phận khác nhau của công trình từ tường bao che, tường ngăn, tấm sàn, tấm lợp mái … [3]

Hình 1.2 : Sơ đồ công nghệ sản xuất bê tông AAC

Từ năm 2008, bê tông khí chưng áp đã được nhập khẩu và sử dụng tại Việt Nam, được sản xuất bằng công nghệ thân thiện với môi trường Sự ra đời của các nhà máy sản xuất đã đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước Tuy nhiên, giai đoạn đầu phát triển gặp khó khăn do thiếu điều kiện đầu tư cần thiết, với trình độ thiết bị và công nghệ ở mức trung bình, chưa đồng bộ và mức độ tự động hóa còn thấp.

Từ năm 2011, thị trường vật liệu xây dựng, đặc biệt là bê tông AAC, đã bị ảnh hưởng bởi khủng hoảng kinh tế, dẫn đến sự thu hẹp sản lượng Đến cuối tháng 12 năm 2014, tổng sản lượng bê tông AAC tại các nhà máy đạt khoảng 0,853 triệu m³ Hiện nay, sản phẩm bê tông AAC chủ yếu được sản xuất dưới dạng các khối xây (Block), được sử dụng để xây tường bao che và tường ngăn không chịu lực cho nhiều công trình như trường học, nhà ở, bệnh viện, khách sạn, trung tâm thương mại, cao ốc văn phòng và nhà công nghiệp.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 4

AAC được dùng cho rất nhiều công trình xây dựng lớn, nhỏ ở Việt Nam từ khi được sản xuất

Hình 1.3 : Gạch bê tông khí chưng áp

Việc áp dụng AAC trong các công trình xây dựng phải tuân theo “Chỉ dẫn kỹ thuật thi công và nghiệm thu tường xây bằng block bê tông khí chưng áp” do Bộ Xây dựng ban hành theo Quyết định số 974/QĐ-BXD ngày 31 tháng 10 năm 2011 Mặc dù đã thực hiện đúng các yêu cầu trong chỉ dẫn và đảm bảo chất lượng, việc sử dụng vật liệu AAC vẫn gặp phải một số khó khăn.

-Giá thành nguyên vật liệu sản xuất còn cao

-Chi phí đầu tư công nghệ cao, đòi hỏi thời gian sản xuất dài

-Xảy ra hiện tượng nứt khi thi công, không đảm bảo các yêu cầu cơ học -Sử dụng nguyên liệu là tài nguyên ảnh hưởng đến môi trường

Nghiên cứu về việc tối ưu hóa vật liệu nhằm giảm chi phí sản xuất AAC và nâng cao tính cạnh tranh kinh tế của nó so với các vật liệu truyền thống đang được thực hiện một cách mạnh mẽ.

Trong bối cảnh nguồn cung cát nghiền, thành phần chính trong sản xuất AAC, đang gặp khó khăn, việc sản xuất bêtông khí chưng áp cũng bị ảnh hưởng Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng tro bay, với đặc tính mịn và chứa các hạt thủy tinh nhỏ hình cầu, có thể được sử dụng như một vật liệu thay thế hiệu quả Tro bay được thu lượm thông qua các phương pháp tách cơ khí hoặc tách tĩnh, mở ra hướng đi mới cho ngành xây dựng.

Tro bay từ ống khói của nhà máy nhiệt điện sử dụng than nghiền làm nhiên liệu đã chuyển từ việc được coi là rác thải khó xử lý thành vật liệu có giá trị cao Hiện nay, tro bay được sử dụng như một phụ gia trong sản xuất gạch AAC, nhờ vào những ưu điểm vượt trội mà nó mang lại Nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng phương pháp này để tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu tác động môi trường.

Hiện nay, cả nước có 18 nhà máy nhiệt điện than, tiêu thụ khoảng 20 triệu tấn than mỗi năm và thải ra hơn 3 triệu tấn xỉ than cùng với lượng tro bay gấp nhiều lần Các nhà máy sắp tới sẽ khai thác tối đa nguồn than trong nước và nhập khẩu Theo quy hoạch VII, đến năm 2020, sản lượng điện đạt 156 tỷ KWh với tổng công suất nhiệt điện than khoảng 36.000 MW, cần sử dụng hơn 67 triệu tấn than Nếu tổng công suất tăng lên 75.000 MW, nhu cầu than sẽ còn gia tăng đáng kể.

Dự báo sản lượng than sẽ đạt 171 triệu tấn vào năm 2030, dẫn đến lượng xỉ than tro đáy tăng lên 14 triệu tấn/năm vào năm 2020 và gần 35 triệu tấn/năm vào năm 2030, trong khi tro bay có thể lên đến hàng chục triệu tấn.

Hình 1.4 : Tro bay tại các nhà máy nhiệt điện

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 6

Bảng 1.1: Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 đến 2020 [4]

Tiêu thụ than, triệu tấn/năm

Lượng tro bay, triệu tấn/năm

Vào cuối tháng 9/2014, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 1696/QĐ–TTg nhằm giải quyết vấn đề xử lý tro, xỉ, thạch cao từ các nhà máy nhiệt điện và hóa chất phân bón, với mục tiêu sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng (VLXD) đến năm 2020 Quyết định này chỉ cho phép cấp diện tích bãi thải cho các dự án với dung lượng chứa tối đa cho 2 năm sản xuất, tương ứng với quy mô và công suất của từng dự án Những giải pháp mạnh mẽ từ Chính phủ trong việc xử lý tro bay và xỉ than không chỉ tạo ra cơ hội sản xuất phụ gia cho VLXD từ phế phẩm, mà còn giúp giảm thiểu việc nhập khẩu phế phẩm từ nước ngoài Điều này góp phần bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên đang ngày càng cạn kiệt do tình trạng khai thác để sản xuất.

Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước

Bảng 1.3: So sánh tính chất hóa lý của xúc tác FCC thải và phụ gia xi măng [7]

Oxit Tro bay class F (Puzơlan)

Xỉ Silica fume Đá phiến nung

Kích thước hạt trung bỡnh, àm

Việc phát triển ngành công nghiệp dầu khí không chỉ cung cấp năng lượng và vật liệu đa dạng mà còn tạo ra lượng chất thải rắn lớn, đặc biệt là chất thải xúc tác FCC Xử lý và tái sử dụng phế thải này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải rắn mà còn tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và hạ giá thành vật liệu xây dựng Nghiên cứu ứng dụng phế thải FCC trong sản xuất gạch nhẹ khí chưng áp có thể góp phần lớn vào việc tái sử dụng nguyên liệu, bảo vệ môi trường và giảm chi phí cho sản phẩm bê tông.

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Xúc tác hiện nay đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp lọc hóa dầu, chiếm hơn 70% trong quá trình chế biến Nó cũng góp phần đáng kể vào GDP, với hơn 20% tại các nước phát triển công nghiệp.

Xúc tác đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong ngành lọc hóa dầu, với sản lượng hàng năm ước tính khoảng 7.500 tỉ USD Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng xúc tác FCC, nhờ kích cỡ nhỏ và thành phần phù hợp, không chỉ được sử dụng như phụ gia hoạt tính trong việc pha trộn xi măng mà còn giúp tăng cường độ bền của hồ và vữa, hoặc thậm chí có thể thay thế xi măng trong các cấp phối bê tông.

Hình 1.8: Qui trình công nghệ tạo xúc tác FCC

Một nghiên cứu của Su, Fang, Chen và Liu chỉ ra rằng các tính chất của oxit trong FCC vẫn có khả năng tương tác trong hệ vật liệu xi măng sau quá trình cracking và xúc tác Các thành phần oxit và hạt của FCC có thể phản ứng tương tự như phụ gia hoạt tính trong quá trình đóng rắn.

Tác giả Pacewska cùng các đồng nghiệp đã tiến hành nghiên cứu nâng cao các thành phần của bê tông bằng cách tận dụng đặc tính xúc tác và hoạt tính của phế thải FCC từ ngành công nghiệp dầu khí Nghiên cứu này chỉ ra rằng các thành phần xúc tác có khả năng phản ứng hiệu quả, góp phần cải thiện chất lượng bê tông.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 13 thành phần xi măng trong bê tông, làm cho các tính chất cơ lý của bê tông được tăng cường

Nghiên cứu của tác giả Hsiu Liang và đồng nghiệp cho thấy việc sử dụng FCC trong vữa xi măng có thể nâng cao các đặc tính cơ học nhờ vào khả năng tương tác và lấp đầy lỗ rỗng của FCC với các thành phần oxit hoạt tính Qua việc đánh giá FCC từ quá trình ECAT và EPCAT, nghiên cứu chỉ ra rằng FCC có hoạt tính tương tự như silicafume trong xi măng Đặc biệt, FCC từ EPCAT có thể thay thế từ 5 – 15% xi măng, giúp cải thiện cường độ cơ học và độ bền của vữa xi măng so với quá trình ECAT.

Nghiên cứu của tác giả Tseng và các cộng sự [12] tập trung vào khả năng hoạt tính của thành phần FCC sau quá trình xúc tác, đặc biệt trong việc sử dụng các vật liệu có chất kết dính xi măng.

Nghiên cứu của tác giả Nancy và đồng nghiệp cho thấy rằng các hoạt tính còn lại trong FCC sau quá trình xúc tác có thể được sử dụng như phụ gia khoáng pozzolane trong vật liệu xây dựng Kết quả cho thấy việc thay thế một phần xi măng bằng FCC giúp cải thiện cường độ và tính chất cơ lý của vữa và bê tông, với các sản phẩm hydrat tương tự như phản ứng của phụ gia khoáng meta-cao lanh.

Trên thế giới, ba công ty lớn Boral (Úc), Holcim (Mỹ) và Amita (Nhật) đã thương mại hóa phương pháp sử dụng xúc tác FCC thải trong sản xuất xi măng Kể từ năm 1991, xúc tác FCC đã được áp dụng trong dây chuyền sản xuất xi măng tại Pháp và Đức, với tỷ lệ phối trộn lên tới 6%, bao gồm 75% đá vôi và 19% khoáng sét Tổ chức môi trường EPA tại Texas, Mỹ, đã phân loại xúc tác FCC thải là chất thải không nguy hại loại 2, cho thấy sự an toàn của nó trong sản xuất xi măng Công ty Holcim xử lý khoảng 4.000 tấn xúc tác FCC thải mỗi năm từ các nhà máy lọc dầu, khẳng định cam kết của họ đối với việc tái chế và bảo vệ môi trường.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 14

FCC thải từ phân xưởng FCC tại nhà máy lọc dầu ở Colombia có công suất 35.000 thùng/ngày được thu gom và chuyển đến nhà máy xi măng Holcim ở Nobsa, Boyacá để xử lý.

Việt Nam đã tiến hành nhiều nghiên cứu ứng dụng xúc tác FCC thải trong các lĩnh vực như phụ gia cho xi măng, xúc tác cho quá trình nhiệt phân polymer phế thải và chuyển hóa cao su phế thải thành nhiên liệu lỏng Hai loại xúc tác quan trọng nhất là xúc tác FCC và xúc tác làm sạch bằng hydro, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu quả kinh tế của sản phẩm Việc tối ưu hóa lựa chọn xúc tác không chỉ nâng cao hiệu suất cho các nhà máy mà còn đảm bảo vận hành ổn định và linh động trong việc sử dụng nguyên liệu khác nhau Trong tương lai, Việt Nam có khả năng sản xuất xúc tác nội địa để thay thế hàng nhập khẩu hoặc phục vụ xuất khẩu Tài nguyên khoáng sản phong phú của Việt Nam như bauxite, cát thủy tinh, đất hiếm, cao lanh và bentonite sẽ hỗ trợ cho việc sản xuất xúc tác FCC.

Hình 1.9 Chôn lấp FCC tại nhà máy

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 15

Từ những năm 90, các nhà máy chế biến dầu khí tại Việt Nam đã nghiên cứu và đánh giá các loại xúc tác reforming và cracking thương mại để lựa chọn phù hợp Xúc tác đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp dầu mỏ và hóa chất, đặc biệt là xúc tác FCC cho quá trình cracking, chiếm 82% thị phần toàn cầu vào năm 2012 Nhà máy lọc dầu Dung Quất đã nhập khẩu gần 20.000 tấn xúc tác FCC, với tổng chi phí hơn 50 triệu USD Dự kiến, nhu cầu tiêu thụ xúc tác FCC sẽ tăng mạnh khi các dự án lọc dầu trong nước như Dung Quất, Nghi Sơn, Vũng Rô và Nhơn Hội đi vào hoạt động.

Nghiên cứu cho thấy khả năng phối trộn xúc tác FCC thải như phụ gia khoáng trong sản xuất xi măng thương mại đạt chất lượng tương đương với xi măng Portland Bỉm Sơn mác PCB 40, không gây rò rỉ kim loại và đáp ứng tiêu chuẩn môi trường Dây chuyền quy mô nhỏ của Tổng công ty Lắp máy Việt Nam (Lilama) sản xuất gạch bê tông xi măng từ xúc tác FCC thải cho thấy khả năng phối trộn lên đến 35% Một số nghiên cứu nhỏ tại Việt Nam cũng đã thử nghiệm tái sử dụng xúc tác FCC thải trong cracking dầu nhờn và nhựa thải, nhưng chưa phát triển thành công nghệ quy mô lớn Bài báo đánh giá các phương án xử lý xúc tác FCC thải trên thế giới nhằm đưa ra giải pháp cho Nhà máy Lọc dầu Dung Quất, đặc biệt tập trung vào tái chế vật liệu xây dựng như sản xuất xi măng và gạch đất sét nung.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 16

Hình 1.10 Dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng dùng FCC

Tác giả Trần Thị Như Mai [17] thuộc trường Đại học Tự nhiên - ĐH Quốc gia

HN và các đồng nghiệp đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ phục hồi xúc tác FCC đã qua sử dụng” với mục tiêu tái sử dụng xúc tác FCC thải trong quá trình cracking để chuyển hóa chất thải hữu cơ thành nhiên liệu Việc phục hồi và ứng dụng xúc tác FCC thải không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn góp phần giảm phát thải ô nhiễm ra môi trường, từ đó nâng cao hiệu quả trong sản xuất nhiên liệu từ nguồn hữu cơ.

Tác giả Đào Thị Thanh Xuân và đồng nghiệp nghiên cứu việc sử dụng xúc tác FCC thải làm phụ gia khoáng nhờ vào thành phần hoạt tính Silica và alumina còn lại Xúc tác FCC thải có thể được tiêu thụ hiệu quả nhất trong ngành sản xuất xi măng, bên cạnh đó, nó còn được sử dụng như phụ gia hoạt tính pozzolan để tạo ra các loại phụ gia, phối trộn cho bê tông và sản xuất gạch không nung, thậm chí có thể thay thế đất sét trong sản xuất gạch.

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý, thành phần hóa học của phế thải FCC trong sản xuất dầu khí

- Nghiên cứu ảnh hưởng của FCC đến khả năng thay thế ximăng, cát nghiền trong bê tông khí chưng áp

- Nghiên cứu ảnh hưởng của FCC đến khả năng làm việc và tính chất hỗn hợp bê tông khí chưng áp

- Nghiên cứu ảnh hưởng của FCC khi thay thế xi măng và cát nghiền đến các tính chất cường độ của bê tông khí chưng áp

- Đánh giá khả năng sử dụng FCC trong sản xuất vật liệu bê tông khí chưng áp thay thế cho vật liệu nung truyền thống

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 19

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở khoa học của bê tông khí chưng áp

Cấu trúc vĩ mô của bê tông được xác định bởi cấu trúc của vật rắn, độ rỗng và đặc trưng lỗ rỗng của từng thành phần Độ bền liên kết giữa cốt liệu và đá xi măng phụ thuộc vào bản chất cốt liệu, độ rỗng, độ nháp bề mặt, độ sạch của cốt liệu, loại xi măng và độ hoạt tính của nó, cũng như tỷ lệ nước/xi măng và điều kiện rắn chắc của bê tông Đối với bê tông cốt liệu đặc, lớp liên kết thường có độ bền kém hơn so với đá xi măng.

Lỗ rỗng trong bê tông bao gồm:

- Lỗ rỗng trong đá xi măng (lỗ rỗng gen, lỗ rỗng mao quản, lỗ rỗng do khí cuốn vào)

- Lỗ rỗng trong cốt liệu;

Lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu trong bê tông là khoảng không gian không được lấp đầy bởi hồ xi măng, hình thành từ sự sắp xếp của các hạt cốt liệu có kích thước tương đồng Những lỗ rỗng này, với đường kính từ 2 đến 8mm, cho phép nước thấm qua bê tông một cách nhanh chóng, nhưng đồng thời làm giảm cường độ của bê tông do sự hiện diện của các khoảng trống.

Hình 2.1 Sự phân bố tạo thành cấu trúc rỗng trong bê tông

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 20

Hình 2.2 Sự phân bố rỗng trong vật liệu

Phương pháp nở phồng để tạo rỗng trong bê tông ACC sử dụng chất tạo khí bột nhôm, giúp hỗn hợp trương nở với khối lượng lỗ rỗng khoảng 65-90% Các lỗ rỗng này bao gồm lỗ rỗng lớn có thể nhìn thấy bằng mắt, lỗ rỗng mao dẫn và lỗ rỗng nano, tất cả được kết nối tạo thành một cấu trúc ma trận vững chắc Để đạt hiệu quả tối ưu, chất tạo khí cần đáp ứng các yêu cầu nhất định.

 Quá trình tạo khí phải đồng đều

 Chất khí không gây độc hại và không gây ăn mòn vật liệu

 Có khả năng tạo ra một khối lượng khí lớn

 Ổn định trong vận chuyển và bảo quản

Bột nhôm là chất tạo khí nhiệt độ thấp phổ biến hiện nay, có dạng bột mịn với đường kính trung bình từ 20 đến 50μm và độ dày từ 1 đến 3μm Với độ nghiền mịn đạt khoảng 4000 – 6000cm²/g, các hạt nhôm được bao bọc bởi lớp stearin, giúp bột nhôm có tính kỵ nước, từ đó cải thiện khả năng chảy và dàn mỏng hiệu quả.

Bê tông khí chưng áp được sản xuất từ các nguyên liệu chính như xi măng, vôi, cát thạch anh nghiền mịn, nước và chất tạo khí, trong đó có thể sử dụng tro bay tái chế từ các nhà máy nhiệt điện Hỗn hợp này được trộn đều và tạo hình bằng khuôn thép Trong quá trình đông kết, phản ứng giữa nhôm và vôi (Ca(OH)2) tạo ra các bong bóng khí H2, hình thành lỗ rỗng kín trong bê tông, giúp tăng thể tích lên đến 5 lần so với bê tông thông thường.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 21

Khi hỗn hợp nguyên liệu bêtông được nhào trộn và cho vào khuôn thì trong giai đoạn đầu xảy ra phản ứng của thành phần xi măng và vôi

Alite (Belite) xi măng  C – S – H + Ca(OH)2

CaO (trong vôi) Ca(OH)2

2(3 CaO SiO ) 6  H O  3 CaO SiO 2 3 H O  3 Ca OH ( ) (C – S – H)

2(2 CaO SiO ) 4  H O  3 CaO SiO 2 3 H O Ca OH  ( )

Cơ chế nở phồng của khối bê tông bắt đầu khi bột nhôm tiếp xúc với dung dịch nước vôi và nhiệt độ đạt tối thiểu 35 o C, dẫn đến sự hình thành khí hyđrô Áp lực khí tạo ra tác động lên khối nhớt dẻo, và khi ứng suất chuyển vị giới hạn của bê tông nhỏ hơn lực khí, hiện tượng phồng nở bắt đầu Quá trình này diễn ra cho đến khi bột nhôm hoàn toàn biến mất, yêu cầu độ nhớt dẻo đủ để bảo vệ các bọt khí không bị phá vỡ Nếu khí thoát ra quá sớm, khối sẽ lắng xuống Để cải thiện hiệu quả tạo khí, cần phải tách khí trước khi khối mất độ lưu động cần thiết Hiện nay, để ngăn chặn bột nhôm nổi lên bề mặt, người ta bổ sung chất hoạt tính bề mặt như nhũ tương nhựa thông và xà phòng phụ gia, giúp tạo ra bề mặt ướt giữa paraphin và nước, giữ cho bột nhôm chìm trong nước.

2 Al  3 Ca OH ( )  6 H O  3 CaO Al O 6 H O  3 H  (1)

Sau khi khí H2 bay hơi, các lỗ rỗng kín sẽ được hình thành, và sản phẩm sau đó được đưa vào nồi hấp Autoclave, nơi diễn ra phản ứng thứ hai Tại đây, với áp suất và nhiệt độ tăng, cát nghiền sẽ phản ứng với các sản phẩm thủy hóa của xi măng, kết hợp với Ca(OH)2 từ vôi, tạo ra sản phẩm mới trong quá trình này.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 22 thủy hóa các khoáng xi măng tạo thành khoáng CaO – SiO2 - H2O gọi tắt là (C – S – H) Khoáng C – S – H sẽ chuyển hóa thành 1,1nm tobermorite dạng tinh thể

Ca(OH)2 + cát nghiền (SiO2)  C – S – H (I)  1,1 nm tobermorite

C – S – H + cát nghiền (SiO2)  C – S – H (I)  1,1 nm tobermorite

Có 2 loại khoáng tobermorite là 1,1 nm tobermorite, 1,4 nm tobermorite Đối với cấp phối AAC thì cường độ được tạo ra nhờ các khoáng tobermorite Các thành phần vôi, thạch cao, ximăng đều mang lại cường độ cho sản phẩm, góp phần tạo nên khoáng C – S – H sau đó là khoáng tobermorite (được hình thành sau khi chưng áp) Đây là khoáng chính tạo ra cường độ cho mẫu AAC

Hình 2.3 Quá trình tạo khoáng tobermorite trong bê tông AAC

Cơ sở khoa học của xúc tác trong công nghiệp dầu khí

Chất xúc tác giúp giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng, đồng thời xúc tác cho cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch Nhờ đó, chất xúc tác tăng tốc độ đạt trạng thái cân bằng mà không làm thay đổi vị trí của cân bằng.

Xúc tác cho quá trình nhiệt phân biomass chủ yếu là xúc tác cracking, thường là các chất xúc tác axit rắn Trong ngành công nghệ lọc dầu, việc sử dụng các loại xúc tác này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

Cracking xúc tác, một quá trình đã được thương mại hóa, là xúc tác FCC giúp chuyển hóa các phân đoạn hydrocarbon có nhiệt độ sôi cao và phân tử lượng lớn thành các sản phẩm nhẹ hơn như diesel, xăng và sản phẩm khí, mang lại giá trị kinh tế cao.

Các hợp chất silic và nhôm là nguyên liệu chính trong sản xuất xúc tác FCC, được chiết xuất từ các nguồn như cao lanh, đất hiếm, cát thủy tinh, bentonite và bauxite Nguyên liệu tinh chế bao gồm alumina và thủy tinh lỏng Xúc tác FCC gồm hai thành phần chính: matrix và zeolite Matrix bao gồm đất sét, chất kết dính, các bẫy kim loại, nhôm hoạt tính hoặc phụ gia khác, trong khi zeolite dưới dạng tinh thể quyết định phản ứng cracking để tạo ra xăng và các sản phẩm nhẹ Quá trình sản xuất xúc tác FCC bắt đầu bằng việc nguyên liệu tiếp xúc với matrix, sau đó bị bẻ gãy mạch trước khi trải qua quá trình cracking trên zeolite Hỗn hợp matrix và zeolite được phối hợp để tối ưu hóa quá trình cracking, đồng thời bổ sung các thành phần aluminosilicate hoạt tính nhằm đáp ứng yêu cầu của các nhà lọc hóa dầu.

Xúc tác FCC chứa zeolit, là các pha tinh thể aluminosilicat với cấu trúc đặc trưng Thành phần của RFCC bao gồm các oxit hoạt tính, đóng vai trò quan trọng trong quá trình xúc tác.

Sau quá trình cracking, Al và Si trong thành phần RFCC có thể được sử dụng như pozzolane hoạt tính trong bê tông xi măng, mang lại những đặc tính tương tự như tro bay, meta-cao lanh và xỉ lò cao.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 24

Hình 2.4 Các hợp phần của cracking xúc tác FCC

Xúc tác FCC chiếm khoảng 80% khối lượng xúc tác rắn trong nhà máy lọc dầu, chủ yếu bao gồm zeolite, chất mang, chất độn và chất kết dính Quá trình cracking sử dụng xúc tác tầng sôi (FCC) để sản xuất các sản phẩm từ dầu mỏ, tuy nhiên, xúc tác sẽ bị biến đổi tính chất qua chuỗi phản ứng và tái sinh, dẫn đến giảm khả năng hoạt tính Các thành phần hạt mịn FCC có thể bị cuốn theo khí thải, trong khi xúc tác hạt thô thường theo dòng sản phẩm, chủ yếu là dầu cặn Xúc tác RFCC thải có hàm lượng kim loại nặng như V, Ni, Fe cao, do tiếp xúc với nguyên liệu nặng, gây giảm hoạt tính và độ chọn lọc của xúc tác Sự tích tụ kim loại trên bề mặt xúc tác làm giảm khả năng khuếch tán hydrocarbon nặng, ảnh hưởng đến năng suất cracking và giảm tính acid của FCC Khi xúc tác không còn đảm bảo hoạt tính, chúng sẽ được thải ra ngoài dưới dạng chất thải Quá trình tách xúc tác bằng từ tính có thể thực hiện qua thiết bị dạng tích.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 25 hợp với phân xưởng RFCC Thành phần của FCC có chứa các oxit hoạt tính như Al và Si sau quá trình cracking

Hình 2.5 Cấu trúc thành phần của FCC

Cơ sở khoa học của quá trình puzzolan trong ximang

Xi măng là chất kết dính thủy lực thiết yếu trong xây dựng, được sản xuất qua quy trình gồm nhiều bước Đầu tiên, đá vôi và đất sét được nghiền nhỏ và nung ở nhiệt độ cao để tạo ra clinker Sau đó, clinker này sẽ được nghiền cùng với phụ gia như thạch cao và tro bay để tạo thành bột xi măng Như vậy, clinker đóng vai trò là sản phẩm trung gian trong quy trình sản xuất xi măng.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 26

Chất thải từ các ngành công nghiệp có thể trở thành nguyên liệu và nguồn nhiên liệu cho nhà máy xi măng, đặc biệt là những chất chứa Ca, Al, Si, Fe và thành phần hữu cơ Xúc tác thải từ nhà máy lọc hóa dầu, mặc dù chứa tạp chất như C và S, nhưng vẫn có các hợp chất quan trọng như CaO, Al2O3, SiO2, và Fe2O3, có thể được tận dụng trong sản xuất xi măng Tuy nhiên, việc sử dụng các chất thải này cần đảm bảo rằng chúng được xử lý an toàn cho môi trường.

Bột mịn từ clinker được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xi măng cần bổ sung các phụ gia như thạch cao, khoáng hoạt tính và chất độn để cải thiện các tính chất cần thiết Thạch cao giúp tăng thời gian nung kết, trong khi khoáng hoạt tính như tro xỉ, puzơlan và bột đá vôi tăng cường hoạt tính của xi măng Ngoài ra, phụ gia bảo quản giảm sự hút nước, phụ gia trợ nghiền và phụ gia hoạt tính bề mặt giúp dễ thi công và giảm tiêu hao xi măng Các phụ gia tăng tính bền axit và vi sinh cũng được sử dụng để chống nấm và bảo vệ môi trường Hàm lượng phụ gia thường không vượt quá 40%.

Phụ gia khoáng hoạt tính chứa SiO2 và Al2O3 hoạt tính khi kết hợp với Ca(OH)2 trong bột clinker sẽ tham gia vào các phản ứng hóa học, tạo ra sản phẩm mới như CaO, SiO2 và Al2O3 trong sự hiện diện của nước Cụ thể, phản ứng diễn ra với sự tham gia của các thành phần như x, y, z, m, n và p, dẫn đến sự hình thành các hợp chất có cấu trúc và tính chất khác nhau.

mCaO.nAl2O3.pH2O và xCaO.ySiO2.zH2O là các khoáng chất bền nước có hình dạng kim nhỏ, giúp lấp đầy các lỗ rỗng trong bê tông Chúng làm cho cấu trúc bê tông trở nên đặc sít hơn, tăng cường độ bền và độ cứng, đồng thời cải thiện khả năng chống thấm và chống ăn mòn Ngoài ra, các khoáng chất này còn nâng cao tính chất của vữa xi măng và bê tông, bao gồm cải thiện cấu trúc, độ bền, giảm hiện tượng phân tầng và có thể thay thế một phần xi măng.

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 27

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Nguyên vật liệu

3.1.1 Phế thải quá trình cracking dầu khí (FCC)

Phế thải FCC là sản phẩm phụ từ quá trình cracking dầu mỏ, nơi chất xúc tác FCC dần mất hoạt tính sau nhiều lần sử dụng Mẫu phế thải này được lấy từ nhà máy lọc dầu Dung Quất Thành phần và tính chất của FCC được trình bày chi tiết trong bảng 3.1 và 3.2.

Bảng 3.1: Thành phần hóa của FCC

Thành phần Oxit SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO

Bảng 3.2: Chỉ tiêu cơ lý FCC

TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Phương pháp thử

1 Khối lượng riêng Kg/m 3 0.88 TCVN 4030-85

2 Tỷ diện tích cm 2 /g 2980 TCVN4030-85

Hàm lượng hạt còn lại trên sàng kích thước lỗ

4 Độ mịn trên sàng 45  m % 28 ASTM C117:95

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 28

Hình 3.1 Phế thải FCC trước khi nghiền mịn

Dùng loại xi măng Poocland PCB40 với các yêu cầu thể hiện trong Bảng 3.3 và 3.4

Bảng 3.3 : Thành phần hóa của xi măng ( hàm lượng %)

CaO Fe2O3 SiO2 Al2O3 MgO SO3 K2O MKN

Bảng 3.4 : Thành phần cơ lý của xi măng

Chỉ tiêu cơ lý Đơn vị Giá trị

Khối lượng riêng g/cm 3 3,08 Độ mịn Blaine cm 2 /g 3760

HVTH : ĐẶNG THANH NGHĨA Trang 29

Thời gian ninh kết Phút

Kết thúc 165 Độ giãn nở thể tích mm