Quy trình sản xuất vật liệu xây dựng từ tro bay

 

Tro bay là phế thải sinh ra khi đốt các nguyên liệu hóa thạch như than đá, than nâu trong các nhà máy nhiệt điện. Đây là những hạt tro rất mịn bị cuốn theo dòng khí từ ống khói nhà máy thải ra môi trường. Theo báo cáo tổng hợp tình hình tro xỉ tại các nhà máy nhiệt điện than của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), với 12 nhà máy nhiệt điện than đang vận hành thì tổng khối lượng than sử dụng trung bình năm khoảng 34 triệu tấn. Tổng khối lượng tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện than của EVN phát sinh trung bình năm là 8,1 triệu tấn. Tính đến năm 2020, khối lượng tro xỉ phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện than khoảng 15 triệu tấn và sẽ tăng lên 20 triệu tấn vào năm 2025.

 

Để giảm thiểu sự phát tán tro bay ra môi trường, người ta thu gom tro bay vào các hồ chứa, sau đó chế biến bằng phương pháp kết lắng, tuyển nổi hoặc lọc tĩnh điện. Tuy nhiên, chỉ khoảng 30% tổng lượng tro bay được tái chế thành các sản phẩm hữu ích. Phần tro bay còn lại không được sử dụng và chất thành đống, ảnh hưởng nghiêm trọng đến cân bằng hệ sinh thái cũng như gia tăng các thảm họa tự nhiên. Các nguồn nước ngầm tiếp xúc với các bể chứa trữ tro bay làm thay đổi pH và tính thấm của lớp trầm tích, gây tắc nghẽn mạch nước ngầm, khiến dòng nước trở nên đục và không thể sử dụng được. Đồng thời, các chất độc tồn tại trong tro bay phát tán vào không khí, gây ô nhiễm vùng không khí xung quanh các bãi chứa.

 

Hiện tại, tro bay ở Việt Nam được sử dụng chủ yếu làm phụ gia (phụ gia bê tông, xi măng, sản xuất gạch không nung) trong các công trình xây dựng nhờ vào hình dạng viên đẹp, xiên nước tốt và cường độ giãn nỡ tốt. Tuy nhiên, do thành phần tro bay không ổn định và hàm lượng tro bay trong một viên gạch rất lớn nên máy phải đạt đến lực ép rất lớn, dẫn đến tốn kém chi phí vận hành thiết bị cũng như vấn đề về lỗi khuôn. Đây cũng là nguyên nhân chủ yếu tác động đến chất lượng sản phẩm. Mặt khác, tuy lượng tro bay từ các nhà máy nhiệt điện là rất lớn nhưng nhiều doanh nghiệp sản xuất xi măng vẫn không mặn mà với nguồn nguyên liệu này vì còn thiếu các chính sách về thuế (thuế giá trị gia tăng đối với các doanh nghiệp sản xuất gạch không nung, thuế tài nguyên và môi trường đối với các sản phẩm gạch nung truyền thống) để tạo chênh lệch giá giữa sản phẩm gạch nung với gạch không nung.

 

Trong những năm gần đây, xu hướng vật liệu xanh nhưng tính năng cao đang được nhiều nhà khoa học và chính quyền quan tâm. Dựa trên tiêu chí về hàm lượng tái chế nhưng thân thiện với môi trường, nhiều vật liệu xanh từ các nguồn phế thải công nghiệp và nông nghiệp đã được tổng hợp như tôn lợp sinh thái từ sợi hữu cơ cellulose có khả năng cách nhiệt và chống ăn mòn; gỗ ốp tường xanh từ vụn gỗ xay của nhánh cây, cành cây tận thu, sợi thủy tinh, bông, len, gạch tái chế từ nhựa thải, từ tro trấu,… Trên thực tế, những vật liệu mới này được tổng hợp phần lớn phục vụ ngành công nghiệp xây dựng bởi khả năng cách nhiệt và cách âm tốt. Điều này làm hạn chế khả năng ứng dụng của các vật liệu xanh trong các lĩnh vực khác, đặc biệt là lĩnh vực môi trường.

 

Với những tiến bộ vượt bậc, ngành công nghệ vật liệu đã và đang phát triển loại vật liệu rắn siêu nhẹ nhưng chịu được vật nặng có trọng lượng gấp 500 đến 4.000 lần trọng lượng của nó. Đó chính là aerogel, được Guinness ghi nhận là vật liệu nhẹ nhất thế giới với mật độ vật chất thấp nhất (0,003 – 0,5 g/cm3), độ xốp cao (80 ~ 99,8%), diện tích bề mặt riêng lớn và có khả năng tham gia các phản ứng hóa học trên bề mặt. Vì đặc tính đặc biệt này, vật liệu aerogel có khả năng cho không khí xuyên qua, chống cháy, cách nhiệt, cách âm và thấm cả dầu lẫn nước. Ngoài ra, đây còn là loại vật liệu vừa có khả năng dẫn điện vừa là chất cách điện tốt khi được pha trộn với một số vật liệu khác. Tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào mà vật liệu aerogel được phân loại thành các nhóm như silica aerogel, polymer aerogel, cellulose aerogel,… Vì có thể tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu khác nhau như phụ phẩm công nghiệp (vải vụn, nhựa thải, giấy đã qua sử dụng) và phế phẩm nông nghiệp (rơm, rạ, tro trấu), aerogel được xem là vật liệu thân thiện với môi trường và tính năng cao.

 

Aerogel được nghiên cứu tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1931 bởi nhà khoa học người Mỹ Kistler. Qua hàng thập kỷ, phương pháp tổng hợp aerogel đã có nhiều cải tiến và mở rộng hơn. Nhìn chung, để chế tạo vật liệu aerogel, phương pháp thường được sử dụng là sol-gel kết hợp với phương thức sấy phù hợp. Về phương pháp tổng hợp aerogel từ tro bay, có thể thấy rằng, các nhà khoa học đang nỗ lực chuyển hóa phụ phẩm ngành công nghiệp nhiệt điện (tro bay) thành các vật liệu có giá trị kỹ thuật cao như silica aerogel.

 

Tuy nhiên, một số điểm hạn chế còn tồn đọng trong các nghiên cứu khiến việc tổng hợp và sản xuất vật liệu từ tro bay chưa được đưa vào sản xuất công nghiệp. Cụ thể như quy trình tổng hợp còn phức tạp, sử dụng nhiều hóa chất không thân thiện với môi trường để tiền xử lý tro bay và tổng hợp aerogel, thời gian tổng hợp vật liệu thường kéo dài 3-4 ngày và chi phí năng lượng cho việc hoạt hóa tro bay tăng cao. Phương pháp sấy thường được sử dụng để loại bỏ dung môi trong gel là sấy ở điều kiện thường, để việc sấy hiệu quả, gel ướt đều phải trải qua giai đoạn trao đổi dung môi và biến tính bề mặt với hỗn hợp trimethylsilyl chloride (TMCS)/ethanol/hexane vốn là các hóa chất tinh khiết với giá thành cao. Ngoài ra, thời gian để thực hiện quá trình này thường kéo dài trong nhiều giờ liên tục (12 - 24 giờ) để dung môi trong các lỗ rỗng được thay thế hoàn toàn bằng hexane.

 

Bên cạnh đó, các thông số kỹ thuật của vật liệu chế tạo từ tro bay vẫn chưa phù hợp với thực tiễn, ví dụ như độ dẫn nhiệt cao hơn so với các chất cách nhiệt truyền thống. Phần lớn các nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở bước phát triển công nghệ quy mô phòng thí nghiệm, chưa tính toán chi phí năng lượng và năng lực sản xuất vật liệu trong thực tiễn, kém hiệu quả về mặt kinh tế.

 

Theo PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng (Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM), đứng trước thực trạng về ô nhiễm môi trường của tro bay và sự tồn đọng rất lớn của chúng ngoài môi trường, việc chuyển hóa tro bay thành vật liệu tính năng cao aerogel và aerogel composite là cấp thiết nhằm tái chế chất thải công nghiệp và phát triển các dạng sản phẩm có giá trị kỹ thuật cao. Nguyên liệu tro bay với sản lượng lớn hoàn toàn có thể đáp ứng được việc sản xuất hàng loạt các sản phẩm aerogel và aerogel composite ở quy mô công nghiệp.

 

Vì vậy, nhóm các nhà khoa học tại Đại học Bách Khoa TP.HCM đã nghiên cứu, chế tạo và sản xuất thử nghiệm thành công vật liệu aerogel và aerogel composite từ tro bay sử dụng công nghệ sấy thăng hoa và dung môi xanh, cùng chất kết dính thân thiện với môi trường nhằm ứng dụng vào vật liệu cách nhiệt và cách âm.

 

Nhờ vào những đặc tính độc đáo như khối lượng riêng thấp, độ rỗng lớn (chứa đến hơn 80% là không khí), diện tích bề mặt lớn, độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt thấp và khả năng hấp thụ âm thanh tốt, aerogel composite có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như vật liệu cách nhiệt, vật liệu cách âm, thay thế vật liệu xây dựng hiện tại trong vấn đề cách nhiệt cho các tòa nhà,…

 

Theo báo cáo của Grand View Research năm 2020, quy mô thị trường vật liệu aerogel toàn cầu ước tính đạt 819.900.000 USD trong năm 2020 và dự báo sẽ tăng nhanh với tỉ lệ tăng trưởng kép hàng năm đạt 15,1% trong giai đoạn 2020-2028. Trong đó, lĩnh vực cách nhiệt là một trong những phân khúc chiếm thị phần lớn nhất trong thị trường vật liệu aerogel. Cũng theo Grand View Research, thị trường vật liệu cách âm đạt 4,11 tỉ USD trong năm 2020 và được kì vọng tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 5,3% trong giai đoạn 2021-2028. Các vật liệu cách âm đang được lưu thông trên thị trường hiện nay gồm bông thủy tinh, bông khoáng, bọt nhựa, polystyrene, sợi cellulose và aerogel với phạm vi ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, công nghiệp và vận chuyển hàng hóa.

 

Điều này cho thấy, vật liệu aerogel composite từ tro bay có tiềm năng ứng dụng lớn, mang lại hiệu quả kinh tế cao, có thể tạo ra sản phẩm mang thương hiệu Việt Nam cạnh tranh trên thị trường quốc tế. Với quy trình sản xuất được tối ưu hóa điều kiện vận hành theo mục tiêu giảm chi phi sản xuất đến mức thấp nhất và tận dụng nguồn nguyên liệu tro bay dồi dào của nước ta, vật liệu aerogel composite siêu nhẹ có tiềm năng cạnh tranh với các sản phẩm cách âm thương mại như Auralex, Pro Studio, Basmel,…

 

 

Quá trình tổng hợp silica aerogel từ tro bay trải qua hai giai đoạn chính gồm (i) trích ly silicate từ tro bay bằng phương pháp ngâm kiềm và (ii) tổng hợp silica aerogel theo phương pháp sol-gel và sấy tại điều kiện áp suất thường.

 

Quá trình trích ly silica từ tro bay ở dạng dung dịch silicate được thực hiện dựa trên phản ứng SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O (1). Đầu tiên, tro bay với khối lượng xác định được phân tán vào dung dịch NaOH 1M với tỉ lệ tro bay và NaOH theo khối lượng là 5:6. Hỗn hợp được phản ứng ở 90oC trong 2 giờ kết hợp với khuấy trộn. Sau đó, dung dịch silicate được lọc bỏ bã bằng lọc chân không.

 

Dung dịch natri silicate thu được tiếp tục được sử dụng để tạo silica gel theo phương pháp sol-gel. Đầu tiên dung dịch silica được gel hóa bằng acid H2SO4 2M cho đến khi pH giảm từ 14 đến 7 – 8. Silica gel được già hóa trong 24 giờ để cấu trúc polymer các nhóm Si(OH)4 được hình thành và bền vững. Sau giai đoạn già hóa, sản phẩm Na2SO4 của phản ứng trung hòa bazơ dư bằng acid được loại bỏ bằng cách rửa gel với nước trong 24 giờ. Gel sau đó được đông tụ bằng ethanol tuyệt đối trong 24 giờ tiếp theo trước khi được biến tính bề mặt với hỗn hợp hexane/methyltrimethoxysilane trong 24 giờ. Gel sau khi được biến tính tiến hành sấy thường trong tủ sấy và thu được silica aerogel ở dạng bột trắng.

 

Sơ đồ quy trình:

 

 

 

 

Để tổng hợp aerogel từ tro bay, các dung dịch gồm PVA (polyvinyl alcohol) và CMC (carboxymethyl cellulose) được chuẩn bị trước. Dung dịch PVA nồng độ 4% được chuẩn bị bằng cách hòa tan bột PVA vào nước nóng đã được gia nhiệt đến 80oC. Song song đó, dung dịch CMC nồng độ 1% được chuẩn bị bằng cách hòa tan bột CMC vào nước ấm đã được gia nhiệt đến 50oC. Sau đó hai dung dịch PVA và CMC được trộn vào nhau theo tỉ lệ thể tích 1:1 để tạo thành dung dịch hỗn hợp PVA/CMC với hàm lượng từng thành phần lần lượt là 2,0% và 0,5%. Tiếp theo, tro bay được phân tán vào hỗn hợp với hàm lượng cuối cùng là 3,0; 4,0; 5,0%.

 

Hỗn hợp được khuấy trộn liên tục trong vòng 3 giờ ở 80oC trước khi được đổ vào khuôn, chuẩn bị cho quá trình sấy thăng hoa. Mẫu được cấp đông ở -50oC trong 4 giờ và tiếp tục được sấy thăng hoa trong buồng chân không (10 Pa) với hai giai đoạn: sấy sơ cấp ở 40oC trong 7 giờ và sấy thứ cấp ở 70oC trong 37 giờ tiếp theo để thu được aerogel từ tro bay.

 

Sơ đồ quy trình:

 

 

 

 

Quy trình tổng hợp vật liệu aerogel composite từ tro bay và sợi rPET (sợi nhựa PET tái chế) như sau. Dung dịch XG (xanthan gum) được chuẩn bị trước bằng cách hòa tan bột XG vào nước thủy cục bằng máy khuấy đũa trong vòng 45 phút với tốc độ 600 - 800 vòng/phút ở nhiệt độ phòng. Các hạt tro bay được bổ sung vào dung dịch XG theo tỉ lệ mong muốn và khuấy trong vòng 30 phút với tốc độ 500 vòng/phút ở nhiệt độ phòng. Tiếp theo, sợi rPET có đường kính 30µm và chiều dài 64mm được trải trên khuôn. Hỗn hợp tro bay và XG được đổ vào khuôn và tạo thành hệ gel. Để tăng cường khả năng phân tán tro bay vào khung sợi có sẵn, toàn bộ hỗn hợp tro bay/rPET/XG được già hóa ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ. Hỗn hợp tro bay/rPET/XG được gel hóa ở -50oC để hóa rắn toàn bộ chất lỏng (nước) và tiếp tục được sấy thăng hoa trong 44 giờ tiếp theo để tạo thành aerogel composite có cấu trúc rỗng xốp.

 

Sơ đồ quy trình:

 

 

 

Quy trình sản xuất vật liệu aerogel composite ở quy mô pilot và hướng đến quy mô công nghiệp được thực hiện dựa trên đầu ra sản phẩm mong muốn là các tấm aerogel composite có kích thước 1,8 x 1m và bề dày là 20mm. Lưu đồ bằng vật chất cho sản xuất 15 tấm sản phẩm aerogel composite có kích thước này như sau:

 

 

 

Trong lưu đồ này, tổng khối lượng aerogel composite có thể thu được khoảng 21,38kg, tương đương với 15 tấm aerogel composite có kích thước kích thước 1,8 x 1 x 0,02m. Giai đoạn phối trộn hỗn hợp FA/XG với sợi rPET có sự thất thoát khi đổ dịch vào khuôn chứa sợi khoảng 2% khối lượng hỗn hợp FA/XG bởi độ nhớt của huyền phù lớn. Phần thất thoát được hoàn nguyên kết hợp với mẻ tổng hợp tro bay aerogel composite tiếp theo. Lượng nước thăng hoa trong quá trình sấy được ngưng tụ và tái sử dụng làm dung môi hòa tan XG ở mẻ tổng hợp aerogel composite kế tiếp.

 

 

Với các quy trình trên, nhóm nghiên cứu đã tạo được vật liệu aerogel từ silica trích ly từ tro bay có diện tích bề mặt riêng 293,947m2/g, thể tích lỗ xốp 0,30-0,032cm3/g, kích thước lỗ rỗng 1,20-1,21nm. Ưu điểm của vật liệu tro bay aerogel sử dụng trực tiếp nguyên liệu tro bay so với silica aerogel truyền thống (dựa trên silica trích ly từ tro bay) là độ bền cơ học được cải thiện và tính nguyên vẹn hình dạng của khối vật liệu xuyên suốt quá trình tổng hợp. Về tính chất vật lý và cơ tính, sử dụng phương pháp mới phối trộn tro bay với PVA/CMC tạo ra aerogel có tính siêu nhẹ, chịu nén tốt gấp 3 lần aerogel từ bã mía (88 kPa), gấp 1,5 lần silica-cellulose aerogel (169 kPa). Do đó, khối vật liệu có thể được sử dụng ngay mà không cần thêm quá trình trung gian phối trộn silica aerogel với các thành phần khác.

 

Vật liệu aerogel composite ứng dụng cách nhiệt và cách âm cũng được tổng hợp thành công từ tro bay và sợi rPET với cấu trúc rỗng xốp, khối lượng riêng cực thấp (0,026 – 0,062 g/cm3), độ rỗng cao (96,59 – 98,42%); thể hiện đặc tính cách nhiệt nổi bật với độ dẫn nhiệt cực thấp (0,034-0,039 W/mK), độ bền cơ học (3,98 – 20,61 kPa) và hệ số hấp thụ âm thành từ 0,40 đến 1,0 trong khoảng tần số từ 1.400 đến 6.000 Hz. Nhìn chung, tro bay aerogel composite có tính siêu nhẹ với độ rỗng lớn hơn, tính chất cách nhiệt hiệu quả hơn và tính chất dẻo dai tốt hơn so với tro bay aerogel. Tấm tro bay aerogel composite có tính chất cách nhiệt đồng đều ở mọi điểm trên tấm với độ dẫn nhiệt trung bình là 0,036 W/mK.

 

 

PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng cho biết, công nghệ sản xuất aerogel composite từ tro bay được nghiên cứu trên cơ sở sử dụng ít hóa chất độc hại, không phát thải ra ngoài môi trường và chuyển hóa hoàn toàn tro bay thành aerogel composite. Quy trình đã được nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot để đánh giá mức độ khả thi trong sản xuất công nghiệp. Qua đó, nhóm nghiên cứu nắm vững và làm chủ được công nghệ sản xuất aerogel composite, thiết kế được quy trình sản xuất aerogel composite ở quy mô công nghiệp và sẵn sàng chuyển giao cho các doanh nghiệp trong nước.

So với công nghệ tổng hợp aerogel từ tro bay trên thế giới, công nghệ trong nghiên cứu này có nhiều điểm ưu việt như: sản phẩm tạo thành có cấu trúc vững chắc hơn khi được gia cố bởi mạng lưới sợi polyethylene terephthalate (rPET) tái chế; quy trình tổng hợp ít sử dụng hóa chất, chỉ sử dụng xanthan gum tạo liên kết giữa các hạt tro bay và mạng lưới sợi rPET; quy trình chế tạo aerogel composite từ tro bay không phát thải dung môi hay khí thải ra ngoài môi trường. Kết quả tính toán về hiệu quả kinh tế với việc sử dụng năng lượng mặt trời nhằm tiết kiệm chi phí vận hành cho thấy, tro bay aerogel composite có giá thành sản xuất rất thấp, chỉ khoảng 59.000 đồng/m2.

 

Ngoài ra, đặc tính cách nhiệt của tro bay aerogel composite hiệu quả hơn so với sản phẩm cách nhiệt thương mại Airloy® X134 của Tập đoàn Aerogel Technologies. Aerogel composite được xem là vật liệu siêu cách nhiệt siêu nhẹ theo TCVN 7194:2002 với độ dẫn nhiệt dưới 0,060 W/mK (cụ thể là từ 0,034 – 0,039 W/mK). Trong khi đó, giá bán của tấm Airloy® X134 là 13.000.000 đồng/m2, giá thành sản xuất của mỗi m2 tro bay aerogel composite được ước tính chỉ khoảng 59.000 đồng (chưa bao gồm nhân công). Giá thành sản xuất của tro bay aerogel composite cũng có thể cạnh tranh được với tấm cách nhiệt xuất xứ từ Trung Quốc (giá bán là 250.000 – 430.000 đồng/m2).

 

PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng cho biết thêm, các sản phẩm trên là kết quả của đề tài “Phát triển công nghệ sản xuất vật liệu aerogel composite từ tro bay định hướng ứng dụng làm vật liệu siêu nhẹ, cách âm, cách nhiệt” do Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM thực hiện theo đặt hàng của Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM và được nghiệm thu vào cuối năm 2021. Đề tài có sự hợp tác với Công ty CP DPN Aerogels nhằm ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất và thương mại hóa sản phẩm.

 

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tiếp tục hợp tác với Sàn Giao dịch công nghệ Techport.vn (thuộc Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ – Sở KH&CN TP.HCM) để tiếp tục phát triển hoàn thiện, đồng bộ quy trình, tiến đến chuyển giao cho các cơ sở, đơn vị, tổ chức có nhu cầu áp dụng sản xuất. Dự kiến quy trình áp dụng sản xuất có năng suất đầu ra là 27 m2/mẻ, tương đương 15 tấm vật liệu kích thước 1,8 x 1,0 x 0,02m.

 

Thông tin chuyên gia, hỗ trợ

Điện thoại: 0903821079

E-mail: phungle@hcmut.edu.vn

 

Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, TP.HCM. Điện thoại: 028. 38647256

 

Phòng Giao dịch Công nghệ

Địa chỉ: 79 Trương Định, P. Bến Thành, Q.1, TP. HCM

Điện thoại: (028) 3822 1635 - Fax: (028) 3829 1957

Email: giaodichcongnghe@cesti.gov.vn