Nghiên cứu chế tạo chất kết dính thạch cao chịu nước, cường độ cao từ thạch cao phospho

Nghiên cứu này sử dụng chất kết dính PGB kết hợp xi măng poóc lăng và meta cao lanh

Thạch cao phospho (Phosphogypsum - PG) là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất axit phosphoric từ quặng phosphat (hay quặng apatit) chủ yếu bằng phương pháp ướt trong công nghiệp sản xuất phân bón [1, 2]. Theo J.H. Potgieter và cộng sự [3], quặng phosphat có thành phần khoáng chính bao gồm: goethite và quartz, fluorapatile [Ca10F2(PO4)6. CaCO3]. Chúng chứa một hàm lượng nhỏ gồm Al phosphates, anatase, magnetite, monazite, barite, một số kim loại nặng, nguyên tố vết như cadmiun (Cd), nickel (Ni) và một số nguyên tố phóng xạ. Thành phần của bã thải PG rất đa dạng, phụ thuộc vào nguồn quặng và quá trình công nghệ sản xuất axit phosphoric [4].

Thành phần chính của bã thải PG là thạch cao CaSO4, CaSO4.2H2O, chúng có kích thước hạt trong khoảng 0÷100 µm trong đó khoảng 30% hạt có kích thước < 40 µm, một lượng nhỏ còn lại là H2SO4; HF; H3PO4; SiO2. Vì vậy, bã thải PG nếu không được xử lý trước khi đưa ra bãi chứa sẽ gây ra những tác hại nghiệm trọng về môi trường đất, nước và không khí.

Theo thống kê, để sản xuất được 1 tấn axit photphoric sẽ có khoảng 4÷6 tấn PG được tạo ra. Hiện nay, sản lượng axit phosphoric trên thế giới trung bình hằng năm là 40 triệu tấn, do đó tổng lượng PG thải ra trên toàn thế giới ước tính khoảng 100÷280 triệu tấn mỗi năm mà chỉ khoảng 15% trong số đó được tái sử dụng, phần còn lại được đưa ra các bãi thải [5].

Hiện nay nước ta có 3 nhà máy phát sinh PG lớn bao gồm: nhà máy DAP của Công Ty Cổ phần DAP Vinachem - Đình Vũ tại Hải Phòng, Công ty Cổ phần DAP số 2 tại Lào Cai và Công ty Cổ phần Hóa chất và phân bón Đức Giang. Tổng lượng phế thải PG phát sinh hàng năm khoảng 1,96 triệu tấn. Tính đến hết năm 2022 cả nước sẽ có trên 12,7 triệu tấn PG còn tồn đọng.

Chỉ tính riêng nhà máy DAP - Đình Vũ hàng năm phát sinh phế thải PG khoảng 450.000 tấn với lượng tồn đọng tại bãi chứa của nhà máy lên đến 3,5 triệu tấn [6]. Do đó việc nghiên cứu và xử lý nhằm tái sử dụng lượng lớn PG ở nước ta không những giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm có tính ứng dụng cao, mang lại hiệu quả kinh tế lớn. 

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu nhằm xử lý và tái sử dụng bã thải PG. Sau khi xử lý, sản phẩm PG có thể được sử dụng dưới dạng canxi sunphat dihydrat (CaSO4.2H2o) để làm vật liệu lọc muối cho đất bị nhiễm mặn, giảm giá trị pH cho đất, nâng cao năng suất cây trồng [7, 8], sử dụng trong công nghiệp sản xuất xi măng [5].

PG cũng có thể được nung ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau để tạo thành chất kết dính dưới dạng hemihydrate (CaSO4.0,5H2o) và anhydrite (CaSO4) hoặc kết hợp với xi măng chế tạo chất kết dính hỗn hợp [9, 10], chất kết dính cường độ cao [7, 11] hay sản xuất vữa và tấm thạch cao làm vách ngăn, có tính cách âm, cách nhiệt và chống cháy [4]. Tuy nhiên thạch cao là chất kết dính rắn chắc trong không khí nên có độ bền nước thấp. Để tăng độ bền nước của thạch cao có thể sử dụng phụ gia dạng polymer có tác dụng bao bọc quanh các sản phẩm thuỷ hoá của thạch cao, ngăn cản sự tiếp xúc của chúng với nước hoặc sử dụng xi măng poóc lăng dưới dạng phụ gia.

Hỗn hợp  chất kết dính thạch cao với xi măng poóc lăng sẽ tạo ra tác dụng tương hỗ làm chúng vừa có tính chất của chất kết dính thạch cao là rắn chắc nhanh vừa có tính chất của xi măng là bền nước. Tuy nhiên hỗn hợp chất kết dính thạch cao với xi măng trong quá trình rắn chắc có đặc điểm là không ổn định. Khi trộn với nước, ở thời gian đầu hỗn hợp này đông kết, rắn chắc nhanh, nhưng sau hai đến ba tháng hoặc có thể muộn hơn, sẽ xuất hiện ứng suất trong hệ chất kết dính làm cho cường độ không những bị suy giảm mà hệ còn có thể bị phá huỷ. Hiện tượng này là do sự hình thành ettringite từ sản phẩm thuỷ hoá của xi măng và canxi sulfat.

Volzhensky và cộng sự [12] đã phát hiện thấy nếu cho thêm một lượng phụ gia puzolan thích hợp vào hỗn hợp chất kết dính thạch cao với xi măng poóc lăng thì có thể đạt được sự ổn định của hệ chất kết dính và sự gia tăng cường độ trong suốt quá trình rắn chắc trong môi trường không khí cũng như môi trường nước mà không xuất hiện ứng suất phá huỷ. Bên cạnh đó chất kết dính thạch cao có tỷ lệ N/CKD lớn (60÷75%) nên có cường độ tương đối thấp. Sử dụng PGSD nhằm giảm tỷ lệ N/CKD là một biện pháp cải thiện cường độ của chúng.

PG tại Việt Nam có các tính chất vật lý tương tự như các nguồn khác trên thế giới nhưng chúng lại chứa hàm lượng các chất phóng xạ thấp hơn đáng kể [13], đồng thời các thành phần nguy hại vô cơ trong PG đều thấp hơn so với ngưỡng chất thải nguy hại theo QCVN 07:2009/BTNMT. Tại Việt Nam đã có một số tác giả nghiên cứu quy trình xử lý, tái sử dụng PG. Cụ thể, phế thải PG của nhà máy DAP Đình Vũ - Hải Phòng đã được nghiên cứu sử dụng kết hợp với ammonium flouride để tổng hợp ammonium sulphat làm phân bón [14], sử dụng PG đã qua xử lý để nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến các tính chất của xi măng poóc lăng [15–17], nghiên cứu quy trình công nghệ xử lý PG để làm vật liệu xây dựng [18], làm vật liệu san nền [19], chế tạo chất kết dính anhydrite [6], kết hợp với xỉ lò cao để chế tạo chất kết dính có hàm lượng sun phát cao [20], chúng cũng được nghiên cứu xử lý và tái sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất tấm thạch cao thông thường [21]. Sau khi xử lý, thành phần hoá và đặc tính cơ lý của PG được cải thiện phần nào, nhưng chúng vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật để sản xuất tấm thạch cao.

Nghiên cứu này sử dụng chất kết dính PGB được chế tạo từ PG có nguồn gốc tại nhà máy DAP Đình Vũ - Hải Phòng kết hợp xi măng poóc lăng và meta cao lanh với vai trò là phụ gia để chế tạo chất kết dính thạch cao hỗn hợp có khả năng chịu nước, cường độ cao. Cụ thể mẫu đá thạch cao sau khi rắn chắc có hệ số hoá mềm lớn hơn 0,75 và cường độ nén lớn hơn 30 MPa. Phụ gia siêu dẻo cũng có thể được sử dụng nhằm giảm lượng nước sử dụng, từ đó giúp cải thiện cường độ nén và phần nào cải thiện được khả năng chịu nước của chất kết dính hỗn hợp này.

Xem chi tiết Bài nghiên cứu TẠI ĐÂY:

Build.Data