Vật liệu cách âm, cách nhiệt từ phế thải tro bay

Tro bay là bụi khí thải dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy than đá trong các lò hơi của nhà máy nhiệt điện, trong lò quay của nhà máy xi măng, trong lò cao của nhà máy luyện kim, trong lò tunel của các xí nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, trong các lò của hệ thống xử lý rác bằng công nghệ đốt, là phế thải thoát ra từ buồng đốt qua ống khói nhà máy.

Tro bay được tận thu từ ống khói qua hệ thống nồi hơi tinh luyện loại bỏ bớt các thành phần than (cacbon) chưa cháy hết và là một loại khoáng hoạt tính pozzolan có thể dùng làm phụ gia cho chế tạo bê tông cường độ cao. Thành phần của tro bay thường chứa các silic oxit, nhôm oxit, canxi oxit, sắt oxit, magie oxit và lưu huỳnh oxit, ngoài ra có thể chứa một lượng than chưa cháy. Cũng giống như các phụ gia khoáng hoạt tính cho bê tông khác như muội silic, tro bay là một loại pozzolan nhân tạo với thành phần chính tạo hiệu ứng pozzolan là các silic oxit, nhôm oxit chứa trong tro bay.

Tro bay là bụi khí thải dạng hạt mịn. 

Các nhà khoa học tại Trường đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM đã nghiên cứu tận dụng phế thải tro bay sử dụng công nghệ sấy thăng hoa, dung môi xanh, cùng chất kết dính thân thiện với môi trường tạo ra vật liệu xây dựng aerogel và aerogel composite.

Vật liệu xây dựng aerogel và aerogel composite này có thể đáp ứng tốt việc cách nhiệt và cách âm. Chi phí sản xuất tro bay aerogel composite (FA aerogel composite) rất thấp, chỉ khoảng 59.000 đồng/m2.

Nhóm nghiên cứu cũng đã xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu cao cấp từ tro bay nhằm tận dụng nguồn phế phẩm công nghiệp dồi dào, giải quyết vấn đề ô nhiễm của tro bay tại các bãi chứa, quy trình này đã hoàn thiện sẵn sàng chuyển giao ngay cho doanh nghiệp trong nước.

PGS-TS Lê Thị Kim Phụng, tác giả của đề tài nghiên cứu này, cho biết tro bay là bụi khí thải dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy than đá trong các lò hơi của nhà máy nhiệt điện, lò quay của nhà máy xi măng, lò cao của nhà máy luyện kim, lò tunel của các xí nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, lò của hệ thống xử lý rác bằng công nghệ đốt…

Thành phần của tro bay thường chứa các silic oxit, nhôm oxit, canxi oxit, sắt oxit, magie oxit và lưu huỳnh oxit, ngoài ra có thể chứa một lượng than chưa cháy. Tro bay gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Đã có nhiều nghiên cứu tổng hợp aerogel từ silica được trích ly và thu hồi từ tro bay bằng phương pháp sol-gel truyền thống, nhưng các quy trình này còn phức tạp, sử dụng nhiều hóa chất không thân thiện với môi trường, hoặc sử dụng dung môi và hóa chất đắt tiền.

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 ở 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.

Điểm mới của đề tài nghiên cứu này là PGS-TS Lê Thị Kim Phụng và nhóm cộng sự ở khoa kỹ thuật hóa học Trường đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM đã tổng hợp vật liệu aerogel composite từ tro bay bằng sợi nhựa PET tái chế (rPET).

Sợi rPET có đường kính 30 µm và chiều dài 64 mm được trải trên khuôn, còn hỗn hợp tro bay và dung dịch xanthan gum được đổ vào khuôn và tạo thành hệ gel. Hỗn hợp tro bay/rPET/xanthan gum được gel hóa để hóa rắn toàn bộ chất lỏng (nước) và tiếp tục được sấy thăng hoa để tạo thành aerogel composite có cấu trúc rỗng xốp.

Quy trình tổng hợp hướng dẫn phương pháp chế tạo vật liệu tro bay aerogel composite siêu nhẹ, cách âm và cách nhiệt cũng được nhóm nghiên cứu thực hiện chi tiết, giúp doanh nghiệp khi tiếp nhận dễ dàng ứng dụng trong sản xuất ở quy mô công nghiệp.

Những năm gần đây, tro xỉ phế thải của các nhà máy nhiệt điện đốt than trở thành vấn đề đau đầu đối với các nhà quản lý. Theo số liệu được công bố, hiện nay trên cả nước đang tồn đọng khoảng gần 50 triệu tấn tro bay. Chỉ 3 nhà máy của cụm nhiệt điện Vĩnh Tân 2, 4 và 4 mở rộng, trong khi chờ Bộ Xây dựng ban hành bộ tiêu chuẩn tro, xỉ, thì trên thực tế, tro, xỉ thải ra không ngừng tăng. Với 2 nhà máy Vĩnh Tân 2 và Vĩnh Tân 4 đang hoạt động và sử dụng bãi chứa tro, xỉ, có diện tích 38,3 ha, sức chứa gần 10 triệu m3. Với tốc độ chôn lấp như hiện nay, lượng tro, xỉ tồn khá nhiều. Bãi tro đã cao ngất ngưởng và sắp tới sẽ đạt cao trình 27m (hiện tại đã 16m). Nếu không có đầu ra xử lý tro, xỉ, thì đến 2021, bãi chôn lấp trên sẽ được lấp đầy và quá tải.

Dự kiến đến năm 2020, tổng trữ lượng tro bay thải ra của các nhà máy nhiệt đốt than của nước ta lên tới hơn 15 triệu tấn/năm. Như vậy, phải sử dụng một diện tích khá lớn ao hồ, đất canh tác nông nghiệp để làm diện tích chứa lượng phế thải này. Với thành phần hạt có trọng lượng nhẹ, kích thước hạt rất nhỏ (tương đương 1/3 hạt xi măng) nên tro xỉ có thể bay tự do trong không khí, phát tán khắp nơi và là nỗi kinh hoàng của cư dân gần nhà máy nhiệt điện và xung quanh nơi chôn lấp tro bay.

Trong khi ô nhiễm không khí là cấp thiết thì ô nhiễm nguồn nước lại có vẻ “thầm lặng” hơn, nhưng nỗi nguy hại thì không kém. Chỉ cần có mạch nước ngầm nhỏ cũng có thể đem tro bay đi khắp mọi ngõ ngách trong lòng đất, trong khi thành phần của tro bay có hàng loạt ô xít kim loại nặng như SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, NaO, K2O, MgO, TiO2. Ngoài 8 loại này, có thể còn có các ô xít khác. Các loại than khác nhau sẽ có các hàm lượng của từng ô xít này khác nhau và sẽ có tỷ số axít (acid ratio) khác nhau. Các ô xít kim loại nặng này có thể là một trong những nguyên nhân gây nhiều căn bệnh nan y hiện nay.

Minh Huyền

Minh Huyền