ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
…………………….

TRẦN NGÔ QN

TỔNG HỢP KHỐNG
CALCIUM SILICATE HYDRATE TỪ
NGUỒN KÍNH THẢI

Chun ngành: KỸ THUẬT VẬT LIỆU
Mã số: 8520309

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Phạm Trung Kiên
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS. Bùi Xuân Vương
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Lê Văn Quang
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 17 tháng 07 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Chủ tịch: GS. TS. Đỗ Quang Minh

2. Thư ký: TS. Kiều Đỗ Trung Kiên
3. Phản biện 1: PGS.TS Bùi Xuân Vương
4. Phản biện 2: TS. Lê Văn Quang
5. Ủy viên: PGS. TS Phạm Trung Kiên
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

GS. TS. Đỗ Quang Minh

ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Ngô Quân .............................................. MSHV:2070342
Ngày, tháng, năm sinh: 28/10/1997 ........................................... Nơi sinh: Tiền Giang
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu ............................................... Mã số: 8520309
I. TÊN ĐỀ TÀI:
Tổng hợp khoáng Calcium Silicate Hydrate từ nguồn kính thải.

Synthesis of Calcium Silicate Hydrate minerals from waste glass.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
• Tổng hợp khống CSH từ kính thải PV và bùn thải carbide trong mơi
trường thủy nhiệt NaOH hoặc nước. Phân tích và đánh giá vi cấu trúc của
khoáng CSH sau tổng hợp.
• Thí nghiệm khảo sát hiệu suất hấp phụ Cr(III) của khoáng CSH trong các
mốc thời gian khác nhau. Phân tích, đánh giá hiệu suất hấp phụ và vi cấu
trúc của khoáng CSH sau khi hấp phụ Cr(III).
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023 (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)
IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/06/2023 (Ghi theo trong QĐ giao đề
tài)
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):
PGS. TS. Phạm Trung Kiên

Tp. HCM, ngày 11 tháng 06 năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Phạm Trung Kiên
TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
(Họ tên và chữ ký)

iii



LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tơi xin được tỏ lịng biết ơn và gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng
viên hướng dẫn PGS.TS. Phạm Trung Kiên, người trực tiếp hướng dẫn đề tài, đã tận
tình chỉ bảo và hướng dẫn em tìm ra hướng nghiên cứu, tiếp cận thực tế, tìm kiếm tài
liệu, xử lý và phân tích số liệu, giải quyết vấn đề, … nhờ đó em mới có thể hồn thành
luận văn tốt nghiệp của mình.
Ngồi ra, trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn tơi cịn nhận
được nhiều sự quan tâm, góp ý, hỗ trợ quý báu của quý thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè
và người thân. Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:
Cha mẹ và những người thân trong gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi
cho em trong suốt thời gian qua và đặc biệt trong thời gian em theo học trong suốt 2
năm qua tại trường Đại học Bách Khoa.
Đồng thời, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn Hứa Tấn Thành đã hỗ trợ tiến
hành thực nghiệm trong luận văn này, bạn Bùi Khắc Thạch đã hỗ trợ sửa lỗi định
dạng trong luận văn.
Đặc biệt, Quý thầy cô Khoa Công nghệ Vật liệu – trường Đại học Bách Khoa
đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích trong suốt hai năm học vừa qua.
Tuy nhiên vì kiến thức chun mơn có hạn chế và bản thân còn thiếu nhiều kinh
nghiệm thực tiễn nên nội dung của báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, em rất
mong nhận sự góp ý, chỉ bảo thêm của các quý thầy cô cùng các anh, chị trong khoa
để luận văn tốt nghiệp của em trở nên hồn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 6 Năm 2023
Học viên cao học

Trần Ngô Quân

iv



TĨM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay, khống Calcium Silicate Hydrate (CSH) là một loại vật liệu quan
trọng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xây dựng, trang trí nội ngoại thất, vật
liệu cơng nghệ cao,... nhờ các đặc tính cơ lý đặc biệt. Những nghiên cứu gần đây đã
cho thấy được khống CSH có tiềm năng ứng dụng nổi bật mới trong việc bảo vệ môi
trường, như việc loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi nguồn nước thải như Cr(III) từ nhà
máy xi mạ. Trong nghiên cứu này sẽ tận dụng nguồn thải sẵn có như kính thải, đặc
biệt là kính thải quang điện(PV) từ pin mặt trời như là nguồn cung cấp Silic và bùn
thải carbide như là nguồn cung cấp Calcium cho vật liệu khoáng CSH với định hướng
ứng dụng giải quyết rác thải công nghiệp, bảo vệ mơi trường và kinh tế tuần hồn.
Ngồi ra, phương pháp tổng hợp thủy nhiệt còn được tiến hành ở trong nghiên cứu
này do điều kiện thực hiện và khả năng ứng dụng vượt trội hơn so với các phương
pháp khác. Nghiên cứu này sẽ tiến hành khảo sát tổng hợp khoáng CSH tại các điều
kiện thủy nhiệt khác nhau là NaOH và nước tại nhiệt độ 180 °C trong 96 giờ, khoáng
CSH sau khi tổng hợp sẽ được tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ
hồng ngoại (FT-IR) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) nhằm để phát hiện các thành
phần pha và các cấu trúc đặc trưng của vật liệu CSH. Sau đó, mẫu Calcium Silicate
Hydrate được đem đi thử nghiệm độ hấp phụ ion chrom bằng cách ngâm trong dung
dịch giả lập nước thải Cr(III) và được phân tích bằng phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis)
để xác định khả năng và cơ chế hấp phụ của vật liệu. Kết quả cho thấy rằng vật liệu
tổng hợp được có cấu trúc tinh thể tương tự như khoáng Xonotlite và Tobermorite và
hiệu suất hấp phụ Cr(III) của CSH lên tới 98,9%. Nghiên cứu này tóm tắt tiềm năng
tổng hợp khống CSH sử dụng kính thải và bùn thải carbide bằng phương pháp thủy
nhiệt và thử nghiệm hiệu quả trong việc loại bỏ Cr(III) khỏi nước thải. Đề xuất nghiên
cứu chuyên sâu về khả năng hấp phụ của CSH tới các kim loại nặng khác nhau.
Từ khóa: Calcium Silicate Hydrate, C-S-H , Kính thải PV, bùn thải carbide, hấp
phụ Cr(III).

v



ABSTRACT
Nowaday, Calcium Silicate Hydrate (CSH) is an important material widely used
in the fields of construction, interior and exterior decoration, high-tech materials,...
thanks to its special mechanical and physical properties. Recent studies have shown
that CSH minerals have outstanding potential for new applications in environmental
protection, such as the removal of heavy metals from wastewater such as Cr(III) from
plating factories. This study will utilize existing waste sources such as waste glass,
especially photovoltaic (PV) waste glass from solar cells, will be used as a source of
Silicon and carbide sludge as a source of Calcium for CSH mineral materials with
orientation. application of industrial waste treatment, environmental protection and
circular economy. In addition, the hydrothermal synthesis method was also carried
out in this study due to its superior performance and applicability compared to other
methods. This study will conduct a survey on the synthesis of CSH minerals at
different hydrothermal conditions such as NaOH and water with a temperature of 180
°C for 96 hours, CSH minerals after synthesis will be analyzed by X-ray diffraction
(XRD), Infrared Spectroscopy (FT-IR) and Scanning Electron Microscopy (SEM) to
detect phase compositions and characteristic structures of CSH materials. Calcium
Silicate Hydrate sample was tested for Chrome adsorption by immersion in Cr(III)
wastewater simulation and analyzed by Ultraviolet Visible Spectroscopy (UV-Vis)
to determine the ability and adsorption mechanism of the material. The results show
that the synthesized materials have similar crystal structure to Xonotlite and
Tobermorite minerals and the Cr(III) adsorption efficiency of CSH is up to 98.9%.
This study summarizes the potential for synthesis of CSH mineral using waste glass
and carbide sludge by hydrothermal method and tests its effectiveness in removing
Cr(III) from wastewater. Proposing further research on the adsorption capacity of
CSH to different heavy metals.
Keywords: Calcium Silicate Hydrate, C-S-H, PV waste glass, carbide sludge,
Cr(III) adsorption.


vi


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi và được sự hướng dẫn
của PGS.TS. Phạm Trung Kiên. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là
trung thực, được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu của tôi và các kết quả
của nghiên cứu này chưa từng được ai công bố.
Tác giả

Trần Ngô Quân

vii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................................v
ABSTRACT .............................................................................................................. vi
LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ .......................................................................... vii
MỤC LỤC ............................................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... xii
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................xv
DANH MỤC VIẾT TẮT ........................................................................................ xvi
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................4
1.1. Thủy tinh kính thải PV. .................................................................................4
1.2. Bùn thải carbide. ...........................................................................................7
1.3. Khoáng Calcium Silicate Hydrate. ..............................................................10

1.3.1. Khoáng Calcium Silicate Hydrate. ......................................................10
1.3.1.1. Tobermorite. ..................................................................................12
1.3.1.2. Xonotlite. .......................................................................................13
1.3.2. Tổng hợp khoáng CSH bằng phương pháp thủy nhiệt. .......................14
1.3.3. Vấn đề ô nhiễm Cr(III) từ nguồn nước thải công nghiệp. ...................15
1.3.4. Cơ chế hấp phụ Cr(III) của khống CSH. ............................................16
1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu. ............................................................18
1.4.1. Số lượng nghiên cứu được cơng bố. ....................................................18
1.4.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước. .......................................................21
1.4.3. Tình hình nghiên cứu trong nước. ........................................................22
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .............................24
2.1. Nguyên liệu. ................................................................................................24
2.1.1. Kính thải PV - Nguyên liệu cung cấp Silic cho CSH. .........................24
2.1.2. Bùn thải Carbide - Nguyên liệu cung cấp Calcium cho CSH. .............25

viii


2.1.3. Tính tốn cấp phối................................................................................25
2.1.4. Sodium Hydroxide – NaOH – tạo môi trường thủy nhiệt....................28
2.1.5. Dung dịch giả lập nước thải Cr(III). ....................................................28
2.2. Thiết bị thực nghiệm. ..................................................................................29
2.2.1. Khuôn tạo mẫu. ....................................................................................29
2.2.2. Cốc hấp thủy nhiệt (Hydrothermal Autoclave). ...................................30
2.2.3. Lò sấy. ..................................................................................................31
2.2.4. Máy lắc ngang. .....................................................................................32
2.3. Phương pháp phân tích và đánh giá. ...........................................................32
2.3.1. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier – FTIR..................................32
2.3.2. Nhiễu xạ tia X – XRD. .........................................................................33
2.3.3. Huỳnh quang tia X – XRF. ..................................................................35

2.3.4. Kính hiển vi điện tử quét – SEM. ........................................................35
2.3.5. Phổ tán xạ năng lượng tia X - EDX .....................................................37
2.3.6. Phổ hấp thụ Tử ngoại-Khả kiến – UV-Vis. .........................................37
2.3.7. Độ xốp. .................................................................................................38
2.4. Quy trình thí nghiệm. ..................................................................................39
2.4.1. Sơ đồ quy trình thí nghiệm...................................................................39
2.4.1.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp khống CSH. ........................................39
2.4.1.2. Sơ đồ quy trình thí nghiệm khả năng hấp phụ Cr(III). ..................40
2.4.2. Thuyết minh quy trình..........................................................................40
2.4.2.1. Quy trình tổng hợp khống CSH. ..................................................40
2.4.2.2. Quy trình khảo sát hấp phụ Cr(III) ................................................42
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ...................................................................44
3.1. Đặc tính nguyên liệu - Khoáng CSH trước hấp thủy nhiệt. ........................44
3.1.1. Kết quả phân tích XRF.........................................................................44
3.1.2. Kết quả phân tích XRD. .......................................................................44
3.2. Đặc tính khống CSH sau khi hấp thủy nhiệt. ............................................45
3.2.1. Kết quả phân tích FT-IR. .....................................................................45
3.2.2. Kết quả phân tích chụp SEM. ..............................................................48

ix


3.2.3. Kết quả phân tích EDX. .......................................................................49
3.2.4. Kết quả phân tích XRD. .......................................................................50
3.2.5. Kết quả đo độ xốp. ...............................................................................51
3.2.5.1. Khống CSH tổng hợp trong mơi trường nước. ............................52
3.2.5.2. Khống CSH tổng hợp trong môi trường NaOH 8M. ...................53
3.3. Khảo sát khả năng hấp phụ Cr(III) của khoáng CSH. ................................54
3.3.1. Kết quả đánh giá hiệu suất hấp phụ Cr(III)..........................................54
3.3.1.1. Đường chuẩn dung dịch Cr(III). ....................................................54

3.3.1.2. Kết quả hấp phụ Cr(III) của khống CSH hấp thủy nhiệt trong mơi
trường nước. ...............................................................................................56
3.3.1.3. Kết quả hấp phụ Cr(III) của khoáng CSH hấp thủy nhiệt trong mơi
trường NaOH 8M. ......................................................................................57
3.3.2. Kết quả phân tích FT-IR. .....................................................................58
3.3.2.1. Kết quả của khoáng CSH hấp thủy nhiệt trong mơi trường nước. 58
3.3.2.2. Kết quả của khống CSH hấp thủy nhiệt trong mơi trường NaOH
8M...............................................................................................................59
3.3.3. Kết quả phân tích chụp SEM. ..............................................................60
3.3.3.1. Khống CSH tổng hợp trong mơi trường nước hấp phụ Cr(III). ..60
3.3.3.2. Khoáng CSH tổng hợp trong môi trường NaOH 8M hấp phụ
Cr(III). ........................................................................................................61
3.3.4. Kết quả phân tích EDX. .......................................................................63
3.3.4.1. Khống CSH tổng hợp thủy nhiệt trong mơi trường nước hấp phụ
Cr(III). ........................................................................................................63
3.3.4.2. Khống CSH tổng hợp thủy nhiệt trong môi trường NaOH 8M hấp
phụ Cr(III). .................................................................................................64
3.3.5. Kết quả phân tích XRD. .......................................................................66
3.3.5.1. Khống CSH tổng hợp trong mơi trường nước hấp phụ Cr(III). ..66
3.3.5.2. Khống CSH tổng hợp trong môi trường NaOH 8M hấp phụ
Cr(III). ........................................................................................................67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................69

x


DANH MỤC CÔNG BỐ KHOA HỌC ....................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................82
PHỤ LỤC ..................................................................................................................92


xi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1.1. Mẫu kính thải dân dụng...............................................................................4
Hình 1.2. Cấu trúc và vật liệu của một tấm PV Cd-Te. ..............................................5
Hình 1.3. Quy trình tái chế tấm PV Cd-Te của cơng ty First solar. ............................6
Hình 1.4. Quy trình sản xuất calcium carbide.............................................................8
Hình 1.5. Sơ đồ tổng hợp khí acetylene trong cơng nghiệp. .......................................9
Hình 1.6. Bùn thải tại nhà máy Sovigaz. ....................................................................9
Hình 1.7. Mơ hình mơ tả cấu trúc đơn giản của khống CSH. .................................11
Hình 1.8. Hình thái cấu trúc tinh thể Tobermorite bằng kính hiển vi điện tử quét
(SEM). .......................................................................................................................13
Hình 1.9. Ảnh SEM của tinh thể của Xonotlite. .......................................................14
Hình 1.10. Mơ tả cơ chế hấp phụ Cr(III) của khống CSH được đề xuất trong cơng
bố trước đây...............................................................................................................18
Hình 1.11. Thống kê cơng bố liên quan tới Kính thải từ năm 2010 -2022. ..............19
Hình 1.12. Thống kê cơng bố liên quan tới Bùn thải Carbide từ năm 2010 -2022...19
Hình 1.13. Thống kê công bố liên quan tới CSH từ năm 2010 -2022. .....................20
Hình 2.1. (a)Bột nhão kính thải và (b)Bột khơ kính thải PV. ...................................24
Hình 2.2. Bùn thải Carbide thơ. ................................................................................25
Hình 2.3. Giản đồ pha khoáng CSH trong các điều kiện tỷ lệ mol CaO/SiO2 và nhiệt
độ thủy nhiệt khác nhau. ...........................................................................................26
Hình 2.4. Lọ hóa chất NaOH. ...................................................................................28
Hình 2.5. (a) Hóa chất CrCl3. 6H2O; (b)Dung dịch giả lập nước thải Cr(III)...........29
Hình 2.6.Khn tạo mẫu bằng inox. .........................................................................29
Hình 2.7.(a) Cốc hấp thủy nhiệt, (b) Mơ hình cốc hấp thủy nhiệt. ...........................30
Hình 2.8.Lị sấy Keton KH-45A. ..............................................................................31
Hình 2.9. Máy lắc ngang HY-4A Sinosource. ..........................................................32

Hình 2.10. Máy phân tích FT- IR Thermo Scientific Nicolet 6700 FTIR. ...............33
Hình 2.11. Sơ đồ mơ tả nhiễu xạ tia X bởi các mặt phẳng mạng tinh thể. ...............34
Hình 2.12. Máy phân tích XRD Bruker D8 Advance. ..............................................34

xii


Hình 2.13. Sơ đồ mơ tả hình thành huỳnh quang tia X đặc trưng. ...........................35
Hình 2.14. Nguyên lý hoạt động của phân tích SEM. ..............................................36
Hình 2.15. Máy đo UV-Vis APL Instruments UV-754N. ........................................37
Hình 2.16. Hệ hút chân khơng ..................................................................................38
Hình 2.17. Sơ đồ quy trình tổng hợp khống CSH. ..................................................39
Hình 2.18. Sơ đồ quy trình thí nghiệm khả năng hấp phụ Cr(III) của khống CSH.
...................................................................................................................................40
Hình 2.19. Hỗn hợp kính thải PV và bùn thải carbide. .............................................41
Hình 2.20. Mẫu được tạo viên trong khn thép. .....................................................41
Hình 2.21. Hình viên nén khống CSH (a) Trước và (b)Sau khi hấp thủy nhiệt......42
Hình 2.22. Khống CSH được ngâm trong dung dịch giả lập nước thải Cr(III). .....42
Hình 2.23. Khống CSH (a) Trước và (b) Sau khi hấp phụ Cr(III). .........................43
Hình 3.1. Kết quả XRD của nguyên liệu (a) Kính thải PV và (b) Bùn thải carbide. 44
Hình 3.2. Phổ FT-IR của khống CSH hấp tại 180 °C / 96 giờ trong mơi trường: ...45
Hình 3.3.Phổ FT-IR tại số sóng 400 – 1800 cm-1 của khống CSH hấp tại 180 °C / 96
giờ trong môi trường:(I) nước và (II) NaOH 8M. .....................................................46
Hình 3.4. Hình SEM tại độ phóng đại 5.000 lần của khống CSH hấp thủy nhiệt tại
180 °C /96 giờ (a) trong môi trường nước và (b) trong mơi trường NaOH 8M. ......48
Hình 3.5. Hình SEM tại độ phóng đại 10.000 lần của khống CSH hấp thủy nhiệt tại
180 °C/96 giờ (a) trong môi trường nước và (b) trong mơi trường NaOH 8M. .......48
Hình 3.6. Kết quả XRD với (I) 2θ = 5o- 80o,(II) 2θ = 5o- 40o của khoáng CSH hấp
thủy nhiệt trong: (a) mơi trường nước, (b) trong mơi trường NaOH 8M. ................50
Hình 3.7. (a)Đường chuẩn dung dịch Cr(III);(b)Dung dịch chuẩn Cr(III) với các nồng

độ khác nhau. ............................................................................................................54
Hình 3.8. Mơ tả định luật Beer – Lambert bằng phân tích UV-Vis. .........................55
Hình 3.9. (a)Biểu đồ hiệu suất hấp thụ Cr(III) của khoáng CSH;(b)Dung dịch giả lập
nước thải Cr(III) tại các thời gian hấp phụ khác nhau. .............................................56
Hình 3.10. (a)Biểu đồ hiệu suất hấp thụ Cr(III) của khoáng CSH;(b)Dung dịch giả
lập nước thải Cr(III) tại các thời gian hấp phụ khác nhau. .......................................57

xiii


Hình 3.11. Phổ FT-IR với số sóng (a)400 – 4000 cm-1, (b) 400 – 1800 cm-1 của khoáng
CSH hấp phụ Cr(III) tại các mốc thời gian khác nhau. .............................................58
Hình 3.12. Phổ FT-IR với số sóng (a)400 – 4000 cm-1, (b) 400 – 1800 cm-1 của khoáng
CSH hấp phụ Cr(III) tại các mốc thời gian khác nhau. .............................................59
Hình 3.13. Ảnh SEM của khống CSH tổng hợp trong mơi trường nước hấp phụ
Cr(III) với khoảng thời gian ngâm khác nhau tại độ phóng đại 10000 lần: (a) 3 giờ;(b)
6giờ; (c) 9 giờ; (d) 12 giờ. .........................................................................................61
Hình 3.14.Ảnh SEM của khống CSH tổng hợp trong môi trường NaOH 8M hấp phụ
Cr(III) với khoảng thời gain ngâm khác nhau tại độ phóng đại 10000 lần: (a) 3 giờ;(b)
6giờ;(c) 9 giờ. ............................................................................................................62
Hình 3.15. Phổ EDX của khống CSH tổng hợp trong mơi trường nước hấp phụ dung
dịch Cr(III) trong 12 giờ............................................................................................63
Hình 3.16. Phổ EDX của khống CSH tổng hợp trong mơi trường NaOH hấp phụ
dung dịch Cr(III) trong 9 giờ.....................................................................................64
Hình 3.17. Biểu đồ tỷ lệ khối lượng giữa Ca, Na với Cr trong khoảng thời gian hấp
phụ khác nhau của khống CSH. ..............................................................................65
Hình 3.18. Kết quả XRD với (a) 2θ = 5o- 80o,(b) 2θ = 15o- 28o của khống CSH tổng
hợp trong mơi trường nước, hấp phụ Cr(III) tại các khoảng thời gian khác nhau. ...66
Hình 3.19. Kết quả XRD với (a) 2θ = 5o- 80o,(b) 2θ = 30o- 50o của khoáng CSH tổng
hợp trong NaOH, hấp phụ Cr(III) tại các khoảng thời gian khác nhau. ...................67


xiv


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Thành phần phần trăm theo khối lượng (%wt) của tấm PV. ......................5
Bảng 1.2. Mô tả nguồn thải cung cấp Ca, Si sử dụng để tổng hợp khống CSH. ....12
Bảng 1.3. Tính chất vật lý và hóa học của Xonotlite. ...............................................13
Bảng 2.1. Tính tốn khối lượng cấp phối giữa kính thải PV vả bùn thải carbide .....27
Bảng 3.1. Thành phần hóa của kính thải PV, bùn thải carbide .................................44
Bảng 3.2. Các liên kết đặc trưng có trong khống CSH từ kết quả phân tích FT-IR .
...................................................................................................................................47
Bảng 3.3. Tỷ lệ phần trăm theo khối lượngcủa các nguyên tố trong khoáng CSH. .49
Bảng 3.4. Kết quả đo độ xốp của khống CSH hấp thủy nhiệt trong mơi trường nước
tại 180 °C/96 giờ. ......................................................................................................52
Bảng 3.5. Kết quả đo độ của khống CSH hấp thủy nhiệt trong mơi trường NaOH 8M
tại 180 °C/96 giờ. ......................................................................................................53
Bảng 3.6. Kết quả đo độ hấp thụ ánh sáng của các nồng độ dung dịchCr(III) khác
nhau tại bước sóng 586 và 419 nm. .........................................................................54
Bảng 3.7. Kết quả độ hấp thụ ánh sáng, nồng độ Cr(III), hiệu suất hấp phụ của khoáng
CSH tổng hợp thủy nhiệt trong môi trường nước. ....................................................56
Bảng 3.8. Kết quả độ hấp thụ ánh sáng, nồng độ Cr(III), hiệu suất hấp phụ của khống
CSH tổng hợp thủy nhiệt trong mơi trường NaOH 8M. ...........................................57
Bảng 3.9. Các liên kết đặc trưng xuất hiện sau khi khoáng CSH hấp phụ Cr(III)....58
Bảng 3.10. Các liên kết đặc trưng xuất hiện sau khi khoáng CSH hấp phụ Cr(III)..59
Bảng 3.11. Tỷ lệ phần trăm khối lượng của các nguyên tố trong khoáng CSH sau hấp
phụ Cr(III) tại 3 giờ, 6 giờ, 9 giờ, 12 giờ. .................................................................63
Bảng 3.12. Tỷ lệ phần trăm khối lượng của các nguyên tố trong khoáng CSH sau hấp
phụ Cr(III) tại 3 giờ, 6 giờ, 9 giờ. .............................................................................64


xv


DANH MỤC VIẾT TẮT
Danh pháp đầy đủ

Ký hiệu viết tắt

Calcium Silicate Hydrate

CSH

Energy Dispersive X-ray

EDX

Fourier Transform – Infrared Spectroscopy

FT – IR

PhotoVoltaic

PV

Scanning Electron Microscope

SEM

Ultraviolet – Visible spectroscopy


UV-Vis

X-ray Diffraction

XRD

X-ray Fluorescence

XRF

xvi


Luận văn thạc sĩ

Trần Ngơ Qn

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài.
Nhu cầu ngày càng tăng đối với vật liệu xây dựng, đặc biệt là Calcium Silicate
Hydrate (CSH) với các tính chất cơ lý đặc biệt, những việc tổng hợp các vật liệu xây
dựng nói chung CSH nói riêng đã gây áp lực lên các nguồn tài nguyên thiên nhiên
sẵn có đang dần bị cạn kiệt. Do đó, việc tận dụng nguồn thải làm nguồn nguyên liệu
thay thế các nguyên liệu truyền thống đang ngày càng được quan tâm tới.
Theo những nghiên cứu gần đây, việc tổng hợp khoáng CSH từ các vật liệu phế
thải, bao gồm cả kính thải tấm quang điện (PV), như một giải pháp bảo vệ mơi trường
và tiết kiệm chi phí nhằm hướng nền kinh tế tuần hoàn. Thủy tinh thải là một trong
những nguồn tài ngun có tiềm năng làm ngun liệu thơ như là một nguồn cung
cấp Silic để tổng hợp khoáng Calcium Silicate Hydrate (CSH). Ngồi ra, nghiên cứu

này cịn tận dụng việc sử dụng bùn thải carbide như là một nguồn cung cấp calcium
trong việc tổng hợp CSH.
Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg ngày 06/4/2020 của Thủ tướng Chính phủ đã
mang lại sự phát triển bùng nổ đối với phát triển điện mặt trời ở Việt Nam [1]. Về
mặt lý thuyết, các pin mặt trời chỉ có thời hạn sử dụng trong khoảng 25-30 năm [2].
Khi hết thời gian sử dụng các tấm pin mặt trời sẽ trở thành một dạng chất thải nguy
hại và có thể gây hại cho mơi trường nếu không được thu hồi hoặc xử lý đúng cách.
Tái sử dụng kính thải PV là một bước quan trọng hướng tới phát triển bền vững và
việc tổng hợp khoáng CSH từ kính thải PV có thể thúc đẩy động lực cho việc tái chế
kính thải PV.
Bùn thải carbide một trong những nguồn cung cấp calcium dồi dào được tận
dụng từ chất thải trong q trình tổng hợp khí đất đèn acetylene. Việc tận dụng bùn
thải carbide được xem như một phương pháp bảo vệ môi trường, tận dụng nguồn thải
công nghiệp cho định hướng kinh tế tuần hoàn.
Với sự phát triển cơng nghiệp nhanh chóng tại Việt Nam, ơ nhiễm kim loại nặng
trong nước đã gây ra mối lo ngại nghiêm trọng đối với môi trường. Chromium (III)
(Cr(III)), một chất gây ô nhiễm kim loại nặng phổ biến trong các quy trình cơng
nghiệp khác nhau, bao gồm sản xuất thép không gỉ, bột màu và thuộc da, một lượng

1


Luận văn thạc sĩ

Trần Ngô Quân

lớn Cr(III) tồn tại trong nước có thể gây ra nhiều vấn đề ảnh hưởng tới sức khỏe cộng
đồng và các sinh vật sống. Do đó, việc phát triển các vật liệu hiệu quả và tiết kiệm
chi phí để xử lý nước thải nhiễm Cr(III) là rất cần thiết. Các nghiên cứu gần đây đã
cho thấy được rằng khống CSH có tiềm năng lớn trong việc loại bỏ kim loại nặng

khỏi nước thải do khả năng hấp phụ cao.
Qua những nhu cầu thực tiễn trên, nên tơi thực hiện đề tài: “Tổng hợp Khống
Calcium Silicate Hydrate từ nguồn Kính thải” .
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Khảo sát đặc tính vi cấu trúc của khống CSH từ kính thải PV và bùn thải
carbide bằng phương pháp thủy nhiệt trong môi trường NaOH hoặc nước.
Khảo sát khả năng và hiệu quả hấp phụ ion kim loại nặng Cr(III) trong dung
dịch giả lập nước thải bằng khoáng CSH sau khi tổng hợp.
Khảo sát các tính chất vi cấu trúc của khoáng CSH trước và sau khi hấp phụ
Cr(III).
Phạm vi nghiên cứu.
Mẫu CSH trước và sau khi hấp thủy nhiệt được đem đi phân tích XRD, XRF,
SEM để xác định vi cấu trúc và thành phần pha được hình thành sau khi hấp thủy
nhiệt.
Đặc trưng các tính chất chất của khống CSH thơng qua kết quả phân tích XRD,
XRF, SEM.
Khảo sát khả năng hấp phụ Cr(III) bằng phương pháp phân tích UV-Vis dung
dịch giả lập nước thải sau khi được ngâm với khoáng CSH trong các khoảng thời gian
khác nhau.
Phân tích, khảo sát sự thay đổi vi cấu trúc, thành phần pha của khoáng CSH sau
khi hấp phụ Cr(III) bằng phương pháp phân tích XRD, FT-IR, SEM.
Ý nghĩa khoa học.
Luận văn có tính ứng dụng cao khi tập trung vào việc tận dụng sử dụng nguồn
thải giàu Silic như kính thải và nguồn thải giàu Calcium như bùn thải carbide để tổng
hợp nên vật liệu khoáng CSH. Sản phẩm khoáng CSH được tổng hợp từ các nguồn

2


Luận văn thạc sĩ


Trần Ngơ Qn

thải có ý nghĩa trong việc giải quyết vấn đề rác thải công nghiệp, hạn chế khai thác
nguồn tài nguyên mới và định hướng phát triển nền kinh tế tuần hồn.
Ngồi ra, khống CSH có khả năng xử lý môi trường nước, cụ thể là loại bỏ các
kim loại nặng như Cr(III). Việc loại bỏ được các kim loại nặng trong nguồn nước
hiện đang là vấn đề rất được quan tâm của cả cộng đồng thế giới khi tình trạng ơ
nhiễm nước ngày càng tăng ở các nước phát triển, cụ thể là Việt Nam, do sự phát
triển nhanh chóng của nền cơng nghiệp hiện nay.
Ý nghĩa thực tiễn.
Tính thực tiễn của luận văn này được nhắm tới vấn đề bảo vệ môi trường, bảo
tồn tài nguyên và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn. Bằng cách tận dụng hiệu quả chất thải
kính PV và sử dụng để sản xuất các vật liệu chức năng để xử lý mơi trường, nghiên
cứu được trình bày trong luận văn này góp phần tạo ra một cách phát triển bền vững
và có ý thức về mơi trường hơn trong ngành năng lượng điện mặt trời.
Hơn nữa, việc phát triển các giải pháp sáng tạo để quản lý chất thải cơng nghiệp
và mơi trường nước có ý nghĩa rộng lớn hơn đối với các ngành công nghiệp khác
đang đối mặt với những thách thức tương tự, nhấn mạnh tính phù hợp và tính thực
tiễn của nghiên cứu này đối với các bối cảnh trước mắt.

3


Luận văn thạc sĩ

Trần Ngô Quân

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Thủy tinh kính thải PV.

Thủy tinh là hợp chất vơ cơ nóng chảy được làm nguội tới trạng thái quá lạnh
mà khơng kết tinh [3]. Thủy tinh có thành phần chủ yếu là silicate (SiO2), được sử
dụng rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp và dân dụng do các đặc tính của chúng.
Từ quy trình cơng nghiệp và hoạt động tiêu dùng đã tạo ra một lượng nguồn thải thủy
tinh dồi dào. Chính vì vậy, việc xử lý và quản lý thủy tinh thải có những thách thức
đáng kể, chủ yếu là do bản chất không phân hủy sinh học và tác động mơi trường
tiềm ẩn.

Hình 1.1. Mẫu kính thải dân dụng.
Trong luận văn này, trọng tâm cụ thể là kính thải quang điện (PhotoVoltaic,
PV), là một phần của lượng thủy tinh phế thải khổng lồ. Kính thải PV có nguồn gốc
từ lớp trên cùng của tấm pin quang điện. Thành phần thủy tinh chiếm lên tới 75%
khối lượng của tấm PV (Bảng 1.1) [4]. Thành phần thủy tinh của các tấm PV phục
vụ nhiều mục đích, cung cấp hỗ trợ cấu trúc, bảo vệ các tế bào quang điện nhạy cảm
khỏi các yếu tố bên ngoài và đảm bảo truyền dẫn ánh sáng tối ưu (Hình 1.2) [5].

4


Luận văn thạc sĩ

Trần Ngô Quân

Bảng 1.1. Thành phần phần trăm theo khối lượng (%wt) của tấm PV [4].
Thành phần tấm PV

Phần trăm theo khối lượng
(%wt)

Lớp thủy tinh


74.16

Khung Nhôm

10.30

Keo EVA

6.55

Lớp bán dẫn quang điện

3.48

Tấm nền nhựa

3.60

Chất kết dính

1.16

Đồng (dây điện)

0.57

Hình 1.2. Cấu trúc và vật liệu của một tấm PV Cd-Te [5].
Khi công nghệ pin năng lượng mặt trời tiếp tục phát triển, việc lắp đặt các hệ
thống quang điện đã chứng kiến một sự đột biến đáng kể. Theo BIO Intelligence

Service thuộc Cơ quan Môi trường Châu Âu dự đốn tổng lượng tấm PV hết hạn sử
dụng trên tồn cầu vào năm 2050 có thể lên tới 9,57 triệu tấn [6].
Theo thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam đến hết ngày 31/12/2020, đã
có 101.029 cơng trình điện mặt trời mái nhà (ĐMTMN) đã được đấu nối vào hệ thống

5


Luận văn thạc sĩ

Trần Ngô Quân

điện với tổng công suất lắp đặt lên tới gần 9.296 MWp [1]. Đồng thời, theo Quyết
định số 500/QĐ-TTg về Chiến lược phát triển NLTT (Quy hoạch điện VIII) ký kết
ngày 15 tháng 5 năm 2023. Đến năm 2030, tổng công suất các nguồn điện mặt trời
dự kiến tăng thêm 4.100 MW; định hướng đến năm 2050, tổng công suất 168.594 189.294 MW.
Về mặt lý thuyết, các tấm PV chỉ có thời hạn sử dụng trong khoảng 25-30 năm
[2]. Bên cạnh đó, các tấm PV chứa chì (Pb), cadmium (Cd) và nhiều hóa chất độc hại
khác [7]. Với việc sử dụng ngày càng gia tăng, số lượng tấm PV đạt đến giai đoạn
cuối của vòng đời sẽ tăng đều đặn, kính thải PV sẽ trở thành một dạng chất thải nguy
hại khi hết thời gian sử dụng và có thể gây hại cho mơi trường nếu không được thu
hồi hoặc xử lý đúng cách. Do đó, việc quản lý các tấm PV đã hết tuổi thọ và các vật
liệu cấu thành bao gồm cả kính thải PV, đã trở thành mối quan tâm cấp bách.

Hình 1.3. Quy trình tái chế tấm PV Cd-Te của cơng ty First solar [8].
Việc xử lý thủy tinh thải PV đưa ra những thách thức khác biệt so với chất thải
thủy tinh nói chung. Các tấm pin PV thường kết hợp các lớp bổ sung như lớp phủ
màng, vật liệu đóng gói và lớp điện cực kim loại, những lớp này cần được phân tách
và quản lý cẩn thận trong q trình tái chế (Hình 1.3) [8]. Ngồi ra, khối lượng chất
thải PV ngày càng tăng được tạo ra trên tồn cầu, địi hỏi phải phát triển các chiến

lược hiệu quả và bền vững để xử lý loại chất thải thủy tinh này. Hội đồng Liên minh
châu Âu (EU) đã ban hành Chỉ thị 2012/19/EC về rác thải thiết bị điện và điện tử

6


Luận văn thạc sĩ

Trần Ngô Quân

(WEEE), nhằm hạn chế và thúc đẩy tái chế rác thải điện tử, trong đó rác thải từ tấm
PV được chú trọng [6]. Nghị định số 38/2015/NĐ-CP của Chính phủ: Về quản lý chất
thải và phế liệu, trong đó chất thải nguy hại được nhấn mạnh, tấm PV có thể được
xem như là chất thải nguy hại cần được thu gom và quản lý bởi các tổ chức, cá nhân
sản xuất, sử dụng pin năng lượng mặt trời [9].
Việc tổng hợp khoáng Calcium Silicat Hydrat (CSH) từ thủy tinh kính thải PV
mang đến cơ hội quý giá để giải quyết các thách thức về quản lý chất thải và bảo vệ
môi trường nước. Bằng cách tái sử dụng kính thải PV làm nguyên liệu tổng hợp,
nghiên cứu này nhằm góp phần phát triển mơ hình kinh tế tuần hồn trong ngành
cơng nghiệp năng lượng mặt trời. Việc tổng hợp khoáng CSH đưa ra một giải pháp
tiềm năng để loại bỏ Cr(III) khỏi nước thải công nghiệp, chứng minh lợi ích kinh tế
và mơi trường của việc sử dụng thủy tinh thải PV để sản xuất các vật liệu chức năng.
1.2. Bùn thải carbide.
Bùn thải carbide là phụ phẩm được tạo ra trong quá trình sản xuất khí acetylene
từ Calcium carbide. Calcium carbide có cơng thức hóa học là CaC2 và khối lượng
phân tử là 64,099 g/mol có dạng tinh khiết khơng màu, nhưng hầu hết điều có màu từ
đen đến trắng xám. Mật độ của bùn thải là 2,22 g/cm3 và nóng chảy ở 2160 °C. Mục
đính ứng dụng chính trong cơng nghiệp là sản xuất axetylen và Calcium cyanamide
(CaCN2) [10].
Trong công nghiệp, Calcium carbide được sản xuất bằng cách nung đá vôi

(CaCO3) và than cốc (carbon) trong lò hồ quang điện sử dụng điện cực graphite. Q
trình này được gọi là phương pháp lị hồ quang điện, yêu cầu thực hiện ở nhiệt độ cao
khoảng 2300 °C và sản phẩm là Calcium carbide. Phương pháp này không thay đổi
kể từ khi được phát minh vào năm 1888. Hàm lượng CaC2 của sản phẩm được xác
định bằng cách đo lượng khí axetylen sinh ra khi thủy phân (phương trình (1)) [10].
Phương trình tổng hợp Calcium carbide:
CaCO3 (s) + 3C (s)→ CaC2 (s)+ CO (g)

7

(1)


Luận văn thạc sĩ

Trần Ngơ Qn

Hình 1.4. Quy trình sản xuất calcium carbide [10].
Acetylene được tổng hợp bằng cách cho nước vào calcium carbide, tạo ra sản
phẩm chính là khí Acetylene (C2H2) và Calcium Hydroxide (Ca(OH)2) dưới dạng phụ
phẩm (phương trình (2)). Khí acetylene có nhiều ứng dụng, bao gồm sử dụng làm
nhiên liệu hàn và cắt, làm tiền chất để sản xuất nhựa và hóa chất, và là một thành
phần trong quy trình gia cơng kim loại [11].
Phương trình tổng hợp khí acelylen từ Calcium carbide trong cơng nghiệp:
CaC2 (s) + 2H2O (aq) → C2H2 (g) + Ca(OH)2 (aq) + 64kcal

8

(2)



Luận văn thạc sĩ

Trần Ngô Quân

Hình 1.5. Sơ đồ tổng hợp khí acetylene trong cơng nghiệp [12].
Từ phương trình (2),và Hình 1.5. Ta thấy được quá trình tổng hợp acetylene đã
tạo thành phụ phẩm Ca(OH)2, một lượng lớn phụ phẩm Ca(OH)2 này tích lại đã dẫn
đến sự hình thành lượng bùn thải carbide. Calcium Hydroxide, nguồn thải chính, cịn
được gọi là bùn thải carbide hoặc vôi carbide, được thải ra ở mức 10–12 tấn mỗi ngày
khi khí axetylen được tổng hợp ở năng suất 100 m3 giờ–1 và đồng thời cần 900 kg
Calcum carbide. Bùn thải carbide có hình thái sẫm màu, ẩm ướt và dính nhớt có mang
tính kiềm (pH = 12-14) và một lượng nhỏ các tạp chất khác [13].
Lượng bùn này đặt ra những thách thức về xử lý và quản lý do tác động môi
trường tiềm ẩn, đặc biệt nếu không được xử lý đúng cách.

Hình 1.6. Bùn thải tại nhà máy Sovigaz.

9