Nghiên cứu điều chế thủy tinh lỏng từ tro trấu

Thủy tinh lỏng còn gọi là natri silicat (Na2O.nSiO2) là một vật liệu sử dụng rất phổ biến trong thực tế để sản xuất sơn chống thấm, xà phòng, giày vải, que hàn, gốm sứ, keo dán… Đặc biệt, thủy tinh lỏng là một nguyên liệu quan trọng của quá trình tổng hợp các loại vật liệu mao quản như zeolite. Hàng năm, nhu cầu sử dụng thủy tinh lỏng ở nước ta lên tới hàng trăm ngàn tấn.

Tuy nhiên, hiện nay việc sản xuất thủy tinh lỏng trong công nghiệp chủ yếu đi từ nguyên liệu cát trắng và soda (Na2CO3). Do SiO2 trong cát trắng tồn tại ở dạng tinh thể thạch anh (quartz) có cấu trúc bền vững, rất trơ về mặt hóa học, nó chỉ phản ứng với xoda khi nung nóng chảy ở nhiệt độ rất cao, khoảng 1400oC. Vì thế, quá trình sản xuất tiêu tốn nhiều năng lượng, thiết bị phản ứng phức tạp, giá thành sản phẩm cao, sử dụng nguồn tài nguyên cát lớn gây ảnh hưởng xấu đến môi trường.

Tro trấu (rice husk ash) là loại phế thải nông nghiệp rất phổ biến hiện nay ở nước ta, trong thành phần của tro trấu có chứa một lượng lớn SiO2, khoảng 85 - 90% theo khối lượng. Đặc biệt, SiO2 trong tro trấu tồn tại ở dạng vô định hình, cấp hạt rất mịn, có hoạt tính rất cao, nó dễ dàng phản ứng với dung dịch NaOH ngay ở điều kiện nhiệt độ thường. Vì vậy, việc điều chế dung dịch thủy tinh lỏng từ phế thải tro trấu thuận lợi hơn rất nhiều so với đi từ cát trắng truyền thống.

Quá trình thực hiện, nhóm nghiên cứu đã xây dựng được quy trình điều chế thủy tinh lỏng từ tro trấu ở quy mô phòng thí nghiệm (500 gam tro/mẻ) với hiệu suất tách SiO2 đạt 70%. Các điều kiện thích hợp của quá trình điều chế bao gồm: tỷ lệ mol NaOH/SiO2 bằng 0,7; nồng độ NaOH bằng 2,0 M; thời gian thực hiện phản ứng: 1,5 giờ; lượng nước rửa bã tro: 4,5 L/kg tro; thời gian sa lắng: 7 ngày. Sản phẩm dung dịch thủy tinh lỏng thu được có các thông số kỹ thuật: modun SiO2/Na2O bằng 2,33; khối lượng riêng bằng 1,12 (g/cm3); độ nhớt (BZ4) bằng 14 (s). Sản phẩm thủy tinh lỏng từ tro trấu hoàn toàn đạt yêu cầu của nguyên liệu dùng trong sản xuất vật liệu vi mao quản zeolite...

Việt Nam là nước có nền nông nghiệp lúa nước phát triển, mỗi năm nước ta sản xuất được khoảng 44 triệu tấn lúa. Trong thành phần của hạt lúa, vỏ trấu chiếm khoảng 20% khối lượng, do vậy mỗi năm ngành nông nghiệp Việt Nam thải ra từ 8,8 - 9 triệu tấn vỏ trấu; mỗi tấn vỏ trấu khi đốt cháy tỏa ra nhiệt lượng lớn tới 3.400.000 kcal, đồng thời tạo ra khoảng 200 kg tro trấu. Do vậy, nếu sử dụng tro trấu làm nguyên liệu cung cấp SiO2 để sản xuất thủy tinh lỏng cùng một lúc giải quyết được 2 vấn đề. Thứ nhất, quá trình sản xuất thủy tinh lỏng thuận lợi, phản ứng xảy ra ở điều kiện thường, tiết kiệm năng lượng, do vậy giá thành sản phẩm rẻ hơn nhiều so với phương pháp sản xuất từ cát trắng và soda. Kế tiếp là, khai thác sử dụng một cách có hiệu quả nguồn phế thải vỏ trấu khổng lồ, làm giảm thiểu khả năng gây ô nhiễm môi trường.

Từ kết quả đã đạt được, đề tài có thể áp dụng trong thực tế tại các vùng có nguyên liệu vỏ trấu dồi dào ở các vùng nông nghiệp phát triển của nước ta... nhằm tận dụng một cách có hiệu quả nguồn phế thải nông nghiệp...