Quá trình động học kết tinh của loại vật liệu này có thể được thực hiện bằng cách nung chảy hỗn hợp của 80% lượng tro đáy và 20% tro bay ở nhiệt độ 950⁰C, sau đó làm lạnh trong 1 giờ. Các khoáng chính hình thành trong gốm-thủy tinh là gehlenit (Ca₂Al₂SiO₇), akermanite (Ca₂MgSiO₇) và wollastonie (CaSiO₃). Ngoài ra, liên quan đến tính chất cơ-hóa, độ bền hóa và nồng độ chiết của các kim loại nặng của vật liệu đã khẳng định: vật liệu có khả năng ứng dụng như một sản phẩm gốm-thủy tinh cao cấp trong các lĩnh vực kỹ thuật và xây dựng. Nhìn chung, phương pháp chế tạo petrurgic của hỗn hợp tro đáy và tro bay ở nhiệt độ 950⁰C là một phương pháp ít tốn kém, tiết kiệm năng lượng và đơn giản hơn so với xử lý nhiệt thông thường.

Hiện nay, các nhà máy đốt rác đang thải ra một lượng lớn chất thải dưới dạng tro đáy và tro bay, dẫn đến một loạt các vấn đề về xử lý, kinh tế và môi trường. Tro đáy ở dạng khá thô và chứa một lượng đáng kể vật liệu chưa cháy hết. Ngược lại, tro bay rất mịn (kích thước micro) và được đốt cháy hoàn toàn mặc dù vẫn còn chứa một ít carbon dư, lưu huỳnh, kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại. Cả hai loại tro này đều có tính thủy tinh bởi hợp chất sau khi nung được làm nguội nhanh. Lượng tro sản sinh hàng năm rất lớn, gây ô nhiễm và ảnh hưởng xấu đến môi trường của nhiều quốc gia. Do dân số và nhu cầu về năng lượng liên tục tăng nên lượng chất thải cũng ngày càng gia tăng mạnh. Vì vậy, vấn đề tái sử dụng chất thải tro nhằm giảm thiểu tác động xấu tới môi trường ngày càng trở nên cấp bách. Thực tế đã có nhiều nghiên cứu được tiến hành nhằm chế tạo các loại gốm-thủy tinh từ chất thải lò đốt như tro bay, hỗn hợp tro bay, tro đáy, hỗn hợp tro đáy và tái sử dụng đồng thời cả tro đáy và tro bay.

Gốm-thủy tinh chế tạo từ hỗn hợp tro đáy và tro bay được sử dụng trong một loạt các ứng dụng kỹ thuật và công nghệ. Phương pháp thông thường để sản xuất gốm-thủy tinh là tái kết tinh thuỷ tinh bằng xử lý nhiệt một hoặc hai giai đoạn. Tuy nhiên, chế tạo gốm-thủy tinh và các quá trình xử lý nhiệt tiếp theo cần nhiều năng lượng và tốn kém. Phương pháp mới để chế tạo gốm-thủy tinh từ tro đốt là quá trình nung kết. Việc tạo hình bằng phương pháp ép nguội, tiếp đó là quá trình xử lý nhiệt để nung phối liệu sau khi ép là cách thông dụng để chế tạo sản phẩm gốm và cũng được ứng dụng trong chế tạo gốm-thủy tinh. Vì những hạn chế về kích thước, hình dạng của chi tiết sản phẩm khi ép nguội cộng với chi phí chế tạo bột, nên phương pháp này chỉ áp dụng nếu thực sự hiệu quả. Phần lớn, việc ép và nung kết bột gốm–thủy tinh thường ít có lợi thế vì yêu cầu nhiệt độ nung cao và các tính chất của thành phẩm không khác biệt nhiều so với sản phẩm gốm-thủy tinh được chế tạo bằng các phương pháp khác. 

Bên cạnh đó, để chế tạo gốm-thủy tinh còn có thể sử dụng phương pháp “petrugic”. Đây là bước tiến mới trong chế tạo vật liệu này nhờ kiểm soát trạng thái nóng chảy và thực hiện quá trình làm nguội chậm của thủy tinh mà không cần lưu ở nhiệt độ trung gian.Với phương pháp này, sự hình thành mầm kết tinh và phát triển tinh thể có thể cùng xảy ra trong suốt quá trình làm nguội. Phương pháp Petrugic kinh tế hơn so với cả phương pháp truyền thống và phương pháp nung kết sử dụng năng lượng nung nóng thủy tinh qua 2 giai đoạn ở nhiệt độ cao để hình thành mầm kết tinh và phát triển tinh thể. Nhà khoa học Rawlings và các đồng nghiệp đã chứng minh, phương pháp làm nguội kiểm soát ở nhiệt độ 950⁰C tiết kiệm 60% năng lượng so với xử lý nhiệt hai giai đoạn thông thường. Thời gian làm nguội, tỷ lệ vật liệu ban đầu và nhiệt độ nóng chảy là những yếu tố chi phối việc kiểm soát sự kết tinh, vi cấu trúc, tính chất hóa – lý của thành phẩm gốm-thủy tinh.

Điều kiện thí nghiệm để chế tạo gốm-thủy tinh đạt tính năng cao nhất là: 80% lượng tro đáy, 20% tro bay, nhiệt độ nung 950⁰C với tốc độ nâng nhiệt 10⁰C/min, thời gian làm nguội 1 giờ. Trong quá trình làm nguội, các mẫu trải qua một khoảng thời gian ngắn để kết tinh hoàn toàn, đây chính là điều kiện thuận lợi để hình thành các hợp chất gehlenite (Ca₂Al₂SiO₇), akermanite (Ca₂MgSiO₇) và wollastonite (CaSiO₃), do vậy các mẫu thí nghiệm đã thể hiện được tính đồng nhất của gốm-thủy tinh. Bên cạnh đó, kết quả kiểm tra tính chất cơ-hóa và bền hóa học khẳng định độ bền lâu và nhiều tính năng được cải thiện đáng kể. Nồng độ chiết các kim loại nặng trong thành phẩm cũng thấp hơn so với quy định. Vì vậy, có thể khẳng định, Pertrugic là một phương pháp đơn giản, ít tốn kém để chế tạo gốm-thủy tinh từ phế thải tro đốt, ứng dụng hữu ích trong xây dựng và kỹ thuật. 

Trung tâm Thông tin lược dịch từ Tạp chí Waste Management

Nguồn: VIBM.vn