Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng

8/20/2019 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng

http://slidepdf.com/reader/full/nghien-cuu-anh-huong-cua-nhiet-do-nung-den-qua-trinh-on 1/81

Lu ận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trườ ng

0

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-------------------

Bùi Thị Huế

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG

ĐẾN QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH HÓA RẮN BÙN ĐỎ SẢN XUẤT

VẬT LIỆU XÂY DỰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2013




1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Bùi Thị Huế

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG

ĐẾN QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH HÓA RẮN BÙN ĐỎ SẢN XUẤT

VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Chuyên ngành: Khoa học môi trườ ng

Mã số: 60 85 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚ NG DẪ N KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄ N MẠ NH KHẢI

Hà Nội - 2013




2

MỤC LỤC

Mở đầu............................................................................................................... 1

Chƣơng 1 - Tổng quan ...................................................................................... 3

1.1. Bauxite và tiềm năng bauxite ....................................................................... 3

1.1.1. Bauxite ...................................................................................................... 3

1.1.2. Quá trình hình thành bauxite .................................................................... 3

1.1.3. Thành phần khoáng vật của bauxite ................................................ 3

1.1.4. Tiềm năng bauxite thế giới và Việt Nam ................................................... 4

1.1.4.1. Tiềm năng bauxite thế giớ i ..................................................................... 41.1.4.2. Tiềm năng bauxite ở Việt Nam ............................................................... 7

1.2. Công nghệ sản xuất alumin ........................................................................ 10

1.2.1. Công nghệ làm giàu và chế biến quặng bauxite ....................................... 10

1.2.2. Công nghệ sản xuất alumin...................................................................... 12

1.2.3. Công nghệ sản xuất nhôm khu vực Tây Nguyên ...................................... 16

1.3. Thành phần và tính chất của Bùn đỏ ........................................................... 21

1.3.1. Vấn đề bùn thải – bùn đỏ ......................................................................... 21

1.3.2. Thành phần bùn đỏ .................................................................................. 22

1.4. Độc tính của bùn đỏ ................................................................................... 26

1.5. Các phương hướ ng sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam .................... 27

1.5.1. Các phương hướ ng sử dụng bùn đỏ trên thế giớ i ..................................... 27

1.5.1.1. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất vật liệu xây dựng .................................. 28

1.5.1.2. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất gốm thủy tinh ....................................... 29

1.5.1.3. Sử dụng bùn đỏ trong xử lý nướ c.......................................................... 29

1.5.2. Các phương hướ ng sử dụng bùn đỏ ở Việt Nam ...................................... 31

1.6. Quá trình ổn định hóa rắn ........................................................................... 32

1.6.1. Ổn định hóa rắn ....................................................................................... 32

1.6.2. Cơ chế của quá trình ổn đinh hóa rắn ....................................................... 33




3

Chƣơng 2 – Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứ u ..................................... 36

2.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................. 36

2.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 37

2.2.1. Phương pháp sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng ................................ 37

2.2.2. Phương pháp ngâm chiết xác định độc tính của vật liệu ........................... 40

2.2.2.1. Xác định dung môi chiết ....................................................................... 41

2.2.2.2. Quy trình chiết...................................................................................... 42

2.2.2.3. Xác định hàm lượ ng kim loại nặng ....................................................... 42

2.2.3. Phương pháp xác định thành phần khoáng vật của vật liệu ...................... 43

2.2.4. Phương pháp thử nghiệm vật lý ............................................................... 43

2.2.5. Phương pháp xác định độ co ngót của gạch nung .................................... 44

2.2.6. Phương pháp phân tích đánh giá tổng hợ p ............................................... 44

2.2.7. Phương pháp thu thậ p số liệu thứ cấ p ...................................................... 44

Chƣơng 3 – K ết quả và thảo luận ................................................................... 45

3.1. Bùn đỏ Tây Nguyên và các vấn đề môi trườ ng ........................................... 45

3.1.1. Đặc điểm của bauxite khu vực Tây Nguyên ............................................. 45

3.1.2. Thành phần tính chất bùn đỏ và các vấn đề môi trườ ng ........................... 46

3.1.2.1. Hàm lượng các oxit .............................................................................. 47

3.1.2.2. Các nguyên tố phóng xạ ....................................................................... 48

3.1.2.3. Thành phần kim loại nặng trong mẫu bùn đỏ ........................................ 50

3.1.2.4. Thành phần cơ giớ i của mẫu bùn đỏ ..................................................... 51

3.2. Ảnh hưở ng của nhiệt độ đến quá trình ổn định hóa rắn ............................... 51

3.2.1. Ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến cấu trúc của vật liệu ........................... 54

3.2.2. Ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến dịch chiết mẫu ................................... 56

3.2.2.1. K ết quả xác định dung môi chiết .......................................................... 56

3.2.2.2. Giá trị pH của dịch chiết mẫu ............................................................... 57

3.2.2.3. K ết quả đo kim loại nặng dịch chiết mẫu .............................................. 59

3.2.3. Ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến độ co ngót .......................................... 61




4

3.2.4. Ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến độ cứng vật liệu ................................. 63

K ết luận và kiến nghị ...................................................................................... 66

Tài liệu tham khảo .......................................................................................... 68




5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1. Các phương án sử dụng bauxite 11

Hình 1.2. Công nghệ Bayer chế biến alumin từ bauxite 13

Hình 1.3. Quy trình sản xuất alumin 14

Hình 1.4. Quy trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer ở Tây Nguyên 18

Hình 1.5. Một số phương án sử dụng bùn đỏ 28

Hình 2.1. Quy trình sử dụng bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng 37

Hình 3.1. Ủ vật liệu 52

Hình 3.2. Hình dạng gạch 50 x 50 x 10 52

Hình 3.3. Cho vật liệu vào dung môi chiết 52

Hình 3.4. Chiết dịch 52

Hình 3.5. Thao tác định hình gạch 53

Hình 3.6. Hình dạng của gạch 230 x 110 x 63 55

Hình 3.7. Biểu đồ biến đổi thành phần khoáng theo nhiệt độ 52

Hình 3.8. Sự thay đổi pH dịch lắc trước và sau khi thêm axit HCl 57

Hình 3.9. Sự phụ thuộc pH của dịch chiết mẫu vào nhiệt độ nung mẫu 58

Hình 3.10. Biến thiên nồng độ kim loại nặng trong dịch chiết theo nhiệt độ

nung

57

Hình 3.11. Ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến độ co ngót của vật liệu 62




6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1. Tài nguyên bauxite ở các châu lục trên thế giớ i 4

Bảng 1.2. Tr ữ lượng và khai thác bauxite ở trên thế giớ i 5

Bảng 1.3. Sản xuất nhôm kim loại trên thế giớ i 6

Bảng 1.4. Thống kê các mỏ bauxite laterite chính ở miền nam Việt Nam 9

Bảng 1.5. Tiêu hao kiềm và bauxite cho sản xuất alumin 15

Bảng 1.6. Thành phần bùn đỏ của một số nhà máy alumin trên thế giớ i 22

Bảng 1.7. Thành phần của bùn đỏ 23

Bảng 1.8. Thành phần bùn đỏ và dung dịch bám theo bùn đỏ của dự án Lâm

Đồng

24

Bảng 1.9. Thành phần bùn đỏ và dung dịch bám theo bùn đỏ của dự án

Nhân Cơ

25

Bảng 3.1. Thành phần quặng bauxite nguyên khai ở các khu mỏ Tây

Nguyên

45

Bảng 3.2. Hàm lượng oxit trong bùn đỏ ở Tây Nguyên, Việt Nam 47

Bảng 3.3. Đồng vị phóng xạ và hàm lượ ng của U, Th, K trong các mẫu

quặng bauxite

48

Bảng 3.4. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên

trong mẫu bùn đỏ

49

Bảng 3.5. Hàm lượng U, Th, K trong các mẫu và liều hiệu dụng năm do

phông bức xạ gamma gây ra

49

Bảng 3.6. Hàm kim loại nặng trong bùn đỏ 50




7

Bảng 3.7. Thành phần cơ giớ i mẫu bùn đỏ 51

Bảng 3.8. K ết quả phân tích XRD cho gạch nung ở các nhiệt độ khác nhau 54

Bảng 3.9. pH của mẫu khi lắc với nướ c cất 56

Bảng 3.10. pH của dịch chiết sau 3 bậc chiết 58

Bảng 3.11. K ết quả phân tích kim loại nặng của mẫu 60

Bảng 3.12. Độ co ngót của gạch nung 61

Bảng 3.13. K ết quả phân tích các đặc tính vật lý của gạch 63

Bảng 3.14. Cường độ uốn và nén cho gạch đất sét nung 64




8

MỞ ĐẦU

Việt Nam là một trong ba nước có trữ lượ ng quặng bauxite đứng đầu trên thế

giớ i, đến nay bauxite đang tr ở thành một trong những nguồn tài nguyên quan trọngcủa Việt Nam. Phần lớ n tr ữ lượ ng bauxite của Việt Nam tậ p trung ở Tây Nguyên,

đặc biệt là các tỉnh phía Nam của Tây Nguyên như Lâm Đồng và Đắc Nông [6].

Hiện nay, Việt Nam đã bắt đầu triển khai xây dựng hai nhà máy sản xuất

alumin đầu tiên, công suất 600.000 tấn/năm: nhà máy alumin Tân Rai và nhà máy

alumin Nhân Cơ. Nhà máy đầu tiên đi vào hoạt động thử nghiệm cuối năm 2012 và

nhà máy thứ hai theo k ế hoạch sẽ bắt đầu hoạt động sản xuất vào năm 2014. Tuy

nhiên, vấn đề bất cậ p lớ n nhất khi triển khai các dự án nhôm ở Tây Nguyên là vấn

đề môi trường và sinh thái. Các chuyên gia của các nước thành viên Hội đồng tương

tr ợ kinh tế khi xem xét dự án nhôm ở Việt Nam trong khuôn khổ hợp tác đa

phương và song phương đều cho r ằng dự án sẽ có ảnh hưởng tiêu cực đến môi

trườ ng và sinh thái của khu vực trên một diện r ộng [50].

Khi khai thác bauxite, trướ c mắt bắt buộc phải phá huỷ toàn bộ thảm thực vật

để bốc đi lớp đất phủ trên bề mặt và lớp khoáng vật chứa bauxite với độ sâu hết

chiều dày của thân quặng. Toàn bộ vùng đồi núi sẽ dần biến thành đất tr ống, không

có khả năng trồng tr ọt do không giữ được độ ẩm. Một vấn đề quan tr ọng hơn nữa

mà hiện nay tất cả các nướ c sản xuất alumin đều quan tâm là vấn đề bùn thải trong

quá trình chế biến quặng, còn gọi là bùn đỏ. Đặc trưng của bùn đỏ là có pH cao và

có kích thướ c hạt mịn, nhỏ hơn 1mm. Do đó, bùn thải khi khô dễ phát tán bụi vào

trong không khí gây ô nhiễm, tiếp xúc vớ i bụi này gây ra các bệnh về da, mắt. Nướ c

thải từ bùn hoặc nướ c chảy tràn qua hồ bùn đỏ tiếp xúc với da gây các tác hại như

ăn mòn da, gây mất độ nhờn làm da khô ráp, có thể sưng tấy, loét mủ ở các vết

xước trên da [8]. Đặc biệt, nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nướ c ngầm là rất cao khi lưu

giữ bùn vớ i khối lượ ng lớ n trong thời gian dài. Lượng bùn này phát tán mùi hôi, hơi

hóa chất gây ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu.




9

Một số thành phần hóa học chính trong bùn đỏ: Fe2O3, Al2O3, SiO2 và TiO2,

Na2O, K 2O, CaO...và một số nguyên tố kim loại có giá trị như: V, Ga.... Bên cạnh

đó, bùn đỏ còn chứa một số nguyên tố phóng xạ, kim loại nặng, các chất thải nguy

hại, oxalate gây tác động xấu cho sức khỏe con người và môi trường [8].

Trước kia, để lưu trữ bùn đỏ, hầu hết các nhà máy sản xuất alumin đều chứa

bùn đỏ trong các ao mở để cho nước bay hơi và chiết xuất kiềm. Phải mất vài năm,

quá trình tự nhiên này mới kết thúc và khi đó bùn khô còn lại sẽ được chôn cất hoặc

trộn với đất. Tuy nhiên, sau sự cố vỡ bể chứa bùn đỏ của một nhà máy sản xuất

nhôm ở miền Tây Hungary và hậu quả của nó đã cho thấy việc chứa bùn đỏ chưa

phải đã là giải pháp tốt, mà phải tìm ra một giải pháp hữu hiệu hơn để có thể xử lý,

làm giảm các nguy cơ, rủi ro của bùn đỏ đến môi trường, hoặc có thể sử dụng chất

thải này như một loại nguyên vật liệu cho quá trình sản xuất tạo ra các sản phẩm

khác, mang lại lợi ích kinh tế nhưng không gây tác động xấu đến sức khỏe con

người và môi trường.

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: ―Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ

nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng” là rấtcần thiết để có thể tận dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng. Đề tài luận văn tốt

nghiệ p vớ i nội dung gồm:

- Nghiên cứu quá trình sản xuất và thành phần bùn đỏ của hai nhà máy

Nhân Cơ và Tân Rai

- Xây dựng quy trình sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng

- Xác định đặc tính cơ lý, cấu trúc của vật liệu

- Thử độ an toàn của vật liệu.




10

Chƣơng 1 - TỔNG QUAN

1.1. Bauxite và tiềm năng bauxite

1.1.1.

Bauxite

Quặng bauxite là loai quăng ph ổ biến nhất trong lớ p vỏ của trái đất, nó là

môt loai khoang san co chứa hơn 32% a lumin (Al2O3) [51].

Bauxite là một loại quặng nhôm trầm tích có màu hồng hoặc nâu, được hình

thành trên các đá chứa hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôi trong quá trình phong

hóa nhưng giàu nhôm hoặc nhôm được tích tụ từ các quặng có trước do quá trình

xói mòn. Quặng bauxite phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo, đặc

biệt trong môi trường nhiệt đới. Bauxite được xem là nguyên liệu chính để sản xuất

alumin.

1.1.2. Quá trình hình thành bauxite

Quá trình hình thành bauxite trải qua các giai đoạn [51]:

- Phong hóa đá và nước thấm lọc vào trong đá tạo nên các oxit nhôm và oxit

sắt;- Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước ngầm;

- Xói mòn và tái tích tụ bauxite.

Quá trình này lại chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như: đá mẹ chứa các

khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và sắt, độ hổng của đá cho phép nước

thấm qua, ở nơi có lượng mưa cao xen kẽ các đợt khô hạn ngắn, hệ thống thoát

nước tốt, khí hậu nhiệt đới ẩm, có mặt lớp phủ thực vật và vi khuẩn. Theo một môhình mô phỏng quá trình này thì giá trị pH thích hợp đạt khoảng 3,5 - 4,0.

1.1.3. Thành phần khoáng vật của bauxite

Bauxite tồn tại ở 3 dạng cấu trúc chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước

chứa trong nó và cấu trúc tinh thể gồm: gibbsite Al(OH)3, boehmite γ-AlO(OH) và

diaspore α-AlO(OH):




11

- Gibbsite có hàm lượng alumin tối đa là 65,4%

- Boehmite và diaspore cả hai đều có hàm lượng alumin tối đa là 85%.

Trong số bauxite hiện đang được khai thác, phổ biến nhất là gibbsite, sau đólà hỗn hợp của gibbsite và goehmite. Cùng với bauxite còn có các khoáng vật oxit

sắt goethite và hematite, các khoáng vật sét k aolinite và đôi khi có mặt cả anata

TiO2 [45]. Mỗi dạng cấu trúc của bauxite có những đặc tính khác nhau tạo nên

những mục đích khai thác và sử dụng khác nhau. Gibbsite là hydroxit nhôm thực

sự, còn boehmite và diaspore tồn tại ở dạng hidroxit nhôm oxit. Sự khác biệt cơ bản

giữa boehmite và diaspore là ở cấu trúc tinh thể và boehmite cần nhiệt độ cao hơn

để thực hiện quá trình tách nước nhanh. Ba dạng cấu trúc khác nhau của bauxite có

thể phân loại thành hai nhóm dựa vào hàm lượng nước khác nhau, đó là:

monohydrates và trihydrates [6].

1.1.4. Ti ềm năng bauxi te th ế gi ớ i và Việt Nam

1.1.4.1. Tiềm năng bauxite thế giớ i

Theo tài liệu (1/2009) của Cơ quan Địa chất Mỹ thì tài nguyên bauxite ở trên

thế giới là 55 - 75 tỷ tấn phân bố ở các châu lục như sau:

Bảng 1.1. Tài nguyên bauxite ở các châu lục trên thế giớ i [22]

Châu lục Phần trăm trữ lƣợng

Châu Phi 33%

Châu Đại Dương 24%

Nam Mỹ và Caribbean 22%

Châu Á 15%




12

Bảng 1.2. Trữ lƣợng và khai thác bauxite ở trên thế giới [22]

TT Nƣớc Trữ

lƣợng cơsở (tỷ tấn)

Trữ lƣợng

(tỷ tấn)

Sản lƣợng khai thác (triệu tấn)

1992 1993 2006 2007 2008

1 Guinea 8,6 7,4 13,773 14 14,5 18 18

2 Australia 7,9 5,8 39,95 41 62,3 62,4 63

3 Việt Nam 5,4 2,1 - - - 0,03 0,03

4 Jamaica 2,5 2 11,302 10,8 14,9 14,6 15

5 Brazil 2,5 1,9 10,8 9,4 21 24,8 25

6 Trung Quốc 2,3 0,7 - - 21 30 32

7 Ấn Độ 1,4 0,77 4,475 5,4 12,7 19,2 2

8 Guyana 0,9 0,7 2,3 2 1,4 1,6 1,6

9 Hy Lạp 0,65 0,6 2,1 1,7 2,45 2,22 2,2

10 Suriname 0,6 0,58 3,25 3,2 4,92 4,9 4,5

11 Kazakhstan 0,45 0,36 - - 4,8 4,8 4,8

12 Venezuela 0,35 0,32 1,052 1 5,5 5,9 5,900

13 Nga 0,25 0,2 - - 6,6 6,4 6,4

14 Mỹ 0,04 0,02 - - - - -

15 Cácnước khác 3,8 3,2 14,623 11,38 5,46 7,15 6,8

Toàn cầu 38 27 104 101 178 202 205

Theo số liệu điều tra thăm dò trước năm 2000, trên thế giới có hơn 40 nước

có tài nguyên bauxite trong đó có 5 nước có trữ lượng trên 1 tỷ tấn là Guinea (7,4 tỷ

tấn), Australia (5,8 tỷ tấn), Việt Nam (2,1 tỷ tấn), Jamaica (2 tỷ tấn), Brazil (1,9 tỷ




13

tấn). Các nước có trữ lượng bauxite đều khai thác để sử dụng trong nước và xuất

khẩu.

Bảng 1.3. Sản xuất nhôm kim loại trên thế giới [22]

STT Nƣớc 2006 (triệu tấn) 2007 (triệu tấn) 2008 (triệu tấn)

1 Trung Quốc 9,350 12,600 13,500

2 Nga 3,720 3,960 4,200

3 Canada 3,050 3,090 3,100

4 Mỹ 2,284 2,554 2,640

5 Australia 1,930 1,960 1,960

6 Brazil 1,498 1,660 1,660

7 Na Uy 1,330 1,300 1,100

8 Ấn Độ 1,100 1,220 1,300

9 Nam Phi 0,895 0,899 0,850

10 Bahrain 0,870 0,873 0,870

11 UAE 0,730 0,890 0,920

12 Venezuela 0,10 0,610 0,550

13 Mozambique 0,564 0,564 0,550

14 Germany 0,537 0,555 0,590

15 Tajikistan 0,414 0,419 0,420

16 Iceland 0,320 0,398 0,790

17 Các nước khác 4,510 4,460 4,700

Toàn cầu 33,700 38,000 39,700




14

Trong 15 năm qua sản lượng khai thác bauxite ở trên thế giới tăng bình quân

hàng năm là 6,8%. Riêng năm 2008, sản lượng khai thác bauxite là 205 triệu tấn

tăng 1,45% so với năm 2007. Với tài nguyên bauxite trên toàn thế giới đạt từ 55 đến

75 tỷ tấn, trong đó trữ lượng đã thăm dò đạt 27 - 38 tỷ, nó có thể thoả mãn nhu cầu

của nhân loại về kim loại nhôm khoảng vài trăm năm nữa [6].

Trên thế giới có 24 nước với 54 nhà máy sản xuất alumin và 40 nước với 121

nhà máy điện phân nhôm kim loại. Trong 15 năm qua, sản lượng nhôm kim loại

trên thế giới tăng bình quân hàng năm là 7,2%; năm 2008 chỉ tăng hơn năm 2007 là

0,45%. Thị trường bauxite và nhôm kim loại trên thế giới vài chục năm qua tương

đối ổn định ở các châu lục: châu Phi có Guinea với trữ lượng bauxite khổng lồ 7,9

tỷ tấn, châu Mỹ có Jamaica (2 - 2,5 tỷ tấn) và Brazil (1,9 - 2,5 tỷ tấn), Châu Đại

Dương có Australia (5,8 - 7,9 tỷ tấn)… đảm bảo cho các nước trong khu vực. Tuy

nhiên, với tham vọng đẩy mạnh các ngành hàng không và ô tô, trong mấy năm gần

đây, Trung Quốc đã tăng sản lượng khai thác bauxite đạt 13% sản lượng thế giới và

điện phân nhôm năm 2008 đạt đến 34% sản lượng nhôm trên thế giới. Như vậy, thị

trường nhôm thế giới chỉ có Trung Quốc là có nhu cầu lớn, sau đó đến Nga [22].

1.1.4.2. Tiềm năng bauxite ở Việt Nam

Ở miền Bắc Việt Nam, trên mặt bào mòn sườn núi đá vôi ở các tỉnh Cao

Bằng, Lạng Sơn, Hà Giang, Hải Dương, Nghệ An đã hình thành quặng bauxite (chủ

yếu là diaspore) với tuổi Permi muộn (260 triệu năm), tài nguyên đạt 200 triệu tấn

trong đó trữ lượng đã thăm dò đạt 91 triệu tấn.

Tài nguyên bauxite ở Việt Nam đã được biết đến từ những năm 30 thế kỷ

trước, vào khoảng năm 1936 – 1943, các nhà địa chất Pháp đã phát hiện và khai

thác mỏ bauxite Lỗ Sơn (Hải Dương) và các mỏ bauxite ở vùng Lạng Sơn. Cho đến

trước năm 1975 kết quả điều tra, thăm dò của ngành địa chất Việt Nam đã xác định

và sơ bộ đánh giá triển vọng các vùng quặng bauxite lớn ở miền Bắc Việt Nam

phân bố ở các tỉnh Lạng Sơn, Cao Bằng, Hà Giang, Nghệ An. Trữ lượng và tài

nguyên được điều tra, thăm dò với các độ tin cậy khác nhau ở các vùng quặng




15

bauxite này đạt 357,205 triệu tấn, trong đó trữ lượng chung ở các nhóm mỏ Lạng

Sơn và Cao Bằng (tính đến năm 1969) được 36,4 triệu tấn (chiếm 10,2% tổng trữ

lượng và tài nguyên) và đã đưa ra nhận định "Bauxit đang trở thành một khoáng sản

lớn ở nước ta" .

Quặng bauxite ở miền Bắc Việt Nam chủ yếu là loại bauxite trầm tích có tuổi

Permi muộn nằm trên mặt bào mòn của đá vôi Carbon - Permi, rất ít mỏ nằm trên

mặt bào mòn đá vôi tuổi Devon. Thành phần khoáng vật quặng bauxite trầm tích

chủ yếu là boehmite và diaspore. Ở miền Bắc Việt Nam cũng có một số ít quặng

bauxite laterite trong vỏ phong hóa các đá bazan tuổi Pliocen - Pleistocen nhưng tài

nguyên nhỏ, không có giá trị công nghiệp. Từ năm 1975 đến nay công tác điều tra,

thăm dò bauxite ở Việt Nam đã đưa lại những kết quả mới với những dự báo đến

"chóng mặt", chủ yếu liên quan đến loại bauxite laterite trong các vỏ phong hóa các

đá bazan tuổi Neogen và Pliocen - Pleistocen ở miền Nam Việt Nam [6]:

1995: 5,4 tỷ tấn quặng nguyên khai,

2000 - 2005: 6,75 tỷ tấn quặng nguyên khai,

2007: 5,4 tỷ tấn quặng nguyên khai (2,298 tỷ tấn quặng tinh),



Và 2011: 11 tỷ tấn quặng nguyên khai.

Gần đây (năm 2011), kết quả thống kê chuyển đổi trữ lượng và tài nguyên

bauxite laterite về "mặt bằng cấp trữ lượng và tài nguyên" theo quy định về thămdò, phân cấp trữ lượng và tài nguyên bauxite cho thấy tổng trữ lượng và tài nguyên

bauxite laterite của 23 mỏ ở Tây Nguyên được 2,522 tỷ tấn quặng tinh (+1mm),

giảm 566 triệu tấn quặng tinh (18,3%) so với dự kiến.

Trữ lượng quặng tinh có thể huy động vào nghiên cứu khả thi khai thác đạt

314,159 triệu tấn (15,64% so với tổng tài nguyên tinh quặng). Trữ lượng đã được

cấp phép khai thác 50,739 triệu tấn chiếm 16,15% trong tổng trữ lượng quặng tinh




16

và chỉ đạt 2,01% tổng trữ lượng và tài nguyên quặng tinh nêu trên. Cho đến nay

(tháng 2/2012), kết quả thăm dò 4 mỏ bauxite laterite ở Đăk Nông và Bình Phước

đạt tổng trữ lượng là 1.346,129 triệu tấn quặng nguyên khai, tương đương 520,901

triệu tấn tinh quặng (+1mm), giảm so với số dự kiến ở 4 mỏ tương ứng là 548,6

triệu tấn quặng nguyên khai (giảm 28,95% so với dự kiến), tương đương giảm 329,3

triệu tấn tinh quặng (giảm 38,73%).

Bảng 1.4. Thống kê các mỏ bauxite laterite chính ở miền Nam Việt Nam [19]

STT Tên mỏ

Diện

tích

(Km2)

Mức

độthăm

dò

Trữ lƣợng quặng tinh đã

đƣợc phê duyệt hoặc dự

kiến đạt đƣợc (Triệu tấn)

Quặng

nguyên

khai

(Triệu

tấn)

Trữ

lượng

Tài

nguyên Tổng

1 1-5 123 Đã 97,3 36,3 133,6 283,7

2 Gia Nghĩa 117,5 Đã 95,7 44 139,7 308,5

3 Tân R ai 70 Đã 37,7 79 116,7 236

4 Tây Tân R ai 43 Đã 53,3 6,5 59,8 148,8

5 Đồi Thắng Lợi 3 Đã 2,7 2,7 5,4

Tổng 356,5 452,5 982,4

6 Kon Nà Nừng 67,5 Đang 52,7 52,7 117,1

7 Bắc Gia Nghĩa 142,5 Đang 189,7 189,7 462,6

8 Đắk Song 228 Đang 326,2 326,2 795,5

9 Gia nghĩa 2 205,5 Đang 253,4 253,4 618,1

10

Đông Bắc và

Tây Nam 1-5 174,6 Đang 162,7 162,7 396,8






18

Hình 1.1. Các phƣơng án sử dụng Bauxite [6]

Công nghệ làm giàu quặng bauxite [6]:

Khoảng 90% sản lượng alumin của thế giới được sản xuất bằng công nghệ

Bayer, nhưng công nghệ này đòi hỏi bauxite có hàm lượng SiO 2 thấp. Bauxite có

hàm lượng SiO2 hoạt tính (tác dụng với kiềm) >5% không thể xử lý kinh tế bằng

phương pháp Bayer vì gây mất mát kiềm theo bùn đỏ rất lớn [40]. Ngược lại, nếu

xử lý bằng công nghệ thiêu kết hoặc thiêu kết - Bayer (hỗn hợp) thì tiêu hao năng

lượng lớn. Vì vậy, bauxite cần phải được làm giàu để giảm hàm lượng SiO2, nâng tỷ

lệ Al2O3/SiO2 >7 thì mới thích hợp cho công nghệ Bayer.

Trên thế giới, các phương pháp làm giàu đơn giản và phổ biến là:

- Đập, nghiền kết hợp sàng khô

- Đập, nghiền kết hợp sàng ướt (phổ biến hơn)

Gốm, sứ

Nhôm kim loại

Các hydroxitnhôm

Aluminhoạt tính

Alumin đãnung

Vật liệu chịu lửa Vật liệu mài, đánh bóng

Sản xuất alumin

Công nghệ Bayer

Alumin cấ lu ện kim Alumin đặc biệt

Bauxite




19

Bằng phương pháp tuyển rửa, phần lớn SiO2 trong hạt mịn được loại bỏ theo

quặng đuôi. Ngoài ra, một số bauxite có hàm lượng sắt cao và có từ tính (như

bauxite laterite ở vùng thềm lục địa Đông Ấn Độ), người ta dùng phương pháp

tuyển ướt với từ trường mạnh.

1.2.2. Công nghệ sản xuất alumin

Quá trình sản xuất alumin thực chất là quá trình làm giàu Al2O3, nhằm tách

lượng Al2O3 trong bauxite ra khỏi các tạp chất khác (các oxit…). Alumin nhận được

phải đảm bảo chất lượng cho quá trình điện phân trong bể muối nóng chảy cryolite

(Na3AlF6) để nhận được nhôm kim loại. Các phương pháp chính sản xuất alumin:

a. Sản xuất alumin bằng phương pháp hoả luyện

Trong số các phương pháp hỏa luyện thì phương pháp thiêu kết bauxite với

Na2CO3 có sự tham gia của CaCO3 (gọi là phương pháp sôđa - vôi) là phương pháp

kinh tế và được ứng dụng công nghiệp. Phương pháp thiêu kết dùng để xử lý quặng

bauxite có chất lượng trung bình hoặc kém (hàm lượng SiO2 cao), nếu xử lý bằng

công nghệ Bayer (công nghệ thủy luyện) thì không có hiệu quả kinh tế.

Nguyên lý của phương pháp hỏa luyện là: Thiêu kết hỗn hợp bauxite +

Na2CO3 + CaCO3 trong lò ống quay ở nhiệt độ 1200oC để thực hiện các phản ứng

sau:

Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2

SiO2 + 2 CaCO3 = 2CaO.SiO2 + 2CO2

NaAlO2 rắn trong thiêu kết phẩm (sản phẩm sau khi thiêu) dễ tan trongnước. Còn 2CaO.SiO2 không tan trong nước và đi vào cặn thải (bùn thải).

Phương pháp thiêu kết có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phương

pháp Bayer: Phương pháp kết hợp song song hoặc nối tiếp. Phương pháp thiêu kết

được ứng dụng nhiều ở các nước: Nga, Tiệp Khắc trước đây; Trung Quốc hiện đang

sử dụng phương pháp này trong một số nhà máy sản xuất alumin để xử lý quặng

bauxite có hàm lượng silic cao.




20

b. Sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer (phương pháp thuỷ luyện)

Quy trình công nghệ sản xuất alumin từ bauxite được trình bày trong Hình

1.2 [49, 38]:

Hình 1.2. Công nghệ Bayer chế biến alumin từ bauxite [49]

Công nghệ Bayer là công nghệ sản xuất alumin từ quặng bauxite bằng phương

pháp kiềm hoá (phương pháp thuỷ luyện) với hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao và làcông nghệ chính để sản xuất alumin. Công nghệ này đòi hỏi nguồn nguyên liệu

bauxite có chất lượng tốt và đặc biệt là cho bauxite có hàm lượng silic thấp. Hiện

nay và dự báo trong tương lai khoảng 95% alumin trên thế giới vẫn được sản xuất

bằng công nghệ này [46]. Công nghệ Bayer được dựa trên cơ sở của phản ứng thuận

nghịch sau:

NaOH

Mầm k ết tủa

Huyền phù




21

Al(OH)3 + NaOH NaAlO2 + 2H2O

Để hòa tan được quặng, dung dịch cần đảm bảo điều kiện (nồng độ NaOH,

nhiệt độ, áp suất) tùy theo đặc điểm của từng loại quặng. Nếu quặng chứa chủ yếu

là gibbsite thì nhiệt độ cần có là 140oC, nhưng nếu quặng có hàm lượng boehmite

cao thì cần hòa tan ở nhiệt độ từ 200 – 280oC, tùy vào nhiệt độ hòa tan sẽ có áp suất

tương ứng, ví dụ như ở 240oC thì áp suất là 3 Mpa. Sau đó hạ nhiệt độ của hỗn hợp

này xuống 106oC, ở điều kiện áp suất khí quyển.

Hình 1.3. Quy trình sản xuất alumin [49]

Hoà tách > 1000C

K ết tủa < 1000CGibbsite r ắn

NaOHBauxite

Hòa tan

Nướ c

Phần r ắn

R ửa

Sấy khô

Bùn đỏ khô

Lọc

Loại bỏ Silic

K ết tủa Al(OH)3

Dung dịch NaAlO2

Al(OH)3

CO2

Mầm k ết




22

Công nghệ Bayer chủ yếu gồm các công đoạn:

- Bauxite được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH: Lượng Al2O3 được tách ra

trong dạng NaAlO2 hoà tan và được tách ra khỏi cặn không tan (gọi là bùnđỏ, do chủ yếu là các oxit sắt nên bùn có màu đỏ, ngoài ra còn có oxit titan,

oxit silic…).

- Dung dịch aluminate NaAlO2 được hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho

mầm vào để kết tủa Al(OH)3.

-

Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành Al2O3

thành phẩm.

Chi phí nguyên, nhiên liệu để sản xuất 1 tấn alumin bằng phương pháp Bayer

tuỳ thuộc vào loại và chất lượng bauxite. Giá trị công nghiệp của bauxite chủ yếu

được xác định bởi các chi phí tiêu hao kiềm và bauxite cho 1 tấn alumin.

Bảng 1.5. Tiêu hao kiềm và bauxite cho sản xuất alumin [22]

Loại Chất lượng Tiêu hao bauxite

(t/t Al2O3)

Tiêu hao kiềm

(kg NaOH/t Al2O3)

I

II

III

Tốt

Trung bình

Kém

< 2,2

2,2 - 2,9

> 2,9

< 40

40 - 80

>80

Trong quá trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer, tùy theo thành phầnkhoáng vật của bauxite mà công nghệ Bayer được chia thành 2 giải pháp khác nhau:

* Công nghệ Bayer Châu Mỹ

Công nghệ Bayer Châu Mỹ được áp dụng nếu Al2O3 của bauxite ở dạng

gibbsite (trihydrate Al2O3.3H2O), có thể được hoà tách dễ dàng. Bauxite này thường




23

được hòa tách ở nhiệt độ khoảng 140 – 145oC trong dung dịch hòa tách có nồng độ

kiềm thấp (120 - 170g/l Na2O).

Công nghệ này đang được áp dụng trong các nhà máy của ALCOA ở TâyÚc, nhà máy alumin ở Jamaica, Brazil, Sơn Đông (Trung Quốc), Guinea... và sẽ

được áp dụng cho các nhà máy alumin ở Tây Nguyên - Việt Nam.

*Công nghệ Bayer Châu Âu

Được áp dụng nếu Al2O3 của bauxite ở dạng boehmit và diaspore

(monohydrate Al2O3.H2O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 2000C (240 - 250

0C

trong các nhà máy hiện đại và có chất xúc tác đối với quặng diaspore) và trong dung

dịch hòa tách có nồng độ kiềm cao hơn (180 – 250 g/l Na2O). Công nghệ này đang

được áp dụng trong các nhà máy alumin của Nga, Iran, Bình Qủa (Trung Quốc) để

xử lý quặng bauxite diaspore; nhà máy alumin ở Hungary, Nam Tư, một vài nhà

máy ở Úc... xử lý quặng bauxite boehmite và sẽ được áp dụng cho nhà máy alumin

xử lý quặng bauxite diaspore ở miền Bắc Việt Nam (Ma Mèo, Táp Ná...).

1.2.3. Công nghệ sản xuất nhôm khu vực Tây Nguyên

Các đề tài nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước về mẫu bauxit e mỏ Tân

Rai, mẫu bauxite mỏ ―1 - 5‖ … được thực hiện: Viện Nghiên cứu Trịnh Châu -

Chalco (Trung Quốc) thực hiện với mẫu mỏ ―1 - 5‖ còn mẫu mỏ Tân Rai được

nghiên cứu ở Tập đoàn luyện kim Vân Nam – Trung Quốc đều khẳng định hoà tách

bauxite ở 140 – 145oC có nhiều ưu việt hơn ở 105 – 107

oC. Các nghiên cứu trong và

ngoài nước đối với bauxite miền Nam đều đi đến kết luận: Bauxite dưới dạng

gibbsite - goethite, chất lượng thuộc loại trung bình, thường phải qua tuyển rửa mớiđảm bảo chất lượng để sử dụng cho công nghệ Bayer; bauxite thuộc loại gibbsite dễ

hoà tách nên có thể được xử lý bằng công nghệ Bayer châu Mỹ (nhiệt độ khoảng

140 – 150oC, với nồng độ kiềm khoảng 160 - 170g/l Na2O), tuy vậy bauxite có chứa

nhiều goethite nên khả năng lắng kém. Trong luận chứng cơ hội đầu tư

"Opportunity Study" do nhóm chuyên gia của UNIDO lập năm 1988 để xây dựng

nhà máy alumin công suất 600.000 t/năm xử lý quặng bauxite Tân Rai - Lâm Đồng




24

cũng đã đề xuất giải pháp lựa chọn công nghệ hoà tách ở 140 oC với nồng độ kiềm

hoà tách là 170g/l, chỉ có công đoạn tiền khử silic (khử silic trước khi hoà tách),

không có công đoạn hậu khử silic (khử silic sau khi hoà tách).

Quá trình công nghệ sản xuất alumin chính có thể tóm tắt như sau: tinh

quặng bauxite từ nhà máy tuyển được chuyển vào máy nghiền cùng với NaOH, sữa

vôi (CaOH) theo tỷ lệ R:L = 1:1 cho đến khi đạt kích thước < 0,5mm tạo thành

huyền phù, chuyển vào bồn chứa có cánh khuấy. Tại bồn chứa có cánh khuấy, dung

dịch huyền phù được pha loãng tới nồng độ chất rắn 400g/l, sau đó được chuyển

sang thiết bị hòa tách và gia nhiệt đến nhiệt độ 145oC, để thực hiện quá trình hòa

tách khoáng vật gibbsite Al(OH)3 thành NaAlO2 hòa tan trong dung dịch. Hệ thống

thiết bị hòa tách gồm 5 thiết bị nối tiếp nhau, trong đó hai thiết bị đầu nhận trực tiếp

hơi nước có áp suất 7 atm từ nhà máy cấp hơi để đảm bảo nhiệt độ chung của toàn

bộ hệ thống hòa tách đạt 145oC. Dòng huyền phù từ thiết bị hòa tách có nhiệt độ

140oC và áp suất 5 atm sẽ được hạ áp suất tại thiết bị xả hơi và bồn xả áp. Huyền

phù sau khi hòa tách và hạ áp sẽ được hòa loãng và chuyển tới thiết bị tách cát. Tại

thiết bị tách cát, các hạt chất rắn có kích thước lớn hơn 100 µm sẽ được tách ra bằng

hệ thống hydrocyclon, rửa bằng nước nóng để thu hồi xút, sau đó đổ ra bãi thải.

Dòng dung dịch chứa aluminate sẽ tiếp tục chuyển vào thiết bị lắng để tách bùn đỏ.

Quá trình lắng của bùn đỏ sẽ được thực hiện trong thiết bị lắng dưới tác động của

trọng lực và chất trợ lắng. Dòng bùn đỏ thu từ đáy các thiết bị lắng được chuyển

sang hệ thống 6 thiết bị rửa bùn với dòng nước rửa ngược chiều để thu hồi lại xút và

aluminate. Bùn đỏ dưới dạng huyền phù có nồng độ chất rắn 47% được bơm ra bãi

chứa bùn đỏ để chôn lấp. Dung dịch aluminate sau khi ra khỏi thiết bị lắng lọc tinhvà hạ nhiệt chuyển vào thiết bị tạo mầm và thiết bị kết tinh Al - hydrate (dung dịch

cấp cho thiết bị tạo mầm cần hạ nhiệt đến nhiệt độ ~76oC và dung dịch cấp cho thiết

bị kết tinh cần hạ nhiệt đến nhiệt độ ~63oC).






26

Từ thiết bị kết tinh, dòng huyền phù chứa các hạt Al - hydrate được bơm qua

các hydrocycle để tách thành 2 phần: 60% dung dịch huyền phù chứa các hạt Al -

hydrate kích thước lớn lấy từ đáy chuyển sang khu lọc, nung để trở thành alumin,

40% dung dịch chứa các hạt Al - hydrate kích thước bé chuyển sang khu chứa mầm,

lọc bỏ muối oxalate và quay trở lại thiết bị kết tinh. Các hạt Al - hydrate tiếp tục

được khử nước, sấy khô và đưa vào lò nung để nung thành Al 2O3 (alumin). Mô tả

sơ đồ quy trình sản xuất:

- Đập và nghiền: Sau khi đưa vào nhà máy, bauxite có kích thước hạt lớn

(>25mm) phải được đập nhỏ. Sau khi đập, các tinh quặng còn kích thước hạt

thô được nghiền mịn. Bauxite được rửa và nghiền để giảm kích cỡ hạt, tăng

diện tích tiếp xúc bề mặt cho giai đoạn hòa tan. Sau đó hòa tan NaOH vào

nước và cho chúng vào máy tạo thành dung hỗn hợp bùn đặc.

- Tiền khử silic: Nếu bauxite có hàm lượng SiO2 cao, cần phải có quá trình loại

bỏ phần tạp chất này, bởi silic gây mất mát NaOH, ảnh hưởng đến chất lượng

sản phẩm cuối cùng và nhằm tránh kết tủa siilic ở dạng hợp chất không tan

natri alumosilicate (Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O) ra khỏi dung dịch do caolinitehòa tan đưa vào.

- Hòa tan: Nhôm oxit chứa trong bauxite được hòa tan vào dung dịch kiềm để

tạo thành dung dịch natri aluminate. Còn các cấu tử khác của bauxite, nhất là

Fe2O3 còn lại ở dạng rắn. Để hòa tách tốt, huyền phù bauxite nghiền của

dung dịch natri aluminate được gia nhiệt và khuấy trong khoảng 2,5 giờ.

Dung dịch NaOH nóng ở 140oC với nồng độ kiềm hoà tách là 170g/l được sử

dụng để hòa tan nhôm trong khoáng của bauxite (Al2O3, gibbsite, boehmite

và diaspore) để hình thành dung dịch NaAlO2 quá bão hòa.

Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Al(OH)4- + 2Na

+

Gibbsite:

Al(OH)3 + Na+ + OH

- → Al(OH)4

- + Na

+




27

Boehmite và diaspore:

AlO(OH) + Na+ + OH

- + H2O → Al(OH)4

- + Na

+

-

Tách lọc: Đầu tiên, tách phần rắn không tan khỏi hỗn hợp lỏng rắn, sau đóđưa phần rắn này vào rửa để thu hồi lại NaOH còn bám dính. Phần NaOH

thu hồi này được tái sử dụng.

Đem phần chất lỏng tách khỏi hỗn hợp trên đi lọc tiếp, thu được sản phẩm

cuối cùng không có tạp chất có trong phần rắn.

- Hậu khử siliic: Một số sản phẩm silic trong quá trình tiền khử silic vẫn còn ở

dạng hòa tan, nên chức năng của giai đoạn này là kết tủa phân silic hoạt tính

còn lại thành natri alumosilicate, thời gian lưu trong 12 giờ.

- Kết tủa: Alumina thu được từ quá trình tách lọc ở trên đã bị quá bão hòa

trong natri aluminate. Dung dịch aluminate NaAlO2 được hạ nhiệt đến nhiệt

độ cần thiết và cho mầm Al(OH)3 vào để kết tủa.

Khi làm lạnh dần dung dịch này, các tinh thể Al(OH)3 bắt đầu xuất hiện, sau

đó tăng dần lên tạo thành các tinh thể lớn hơn. Phản ứng tạo kết tủa này

chính là phản ứng nghịch của phản ứng hòa tan gibbsite:

Al(OH)4- + Na

+ → Al(OH)3 + Na

+ + OH

-

- Phân loại: các tinh thể gibbsite hình thành ở trên được phân loại theo cỡ hạt,

người ta sử dụng các cyclon hoặc các thiết bị phân loại. Các tinh thể dạng to

và thô được mang đi nung.

Các tinh thể dạng mịn được mang đi rửa để loại bỏ các tạp chất hữu cơ, sauđó cho kết tinh trở lại.

- Nung: Phần chất rắn này được đem nung ở 1100oC để loại bỏ hoàn toàn hơi

ẩm bên trong và khử nước trong các liên kết hóa học, tạo thành alumin rắn có

dạng bột trắng. Các phản ứng trong lò nung được mô tả bằng các phương

trình sau: 2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O




28

- Lắng bùn đỏ: Sau khi hòa nhôm oxit trong NaOH, phần không tan còn lại

của bauxite đượ c lắng tách ra khỏi aluminate, quá trình lắng đượ c tiến hành

liên tục trong bể có đường kính lớn, đáy phẳng, có cánh khuấy. Các hạt bùn

lắng xuống đáy bể, bùn đượ c tr ải đều trên mặt bể lắng bằng bộ phần khuấy

quay chậm, đến khi đạt đến độ lèn chặt theo quy định, bùn được hút sang

phân đoạn r ửa.

- R ửa bùn đỏ: Bùn đỏ lấy ra từ bể lắng chứa một lượ ng lớn natri aluminate và

kiềm. Vai trò của giai đoạn này là thu hồi triệt để aluminate và kiềm bằng

cách rửa ngược dòng.

- Thải bùn đỏ: Phần huyền phù bùn đỏ từ giai đoạn r ửa được thu vào bể chứa

bùn để thải. Từ bể này, nó được bơm ra hồ bùn đỏ. Ở hồ, bùn lắng xuống

đáy, nướ c hồ được bơm trở lại tr ạm xử lý nước để quay vòng trở lại quy trình

Bayer hoặc bơm vào trạm trung hòa để thải ra ngoài môi trườ ng.

1.3.

Thành phần và tính chất của bùn đỏ

1.3.1. Vấn đề bùn thải - bùn đỏ

Vấn đề môi trường lớn nhất trong quá trình sản xuất alumin (của thế giới

cũng như các dự án của TKV đang triển khai) là vấn đề bùn thải (bùn đỏ). Có hai

loại bùn thải phát sinh trong quá trình sản xuất alumin là bùn thải đuôi quặng phát

sinh trong quá trình tuyển quặng bauxite (thường chiếm tỷ lệ tới 50 % trọng lượng

quặng nguyên khai đưa vào quy trình tuyển) và bùn thải công nghệ Bayer (bùn đỏ).

Loại thứ nhất có thành phần chủ yếu là khoáng vật sét, geothite, hematite và

gibbsite dưới dạng bùn lỏng ít gây tác động đến môi trường. Loại thứ hai – bùn đỏdo chứa hàm lượng Fe2O3 và kiềm dư cao (NaOH, KOH), có độ pH cao ~ 13, dễ

gây ra tác động ô nhiễm môi trường.

Công nghệ sản xuất alumin được lựa chọn trong các dự án Tân Rai - Lâm

Đồng và Nhân Cơ - Đăk Nông là công nghệ sản xuất alumin bằng phương pháp

Bayer (Công nghệ thuỷ luyện bằng kiềm).




29

1.3.2. Thành phần bùn đỏ

Đặc điểm thành phần của bùn đỏ tại các nhà máy thường khác nhau, chúng

phụ thuộc vào nguồn gốc của quặng và công nghệ sản xuất. Khi phân tích thành phần hóa học của bùn đỏ thì tất cả các mẫu bùn đỏ đều chứa các nguyên tố: Si, Al,

Fe, Ca, Ti và một số loại khác như: Na, K, Cr, V, Ni, Ba, Cu, Pb và Zn.

Bảng 1.6. Thành phần bùn đỏ của một số nhà máy alumin trên thế giới [22]

Nguyên tố % Mẫu 1(Kaiser) Mẫu 2(Alcoa) Mẫu 3(Alcoa) Mẫu 4(Reynolds)

Al 2 - 4 5 - 10 3 – 8 1,3

B < 0,005 0,005 0,005 0,005Ba 0,02 0,01 0,01 0,01

Be <0,0001 <0,0001 <0,001 <0,001

Ca 5 - 10 3 - 6 4 – 6 20 – 40

Co 0,01 <0,005 0,01 <0,002

Cu 0,02 <0,005 0,01 0,002

Cr 0,1 0,05 0,1 0,005

Fe 10 - 20 5 - 10 20 - 40 5 – 10

K 0,03 0,2 0,1 0,3

Mg 0,1 0,03 0,1 0,3

Mn 1,0 0,02 0,4 0,2

Na 0,5 1 - 3 2 – 4 1,0

Ni 0,1 <0,005 0,03 0,002

Pb 0,02 0,01 0,02 0,005Si 0,8 2 - 4 2 – 4 5 – 10

Sr 0,05 0,01 0,03 0,03

Ti 2 - 4 3 - 6 2 - 4 1 – 2

V 0,1 0,1 0,03 0,01

Zr 0,1 0,2 0,1 0,2




30

Thành phần khoáng vật cũng khác nhau là do nguồn quặng bauxite, tuy

nhiên chúng cũng luôn có các khoáng chính: boehmite(AlOOH), kaolinite

(Al2Si2O5(OH)4), quartz(SiO2), rutile(TiO2), muscovite (K l2(AlSi3O10)(F,OH2) và

tricalcium aluminate (Ca3Al2O6) [9].

Bùn đỏ của Công nghệ Bayer và dung dịch bám theo bùn đỏ có thành phần

chính trình bày trong Bảng 1.7:

Bảng 1.7. Thành phần của bùn đỏ [38]

Quốc gia Nhà máy Thành phần chính (%) Công

nghệ Fe2O3 Al2O3 TiO2 SiO2 Na2O

Australia 40,5 27,7 3,5 19,9 1 - 2 Bayer

USA ALCOA mobile 30,4 16,2 10,11 11,14 2

Arkansas 55,6 12,15 4,5 4,5 1,5 - 5 Bayer

Sherwon 50,54 11,13 Dạng vết 2,56 9,00 Bayer

India Al.Corp 20,26 19,6 28 6,74 8,09

MALCO 45,17 27 5,12 5,7 3,64 Bayer

HINDALCO 35,46 23 17,2 5 4,85

BALCOa 33,8 15,58 22,5 6,84 5,2 Bayer

NALCOb 52,39 14,73 3,3 8,44 4 Hỏa

luyện

Trung

Quốc

6,85 7,29 2,45 13,89 2,73

Hungary 38,45 15,2 4,6 10,15 8,12

Jamaica 50,9 14,2 6,87 3,4 3,18 Bayer

Suriname 24,81 19 12,15 11,9 9,29 Bayer

Đức Baudart 38,75 20 5,5 13 8,16 Hỏa

luyện




31

Các đặc tính hóa lí của bùn đỏ tại các nhà máy cũng khác nhau, khi thêm một

lượng lớn kiềm trong quá trình sản xuất alumin, mặc dù đã được rửa lại, nhưng bùn

đỏ vẫn còn lại một lượng kiềm lớn có khả năng ăn mòn cao, pH của bùn đỏ nằm

trong khoảng 10 - 13. Bùn đỏ có độ mịn cao, với cỡ hạt trung bình <10µm, nên rất

khó lắng đọng. Khoảng 90% các hạt của nó nằm dưới 75µm, diện tích bề mặt trên

khối lượng nằm trong khoảng 7,3 – 34,5 m2/g.

Ngoài các thành phần đã được liệt kê trong bùn đỏ trình bày trong bảng, tính

chất gây hại đầu tiên của bùn đỏ chính là độ kiềm rất cao, gây bỏng, mù mắt và các

hội chứng liên quan khác: Bùn đỏ của một số nhà máy còn có chứa phóng xạ. Các

phân tích cho thấy trong bùn đỏ có chất phóng xạ uranium 238 cao gấp 3 lần độ

phóng xạ trung bình của vỏ Trái Đất (40 bq/kg), và chất thorium 232 cao hơn 4 lần

so với độ phóng xạ trung bình của vỏ Trái Đất. Sản xuất alumin không tự tạo ra chất

phóng xạ, kim loại nặng, các nguyên tố hiếm hay đất hiếm mà quy trình sản xuất chỉ

làm giàu phóng xạ lên sau khi đã tách lấy đi alumin sạch [6].

Bảng 1.8. Thành phần bùn đỏ và dung dịch bám theo bùn đỏ của

dự án Lâm Đồng [6]

Thành phần bùn đỏ, % Thành phần dung dịch, %

Fe2O3 46,41 Na2O 0,46

Al2O3 16,91 Al2O3 0,48

SiO2 6,6 H2O 99,06

TiO2 5,48

Na2O 3,06

CaO 4,48

Khác 17,06




32

Bảng 1.9. Thành phần bùn đỏ và dung dịch bám theo bùn đỏ của

dự án Nhân Cơ [6]

Thành phần bùn đỏ, % Thành phần dung dịch, g/l

Fe2O3 46,32 Na2O tổng <3,5

Al2O3 17,56 Na2O costic <3,0

SiO2 6,7 Al2O3 <3,0

TiO2 7,2

Na2O 3,43

CaO 5,29

Khác 13,5

Báo cáo của Chính phủ cho biết kết quả phân tích bùn đỏ của bauxite Tây

Nguyên đã có kết luận tin cậy về thành phần bùn đỏ không có chất phóng xạ. Tuy

nhiên, trong phần dung dịch bùn đỏ còn lượng kiềm dư nhất định, lượng kiềm này

có thể thẩm thấu, gây tác hại cho đất xung quanh và làm ô nhiễm nguồn nước, vì

vậy phải xử lý bùn đỏ theo tiêu chuẩn xử lý chất thải nguy hại. Bản báo cáo cũngthừa nhận rằng khai thác và chế biến bauxite không thể tránh khỏi gây ra những tác

động môi trường nhất định, tuy nhiên kinh nghiệm thực tế của thế giới cho thấy

những tác động môi trường hoàn toàn có thể kiểm soát và khống chế tới mức an

toàn cần thiết.

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu thành công (kể cả quy mô thí

nghiệm bán công nghiệp) về sử dụng bùn đỏ, nhưng hiệu quả kinh tế còn thấp nên

việc sử dụng chúng còn hạn chế, chủ yếu vẫn thải ra các bãi chứa. Có 2 cách thải

bùn đỏ là thải trên đất (đất bằng hoặc các thung lũng có các đê bao) hoặc thải vào

nước (thải vào các đầm phá ven biển). Thải bùn đỏ trên đất có 2 phương pháp là

thải khô hoặc thải ướt:

- Thải khô là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn rất cao, tiết kiệm

diện tích nhưng tốn kém và phức tạp hơn, thích hợp với những vùng có




33

lượng bốc hơi lớn hơn so với lượng mưa.

- Thải ướt là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn thấp hơn, đỡ tốn

kém, thích hợp với các vùng có các thung lũng dễ tạo thành hồ chứa, thườngáp dụng cho những vùng có lượng mưa lớn hơn so với lượng bốc hơi (ví dụ ở

Tây Nguyên - Việt Nam có lượng mưa gấp gần 4 lần lượng bốc hơi: lượng

mưa 2400mm; lượng bốc hơi 650mm).

Bùn đỏ trước khi thải ra bãi thải phải được rửa ngược dòng 4 - 6 bước nhằm

tận thu kiềm và alumin bám theo bùn đỏ (giá kiềm đắt là một trong tiêu hao chính

để sản xuất alumin) và đảm bảo yêu cầu môi trường. Hồ bùn đỏ phải có các lớp

chống thấm tốt để làm sao kiềm bám theo bùn đỏ không thẩm thấu vào mạch nước

ngầm, nước chứa kiềm trong hồ chứa bùn đỏ được thu gom và bơm tuần hoàn về

nhà máy alumin sử dụng lại.

1.4. Độc tính của bùn đỏ

Trong quá trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer, các nguyên tố kim

loại kiềm (Ca, K, Ba) được đưa vào nhiều, đặc biệt là Na, các nguyên tố này tồn tại

dướ i dạng ion hòa tan trong bùn đỏ tạo nên độ pH cao (12,5 - 13) gây các tác động

xấu đến vật liệu và trang thiết bị tiếp xúc. Hoặc khi thâm nhập vào cơ thể người và

sinh vật, với độ pH cao, bùn đỏ có thể gây nên các tổn thương niêm mạc cũng như

làm thay đổi cân bằng của các chu trình sinh lý – sinh hóa, gây nên bệnh tật cho cơ

thể [8].

Hàm lượng kim loại nặng trong bùn đỏ không quá cao và dạng tồn tại của

các kim loại này cũng chưa được nghiên cứu và đánh giá chính xác. Các kim loạinặng có mặt trong bùn đỏ bao gồm: V, Cr, Fe, Ni, Pb, Zr... là các tác nhân gây ô

nhiễm có hoạt tính cao. Khi thâm nhập vào cơ thể sinh vật và con người, sẽ tích lũy

trong các cơ quan nội tiết, tạo ra các chứng bệnh nan y (ung thư, xương khớp, thần

kinh...).

Trong bùn đỏ, người ta cũng thường tìm thấy các nguyên tố phóng xạ, những

nguyên tố này rất nguy hiểm đối với sức khỏe con người và môi trường. Quặng




34

bauxite tại Tây Nguyên hình thành do quá trình phong hóa đá bazan có tuổi tương

đối trẻ (Q1 và Q2), chưa bị biến đổi nhiều dưới tác động của các quá trình tự nhiên

nên không có khả năng chứa các nguyên tố phóng xạ.

Ngoài ra các nguyên tố như: Al, Ti, Si... cũng có mặt với hàm lượng tương

đối cao trong bùn đỏ. Các nguyên tố trên tồn tại trong bùn đỏ chủ yếu dưới dạng

không hòa tan trong các thành phần alumin, khoáng vật sét, khoáng vật oxit và một

ít dưới dạng hòa tan trong dung dịch kiềm dư. Tuy mức độ độc hại của các nguyên

tố này không cao, nhưng khả năng gây ô nhiễm cho môi trường nước (tạo ra độ đục

cao, tăng độ nhớ t, tạo mầu đỏ của nướ c) cũng như thâm nhập vào cơ thể sinh vật

làm thay đổi các cân sinh lý – hóa của cơ thể sống, từ đó sinh ra các bệnh tật là điều

cần được lưu ý.

1.5. Các phƣơng pháp sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam

1.5.1. Các phương pháp s ử d ụng bùn đỏ trên t h ế gi ớ i

Thành phần hoá học bùn đỏ gồm các oxit chính Fe2O3, SiO2, Al2O3, TiO2,

NaO, CaO, K 2O... với biến động lớn. Ngoài các oxit chính trên, một số mẫu bùn đỏ

còn chứa một lượng lớn các nguyên tố kim loại nặng độc hại và kim loại quý như:

V, Ga, Th... Các khoáng vật có trong thành phần bùn đỏ gồm khoáng vật còn lại của

quặng bauxite ban đầu như: hematite, goethite, thạch anh, gibbsite, boehmite,

muscovite và anata; cùng các khoáng vật kết tinh trong quá trình công nghệ sản xuất

alumin (quy trình Bayer) như: canxite, sodalite, aluminate canxi và thạch cao. Tuy

nhiên, tỷ lệ các khoáng vật trên trong bùn đỏ thay đổi trong phạm vi rộng. Nên bùn

đỏ của các nhà máy khác nhau thường có thành phần vật chất khác biệt nhau, đòi

hỏi các phân tích chi tiết khi nghiên cứu sử dụng chúng vào các mục đích sản xuất

công nghiệp [3].

Với độ hạt kích thước µm và hàm lượng ion mang màu cao, bùn đỏ thường

có độ nhớt lớn, màu đỏ, độ pH trên 12,5. Việc nghiên cứu thành phần vật chất và

tính chất bùn đỏ là yêu cầu bắt buộc khi tiến hành nghiên cứu xử lý bùn đỏ và sử

dụng chất thải này cho các mục đích khác nhau [9, 24]. Việc nghiên cứu xử lý bùn




35

đỏ thu hồi các nguyên tố kim loại có giá trị, cũng như sử dụng bùn đỏ vào mục đích

khác đã được các nhà khoa học thế giới nghiên cứu và đề cập theo 3 hướng chính:

thu hồi kim loại có giá trị, sản xuất vật liệu xử lý môi trường, sản xuất vật liệu xây

dựng [25]. Trong thực tế, hàm lượng các nguyên tố kim loại có giá trị trong bùn đỏ

cao, nhưng các quy trình thu hồi kim loại từ bùn đỏ mới có kết quả khoa học trong

phòng thí nghiệm.

Hình 1.5. Một số phƣơng án sử dụng bùn đỏ [24]

Theo các tư liệu đã công bố trên các tạp chí khoa học thế giới, bùn đỏ có thể

tận dụng làm phụ gia xi măng. Các số liệu cho thấy, việc bổ sung bùn đỏ vào phụ

gia xi măng với khối lượng bằng 1% nguyên liệu thô không làm thay đổi quy trình

sản xuất và chất lượng xi măng, nhưng có thể làm giảm giá thành xi măng xuất

xưởng. Tuy nhiên, việc sử dụng khối lượng bùn đỏ hàng triệu tấn sinh ra trong quá

trình sản xuất alumin ở Tây Nguyên làm phụ gia cho hoạt động sản xuất xi măng là

không khả thi.

1.5.1.1. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất vật liệu xây dựng

Thành công lớn nhất trong việc tận dụng bùn đỏ là sản xuất các loại gạch có

sử dụng thêm các phụ gia các loại khác nhau: kaolinite, cát, quặng photphat, tro

Chất nhuộm và sơn Sản xuất vật liệu

xây dự ng: Gạch,

xi măng và bê tông

Thu hồi kim

loại : Fe, Al, Ti,

Ga, V, Sc…

Bùn đỏ

Đồ gốm Cải tạo đất

Chất xúc tác Chất hấp phụ




36

bay, quặng Bo thải… và nung ở nhiệt độ cao. Các pha kết tinh mới NaAlSiO4,

NaSiO3, Ca2Al2SiO7 có độ bền cao, giữ được độ cứng của viên gạch và giữ các ion

Na+ linh động trong pha rắn, cứng. Wanchao Liu, Jiak uan Yang, trong bài báo [43]

năm 2009 đã trình bày kết quả trong phòng thí nghiệm về thu hồi Fe chứa trong bùn

đỏ bằng phương pháp khử các oxit sắt, cũng như phương pháp sản xuất gạch bùn đỏ

bằng cách bổ sung phụ gia Ca(OH)2 với nồng độ 9, 13, 17 và 21%. Tác giả Taner

Kavas sử dụng chất thải từ nhà máy tuyển quặng Bo của Thổ Nhĩ Kỳ để tạo ra loại

gạch có chất lượng, giảm nhiệt độ nung gạch bùn đỏ và làm tăng độ cứng của gạch.

Các kết quả trên cho thấy: bùn đỏ có thể sử dụng để sản xuất gạch, tuy nhiên để tạo

ra loại gạch có chất lượng và giảm nhiệt độ nung gạch cần tìm kiếm được loại phụgia cần thiết có giá thành rẻ tại địa phương, đó có thể là đất sét, đá vôi. Các phối

liệu gạch bùn đỏ đã thành công trong sản xuất thường được đăng ký bản quyền ở

quốc gia đó, nơi có các nhà máy sản xuất. Phương pháp này ngoài việc loại bỏ được

ảnh hưởng độc hại của bùn đỏ đối với môi trường, còn có thể tạo ra sản phẩm dân

dụng có giá trị đối với địa phương.

1.5.1.2. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất gốm thủy tinh

Bùn đỏ còn được sử dụng trong sản xuất gốm thuỷ tinh trong phối liệu sản

xuất gốm thuỷ tinh tại công ty Nhôm Shangdong, Trung Quốc có 52% bùn đỏ, 33 %

tro bay, 9 % cát thạch anh, 1% TiO2 và 5% Sođa ở nhiệt độ nung 850 – 1100oC tạo

ra loại sứ thuỷ tinh có cấu trúc đẹp. Tương tự, sử dụng 50% bùn đỏ cùng với 50%

sét có thành phần hoá học (Al2O3 10,8%, SiO2 37,5%, K 2O 2%, Na2O 0,8%, CaO

22,1%, Fe2O3 4,1%, MKN 18,7%, thành phần khác 3,2%) tạo ra sản phẩn sứ thuỷ

tinh ở nhiệt độ 1000oC. Như vậy, có thể sử dụng các phụ gia tro bay, sét và kaolinite

để tạo ra sản phẩm sứ thuỷ tinh quy mô công nghiệp [9].

1.5.1.3. Sử dụng bùn trong xử lý nước

Ô nhiễm nước hiện nay là vấn đề lớn của toàn cầu, kể cả nước mặt và nước

thải sinh hoạt hay công nghiệp. Hầu hết các nguồn nước ô nhiễm này đều gây hại

cho con người, động vật và cây trồng; chúng có chứa các anion, các hợp chất hữu




37

cơ và cation kim loại nặng. Tất cả các hợp chất này nhất thiết phải được loại bỏ

trước khi nước thải được tái sử dụng hoặc thải ra sông suối. Trước nhiều kĩ thuật xử

lý nước thải, hấp phụ được xem là phương thức hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi

và than hoạt tính được biết đến là giải pháp hữu hiệu trong loại bỏ chất ô nhiễm.

Nhưng giá thành chất hấp phụ và quá trình tái sinh chúng lại rất đắt, đã hạn chế quá

trình sử dụng và không được ứng dụng rộng rãi. Trong nhiều thập kỉ gần đây, các

chất hấp phụ giá rẻ được tạo ra bằng chất thải công nghiệp, nông nghiệp đã được

quan tâm và nghiên cứu. Bùn đỏ cũng được xem như chất hấp phụ giá rẻ và nhiều

nghiên cứu cho thấy bùn đỏ có khả năng hấp phụ cao do nó có đặc tính xốp và bám

dính cao.

Trong thời gian gần đây, nhiều nhà khoa học đã bắt đầu quan tâm và nghiên

cứu các ứng dụng của bùn đỏ trong môi trường, ví dụ như xử lý nước thải. Bùn đỏ

có khả năng loại bỏ được kim loại nặng, các anion vô cơ, ion kim loại hoặc các chất

hữu cơ có màu, các hợp chất phenol và vi sinh vật. Ưu điểm lớn nhất của bùn đỏ là

nó có khả năng bám dính và đông tụ. Ying Zhao, Jun Wang, Zhaok un Luan (2009)

[47, 48] và nhiều công trình nghiên cứu khác đã cho thấy sự thành công trong sử

dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ khi xử lý photpho và nito trong nước và một số

nghiên cứu sử dụng bùn đỏ để xử lý asen, crom trong nước thải [41, 45].

Bùn đỏ vừa được thải bỏ ra phải được hoạt hóa để có thể loại bỏ được chất ô

nhiễm và giảm thiểu được tác động có hại của chúng. Phương pháp hoạt hóa chính

đó là: axit hóa, hoạt hóa bằng nhiệt, hoặc kết hợp nhiều hình thức. Dựa vào nguồn

gốc của bùn đỏ và nguồn gây ô nhiễm, sẽ có các hình thức hoạt hóa thích hợp. Bùn

đỏ sau khi được hoạt hóa sẽ có các đặc tính hóa lý khác hẳn ban đầu [33, 28].

Axit hóa: Các axit này là H2SO4 đặc, HCl hoặc HNO3 loãng. K ết quả chụp

SEM cũng cho thấy sự ăn mòn bề mặt và tạo ra các lỗ hổng bên trong bởi axit, các

lỗ hổng và bề mặt mới được hình thành là do sự hòa tan canxi và các muối tan trong

axit, làm cho diện tích bề mặt tăng từ 14,09m2/g đến 19,35m2

/g, làm tăng dung tích

hấp phụ của bùn đỏ [24].




38

Xử lý nhiệt: xử lý nhiệt cho bùn đỏ với nhiều nhiệt độ khác nhau (từ 200oC

đến 1000oC). Xử lý nhiệt ở 700oC sẽ làm giảm diện tích về mặt của bùn đỏ nhưng

dung tích hấp phụ photphat lại tăng lên. Kết quả phân tích XRD cho thấy, xử lý

nhiệt đã làm xuất hiện sự chuyển pha và thay đổi thành phần khoáng vật của bùn đỏ

[40].

Như vậy, nếu như bùn đỏ chưa qua xử lý là một nguồn gây ô nhiễm đe dọa

môi trường và sức khỏe con người, thì người ta lại tìm ra các h quản lý và xử lý nó

để nó trở thành sản phẩm hữu hiệu, mang lại lợi ích cho môi trường và nguồn lợi về

kinh tế. Bùn đỏ có thể được sử dụng làm vật liệu xây dựng (gạch, xi măng, đồ

gốm), phủ xanh, cải tạo đất, sử dụng bùn đỏ theo các phương thức thân thiện với

môi trường sinh thái [44].

1.5.2. Các phương pháp sử dụng bùn đỏ ở Việt Nam

Các dự án khai thác – chế biến bauxite Tây nguyên là nguồn gốc phát sinh

các chất độc hại vào môi trường, chủ yếu là quặng đuôi sau khi tuyển, bùn đỏ và

bùn oxalate từ khâu rửa bã cuối cùng của dây chuyền công nghệ. Thành phần chủ

yếu của bùn thải quặng đuôi bao gồm oxit nhôm, oxit sắt, oxit silic…và bùn sét.Thành phần chủ yếu của bùn đỏ bao gồm hematite (Fe2O3), natrisilico aluminate,

canxi titanate, nhôm ngậm nước (Al2O3.H2O và Al2O3 .3H2O). Thành phần chủ yếu

của bùn oxalate bao gồm Al2O3 - 13,3%, CaO - 31,3% và Na2C2O4 - 10,6% còn lại

45% là các tạp chất khác.

Trên thực tế, các hoạt động xử lý và sử dụng bùn đỏ ở Việt Nam chủ yếu là

nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm pilot quy mô nhỏ [6]:

- Thử nghiệm sử dụng bùn đỏ làm chất xử lý môi trường: dùng viên lọc ―bùn

đỏ‖ để lọc H2S chứa trong khí biogas tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, Thành

phố Hồ Chí Minh do các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ sinh học Việt

Nam, Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh..; cũng như các ứng dụng

bùn đỏ để hấp phụ kim loại nặng, chất ô nhiễm NO3- và PO4

3- trong nước

thải. Phương hướng này có thể có hiệu quả. Tuy nhiên, với khối lượng hàng




39

triệu tấn của riêng nhà máy alumin Tân Rai hoặc Nhân Cơ, thì lượng bùn đỏ

có thể tận dụng cho mục đích này không giải quyết được vấn đề kiểm soát

bùn đỏ.

- Sử dụng bùn đỏ để sản xuất gạch không nung: Khoa Công nghệ vật liệu,

Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh công bố năm 2009 về

việc sử dụng bùn đỏ để sản xuất gạch không nung. Các tác giả đã sử dụng

bùn đỏ cùng với chất kết dính là CaO, xi măng Pooclăng và các vật liệu nền

là cát và đá dăm mịn để ép thành các viên gạch. Sau khi ủ mẫu gạch sau 28

ngày đêm, xuất hiện của 2 khoáng vật xi măng mới là Xonotlite

6CaO.6SiO2.H2O(C6S6H) và Riversideit 6CaO.5SiO2.H2O(C6S5H) tạo nên sự

rắn chắc của viên gạch.

1.6. Quá trình ổn định hóa rắn

1.6.1. Ổn định hóa rắn

Ổn định và hóa rắn là quá trình làm tăng các tính chất vật lý của chất thải,

giảm khả năng phát tán vào môi trường hay làm giảm tính độc hại của chất ô nhiễm.

Phương pháp này đượ c sử dụng r ộng rãi trong quản lý chất thải nguy hại.

Phương pháp này thường được áp dụng trong các trườ ng hợ p sau:

- Xử lý chất thải nguy hại

- Xử lý chất thải từ quá trình khác (ví dụ tro của quá trình nhiệt)

- Xử lý đất bị ô nhiễm khi hàm lượ ng chất ô nhiễm cao trong đất cao.

Làm ổn định là một quá trình mà chất thêm vào đượ c tr ộn vớ i chất thải để

giảm tớ i mức tối thiểu khả năng phát tán của chất nguy hại ra khỏi khối chất thải và

giảm tính độc hại của chất thải. Như vậy, quá trình làm ổn định có thể được mô tả

như một quá trình nhằm làm cho các chất gây ô nhiễm bị gắn từng phần hoặc hoàn

toàn bởi các chất k ết dính hoặc các chất biến đổi khác. Cũng tương tự như vậy, quá

trình đóng rắn là một quá trình sử dụng các chất phụ gia làm thay đổi bản chất vật lý

của chất thải (thay đổi tính kéo, nén hay độ thấm). Như vậy, mục tiêu của quá trình






41

thướ c nhỏ, nhưng chất thải nguy hại không biến đổi tính chất vật lý nên tốc độ phân

tán của nó ra môi trườ ng vẫn phụ thuộc vào kích thướ c bị vỡ ra theo thờ i gian của

viên bao và tốc độ phân tán tăng khi kích thướ c hạt giảm. Cũng như bao viên ở mức

kích thướ c lớ n, ở mức kích thướ c nhỏ, các chất nguy hại đượ c bao vật lý bằng các

chất k ết dính khác nhau như xi măng, xỉ than, vôi và độ bền của nó tăng khi tăng chi

phí năng lượ ng cho việc tr ộn và đóng viên nó.

Hấ p thụ: là quá trình đưa chất thải nguy hại ở dạng lỏng vào bên trong chất

hấ p thụ. Các chất hấ p thụ hay đượ c sử dụng là: đất, xỉ than, bụi lò nung xi măng,

bụi lò nung vôi, các khoáng (bentonite, cao lanh, vermiculite và zeolite), mùn cưa,

cỏ khô và rơm khô.

Hấ p phụ: là quá trình giữ chất nguy hại trên bề mặt của chất hấ p phụ để

chúng không phát tán vào môi trường. Không giống như quá trình phủ đóng viên ở

trên, khi thực hiện cơ chế này, khối chất r ắn khi bị vỡ ra chất nguy hại có thể thoát

ra ngoài. Để đóng rắn các chất thải hữu cơ đất, sét biến tính thường đượ c sử dụng.

Đất sét loại này là đất sét đượ c biến đổi bằng cách thay các cation vô cơ đượ c hấ p

phụ trên bề mặt đất sét bằng cation hữu cơ mạch dài để tạo đất sét organophilic. Các phân tử nguy hại sẽ bị hấ p phụ vào thạch cao và chúng không thể thoát ra môi

trườ ng.

K ết tủa: quá trình hóa rắn nói chung sẽ làm kết tủa các thành phần nguy hại

trong chất thải thành dạng ổn định hơn rất nhiều. Các chất k ết tủa là các thành phần

của chất dùng để hóa rắn như hydroxite, sulfua, silicate, carbonate và phosphate.

Quá trình này đượ c sử dụng để đóng rắn các chất thải nguy hại vô cơ như bùn

hydroxite kim loại. Ví dụ, carbonate kim loại thường ít tan hơn hydroxite kim loại.

Vớ i pH cao, phản ứng hóa học sẽ xảy ra và tạo thành carbonate kim loại từ

hydroxite kim loại theo phản ứng như sau:

Me(OH)2 + H2CO3 → MeCO3 + H2O

Tính vĩnh cửu của carbonate kim loại phụ thuộc vào một số yếu tố trong đó có

pH. Ở môi trườ ng pH thấ p, kim loại vẫn có thể bị hòa tan lại và nó có thể thoát tự






43

Chƣơng 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U

2.1. Đối tƣợng nghiên cứ u

-

Bùn đỏ đượ c lấy từ nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ Chí Minh vàotháng 11/2012: trong giai đoạn này, hai nhà máy Nhân Cơ và Tân Rai đang

trong quá trình thi công và hoạt động thử nghiệm, chưa đi vào hoạt động

chính thức, nên nguyên liệu cho tất cả các thử nghiệm nói trên là bùn đỏ của

xưởng sản xuất alumin của nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ Chí

Minh. Về bản chất, nhà máy hóa chất Tân Bình lấy quặng bauxite từ phân

xưởng khai thác và tuyển quặng tại Bảo Lộc, tiến hành sản xuất alumin theo

công nghệ Bayer. Các quy trình sản xuất này hoàn toàn tương đồng với các

quy trình sản xuất của Nhà máy alumin Tân Rai. Sau công đoạn ép bùn ở nhà

máy, bùn đỏ được để khô tự nhiên.

Cách lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu tuân theo đúng yêu cầu của cách

lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản chất thải nguy hại: mẫu ở dạng khô được

lấy tổng hợp nhiều lần, tại nhiều vị trí của bãi thải và được chứa trong các túi

đựng bằng polyetylen, bảo quản trong điều kiện nhiệt độ phòng.

Sau khi khô, bùn đỏ có kích thước đa dạng từ dạng hạt mịn cỡ 0,1 mm đến

kích thước lớn 150 mm do bị đóng rắn, độ ẩm 2%. Trước khi tiến hành thí

nghiệm, bùn đỏ được để khô trong môi trường không khí và nghiền nhỏ, cho

qua rây 1mm.

- Phụ gia cát: được lấy ở sông Hồng, có hàm lượng SiO2 cao (100%). Trước

khi đưa vào sử dụng trong thí nghiệm, cát được để khô, cho qua rây 1mm đểloại bỏ các thành phần có kích thước lớn.

- Cao lanh: có thành phần chủ yếu là khoáng vật kaolinite cùng một số khoáng

vật khác như illite, montmorillonite, thạch anh. Cao lanh được lấy ở khu vực

Trúc Thôn, Chí Linh, Hải Dương, có thành phần hóa học: Al2O3(22%),

SiO2(66%). Cao lanh ở dạng hạt lớn nên trước khi đưa vào thí nghiệm, cao

lanh được nghiền mịn và cho qua rây 1mm.

http://vi.wikipedia.org/wiki/Kaolinit

http://vi.wikipedia.org/wiki/Illit


http://vi.wikipedia.org/wiki/Montmorillonit

http://vi.wikipedia.org/wiki/Th%E1%BA%A1ch_anh




http://vi.wikipedia.org/wiki/Montmorillonit


http://vi.wikipedia.org/wiki/Kaolinit




44

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đượ c thực hiện trên quy mô phòng thí

nghiệm đối với các phép phân tích tính an toàn của vật liệu và quy mô thực tế tại

nhà máy gạch tuynel để xác định đặc tính vật lý của vật liệu.

2.2. Phƣơng pháp nghiên cứ u

2.2.1. Phương pháp sử d ụng bùn đỏ làm vật l i ệu xây dự ng

Sừ dụng bùn đỏ (độ ẩm 2%) làm vật liệu xây dựng là một trong các xu

hướng chính để làm giảm khối lượng bùn thải sau sản xuất alumin. Quá trình sử

dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng đượ c thực hiện trong phòng Chuẩn bị mẫu, khoa

Môi trường, trường Đại học Khoa học tự nhiên.

Hình 2.1. Quy trình sử dụng bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dự ng

Dựa vào thành phần hóa học của bùn đỏ, sét và cát xây dựng, thành phần hóa

học của gạch xây dựng, tính toán đượ c tỉ lệ bùn đỏ, sét và cát cần có để phối tr ộn và

nhiệt độ nung thích hợp. Trong nghiên cứu này, tỉ lệ Bùn đỏ: Cao lanh : Cát đượ c

chọn là 16 : 4 : 5 để nghiên cứu ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định

Nung sản phẩm trong lò

Định hình gạch

Phơ i sấy sản phẩm

Chuẩn bị phụ gia: đất sét, cát xây

Phối liệu phụ gia và bùn đỏ




45

hóa rắn theo nhiệt độ từ 600oC đến 1000

oC. Trong quá trình nung, cao lanh đóng

vai trò cung cấp Al và Si cho vật liệu, cát cung cấ p Si cho vật liệu, sao cho vật liệu

có thành phần hóa học hợp lý để tạo nên dạng liên kết chặt chẽ và ổn định khi nung.

Trong quá trình sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng, có hai loại kích cỡ

gạch đượ c sử dụng là 50 x 50 x 10 mm và 230 x 110 x 63 mm. Mỗi kích cỡ phục vụ

cho mỗi đích nghiên cứu khác nhau, cỡ gạch 50 x 50 x 10 mm dùng để phân tích

xác định thành phần, mức độ an toàn của vật liệu xây dựng (thực hiện tại phòng thí

nghiệm khoa Môi trường, trường Đại học khoa học tự nhiên); còn cỡ gạch 230 x

110 x 63 mm dùng trong xác định đặc tính vật lý của vật liệu (thực hiện tại Nhà

máy gạch Viglacera Hữu Hưng). Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất hai loại gạch

này, đều có những thao tác và trình tự tương tự nhau.

a) Chuẩn bị phụ gia

Phụ gia là thành phần quan tr ọng của gạch gốm nung sản xuất trên nền bùn

đỏ. Phụ gia có vai trò bổ sung các thành phần hóa học và tăng cường tính chất cơ lý

cho sản phẩm. Tùy thuộc vào đặc điểm, thành phần hóa học của bùn đỏ, tính toán

để lựa chọn đượ c loại phụ gia, tỉ lệ pha tr ộn phụ gia phù hợ p vớ i mục đích của vật

liệu cần sản xuất vừa đảm bảo được thành phần của vật liệu, vừa đảm bảo tính an

toàn với con người và môi trườ ng. Khi lựa chọn phụ gia trướ c hết cần quan tâm đến

các loại phụ gia có giá trị kinh tế đối với địa phương và có sẵn tại khu vực này, giá

thành rẻ và có khả năng khai thác vớ i số lượ ng lớ n. Một số loại phụ gia đượ c sử

dụng nhiều trong quá trình chế tạo gạch xây đất sét nung: Cao lanh, cát, tro bay, vôi,

bột đá... tuy nhiên, trong nghiên cứu này, hai loại phụ gia đượ c sử dụng là cao lanh

và cát xây dựng.

Đất sét kaolinite: đượ c lấy từ Trúc Thôn (Hải Dương), có thành phần chủ

yếu là nhôm và silic, thành phần nhôm bổ sung vào vật liệu, góp phần cùng các

thành phần có trong bùn đỏ hình thành các khoáng mớ i. Phụ gia đất sét kaolinite

được phơi khô, đậ p nhỏ và nghiền thành bột mịn và sàng lấy phần mịn < 0,1 mm

trước khi đưa vào phối liệu để đảm bảo độ đồng đều của phối liệu khi tr ộn.




46

Cát xây dựng: Cát xây dựng đượ c sử dụng là cát sông Hồng, có thành phần

hóa học chủ yếu là SiO2, có độ hạt < 1mm. Vật liệu cát khi đưa vào phối liệu sẽ làm

giảm tính kiềm và độ nhớ t của bùn đỏ, do đó không cản tr ở đến quá trình gia công

chế tạo sản phẩm thô. Phần lớ n vật liệu cát khi nung không bị mất nước, cùng vớ i

các thành phần oxit nhôm và sắt trong bùn đỏ tạo nên độ r ắn chắc của gạch gốm

nung. Nhược điểm lớ n nhất của loại phụ gia này là việc tạo nên tỷ tr ọng cao của sản

phẩm gạch gốm nung, nhưng đây lại là loại phụ gia có giá thành rẻ và có ở nhiều

địa phương.

b) Phối liệu

Tất cả các thành phần như bùn đỏ và các phụ gia (cao lanh, cát) đều phải

đượ c nghiền nhỏ và cho qua rây 1mm. Sau đó cân các thành phần này theo tỉ lệ đã

tính toán được: 16:4:5 (bùn đỏ:cao lanh:cát) và trộn đều với nhau để đảm bảo tính

đồng nhất phối liệu sản xuất. Bổ sung nướ c từ từ vào hỗn hợp đã trộn đến độ ẩm

cần thiết (20 – 30%), có khả năng định hình gạch và ủ vật liệu trong 2 - 3 ngày. Quá

trình ủ này làm cho nướ c ngấm đều vào vật liệu, cao lanh có thể trương nở tối đa,

tránh hiện tượ ng nứt vỡ , nổ trên bề mặt vật liệu trong quá trình nung ở nhiệt độ cao.

c)

Định hình gạch

Để tạo phôi gạch, sử dụng loại khuôn có kích thước phù hợ p với kích thướ c

gạch mong muốn (50 x 50 x 10 mm và 230 x 110 x 63 mm), làm phẳng các cạnh

trong lòng khuôn để dễ dàng cho việc tháo dỡ vật liệu từ khuôn.

Vật liệu sau khi ủ, tiế p tục được nhào trộn cho đều và điều chỉnh độ ẩm phù

hợp. Sau đó đưa hỗn hợp này vào khuôn, nén chặt, làm mịn và đều các bề mặt gạch

r ồi đưa gạch ra khỏi khuôn mà không làm biến dạng gạch.

d) Phơi sấy sản phẩm

Sau khi định dạng gạch, gạch có thể được phơi khô ngoài không khí hoặc

đượ c sấy trong lò. Yêu cầu của việc phơi sấy sản phẩm thô là đảm bảo cho quá trình

mất nướ c từ từ của sản phẩm trước khi nung đến độ ẩm khoảng 2 - 3% tr ọng lượ ng.




47

Để làm việc này, sản phẩm thô sau khi lấy ra khỏi khuôn, được để khô tự nhiên

dưới ánh nắng mặt tr ờ i hoặc trong bóng râm thoáng khí. Lượng nước còn chứa

trong sản phẩm thô sẽ từ từ bay ra ngoài, nhưng hình dạng của sản phẩm không bị

biến dạng trong quá trình phơi sấy. Nếu phơi ngoài không khí, thời gian để gạch

khô hoàn toàn là từ 7 – 10 ngày; nếu sấy trong lò, thờ i gian gạch khô ngắn hơn, chỉ

trong khoảng 24 giờ . Gạch khi để khô không đượ c nứt vỡ hoặc bị móp méo, biến

dạng.

e)

Nung sản phẩm

Tùy thuộc vào yêu cầu về đặc điểm của vật liệu, cần xác định nhiệt độ nung

sản phẩm phù hợ p. Nhiệt độ nung gạch trong phòng thí nghiệm cho các loại gạch

kích cỡ nhỏ thườ ng nằm trong khoảng 600 đến 1000oC. Tại các nhà máy gạch

tuynel, gạch có kích cỡ lớ n, nhiệt độ của lò nung khoảng 1000oC. Trong quá trình

đưa gạch vào lò, đưa nhiệt độ gạch tăng từ từ lên cho viên gạch nóng đều, để tránh

sự thay đổi nhiệt độ đột ngột làm nứt, vỡ , nổ gạch. Sau thờ i gian nung gạch (24h) hạ

nhiệt độ gạch dần xuống còn 50oC thì đưa gạch ra bên ngoài.

2.2.2.

Phương pháp ngâm chiế t xác đị nh độ an toàn môi trườ ng c ủa v ật l i ệu

Một số dụng cụ, thiết bị thí nghiệm và hóa chất sử dụng trong phân tích,

nghiên cứu:

Dụng cụ:

- Bình tam giác 250ml, 500ml

- Pipet các loại: 1ml, 2ml, 5ml 10ml

- Bình định mức 50 ml, 100ml 1000ml

- Phễu

- Giấy lọc

Hóa chất:

- Dung dịch NaOH 1N






49

trong 5 phút. Đo và ghi lại giá trị pH, tùy thuộc vào giá trị pH đo đượ c ở các mẫu sẽ

xác định được dung môi chiết phù hợ p:

+ Trườ ng hợ p 1: nếu pH ≤ 5, dùng dung môi chiết 1.

+ Trườ ng hợ p 2: nếu pH > 5. Tiến hành bổ sung 3,5 ml HCl 1N vào bình tam

giác đã khuấy từ ở trên, đậy kín và đun ở 50oC trong 10 phút. Đợ i dung dịch

nguội về đến nhiệt độ phòng, thực hiện đo lại giá trị pH của dung dịch, ghi lại

giá trị pH. Nếu pH ≤ 5, sử dụng dung môi chiết số 1 để chiết mẫu đó. Nếu pH >

5, sử dụng dung môi chiết số 2 để chiết.

2.2.2.2. Quy trình chiế t

Sau khi xác định đượ c loại dung môi chiết hợp lý cho mỗi mẫu, tiến hành

chiết mẫu bằng dung môi này:

Ban đầu nghiền mẫu đó đến kích thướ c 9,5mm và đem cân lấy 5g mẫu này

cho vào bình tam giác 250ml và thêm 100ml dung môi chiết (loại dung môi đã xác

định đượ c ở trên), cho vào máy lắc vớ i tốc độ 30 vòng/phút trong vòng 18h, ở điều

kiện nhiệt độ 23oC. Sau đó mang dung dịch thu đượ c từ quá trình lắc này lọc qua

giấy lọc thì thu đượ c dịch chiết, đem dịch chiết này đo giá trị pH và ghi lại giá trị đo

đượ c.

Phần r ắn còn lại đem thực hiện lắc bậc 2, bậc 3...cùng với dung môi chiết

tương ứng như trên, cũng trong điều kiện môi trườ ng như trướ c và đo lại pH. Quá

trình lắc dừng lại khi pH ở các lần sau bắt đầu ổn định, giữ lại dịch chiết cuối cùng

để phân tích các chỉ tiêu xác định thành phần kim loại nặng.

2.2.2.3. Xác định hàm lượ ng kim loại nặng

Sau khi dịch chiết có pH ổn định, đem dịch chiết cuối cùng đi phân tích các

chỉ tiêu kim loại nặng: Pb, Cu, Zn, Cd bằng phương pháp quang phổ hấ p thụ

nguyên tử AAS – 6800 tại phòng thí nghiệm Phân tích môi trườ ng, khoa Môi

trường, trường Đại học khoa học tự nhiên Hà Nội.




50

2.2.3. Phương pháp xác định thành phần khoáng vật c ủa v ật l i ệu

Vật liệu sau khi nung, hình thành các loại liên kết mới, nên có thành vật

khoáng vật thay đổi.

Muốn xác định khả năng khoáng hóa của vật chất, sử dụng phương pháp

chụ p XRD bằng máy SIEMENS D5005 tại khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học

tự nhiên.

2.2.4. Phương pháp thử nghi ệm v ật lý

Để gạch có thể đượ c sử dụng vào thực tế, cần có các đặc tính phù hợ p vớ i

các tiêu chuẩn cho gạch xây dựng, quan tr ọng nhất là các đặc tính: chịu uốn, chịunén, hút nướ c [37]. Các đặc tính này đượ c xác định tại Trung tâm kiểm định vật liệu

xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng.

TCVN 6355-2:2009: Xác định cường độ nén [13]: Sử dụng 5 viên gạch làm

mẫu thử, mỗi viên gạch được cắt ngang và chồng lên nhau, hai đầu cắt nằm về hai

phía khác nhau, ngâm các nửa viên gạch vào nước từ 2 đến 5 phút, sử dụng vữa xi

măng để trát phẳng cả hai mặt tiếp xúc với máy ép của mẫu thử và cả hai mặt không

có vết lõm, bọt khí, hai mặt trát phẳng phải song song với nhau. Sau khi trát, mẫu

được đặt trong phòng thí nghiệm 72 giờ rồi đem thử cường độ nén bằng máy.

TCVN 6355-3:2009: Xác định cường độ uốn [14]: sử dụng 5 viên gạch,

ngâm vào nước từ 2 đến 5 phút rồi trát vữa xi măng, để trong phòng thí nghiệm 72

giờ, sau đó đem vào máy thử cường độ uốn.

TCVN 6355-4:2009: Xác định độ hút nước [15]: Sử dụng 5 viên gạch, sấy

lên ở nhiệt độ 105 đến 110oC đến khối lượng không đổi, đặt mẫu thử nơi khô ráo rồi

cân mẫu (mo). Đặt các mẫu thử theo chiều thẳng đứng trong thùng nước, ngâm

trong 24 giờ. Sau khi vớt mẫu ra, thấm khô bề mặt gạch và cân mẫu đã bão hòa

nước trong vòng 3 phút (m1). Độ hút nước được tính theo công thức:

X = (m1 – mo)/mo . 100%




51

2.2.5. Phương pháp xác định độ co ngót của gạch nung

Để xác định độ co ngót của gạch sau nung, cần có các thông tin số liệu về kích

cỡ của gạch trước khi nung và sau nung. Phương pháp xác định kích thước của gạchtrước và sau nung tương tự nhau: Sử dụng thước kẹp đo 3 kích thước của gạch: dài

(l), rộng (r) và cao (h). Để xác định được kích thước nào đó của gạch, đo kích thước

tại hai đầu và tại giữa viên gạch sau đó cộng lại lấy giá trị trung bình của chúng.

Thể tích viên gạch trước nung được xác định: H1 = l1 x r 1 x h1 và sau nung là

H2 = l2 x r 2 x h2. Độ co ngót của gạch được tính toán: K = H1/H2 .100%

2.2.6. Phương pháp phân tích, đánh giá tổ ng h ợ p

Dựa trên những số liệu đã phân tích, thu thập được để đưa ra phương thức

tiến hành, cách đánh giá, đề xuất một số giải pháp.

2.2.7. Phương pháp thu thập s ố l i ệu th ứ c ấ p

-

Các số liệu thu thậ p từ các điều tra, đề tài, các chuyên đề về công nghệ sản

xuất alumin tại hai nhà máy Nhân Cơ và Tân Rai.

- Thu thậ p các phương pháp, số liệu nghiên cứu, đánh giá trong các tài liệu,

giáo trình, tạp chí khoa học có liên quan đến công nghệ Bayer, phương phápxử lý bùn đỏ, sản xuất vật liệu xây dựng, đánh giá chất lượ ng sản phẩm....




52

Chƣơng 3 – K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1.

Bùn đỏ Tây Nguyên và các vấn đề môi trƣờ ng

3.1.1.

Đặc điể m c ủa bauxi te khu v ự c Tây Nguyên

Theo nguồn gốc phát sinh, bauxite Tây Nguyên được hình thành do quá trình

phong hóa đá bazan Q1, có hàm lượng Al2O3 và modul Al/Si đủ để sản xuất alumin

theo quy trình công nghệ Bayer. Thành phần, tính chất và trữ lượng quặng bauxite

phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc trưng của quá trình phong hóa như: thành phần đá

bazan gốc, độ dốc của địa hình, lượng mưa, thảm thực vật. Có hai khu vực tiềm

năng lớn đó là Đắc Nông – Gia Nghĩa và Di Linh - Bảo Lộc. Hai nhà máy sản xuất

alumin đầu tiên của Việt Nam đã và đang được triển khai xây dựng tại Tân Rai -

Bảo Lộc – Lâm Đồng và Nhân Cơ – Gia Nghĩa - Đắc Nông [6].

Thành phần bauxite tại các vị trí dự kiến khai thác làm nguyên liệu cho các

nhà máy sản xuất alumin Việt Nam được trình bày trong Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Thành phần quặng bauxite nguyên khai ở

các khu mỏ Tây Nguyên [6]

Thành phần

hoá học, %

Mẫu Tân Rai

(AP-Pháp)

Mẫu Nhân Cơ

(CSIRO-Úc)

Mẫu Gia Nghĩa

(ALCOA-Úc)

Al2O3 47,1 49,58 47,7

SiO2 2,68 2,46 5,9

Fe2O3 21,1 17,3 18,9

TiO2 2,62 2,69 2,9

M.K.N (Mất

khi nung)26,4 27,2

Na2O <0,3 0,01 0,05

K 2O 0,01

CaO 0,06 0,01

MgO 0,01




53

Carbonat 0,15 - 0,23

V2O5 V: 245 ppm

(V2O5: 0,0437)0,041 V: 229 ppm

Ga2O3 Ga: 60 ppm

(Ga2O3: 0,0081)0,001

S 0,076 0,07

SO3 0,16

C tổng

C hữu cơ

0,108

0,1

0,17

0,11

0,14

0,08

Oxalat 0,015

P2O5 0,08 0,23 0,18

ZnO <15ppm 0,003 Zn: 54 ppm

BaO 0,01

ZrO2 0,03 Zr: 227 ppm

Cr 2O3 0,084 Cr: 661 ppm

PbO 0,01 Pb: 7 ppm

Be 0,5 ppm

Hg 0,07 ppm

3.1.2. Thành phần tính chấ t bùn đỏ và các vấn đề môi trườ ng

Theo báo các đánh giá tác động môi trường của nhà máy, với quy mô sản

xuất 650.000 tấn alumin/năm, lượng chất thải các loại phát sinh trong khâu sản xuất

alumin của nhà máy Nhân Cơ đã được tính toán và dự báo [18]:

- Lượng chất thải rắn (chủ yếu là khoáng vật sét và Fe) phát sinh trong khâu

làm giàu quặng bauxite: 1.650.000 tấn /năm.

- Lượng bùn đỏ phát sinh từ khâu sản xuất alumin: 650.000 tấn/năm

- Lượng NaOH thải ra kèm theo bùn đỏ: 2.996 tấn/năm




54

3.1.2.1. Hàm lượng các oxit

Trong quá trình phân tích thành phần oxit trong bùn đỏ, nhóm nghiên cứu

đã xác định được các thành phần chủ yếu: SiO2, Fe2O3, Al2O3 như trong Bảng 3.2.

Bảng 3.2. Hàm lƣợng oxit trong bùn đỏ ở Tây Nguyên, Việt Nam

Oxit Hàm lƣợ ng(%) Oxit Hàm lƣợng(%)

Fe2O3 30,8 P2O5 0,22

MnO 0,02 SiO2 31,7

TiO2 2,58 Al2O3 15,6

CaO 3,51 MgO 0,27

K 2O 0,11 Na2O 3,14

Như vậy, trong bùn đỏ Tây Nguyên khô, thành phần các oxit tương tự như

bùn đỏ của nhiều nhà máy của các nước trên thế giới: thành phần chứa tỉ lệ khối

lượng lớn nhất là SiO2(31,7%), sau đó là Fe2O3(30,8%), chính vì hàm lượng sắt rấtcao nên bùn thải trong sản xuất nhôm có màu đỏ của sắt oxit, gọi là bùn đỏ. Tiếp

sau đó là các thành phần Al2O3(15,6%) là do quá trình hòa tan nhôm trong kiềm

chưa xảy ra hoàn toàn hoặc do nhôm tạo khoáng với thành phần silic khi hòa trong

kiềm tạo hợp chất không tan natri alumosilicate (Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O). Bên

cạnh đó, hàm lượng Na2O là 3,14%, đây là lượng NaOH bám theo bùn đỏ từ quá

trình hòa tách quặng trong xút. Do việc rửa bùn đỏ để thu hồi NaOH không thể triệt

để, nên lượng NaOH còn lại đã gây cho bùn đỏ có độ pH rất cao.

Thực chất bùn đỏ là cặn (các thành phần có trong bauxite) không hoà tan

trong kiềm và thu được trong quá trình hoà tách baux ite với dung dịch kiềm NaOH.

Thành phần khoáng vật của bùn đỏ là các oxit - chủ yếu là oxit sắt, các hợp chất

mới tạo thành như Na – Aluminium – Hydrosilicate, Ca – Aluminium –

Hydrosilicate … Do chúng có liên kết hoá học với kiềm (hoặc kiềm bám theo) nên




55

bùn đỏ có độ bám dính rất lớn (nhất là sau khi nó đã lắng tốt hoặc đã khô), đặc tính

lý - hoá của bùn đỏ không như bùn đất thông thường. Theo tài liệu của UNIDO

(World review on environmental aspects and protection in the bauxite/ alumina

industy), để sản xuất 1 tấn alumin sẽ thải ra khoảng 0,8 - 2 tấn bùn đỏ tuỳ theo chất

lượng của bauxite đem xử lý.

3.1.2.2. Các nguyên tố phóng xạ

Theo các kết quả phân tích phóng xạ trong bùn đỏ của các nhà máy trên thế

giời, hàm lượng các nguyên tố phóng xạ r ất cao, gây ảnh hưở ng lớn đến sức khỏe

con người và môi trường. Đối vớ i mẫu bùn đỏ của Tây Nguyên, kết quả nghiên cứu

cả nhóm cho thấy: bùn đỏ còn chứa một số các nguyên tố phóng xạ khi sử dụng

phương pháp phổ gamma xác định hoạt độ riêng (Bq/kg) của các đồng vị phóng xạ

và hàm lượ ng của U, Th, K trong các mẫu quặng bauxite và bùn đỏ.

K ết quả nghiên cứu, phân tích hàm lượng các chất phóng xạ và hoạt độ riêng

của chúng trong mẫu bauxite và bùn đỏ cho thấy không có sự khác biệt nhiều về

thành phần và hoạt độ phóng xạ giữa quặng bauxite ban đầu và bùn đỏ. Nhìn chung

chúng đều có hàm lượng phóng xạ thấp, ít gây ảnh hưởng đến môi trường và conngườ i. Vấn đề về phóng xạ trong bùn thải sản xuất nhôm theo công nghệ Bayer

không còn là vấn đề đáng lo ngại như một số nước trên thế giớ i, càng tăng khả năng

sử dụng bùn đỏ trong sản xuất vật liệu xây dựng ở Tây Nguyên.

Bảng 3.3. Đồng vị phóng xạ và hàm lƣợ ng của U, Th, K trong các mẫu quặng bauxite

Đồng vị phóng xạ Hoạt độ riêng (Bq/Kg) Ghi chú

Pb – 214 19,90 ± 2,62 Dãy U238

Bi – 214 17,73 ± 2,14 Dãy U

Ac – 228 37,72 ± 4,53 Dãy Th232

Pb – 212 30,54 ± 3,66 Dãy Th232

Tl – 208 29,76 ± 3,66 Dãy Th232

K – 40 11,3 ± 1,6






57

Liều hiệu dụng hàng năm của quặng bauxite và bùn đỏ do phông bức xạ

gamma gây ra nhỏ hơn liều hiệu dụng hằng năm đối với dân chúng (1mSv/năm)

(theo TCVN 6866:2001) [1] và nhỏ hơn liều hiệu dụng trung bình hàng năm do

phông gamma tự nhiên gây ra (0,5mSv/năm) (UNSCEAR). Tức là cả đối vớ i

bauxite và bùn đỏ đều không gây các tác động xấu về phóng xạ cho con người và

môi trườ ng xung quanh.

3.1.2.3. Thành phần kim loại nặng trong mẫu bùn đỏ

Theo k ết quả phân tích thành phần kim loại nặng trong bùn đỏ ban đầu của

nhóm nghiên cứu cho thấy một số kim loại nặng được phát hiện như Cu, Pb, Zn,

Cd. Trong các chỉ tiêu kim loại nặng này, chỉ có chỉ tiêu Zn cao hơn (gấ p 2) so vớ i

nồng độ Zn cho phép theo QCVN 03:2008/BTNMT dành cho đất công nghiệp, các

chỉ tiêu còn lại đều nằm trong giớ i hạn cho phép của quy chuẩn.

Bảng 3.6. Hàm kim loại nặng trong bùn đỏ

TT Kim loại nặng Đơn vị Bùn đỏ QCVN 03:2008/BTNMT

(đất công nghiệp)

1 Cu mg/kg 53,50 100

2 Pb mg/kg 1,21 300

3 Zn mg/kg 599,01 300

4 Cd mg/kg 3,09 10

Chính vì thế, sau khi phối tr ộn bùn đỏ vớ i phụ gia để làm vật liệu xây dựng,

4 kim loại nặng này được đem ra xem xét đánh giá trong vật liệu mớ i. Ở vật liệu

mới này sẽ được xem xét để đánh giá có đủ điều kiện để sử dụng trong xây dựng

dân dụng được không, trướ c hết cần đạt yêu cầu về độ an toàn cho môi trường và

sinh thái, các chỉ tiêu kim loại nặng phải nằm trong ngưỡng an toàn đối với các quy

định về chất thải nguy hại.




58

3.1.2.4. Thành phần cơ giớ i của mẫu bùn đỏ

Thành phần cơ giớ i của bùn đỏ phân loại theo hình tam giác đều là thịt pha

cát (cát chiếm 57,056%, limon 33,814%, và sét 9,13%).

Hàm lượng các hạt cỡ nhỏ trong bùn đỏ r ất cao, đều có đường kính d < 1mm.

Trong đó, thành phần có d < 1µm chiếm 9,13%, các hạt có kích cỡ d < 50 µm

chiếm 43% tổng khối lượng các hạt.

Bảng 3.7. Thành phần cấp hạt mẫu bùn đỏ

Cát (0,05<x<1 mm) Limon (0,001<x<0,05 mm) Sét (<0,001mm)

57,056%

33,814%

9,13%Limon thô Limon

trung bình

Limon

mịn

2,13% 10,076% 3,608%

Như vậy, khi cỡ hạt càng nhỏ thì nguy cơ phát tán bụi ra môi trường không

khí càng cao khi gặp điều kiện không khí khô. Với đặc tính kiềm cao của bùn đỏ,

chúng sẽ có các tác động xấu đến môi trường và sức khỏe con ngườ i khi phát tán và

gây nguy hại hơn so với các loại bụi đất thông thườ ng.

3.2.

Ảnh hƣở ng của nhiệt độ đến quá trình ổn định hóa rắn

Khi xác định mức độ hóa rắn của vật liệu mớ i, một số tiêu chí của gạch cần

đượ c chọn để đánh giá: thành phần khoáng, độc tính của dịch chiết, đặc tính vật lý

(độ chịu uốn, chịu nén, hút nướ c).

- Xác định sự ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến thành phần khoáng và độc tính

dịch chiết, gạch được đóng với kích cỡ 50mm x 50mm x 10mm và nung ở

các nhiệt độ khác nhau trong phòng thí nghiệm khoa Môi trường, trường Đại

học Khoa học tự nhiên.




59

- Để xác định đặc tính vật lý, gạch được đóng với kích thướ c 230mm x

110mm x 63mm nung theo nhiệt độ lò nung tuynel ở nhà máy gạch

Viglacera Hữu Hưng.

Hình 3.1. Ủ vật liệu Hình 3.2. Hình dạng gạch 50 x 50 x 10

Hình 3.3. Cho vật liệu vào dung môi chiết Hình 3.4. Chiết dịch




60

Hình 3.5. Thao tác định hình gạch

Hình 3.6. Hình dạng của gạch 230 x 110 x 63




61

3.2.1. Ảnh hưở ng c ủa nhi ệt độ nung đế n c ấu trúc của v ật l i ệu

Trong quá trình nung ở nhiệt độ cao, các thành phần hóa học trong nguyên

liệu sẽ liên kết với nhau để tạo nên các thành phần mới (khoáng vật mớ i), tạo ra sự liên kết giữa các thành phần với nhau thành một thể thống nhất về mặt hóa học và

cấu trúc. Như vậy, khi phối tr ộn vật liệu, phải tính toán đượ c tỉ lệ các loại vật liệu

sao cho hỗn hợp thu được có tỉ lệ thành phần hóa học theo đúng công thức vật liệu.

Trong khi nung, các thành phần hóa học này liên kết với nhau theo đúng tỉ lệ nhất

định đã tính toán, xác định trướ c.

Trong quá trình gia nhiệt, nguyên liệu phối tr ộn được đưa lên nhiệt độ cao,

làm cho các thành phần hóa học của nguyên liệu tr ở nên linh động và dễ dàng phá

vỡ các liên kết cũ. Các thành phần vật chất của bùn đỏ sẽ tham gia liên kết với các

thành phần của phụ gia tạo ra mối liên k ết mớ i. Khi nhiệt độ nung càng cao thì mức

độ linh động và hình thành liên kết mới càng dễ dàng. Như vậy, nếu nhiệt độ nung

càng cao thì sản phẩm tạo thành càng đồng nhất và có độ bền càng cao.

Vật liệu sau khi sau khi được định hình trong khuôn kích thướ c 50 mm x

50mm x 10 mm đượ c nung ở các nhiệt độ khác nhau 600oC, 700oC, 800oC, 900oC,

1000oC, đem nghiền nhỏ và phân tích XRD, cho thấy thành phần khoáng thu đượ c

trong các mẫu này bao gồm: quartz, hematite, albite, zeolite.

Bảng 3.8. K ết quả phân tích XRD cho gạch nung ở các nhiệt độ khác nhau

Mẫu Quatz Albite Hematite Zeolite

600oC 39, 32 6,64 16,36 9,14

700oC 41,59 5,71 19,56 10,93

800oC 30,91 3,83 25,62 8,84

900oC 15,74 3,63 32,02 11,57

1000oC 9,64 3,3 38,53 8,8




62

Hình 3.7. Biểu đồ biến đổi thành phần khoáng theo nhiệt độ

Quartz: SiO2

Hematite: Fe2O3

Albite: NaAlSi3O8

Zeolite: Na8(Al6Si6O24).4H2O

Theo k ết quả chụp XRAY, có thể thấy mẫu ở tất cả các nhiệt độ đều có hàm

lượ ng zeolite và albite thấp hơn so vớ i hematite và quartz.

Khi so sánh sự biến đổi thành phần khoáng vật của vật liệu theo nhiệt độ

nung có thể thấy, khi nhiệt độ nung tăng lên thì hàm lượ ng hematite và zeolite cũng

tăng theo nhưng hàm lượ ng quartz và albite lại giảm dần. Sự biến đổi hàm lượ ng

của hematite và quart lớ n theo nhiệt độ, trong khi đó zeolit và albite tương đối ổn

định.




63

Khi nung mẫu đến nhiệt độ cao, sắt trong các khác của của bùn đỏ: limonite

FeO(OH).nH2O, goethite (FeOOH) bị khử hidr at để chuyển về dạng oxit Fe2O3, làm

cho hàm lượ ng Fe2O3 tăng lên khi đưa nhiệt độ nung lên cao.

FeO(OH).nH2O FeOOH + nH2O

2FeOOH Fe2O3 + H2O

Trong quá trình nung, nấu đã biến đổi các hợ p chất silicate ban đầu (quartz:

silicate tự nhiên) thành các hợ p chất silicate mới, có cấu trúc hoàn toàn mớ i. Ở nhiệt

độ cao, cấu trúc các khoáng thay đổi theo nhiệt độ, sự biến đổi thù hình, hình thành

các khoáng mớ i, sự hình thành pha lỏng, biến đổi thành phần pha, sự hình thành vi

cấu trúc mớ i của vật liệu, hoặc có thể tồn tại ở dạng silicate vô định hình gọi là

silicate nhân tạo. Silicate trong các loại gốm sứ, xi măng, thủy tinh, vật chịu lửa gọi

là silicate nhân tạo. Trong các mẫu gạch nung ở trên, thành phần quartz giảm là do

silicate chuyển từ quartz sang tr ạng thái vô định hình, không phát hiện được, nên

k ết quả phân tích XRD cho thấy thành phần này bị giảm đáng kể.

3.2.2. Ảnh hưở ng c ủa nhi ệt độ nung đế n d ị ch chi ế t m ẫ u

3.2.2.1. K ế t quả xác định dung môi chiế t

Gạch sau khi nung, để nguội, nghiền nhỏ và cho qua rây 1mm. Lấy 5g gạch

đã rây 1mm, cho vào bình 500ml, thêm 96,5ml nướ c cất, cho vào máy khuấy từ,

khuấy nhanh trong 5 phút. Sau khi khuấy xong, k ết quả đo pH của mẫu ở các nhiệt

độ đều có giá trị trên 5. Nên ở tất cả các dung dịch lắc vừa r ồi, cho thêm 3,5ml HCl

1N, đem đun lên ở 50oC trong 10 phút và đem đo lại pH của dung dịch. K ết quả của

phép đo pH dung dịch trước và sau khi cho thêm HCl vào:

Bảng 3.9. pH của mẫu khi lắc với nƣớ c cất

Mẫu 600oC 700

oC 800

oC 900

oC 1000

oC

pH ban đầu 10,58 10,31 10,75 9,52 8,78

pH sau khi thêm HCl 4,3 4,22 4,08 3,86 3,66

Nung

Nun




64

Hình 3.8. Sự thay đổi pH dịch lắc trƣớc và sau khi thêm axit HCl

Như vậy, sau khi cho thêm HCl vào và đun dung dịch này lên thì pH của tất

cả các dịch lắc của mẫu (ở nhiệt độ khác nhau) đều có giá trị pH<5. Nên sử dụng

dung môi chiết 1 để chiết tất cả các mẫu.

3.2.2.2. Giá trị pH của d ịch chiế t mẫ u

Sau khi xác định được dung môi chiết phù hợ p vớ i mẫu là dung môi chiết 1

(64,3 ml axit axetic băng + 5,7ml NaOH 1N, định mức lên 1 lít pH = 4,93), tiến

hành lắc mẫu trong dung môi chiết. Mẫu gạch đượ c nghiền đập để có kích thướ c

khoảng 9,5 mm, lấy 5 gam mẫu lắc với 100ml dung môi chiết trong bình tam giác

250ml ở tốc độ 30 vòng/phút. Sau 24 giờ , chiết dịch lắc và đo pH. Tiế p tục thựchiện lắc bậc 2, bậc 3 cho đến khi pH của dung môi chiết bắt đầu ổn định.

Khi thực hiện lắc và chiết mẫu vớ i dịch chiết 1 cho thấy, quá trình này lặ p lại

đến bậc 3 thì hầu hết pH của các dịch chiết ổn định và sử dụng dịch chiết bậc 3

(cuối cùng) để phân tích thành phần, pH của các dịch chiết được trình bày theo

Bảng 3.10.




65

Bảng 3.10. pH của dịch chiết sau 3 bậc chiết

Mẫu Bậc 1 Bậc 2 Bậc 3

600oC 5,61 5,39 5,33

700oC 5,40 5,38 5,32

800oC 5,35 5,23 5,25

900oC 5,26 5,24 5,22

1000oC 5,27 5,23 5,23

Hình 3.9. Sự phụ thuộc pH của dịch chiết mẫu vào nhiệt độ nung mẫu

Khi biểu diễn k ết quả pH của dịch chiết trên đồ thị, thể hiện rõ xu hướ ng

biến đổi của pH dịch chiết. Khi so sánh pH của dịch chiết của 3 bậc chiết liên tiế p,

lần 1 có pH cao nhất, sau đó đến bậc chiết 2 và chiết 3. Có sự khác biệt pH ở các lần

chiết ở đây là do đặc điểm của gạch nung. Ở bậc chiết 1, đây là lần đầu tiên cho vật

liệu vào lắc với dung môi chiết, trong vật liệu vẫn còn một lượ ng OH- (từ NaOH)

chưa đượ c cố định hoặc chưa tham gia hình thành khoáng vật mớ i, vẫn còn tồn tại

tự do trong vật liệu. Nên khi cho dung môi chiết (pH = 4,93; có tính đệm) vào, một




66

lượ ng lớ n H+ (từ CH3COOH) sẽ trung hòa vớ i OH

- có trong vật liệu. Sau đó, các

dịch chiết bậc 2, bậc 3: do lượng xút có trong mẫu đa số đã đượ c trung hòa ở dịch

chiết bậc 1, nên lượng NaOH còn lại với hàm lượ ng thấp, khi thêm dung môi chiết

để chiết bậc 2, bậc 3, lượng NaOH hòa tách ít nên không ảnh hưở ng nhiều đến pH

dung môi chiết. Chính vì thế, ở các lần chiết sau pH của dịch chiết càng gần vớ i pH

của dung môi, không chịu ảnh hưở ng nhiều của mẫu.

Khi nhiệt độ nung mẫu tăng, pH của các bậc chiết lại có xu hướ ng giảm, ở

600oC, pH của dịch chiết bậc 1 là 5,61 và bậc 3 là 5,33. Trong khi đó, ở 1000

oC, pH

của dịch chiết bậc 1 là 5,27 và bậc 3 là 5,23. Có sự khác biệt về pH của dịch chiết

khi thay đổi nhiệt độ nung mẫu là do khi nhiệt độ nung tăng cao, thì hàm lượ ng

NaOH càng lớ n bị cố định, lưu giữ trong các thành phần khoáng vật mới, các

khoáng vật này không bị hòa tan, thôi chiết trong dung môi chiết. Chính vì thế ở các

mẫu nung ở nhiệt độ cao thì ảnh hưở ng của nó đến dịch chiết càng ít, và làm pH của

dung môi chiết ít bị biến đổi so với ban đầu. Ở các nhiệt độ nung mẫu cao, sự khác

biệt pH của dịch chiết ở các bậc chiết thấp hơn so vớ i mẫu nung ở nhiệt độ thấ p.

3.2.2.3.

K ế t quả đo kim loại nặng d ịch chiế t mẫ u

Để thử nghiệm tính nguy hại, vật liệu được phân tích theo đúng yêu cầu

phương pháp EPA 1311 và kết quả được so sánh vớ i ngưỡng cho phép đối vớ i kim

loại nặng của QCVN 07: 2009/BTNMT. Theo phương pháp EPA, sử dụng dịch chiết

gạch cuối cùng đo kim loại nặng, với các chỉ tiêu kim loại nặng như: Cu, Zn, Pb,

Cd. K ết quả phân tích kim loại nặng trong dịch chiết đượ c thể hiện trong Bảng 3.11.

Theo bảng k ết quả phân tích kim loại nặng, có thể thấy sự thay đổi đáng kể,

ở đây, nồng độ các kim loại nặng có giá trị r ất nhỏ. Thậm chí, Pb và Cd gần như

không phát hiện thấy trong dịch chiết với ngưỡng phát hiện 2 kim loại này của máy

đo là 0,5 µg/l.




67

Bảng 3.11. K ết quả phân tích kim loại nặng của mẫu

Hình 3.10. Biến thiên nồng độ kim loại nặng trong dịch chiết theo nhiệt độ nung

Theo biểu đồ biến thiên nồng độ các kim loại nặng khi thay đổi nhiệt độ

nung: khi tăng dần nhiệt độ lên, nồng độ của 4 kim loại bất thường theo các xu

hướng khác nhau, tuy nhiên ở tất cả các nhiệt độ nung khác nhau, kết quả phân tích

Cu

(µg/l)

Zn

(µg/l)

Pb

(µg/l)

Cd

(µg/l)

600oC 10,149 1,1633 kph kph

700oC kph 1,5055 1,7551 kph

800oC 5,1815 1,5 kph kph

900oC 18,487 6 kph kph

1000oC kph 6,5922 kph kph




68

kim loại nặng trong dịch chiết của gạch đều cho k ết quả r ất thấ p so với ngưỡ ng chất

thải nguy hại theo QCVN 07 : 2009. Điều này chứng tỏ trong quá trình nung gạch,

các kim loại này đã đượ c cố định trong khoáng, trong kết cấu của gạch và không bị

r ửa trôi khi ngâm chiết.

3.2.3. Ảnh hưở ng c ủa nhi ệt độ nung đến độ co ngót

Để tạo hình cho gạch, hỗn hợ p vật liệu phải đượ c tr ộn với nướ c để có tính

dẻo, tính dính, tạo được liên kết giữa các phần tử, nhưng trước khi đưa gạch vào lò

nung, gạch đã được phơi khô trong không khí. Trong quá trình phơi này, gạch bị

mất nướ c dần, làm cho kích thướ c gạch giảm dần. Gạch ướt trong khuôn có kích

thướ c cạnh lớn là 50mm x 50mm x 10mm, nhưng khi phơi khô thì cạnh dài có kích

thước trung bình là 48,75mm x 49,1mm x 9,7mm. Tức là sau phơi, kích thướ c gạch

còn 97,5% so với ban đầu, hay gạch bị ngót khoảng 7,13%.

Bảng 3.12. Độ co ngót của gạch nung

Loại gạch

Kích thƣớc trung

bình cạnh của gạch

(mm xmm x mm)

Tỉ lệ thể tích so

với gạch ƣớt

(%)

Co ngót (%)

Gạch ướt 50 x 50 x 10 100 0

Gạch khô 48,75 x 49,1 x 9,7 92,87% 7,13%

600oC 48,16 x 48,25 x 9,63 89,51% 10,49%

700oC 47,9 x 48,02 x 9,60 88,32% 11,68%

800oC 47,5 x 47,31 x 9,55 85,84% 14,16%

900oC 46,68 x 47,10 x 9,49 83,46% 16,54%

1000oC 45,85 x 45,76 x 9,40 78,89% 21,11%




69

Sau khi phơi khô gạch được nung lên ở các nhiệt độ 600, 700, 800, 900 và

1000oC, trong quá trình nung, thành phần hóa học và khoáng vậ t của gạch thay đổi,

có thể tạo ra các co ngót hoặc trương nở. Kích thướ c của gạch và sự thay đổi kích

thước sau nung đượ c thể hiện ở Hình 3.9.

Hình 3.11. Ảnh hƣở ng của nhiệt độ nung đến độ co ngót của vật liệu

Như vậy, khi tăng nhiệt độ nung lên, độ co ngót của gạch càng cao, từ 600

đến 700oC sự chênh lệch về độ co ngót giữa các nhiệt độ là không nhiều. Ở 600

oC

gạch bị ngót 10,49%, lên 700oC gạch co ngót 11,68 % (tăng thêm 1,19%). Nhưng ở

700 đến 1000oC, gạch co ngót vớ i cường độ lớn hơn, sự co ngót giữa các nhiệt độ

thể hiện rõ ràng, ở 800o

C gạch co ngót 14,16%, đến 900o

C là 16,54% (tăng 2,38%so vớ i ở 800

oC) và đặc biệt cao nhất ở 1000oC, độ co ngót là 21,11% (tăng 4,57%

so vớ i ở 900oC) . Có thể giải thích cho sự co ngót không đều theo nhiệt độ ở đây là:

trong giai đoạn từ gạch ướt đến lúc gạch khô là giai đoạn gạch bị mất nướ c nhiều

nhất (từ độ ẩm 20 – 30% sang độ ẩm 2 – 3%), sau đó từ giai đoạn gạch khô đến

nhiệt độ nung là 700oC, giai đoạn này xảy ra co ngót do quá trình mất nướ c vật lý

trong các tinh thể ngậm nướ c và đốt cháy các thành phần hợ p chất hữu cơ, chuyển




70

các thành phần hữu cơ thành khí bay đi, còn lại phần tro trong gạch. Ở giai đoạn

800 đến 1000oC, ở đây xảy ra các biến đổi mạnh mẽ về thành phần khoáng vật bên

trong gạch, goethite FeOOH chuyển về dạng Fe2O3, giải phóng H2O; quartz ở nhiệt

độ này chuyển sang dạng vô định hình hoặc dạng thủy tinh lỏng, tham gia tạo

khoáng mới các hợ p chất; làm cho giai đoạn này, gạch bị giảm kích thước đáng kể

cũng như giảm khối lượng. Tóm lại càng nung lên nhiệt độ cao thì khối lượng và

kích thướ c của gạch đều giảm.

3.2.4. Ảnh hưở ng c ủa nhi ệt độ nung đến độ c ứ ng v ật l i ệu

Để xác định được độ cứng của vật liệu, cần đưa vật liệu về kích cỡ của gạch

thực. Tiến hành pha trộn phụ gia tương tự như trên, theo đúng tỉ lệ thành phần.

Nhưng gạch được đóng với kích cỡ lớ n: 230mm x 110mm x 63mm và đượ c sấy,

nung theo đúng quy trình trong sản xuất gạch công nghiệ p ở nhiệt độ nung là

1000oC trong thờ i gian 24 giờ . Gạch sau nung được xác định các đặc tính như khả

năng chịu uốn, chịu nén, độ hút nướ c theo TCVN 6355:2009. K ết quả của phép

phân tích đặc tính vật lý của gạch đượ c thể hiện trong Bảng 3.13.

Bảng 3.13. K ết quả phân tích các đặc tính vật lý của gạch [13,14,15]

Theo TCVN 1451:1998 – Yêu cầu kĩ thuật cho gạch đất sét nung:

- Cường độ uốn và nén tương ứng với các loại mác gạch được trình bày trong

Bảng 3.14.

STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Phƣơng pháp thử

1 Cường độ nén Mpa 7,7 TCVN 6355-2:2009

2 Cường độ uốn Mpa 2,8 TCVN 6355-3:2009

3 Độ hút nước % 19,5 TCVN 6355-4:2009




71

Bảng 3.14. Cƣờng độ uốn và nén cho gạch đất sét nung

Mác gạch Cƣờng độ nén (Mpa) Cƣờng độ uốn (Mpa)

Trung bìnhcho 5 mẫu thử

Nhỏ nhất cho1 mẫu thử

Trung bìnhcho 5 mẫu thử

Nhỏ nhất cho1 mẫu thử

M200 20 15 3,4 1,7

M150 15 12,5 2,8 1,4

M125 12,5 10 2,5 1,2

M100 10 7,5 2,2 1,1

M75 7,5 5 1,8 0,9

M50 5 3,5 1,6 0,8

- Độ hút nướ c của gạch đặc đất sét nung không lớn hơn 16% [12].

Nếu so sánh kết quả phân tích đặc tính của gạch với TCVN 1451:1998, có

thể thấy đối với yêu cầu về cường độ nén, gạch đạt được giá trị 7,7: tương ứng vớ i

mác M75, còn đối với yêu cầu về cường độ uốn, gạch đạt được giá trị 2,8: tương

ứng vớ i chất lượ ng của gạch mác M150. Như vậy, khi xét đến chỉ tiêu cường độ

uốn và cường độ nén, thì vật liệu mới này có đủ khả năng sản xuất đượ c gạch từ

M75.

Tuy nhiên, khi so sánh gạch với yêu cầu kĩ thuật về độ hút nướ c: theo TCVN

1451:1998, đối vớ i mọi mác gạch, yêu cầu về độ hút nướ c cho gạch đất sét nungluôn 16%, còn gạch từ nguyên liệu bùn đỏ này lại có độ hút nước là 19,5%, cao hơn

so với tiêu chuẩn.

Do đặc điểm của bùn đỏ là có kích thướ c hạt nhỏ, hàm lượ ng huyền phù cao,

độ hút nước cao, nên trong quá trình sản xuất gạch, cần một lượng nướ c lớn để gạch






73

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

K ẾT LUẬN

1.

Với các kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy, việc sử dụng bùn đỏ làmnguyên liệu cho sản xuất gạch nung là hợp lý, góp phần làm giảm các tác

động xấu đến môi trườ ng do hoạt động sản xuất alumin gây ra.

2.

Khi giữ nguyên tỉ lệ phối tr ộn mẫu, nâng dần nhiệt độ nung lên, thành phần

khoáng của mẫu có sự thay đổi đáng kể. Ở nhiệt độ càng cao, hàm lượ ng

quartz trong mẫu càng giảm (39,93% ở 600oC xuống 9,64% ở 1000

oC), hàm

lượng khoáng hematite càng tăng (16,36% ở 600oC lên 38,53 % ở 1000

oC).

Hàm lượ ng albite có xu hướ ng giảm nhưng không đáng kể, hàm lượ ng

zeolite biến thiên ít, ở mức ổn định.

3. K ết quả đo pH của dịch chiết mẫu sau 3 lần chiết cho thấy, ở các dịch chiết

mẫu sau có pH thấp hơn dịch chiết mẫu đầu tiên và càng về sau pH ổn định,

nhưng pH giữa các lần chiết không chênh lệch nhiều. Còn khi thay đổi nhiệt

độ nung mẫu, tăng nhiệt độ nung lên thì pH của dịch chiết có xu hướ ng giảm

nhưng không nhiều.

4. Lấy dịch chiết cuối cùng của mẫu ở nhiệt độ nung khác nhau để đo các chỉ

tiêu kim loại nặng Cu, Zn, Pb, Cd cho thấy, đối vớ i chỉ tiêu Pb và Cd, hầu

như ở tất cả các nhiệt độ nung đều không phát hiện đượ c, còn chỉ tiêu Zn và

Cu đều ở mức thấ p, nằm dưới ngưỡng cho phép của chất thải nguy hại và

nồng độ trung bình trong môi trườ ng tự nhiên.

5.

Khi đưa nhiệt độ nung gạch lên cao độ co ngót của vật liệu càng lớ n, ở nhiệt

độ nung 600oC gạch bị giảm 10,5% về thể tích và ở 1000

oC là 21,11%.

6. Đưa nguyên liệu vào sản xuất gạch theo quy trình sản xuất gạch công

nghiệp: kích cỡ 230mm x 110mm x 63mm nung theo nhiệt độ lò nung công

nghiệ p (1000oC) để xác định tính chất vật lý của gạch. Gạch có độ chịu nén

đạt tiêu chuẩn gạch M75 và cường độ chịu uốn đạt M150. Tuy nhiên, khi so






75

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1.

Bộ Khoa học và công nghệ (2001), TCVN 6866:2001 - An toàn bứ c xạ. Giớ i

hạn liều đố i với nhân viên bứ c xạ và dân chúng .

2. Bộ tài nguyên và môi trườ ng (2009), QCVN 07: 2009 - Quy chuẩ n k ỹ thuật

Quố c gia về ngưỡ ng chấ t thải nguy hại.

3. Trần Ngọc Dư (2012), ―Xử lý bùn đỏ chất thải sau quá trình công nghệ chế biến

quặng bauxite‖, Giải pháp công nghệ mới, thân thiện môi trường, Tạp chí

Môi trường đô thị Việt Nam, 75(3), tr. 29-31.

4. Hồ Sĩ Giao, Mai Thế Toản (2008), ―Dự án khai thác, chế biến bauxite Tây

Nguyên và vấn đề môi trường‖, Tài nguyên và Môi trường , (7), tr.51.

5. Lưu Đức Hải, Trần Văn Quy, Nguyễn Xuân Huân, Trần Văn Sơn (2012),

―Nghiên cứu một số đặc tính hóa học và vật lý cơ bản của bùn đỏ nhằm

định hướng sản xuất vật liệu xây dựng‖, T ạp chí khoa học ĐHQG, Khoa

học Tự nhiên và Công nghệ 28(4S), tr. 53-60.

6.

Lưu Đức Hải (2012), ―Thu thập các số liệu, tư liệu về công nghệ sản xuất

alumin, thành phần và tính chất của bùn đỏ trong các tư liệu trong và ngoài

nước‖, Nghiên cứu khả năng chế tạo vật liệu xây dựng TF bùn đỏ phát sinh

trong công nghệ sản xuất alumin ở Tây Nguyên, Đại Học Quốc gia Hà Nội

7. Lê Thanh Hải (2007), ―Nghiên cứu xử lý và tái sử dụng một số loại bùn thải

chứa kim loại nặng bằng ứng dụng quá trình ổn định hóa rắn‖, T ạp chí pháttriể n Khoa học và Công nghệ, 10(1), tr. 55-60.

8. Nguyễn Mạnh Khải (2012), ―Nghiên cứu tác động độc hại và nguy cơ gây tác

động môi trườ ng của bùn đỏ‖, Nghiên cứu khả năng chế tạo vật liệu xây

dựng TF bùn đỏ phát sinh trong công nghệ sản xuất alumin ở Tây Nguyên,

Đại Học Quốc gia Hà Nội.




76

9. Nguyễn Ngọc Minh (2012), ―Thu thập và phân tích phương pháp và quy trình

công nghệ sử dụng bùn đỏ để sản xuất vật liệu xây dựng‖, Nghiên cứu khả

năng chế tạo vật liệu xây dựng TF bùn đỏ phát sinh trong công nghệ sản

xuất alumin ở Tây Nguyên, Đại Học Quốc gia Hà Nội.

10. Minh Quang (2009), ―Dự án khai thác bauxite ở Đăk Nông – Cơ hội cho địa

phương thoát nghèo‖, Tài nguyên và Môi trường , (9), tr.28.

11. Tr ần Văn Sơn (2012), ―Thiết lập quy trình công nghệ sử dụng bùn đỏ để sản

xuất gạch xây gốm nung‖, Nghiên cứu khả năng chế tạo vật liệu xây dựng

TF bùn đỏ phát sinh trong công nghệ sản xuất alumin ở Tây Nguyên , Đại

Học Quốc gia Hà Nội.

12. TCVN 1451:1998 - Gạch đặc đất sét nung

13. TCVN 6355-2:2009 - Xác định cường độ nén

14. TCVN 6355-3:2009 - Xác định cường độ uốn

15. TCVN 6355-4:2009 - Xác định độ hút nước

16.

TCVN 6476:1999 - Gạch bê tông tự chèn

17.

TCVN 6477:1999 - Gạch block tự chèn.

18. Tổng công ty khoáng sản (2006), ―Đánh giá tác động môi trường Tổ hợp

bauxite Lâm Đồng‖.

19. Tổng Cục Địa chất và Khoáng sản (2011), Điều tra đánh giá tổ ng thể tiềm năng

quặng bauxite, quặng sắ t laterit miề n Nam Việt Nam, Hà Nội.

20.

Bùi Cách Tuyến, Mai Thế Toản (2009), ―Công nghiệp khai thác Bauxite - sản

xuất alumina - nhôm tại khu vực Tây Nguyên: Tiềm năng và thách thức‖,

Tạp chí tài nguyên và Môi trường , (8), tr. 12.

21. Nguyễn Thành Vạn (2012), ―Tài nguyên bauxite ở Việt Nam và sự phát triển

bền vững‖.




77

22. Nguyễn Khắc Vinh (2009), ―Tài nguyên bauxite trên Thế giới và Việt Nam‖,

T ạp chí tài nguyên và môi trườ ng (số 7), tr. 49-51.

Tiếng Anh

23.

A. Collazo, D. Fernández, M. Izquierdo, X.R. Nóvoa, C. Pérez (2005),

―Evaluation of red mud as surface treatment for carbon steel prior

painting‖, Progress in Organic Coatings, (52), pp. 351 – 358.

24. B. Koumanova, M. Drame, M. Popangelova (1997), ―Phosphate removal

from aqueous solutions using red mud wasted in bauxite Bayer's

process‖, Resources, Conservation and Recycling, (19), pp. 11- 20.

25.

C. Klauber, M. Gräfe, G. Power (2011), ―Bauxite residue issues: II. options for

residue utilization‖, Hydrometallurgy, (108), pp. 11 – 32.

26. Claudia Brunori, Carlo Cremisini, Paolo Massanisso (2005), ―Reuse of a treated

red mud bauxite waste: studies on environmental compatibility‖, Journal of

Hazardous Materials (B117), pp. 55 – 63.

27.

D. Tuazon , G.D. Corder (2008), ―Life cycle assessment of seawater neutralisedred mud for treatment of acid mine drainage‖, Resources, Conservation and

Recycling , (52), pp. 1307 – 1314.

28.

Édith Poulin , Jean-François Blais, Guy Mercier (2008), ―Transformation of red

mud from aluminium industry into a coagulant for wastewater treatment‖,

Hydrometallurg, (92), pp. 16 – 25.

29.

Hanifi Binic, Orhan Aksogan, Derya Bakbak (2009), ―Sound insulation of fibrereinforced mud brick walls‖, Construction and Building Materials, (23), pp.

1035 – 1041.

30. Houda Mekki, Michael Anderso, Mourad Benzina (2008), ―Valorization of

olive mill wastewater by its incorporation in building bricks‖, Journal of

Hazardous Materials, 158), pp. 308 – 315.




78

31. Hülya Genç-Fuhrman, Jens Christian Tjell (2004), ―Increasing the arsenate

adsorption capacity of neutralized red mud‖, Journal of Colloid and

Interface Science, (271), pp. 313 – 320.

32. Li Zhong, Yifei Zhang Yi Zhang (2009), ―Extraction of alumina and sodium

oxide from red mud by a mild hydro-chemical process‖, Journal of

Hazardous Materials, (172), pp. 1629 – 1634.

33. LIU Chang-jun, LI Yan-zhong, LUAN Zhao-kun (2007), ―Adsorption removal

of phosphate from aqueous solution by active red mud‖, Journal of

Environmental Sciences, (19), pp. 1166 – 1170.

34. M. Giugliano and A. Paggi j' (1985), ―Use of tannery sludge in brick

production‖, Waste Management & Research, (3), pp. 361 -368.

35. Mária Omastová, Jan Proken (2007), ―Synthesis and characterization of red

mud/polyaniline composites: Electrical properties and thermal stability‖,

European Polymer Journal, (43), pp. 2471 – 2480.

36.

Ran Zhang, Shili Zheng, Shuhua Ma, Yi Zhang (2011), ―Recovery of alumina

and alkali in Bayer red mud by the formation of andradite - grossular

hydrogarnet in hydrothermal process‖, Journal of Hazardous Materials,

(189), pp. 827 – 835.

37. S.P. Raut, R.V. Ralegaonkar, S.A. Mandavgane (2011), ―Development of

sustainable construction material using industrial and agricultural solid

waste: A review of waste-create bricks‖, Construction and Building

Materials, (25), pp. 4037 – 4042.

38. Shaobin Wang, H.M. Ang, M.O. Tadé (2008), ―Novel applications of red mud

as coagulant, adsorbent and catalyst for environmentally benign processes‖,

Chemosphere, (72), pp. 1621 – 1635.




79

39. Snigdha Sushil, Vidya S. Batra (2008), ―Catalytic applications of red mud, an

aluminium industry waste: A review‖, Applied Catalysis B: Environmental,

(81), pp. 64 – 77.

40. Soo-Jin Park, Byung-Ryul Jun (2005), ―Improvement of red mud polymer -

matrix nanocomposites by red mud‖, Journal of Colloid and Interface

Science, (284), pp. 204 – 209.

41.

U. Danis (2005), ―Chromate removal from water using red mud and crossflow

microfiltration‖, Desalination, (181), pp. 135-143.

42.

V. Jobbágy , J. Somlai, J. Kovács, G. Szeiler, T. Kovács (2009), ―Dependenceof radon emanation of red mud bauxite processing wastes on heat

treatment‖, Journal of Hazardous Materials, ( 172), pp. 1258 – 1263.

43. Wanchao Liu, Jiak uan Yang (2009), ―Application of Bayer red mud for iron

recovery and building material production from alumosilicate residues‖,

Journal of Hazardous Materials, (161), pp. 474 – 478.

44. Weiwei Huang, Shaobin Wang, Zhonghua Zhu (2008), ―Phosphate removal

from wastewater using red mud‖, Journal of Hazardous Materials, (158),

pp. 35 – 42.

45. Xiaoming Liu, Na Zhang, Henghu Sun, Jixiu Zhang (2011), ―Structural

investigation relating to the cementitious activity of bauxite residue — Red

mud‖, Cement and Concrete Research, (41), pp. 847 – 853.

46.

Yanju Liu, Ravi Naidu, Hui Ming (2011), ―Red mud as an amendment for

pollutants in solid and liquid phases‖, Geoderma, (163), pp. 1 – 12.

47.

Ying Zhao, Jun Wang, Zhaok un Luan (2009), ―Removal of phosphate from

aqueous solution by red mud using a factorial design‖, Journal of

Hazardous Materials, (165), pp. 1193 – 1199.




48. Ying Zhao , Lie-yu Zhang, Fan Ni, Beidou Xi (2011), ―Evaluation of a novel

composite inorganic coagulant prepared by red mud for phosphate

removal‖, Desalination, (273), pp. 414 – 420.

Trang web

49. http://bauxite.world-aluminium.org/refining/process.html

50. http://moitruong.xaydung.gov.vn/moitruong/module/news/viewcontent.asp?ID=

533&langid=1

51.

http://cie.net.vn/vn/Thu-vien/Cong-nghe-san-xuat/Tong-quan-ve-qua-trinh-hinh-thanh-khai-thac-va-che-bien-Bauxite-va-San-xuat-nhom.aspx

52. http://vampro.vn/cong-trinh-khoa-hoc/tai-nguyen-khoang-san/tai-nguyen-

bauxite-o-viet-nam-va-su-phat-trien-ben-vung.aspx

53. http://www.sochemvn.com/index.php/nha-may-hoa-chat-tan-binh-2

http://bauxite.world-aluminium.org/refining/process.html



http://moitruong.xaydung.gov.vn/moitruong/module/news/viewcontent.asp?ID=533&langid=1





http://cie.net.vn/vn/Thu-vien/Cong-nghe-san-xuat/Tong-quan-ve-qua-trinh-hinh-thanh-khai-thac-va-che-bien-bauxite-va-San-xuat-nhom.aspx





http://vampro.vn/cong-trinh-khoa-hoc/tai-nguyen-khoang-san/tai-nguyen-bauxite-o-viet-nam-va-su-phat-trien-ben-vung.aspx





http://www.sochemvn.com/index.php/nha-may-hoa-chat-tan-binh-2











Documents

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng