Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sử dụng polydadmac để hạn chế phản ứng tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ

Nghiên cứu ứng dụng polydadmac trong việc hạn chế phản ứng tán keo của sét trong bùn đỏ, góp phần cải thiện chất lượng môi trường.

• Tác giả: Trần Thị Chinh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Mạnh Khải
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Hạn Chế Phản Ứng Tán Keo Trong Bùn Đỏ Bằng Polydadmac
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu về bùn đỏ
• 1.2. Nguồn gốc phát sinh bùn đỏ
• 1.3. Thành phần hóa học và khoáng vật học của bùn đỏ
• 1.4. Đặc tính keo của bùn đỏ
• 1.5. Các tác động môi trường tiềm ẩn của bùn đỏ
• 1.6. Nghiên cứu về xử lý và tận dụng bùn đỏ
• 1.7. Trên thế giới
• 1.8. Tổng quan về polyDADMAC
• 1.9. Đặc điểm chung
• 1.10. Một số ứng dụng của polyDADMAC trong xử lý môi trường
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Vật liệu nghiên cứu
• 2.5. Dung dịch polyDADMAC
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2.6.1. Xác định đặc tính cơ bản của cấp hạt sét trong mẫu bùn đỏ nghiên cứu
• 2.6.2. Thí nghiệm về phân tán cấp hạt sét trong ống nghiệm
• 2.6.3. Xác định điện tích bề mặt của cấp hạt sét trong bùn đỏ
• 2.6.4. Xác định ảnh hưởng của một số yếu tố lý hóa học tới sự tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ
• 2.6.5. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Các tính chất cơ bản của mẫu bùn đỏ nghiên cứu
• 3.2. Các đặc tính cơ bản của cấp hạt sét trong mẫu bùn đỏ nghiên cứu
• 3.3. Ảnh hưởng của Al và Si hòa tan tới khả năng phân tán của cấp hạt sét trong mẫu bùn đỏ
• 3.4. Cơ chế tác động của polyDADMAC đến đặc tính keo của cấp hạt sét trong bùn đỏ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về bùn đỏ và polydadmac trong xử lý

Bùn đỏ là chất thải nguy hại từ quá trình sản xuất alumin, chứa nhiều oxit kim loại nặng. Việc xử lý bùn đỏ là một thách thức lớn cho môi trường. Polydadmac, một polycation hữu cơ, đã được nghiên cứu để hạn chế phản ứng tán keo trong bùn đỏ. Nghiên cứu này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các ứng dụng tiềm năng trong xử lý nước thải.

1.1. Nguồn gốc và thành phần của bùn đỏ

Bùn đỏ phát sinh từ quy trình Bayer, chứa nhiều oxit sắt và kim loại nặng. Khối lượng bùn đỏ phát sinh có thể lớn hơn khối lượng alumin sản xuất từ 1,0 - 1,5 lần. Điều này tạo ra áp lực lớn lên môi trường, đặc biệt là khi bùn đỏ được thải ra ngoài.

1.2. Đặc điểm và tác động của bùn đỏ

Bùn đỏ có pH cao, độ nhớt lớn và chứa nhiều chất độc hại. Khi thải ra môi trường, bùn đỏ có thể gây ô nhiễm nguồn nước và không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái.

II. Thách thức trong xử lý bùn đỏ và phản ứng tán keo

Xử lý bùn đỏ gặp nhiều khó khăn do tính chất hóa lý của nó. Phản ứng tán keo trong bùn đỏ làm cho việc thu hồi và xử lý trở nên phức tạp. Các ion trong dung dịch có thể làm tăng điện tích bề mặt, dẫn đến sự phân tán hoặc keo tụ của các hạt sét trong bùn đỏ.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tán keo

Điện tích bề mặt của các hạt sét trong bùn đỏ phụ thuộc vào pH và nồng độ ion trong dung dịch. Sự thay đổi này có thể làm tăng hoặc giảm khả năng phân tán của các hạt sét, ảnh hưởng đến quá trình xử lý.

2.2. Hệ quả của phản ứng tán keo trong bùn đỏ

Phản ứng tán keo không kiểm soát có thể dẫn đến sự hình thành các đoàn lạp lớn, làm giảm hiệu quả của các phương pháp xử lý. Điều này tạo ra thách thức lớn trong việc quản lý bùn đỏ một cách hiệu quả.

III. Phương pháp sử dụng polydadmac để hạn chế tán keo

Polydadmac được sử dụng để giảm thiểu phản ứng tán keo trong bùn đỏ. Nghiên cứu cho thấy rằng polydadmac có khả năng hấp phụ lên bề mặt các hạt sét, làm giảm điện tích âm và thúc đẩy quá trình keo tụ. Điều này giúp cải thiện khả năng xử lý bùn đỏ.

3.1. Cơ chế tác động của polydadmac

Polydadmac hoạt động bằng cách tạo ra các liên kết tĩnh điện với các hạt sét, làm giảm lớp điện kép và tăng cường khả năng keo tụ. Điều này giúp các hạt sét dễ dàng kết hợp với nhau, giảm thiểu sự phân tán.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng polydadmac

Việc sử dụng polydadmac không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị từ bùn đỏ. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý và tái sử dụng bùn đỏ trong công nghiệp.

IV. Kết quả nghiên cứu về hiệu quả của polydadmac

Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng polydadmac có thể làm giảm đáng kể phản ứng tán keo trong bùn đỏ. Các thí nghiệm cho thấy rằng nồng độ polydadmac tối ưu giúp cải thiện khả năng keo tụ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

4.1. Kết quả thí nghiệm với polydadmac

Các thí nghiệm cho thấy rằng nồng độ polydadmac từ 0,5 mM đến 1 mM là hiệu quả nhất trong việc giảm thiểu phản ứng tán keo. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của polydadmac trong xử lý bùn đỏ.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của polydadmac

Polydadmac có thể được ứng dụng trong các nhà máy xử lý nước thải, giúp cải thiện chất lượng nước và giảm thiểu ô nhiễm từ bùn đỏ. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về việc sử dụng polydadmac để hạn chế phản ứng tán keo trong bùn đỏ mở ra nhiều triển vọng mới. Việc áp dụng polydadmac có thể giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường từ bùn đỏ một cách hiệu quả hơn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu polydadmac

Nghiên cứu cần tiếp tục để tìm hiểu sâu hơn về cơ chế tác động của polydadmac và các ứng dụng tiềm năng khác trong xử lý bùn đỏ. Điều này sẽ giúp phát triển các giải pháp bền vững hơn cho vấn đề ô nhiễm môi trường.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần có thêm các nghiên cứu thực địa để đánh giá hiệu quả của polydadmac trong các điều kiện khác nhau. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình xử lý bùn đỏ và giảm thiểu tác động đến môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bùn đỏ là chất thải nguy hại phát sinh từ quá trình sản xuất alumin theo công nghệ Bayer, với tỷ lệ phát sinh khoảng 1,20 – 1,30 tấn bùn đỏ cho mỗi tấn alumin sản xuất. Ở Việt Nam, trữ lượng quặng bauxit ước tính khoảng 5,50 tỷ tấn, tập trung chủ yếu tại Tây Nguyên, nơi có hai nhà máy alumin lớn là Tân Rai và Nhân Cơ với công suất khoảng 650.000 tấn alumin/năm, tương ứng lượng bùn đỏ thải ra khoảng 1,20 triệu tấn/năm. Bùn đỏ có tính kiềm cao (pH từ 12 đến 13,5), chứa nhiều oxit sắt, nhôm, silic và các kim loại nặng, có kích thước hạt mịn chiếm khoảng 80% dưới 10 µm, dẫn đến tốc độ lắng chậm và dễ phát tán bụi gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng sức khỏe con người.

Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng polyDADMAC (PD) – một polycation hữu cơ tổng hợp – để hạn chế phản ứng tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ, từ đó giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường khi xảy ra sự cố tràn hoặc vỡ đập chứa bùn đỏ. Mục tiêu cụ thể gồm đánh giá mối quan hệ giữa độ kiềm, điện tích bề mặt và khả năng phân tán của cấp hạt sét; xác định ảnh hưởng của PD đến điện tích bề mặt và phản ứng keo tụ của sét; đề xuất cơ chế biến đổi đặc tính bề mặt sét khi xử lý bằng PD. Nghiên cứu được thực hiện tại hồ chứa bùn đỏ Tân Rai, Lâm Đồng trong giai đoạn 2018-2019, với ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển giải pháp xử lý thân thiện môi trường, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả quản lý chất thải bùn đỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về đặc tính keo và điện động học bề mặt của khoáng sét trong bùn đỏ. Điện tích bề mặt của hạt sét được hình thành do sự mất cân bằng điện tích cục bộ và cấu trúc, ảnh hưởng đến khả năng phân tán hoặc keo tụ của các hạt. Lớp điện kép xung quanh hạt sét quyết định lực đẩy hoặc hút giữa các hạt, chịu ảnh hưởng bởi pH, các ion hòa tan và các polycation như polyDADMAC. Mô hình keo tụ dựa trên cơ chế trung hòa điện tích âm bề mặt hạt sét bởi các polycation, làm giảm lớp vỏ hydrat hóa, tăng lực Van der Waals, thúc đẩy sự kết dính giữa các hạt. Ngoài ra, các yếu tố như sự hiện diện của oxit sắt, nhôm và silic cũng ảnh hưởng đến đặc tính keo của bùn đỏ.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Điện tích bề mặt và thế zeta (ζ) của hạt sét
• Lớp điện kép và ảnh hưởng của pH
• Cơ chế keo tụ và tán keo trong hệ huyền phù bùn đỏ
• Tác động của polycation (polyDADMAC) đến sự biến đổi đặc tính bề mặt và keo tụ

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu bùn đỏ thu thập từ hồ chứa bùn đỏ Tân Rai, Lâm Đồng. Mẫu được xử lý sơ bộ, tách cấp hạt sét (< 2 µm) bằng phương pháp gạn lắng, ly tâm và rửa nhiều lần. Mẫu sét cũng được xử lý loại bỏ sắt bằng dung dịch dithionite citrat bicarbonat (DCB) để phân tích vai trò của oxit sắt.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xác định tính chất lý hóa cơ bản: pH, thành phần Fe, Al, Si, Na hòa tan và chiết rút bằng oxalat, thành phần cơ giới bằng phương pháp gạn lắng
• Phân tích thành phần khoáng vật bằng nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tia X phân tán năng lượng (EDX)
• Đo diện tích bề mặt bằng phương pháp BET
• Thí nghiệm phân tán cấp hạt sét trong ống nghiệm với các nồng độ PD khác nhau và điều chỉnh pH từ 3 đến 12, đánh giá độ truyền qua ánh sáng tại bước sóng 600 nm
• Xác định thế zeta (ζ) của huyền phù sét bằng thiết bị PCD Mütek 05 với bộ chuẩn độ tự động, đo ở các nồng độ PD và pH khác nhau
• Thí nghiệm ảnh hưởng của các ion Al³⁺ và Si hòa tan đến đặc tính keo của sét trong bùn đỏ
• Phân tích số liệu trung bình từ 3 lần thí nghiệm, xử lý bằng Excel và vẽ đồ thị bằng Sigmaplot 10

Thời gian nghiên cứu từ tháng 1/2018 đến tháng 9/2019, với cỡ mẫu đủ lớn để đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính chất cơ bản của mẫu bùn đỏ: Mẫu bùn đỏ tại Tân Rai có pH 12, thành phần cấp hạt gồm 35,3% cát, 47,5% limon và 17,2% sét. Hàm lượng Fe tổng số là 21,6%, Fe hòa tan 0,85 mg/g, Fe chiết rút bằng oxalat 85,8 mg/g. Hàm lượng Al tổng số 8,3%, hòa tan 11,1 mg/g, chiết rút 31,0 mg/g. Na tổng số 2,3%, hòa tan 57,2 mg/g, chiết rút 71,0 mg/g. Si tổng số 14,8%, hòa tan 1,1 mg/g, chiết rút 7,5 mg/g. Diện tích bề mặt BET của cấp hạt sét là 11,3 m²/g. Thành phần khoáng vật chính gồm kaolinite, nacrite, goethite và hematite.

2. Ảnh hưởng của polyDADMAC đến thế zeta và đặc tính keo của sét: Thế zeta của huyền phù sét giảm âm khi pH tăng từ 3 đến 9,5. Sự bổ sung PD làm tăng thế zeta, chuyển điểm đẳng điện (iep) từ pH 5,4 lên đến 9,1 khi nồng độ PD tăng từ 0 đến 2,0 mM. Ở pH 9,5, thế zeta tăng ở tất cả nồng độ PD. Độ truyền qua ánh sáng (T%) tăng tương ứng với sự keo tụ mở rộng phạm vi pH từ 5,5 đến 12 ở nồng độ PD 0,25 và 0,5 mM. Ở nồng độ PD cao hơn (1,0 và 2,0 mM), hiệu quả keo tụ giảm nhẹ.

3. Ảnh hưởng của oxit sắt: Mẫu sét loại bỏ Fe cho thấy điểm đẳng điện dịch chuyển từ pH 5,6 đến 8,3 khi tăng nồng độ PD. Trạng thái phân tán hẹp hơn (pH 9-11) so với mẫu ban đầu. PD làm tăng điện tích dương ở pH dưới điểm đẳng điện và tăng điện tích âm ở trên điểm đẳng điện.

4. Ảnh hưởng của Al và Si hòa tan: Sự có mặt của Al³⁺ làm giảm thế zeta và tăng độ truyền qua, thúc đẩy keo tụ ở pH kiềm. Ngược lại, Si hòa tan làm tăng thế zeta âm và giảm keo tụ, thúc đẩy phân tán sét. Ảnh hưởng của Al và Si được thể hiện rõ qua các đồ thị thế zeta và độ truyền qua theo nồng độ ion và pH.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy polyDADMAC có khả năng trung hòa điện tích âm trên bề mặt hạt sét trong bùn đỏ, làm giảm lớp điện kép và tăng lực hút Van der Waals, từ đó thúc đẩy quá trình keo tụ. Sự thay đổi điểm đẳng điện theo nồng độ PD chứng tỏ PD làm biến đổi đặc tính điện động học của bùn đỏ, mở rộng phạm vi pH keo tụ, giúp bùn đỏ dễ dàng kết dính hơn trong điều kiện kiềm cao.

Ảnh hưởng của oxit sắt là quan trọng trong việc duy trì đặc tính keo của bùn đỏ, khi loại bỏ Fe làm giảm khả năng keo tụ, cho thấy oxit sắt đóng vai trò như cầu nối giữa các hạt sét. Sự khác biệt trong ảnh hưởng của Al và Si hòa tan phản ánh vai trò của các ion đa hóa trị trong việc điều chỉnh điện tích bề mặt và tương tác keo.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với lý thuyết về keo tụ polycation và các nghiên cứu về ảnh hưởng của ion đa hóa trị đến đặc tính keo của khoáng sét. Việc sử dụng PD là giải pháp thân thiện môi trường, hiệu quả và có tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong xử lý bùn đỏ, giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm khi xảy ra sự cố tràn hoặc vỡ đập.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thế zeta và độ truyền qua theo pH và nồng độ PD, cũng như bảng tổng hợp thành phần hóa học và đặc tính lý hóa của mẫu bùn đỏ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng polyDADMAC trong xử lý bùn đỏ tại các hồ chứa: Triển khai thử nghiệm quy mô lớn tại các bãi thải bùn đỏ để kiểm soát đặc tính keo, giảm khả năng phát tán và ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, chủ thể là các nhà máy alumin phối hợp với viện nghiên cứu môi trường.

2. Phát triển công nghệ phối trộn PD với các biện pháp xử lý hiện có: Kết hợp PD với phương pháp rửa kiềm hoặc xử lý hóa học để nâng cao hiệu quả keo tụ và giảm chi phí vận hành. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm 1 năm, chủ thể là các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp công nghiệp.

3. Xây dựng quy trình kiểm soát pH và nồng độ ion trong hồ chứa bùn đỏ: Kiểm soát chặt chẽ pH và hàm lượng Al, Si hòa tan để duy trì trạng thái keo tụ ổn định, hạn chế sự phân tán bùn đỏ. Thời gian triển khai 6-12 tháng, chủ thể là các nhà quản lý môi trường và kỹ thuật vận hành.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ vận hành và cộng đồng: Tổ chức các khóa đào tạo về đặc tính bùn đỏ, tác động môi trường và biện pháp xử lý mới nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và giảm thiểu rủi ro. Thời gian liên tục, chủ thể là các cơ quan quản lý và tổ chức đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý môi trường và chính sách: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý chất thải bùn đỏ, giảm thiểu rủi ro ô nhiễm và sự cố môi trường.

2. Doanh nghiệp khai thác và chế biến alumin: Áp dụng giải pháp xử lý bùn đỏ bằng polyDADMAC để nâng cao hiệu quả quản lý chất thải, giảm chi phí và tăng tính bền vững trong sản xuất.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành khoa học môi trường, hóa học đất: Tài liệu tham khảo về đặc tính keo, điện động học bề mặt và ứng dụng polymer trong xử lý chất thải công nghiệp.

4. Cơ quan quản lý và tổ chức đào tạo: Sử dụng luận văn làm tài liệu đào tạo, nâng cao nhận thức về tác động môi trường của bùn đỏ và các biện pháp xử lý tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

1. PolyDADMAC là gì và tại sao được chọn để xử lý bùn đỏ?
   PolyDADMAC là polymer cation tổng hợp có khả năng trung hòa điện tích âm trên bề mặt hạt sét, thúc đẩy keo tụ. Nó được chọn vì tính hiệu quả, không độc hại, chi phí thấp và phổ biến trong xử lý nước thải.

2. Ảnh hưởng của pH đến đặc tính keo của bùn đỏ như thế nào?
   pH ảnh hưởng đến điện tích bề mặt hạt sét, từ đó điều khiển sự phân tán hoặc keo tụ. Ở pH kiềm cao, bùn đỏ mang điện tích âm mạnh, dễ phân tán; giảm pH hoặc bổ sung polycation giúp keo tụ hiệu quả hơn.

3. Vai trò của oxit sắt trong bùn đỏ là gì?
   Oxit sắt tạo các vị trí mang điện tích dương, đóng vai trò cầu nối giữa các hạt sét, thúc đẩy sự keo tụ và ổn định cấu trúc bùn đỏ.

4. Có những rủi ro môi trường nào khi không xử lý bùn đỏ đúng cách?
   Bùn đỏ có tính kiềm cao, dễ phát tán bụi, gây ô nhiễm đất, nước và không khí, ảnh hưởng sức khỏe con người và sinh thái, đặc biệt khi xảy ra sự cố vỡ đập hoặc tràn bùn.

5. Giải pháp xử lý bùn đỏ hiện nay có những hạn chế gì?
   Phương pháp chôn lấp tốn diện tích và không thay đổi bản chất bùn đỏ; xử lý hóa học tốn kém và có thể gây ô nhiễm thứ cấp; do đó cần các giải pháp thân thiện môi trường như sử dụng polyDADMAC để cải thiện đặc tính keo.

Kết luận

• Bùn đỏ tại Tân Rai có đặc tính kiềm cao, thành phần khoáng vật đa dạng với hàm lượng Fe, Al, Si đáng kể, cấp hạt mịn chiếm khoảng 30%.
• PolyDADMAC làm tăng thế zeta, chuyển điểm đẳng điện và mở rộng phạm vi pH keo tụ của cấp hạt sét trong bùn đỏ, thúc đẩy quá trình keo tụ hiệu quả.
• Oxit sắt đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì đặc tính keo, khi loại bỏ Fe làm giảm khả năng keo tụ.
• Ảnh hưởng của Al và Si hòa tan khác biệt, Al thúc đẩy keo tụ, Si thúc đẩy phân tán.
• Đề xuất ứng dụng polyDADMAC trong xử lý bùn đỏ tại các hồ chứa nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và rủi ro sự cố.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô lớn và phát triển công nghệ phối hợp để ứng dụng thực tiễn. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và quản lý môi trường cùng hợp tác để nâng cao hiệu quả xử lý bùn đỏ, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về bùn đỏ 1. Nguồn gốc phát sinh bùn đỏ Bùn đỏ là chất thải nguy hại sinh ra trong quy trình công nghệ Bayer sản xuất alumin (Al 2O3) từ quặng bauxit, hàm lượng kiềm dư cao, chứa chủ yếu các oxit sắt và hydroxit sắt và nhiều kim loại nặng độc hại.

Khối lượng bùn đỏ phát sinh tại các nhà máy alumin tùy thuộc vào chất lượng quặng bauxit nguyên, có thể lớn hơn khối lượng sản phẩm alumin từ 1,0 - 1,5 lần. Các nhà máy sản xuất alumin thường thải bùn đỏ dưới dạng lỏng vào các hồ chứa tạo ra nguy cơ ô nhiễm môi trường lớn đối với các vùng đất thấp. Đặc trưng của bùn đỏ là có kích thước nhỏ hơn 1 mm. Do đó, bùn thải khi khô dễ phát tán bụi vào không khí gây ô nhiễm, tiếp xúc thường xuyên với bụi này gây ra các bệnh về da và mắt, nước thải từ bùn tiếp xúc với da gây tác hại như ăn da, gây mất độ nhờn làm da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt nẻ, đau rát, có thể sưng tấy, loét mủ ở vết rách xước trên da,… Đặc biệt, khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm là rất cao khi lưu giữ bùn với khối lượng lớn trong thời gian dài.

Lượng bùn này phát tán mùi hôi, hơi hóa chất làm ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu. Bùn đỏ bao gồm các chất không thể hòa tan, trơ và khá bền vững trong điều kiện phong hóa và đặc biệt có chứa hàm lượng xút dư thừa cao có pH từ 12 - 13,5, một hóa chất độc hại đối với sức khỏe con người và môi trường sinh thái. Bùn đỏ có tỷ trọng 2,6 - 3,5 tấn/m 3, tỷ lệ lắng Cm/Ks khoảng 0,014 - 35,9; khoảng 80% bùn đỏ có hạt mịn < 10 µm, do vậy tốc độ lắng của các phần tử mịn diễn ra rất chậm. Sự phân bố cấp hạt đặc trưng của bùn đỏ (hạt mịn và hạt thô – cát) được thể hiện trên Hình 1.

3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Hình 1: Phân bố cấp hạt mịn và thô đặc trưng của bùn đỏ Theo kết quả thăm dò địa chất, Việt Nam có trữ lượng khoáng sản bauxit lớn phân bố rộng từ Bắc đến Nam với trữ lượng khoảng 5,50 tỷ tấn quặng nguyên khai; tương đương với 2,40 tỷ tấn quặng tinh; tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên. Do đó ngành công nghiệp sản xuất nhôm từ quặng bauxit đang được định hướng phát triển mạnh mẽ, đi kèm với nó là một lượng lớn bùn đỏ được thải ra. Quy hoạch phát triển bauxit ở Tây Nguyên với công suất 650.000 tấn alumin/năm như nhà máy Tân Rai, lượng bùn đỏ thải ra khoảng 1,20 triệu tấn/năm. Vì vậy, nếu thải trực tiếp ra môi trường sẽ gây ra các hậu quả sau đây: Phải sử dụng diện tích đất lớn để lưu trữ; Làm mất khả năng sử dụng đất trong thời gian dài; Khối lượng bùn thải lớn, trong mùa mưa có nguy cơ gây ra rửa trôi, lũ bùn làm ô nhiễm môi trường nước mặt trên diện rộng; Lượng xút dư thừa trong bùn đỏ thấm vào đất gây ô nhiễm và làm mất khả năng canh tác của đất, đồng thời ngấm xuống đất gây ô nhiễm nguồn nước ngầm; Kích thước hạt bùn đỏ rất nhỏ có khả năng phát tán vào không khí do gió, ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người và môi trường sinh thái.

4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Thành phần hóa học và khoáng vật học của bùn đỏ Bùn đỏ thải ra từ công nghệ Bayer có thành phần khá phức tạp và biến động tùy theo vật liệu bauxit đưa vào quy trình. Thành phần chính của bùn đỏ gồm có Fe2O3 (26 - 32%), CaO (3 - 22%), Al 2O3 (10 - 19%), SiO 2 (8,5 - 32%), TiO2 (3 - 7%) và một lượng nhỏ các nguyên tố độc hại khác ví dụ như Cr, As, Hg, Pb, Cd… (Wang và Liu, 2012; Tóth và nnk, 2014; Luu và nnk, 2014). Ngoài ra, bùn đỏ cũng có thể chứa một số các nguyên tố phóng xạ như 40K, 226Ra và 232Th (Wang và Liu, 2012; Tóth và nnk, 2014) có nguồn gốc phong hóa và được làm giàu lên do quy trình xử lý bauxit.

Tuy nhiên, bùn đỏ ở Việt Nam chưa phát hiện nguy cơ tích lũy các chất phóng xạ trong bùn đỏ (Luu và nnk, 2014). Hình 2: Thành phần hóa học của bùn đỏ (Klauber và nnk, 2009) Trong bùn đỏ, thành phần oxit sắt chiếm hơn 41% nên làm cho bùn có màu đỏ và có lượng sút dư thừa (NaOH). Bùn đỏ trước khi thải ra ngoài được rửa ngược dòng 4 - 6 bước nhằm thu tối đa kiềm và alumin bám theo bùn đỏ (giá kiềm đắt và là một trong những tiêu hao chính để sản xuất alumin) và hạn chế tác động đến môi trường. Theo công nghệ Bayer, bùn đỏ được thải ra theo hai phương thức là thải khô và thải ướt.

Trong trường hợp thải ướt, huyền phù được bơm thẳng ra bãi thải với hàm lượng chất rắn 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] thấp hơn, đỡ tốn kém, thích hợp với các vùng có thung lũng dễ tạo thành hồ chứa, thường áp dụng cho những vùng có lượng mưa lớn hơn so với lượng bốc hơi. Ví dụ ở Tây Nguyên có lượng mưa gấp 4 lần lượng bốc hơi, lượng mưa 2400 mm và lượng bốc hơi 650 mm. Đối với bùn thải khô, bùn được bơm ra từ thiết bị rửa qua máy lọc để nâng nồng độ chất rắn lên 65% và vận chuyển tới bãi thải. Phương pháp này tiết kiệm diện tích nhưng tốn kém và phức tạp, thích hợp với những vùng có lượng bốc hơi lớn hơn so với lượng mưa.

Xét theo thành phần hoá học của bùn đỏ thì trong chất rắn của bùn đỏ không có chất gây hại đặc biệt đến môi trường, không có chất phóng xạ, chất rắn của huyền phù bùn đỏ không thuộc vào loại rác thải nguy hiểm. Chất gây ô nhiễm trong huyền phù bùn đỏ chủ yếu là chất lỏng kèm theo bùn đỏ. Dung dịch kiềm kèm theo có tính ăn mòn mạnh, và giá trị pH cao hơn 12,5. Bởi vì chất rắn và chất lỏng trong huyền phù bùn đỏ không thể tách rời hoàn toàn, vì vậy phải xử lý “huyền phù bùn đỏ” theo tiêu chuẩn xử lý chất thải nguy hiểm.

Thành phần khoáng của bùn đỏ phụ thuộc vào thành phần hóa học của quặng bauxit nguyên khai và công nghệ chế biến cụ thể của từng nhà máy. Phân tích nhiễu xạ cho thấy thành phần khoáng vật của bùn đỏ cũng khá đa dạng. Các khoáng vật như hematite (Fe 2O3), gibbsite (Al(OH)3), quartz (SiO2), perovskite (CaTiO 3), cancite (CaCO3) và natri aluminat (Na5AlO4) là những thành phần khoáng chính của bùn đỏ (Wang và Liu, 2012). Các khoáng vật kể trên tồn tại độc lập hoặc liên kết với nhau và có kích thước cấp hạt từ 0,8 đến 50 m.

Cấp hạt mịn có kích thước sét (< 2 m) có thể chiếm ~30% làm tăng khả năng phân tán của bùn đỏ. Mặt khác, sự biến động kích thước cũng là nguyên nhân làm cho việc tận dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng trở nên khó khăn hơn. Phân tích nhiệt sai cho thấy sự hụt khối khi nung nóng bùn đỏ (lên đến 1000 oC) chỉ nhỏ hơn 20%, và lượng hụt khối này liên quan đến sự bay hơi các phân tử nước liên kết và phân hủy CaCO3. Bùn đỏ có phản ứng kiềm với pH có thể biến động từ 9 - 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 13, dung tích trao đổi cation khá cao so với các khoáng vật trong tự nhiên, CEC dao động từ 43 đến 75 cmolc kg-1 (Tóth và nnk, 2014) 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Bảng 1: Thành phần khoáng vật của bùn đỏ (Mostafa và nnk, 2019) Tên khoáng Phần trăm khối lượng (%) Sodalite (Na8Al6Si6O24Cl2) 4-40 Goethite (FeOOH) 10-30 Hematite (Fe2O3) 10-30 Magnetite (Fe3O4) 0-8 Boehmite (Al(OH)O2) 0-20 Calcite (CaCO3) 2-20 Kaolinite (Al2Si2O5(HO)4) 0-5 Gibbsite (Al(OH)3) 0-5 Diaspore (AlOOH) 0-5 Perovskite (CaTiO3) 0-12 Cancrinite (Na6Ca2[(CO3)2Al6Si6O24].2H2O) 0-50 Calcium aluminate (3CaO.6H2O) 2-20 Anatase và rutile (TiO2) 2-15 Muscovite (2KF.H2O) 0-15 Quặng bauxit có hàm lượng nhôm, sắt là thành phần lớn nhất của bùn đỏ.

Ngoài ra, hàm lượng Ti và Si của bùn đỏ cũng tăng gấp đôi so với bauxit, khoáng kaolinite biến đổi thành sodalite và cancrinite, khoáng ferihydrite và goethite cũng có thể chuyển hoàn toàn hay một phần thành hematite. Bên cạnh đó, trong bùn đỏ còn xuất hiện thêm hai thành phần hóa học đáng kể là Ca và Na. Hai nguyên tố này có thể bị tách loại một phần bằng quá trình rửa ngược để thu hồi xút và giảm độ kiềm của bùn đỏ. 8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Đặc tính keo của bùn đỏ Lưới điện tích âm của hạt sét hình thành lớp điện tích kép xung quanh. Lớp điện kép này có vai trò quyết định đến sự phân tán hay keo tụ của cấp hạt sét. Trong môi trường nước, các hạt sét tiếp cận với các hạt khác trong dung dịch nhờ chuyển động Brownian, lớp khuếch tán của chúng sẽ bị chồng xếp lên nhau và làm tăng năng lượng Gibbs của hệ. Điều này tạo ra lực đẩy giữa các hạt sét và thúc đẩy sự phân tán của các hạt sét.

Sự phân tán của các hạt sét sẽ bị tác động một khi lớp điện kép thay đổi. Sự thay đổi lớp điện kép có thể do pH, các anion hoặc cation hòa tan. Bùn đỏ là một hỗn hợp các hạt rắn dị thể có kích thước nhỏ. Điện tích bề mặt hạt có ảnh hưởng rất lớn tới các tính chất bên trong hạt cũng như giữa các hạt với nhau khi có mặt của nước và các muối hòa tan.

Các ảnh hưởng này không chỉ liên quan đến các tính chất vật lý vĩ mô như độ lưu biến, co cụm hay keo tụ mà còn liên quan đến các tính chất hóa học đặc trưng của hạt như hydrat hóa bề mặt, trao đổi ion, oxi hóa khử. Sự thay đổi điện tích các hạt khoáng theo pH của dung dịch sẽ điều khiển quá trình trao đổi ion, hấp phụ/giải hấp các ion trên bề mặt tiếp xúc khoáng – nước. Đặc tính của điện tích bề mặt phụ thuộc vào bản chất của các hạt khoáng. Điện tích bề mặt hạt khoáng được sinh ra do sự mất cân bằng điện tích cục bộ (bề mặt có quá ít hoặc quá nhiều H +); hoặc do mất cân bằng điện tích cấu trúc (sự thay thế các kim loại trong ô mạng tinh thể bằng các kim loại khác như Al3+ thay thế Si4+ trong khoáng sodalit).

Bùn đỏ có thành phần cấp hạt mịn chiếm tỷ lệ lớn chứng tỏ hàm lượng cation lớn, một phần do chúng có mặt trong cấu trúc tinh thể của sét, mặt khác cation được các hạt sét hấp phụ lên bề mặt mang điện tích âm.