Nghiên cứu khả năng làm trong nước bằng phèn nhôm và alginate tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khảo sát khả năng làm trong nước bằng việc kết hợp sử dụng phèn nhôm và alginate, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện

• Tác giả: Nguyễn Nam Giang
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thị Hồng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Tái Chế Bùn Đỏ Thành Chất Keo Tụ Đa Thành Phần Dùng Cho Xử Lý Nước Thải
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu về bauxit
• 1.2. Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên thế giới và tại Việt Nam
• 1.3. Công nghệ sản xuất alumin
• 1.4. Giới thiệu về bùn đỏ
• 1.5. Đặc điểm, thành phần hóa học và tính chất vật lý
• 1.6. Phương hướng xử lý bùn đỏ
• 1.7. Ứng dụng bùn đỏ trong công nghệ môi trường
• 1.8. Tổng quan về keo tụ
• 1.9. Cấu tạo của hạt keo
• 1.10. Cơ chế của quá trình keo tụ
• 1.11. Các phương pháp keo tụ
• 1.12. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
• 1.13. Giới thiệu về các loại nước thải
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị
• 2.3. Dụng cụ, thiết bị
• 2.4. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.5. Phương pháp xác định đặc tính hóa lý bùn đỏ
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ Tân Rai
• 2.7. Phương pháp xác định khả năng keo tụ của BĐ Al – Fe
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu bùn đỏ Tân Rai
• 3.2. Kết quả phân tích cấu trúc pha bùn đỏ Tân Rai
• 3.3. Kết quả phân tích hình thái cấu trúc, diện tích bề mặt bùn đỏ
• 3.4. Kết quả phân tích thành phần hóa học bùn đỏ Tân Rai
• 3.5. Kết quả nghiên cứu quá trình chế tạo chất keo tụ đa thành phần từ bùn đỏ Tân Rai
• 3.6. Kết quả nghiên cứu quá trình hòa tách bùn đỏ
• 3.7. Quy trình chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe từ bùn đỏ Tân Rai
• 3.8. Kết quả phân tích thành phần chất keo tụ BĐ Al - Fe
• 3.9. Kết quả nghiên cứu khả năng keo tụ từ chất keo tụ BĐ Al – Fe
• 3.10. Kết quả nghiên cứu xác định giá trị pH tối ưu của chất keo tụ BĐ Al – Fe
• 3.11. Kết quả nghiên cứu xác định liều lượng tối ưu của chất keo tụ BĐ Al - Fe
• 3.12. Kết quả nghiên cứu khả năng keo tụ trong xử lí nước thải, so sánh với PAC, phèn nhôm, phèn sắt
• KẾT LUẬN
• KIẾN NGHỊ
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng làm trong nước với phèn nhôm và alginate

Khả năng làm trong nước là một trong những yếu tố quan trọng trong xử lý nước thải. Phèn nhôm và alginate là hai chất keo tụ phổ biến được nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực này. Phèn nhôm, với khả năng tạo bông và kết tủa, đã được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước. Alginate, một polysaccharide tự nhiên, cũng cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu quả keo tụ. Nghiên cứu này sẽ khảo sát khả năng làm trong nước của hai chất này, từ đó đưa ra những giải pháp tối ưu cho việc xử lý nước thải.

1.1. Giới thiệu về phèn nhôm và alginate trong xử lý nước

Phèn nhôm là một hợp chất hóa học có khả năng keo tụ cao, thường được sử dụng trong xử lý nước thải. Alginate, chiết xuất từ tảo biển, cũng có tính chất keo tụ và có thể kết hợp với phèn nhôm để tăng cường hiệu quả xử lý. Nghiên cứu cho thấy sự kết hợp này có thể tạo ra các bông keo lớn hơn, giúp loại bỏ tạp chất hiệu quả hơn.

1.2. Tầm quan trọng của khả năng làm trong nước

Khả năng làm trong nước không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn đến sức khỏe cộng đồng. Việc sử dụng phèn nhôm và alginate trong xử lý nước thải giúp giảm thiểu ô nhiễm, cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về tầm quan trọng của khả năng làm trong nước trong bối cảnh hiện nay.

II. Vấn đề và thách thức trong xử lý nước thải

Xử lý nước thải là một thách thức lớn đối với nhiều quốc gia, đặc biệt là trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Các chất thải từ công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt đều góp phần làm ô nhiễm nguồn nước. Phèn nhôm và alginate, mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng cũng gặp phải một số vấn đề trong quá trình xử lý. Việc tìm ra giải pháp tối ưu cho những thách thức này là cần thiết.

2.1. Các vấn đề chính trong xử lý nước thải

Các vấn đề chính trong xử lý nước thải bao gồm sự hiện diện của các chất ô nhiễm khó phân hủy, chi phí xử lý cao và hiệu quả không ổn định. Phèn nhôm có thể tạo ra bùn thải, trong khi alginate có thể không đủ mạnh để xử lý một số loại nước thải nhất định. Việc hiểu rõ các vấn đề này sẽ giúp cải thiện quy trình xử lý.

2.2. Thách thức trong việc ứng dụng phèn nhôm và alginate

Mặc dù phèn nhôm và alginate có nhiều lợi ích, nhưng việc ứng dụng chúng trong thực tế vẫn gặp phải một số thách thức. Chẳng hạn, phèn nhôm có thể gây ra ô nhiễm kim loại nặng, trong khi alginate có thể bị phân hủy trong môi trường nước. Nghiên cứu này sẽ phân tích các thách thức này và đề xuất các giải pháp khả thi.

III. Phương pháp khảo sát khả năng làm trong nước với phèn nhôm và alginate

Để khảo sát khả năng làm trong nước của phèn nhôm và alginate, một số phương pháp nghiên cứu đã được áp dụng. Các thí nghiệm sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu quả keo tụ của hai chất này trong điều kiện khác nhau. Kết quả từ các thí nghiệm sẽ cung cấp thông tin quý giá về khả năng làm trong nước của chúng.

3.1. Thiết kế thí nghiệm khảo sát

Thí nghiệm sẽ được thiết kế để so sánh hiệu quả keo tụ của phèn nhôm và alginate trong các điều kiện khác nhau như pH, nồng độ và thời gian phản ứng. Các mẫu nước thải sẽ được thu thập và phân tích để đánh giá hiệu quả làm trong nước.

3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm sẽ được phân tích bằng các phương pháp thống kê để xác định sự khác biệt giữa hiệu quả keo tụ của phèn nhôm và alginate. Các chỉ tiêu như độ đục, COD và PO43- sẽ được đo lường để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phèn nhôm và alginate trong xử lý nước

Phèn nhôm và alginate đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ xử lý nước thải công nghiệp đến nước sinh hoạt. Việc sử dụng chúng không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này sẽ trình bày các ứng dụng thực tiễn của hai chất này trong xử lý nước.

4.1. Ứng dụng phèn nhôm trong xử lý nước thải

Phèn nhôm đã được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lý nước thải để loại bỏ tạp chất và cải thiện chất lượng nước. Nghiên cứu cho thấy phèn nhôm có thể giảm đáng kể độ đục và COD trong nước thải, từ đó giúp đạt tiêu chuẩn chất lượng nước.

4.2. Ứng dụng alginate trong công nghiệp thực phẩm

Alginate không chỉ được sử dụng trong xử lý nước mà còn có ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Với khả năng tạo gel và giữ nước, alginate được sử dụng để cải thiện chất lượng sản phẩm thực phẩm. Nghiên cứu này sẽ xem xét các ứng dụng của alginate trong ngành thực phẩm và tiềm năng của nó trong xử lý nước.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu về phèn nhôm và alginate

Nghiên cứu về khả năng làm trong nước của phèn nhôm và alginate đã chỉ ra rằng cả hai chất này đều có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và ứng dụng chúng một cách hiệu quả hơn. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển các giải pháp mới và cải tiến quy trình xử lý nước.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy phèn nhôm và alginate đều có khả năng làm trong nước tốt, nhưng cần được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất. Việc kết hợp hai chất này có thể mang lại những lợi ích vượt trội trong xử lý nước thải.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Tương lai của nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để cải thiện hiệu quả keo tụ của phèn nhôm và alginate. Các nghiên cứu tiếp theo cũng sẽ xem xét khả năng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhôm là một trong bốn kim loại màu cơ bản được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như chế tạo thiết bị điện, phương tiện vận tải, xây dựng và sản xuất đồ gia dụng. Năm 2007, tổng lượng tiêu thụ nhôm nguyên sinh trên thế giới đạt khoảng 38 triệu tấn và dự báo tăng lên 74,9 triệu tấn vào năm 2020. Việt Nam sở hữu trữ lượng bauxit lớn thứ ba thế giới với khoảng 5,4 tỷ tấn, chủ yếu tập trung ở vùng Tây Nguyên chiếm 91,4% tổng trữ lượng quốc gia. Quá trình sản xuất alumin từ bauxit theo công nghệ Bayer tạo ra lượng lớn bùn đỏ – một chất thải nguy hại với độ kiềm cao (pH 10-13), chứa nhiều kim loại nặng và khó xử lý, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tái chế bùn đỏ Tân Rai thành chất keo tụ đa thành phần dùng trong xử lý nước thải, nhằm giảm thiểu ô nhiễm và tận dụng nguồn nguyên liệu thải bỏ. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định điều kiện tối ưu chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ, đánh giá khả năng xử lý các chỉ tiêu môi trường như độ đục, COD và PO43- trong nước thải. Phạm vi nghiên cứu bao gồm bùn đỏ lấy từ nhà máy alumin Tân Rai (Lâm Đồng) và các mẫu nước thải thực tế tại Việt Nam trong giai đoạn 2014-2015. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, đồng thời góp phần giải quyết vấn đề tồn đọng bùn đỏ tại các khu vực khai thác alumin.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết keo tụ và kết tủa: Quá trình keo tụ dựa trên cơ chế trung hòa điện tích bề mặt hạt keo, giảm thế zeta để các hạt keo liên kết tạo thành bông cặn lớn dễ lắng. Các cơ chế chính gồm nén lớp điện tích kép, hấp phụ ion trái dấu và cơ chế bắc cầu polymer.

• Mô hình phản ứng hóa học trong hòa tách bùn đỏ: Sử dụng axit sunfuric để hòa tách các ion Al3+ và Fe3+ từ bùn đỏ, tạo thành các muối keo tụ đa thành phần.

• Khái niệm và đặc tính bùn đỏ: Bùn đỏ là chất thải từ quy trình Bayer, chứa chủ yếu oxit sắt (Fe2O3 25-60%), oxit nhôm (Al2O3 5-25%), oxit silic, titan và các kim loại kiềm. Bùn đỏ có pH cao (11-13), kích thước hạt nhỏ dưới 75 µm, mang điện tích âm do nhóm hydroxyl trên bề mặt.

• Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ: pH, liều lượng chất keo tụ, nhiệt độ, tốc độ khuấy và tỷ lệ rắn/lỏng là các thông số quan trọng quyết định hiệu quả keo tụ.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Bùn đỏ lấy từ nhà máy alumin Tân Rai, nước thải sông Tô Lịch và nước thải xưởng sản xuất thực nghiệm Viện Hóa học Công nghiệp.

• Phương pháp phân tích đặc tính bùn đỏ: Xác định cấu trúc pha bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp BET, và thành phần hóa học bằng chuẩn độ complexon.

• Phương pháp chế tạo chất keo tụ: Hòa tách bùn đỏ trong axit H2SO4 với các điều kiện biến đổi về nồng độ axit (1-5M), nhiệt độ (25-95°C), tốc độ khuấy (120-600 vòng/phút), tỷ lệ rắn/lỏng (1:2 đến 1:6) và thời gian hòa tách (30-210 phút). Hàm lượng Al3+ và Fe3+ trong dung dịch được xác định bằng chuẩn độ complexon.

• Phương pháp đánh giá khả năng keo tụ: Thí nghiệm Jar test xác định liều lượng và pH tối ưu của chất keo tụ BĐ Al-Fe trong xử lý nước thải thực tế, đo các chỉ tiêu độ đục, COD và PO43- trước và sau xử lý.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong năm 2014-2015, bao gồm giai đoạn thu thập mẫu, phân tích đặc tính, tối ưu hóa quy trình chế tạo chất keo tụ và thử nghiệm ứng dụng xử lý nước thải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính bùn đỏ Tân Rai: Thành phần chính gồm Fe2O3 chiếm 49,2%, Al2O3 chiếm 21,19%. Kích thước hạt chủ yếu dưới 75 µm, diện tích bề mặt riêng đạt khoảng 7,3 – 34,5 m²/g. pH bùn đỏ dao động từ 11 đến 13, thể hiện tính kiềm cao.

2. Điều kiện tối ưu hòa tách bùn đỏ: Nồng độ axit H2SO4 3M, nhiệt độ 95°C, tốc độ khuấy 300 vòng/phút, tỷ lệ rắn/lỏng 1:4 và thời gian hòa tách 120 phút cho hiệu suất hòa tách Al3+ và Fe3+ cao nhất, đạt khoảng 85-90%. Các điều kiện vượt quá hoặc thấp hơn làm giảm hiệu suất do hòa tách không hoàn toàn hoặc tạo bông cặn không ổn định.

3. Thành phần chất keo tụ BĐ Al-Fe: Chất keo tụ thu được chứa chủ yếu các ion Al3+ và Fe3+ với tỷ lệ phù hợp, có khả năng thủy phân tạo thành các hydroxit nhôm và sắt có hoạt tính keo tụ cao.

4. Khả năng keo tụ xử lý nước thải: Ở pH tối ưu 6-7 và liều lượng 0,5 ml/l, chất keo tụ BĐ Al-Fe đạt hiệu suất xử lý độ đục lên đến 92%, COD giảm 65%, và PO43- giảm 70% trong mẫu nước thải thực nghiệm. So sánh với các chất keo tụ thương mại như PAC, phèn nhôm và phèn sắt, BĐ Al-Fe có hiệu quả tương đương hoặc vượt trội, đặc biệt về khả năng xử lý PO43-.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất hòa tách cao của bùn đỏ Tân Rai nhờ thành phần oxit sắt và nhôm phong phú, phù hợp để tái chế thành chất keo tụ đa thành phần. Nồng độ axit và nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình hòa tách ion kim loại, trong khi tốc độ khuấy và tỷ lệ rắn/lỏng ảnh hưởng đến sự phân tán và tiếp xúc giữa bùn đỏ và axit. Kết quả Jar test cho thấy pH và liều lượng chất keo tụ là yếu tố quyết định hiệu quả keo tụ, phù hợp với lý thuyết giảm thế zeta và trung hòa điện tích bề mặt hạt keo.

So với các nghiên cứu trước đây về keo tụ bằng muối nhôm và sắt, chất keo tụ từ bùn đỏ không chỉ tận dụng nguồn nguyên liệu thải mà còn giảm chi phí sản xuất và xử lý môi trường. Biểu đồ hiệu suất xử lý độ đục, COD và PO43- theo liều lượng và pH có thể minh họa rõ ràng sự tối ưu hóa quy trình. Bảng so sánh hiệu quả giữa các chất keo tụ cũng làm nổi bật ưu điểm của BĐ Al-Fe.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai sản xuất chất keo tụ từ bùn đỏ quy mô công nghiệp: Áp dụng quy trình hòa tách với điều kiện tối ưu đã xác định để sản xuất chất keo tụ đa thành phần, giảm thiểu lượng bùn đỏ tồn đọng. Chủ thể thực hiện: các nhà máy alumin và doanh nghiệp xử lý môi trường, trong vòng 2-3 năm tới.

2. Ứng dụng chất keo tụ BĐ Al-Fe trong xử lý nước thải công nghiệp và đô thị: Thử nghiệm mở rộng tại các nhà máy xử lý nước thải để thay thế hoặc phối hợp với các chất keo tụ truyền thống, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.

3. Nghiên cứu cải tiến quy trình hòa tách và hoạt hóa bùn đỏ: Tăng diện tích bề mặt và hoạt tính keo tụ bằng các phương pháp biến tính axit hoặc nhiệt, nâng cao hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm khó phân hủy. Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học, trong 3-5 năm.

4. Xây dựng hệ thống quản lý và lưu trữ bùn đỏ an toàn: Kết hợp với việc tái chế để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời phát triển các chính sách hỗ trợ và khuyến khích doanh nghiệp tái sử dụng bùn đỏ. Thời gian: triển khai ngay và duy trì liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý môi trường và chính sách: Nắm bắt giải pháp xử lý bùn đỏ và ứng dụng chất keo tụ mới để xây dựng chính sách quản lý chất thải hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

2. Doanh nghiệp sản xuất alumin và xử lý nước thải: Áp dụng công nghệ tái chế bùn đỏ thành chất keo tụ để giảm chi phí xử lý chất thải và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật phân tích và ứng dụng thực tiễn trong xử lý bùn đỏ và nước thải.

4. Cơ quan quản lý tài nguyên khoáng sản và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá tác động môi trường của hoạt động khai thác bauxit và đề xuất các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm.

Câu hỏi thường gặp

1. Bùn đỏ là gì và tại sao cần xử lý?
   Bùn đỏ là chất thải nguy hại sinh ra từ quá trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer, chứa nhiều kim loại nặng và có độ kiềm cao (pH 11-13). Nếu không xử lý, bùn đỏ gây ô nhiễm đất, nước và không khí, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người.

2. Chất keo tụ đa thành phần từ bùn đỏ được chế tạo như thế nào?
   Chất keo tụ được chế tạo bằng cách hòa tách bùn đỏ trong axit sunfuric dưới điều kiện tối ưu về nồng độ axit, nhiệt độ, tốc độ khuấy, tỷ lệ rắn/lỏng và thời gian. Quá trình này thu hồi các ion Al3+ và Fe3+ tạo thành hợp chất keo tụ có khả năng xử lý nước thải hiệu quả.

3. Hiệu quả xử lý nước thải của chất keo tụ từ bùn đỏ ra sao?
   Ở pH 6-7 và liều lượng 0,5 ml/l, chất keo tụ BĐ Al-Fe xử lý được đến 92% độ đục, giảm 65% COD và 70% PO43- trong nước thải thực nghiệm, tương đương hoặc vượt trội so với các chất keo tụ thương mại như PAC, phèn nhôm và phèn sắt.

4. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến quá trình keo tụ?
   Các yếu tố quan trọng gồm pH môi trường, liều lượng chất keo tụ, nhiệt độ, tốc độ khuấy và tỷ lệ rắn/lỏng. Điều chỉnh các thông số này giúp tối ưu hóa hiệu quả keo tụ và giảm lượng chất thải phát sinh.

5. Lợi ích của việc tái chế bùn đỏ thành chất keo tụ là gì?
   Tái chế bùn đỏ giúp giảm lượng chất thải nguy hại tồn đọng, tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có để sản xuất chất keo tụ giá rẻ, nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, đồng thời giảm chi phí và tác động môi trường của ngành alumin.

Kết luận

• Bùn đỏ Tân Rai chứa hàm lượng Fe2O3 và Al2O3 cao, phù hợp để tái chế thành chất keo tụ đa thành phần.
• Điều kiện hòa tách tối ưu gồm axit H2SO4 3M, nhiệt độ 95°C, tốc độ khuấy 300 vòng/phút, tỷ lệ rắn/lỏng 1:4 và thời gian 120 phút.
• Chất keo tụ BĐ Al-Fe có khả năng xử lý hiệu quả độ đục, COD và PO43- trong nước thải, tương đương hoặc vượt các chất keo tụ thương mại.
• Nghiên cứu mở ra hướng xử lý bùn đỏ thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm và tận dụng nguồn tài nguyên thải.
• Khuyến nghị triển khai ứng dụng công nghệ trong sản xuất và xử lý nước thải, đồng thời nghiên cứu nâng cao hiệu quả và mở rộng quy mô.

Hành động tiếp theo: Các nhà máy alumin và doanh nghiệp xử lý nước thải nên phối hợp nghiên cứu ứng dụng chất keo tụ từ bùn đỏ, đồng thời các cơ quan quản lý cần xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ này nhằm bảo vệ môi trường bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về bauxit 1. Bauxit Bauxit là loại quặng nhôm phổ biến nhất được tìm thấy trong lớp vỏ của trái đất, có màu hồng nâu, được hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàu nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trình xói mòn. Từ bauxit có thể tách ra alumin (Al2O3) – nguyên liệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân.

Khoảng 95% lượng bauxit được khai thác trên thế giới đều được dùng để luyện nhôm. Bauxit không những là quặng nhôm quan trọng cho ngành công nghiệp sản xuất nhôm và các hợp chất của nhôm, mà còn dùng để sản xuất corundum nhân tạo, xi măng alumin, gạch chịu lửa… Quá trình phong hóa hình thành quặng bauxit trên các loại đá thường trải qua các giai đoạn như sau: - Phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra oxit nhôm và sắt. - Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước ngầm. - Xói mòn và tái tích tụ bauxit Quá trình này chịu ảnh hưởng của một số yếu tố: - Đá mẹ chứa các khoáng vật dễ hòa tan và các khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và sắt.

- 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 với vi khuẩn Các khoáng vật của nhôm có trong quặng tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa trong nó và cấu trúc tinh thế gồm: Gibbsite Al(OH)3, Diaspore α- 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Gibbsite có hàm lượng alumin tối đa là 65,4%. Boehmite và diaspore có hàm lượng alumin tối đa là 85%. Ngoài ra bauxit còn có các khoáng vật của sắt như hematit, goethit đôi khi có cả pirit … của silic như thạch anh, opal… của titan như anatase, rutin,.

có hàm lượng đáng kể cùng một số các nguyên tố Ca, Mg, Co, Ni, Pb… với hàm lượng rất nhỏ. Mỗi dạng cấu trúc của bauxit có những đặc tính khác nhau nhằm phục vụ những mục đích khai thác và sử dụng khác nhau. Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên thế giới và tại Việt Nam 1. Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên thế giới Bauxit là một trong những tài nguyên khoáng sản khá dồi dào trên trái đất.

Theo công bố của Cục khảo sát địa chất Mỹ vào tháng 1 năm 2009 thì nguồn quặng bauxit trên thế giới ước tính khoảng 55 – 75 tỷ tấn phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới, Địa Trung Hải và vành đai xung quanh xích đạo. Người ta tìm thấy quặng bauxit ở các vùng lãnh thổ của Úc, Nam và Trung Mỹ (Jamaica, Brazin, Surinam, Venezuela, Guyana), châu Phi (Guinea), châu Á (Ấn Độ, Việt Nam, Trung Quốc) và châu Âu (Nga, Hy Lạp, Hungari). Sự phân bố trữ lượng bauxit trên các châu lục STT Châu lục Tỷ lệ phân bố (%) 1 Châu Phi 33 2 Châu Đại Dương 24 3 Châu Mỹ và Carribe 22 4 Châu Á 15 5 Các nơi khác 6 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trên thế giới có khoảng 40 nước có bauxit, trong đó Guinea là nước có trữ lượng bauxit lớn nhất trên thế giới, sau đó là Australia và Việt Nam [13]. Các nước có trữ lượng bauxit đều khai thác để sử dụng trong nước và xuất khẩu.

Trong 15 năm qua sản lượng khai thác bauxit trên thế giới tăng bình quân hàng năm là 6,8%. Hiện nay, trên thế giới có 24 nước với 54 nhà máy sản xuất alumin và 40 ước với 121 nhà máy điện phân nhôm kim loại [20]. Trữ lượng bauxite và sản lượng khai thác trên thế giới [13] TT Nước Trữ Trữ Sản lượng khai thác (triệu tấn) lượng cơ lượng (tỷ sở (tỷ tấn) 2006 2007 2008 tấn) 1 Guinea 8,6 7,4 14500 18000 18000 2 Australia 7,9 5,8 62300 62400 63000 3 Việt Nam 5,4 2,1 - 0,03 0,03 4 Jamaica 2,5 2 14900 14600 15000 5 Brazil 2,5 1,9 21000 24800 25000 6 Trung Quốc 2,3 0,7 21000 30000 32000 7 Ấn Độ 1,4 0,77 12700 19200 20000 8 Guyana 0,9 0,7 1400 1600 1600 9 Hy Lạp 0,65 0,6 2450 2220 2200 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 10 Suriname 0,6 0,58 4920 4900 4500 11 Kazakhstan 0,4 0,36 4800 4800 4800 12 Venezuela 0,35 0,32 5500 5900 5900 13 Nga 0,25 0,2 6600 6400 6400 14 Mỹ 0,04 0,02 - - - 15 Các nước 3,8 3,2 5460 7150 6800 khác Tổng 38 27 178000 202000 205000 1. Tình hình khai thác và chế biến bauxit tại Việt Nam Ở Việt Nam, bauxit phân bố phổ biến ở các tỉnh: Cao Bằng, Hà Giang, Lạng Sơn và Tây Nguyên.

Thị xã Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng là một trong những nơi có trữ lượng bauxit lớn ở Tây Nguyên, chiếm 20% tổng trữ lượng cả nước. Tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo khoảng 5,5 tỷ tấn, trong đó khu vực miền Bắc khoảng 91 triệu tấn, còn lại tập trung chủ yếu ở khu vực miền Nam khoảng 5,4 tỷ tấn (chiếm 98% tổng trữ lượng cả nước), trong đó gồm Đăk Nông khoảng 3,42 tỷ tấn (chiếm 62% tổng trữ lượng); Lâm Đồng khoảng 975 triệu tấn (chiếm 18%); Gia Lai - Kon Tum khoảng 806 triệu tấn (chiếm 15%) và Bình Phước khoảng 217 triệu tấn (chiếm 4%) và một số khu vực ven biển Quảng Ngãi và Phú Yên [3,8]. Đây là yếu tố quan trọng và quyết định việc phát triển ngành công nghiệp khai thác bauxit, sản xuất alumin và nhôm kim loại của Việt Nam. 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Công nghệ sản xuất alumin Trong công nghiệp, có một số công nghệ sản xuất alumin tùy theo loại nguyên liệu và chất lượng nguyên liệu. Hiện tại và trong tương lai, 85% alumin trên thế giới được sản xuất từ quặng bauxit, 10% từ quặng nephelin và alunit chủ yếu ở Nga, Canada, Mỹ, 5% từ các nguyên liệu khác tập trung ở Nga, Mỹ, Nhật Bản [4]. Điều đó cho thấy bauxit vẫn là nguồn nguyên liệu quan trọng nhất trong sản xuất alumin nói riêng và sản xuất nhôm nói chung. Công nghệ Bayer được Karl Bayer phát minh vào năm 1887.

Sơ đồ nguyên lý công nghệ Bayer sản xuất Alumin [4] 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Quy trình Bayer có thể khái quát bao gồm bốn bước: hòa trộn, tách bùn, kết tủa, sấy khô [32] - Hòa trộn: Quặng bauxit thô được hòa trộn với NaOH trong lò áp lực đến nhiệt độ khoảng 150 – 200˚C. NaOH phản ứng với các khoáng chất nhôm của bauxit tạo thành hợp chất bão hòa natri aluminate và hợp chất không hòa tan (bùn đỏ): Al2O3 + 2OH- + 3 H2O → 2[Al(OH)4]- - Tách bùn: Sau khi hòa trộn, hỗn hợp được truyền qua một loạt các thùng giảm áp suất. Tại đây, áp suất không khí được tràn vào, cát được tách ra khỏi hỗn hợp qua các bẫy cát. Tiếp theo cặn mịn và các chất rắn còn lại được bổ sung các hợp chất tổng hợp và đưa qua bộ lọc vải.

Những tồn dư sau đó được rửa sạch và loại bỏ đi. - Kết tủa: Hợp chất bão hòa natri aluminat tiếp tục được làm mát bằng hệ thống trao đổi nhiệt. Vì bị làm lạnh đột ngột, các hydroxit nhôm bị kết tủa lại tạo thành các hạt tinh thể. Các tinh thể này lại kết hợp với các tinh thể khác tạo thành các hạt lớn hơn lắng xuống đáy.

Sau đó, các hạt hydroxit nhôm được lọc và rửa sạch để loại bỏ kiềm. Phản ứng diễn ra như sau: Na+ + Al(OH)4- → Al(OH)3 + NaOH - Nung: Các hạt hydroxit nhôm được nung trong lò ở nhiệt độ trên 960˚C tạo thành nhôm oxit: Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O Quy trình Bayer tạo ra một lượng lớn chất phụ phẩm trong quá trình xử lý quặng bauxit để sản xuất alumin (oxit nhôm). Chất thải bauxit này được gọi là bùn đỏ. 8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Giới thiệu về bùn đỏ 1. Đặc điểm, thành phần hóa học và tính chất vật lý Bùn đỏ là chất thải nguy hại sinh ra trong quy trình công nghệ Bayer sản xuất alumin từ quặng bauxit, chứa hàm lượng kiềm dư cao và nhiều kim loại nặng độc hại. Khối lượng bùn đỏ sinh ra ở các nhà máy sản xuất alumin tùy thuộc vào chất lượng quặng bauxit nguyên khai, có thể lớn hơn khối lượng sản phẩm alumin từ 1 – 1,5 lần [21]. 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 điểm: Bùn đỏ ở dạng huyền phù có tỷ trọng khối trong khoảng 1,2 – 1,3g/m3, hàm lượng chất khô là 250 – 350g/l. Diện tích bề mặt riêng của bùn đỏ khoảng 7,3 – 34,5 m2/g [25,27] và có thể tăng lên đáng kể bằng các biện pháp xử lý khác nhau. Bùn đỏ mang điện tích âm do các nhóm hydroxyl trên bề mặt tạo ra. Bùn đỏ có màu đỏ cam, đỏ, đỏ nâu, nâu.

Độ pH nằm trong khoảng 11 – 13, kích thước hạt nhỏ, 90% khối lượng các hạt có kích thước dưới 75 µm. 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, mắt. Nước thải từ bùn đỏ 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 [4].

Thành phần hóa học Thành phần hóa học của bùn đỏ thay đổi tùy từng loại quặng bauxit và tùy vào phương pháp thu hồi nhôm oxit có trong quặng. Bùn đỏ là một hỗn hợp có độ kiềm cao chứa chủ yếu oxit của silic, nhôm, sắt, canxi, titan và một số thành phần phụ: Na, K, Cr, V, Ni, Ba, Cu, Mn, Pb, Zn. 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Thành phần hóa học bùn đỏ [17,18] STT Thành phần hóa học % 1 Al2O3 5 – 25 2 SiO2 1 – 20 3 Fe2O3 25 – 60 4 TiO2 1 – 10 5 MKN (H2O liên kết) 5 – 15 6 CaO 2–8 7 Na2O 1 – 10 Thành phần khoáng vât của bùn đỏ: Các khoáng vật có trong thành phần bùn đỏ gồm khoáng vật còn lại của quặng Bauxite ban đầu như: Hematite, Gơtite, Thạch anh, Gibsip, Bơmite, Muscovite, Anatase; cùng các khoáng vật kết tinh trong quá trình công nghệ sản xuất Alumin (quy trình Bayer) như: Canxit, Sodalit, Aluminat Ca và Thạch cao.

Tuy nhiên, tỷ lệ các khoáng vật trên trong bùn đỏ thay đổi trong phạm vi rộng [27].