CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I. TỔNG QUAN VỀ BÙN ĐỎ Bùn đỏ là chất thải rắn được hình thành từ quá trình sản xuất nhôm oxit từ quặng bôxit theo quy trình Bayer. Quặng bôxit là hỗn hợp các khoáng giàu nhôm oxit, ngoài ra còn chứa các khoáng sắt, silic, titan… Theo quy trình Bayer, quặng được rửa, nghiền và hòa tan trong dung dịch natri hidroxit dưới nhiệt độ và áp suất. Sản sinh ra một lượng lớn chất thải rắn không tan.
Bã thải này có màu đỏ của sắt nên gọi là bùn đỏ. Lượng bùn đỏ và thành phần bùn đỏ thải ra tùy thuộc vào từng loại quặng, chất lượng quặng và mộtphần vào quy trình sản xuất. Tính trung bình để sản xuất 1 tấn nhôm đi kèm với việc phát sinh khoảng 0. Tính chất lý hóa của bùn đỏ Thành phần hóa học chính của bùn đỏ bao gồm Fe2O3 (30-60%), Al2O3 (10- 20%), SiO2 (3-50%), Na2O (2-10%), CaO (2-8%), TiO2 (0-25%) và một lượng nhỏ K, Cr, V, Ni, Cu, Mn, Zn,… Thành phần hóa học của bùn đỏ khác nhau tùy thuộc vào thành phần quặng nguyên liệu nhưng chủ yếu vẫn là oxit sắt kế tiếp là nhôm và silic oxit.
Thành phần khoáng vật của bùn đỏ bao gồm hêmatite, goethite (FeOOH), gibbsite (Al(OH)3), boehmite (AlO(OH)), disapore (AlO(OH)), calcite (CaCO3), quatz (SiO2), rutile (TiO2), anatase (TiO2), kaolinite (Al2Si2O5(OH4), cancrinite (3NaAlSiO4.NaOH) và một số chất khác.1 Thành phần các oxit kim loại. Oxit Fe2O3 Al2O3 SiO2 TiO2 CaO Na2O K2O Thành 46.15 SVTH: ĐẶNG THANH TÚ 1 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN TRÍ LUÂN Bảng 1. Độ ẩm Tỷ trọng MKN Tỷ lệ R/L Cấp hạt Sbề mặt 3.3 Thành phần pha.
Khoáng Gibbsite Goethite Hematite Ilmenite % 4.28 Bùn đỏ là chất thải rắn có kiềm tính cao, pH của nó dao động từ 10 đến 12. Bùn đỏ có kích thước hạt rất mịn với kích thước hạt trung bình dưới 10 micromet. Diện tích bề mặt riêng của bùn đỏ khoảng 20-30 m2/g. Diện tích bề mặt của bùn đỏ có thể tăng lên khi sử dụng một số phương pháp xử lý (bảng 1.
Trong những năm qua đã có một vài phương pháp đưa ra như xử lý nhiệt, xử lý bằng axit và kết hợp các phương pháp trên. Trong đó phương pháp trung hòa bằng axit được sử dụng phổ biến để xử lý bùn đỏ, phương pháp này có thể loại bỏ được các kim loại kiềm và một số tạp chất vô cơ khác. Phương pháp xử lý axit có thể làm tăng diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp và vì thế tăng khả năng hấp phụ của bùn đỏ. Xử lý nhiệt có thể phân hủy được các hợp chất không bền và các chất hữu cơ, tuy nhiên có thể gây ra sự kết khối.
SVTH: ĐẶNG THANH TÚ 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN TRÍ LUÂN Bảng 1.4 Diện tích bề mặt riêng của bùn đỏ trước và sau khi xử lý bằng các phương pháp khác nhau. Diện tích bề mặt Diện tích bề mặt Sự tăng diện tích Phương pháp xử lý trước xử lý(m 2/g) sau xử lý(m2/g) bề mặt (%) 64 155 1. Ứng dụng của bùn đỏ Hầu hết bùn đỏ sinh ra từ các nhà máy sản xuất nhôm oxit được loại bỏ bằng cách chôn lấp hoặc đổ xuống biển.
Bên cạnh các vấn đề tác động đến môi trường sinh thái, chi phí cho việc loại bỏ này rất cao. Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng bùn đỏ được phát triển như thu hồi kim loại, chế tạo đồ gốm, làm chất hấp phụ để làm sạch khí và xử lý nước thải, làm chất xúc tác… Tuy nhiên chưa có ứng dụng nào được áp dụng trong quy mô công nghiệp. Trong lĩnh vực luyện kim Trong lĩnh vực luyện kim, bùn đỏ được sử dụng làm nguyên liệu để thu hồi các kim loại như sắt, nhôm, titan,… Ngoài ra, các thành phần kim loại khác như V, Ga, Sc… cũng được quan tâm, tuy nhiên hiệu quả kinh tế không cao vì hàm lượng các kim loại này thấp. SVTH: ĐẶNG THANH TÚ 3 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.
TRẦN TRÍ LUÂN a. Thu hồi sắt - Phương pháp xỉ cabon: trộn bùn đỏ với đá vôi và xođa và C rồi đem nung chảy, sắt bị khử về dạng có từ tính và được thu hồi bằng phương pháp tuyển từ. - Nung chảy trong lò điện: trong quá trình này có tới 98% sắt chứa trong bùn đỏ được thu hồi. - Nung chảy trong lò cao: trộn bùn với than đá trong lò cao để khử sắt rồi sau đó thêm vôi vào khử hoàn toàn sắt về dạng kim loại.
Thu hồi nhôm Khi nung chảy bùn đỏ để thu hồi sắt, phần xỉ còn lại được rửa bằng dung dịch Na2CO3 để thu hồi nhôm. Thu hồi titan Titan được thu hồi từ phần bã còn lại sau khi rửa tách nhôm. Việc tách titan từ bùn đỏ là một quá trình không khả thi, bởi vì chi phí để tách titan từ bùn đỏ cao gấp 2 lần so với việc thu hồi titan từ các khoáng tự nhiên như Ilmenite hoặc Rutil. Sản xuất vật liệu xây dựng: a.
Sản xuất xi măng Portland Xi măng Portland chứa thành phần chủ yếu là các silicat và các aluminat của canxi, nhôm và silic. Oxit của các kim loại này có trong bùn đỏ và vì thế bùn đỏ cũng được xem là một nguyên liệu để sản xuất xi măng. Tuy nhiên, do bùn đỏ có chứa lượng oxit sắt cao nên lượng bùn đỏ được sử dụng hạn chế trong xi măng. Thêm vào chi khoảng 5-8% bùn đỏ đã được xử lý trước sẽ làm tăng cường lực và giảm thời gian đóng rắn của xi măng, nếu lượng bùn đỏ được sử dụng lớn hơn 8% sẽ có tác dụng ngược lại.
Sản xuất gạch xây dựng Khi trộn bùn đỏ với đất sét tỷ lệ thích hợp (25-50%) để sản xuất gạch xây dựng sẽ cải thiện một số tính chất so với gạch sản xuất từ đất sét như: - Tăng cường lực cho việc gia công trước khi nung - Hạ nhiệt độ nung vì vậy sẽ tiết kiệm được năng lượng SVTH: ĐẶNG THANH TÚ 4 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN TRÍ LUÂN Ngoài ra, ta còn có thể điều chỉnh được màu sắc thích hợp bằng cách thay đổi lượng bùn đỏ trong giới hạn (25-50%). Đây là một hướng quan trọng để xử lý bùn đỏ. Ở Mỹ vào năm 1973 có 350 nhà máy sản xuất ra 18 triệu tấn gạch mỗi năm.
Ước tính lượng bùn đỏ sử dụng cho mục đích này khoảng 4. Sản xuất chất độn nhẹ. Một số khoáng sét hay phiến nham khi gia nhiệt bị phồng lên tạo thành chất độn nhẹ. Bùn đỏ cũng có tính chất trương nở nên người ta cũng đã tiến hành nghiên cứu sử dụng bùn đỏ vào lĩnh vực này và đã đi đến kết quả là trộn bùn đỏ với đất sét theo tỷ lệ bùn đỏ : sét = 50 : 50 – 90 : 10, tốt nhất là 75 : 25 rồi sau đó nung để tạo thành chất độn nhẹ.
Đây cũng là một hướng giải quyết được một lượng lớn bùn đỏ. Ở Mỹ, sản lượng chất độn nhẹ sản xuất ra hàng năm khoảng 2.5 triệu tấn tương ứng với lượng bùn đỏ được sử dụng khoảng 1. Sản xuất lớp cách âm Trộn bùn đỏ với thủy tinh và một số loại chất thải rắn khác để sản xuất tấm lớp. Tấm lớp này có tính chất chống cháy, chống lại sự thay đổi thời tiết tốt hơn tấm lớp bằng xenlulozo và nhựa.
Dùng làm chất tạo màu Bùn đỏ được dùng để sản xuất chất tạo màu cho bê tông, thủy tinh và sơn. Độ đậm đặc của màu sắc phụ thuộc vào hàm lượng oxit sắt có trong bùn và lượng bùn cho vào. Dùng làm vật liệu hấp phụ Hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải và trong nước ngầm gây độc đối với con người, động vật và cây trồng, vì thế chúng cần được loại bỏ. trong số các phương pháp được sử dụng để xử lý nước, hấp phụ được xem là có hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi nhất.
Than hoạt tính là chất hấp phụ phổ biến nhất, tuy nhiên việc sản SVTH: ĐẶNG THANH TÚ 5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. TRẦN TRÍ LUÂN xuất và tái sinh than thì rất đắt. Bùn đỏ được xem là chất hấp phụ rẻ tiền và đã được ứng dụng trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm như các anion, các kim loại nặng, thuốc nhộm và các chất hữu cơ. Ngoài ra bùn đỏ còn được ứng dụng trong xử lý khí thải.
Nếu trộn bùn với than chì thì hỗn hợp này có thể hấp phụ được các khí SO2 trong lò hơi công nghiệp. Sản xuất chất keo tụ Ở nước Anh trước chiến tranh thế giới thứ 2, người ta đã xử lý bùn đỏ với axit HCl hoặc H2SO4 đậm đặc để chuyển sắt và nhôm oxit thành các clorua hoặc sunfat có tác dụng keo tụ. Sau đó phơi khô và nghiền mịn để xử lý nước thải. Dùng làm chất xúc tác Bùn đỏ đã được nghiên cứu ứng dụng làm chất xúc tác cho một số phản ứng như hydro hóa, oxy hóa các hydrocacbon, cracking, phân hủy amoniac với sự có mặt của các hợp chất sunfua, chuyển đổi dầu thải thành nhiên liệu… Tuy nhiên, bùn đỏ thô cho hiệu suất phản ứng thấp so với các chất xúc tác thương mại.
Việc áp dụng một số phương pháp xử lý sẽ làm tăng hoạt tính xúc tác của bùn đỏ. Bên cạnh đó việc ứng dụng bùn đỏ làm chất mang xúc tác cũng đã được thông báo trong một số tài liệu. Bùn đỏ tẩm một hoặc nhiều kim loại hoạt động sẽ làm tăng hiệu quả của phản ứng. Xúc tác bùn đỏ tẩm 5% Ru được dùng cho phản ứng phân hủy amoniac thành hydro.
Đồng tẩm trên bùn đỏ xúc tác cho phản ứng khử nitơ oxit. Một số nhà nghiên cứu đã sử dụng bùn đỏ có tẩm các kim loại hoạt động như: Ag, Mn, Cr, Ce, Ni, Pt, Cu, Ru, Co, Ti… để tăng cường hoạt tính xúc tác của bùn đỏ. Tác hại của bùn đỏ Theo những nghiên cứu về tác hại của bùn đỏ, EPA ( Enviroment Protection Agency) căn cứ vào ba tiêu chuẩn bảo vệ sức khỏe con người, bảo vệ hệ sinh vật trong nước và bảo vệ tài nguyên nước, đã đánh giá mức độ nguy hiểm của bùn đỏ dựa trên 4 đặc tính sau: - Khả năng ăn mòn ( corrosivity). SVTH: ĐẶNG THANH TÚ 6 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.
TRẦN TRÍ LUÂN - Khả năng phản ứng ( reactivity). - Khả năng cháy ( ignitability). - Phân hủy các chất độc hại ( extraction procedure toxicity). EPA còn cho biết, trong bùn đỏ có thể chứa các thành phần độc hại như: - Độ kiềm trong bùn đỏ cao ngăn chặn sự phát triển của cây cối, có khả năng làm chúng bị chết khô.