MỞ ĐẦU Trong những năm qua, công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã đưa nền kinh tế đất nước ta có những bước phát triển đáng kể. Tuy nhiên, đồng hành với sự phát triển này cũng kéo theo nhiều hệ lụy ảnh hưởng đến môi trường sinh thái chúng ta, tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt, môi trường thì ô nhiễm một cách nghiêm trọng, đặc biệt là các loại chất thải rắn như chất thải sinh hoạt, chất thải công nghiệp, nông nghiệp… Bùn đỏ là bã thải trong quá trình sản xuất oxit nhôm đi từ boxit theo phương pháp Bayer. Việc xử lý bùn đỏ đang là mối quan tâm của rất nhiều quốc gia trên thế giới đặc biệt là những quốc gia sản xuất nhôm. Tại Việt Nam, chỉ tính riêng nhà máy sản xuất Alumin Nhân Cơ-Tây Nguyên, phần đuôi quặng nước thải và bùn thải có khối lượng 11 triệu m3/năm, tổng diện tích hồ thải sau 15 năm khoảng 8,7 triệu m3.
Với dự án Tân Rai, lượng bùn đỏ thải ra môi trường trong suốt quá trình dự án Tân Rai hoạt động là 80 ÷ 90 triệu m3, nhưng tổng diện tích hồ chứa của dự án chỉ có 20,25 triệu m3. Như vậy, cùng với sự phát triển xây dựng và vận hành các nhà máy nhôm ở Việt Nam, sẽ thải ra một lượng chất thải bùn đỏ rất lớn, chiếm một diện tích đất rất lớn để tồn trữ và là gánh nặng về môi trường, tác động đáng kể đến hệ sinh thái và xã hội. Do trong thành phần hóa học của bùn đỏ có chứa kiềm, dễ ngấm xuống đất gây ô nhiễm nguồn nước, thoái hóa đất trồng hoặc trong thành phần có thể có chất phát phóng xạ…rất khó lưu giữ và quản lý. Vì vậy, hiện nay có rất nhiều giải pháp khoa học đang được đưa ra để xử lý vấn đề môi trường do bùn đỏ gây ra.
Trên thế giới đã và đang có rất nhiều nghiên cứu về bùn đỏ như thu hồi kim loại từ bùn đỏ, tái sử dụng bùn đỏ làm các vật liệu để sản xuất xi măng, gạch block, gạch nung, xây dựng đường cao tốc, sản xuất vật liệu công năng. Thời gian gần đây, bùn đỏ còn được nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi môi trường, đây là một hướng đi hết sức có ý nghĩa. Các nhà nghiên cứu đã tận dụng đặc điểm của bùn đỏ là có diện tích bề mặt lớn, khả năng trao đổi ion cao để chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải. Ở Việt Nam, do ngành công nghiệp chế biến nhôm 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mới phát triển nên các công trình nghiên cứu về tái sử dụng bùn đỏ thành vật liệu xây dựng vẫn còn hạn chế.
Với mục đích sử dụng bùn đỏ cùng với một số phối liệu khác như cao lanh, tro bay làm gạch không nung đang là một hướng đi mới, không những mang lại giá trị kinh tế cao mà còn góp phần làm giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý đóng rắn bùn đỏ Alumina- Tây Nguyên bằng công nghệ Geopolyme định hướng làm vật liệu không nung”. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1.1 Giới thiệu về bùn đỏ 1.1 Khái niệm Bùn đỏ là tên gọi của chất thải từ quá trình hòa tách khoáng sản alumin ngậm nước của boxit theo phương pháp Bayer. Hiện nay, khoảng 90% alumin trên thế giới được sản xuất bằng công nghệ Bayer (sáng chế của Bayer năm 1887) [6], đây là công nghệ thủy luyện. Quá trình sản xuất Alumina thực chất là quá trình làm giàu Al2O3 nhằm tách lượng Al2O3 trong boxit ra khỏi các hợp chất khác.
Trong boxit có đến 30÷54% là Al2O3, phần còn lại là các silica, oxit Fe, TiO2. Alumin (Al2O3) phải được tinh chế trước khi có thể sử dụng để điện phân sản xuất ra nhôm kim loại. Trong quy trình Bayer, boxit bị chuyển hóa bởi dung dịch NaOH nóng đến 1750C để trở thành hydroxyt nhôm, Al(OH)3 tan trong dung dịch hydroxyt theo phản ứng: Al2O3 + 2OH− + 3H2O → 2[Al(OH)4]− Các thành phần khác không hòa tan theo phản ứng trên sẽ được lọc và loại bỏ ra khỏi dung dịch tạo thành bã thải màu đỏ và đó chính là bùn đỏ. Chính thành phần bùn đỏ này gây nên vấn đề môi trường liên quan đến đổ thải.
Tiếp theo, dung dịch hydroxyt được làm lạnh và hydroxyt nhôm ở dạng hòa tan phần lắng tạo thành một dạng chất rắn, bông, có màu trắng. Khi nung nóng lên tới 10500C (quá trình canxi hóa), hydroxyt nhôm phân hủy vì nhiệt trở thành alumin và giải phóng hơi nước 2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O Về cơ bản trong bùn đỏ vẫn là các nguyên tố có trong thành phần boxit không hòa tan trong kiềm như Ga, Vanadi, P, Nikel, Cr, Mg và có thêm thành phần Na hoặc Ca [7]. Khối lượng và chất lượng bùn đỏ rất khác nhau tại các nhà máy luyện alumin khác nhau. Để hiểu rõ hơn về bản chất của bùn đỏ người ta thường tách nó ra thành hai pha: pha rắn và pha lỏng để phân tích.
- Pha rắn: được đặc trưng bởi các yếu tố chính như thành phần hóa học, khoáng vật, cỡ hạt,.; + Thành phần hóa học: theo báo cáo tổng hợp của UNIDO, tài liệu chuyển giao cho Việt Nam trong khuôn khổ dự án DPVIE 85-006. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + Thành phần khoáng vật: về định tính thì tương tự như thành phần của boxit nhưng thay đổi về định lượng và có thêm hai pha mới là Na2O.nH2O và hợp chất có thành phần dao động của CaO với các cấu tử Al2O3, Na2O và SiO2. + Thành phần hạt: cỡ hạt từ mịn đến rất mịn (do Bauxite khi đem đưa vào hòa tách phải nghiền đến cỡ hạt nhỏ, tỏng quá trình cũng tự vỡ vụn), đa phần có cấp hạt 100% dưới sàng 100 µm, bùn đỏ (bauxite Jamaica) dưới sàng 44 µm tới 90 %. Thành phần khoáng học và hoá học cũng như đặc tính vật lý của bùn đỏ từ các nhà máy luyện alumin trên thế giới được nêu ở các bảng dưới đây [8].
Thành phần hóa học của các loại bùn đỏ, (%) [8] Nhiệt Boké Weipa Tromnetas South Darling Iszka Pamasse độ hòa (Guinea) (Úc) (Brasil) Manchester Range (Hungary) (Hi tách (Jamaica) (Úc) Lạp) (0C) 240 240 143 245 143 240 260 Al2O3 14,0 17,2 13,0 10,7 14,9 14,4 13,0 SiO2 7,0 15,0 12,9 3,0 42,6 12,5 12,0 Fe2O3 32,1 36,0 52,1 61,9 28,0 38,0 41,0 TiO2 27,4 12,0 4,2 8,1 2,0 5,5 6,2 Na2O 4,0 9,0 9,0 2,3 1,2 7,5 7,5 CaO 3,2 - 1,4 2,8 2,4 7,6 10,9 Khác 2,3 3,5 1,0 2,8 2,4 4,9 2,3 MKN 10,0 7,3 6,4 8,4 6,5 9,6 7,1 Bảng 1. Thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ [8] STT Thành phần hóa học Tỉ lệ (%) 1 Al2O3 5÷25 2 SiO2 1÷20 3 Fe2O3 25÷60 4 TiO2 1÷10 5 CaO 2÷8 6 Na2O 1÷10 7 MKN (H2O liên kết) 5÷15 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Thành phần khoáng hóa của các loại bùn đỏ [8]. Hợp chất Boké Weipa Tromnetas South Darling Iszka Pamasse (%) (Guinea) (Úc) (Brasil) Manchester Range (Hungary) (Hi (Jamaica) (Úc) Lạp) Gibbsite - 33,0 - 33,0 5,6 - - Hematite 20,0 3,5 38,0 3,5 14,5 33,0 38,0 Goethite 16,0 18,0 19,0 10,0 14,5 6,0 1,0 Cancrinite - 22, 16,0 SAHS 21,0 27,0 27,0 27,0 5,4 - Sodalite - - - - - 10,0 10,0 Illite - 2,0 - 2,0 4,7 - - Boehmite 5,0 2,0 0,6 2,0 3,5 0,8 0,6 Diaspore 1,2 - 1,2 2,0 2,5 0,7 0,6 Ca-Al-Si - - - - 1,7 12,5 10,0 CaTiO2 2,0 - 1,5 - - 7,0 10,0 Calcite 4,6 0,5 1,4 0,5 2,3 3,0 3,6 Quartz - 6,0 2,2 6,0 37,1 - - Anatase 7,0 2,0 2,5 2,0 1,0 - - Rutile 19,0 6,0 0,8 6,0 - - - Na- 2,0 - - - 0,6 - - Titanates Magnetite - - - - 1,3 - - Chamosite - - - - - - 0,6 Ilmenite - - - - 1,0 - - Khác 2,2 - 5,8 3.4 5,0 3,7 - Pha lỏng của bùn đỏ được đặc trưng bởi thành phần hóa học của 3 cấu tử Na2Ot (NaOH + Na2CO3), Na2Oc (NaOH) và Al2O3.
Cũng theo tài liệu đã dẫn ở trên, thành phần hóa học của pha lỏng có thể dao động như sau: (Na2Ot= 0,6÷8,0 g/l; Na2Oc= 0,5÷6,0 g/l. Như vậy, bùn ở pha rắn có Na2O ở dạng liên kết còn ở pha lỏng Na2O ở dạng tự do (NaOH). Na2O ở pha rắn ít độc hại hơn khi ở trong pha lỏng. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ngoài ra, độ kiềm trong bùn đỏ được tích lũy do phương pháp xử lý và lưu trữ để tận thu kiềm lên độ kiềm ở mức rất cao lên đến pH >13 ảnh hưởng tới môi trường nghiêm trọng nếu không được thu gom, cách ly.
Đặc biệt dung dịch này sẽ thấm vào đất, ảnh hưởng tới cây trồng, xâm nhập vào mạch nước ngầm gây ô nhiễm nguồn nước. Phần bùn thải khô là các hạt bụi mịn nhỏ (< 60% là các hạt có kích thước < 1µm) nên dễ phát tán vào không khí gây ô nhiễm môi trường, gây ra các bệnh về da và mắt. Nước thải khi tiếp xúc với da làm mất đi lớp nhờn, làm da khô ráp, sần sùi, đau rát, có thể sưng tấy, loét mủ.2 Hiện trạng phát thải bùn đỏ ở một số quốc gia trên thế giới và Việt Nam. Song song với các hoạt động khai thác quặng Boxit là tình trạng suy giảm tài nguyên và ô nhiễm môi trường.
Đặc biệt là vấn đề xả thải bùn đỏ có nguy cơ ảnh hưởng xấu đến nguồn nước ngầm, nước mặt, phá hủy môi trường sinh thái và sức khỏe người dân địa phương. Thông thường sản xuất ra một tấn nhôm oxit sẽ thải ra 0,5 ÷ 1,5 tấn bùn đỏ. Thế giới mỗi năm sản sinh ra khoảng 80 triệu tấn bùn đỏ và lượng bùn đỏ có tích trữ lớn nhất nằm tại Trung Quốc, năm 2010 lượng bùn đỏ sản sinh ra tại Trung Quốc là trên 30 triệu tấn, và tại thời điểm hiện tại đã đạt tới 200 triệu tấn, dự kiến đến năm 2015 bùn đỏ tích lũy của Trung Quốc vào khoảng 350 triệu tấn[45]. Ở Việt Nam, theo tính toán, nhà máy alumin Nhơn Cơ với công suất 650.000 tấn/năm sẽ thải ra 1.000 tấn bùn đỏ/năm, nhà máy Tân Rai công suất 650.000 tấn/năm sẽ thải ra 1.
Theo đà phát triển như vậy, tính đến năm 2025 thì lượng bùn đỏ thải ra là 15 triệu tấn đối với nhà máy Tân Rai và 12 triệu tấn đối với nhà máy Nhơn Cơ. Theo tập đoàn than và khoáng sản Việt Nam, quy hoạch phát triển bauxit ở Tây Nguyên đến năm 2015, mỗi năm sản xuất khoảng 7 triệu tấn, tương đương với việc cho ra 10 triệu tấn bùn đỏ.