MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Xỉ thép tại Việt Nam được xếp vào loại chất thải rắn với khối lượng phát thải tương đối lớn (chiếm 30 – 40% khối lượng thép thành phẩm) do sự phát triển gia tăng trong hoạt động sản xuất gang thép tại Việt Nam[1]. Do đó, chi phí xử lý, vận chuyển cũng như diện tích xử lý cũng sẽ trở thành gánh nặng cho công tác bảo vệ môi trường. Việc tìm ra khả năng tái chế, tái sử dụng thép cho các mục đích như vật liệu xây dựng hay bảo vệ xử lý môi trường sẽ phần nào giải quyết gánh nặng nói trên.
Trong kỹ thuật xử lý nước thải bằng hấp phụ, việc lựa chọn vật liệu hấp phụ sẽ ưu tiên xét những tiêu chí về đặc tính kỹ thuật như độ xốp, diện tích bề mặt như than hoạt tính, hoặc có thành phần khoáng như đá ong và zeolite. Bên cạnh đó, những tiêu chí như giá thành vật liệu, nguồn gốc từ tái sử dụng hay tái chế, thân thiện với môi trường cũng được xem xét để giảm chi phí xử lý và giảm lượng phát thải ra môi trường. Xỉ lò cao với các tính chất như độ xốp cao, diện tích bề mặt tương đối lớn, và thành phần khoáng từ nhiều oxit kim loại rất có tiềm năng để tái sử dụng trở thành vật liệu hấp phụ. Mặt khác, nước thải sản xuất bột giấy được biết có chứa hàm lượng lớn các chất thải hữu cơ khó phân huỷ (POPs)[2].
Do đặc tính bền và không phân hủy sinh học, các hợp chất này luôn chiếm tới 40% tổng hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải từ các ngành công nghiệp sản xuất bột giấy[3]. Các chất ô nhiễm này có khả năng huỷ hoại hệ thống thủy sinh, gây ô nhiễm chuỗi thức ăn thông qua các loài cá bị ô nhiễm, và gây ra các triệu chứng về da liễu khi tiếp xúc. Một loạt các kỹ thuật để loại bỏ hợp chất hữu cơ có độc tính cao đã thu hút sự chú ý đáng kể. Một số nghiên cứu đã được thực hiện để khảo sát việc loại bỏ COD thông qua hấp phụ, chủ yếu tập trung vào việc sử dụng than hoạt tính làm chất hấp phụ.
Tuy nhiên, vẫn còn ít thông tin về khả năng hấp phụ của các vật liệu thứ cấp như xỉ thép đối với ô nhiễm hữu cơ. Trên cơ sở đó, đề tài được lựa chọn có tên: “Nghiên cứu sử dụng xỉ thép để xử lý COD từ nước thải sản xuất giấy” với mục đích tái sử dụng xỉ 1 thép làm vật liệu hấp phụ xử lý COD để cải thiện chất lượng nước sau xử lý từ ngành sản xuất giấy, bột giấy. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: - Chế tạo vật liệu hấp phụ COD từ xỉ thép biến tính - Khảo sát, đánh giá khả năng hấp phụ COD của vật liệu xỉ thép bằng kỹ thuật hấp phụ. Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan về tình hình ô nhiễm COD và các phương pháp xử lý COD trong môi trường nước thải giấy.
- Thực nghiệm biến tính xỉ thép bằng NaOH. - Thực nghiệm đánh giá, khảo sát khả năng hấp phụ COD của vật liệu xỉ thép biến tính bằng NaOH. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Bước đầu nghiên cứu và chế tạo được vật liệu xỉ lò cao biến tính và đánh giá được khả năng hấp phụ COD của vật liệu xỉ thép. Ý nghĩa thực tiễn: Từ các kết quả của luận văn, có thể chế tạo xỉ thép biến tính định hướng ứng dụng xử lý ô nhiễm COD trong nước thải trong nghành sản xuất giấy.
Nghiên cứu tổng hợp một vật liệu tương đối mới, chi phí thấp, hướng đến giải quyết một vấn đề bức thiết trong xử lý ô nhiễm môi trường. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ XỈ THÉP 1. Sự hình thành và đặc tính của xỉ thép Xỉ thép là phế thải của ngành công nghiệp luyện gang thép, thải phẩm ở dạng hạt có đường kính 10 ÷ 200 mm.
Đây là sản phẩm phụ của quá trình luyện quặng oxit sắt thành gang. Trong năm 2018 ngành công nghiệp luyện thép thế giới đạt sản lượng 1808 triệu tấn, tương đương với lượng xỉ thép đi kèm vào khoảng 181-271 triệu tấn [4]. Xỉ thép chiếm gần nửa tổng khối lượng sắt thép tạo ra, thường được tái chế làm xi măng, làm đường, thuỷ lợi, bồi đắp công trình, phân bón và các ứng dụng khác. Tại Đài Loan, khoảng 1.5 triệu tấn xỉ thép được sinh ra mỗi năm, và hầu hết được tái chế làm cốt liệu nhựa đường và vật liệu đắp nền [4].
Tại Việt Nam, xỉ thép đang phát thải với khối lượng tăng nhanh chóng trong những năm gần đây và những năm sắp tới. Năm 2016, các cơ sở sản xuất gang, thép trong nước đạt sản lượng 2,6 triệu tấn gang và 7,0 triệu tấn phôi thép. Để sản xuất một tấn thép thải ra từ 0,15 ÷ 0,2 tấn xỉ luyện thép. Theo tính toán, năm 2020 khi các dự án sản xuất gang, thép lớn đi vào hoạt động, lượng xỉ tạo ra có thể đạt 5 – 7 triệu tấn, đến năm 2025 có thể đạt 10 triệu tấn.
Các bãi chất thải rắn này chiếm diện tích rất lớn và có tác động lớn đến chất lượng môi trường do hàm lượng bụi, rỉ sét và kim loại nặng lớn. Vì vậy, đòi hỏi phải có các giải pháp để thúc đẩy việc xử lý, tái chế và sử dụng nhằm hạn chế việc tồn chứa gây tốn diện tích bãi chứa và ảnh hưởng đến môi trường. Hiện nay, việc tái chế, tái sử dụng xỉ thép đã được ứng dụng làm chất độn xi măng hoặc cốt liệu san lấp nền hay cốt liệu cho bê tông nhựa đường [5]. Cốt liệu xỉ thép làm san lấp nền giúp cải thiện cơ tính và độ bền nhờ phản ứng kết dính khi gặp nước và bùn.
Tuy nhiên tình hình ứng dụng thực tế lại không tận dụng được hết tính chất do các quy chuẩn và khoa học vật liệu. Hơn 90% lượng xỉ vẫn đang tồn đọng trong bãi thải hoặc chôn lấp tại chỗ trong các nhà máy. Trong quặng sắt thường có lẫn những tạp chất sét và cát nên một hàm lượng đá vôi thường được cho thêm vào lò nung trong quá trình sản xuất. Trong quá trình nung, giữa quặng sắt và đá vôi có phản ứng tạo thành các hợp 3 chất silicat canxi, silicat alumin và silicat alumintae, canxi, magie.
Xỉ thép được nấu chảy ở nhiệt độ 1400 – 1500oC. Ở nhiệt độ này các hợp chất nóng chảy hoàn toàn. Khối lượng riêng của các hợp chất nóng chảy này nhỏ hơn so với gang nên nổi lên, được tháo ra ngoài và gọi là xỉ [6]. Để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất trong quá trình luyện thép, lượng xỉ thải ra trong quá trình này sẽ chiếm khoảng 15% khối lượng sản phẩm [5].
* Tính chất vật lý: - Diện tích bề mặt xỉ thép rất nhỏ (từ 0,5 đến 6,65 m 2/g) so với các chất khác (cacbon hoạt tính: 800 – 1200 m2/g, zeolite: 100 – 900 m 2/g, silicagel: 60 – 200 m2/g). - Đường kính mao quản của xỉ thép: 2 – 50 nm * Tính chất hóa học của xỉ thép: - Thành phần hóa học chính của xỉ thép gồm có: oxit silic, oxit nhôm, oxit canxi và oxit magie – chiếm khoảng 95% tổng thành phần. Hàm lượng CaO chiếm 30 – 45%, SiO2 chiếm 24 – 45%, Al2O3 chiếm 8 – 22%, MgO chiếm 3 – 16%, MnO chiếm 6 – 11% và Fe tổng với hàm lượng < 2% trong xỉ thép. - Thành phần khoáng vật: Khoáng vật điển hình của xỉ cục bao gồm các dung dịch rắn của các oxit canxi, silic, nhôm, magie.
Thành phần khoáng vật của xỉ hạt là vô định hình. - Khối lượng riêng của xỉ cục trong khoảng 2,45 – 2,55 g/cm3, xỉ hạt trong khoảng 2,25 – 2,96 g/cm3 - Khối lượng thể tích xốp của xỉ cục với cấp hạt 20 mm trong khoảng 1100 - 1300 kg/m3, của xỉ hạt với cấp hạt 0 - 5 mm trong khoảng 700 - 1300 kg/m3. Các ứng dụng của xỉ thép Do lượng xỉ thép và xỉ thép thải ra mỗi năm là quá lớn, nên việc chôn lấp trở nên rất khó khăn do quỹ đất eo hẹp cùng với áp lực chi phí vận chuyển chôn lấp nên đã có nhiều ứng dụng để tái sử dụng chất thải này. Do đó, một 4 số nghiên cứu và phát triển đã được tiến hành để xác định khả năng sử dụng xỉ trong các ứng dụng khác nhau.
Tuy nhiên, có thể có rủi ro là các thành phần khác nhau của xỉ có thể rửa giải, đặc biệt là đối với kim loại nặng. Vì vậy, cần phải kiểm tra phế liệu luyện kim này theo những cách thích hợp. Các ứng dụng điển hình của xỉ thép là cốt liệu bịt kín (chống trượt), cốt liệu nhựa đường, nền, nền phụ, lấp đầy công trình, cống rãnh dưới đất, phun cát và xử lý nước thải. Các ứng dụng của xỉ thép trong các ngành công nghiệp khác nhau gồm có: làm đường, sản xuất xi măng, phân bón, đắp thuỷ lợi, luyện kim, xử lý nước thải, hấp phụ photpho,… [7] Trong ngành công nghiệp xi măng và bê tông, xỉ có thể được sử dụng làm cốt liệu hoặc chất kết dính trong các lớp nền ổn định.
Để bảo tồn tài nguyên thiên nhiên và giảm tác động đến môi trường, xỉ có thể được sử dụng làm tổng hợp. Để giảm nhu cầu về xi măng vốn đắt đỏ, xỉ được thay thế và sử dụng làm chất kết dính. Vì những ưu điểm này, nhiều nhà nghiên cứu đã kiểm tra việc bổ sung hàm lượng xỉ vào xi măng và bê tông. Việc bổ sung xỉ vào xi măng tạo ra một số ưu điểm kỹ thuật quan trọng so với xi măng poóc lăng thông thường.
Những lợi ích này có thể được liệt kê như sự phát triển của độ bền cơ học, độ hòa tan thấp của hydrat và độ xốp, nhiệt độ hydrat hóa thấp hơn, độ bền tuyệt vời và giao diện cốt liệu - ma trận mạnh hơn. Tuy nhiên, có một số nhược điểm như độ co ngót cao, hình thành các vết nứt siêu nhỏ và đông kết nhanh. Các sản phẩm phụ công nghiệp như xỉ thép có thể được sử dụng thay cho cốt liệu tự nhiên để ngăn chặn sự cạn kiệt tài nguyên. Hàng triệu tấn cát, đá mài và đá dăm đã được khai thác từ các mỏ do xây dựng đường giao thông.
Xỉ thép đã được coi là vật liệu xây dựng thay thế về mặt kỹ thuật, kinh tế và nhiều lợi ích về môi trường có được. Do đặc tính nổi bật của xỉ thép, nó là một loại cốt liệu lý tưởng để làm vật liệu nhựa đường và xử lý mặt đường.