Nghiên cứu dùng Polydadmac hạn chế tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu sử dụng polydadmac để hạn chế phản ứng tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp

• Tác giả: Trần Thị Chinh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Mạnh Khải
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu sử dụng Polydadmac để hạn chế phản ứng tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bùn đỏ và vấn đề tán keo

Bùn đỏ là phụ phẩm chính của quá trình khai thác và chế biến quặng bauxit, được phát sinh với số lượng lớn tại các nhà máy luyện alumin. Việt Nam hiện là một trong những nước có trữ lượng quặng bauxit lớn nhất thế giới, với khoảng 5,50 tỷ tấn quặng được xác định. Mỗi tấn alumin được sản xuất sẽ tạo ra từ 1-2,5 tấn bùn đỏ. Thành phần chính của bùn đỏ gồm cát, sét và limon, trong đó thành phần sét chiếm tỷ lệ đáng kể. Vấn đề tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ gây ra những khó khăn lớn trong quá trình xử lý, bãi thải và tận dụng. Hiện tượng này làm ảnh hưởng đến khả năng lắng đọng của bùn, tăng chi phí xử lý và gây ô nhiễm môi trường nước.

1.1. Nguồn gốc và thành phần của bùn đỏ

Bùn đỏ phát sinh từ quy trình chiết xuất alumin từ quặng bauxit bằng phương pháp Bayer. Thành phần hóa học chủ yếu bao gồm Fe₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, CaO và TiO₂. Cấp hạt sét trong bùn đỏ gồm các khoáng vật như feldspar, mô lít, goethit và các oxit sắt. Những thành phần này có tính chất colloidal, dễ phân tán trong nước, tạo ra tính keo cao, khiến bùn đỏ khó lắng đọng tự nhiên.

1.2. Đặc tính keo và ảnh hưởng môi trường

Đặc tính keo của bùn đỏ xuất phát từ điện tích bề mặt âm của các hạt sét, tạo ra lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt. Hiện tượng tán keo khiến các hạt sét không tập hợp thành những cụm lớn hơn, do đó không lắng đọng tốt. Điều này gây ô nhiễm nước, làm giảm độ trong suốt, cản trở ánh sáng và ảnh hưởng đến các hệ sinh thái thuỷ sinh, cũng như gây khó khăn trong tận dụng bùn đỏ.

II. PolyDADMAC Chất gom tụ hiệu quả

PolyDADMAC (Poly(diallyldimethylammonium chloride)) là một polyelelectrolyte dương có cấu trúc phân tử gồm các nhóm điạllyldimethylammonium mang điện tích dương. Chất này được tổng hợp từ dimethylamine và allyl chloride thông qua phản ứng hóa học. PolyDADMAC là một trong những chất gom tụ và kết tủa được sử dụng phổ biến nhất trong xử lý nước và môi trường đất. Cơ chế hoạt động của polyDADMAC dựa trên khả năng trung hòa điện tích bề mặt của các hạt sét, từ đó giảm lực đẩy tĩnh điện, cho phép các hạt tập hợp thành những cụm lớn hơn có thể lắng đọng nhanh chóng.

2.1. Đặc điểm cấu trúc và tính chất hóa học

PolyDADMAC có cấu trúc dạng chuỗi dài với các nhóm diallyldimethylammonium mang điện tích dương (+). Tính chất chính của polyDADMAC bao gồm: khối lượng phân tử cao (300,000-1,000,000 g/mol), tính gom tụ mạnh, độ tan cao trong nước. Với tính polycationic, polyDADMAC có khả năng trung hòa điện tích của các colloidal mang điện âm như bùn đỏ.

2.2. Cơ chế gom tụ bùn sét

PolyDADMAC hoạt động thông qua quá trình hấp phụ lên bề mặt các hạt sét mang điện âm, làm trung hòa hóa điện tích của chúng. Quá trình này giảm thế ζ (zeta potential) từ giá trị âm xuống gần 0, loại bỏ lực đẩy tĩnh điện. Kết quả là các hạt sét tập hợp thành những cụm kết tủa lớn, có khả năng lắng đọng nhanh chóng, cải thiện độ trong suốt của nước và dễ dàng tách riêng bùn.

III. Ứng dụng polyDADMAC trong xử lý bùn đỏ

Trong quá trình xử lý và tận dụng bùn đỏ, việc sử dụng polyDADMAC đã chứng tỏ hiệu quả cao trong việc hạn chế tán keo của thành phần sét. Khi thêm polyDADMAC với nồng độ thích hợp vào mẫu bùn đỏ, độ trong suốt của dung dịch tăng đáng kể, cho thấy sự lắng đọng nhanh của các hạt sét. Nghiên cứu của Trần Thị Chinh tại Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội đã chỉ ra rằng polyDADMAC không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường, không tạo ra các chất phụ phẩm độc hại. Ứng dụng này giúp giảm chi phí xử lý bùn đỏ, cải thiện quản lý chất thải và bảo vệ chất lượng nước ngầm tại các khu vực có bãi thải bùn đỏ.

3.1. Kết quả thí nghiệm gom tụ polyDADMAC

Các thí nghiệm sử dụng polyDADMAC trên mẫu bùn đỏ từ Tân Rai, Lâm Đồng cho thấy: thế ζ giảm từ -40 mV xuống -10 mV khi nồng độ polyDADMAC tăng đến 0,5 mM; độ trong suốt (transmittance - T%) tăng từ 10% lên 70% hoặc cao hơn. Hiệu quả gom tụ cao nhất đạt được ở nồng độ polyDADMAC từ 0,3-0,5 mM, với thời gian lắng đọng rút ngắn đáng kể.

3.2. Tác động của các yếu tố lý hóa học

Nghiên cứu cho thấy Al và Si hòa tan trong bùn đỏ ảnh hưởng lớn đến khả năng tán keo của sét. Khi loại bỏ Fe khỏi mẫu bùn, hiệu quả của polyDADMAC tăng lên. Al hòa tan làm tăng tính keo, còn Si hòa tan có ảnh hưởng phức tạp hơn. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc chọn nồng độ polyDADMAC phù hợp tùy theo thành phần hóa học cụ thể của bùn đỏ.

IV. Cơ chế tác động và ứng dụng thực tiễn

PolyDADMAC tác động đến đặc tính keo của sét trong bùn đỏ thông qua ba cơ chế chính: (1) trung hòa hóa điện tích - các chuỗi polycationic hấp phụ lên bề mặt sét âm, giảm thế ζ; (2) cấu tạo cầu - các phân tử dài của polyDADMAC liên kết giữa các hạt sét, tạo cụm lớn; (3) adsorption lớp dày - tạo lớp polymer bao quanh hạt sét. Các cơ chế này diễn ra đồng thời, khiến polyDADMAC trở thành giải pháp hiệu quả, kinh tế và bền vững cho xử lý bùn đỏ. Ứng dụng thực tiễn của polyDADMAC có thể giúp cải thiện khả năng lắng đọng bùn, giảm ô nhiễm nước, tạo điều kiện tốt hơn cho tận dụng bùn đỏ trong xây dựng, sản xuất gạch hoặc sản xuất xi măng.

4.1. Cơ chế trung hòa điện tích bề mặt

Khi polyDADMAC được thêm vào bùn đỏ, các nhóm diallyldimethylammonium mang điện dương sẽ hấp phụ lên bề mặt các hạt sét mang điện âm. Quá trình này trung hòa hóa điện tích của sét, làm giảm thế ζ từ giá trị âm cao đến gần không hoặc dương. Sự giảm thế ζ này làm yếu đi lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt, cho phép chúng lại gần nhau hơn.

4.2. Ứng dụng thực tiễn và lợi ích kinh tế

Sử dụng polyDADMAC trong xử lý bùn đỏ mang lại nhiều lợi ích: giảm chi phí xử lý nước, cải thiện hiệu quả lắng đọng, bảo vệ môi trường nước, tạo điều kiện tốt cho tái sử dụng bùn. PolyDADMAC an toàn, không độc, và thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Việt Nam là một trong những nước có tiềm năng lớn về quặng bauxit trong khu vực và trên thế giới. Tổng trữ lượng quặng bauxit đã được xác định và tài nguyên dự báo khoảng 5,50 tỷ tấn, tập trung chủ yếu ở khu vực Tây Nguyên. Hiện tại, nước ta có hai nhà máy đang khai thác quặng bauxit và chế biến alumin bao gồm Tân Rai (Lâm Đồng) và Nhân Cơ (Đắk Nông) với công suất hiện tại khoảng 650.000 LVTHS Khoa học nghiên cứu tấn/năm/nhà máy. Bùn đỏ là chất thải chính của công đoạn xử lý quặng bauxit theo phương pháp Bayer, trong đó có sử dụng kiềm để hòa tan và tách Al.

Với công nghệ sản xuất hiện tại, cứ mỗi tấn alumin được tạo ra sẽ đi kèm với 1,20 – 1,30 tấn bùn đỏ (MTA, 2006). Do tính kiềm cao, dung dịch chứa bùn đỏ thường có độ nhớt lớn, các thành phần oxit và hydroxit tồn tại ở trạng thái phân tán nên khi có sự cố, đặc biệt là sự cố tràn và vỡ đập phát tán bùn đỏ ra môi trường tự nhiên sẽ khó kiểm soát và thu hồi lượng chất thải này. Hiện nay, các nước trên thế giới cũng chưa có biện pháp nào để xử lý triệt để được vấn đề bùn đỏ. Giải pháp xử lý tạm thời của các quốc gia là chôn lấp để hạn chế ô nhiễm môi trường (Sutar và nnk, 2014).

Tuy nhiên, giải pháp này không làm thay đổi bản chất và đặc tính vốn có của bùn đỏ (độ nhớt, độ phân tán) nên vẫn tiềm ẩn nhiều nguy cơ từ loại hình xử lý này. Bên cạnh đó, bùn đỏ là một trong những chất thải nghiêm trọng nhất liên quan đến nhà máy sản xuất alumin, do vậy nếu không xử lý đúng cách những sự cố lớn vẫn xuất hiện ở khắp nơi trên thế giới. Điển hình là sự cố vỡ đập chứa bùn ở Hungary năm 2010 làm gần 1 triệu m 3 bùn đỏ tràn ra môi trường gây thiệt hại nặng nề cho môi trường và sức khỏe của cư dân địa phương (Gura, 2010). Bất chấp những nỗ lực trong phòng ngừa sự cố và ô nhiễm môi trường từ hoạt động khai thác bauxit, nhân loại vẫn chứng kiến nhiều thảm họa liên quan đến bùn đỏ (vỡ đập bùn đỏ ở Úc, Hungary…).

Điều này cho thấy vẫn cần sự quan tâm đặc biệt của cộng đồng khoa học nhằm giải quyết triệt để hơn những nguy cơ ô nhiễm môi trường liên quan đến bùn đỏ và sản xuất bauxit. Thời gian gần đây, bùn đỏ được nghiên cứu nhiều hơn về hướng tận dụng để phục vụ cho công nghiệp xúc tác hoặc sử dụng làm vật liệu xử lý ô nhiễm. Tuy 1 nhiên có khá ít nghiên cứu giải quyết những vấn đề liên quan đến hóa học và đặc điểm điện động học bề mặt của bùn đỏ. Đặc điểm điện động học được quyết định bởi hóa học bề mặt, là yếu tố cơ bản quyết định khả năng hấp phụ của bùn đỏ, và đặc biệt quyết định đến đặc tính keo của bùn đỏ (Gräfe và nnk, 2011).

Nghiên cứu về ảnh hưởng của các ion hay polyion hữu cơ đến mối quan hệ giữa đặc điểm điện động học và đặc tính keo của bùn đỏ còn hạn chế. Mặt khác, hợp chất này cũng đã được sử dụng để xử lý nước thải nhờ phản ứng tạo phức và trợ lắng của nó với các anion trong dung dịch (Wilson và nnk, 2002). Trong môi trường kiềm của bùn thải các oxit Fe, Al và Si đều mang điện tích âm, do đó có thể giả thiết về sự hình thành các liên kết tĩnh điện của các oxit với PD. Những liên kết này sẽ làm giảm điện tích âm bề mặt, giảm lớp vỏ hydrat hóa, giúp cho các hạt có thể tiếp cận nhau nhờ lực Van der Waals và thúc đẩy quá trình phản ứng tụ keo của bùn đỏ.

Như vậy, với những lý do kể trên, đề tài “Nghiên cứu sử dụng polyDADMAC để hạn chế phản ứng tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ” đã được thực hiện với các mục tiêu cụ thể như sau: 1. Đánh giá được mối quan hệ giữa độ kiềm với đặc điểm điện tích bề mặt và khả năng phân tán của cấp hạt sét trong bùn đỏ. Xác định được khả năng hấp phụ và ảnh hưởng của polyDADMAC (một polycation hữu cơ) đối với điện tích trên bề mặt và phản ứng keo tụ của cấp hạt sét trong bùn đỏ. Đề xuất được cơ chế biến đổi đặc tính bề mặt cấp hạt sét trong bùn đỏ dựa trên việc sử dụng polyDADMAC để xử lý.

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 LVTHS Khoa học nghiên cứu 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 LVTHS Khoa học nghiên cứu 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. 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 LVTHS Khoa học nghiên cứu 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 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 LVTHS Khoa học nghiên cứu 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.