BÁO cáo tốt NGHIỆP (6)

Nghiên cứu thành phần, tính chất của bùn đỏvà định hướng ứng dụng trong lĩnh vực môi trường Trần Mạnh Hùng Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS.. Xác định thành phần và cấu trúc

Nghiên cứu thành phần, tính chất của bùn đỏ

và định hướng ứng dụng trong lĩnh vực

môi trường Trần Mạnh Hùng

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS ngành: Hoá phân tích; Mã số: 60 44 29

Người hướng dẫn: TS Vũ Đức Lợi

Năm bảo vệ: 2012

Abstract Phân tích thành phần của bùn đỏ thô Xác định thành phần và cấu trúc pha

của mẫu bùn đỏ bằng phương pháp nhiễu xạ tia X Nghiên cứu các điều kiện để hoạthóa bùn đỏ Nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ photphat của bùn đỏ sau khiđược hoạt hóa Xử lý và đánh giá kết quả thực nghiệm

Keywords Hóa học; Hoá phân tích; Bùn đỏ

Content

MỞ ĐẦU

Bauxit là một trong những khoáng sản phổ biến trên bề mặt Trái đất để chế biến thànhnhôm kim loại và là một trong những nguồn tài nguyên khoáng sản có trữ lượng rất lớn củaViệt Nam Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất chưa đầy đủ, ở nước ta khoáng sản Bauxitphân bố rộng từ Bắc đến Nam với trữ lượng khoảng 5,5 tỷ tấn quặng nguyên khai, tươngđương với 2,4 tỷ tấn quặng tinh; tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên (chiếm 91,4%), trong đóĐăk Nông 1,44 tỷ tấn (chiếm 61%) So với các mỏ Bauxit trên thế giới, Bauxit ở Việt Namđược đánh giá có chất lượng trung bình

Bùn đỏ là bã thải của quá trình sản xuất nhôm từ quặng bauxit theo phương phápBayer Do tính kiềm cao và lượng bùn thải lớn, bùn đỏ sẽ là tác nhân gây ô nhiễm môi trườngnghiêm trọng nếu không được quản lý tốt Bùn đỏ là hỗn hợp bao gồm các hợp chất như sắt,mangan… và một lượng xút dư thừa do quá trình hòa tan và tách quặng bauxit Đây là hợpchất độc hại, thậm chí bùn đỏ được ví như “bùn bẩn” Hiện nay, trên thế giới chưa có nướcnào xử lý triệt để được vấn đề bùn đỏ Cách phổ biến mà người ta vẫn thường làm là chôn lấpbùn đỏ ở các vùng đất ít người, ven biển để tránh độc hại Với quy hoạch phát triển bauxit ởTây Nguyên đến năm 2015 mỗi năm sản xuất khoảng 7 triệu tấn Alumin, tương đương vớiviệc thải ra môi trường 10 triệu tấn bùn đỏ Đến năm 2025 là 15 triệu tấn alumin tương đươngvới 23 triệu tấn bùn đỏ Cứ như thế sau 10 năm sẽ có 230 triệu tấn và sau 50 năm sẽ có 1,15

tỷ tấn bùn đỏ tồn đọng trên vùng Tây Nguyên

Tuy nhiên, do thành phần và tính chất của quặng bauxit khác nhau dẫn đến thànhphần và tính chất của bùn đỏ cũng khác nhau, cho đến thời điểm hiện nay, chưa có cơ quannào nghiên cứu về thành phần và tính chất của bùn đỏ trong quá trình sản xuất alumin tại ViệtNam

Do vậy, việc nghiên cứu thành phần và tính chất của bùn đỏ nhằm định hướng ứngdụng trong xử lý môi trường là việc làm cần thiết và cấp bách.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình khai thác và chế biến bauxit ở Việt Nam và Thế giới.

1.1.1 Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên Thế giới.

Theo công bố của cục khảo sát Địa chất Mỹ vào tháng 1 năm 2009 thì tiềm năngbauxit toàn thế giới khoảng 55 – 75 tỷ tấn, phân bố trên các Châu lục như bảng 1.1:

Bảng 1.1: Phân bố các trữ lượng ở các Châu lục.

Châu PhiChâu Đại DươngChâu Mỹ và CarribeChâu Á

Tỷ lệ phân bố (%)1

2345

332422156Các nơi khác

Trên thế giới có khoảng 40 nước có bauxit, trong đó những nước có tiềm năng lớnhàng đầu được trình bày ở bảng 1.2:

Bảng 1.2: Các nước có tiềm năng lớn hàng đầu về bauxit.

Trữ lượng Bauxit

8,67,85,52,52,52,31,4

1234567

GuineaAustraliaViệt NamBrazilJamaicaTrung Quốc

Ấn ĐộHầu hết các nước có nguồn bauxit lớn đều khai thác để chế biến trong nước hoặc xuấtkhẩu Hiện nay trên thế giới có khoảng 20 nước khai thác bauxit, 33 nước sản xuất alumin và

45 nước điện phân nhôm [29]

1.1.2 Tình hình khai thác và chế biến bauxit ở Việt Nam.

Việt Nam được xác định là một trong những nước có nguồn tài nguyên bauxit vàoloại lớn trên thế giới, tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo khoảng 5,5 tỷ tấn, trong đó khuvực 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 - KonTum khoảng 806 triệu tấn (chiếm 15%) và Bình Phước khoảng 217 triệu tấn (chiếm 4%) vàmột số khu vực ven biển Quảng Ngãi và Phú Yên [1,11,12] Đây là yếu tố quan trọng vàquyết định việc phát triển ngành công nghiệp khai thác bauxit, sản xuất alumin và nhôm kimloại của Việt Nam

1.2 Công nghệ thải bùn đỏ và đặc tính của bùn đỏ.

1.2.1 Công nghệ thải bùn đỏ.

Thải bùn đỏ trên đất có 2 phương pháp là thải khô hoặc thải ướt:

- Thải khô là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn rất cao, tiết kiệm diện tích

nhưng tốn kém và phức tạp hơn, thích hợp với những vùng có lượng bốc hơi lớn hơn so vớilượng mưa

- Thải ướt là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn thấp hơn, đỡ tốn kém, thích

hợp với các vùng có các thung lũng dễ tạo thành hồ chứa

1.2.2 Thành phần và tính chất của bùn đỏ.

1.2.3 Định hướng xử lý bựn đỏ

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu thành công (kể cả quy mô thí nghiệmbán công nghiệp) về sử dụng bùn đỏ, nhưng hiệu quả kinh tế còn thấp và lượng bùn đỏ thải raquá lớn nên việc sử dụng chúng còn rất hạn chế, chủ yếu vẫn thải ra các bãi chứa

Trước đây, ở một số nước trên thế giới, người ta thường bơm bùn xuống đáy sông,đáy biển hay ngăn một phần vịnh biển để chứa bùn thải [28, 37] Arawal và các cộng sự đãthống kê 84 nhà máy alumin trên thế giới chỉ có 7 nhà máy có dự án thải ra biển vì hiếm đất(Nhật, Hylạp) Tuy nhiên, hiện nay các biện pháp này đều bị nghiêm cấm vì nó phá hủy hoàntoàn môi trường sống của các sinh vật đáy thủy vực

Từ năm 1945, nước Anh đã sử dụng bùn đỏ làm chất keo tụ Hiện nay, trên thế giới đã

có nhiều ứng dụng từ bùn đỏ, trong đó tập trung vào 3 lĩnh vực như: chất phụ gia trong ximăng, sản xuất vật liệu xây dựng, điều chế quặng sắt [27, 28, 29, 32, 41, 45]

Một kết quả nghiên cứu của Mỹ về việc tái sử dụng bùn đỏ bằng cách thủy phân bùn

đỏ trong axit sunphuric để thu hồi Ti và nhôm còn dư trong bùn đỏ, sau đó cặn thải trong quátrình thu hồi Ti được đưa vào trung hòa kiềm còn dư trong bùn đỏ Tuy nhiên phương án nàychỉ phù hợp với những quặng bauxit có hàm lượng Ti lớn trên 10%, còn đối với quặng BauxitViệt nam, hàm lượng TiO2 chỉ khoảng 7% do đó phương án này không thể áp dụng được

Các nghiên cứu của các nhà Khoa học Séc [29], cũng đưa ra để sản xuất gạch khôngnung, bằng cách trộn bùn đỏ với xi măng và đá vôi theo tỷ lệ thích hợp, tính chất cơ lý củagạch được chế tạo từ bùn đỏ tương đương với gạch Block M100 theo tiêu chuẩn của ViệtNam, đây là phương án khả thi có thể áp dụng được cho Việt nam

Các kết quả nghiên cứu của các nhà Khoa học Hy Lạp đã đưa ra phương án sử dụngbùn đỏ thành vật liệu làm đường, kết quả cho thấy khi sử dụng tỷ lệ 60% bùn đỏ và 40% đấtcấp phối thì khả năng chịu lực của nền đường là tương đương với nền đất tự nhiên, đây cũng

là phương án cần được quan tâm khi sử dụng tái chế bùn đỏ ở Việt Nam [34]

Việc sử dụng bùn đỏ thành các vật liệu hấp phụ các chất màu, Asen, Flo, Photpho,Sắt, Mangan cũng được các nhà khoa học trên thế giới đưa ra, tuy nhiên bùn đỏ cần đượcbiến tính và hoạt hóa trước khi sử dụng [27,47,50] Đây là hướng nghiên cứu cần được ápdụng tại Việt Nam

1.3 Các phương pháp phân tích xác định thành phần và tính chất bùn đỏ.

1.3.1 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X:[ 3,4,6, 7, 8, 9,16].

1.3.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử [2,3,4,6,7,8, 9 ].

1.3.3 Các phương pháp phân tích hóa học [2,3,4,6,7,8, 9 ].

1.4 Vấn đề ô nhiễm photphat trong nước.

Photphat trong nước thải là một thành phần dung dịch quan trọng cho sự phát triểncủa các loại tảo quang hợp và các tổ chức sinh học khác trong môi trường nước Tuy nhiênkhi nồng độ PO43- trong các dịch thải vượt qua ngưỡng cho phép sẽ dẫn tới hiện tượng phúdưỡng sẽ phá vỡ cân bằng của các hệ sinh học có trong nước và ảnh hưởng tới chất lượngnước, chủ yếu do làm giảm lượng oxi trong nước khi các tảo phân hủy Lượng oxi suy giảmgây ảnh hưởng có hại tới cá và các hệ sống dưới nước, ảnh hưởng tới sự phát triển của các visinh vật và côn trùng cũng như làm thoái hóa các tài nguyên tự nhiên Do vậy, hàm lượng

PO43- trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp phải được kiểm soát chặt chẽ qua các côngnghệ xử lý nước thải

1.5 Vấn đề ô nhiễm asen trong nước ngầm [7, 17, 13, 21].

Ô nhiễm Asen trong nước ngầm là một vấn đề mang tính toàn cầu và trở thành mộtthử thách cho các nhà khoa học trên toàn thế giới Đã có nhiều báo cáo về tình trạng này

trong những năm gần đây từ nhiều khu vực trên thế giới như Mỹ, Trung quốc, Chilê, Mêhicô,Canada, Bănglađet, Ấn Độ và Việt Nam.

Nhiễm độc Asen từ nước giếng khoan đã trở thành mối đe dọa đối với sức khỏe ngườidân vùng nông thôn nhiều nơi trên thế giới đặc biệt là ở Bănglađét Ở Việt Nam theo nghiêncứu của Phạm Thị Kim Trang và cộng sự, hàm lượng Asen trung bình trong nước ngầm tạicác giếng khoan một số vùng nông thôn đồng bằng sông Hồng lên tới 200- 300 μg/l (tiêuchuẩn cho phép về hàm lượng Asen trong nước ăn theo Tổ chức Y tế thế giới và Việt Namhiện nay là 10 μg ) Do đó, người dân sinh sống ở những vùng này có thể gặp rủi ro cao do sửdụng lâu ngày nguồn nước ô nhiễm Asen Khi vào cơ thể, asen sẽ được lưu giữ và tích lũydần trong các mô giàu chất sừng như tóc, móng tay và da Khi tích lũy lâu ngày, Asen có khảnăng gây ung thư và các bệnh hiểm nghèo khác

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu.

Các mẫu bùn đỏ được lấy tại nhà máy hóa chất Tân Bình trong quá trình sản suất

2.2 Nội dung nghiên cứu.

- Phân tích thành phần của bùn đỏ thô

- Xác định thành phần và cấu trúc pha của mẫu bùn đỏ bằng phương pháp nhiễu xạ tiaX

- Nghiên cứu các điều kiện để hoạt hóa bùn đỏ

- Nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ photphat của bùn đỏ sau khi được hoạt hóa

- Xử lý và đánh giá kết quả thực nghiệm

2.4 Lấy mẫu, tiền xử lý và hoạt hóa mẫu bùn đỏ.

2.4.1 Mẫu bùn đỏ thô.

Mẫu bùn đỏ được lấy tại nhà máy Hóa chất Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh ởdạng bùn thải ướt, sau đó mẫu được ly tâm với tốc độ 2400 vòng/phút để loại dịch bám theobùn đỏ Mẫu bùn thải khô được sấy khô ở 105oC để phục vụ nghiên cứu

2.4.2 Hoạt hóa bùn đỏ.

- Hoạt hóa bằng nhiệt: Mẫu bùn đỏ sau khi ly tâm và sấy khô ở 105 oC, Mỗi mẫucân 50g bùn đỏ khô cho vào chén sứ và nung nóng tới nhiệt độ khác nhau: 200 oC, 400 oC,

600 oC , 800 oC, 900 oC trong vòng 4 giờ

- Hoạt hóa bằng axit: Mẫu bùn đỏ sau hoạt hóa bằng nhiệt được hòa tan trong 1lít

dung dịch HCl có nồng độ: 0,25M; 0,5M; 1M; 1,5M; 2M khuấy đều trong 2 giờ Sau đó lọc

và rửa với 1lít nước cất để loại bỏ axit dư và các chất tan khác Phần cặn sau đó được sấy khôtại 105 oC trong 4 giờ

PO43- trong mẫu Mật độ quang được đo tại bước sóng 880nm

- Thiết bị

Hệ thống máy đo quang vùng tử ngoại và khả kiến.

2.6 Xử lí số liệu thực nghiệm.

2.6.1 Hiệu suất hấp phụ photphat

- Hiệu suất hấp phụ photphat được tính như sau:

C i −C f

C i

Trong đó:

H: là hiệu suất hấp thụ photphat

Ci: là nồng độ photphat ban đầu

Cf: là nồng độ photphat sau hấp thụ

3-2.6.2 Lượng PO 4 hấp phụ trên một đơn vị khối lượng bùn đỏ

Khối lượng PO43- hấp thụ trên một đơn vị khối lượng bùn đỏ được tính theo công thức

2.6.3 Đánh giá khả năng hấp phụ asen của bùn đỏ [18, 21].

Khả năng hấp phụ asen của bùn đỏ được đánh giá theo chế độ tĩnh, lượng bùn đỏđược sử dụng là 1g trong 50 ml dung dịch hấp phụ

Xử lý kết quả theo các công thức:

Q = (C0 −C e ).V và % Hấp phụ = (C0 −C e).100%

Trong đó:

Qe: Dung lượng hấp phụ (mg/g);

C0: Nồng độ ion kim loại hoặc asen ban đầu (mg/l);

Ce: Nồng độ ion kim loại cân bằng khi cân bằng được thiết lập (mg/l);

V: Thể tích dung dịch ion kim loại hoặc asen (lít);

m: Khối lượng hạt bùn đỏ

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 3.1 Kết quả phân tích thành phần bùn đỏ.

Sau khi tiến hành vô cơ hóa mẫu bùn đỏ theo phương pháp vô cơ hóa khô sử dụng

Na2CO3 Hàm lượng silíc được xác định bằng phương pháp trọng lượng, hàm lượng nhôm vàsắt được xác định bằng phương pháp chuẩn độ, hàm lượng titan được xác định bằng phươngpháp đo quang Kết quả phân tích mẫu bùn đỏ thô được đưa ra ở bảng sau:

Bảng 3.1: Kết quả phân tích thành phần của bùn đỏ.

Kết quả phân tích ở bảng 3.1 cho thấy, thành phần chính của bùn đỏ là Fe2O3 và

Al2O3, bùn đỏ có kích thước mịn và diện tích bề mặt riêng lớn nên sử dụng bùn đỏ làm cácvật liệu hấp phụ là rất khả thi

3.2 Kết quả xác định cấu trúc pha của bùn đỏ.

Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn đỏ thô.

Bảng 3.2: Cấu trúc pha của các hợp phần trong bùn đỏ thô.

Dạng gibbsiteGeothite

1

2

Al(OH)3FeO(OH)

Silicat hydrat

3.3 Kết quả xác định cấu trúc pha của bùn đỏ sau khi hoạt hóa bằng nhiệt.

Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn đỏ biến tính ở 200 o C.

Bảng 3.3: Cấu trúc pha của các hợp phần trong bùn đỏ

biến tính ở 200oC

Dạng gibbsiteGeothite

Fe2O3

SiO2

HematiteQuartz1.08 Na2O.Al2O3.1.68SiO2.1.8H2O Sodium Aluminum

Silicat hydrat

Hình 3.3: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn đỏ biến tính ở 400oC.

Bảng 3.4: Cấu trúc pha của các hợp phần trong bùn đỏ

Hình 3.4: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn đỏ biến tính ở 600oC.

Bảng 3.5: Cấu trúc pha của các hợp phần trong bùn đỏ

biến tính ở 600 o C

HematiteQuartz

Hình 3.5: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn đỏ biến tính ở 800oC.

Bảng 3.6: Cấu trúc pha của các hợp phần trong bùn đỏ biến tính

3.4 Kết quả hấp phụ photphat với bùn đỏ

3.4.1 Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ photphat bằng phương pháp đo quang

Hình 3.6: Đường chuẩn hấp phụ photphat

Đường chuẩn xây dựng có hệ số tương quan R2 lớn gần bằng 1 Do đó, có thể sử dụng cácđường chuẩn này để xác định nồng độ photphat trong các mẫu thực

3.4.2 Nghiên cứu lựa chọn phương pháp biến tính bùn đỏ

3.4.2.1 Bùn đỏ được biến tính bằng phương pháp axit

Bảng 3.8: Hiệu suất hấp phụ photphat của mẫu bùn đỏ được

hoạt hoá bằng axit

(mol/l) hấp phụpH sau hấp phụ (%)Hiệu suất

Lượng PO43- hấp phụ trênmột đơn vị bùn đỏ(mg/g)1

7.547.727.767.718.118.13

40.38368133.1921.2622.6525.53

6.736.145.533.543.764.26

7.947.97

25.4422.30

4.243.72

Từ kết quả của bảng trên ta xây dựng được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hiệusuất hấp phụ với nồng độ axit của mẫu bùn đỏ được biến tính

Nong do mau hoat hoa (M)

Hình 3.7: Hiệu suất hấp phụ photphat của mẫu bùn đỏ được

biến tính bằng axit 3.4.2.2 Bùn đỏ được biến tính bằng phương pháp gia nhiệt

Bảng 3.9: Hiệu suất hấp phụ photphat của mẫu bùn đỏ được

biến tính bằng phương pháp gia nhiệt

mẫu

pHsau hấp phụ

Hiệu suấthấp phụ (%)

Lượng PO43- hấp phụ trên mộtđơn vị bùn đỏ (mg/g)

45.7853.7364.7276.5193.82

7.638.9610.7912.7515.64

Nhiet do bien tinh mau

Hình 3.8: Hiệu suất hấp phụ photphat của mẫu bùn đỏ được

biến tính bằng phương pháp gia nhiệt

Do đó việc khảo sát khả năng hấp phụ photphat của bùn đỏ tôi quyết định dùng cácmẫu bùn đỏ được biến tính bằng phương pháp gia nhiệt

8.047.668.158.258.028.37

21.1822.6532.4743.7535.2730.82Biểu diễn hiệu suất hấp phụ photphat của mẫu bùn đỏ thô với lượng bùn đỏ khác nhauthì ta có đồ thị sau:

Khoi luong mau bun do

Hình 3.9: Ảnh hưởng của lượng bùn đỏ thô khác nhau đến

hiệu suất hấp phụ

PO43-Từ bảng số liệu và đồ thị ta rút ra kết luận sau: Lượng bùn đỏ dùng hấp phụ photphatnồng độ 25mg/l tốt nhất là 1,5g

3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu của dung dịch photphat hấp phụ

Bảng 3.11: Hiệu suất hấp phụ photphat với nồng độ

PO43-ban đầu khác nhau

7.747.967.907.827.667.81

26.3235.6444.5634.2928.1524.92Biểu diễn hiệu suất hấp phụ photphat của mẫu bùn đỏ thô với nồng độ dung dịchphotphat ban đầu khác nhau, ta có đồ thị sau: