NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI BÙN ĐỎ TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BAUXIT LÀM CHẤT HẤP PHỤ VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ ION Zn2+ TRONG NƯỚC THẢI

Bauxit là một trong những khoáng sản phổ biến trên thế giới để chế biến nhôm kim loại và Việt Nam được xác định là một trong những nước có nguồn Bauxit lớn trên thế giới. Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất chưa đầy đủ, ở nước ta tài nguyên khoáng sản Bauxit phân bố rộng từ Bắc đến Nam với trữ lượng khoảng 5,5 tỷ tấn quặng nguyên khai, tương đương với 2,4 tỷ tấn quặng tinh; tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên (chiếm 91,4%), trong đó Đăk Nông 1,44 tỷ tấn (chiếm 61%). So với các mỏ Bauxit trên thế giới, Bauxit ở Việt Nam được đánh giá có chất lượng trung bình 12. Bùn đỏ là bã thải của quá trình sản xuất nhốm từ quặng bauxit theo phương pháp Bayer. Do tính kiềm cao và lượng bùn thải lớn, bùn đỏ sẽ là tác nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được quản lý tốt. Bùn đỏ là hỗn hợp bao gồm các hợp chất như sắt, nhôm... và một lượng lớn xút dư thừa do quá trình hòa tan và tách quặng bauxit. Đây là hợp chất độc hại, thậm chí bùn đỏ được ví như “bùn bẩn”. Hiện nay, trên thế giới chưa có nước nào xử lý triệt để được vấn đề bùn đỏ. Cách phổ biến mà người ta vẫn thường làm là chôn lấp bùn đỏ ở các vùng đất ít người, ven biển để tránh độc hại 12. Đặc biệt ở nước ta hiện nay đang xây dựng nhiều dự án khai thác Bauxit như: Nhân Cơ (Tỉnh Đắc Nông) và Tân Rai (Tỉnh lâm Đồng), cả hai nhà máy đều có công suất 650 000 tấn aluminnăm. Với quy hoạch phát triển bauxit ở Tây Nguyên đến năm 2015 mỗi năm sản xuất khoảng 7 triệu tấn Alumin, tương đương với việc thải ra môi trường 10 triệu tấn bùn đỏ. Đến năm 2025 là 15 triệu tấn alumin tương đương với 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. Hiện tại, ở Việt Nam hầu như chưa có biện pháp hữu hiệu để xử lý cũng như tận dụng nguồn chất thải này. Mặc dù, bên trong bùn đỏ có chứa một số thành phần hóa học rất hữu ích cho các ngành công nghiệp khác như: công nghiệp thép, công nghiệp xi măng, vật liệu xây dựng nhẹ…12. Bên cạnh đó, ô nhiễm môi trường nước hiện nay vẫn là một vấn đề được toàn xã hội quan tâm. Cùng với sự gia tăng các hoạt động công nghiệp là việc sản sinh các chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạ điện, lọc hóa dầu hay công nghệ dệt nhuộm…, đã tạo ra các nguồn ô nhiễm chính chứa các kim loại nặng độc hại...Trong đó phải kể đến ion Zn2+. Zn là dinh dưỡng thiết yếu nhưng nó sẽ gây ra các chứng bệnh nếu thiếu hụt cũng như dư thừa. Zn còn có khả năng gây ung thư, gây ngộ độc hệ thần kinh, sự nhạy cảm, sự sinh sản, gây độc đến hệ miễn nhiễm 5,13,14,. Để xử lý các kim loại nặng và màu trong nước thải nói chung và ion Zn2+ nói riêng thì có rất nhiều phương pháp, trong đó phương pháp hấp phụ được đánh giá là một phương pháp hữu hiệu. Mà hiện nay, hướng nghiên cứu các vật liệu hấp phụ là chế tạo các vật liệu hấp phụ giá thành thấp, thân thiện với môi trường và được chế tạo từ các chất thải. Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn trên nên em chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý chất thải bùn đỏ từ quá trình sản xuất bauxit làm chất hấp phụ và ứng dụng xử lý ion Zn2+ trong nước thải” cho đồ án tốt nghiệp của em. Việc nghiên cứu đề tài này sẽ giải quyết được hai vấn đề: Giảm được lượng chất thải của quá trình khai thác, chế biến Bauxit. Làm giảm giá thành sản xuất chất hấp phụ cho xử lý môi trường.

LÊ VĂN BẮC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI BÙN ĐỎ TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BAUXIT LÀM CHẤT HẤP PHỤ VÀ ỨNG DỤNG

XỬ LÝ ION Zn2+ TRONG NƯỚC THẢI

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

TS TỐNG THỊ THANH HƯƠNG

Hà Nội – 11/2014

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những Thầy

Cô giáo trường Đại học Hồng Đức, Đại học Mỏ-Địa chất nói chung, những Thầy

Cô giáo trong Khoa Dầu Khí và trong bộ môn Lọc Hóa - Dầu trường Đại học

Mỏ-Địa chất nói riêng Cảm ơn Thầy, Cô đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo cũng như giúp đỡ

tạo điều kiện cho em nghiên cứu và thực hiện đồ án này.

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn cô Ts.Tống Thị Thanh Hương đã hướng

dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và định hướng cho em trong suốt thời gian làm đồ án.

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn là điểm tựa, nguồn động viên, ủng hộ em trong suốt thời gian làm đồ án.

Em xin trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè của em những lời chúc tốt đẹp nhất.

Trong quá trình thực hiện, do điều kiện thực tế và vốn kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong được sự quan tâm và đóng góp

ý kiến của quý thầy cô giáo và các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Bắc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ BAUXIT 4

1.1.1 Giới thiệu về bauxit 4

1.1.2 Tình hình khai thác và sản xuất bauxit ở Việt Nam và trên thế giới 4

1.1.2 Quy trình Bayer – Nguồn gốc sinh ra bùn đỏ 8

1.2 TỔNG QUAN VỀ BÙN ĐỎ 10

1.2.1 Khái niệm 10

1.2.2 Thành phần của bùn đỏ 11

1.2.3 Phương pháp thải 15

1.2.4.Tác động về môi trường 18

1.2.5 Ứng dụng của bùn đỏ 19

1.2.6 Bùn đỏ từ nhà máy hóa chất Tân Bình 20

1.3 TỔNG QUAN KHÍ THẢI CÔNG NGHIỆP VÀ XỬ LÝ CO2 TRONG KHÍ THẢI CÔNG NGHIỆP 21

1.3.1 Khí thải công nghiệp 21

1.3.2 Xử lý CO2 trong khí thải công nghiệp 21

1.4 NƯỚC THẢI CÓ CHỨA KIM LOẠI NẶNG 25

1.4.1 Định nghĩa và nguồn phát sinh kim loại nặng 25

1.4.2 Tính chất của kim loại nặng 26

1.4.3 Tác hại của ô nhiễm kim loại nặng 27

1.4.4 Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng 27

1.4.5 Kẽm (Zn) 31

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 33

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 33

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 33

2.3 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ DỤNG CỤ 33

2.3.1 Hóa chất 33

2.3.2 Thiết bị 33

2.4 CHUẨN BỊ VẬT LIỆU HẤP PHỤ TỪ BÙN ĐỎ 34

2.4.1 Xử lý thô và hoạt hóa bùn đỏ 34

2.4.2 Chuẩn bị dung dịch Zn2+ 34

2.5 QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM CHUNG 35

2.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ bùn đỏ đối với ion Zn2+ 36

2.5.2 Khảo sát ảnh hưởng pH ban đầu của dung dịch chứa ion Zn2+ tới quá trình hấp phụ của bùn đỏ hoạt hóa 36

2.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ tới quá trình hấp phụ 36

2.6 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 37

2.6.1 Phương pháp xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ 37

2.6.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) phân tích cấu trúc vật liệu 39

2.6.3 Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 40

2.6.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scaning Electron Microscopy-SEM) 41

2.7 XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 42

2.7.1 Hiệu suất hấp phụ ion Zn2+ 42

2.7.2 Tải trọng hấp phụ của bùn đỏ đối với ion Zn2+ 42

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Đặc trưng vật liệu hấp phụ 43

3.1.1 Kết quả phân tích AAS 43

3.1.2 Phân tích, đánh giá bùn đỏ trước và sau hoạt hóa nhiệt độ 43

3.1.3 Ảnh hiển vi điện tử quét 45

3.2 Xây dựng đường chuẩn hấp phụ ion Zn2+ 46

3.3 Đánh giá khả năng hấp phụ ion Zn2+ của mẫu bùn đỏ hoạt hóa 47

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ 47

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng pH của dung dịch chứa ion Zn2+ ban đầu 49

3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bùn đỏ hoạt hóa ban đầu đem đi hấp phụ 50

3.3.4 Xây dựng phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ 51

KẾT LUẬN 60

PHỤ LỤC 64

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự phân bố quặng bauxit tại Việt Nam [12] 7

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất alumin theo phương pháp kiềm Bayer[8] 10 Hình 1.3 Sơ đồ hiệu suất của quá trình sản xuất nhôm 11

Hình 1.4 Độ tan của hematite và goethite theo pH 11

Hình 1.5 Các nhóm hydroxyl bề mặt trên các oxit sắt 12

Hình 1.6 Đường cong chuẩn độ của vữa bùn đỏ và dung dịch kiềm 14

Hình 1.7 Sơ đồ thải bùn đỏ khô nhiều lớp của Alcoa [3] 18

Hình 1.8 Các phương án xử lý và tái chế bùn đỏ[21] 19

Hình 1.9 Ô nhiễm kim loại nặng do tác động của con người đối với đất và nước[10] 26

Hình 2 1 Sơ đồ quy trình hoạt hóa bùn đỏ 34

Hình 2 2 Sơ đồ quy trình thực nghiệm chung 35

Hình 2 3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 38

Hình 2 5 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 39

Hình 2 6 Sự phụ thuộc lgq vào lgCe 39

Hình 2 7 Sơ đồ pha các tia X phản xạ trên tinh thể 40

Hình 3 2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn đỏ hoạt hóa RM 25 44

Hình 3 3 Ảnh SEM của mẫu bùn đỏ RM 25 a) trước hoạt hóa và b) sau hoạt hóa 45

Hình 3 4 Đường chuẩn thể hiện mối quan hệ giữa cường độ hấp thụ và nồng độ ion Zn2+ 47

Hình 3 5 Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ 48

Hình 3 7 Ảnh hưởng của lượng BĐHH khác nhau đến hiệu suất hấp phụ ion

Zn2+ 50

Hình 3 8 Mô phỏng theo phương trình Langmuir 51

Hình 3 9 Mô phỏng theo phương trình Freundlich 52

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân bố các trữ lượng bauxite ở các Châu lục [12] 4

Bảng 1.2 Các nước có tiềm năng lớn hàng đầu về bauxit [12] 5

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của quặng bauxit Lâm Đồng 20

Bảng 3.4 Kết quả phân tích thành phần chính của bùn đỏ thô 43

Bảng 3.5 Cấu trúc pha của các hợp phần trong mẫu RM 25 44

Bảng 3.6 Cấu trúc pha của các hợp phần trong mẫu RM 25 được hoạt hóa ở nhiệt độ 500 oC 45

Bảng 3.7 Sự phụ thuộc nồng độ của ion Zn2+ vào diện tích pic 46

Bảng 3.8 Dung lượng hấp phụ của mẫu RM25 hoạt hóa theo thời gian ở pH = 6 48

Bảng 3.9 Hiệu suất hấp phụ ion Zn2+ tương ứng với pH ban đầu khác nhau 49 Bảng 3.10 Hiệu suất hấp phụ tương ứng với hàm lượng bùn đỏ đem hấp phụ: 50

Bảng 3.11 Các giá trị xây dựng các đường đẳng nhiệt hấp phụ 51

Bảng 3.12 Các hệ số của phương trình Freundlich và Langmuir 52

LỜI MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.

Bauxit là một trong những khoáng sản phổ biến trên thế giới để chế biếnnhôm kim loại và Việt Nam được xác định là một trong những nước có nguồnBauxit lớn trên thế giới Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất chưa đầy đủ, ở nước

ta tài nguyên khoáng sản Bauxit phân bố rộng từ Bắc đến Nam với trữ lượngkhoảng 5,5 tỷ tấn quặng nguyên khai, tương đương với 2,4 tỷ tấn quặng tinh; tậptrung chủ yếu ở Tây Nguyên (chiếm 91,4%), trong đó Đăk Nông 1,44 tỷ tấn (chiếm61%) So với các mỏ Bauxit trên thế giới, Bauxit ở Việt Nam được đánh giá có chấtlượng trung bình [12]

Bùn đỏ là bã thải của quá trình sản xuất nhốm từ quặng bauxit theo phươngpháp Bayer Do tính kiềm cao và lượng bùn thải lớn, bùn đỏ sẽ là tác nhân gây ônhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được quản lý tốt Bùn đỏ là hỗn hợp baogồm các hợp chất như sắt, nhôm và một lượng lớn xút dư thừa do quá trình hòatan và tách quặng bauxit Đây là hợp chất độc hại, thậm chí bùn đỏ được ví như

“bùn bẩn” Hiện nay, trên thế giới chưa có nước nào xử lý triệt để được vấn đề bùn

đỏ Cách phổ biến mà người ta vẫn thường làm là chôn lấp bùn đỏ ở các vùng đất ítngười, ven biển để tránh độc hại [12]

Đặc biệt ở nước ta hiện nay đang xây dựng nhiều dự án khai thác Bauxitnhư: Nhân Cơ (Tỉnh Đắc Nông) và Tân Rai (Tỉnh lâm Đồng), cả hai nhà máy đều

có công suất 650 000 tấn alumin/năm Với quy hoạch phát triển bauxit ở TâyNguyên đến năm 2015 mỗi năm sản xuất khoảng 7 triệu tấn Alumin, tương đươngvới việc thải ra môi trường 10 triệu tấn bùn đỏ Đến năm 2025 là 15 triệu tấn alumintương đương với 23 triệu tấn bùn đỏ Cứ như thế sau 10 năm sẽ có 230 triệu tấn vàsau 50 năm sẽ có 1,15 tỷ tấn bùn đỏ tồn đọng trên vùng Tây Nguyên Hiện tại, ởViệt Nam hầu như chưa có biện pháp hữu hiệu để xử lý cũng như tận dụng nguồnchất thải này Mặc dù, bên trong bùn đỏ có chứa một số thành phần hóa học rất hữuích cho các ngành công nghiệp khác như: công nghiệp thép, công nghiệp xi măng,vật liệu xây dựng nhẹ…[12]

Bên cạnh đó, ô nhiễm môi trường nước hiện nay vẫn là một vấn đề được toàn

xã hội quan tâm Cùng với sự gia tăng các hoạt động công nghiệp là việc sản sinhcác chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh

thái Các hoạt động khai thác mỏ, công nghiệp thuộc da, công nghiệp điện tử, mạđiện, lọc hóa dầu hay công nghệ dệt nhuộm…, đã tạo ra các nguồn ô nhiễm chínhchứa các kim loại nặng độc hại Trong đó phải kể đến ion Zn2+ Zn là dinh dưỡngthiết yếu nhưng nó sẽ gây ra các chứng bệnh nếu thiếu hụt cũng như dư thừa Zncòn có khả năng gây ung thư, gây ngộ độc hệ thần kinh, sự nhạy cảm, sự sinh sản,gây độc đến hệ miễn nhiễm [5,13,14,].

Để xử lý các kim loại nặng và màu trong nước thải nói chung và ion Zn2+ nóiriêng thì có rất nhiều phương pháp, trong đó phương pháp hấp phụ được đánh giá làmột phương pháp hữu hiệu Mà hiện nay, hướng nghiên cứu các vật liệu hấp phụ làchế tạo các vật liệu hấp phụ giá thành thấp, thân thiện với môi trường và được chếtạo từ các chất thải Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn trên nên em chọn đề tài:

“Nghiên cứu xử lý chất thải bùn đỏ từ quá trình sản xuất bauxit làm chất hấp

phụ và ứng dụng xử lý ion Zn 2+ trong nước thải” cho đồ án tốt nghiệp của em.

Việc nghiên cứu đề tài này sẽ giải quyết được hai vấn đề:

- Giảm được lượng chất thải của quá trình khai thác, chế biến Bauxit

- Làm giảm giá thành sản xuất chất hấp phụ cho xử lý môi trường

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.

- Nghiên cứu hoạt hóa bùn đỏ để tìm ra vật liệu có khả năng hấp phụ ion Zn2+ tốt nhất

- Xây dựng đường chuẩn của ion Zn2+ với độ chính xác và tin cậy cao để xácđịnh và theo dõi hàm lượng ion Zn2+ trong quá trình hấp phụ

- Khảo sát các yếu tố (thời gian hấp phụ, pH của dung dịch chứa ion Zn2+, hàmlượng bùn đỏ đem đi hấp phụ) ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của bùn đỏ đối vớiion Zn2+ trong nước

- Thiết lập đường đẳng nhiệt hấp phụ của bùn đỏ đối với ion Zn2+

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Bùn đỏ

- Quá trình hấp phụ của bùn đỏ hoạt hóa đối với ion Zn2+

- Nghiên cứu hoạt hóa bùn đỏ

- Nghiên cứu quá trình hấp phụ của bùn đỏ hoạt hóa đối với ion Zn2+

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

- Tìm hiểu và thu thập các tài liệu về hoạt hóa bùn đỏ và cấu trúc, tính chất củabùn đỏ.

- Tìm hiểu về nước thải chứa ion Zn2+ và ô nhiễm khí thải CO2

- Tìm hiểu về quá trình hấp phụ

- Phương pháp hoạt hóa bùn đỏ

- Phương pháp đặc trưng hóa lý của xúc tác

+ Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)

+ Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

- Phương pháp xác định hiệu suất hấp phụ

+ Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỒ ÁN.

Hiện nay nước ta đang xây dựng và phát triển nhiều dự án khai thác Bauxitnhư: Nhân Cơ (Tỉnh Đắc Nông) và Tân Rai (Tỉnh lâm Đồng) Vì vậy mà lượng bùn

đỏ thải ra từ quá trình sản xuất nhôm từ quặng bauxit sẽ rất lớn Do tính kiềm cao

và lượng bùn thải lớn, bùn đỏ sẽ là tác nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọngnếu không được quản lý tốt Tuy có nhiều nghiên cứu để xử lý và tận dụng bùn đỏnhưng chưa thực sự hiệu quả Quá trình hoạt hóa bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ ion

Zn2+ trong nước thải không chỉ giúp làm giảm một lượng đáng kể chất thải bùn đỏ

mà còn tạo ra được một vật liệu có khả năng xử lý được nguồn nước bị ô nhiễm

Chính vì vậy, Nghiên cứu xử lý chất thải bùn đỏ từ quá trình sản xuất bauxit làm chất hấp phụ và ứng dụng xử lý ion Zn 2+ trong nước thải là một hướng nghiên cứu

không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn gắn liền với thực tiễn

6 CẤU TRÚC ĐỒ ÁN

Đồ án được chia làm 5 phần chính, trong đó:

Mở đầu : 3 Trang (từ trang 1 đến trang 3)

Chương 1: Tổng quan lý thuyết, 29 trang (từ trang 4 đến trang 32)

Chương 2: Thực nghiệm, 10 trang (từ trang 33 đến trang 42)

Chương 3: Kết quả và và thảo luận, 7 trang (từ trang 43 đến trang 59)

Kết luận : 2 trang (từ trang 60 đến trang 61)

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ BAUXIT

1.1.1 Giới thiệu về bauxit

Bauxit là một trong những khoáng sản phổ biến trên bề mặt Trái đất và làmột trong những nguồn tài nguyên khoáng sản có trữ lượng rất lớn trên thế giới.Đặc biệt nước ta cũng có trữ lượng tương đối lớn nguồn tài nguyên khoáng sản này.Bauxit là một loại quặng nhôm trầm tích có màu hồng, nâu được hình thành từ quátrình phong hóa các đá giàu nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trìnhxói mòn Quặng bauxit phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo đặcbiệt trong môi trường nhiệt đới Từ bauxit có thể tách ra alumin (Al2O3), nguyênliệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân, chiếm 95% lượng bauxit đượckhai thác trên thế giới

Tên gọi của loại quặng nhôm này được đặt theo tên gọi làng Les Provence ở miền nam nước Pháp, tại đây nó được nhà địa chất học là Pierre Berthierphát hiện lần đầu tiên năm 1821 Thành phần hóa học chủ yếu là Al2O3, SiO2, Fe2O3,CaO, TiO2, MgO… trong đó, Al2O3 là thành phần chính của quặng

Baux-de-1.1.2 Tình hình khai thác và sản xuất bauxit ở Việt Nam và trên thế

giới

1.1.2.1 Tình hình khai thác và sàn xuất bauxit trên thế giới.

Theo công bố của cục khảo sát địa chất Mỹ vào tháng 1 năm 2009 thì tiềmnăng bauxit của toàn thế giới khoảng 55 – 75 tỷ tấn, phân bố trên các châu lục nhưbảng 1.1 [12]

Bảng 1.1 Phân bố các trữ lượng bauxite ở các Châu lục [12]

Trên thế giới có khoảng 40 nước có bauxit, trong đó những nước có tiềmnăng lớn hàng đầu được trình bày ở bảng 1.2:

Bảng 1.2 Các nước có tiềm năng lớn hàng đầu về bauxit [12]

là sản xuất Alumin chuyên dụng ( 10% ) bao gồm Alumin nung và Alumin hoạthóa, và sản xuất vật liệu chịu lửa ( 5%) Ví dụ như là gạch chịu lửa, xi măng chịulửa và các vật liệu mài [13]

Tình hình sản xuất bauxit trên thế giới được thể hiện ở bảng 1.3:

Bảng 1.4 Tình hình khai thác bauxit trên thế giới, ước tính cho năm 2008[22]

Bảng 1.5 Dự báo về thị trường alumin đến năm 2020 [20]

Đơn vị: Triệu tấn

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2020

1.1.2.2 Tình hình khai thác và chế biến Bauxit ở Việt Nam.

Việt Nam được xác định là một trong những nước có nguồn tài nguyênbauxit vào loại lớn trên thế giới, tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo khoảng 5,5 tỷtấn, trong đó khu vực miền Bắc khoảng 91 triệu tấn, còn lại tập trung chủ yếu ở khuvực miền Nam khoảng 5,4 tỷ tấn (chiếm 98% tổng trữ lượng cả nước), trong đógồm Đăk Nông khoảng 3,42 tỷ tấn (chiếm 60% tổng trữ lượng); Lâm Đồng khoảng

975 triệu tấn (chiếm 19%); Gia Lai - Kon Tum khoảng 806 triệu tấn (chiếm 12%)

và Bình Phước khoảng 217 triệu tấn (chiếm 5%) và một số khu vực ven biển QuảngNgãi và Phú Yên [1,11,12]

Hình 1.1 Sự phân bố quặng bauxit tại Việt Nam [12]

Đây là yếu tố quan trọng và quyết định việc phát triển ngành công nghiệpkhai thác bauxit, sản xuất alumin và nhôm kim loại của Việt Nam [1]

Việt Nam có hai loại hình quặng bauxit:

− Loại quặng bơsmit và diaspo, tập trung chủ yếu ở Miền Bắc Việt Nam, phân

bố ở các tỉnh Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Giang) Tổng trữ lượng dự đoán

khoảng trên 350 triệu tấn, hàm lượng nhôm dao động trong khoảng 39-65 % Modulsilic (Al2O3/SiO2) bằng 5-8.

− Loại quặng gipsit, tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên và Miền Nam Việt Nam,với tổng trữ lượng ước tính khoảng 7,6 tỷ tấn

Tuy nhiên, trừ những khu mỏ lớn ở Lâm Đồng, trữ lượng quặng còn lại đượcphân bố dàn trải, vỉa quặng không dày và hầu hết đều nằm trong các vùng canh tácnông, lâm nghiệp, nên sẽ có những khó khăn nhất định trong quá trình khai thác đểsản xuất nhôm quy mô lớn, do đụng chạm trực tiếp đến việc sử dụng đất canh tác, vấn đềcân bằng nước mặt, vấn đề quặng thải, vấn đề nước thải và nói chung là vấn đề sinh thái

Mặc dù nước ta có tiềm năng về bauxit nhưng ngành công nghiệp khai thácbauxit ở nước ta còn mới và rất nhỏ bé Quặng bauxit cung cấp cho nhà máy HóaChất Tân Bình mới chỉ dùng để sản xuất nhôm hydroxit Nếu chỉ tính riêng ngoại tệ đểnhập nhôm kim loại, hàng năm nước ta phải chi một lượng ngoại tệ lớn như sau [20,21]

− Năm 2000 : khoảng 160 triệu USD

− Năm 2005 : khoảng 250 triệu USD

− Năm 2010 : khoảng 390 triệu USD

− Năm 2015 : khoảng 480 triệu USD

Hiện nay thì nước ta đã có 2 nhà máy khai thác và chế biến Bauxit: Nhân Cơ(Tỉnh Đắc Nông) với công suất 650 000 tấn/năm và Tân Rai (Tỉnh Lâm Đồng) với côngsuất 650 000 tấn/năm [21]

1.1.2 Quy trình Bayer – Nguồn gốc sinh ra bùn đỏ

Từ khi được phát minh đến nay, công nghệ Baye vẫn chiếm chủ đạo trongcông nghiệp sản xuất alumin của thế giới Hiện nay và dự báo trong tương lai,khoảng 90% sản lượng alumin của thế giới vẫn được sản xuất bằng công nghệ này.Hiện nay, trên thế giới vẫn tồn tại 2 công nghệ Bayer sản xuất alumin từbauxit Công nghệ Bayer Châu Âu và công nghệ Bayer Châu Mỹ Bauxit dạnggipxit (hydratgilit) dễ dàng tách thì chỉ cần áp dụng công nghệ Bayer của Châu Mỹ,bauxit khó hòa tách như bơmit hay diaspor thường phải áp dụng công nghệ Bayercủa Châu Âu hoặc kết hợp công nghệ Bayer với thiêu kết hoặc thiêu kết đối vớibauxit diaspor chứa nhiều silic

Bùn đỏ là chất thải sinh ra từ quá trình sản xuất nhôm bằng quy trình Bayer.Bản chất của phương pháp Bayer là việc sử dụng dung dịch kiềm đặc NaOH ở nhiệt

độ cao để hòa tan chọn lọc các khoáng vật nhôm hidroxit có trong quặng bauxit,được tóm tắt trong các phương trình 1.1, 1.2, 1.3 dưới đây Nhiệt độ của phản ứngcòn tùy thuộc vào thành phần của gibbsite (γ-Al(OH)3), boehmite (γ-Al(O)OH), và

diaspore (α-Al(O)OH) trong quặng bauxit Bauxit có hàm lượng gibbsite cao thì đòihỏi nhiệt độ hòa tách thấp hơn (khoảng 145 – 175oC), trong khi với hàm lượngboehmite và diaspore cao thì cần hòa tách ở nhiệt độ cao hơn (khoảng 175 – 245oC)

và nồng độ kiềm mạnh hơn

Hòa tách:

Al(OH)3(s) + NaOH(aq)  Na+Al(OH)4(aq)- (Gibbsitic bauxit) (1.1)AlO(OH)(s) + NaOH(aq) + H2O  Na+Al(OH)4(aq)- (Boehmitic bauxit) (1.2)Kết tủa:

Na+Al(OH)4(aq)-  Al(OH)3(s) + NaOH(aq) ( 1.3)Tạo alumin:

2Al(OH)3(s)  Al2O3 + 3H2O (1.4)Sản phẩm của quy trình tạo ra dung dịch natri aluminat và phần bã rắn khôngtan (gồm 45% dịch lỏng và 55% cặn bùn), hay còn gọi là bùn đỏ, được tách ra bằngphương pháp lắng gạn Thông thường cứ mỗi tấn nhôm được sản xuất ra thì cókhoảng 1 – 1.5 tấn bùn đỏ, do đó lượng bùn đỏ thải ra hàng năm là rất lớn Bùn đỏ

có độ kiềm rất lớn (pH khoảng 10 – 13) nên đòi hỏi phải trung hòa về pH < 9 (tốtnhất là khoảng 8.5 – 8.9) trước khi được thải ra môi trường Phần dung dịch lỏngcủa bùn đỏ vẫn còn chứa một lượng tương đối cao aluminium và một số anion củakim loại chuyển tiếp khác Một số trong số chúng có thể gây hại cho môi trường, do

đó chúng phải được loại bỏ trước khi thải vào môi trường

Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ kiềm Bayer được giới thiệu tronghình dưới đây:

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất alumin theo phương pháp

1.2.1 Khái niệm

Bùn đỏ là sản phẩm thải rắn của quá trình tuyển rửa quặng bauxit để táchalumin, tiền chất quan trọng cho công nghiệp sản xuất nhôm Bùn đỏ là hỗn hợp củaxút dư có lẫn tạp chất là các oxit kim loại và muối vô cơ rắn Loại bùn này có màu

đỏ do sự có mặt của các ion sắt bị oxi hóa với thành phần khối lượng có thể lên đến60% Bình quân mất khoảng 4 tấn bauxite để sản xuất 1 tấn aluminium, và khoảng 2tấn alumina để sản xuất 1 tấn aluminium và thải ra 3 tấn bùn đỏ [21]

Hình 1.3 Sơ đồ hiệu suất của quá trình sản xuất nhôm

1.2.2 Thành phần của bùn đỏ

1.2.2.1 Oxit sắt

Độ tan của Fe(III) oxit thì thấp, trong khi Fe(II) oxit lại ít tan Trong khoảng

pH 4-10, tổng lượng Fe trong dung dịch là khoảng nhỏ hơn 10-6M Các oxit sắt hòatan chậm trên một khoảng pH rộng Giản đồ độ tan của hematite và goethite, hình1.1 cho thấy oxit sắt có độ tan nhỏ nhất ở khoảng pH 7- 8, tức là quanh điểm đẳngđiện (PZC) Do các oxit sắt có tính lưỡng tính, nên chúng có thể tan trong môitrường axit để tạo thành cation hydroxo và trong môi trường bazơ để tạo thànhanion hydroxo

Hình 1.4 Độ tan của hematite và goethite theo pH

Sự hòa tan của các oxit sắt được thể hiện trong các phương trình (1.4), (1.5)cho goethite và phương trình (1.6) cho hematite Độ tan của hematite được cho làtăng khi nồng độ ion hidroxit tăng, và tăng trong các dung dịch kiềm theo thứ tựNaOH > KOH > LiOH

FeOOH + H2O Fe3+ + 3OH- (1.4)FeOOH + 3H+ Fe3+ + 2H2O (1.5)0.5 αFe2O3+ 2.5H2O Fe(OH)4-+ H+ (1.6)Các nhóm chức hidroxyl bề mặt là những tâm hoạt động ở bề mặt chất rắntrong môi trường nước Chúng giữ nguyên một cặp điện tử cũng như là một nguyên

tử hidrogen liên kết mà có thể phản ứng được với cả axit lẫn bazơ, do đó làm chocác oxit sắt có tính lưỡng tính Xem phương trình (1.7), (1.8).

FeOH2+ FeOH + H+ (1.7)

FeOH FeO- + H+ (1.8) Trong đó : chỉ ra bề mặt oxit sắt

Về mặt tinh thể học, nhóm hydroxyl bề mặt có thể kết hợp với nhau từ 1, 2hay 3 nguyên tử Fe, xem phương trình 1.2 Mật độ của những nhóm này phụ thuộc

cả vào cấu trúc tinh thể và sự khác nhau hình thái tinh thể Các nghiên cứu về sựhấp phụ cho thấy rằng các nhóm hydroxyl đôi kết trên bề mặt goethite và hematiteđều trơ với mọi pH, sự hấp phụ các ion chủ yếu liên quan đến các nhóm đơn kết.Mật độ nhóm chức bề mặt trên các oxit sắt khác nhau được xác định bằng nhiều kỹthuật, như là: chuẩn độ axit/bazơ, đo đẳng điện hấp phụ BET với hơi nước, trao đổiD2O, Ti và bằng phản ứng hấp phụ các cấu tử florua, photphat hay oxalat

Hình 1.5 Các nhóm hydroxyl bề mặt trên các oxit sắt

Quá trình hấp phụ của oxit sắt trên bùn đỏ chủ yếu liên quan đến sự tươngtác giữa chất bị hấp phụ và các nhóm hydroxyl bề mặt trên các oxit sắt Nguyên tửoxy của nhóm hydroxyl bề mặt có thể tương tác với các proton, trong khi các ironkim loại bên dưới đóng vai trò như một axit Lewis và trao đổi nhóm OH- cho ligandkhác để hình thành phức bề mặt Sự hấp phụ các anion đơn giản, các anion oxi, cácion hữu cơ trên các oxit sắt đã được nghiên cứu rộng rãi Sự hấp phụ các anion trêncác oxit sắt có thể xảy ra trường hợp đặc trưng cũng như không đặc trưng Sự hấpphụ đặc trưng liên quan đến sự thay thế của các nhóm hydroxyl bề mặt bằng ligandchất hấp phụ Đó là hấp phụ hóa học, hấp phụ trao đổi ion Các ion chất hấp phụ đặctrưng làm thay đổi điện tích bề mặt trên oxide và do đó tạo nên sự thay đổi PZC Vàchúng thường gắn chặt và không dễ bị thay thế Các anion hấp phụ đặc trưng trêncác oxit sắt là phosphate, silicate, selenate, arsenate, chlorite, fluorite, citrate,oxalate Sự hấp phụ anion ở bất kỳ pH nào sẽ tăng khi tăng khi tăng nồng độ chất bịhấp phụ Sự hấp phụ đạt cực đại ở pH thấp và giảm khi tăng pH ngoại trừ silicate

Sự hấp phụ cation trên oxit sắt cũng diễn ra đặc trưng lẫn không đặc trưng vàthường nhanh chóng ở thời điểm đầu, nhưng sự hấp phụ kim loại vết có thể tiếp tụctăng nhiều ngày với nhiều lần để đạt cân bằng Sự hấp phụ Ni, Zn, Cd trên goethite

tăng nhiều ngày với nhiều lần để đạt cân bằng Sự hấp phụ Ni, Zn, Cd trên goethitetăng khi thời gian phản ứng trên tăng từ 2 giờ - 42 ngày Sự hấp phụ trên goethitethường xảy ra ở pH trong khoảng 3 – 8,5.

1.2.2.2 Khoáng silica.

Phần tạp chất chính trong Bauxit là những hợp chất của silic, sắt và titan.Silica hiện diện trong kaolinite (Al2O3.2SiO2.2H2O) và halloysite (Al2O3.2SiO-3.3H2O) Silica, trong thạch anh, không dễ bị hòa tan trong chế độ hòa tách nhiệt độthấp của quy trình Bayer, tuy nhiên nó đã kết hợp như là khoáng sét tan trong sodakiềm Thạch anh có thể bị dính trong chế độ hòa tách nhiệt độ cao, tuy nhiên, sau

đó, nó phản ứng với soda và alumina trong dung dịch và kết tủa một cách cục bộnhư sodium aluminosilicate hay sodalite Sodalite trong quy trình Bayer có côngthức tổng quát là (3(Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O).Na2X), trong đó n trong khoảng từ 0 – 2

và X là các anion CO32-, SO42-, 2OH-, 2Cl-, hay hỗn hợp của tất cả phụ thuộc và độ tinhkhiết trong dung dịch hòa tách

Bảng 1.6 Thành phần của bùn đỏ sinh ra từ các nhà máy sản xuất nhôm ở các

nước trên thế giới [20]

Quốc gia Nhà máy

MALCOHINDALCOBALCONALCO

Baudart

40,530,455,650,5420,2645,1735,4633,852,396,8538,4550,924,8138,75

27,716,212,1511,1319,627,023,015,5814,737,2915,214,219,020,0

3,510,114,5

28,05,1217,222,53,32,454,66,8712,155,5

19,911,144,52,566,745,75,06,848,4413,8910,153,411,913,0

1,0-2,02,01,5-5,09,08,093,644,855,24,02,738,123,189,298,16

1.2.2.3 Hóa học bề mặt của bùn đỏ.

Hóa học bề mặt của các hạt bùn đỏ vô cùng phức tạp do sự khác nhau củavữa bùn Sự khó khăn cũng tăng khi xác định thành phần hóa học của bề mặt bùn đỏ

do lớp bề mặt mỏng (khoảng 5nm - 1µm) Tuy nhiên, do những khoáng và oxidechiếm thành phần chính trong bùn đỏ đã được biết đến là có tính axit/bazơ trongdung dịch nước, nên bùn đỏ cũng có thể mang tính chất tương tự Tính chấtaxit/bazơ của bùn đỏ được cho là do các nhóm hydroxyl bề mặt quyết định Diệntích bề mặt đặc trưng và khả năng hấp phụ proton của bùn đỏ đã xử lý axit là 20,7

m2/g và 2,5 x 10-2 mol/g Santona và đồng sự đã tím thấy diện tích bề mặt của bùn

đỏ khác nhau khi không xử lý và có xử lý axit, 18,9 và 25,2 m2g-1 Việc tăng diện tích

bề mặt sau khi xử lý axit cho thấy bùn đỏ đã bị tan một phần và có thể là cancrinte(một dạng sodium aluminosilicate) khi mà khối lượng giảm 9% sau khi trung hòa

Chevedoz và đồng sự đã nghiên cứu tính chất bề mặt của bùn đỏ bằng cáchchuẩn độ điện thế, và thấy rằng có 3 vùng tồn tại, xem hình 1.6, do cơ chế tồn tạikhác biệt nhau Hạt bùn đỏ có thể lấy H+ mà không làm thay đổi pH trong vùng I do

sự hiện diện của ion hydroxit tự do phản ứng với proton, sau đó những nhómhydroxyl bề mặt sẽ bị ion hóa Tuy nhiên, một lượng nhỏ nhóm hydroxyl bề mặtđược tìm thấy có dư một proton trong vùng này Điểm uồn giữa vùng I và vùng IIđại diện cho hạt bùn đỏ trong dung dịch nước cơ bản đang mang nhóm hydroxyl bềmặt bị ion hóa (S-O-) lấy proton Khi pH trung tính, vùng II, tất cả ion hidroxit tự do

đã phản ứng với proton được thêm vào vữa bùn và sau đó proton đó tiếp tục bị phảnứng bởi các nhóm hydroxyl bề mặt và kết quả là làm pH không đổi Khi mà tất cảnhóm hydroxyl bề mặt bị trung hòa, điểm cuối của vùng II, sự tích tụ proton trongdung dịch đã gây ra một bước nhảy của pH, vùng III

Hình 1.6 Đường cong chuẩn độ của vữa bùn đỏ và dung dịch

kiềm

Lượng nhóm hydroxyl bề mặt tỷ lệ với thành phần silica hoạt tính trongnguồn Bauxit Sodalite là một hợp chất kiểu zeolit với diện tích bề mặt cao, cónhiều tâm nguyên tử oxygen có khả năng phản ứng với proton Chevedov [11] đãước lượng số nhóm hydroxyl bề mặt trên bùn đỏ và đã đề nghị rằng có một lượnglớn sodalite trên bề mặt bùn đỏ.

Điện tích bề mặt của bùn đỏ có thể được xác định bằng cách đo pH Điểmđẳng điện (PZC) có thể được dùng để xác định tính chất điện bề mặt của vật liệu,nghĩa là tại pH đó thì tổng điện tích bề mặt bằng không PZC giúp đánh giá tính axitcủa bề mặt oxide Hầu hết PZC của các oxide của nhôm và sắt khoảng 7-8, vớiFe2O3 và Al2O3 có PZC là 8,5 và 9,2, PZC của hematite là 8,5-8,8, xác định bằngphương pháp chuẩn độ điện thế, trong khi của goethite là khoảng 8,9-9,5 Một vàinghiên cứu đã công bố PZC vủa bùn đỏ là khoảng 6,3, do sự hiện diện của nhữnghợp chất này làm giảm PZC Sự hiện diện của nhiều oxide khác nhau trong bùn đỏ,cho thấy rằng nó không chỉ có những phức bề mặt trung tính và các tâm SOH ởđiểm PZC, mà còn có cả phức bề mặt dương (như FeOH2 , AlOH2 ) và phức bề mặt

âm (như TiO-, SiO-) Sự giảm PZC thì đặc trưng cho thong tin về những vị trí tíchđiện khác nhau trên bề mặt, và việc giải phóng các ion hidroxit tự do vào dung dịchlàm tăng điện tích dương trên bề mặt

1.2.3 Phương pháp thải

Các nhà máy alumin thường lưu giữ bùn đỏ ở những chỗ được gọi là bãi thảibùn đỏ Tuy nhiên, phương pháp lưu giữ của các nhà máy thường rất khác nhau Đãtừng có hai phương pháp thải bùn đỏ: Thải trên đất liền và thải xuống nước[15]

1.2.3.1 Thải xuống nước.

Thải xuống nước (ra biển, sông suối hoặc các đầm phá ven biển) đã quá lỗithời Hiện nay trên thế giới đã không sử dụng do nó phá hủy hoàn toàn môi trườngsống của các sinh vật biển

phù hợp với khu vực Tây Nguyên Vì ở Tây Nguyên nước ta có lượng mưa gấp gần

4 lần lượng bốc hơi: lượng mưa 2400 mm, lượng bốc hơi 650 mm[15]

b Thải ướt

Là bùn đỏ với hàm lượng rắn cao, tiết kiệm diện tích, nhưng tốn kém, phứctạp hơn, thích hợp với bải phẳng và những nơi ít mưa, bốc hơi nhiều Điều nàykhông phù hợp với điều kiện các khu vực có lượng mưa lớn, như các tỉnh ở TâyNguyên của Việt Nam[15]

 Ưu, nhược điểm của phương pháp thải khô

− Sau khi thải đầy bãi thải từ 2-3 tuần, người ta đã có thể đi lại trên bề mặt vàsau 4-5 tháng xe có thể chạy trên bề mặt Đồng thời bùn đỏ rắn sau một thời giannhất định có thể được dùng vào việc hoàn thổ và như làm vật liệu xây dựng đập củabãi thải hoặc các lĩnh vực xây dựng đê đập khác Bãi thải đã hết bùn có thể lại đượctiếp tục chất bùn đỏ mới

− Cùng một diện tích bãi thải, phương pháp này cho phép chất nhiều hơn từ

4-5 lần so với phương pháp thải bùn đỏ dạng huyền phù không lọc

 Nhược điểm

− Chi phí theo phương pháp này có thể cao hơn 30% so với phương pháp thảibùn không lọc do nhu cầu năng lượng cao hơn cho khâu lọc, bơm và hóa chất làmdẻo và xử lý ổn định bùn đỏ

− Trong trường hợp bùn đỏ lọc quá chậm thì phương pháp này có thể khôngkinh tế vì khi hoà tách ở nhiệt độ 145oC trong quy mô phòng thí nghiệm, bùn đỏ rấtkhó lọc Nếu muốn áp dụng phương pháp thải khô thì phải xem xét các tiêu chí nêutrên và cần phải thực nghiệm khâu lọc Tuy nhiên, do sự phát triển hiện nay giá đất

sẽ ngày càng cao nên phương án này có thể là một phương án kinh tế cần được xemxét kỹ để có thể áp dụng

 Thải khô bùn đỏ nhiều lớp [3].

Phương pháp này được phát triển đầu tiên ở nhà máy alumin Burntisland,Scotland năm 1941 Giulini GmbH ở Đức cũng là công ty đi đầu áp dụng phươngpháp này Bùn đỏ khô cứng nhanh, đây được xem là chi phí hiệu quả và không gây

ra ảnh hưởng đến môi trường Phương pháp này được xem là phương pháp hiện đạinhất hiện nay

Các nhà máy luyện alumin của Alcoa tiếp nhận phương pháp này từ 1985.Bùn đỏ đậm đặc trong dòng dung dịch đáy từ thiết bị rửa hoặc từ thiết bị cô đặchoặc thiết bị lọc ép chân không (để khử nước ra khỏi bùn đỏ) được bơm tới khu vựcthải và được trải thành những lớp trên diện tích bãi thải để khử nước bằng tháo khô

và bay hơi dưới ánh nắng mặt trời, phương pháp này làm cho bùn đỏ khô cứng tới72% so với 52% của phương pháp thải bùn đỏ ra ao để khô

Tại các địa điểm áp dụng công nghệ thải khô nhiều lớp, người ta áp dụng 2lớp chống thấm Ở đáy một lớp đá sét nén chặt dày 600 mm, lớp này có thể thaybằng một lớp sét tổng hợp địa kỹ thuật Lớp chống thấm trên là tấm màng plastic,làm bằng polyethyene có tỷ trọng cao (HPDE), có chiều dày khoảng 1,5-1,75mm,chất này có độ bền rất tốt trong môi trường soda nồng độ cao và trong môi trường

pH Tất cả các biện pháp này đảm bảo tốc độ thấm nước < 10-7 – 10-12 cm/s Thông

số này đáp ứng yêu cầu về chống rò rỉ từ việc chôn cất chất thải nguy hại của châu

Âu và Hoa Kỳ

Người ta còn thiết lập một mạng ống trên nền chống thấm ở bãi thải, trênthành ống có nhiều lỗ; rồi phủ lên ống một lớp cát dày 0,8-1m Nước bùn đỏ thấmxuống tạo thành lớp nước ngập trên nền chống thấm, rồi ngấm vào các ống qua các

lỗ Nước trong ống được thu gom và bơm lên

Bùn đỏ dạng vụn (không ngấm nước) hoặc bùn đỏ đậm đặc của dòng đáy docông nghệ thải khô nhiều lớp sản xuất ra rất khó thấm nước ngay cả lúc trời mưa Trong những năm 70, 70-80% bùn đỏ được lưu giữ bằng phương pháp ướt (tạicác ao hồ), số còn lại lưu giữ trong biển ở 10 nhà máy luyện alumin lớn ở Hoa Kỳ,Australia và châu Âu Cho tới nay, bùn đỏ được thải ở dạng lỏng chiếm 66%, thảibằng phương pháp khô nhiều lớp chiếm gần 1/3

Hình 1.7 Sơ đồ thải bùn đỏ khô nhiều lớp của Alcoa [3]

1.2.4.Tác động về môi trường

Bùn đỏ có 2 nguy cơ:

− Thứ nhất là sự độc hại tức thời: trong bùn có xút (từ 3 đến 12 kg xút cứ mỗitấn nhôm được sản xuất), và những chất ăn da khác như oxit canxi, hay vôi sống.Khi hòa tan trong nước mưa hay trong những dòng nước, chúng tạo ra môi trường

có độ kiềm rất cao làm bỏng da người

− Thứ nhì, về dài hạn, nguy cơ xuất phát từ những nhân tố kim loại có trongcác chất thải này, gồm có rất nhiều oxit sắt, oxit nhôm hay alumin, silic, titan, chì,crôm, và có thể cả thủy ngân nữa Oxit nhôm ở thể rắn thì không độc, nhưng ở trongmột dung dịch, nó có hoạt tính cao và có thể xuyên thấu các màng sinh học Tương

tự, crôm có khả năng gây ung thư Chì và thủy ngân cũng tùy theo nồng độ và dạngthức hóa học mà gây tác hại Điều chắc chắn là các oxit kim loại này ở liều lượngcao đều có tiềm năng độc hại đối với động, thực vật

Công nghiệp nhôm bao gồm khai thác bauxit tuyển rửa quặng (làm giàu) sản xuất alumin và điện phân nhôm đối với thế giới đã tồn tại cả thế kỷ nhưng đốivới Việt Nam là mới mẻ Vì vậy, chúng ta phải đúc rút kinh nghiệm của các nướcđặc biệt là Hungary và căn cứ vào điều kiện hoàn cảnh cụ thể và cần phải hợp tác về

khoa học, công nghệ với các nước đã có thực tế, đã được tổng kết và đặc biệt cầnlưu ý tới các tác động về môi trường và xã hội trong quá trình thực hiện

Trong lĩnh vực vật liệu xây dựng đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụngbùn đỏ là nguyên vật liệu cho ngành sản xuất xi măng, gạch ngói, tấm lợp cách âm,sản xuất bê tông, sản xuất vật liệu xây dựng nhẹ, gạch không nung [12], chất độnnhẹ, sản xuất bê tông nặng chống phóng xạ…

Các nghiên cứu của các nhà khoa học Séc [13], cũng đưa ra để sản xuất gạchkhông nung, bằng cách trộn bùn đỏ với xi măng và đá vôi theo tỷ lệ thích hợp, tínhchất cơ lý của gạch được chế tạo từ bùn đỏ tương đương với gạch Block M100 theotiêu chuẩn Việt Nam, 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 dụng bùn đỏ thành vật liệu làm đường, kết quả cho thấy khi sử dụng tỷ lệ 60%

bùn đỏ và 40% đất cấp phối thì khả năng chịu lực của nền đường là tương đươngvới nền đất tự nhiên, đây cũng là phương án cần được quan tâm khi sử dụng tái chếbùn đỏ ở Việt Nam.

Trong bã thải bùn đỏ vẫn còn một số kim loại có giá trị và đã được nghiêncứu thu hồi lại như là Al, V, Ga, Ti, Sc 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 vànhôm còn dư trong bùn đỏ, sau đó cặn thải trong quá trình thu hồi Ti được đưa vàotrung hòa kiềm còn dư trong bùn đỏ Tuy nhiên phương án này chỉ phù hợp vớinhững quặng bauxit có hàm lượng Ti lớn trên 10%, còn đối với quặng bauxit ViệtNam, hàm lượng TiO2 chỉ khoảng 7% do đó phương án này không thể áp dụngđược ở Việt Nam

Một trong những ứng dụng quan trọng của bùn đỏ là cải tạo thành đất trồngtrọt, giúp hoàn nguyên đất vùng khai thác Tác giả Nguyễn Mạnh Hùng [12] đãnghiên cứu giải pháp trung hòa bùn đỏ bằng tác nhân hữu cơ từ các nguồn phế thảicông nghiệp và than bùn để tạo nền đất trồng mới có các tính chất nông hóa thíchhợp

Bùn đỏ cũng được sử dụng làm nguyên liệu cho việc sản xuất gốm sứ, bộtmàu, sơn: do hàm lượng oxit sắt cao, bùn đỏ dùng làm chất tạo màu cho gạch, bêtông, sơn, thủy tinh

Ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý nước: hấp phụ các anion như F-, NO3-,PO43- [5, 12], hấp phụ các kim loại nặng [10, 12], hấp phụ thuốc nhuộm [8], hấp phụcác hợp chất hữu cơ khác như phenol…, hay các vi khuẩn, virus trong nước

Ứng dụng làm vật liệu xử lý khói thải của các quá trình công nghiệp [5].Ứng dụng làm chất xúc tác cho các quá trình hidro hóa, clo hóa hay xúc tácoxi hóa hidrocacbon…[13]

1.2.6 Bùn đỏ từ nhà máy hóa chất Tân Bình

Ở Việt Nam, nhà máy hóa chất Tân Bình cũng sản xuất aluminium hidroxit

từ quạng bauxit Lâm Đồng theo phương pháp Bayer

Thành phần hóa học chủ yếu của Bauxit Lâm Đồng được nghi nhận ở bảng 1.6

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của quặng bauxit Lâm Đồng.

49,45% 17,58% 2,08% 2,99% 0,26% 0,05% 0,05% 0,32%

Bã thải của quy trình Bayer ở dạng rắn rất mịn, được thải ra khỏi quy trìnhcùng với pha lỏng và có màu đỏ nên được gọi là bùn đỏ Màu và độ màu của bùn đỏ

là do hàm lượng của Fe2O3 quyết định

Tính chất của bùn đỏ: Tùy theo hàm lượng nước còn lại trong bùn ở trạngthái lỏng, dẻo, bán rắn hay rắn Bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình ở dạng vữaloãng, tỉ lệ phần trăm pha rắn khoảng 20%, độ hạt rất mịn, khi phơi khô bùn có độ

ẩm 4,17%, tỷ trọng 3,37 g/cm3, diện tích bề mặt riêng 28,36 g/cm3 Bùn có màu từ

đỏ cam đến nâu với pH 11,7 – 12,5

1.3 TỔNG QUAN KHÍ THẢI CÔNG NGHIỆP VÀ XỬ LÝ CO2 TRONG KHÍ

THẢI CÔNG NGHIỆP

1.3.1 Khí thải công nghiệp

Khí thải công nghiệp là hỗn hợp các thành phần vật chất phát thải ra môitrường không khí từ ống khói, ống thải của các cơ sở sản xuất, chế biến, kinhdoanh, dịch vụ công nghiệp Thành phần nguy hại chính trong khí thải công nghiệpchính là khí CO2, việc gia tăng hàm lượng khí thải sẽ làm tăng hàm lượng CO2 trongkhông khí gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu Chính vì thế việc giảm hàm lượngkhí thải trong khí quyển xuống 3%/năm trong hai đến ba thập niên tới có thể thayđổi bức tranh khí quyển toàn cầu Đây là vấn đề cấp thiết đối với toàn thế giới buộccon người phải ra tay hành động khi còn có thể cứu vãn được tình thế [5,15]

1.3.2 Xử lý CO2 trong khí thải công nghiệp

1.3.2.1 Tác động của ô nhiễm CO 2 đối với khí hậu toàn cầu

Yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến khí hậu thế giới là sự cân bằng nhiệt của tráiđất Lượng nhiệt trái đất và khí quyển tiếp nhận, giữ lại và phản xạ quyết định sựcân bằng sinh thái Con người gây ảnh hưởng đến quỹ nhiệt này qua việc thải CO2vào khí quyển

Khí CO2 gần như trong suốt với ánh sáng nhưng lại là chất hấp thụ mạnh vàphản phát xạ bức xạ hồng ngoại, đặc biệt trong vùng bước sóng từ 12 - 18µm Vìvậy khí CO2 tăng, gây tăng nhiệt độ vùng khí quyển thấp, do nhiều bức xạ hồngngoại từ trái đất bị giữ lại Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng nhà kính, có thểlàm tăng nhiệt độ trái đất lên một cách lâu dài [5,15]

Các nghiên cứu cho thấy khi nồng độ CO2 tăng từ 300 đến 600 ppm thì nhiệt

độ tăng 3,26oC Nồng độ CO2 trung bình trong khí quyển vào khoảng 320 ppm.Nồng độ CO2 trong khí quyển tăng hàng năm trung bình khoảng 0,7 ppm Hiệu ứngnhà kính làm Trái Đất nóng lên, gây ra tác hại rất lớn đối với sự sống trên Trái Đất,

như là làm tan các biển núi băng ở hai cực Trái Đất, lượng băng giá tan sẽ làm chomực nước biển dâng cao và nước tràn ngập những vùng đồng bằng rộng lớn venbiển Theo tính tốn thì mức nước biển sẽ tăng cao 0,25 m khi nhiệt độ Trái Đất tăng

1oC, và nếu như không có biện pháp hữu hiệu giảm thiểu khí nhà kính thì mực nướcbển có thể dâng cao tới 1-3 m vào cuối thế kỷ này [5] Sau vài thế kỷ tiếp theo bănggiá ở tây Antartic tan ra chảy vào biển thì mực nước biển sẽ tăng cao tới 5-6 m

1.3.2.2 Xử lý CO 2 trong khí thải công nghiệp

Phương pháp này chủ yếu sử dụng dung môi hóa học tái sinh là các bazơyếu Bản chất của phương pháp hấp thụ hóa học là phản ứng hóa học giữa dung môibazơ và khí CO2 (có tính acid) để tạo thành dung dịch muối tan Trong quá trình táisinh dung môi, các muối này có thể phân hủy bởi nhiệt Các dung môi thường dùng

là monoethanolamine (MEA), methyldiethanolamine (MDEA), diethanolamine(DEA) Phản ứng cơ sở của phương pháp này như sau:

2HO-R-NH2 + CO2 + H2O ↔ (HO-R-NH3)2CO3Sản phẩm CO2 sau khi ngưng tụ (áp suất khoảng 25psi) được làm khô và néntới áp suất phù hợp để thuận lợi cho quá trình thu gom Độ sạch của CO2 tách từ quátrình hấp thụ bằng dung môi amine đạt 99,9% thể tích Chất lượng của CO2 sau khilàm sạch đáp ứng tiêu chuẩn dùng cho thực phẩm

Ngày nay có rất nhiều biện pháp xử lý CO2 bằng phương pháp hấp thụ Dướiđây là một số phương pháp hấp thụ thường dùng

 Hấp thụ bằng các dung dịch metanolamin

Phản ứng hấp thụ CO2 bằng dung dịch metanolamin:

2RNH2 + CO2 + H2O = (RNH3)2CO3(RNH3)2CO3 + CO2 + H2O = RNH3HCO32RNH2 + CO2 = RNHCOONH3RDung dịch hấp thụ được phục hồi bằng cách đun nóng

+ Ưu điểm của phương pháp môn metanolamin là: giá rẻ, khả năng phản ứngcao, ổn định, dễ phục hồi

+ Nhược điểm là áp suất hơi cao

Để giảm áp suất hơi, người ta dùng nước rửa khí để thu hồi hơi metanolamin

 Hấp thụ bằng dung dịch ammoniac

Phản ứng hấp thụ như sau :

2NH3 + CO2 = NH2COONH4

2NH3 + CO2 + H2O = NH4HCO32NH3 + CO2 + H2O = (NH3)2CO3Phương pháp này được ứng dụng để xử lý khí thải có chưa 30% CO2 Trongthực tế, phương pháp này cho phép giảm nồng độ CO2 từ 34% xuống còn 0,015%trong tổng hợp NH3.Dung dịch hấp thụ được phục hồi bằng cách đun nóng.

 Hấp thụ CO 2 bằng dung dịch kiềm

Thường sử dụng chất hấp thụ là Na2CO3 Phản ứng hấp thụ như sau:

Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3

Vận tốc hấp thụ nhỏ, để tằng vận tốc người ta thường dùng xúc tác làmethanol, etanol, đường…Dung dịch phục hồi bằng cách đun nóng hơi nước.Khuyếtđiểm là hiệu quả hấp thụ thấp và tốn nhiều hơi nước để phục hồi dung dịch Để tănghiệu quả hấp thụ, cho vào dung dịch 1 lượng dư NaOH và dung dịch không tái sinh

-− Kết cấu thiết bị đơn giản

− Không tốn nhiệt

− Dung môi rẻ

+ Nhược điểm:

− Nước hấp thụ CO2 trong không khí

− Tải trọng máy bơm rất cao

phụ CO2, loại bỏ các loại khí khác và giải hấp để tách CO2 Thiết bị của quá trìnhnày chứa 3 lớp vật liệu hấp phụ để tối ưu hóa hiệu suất:

− Khói thải đi vào tháp hấp phụ từ phía dưới, khí đã tách CO2 thoát ra từ đỉnh tháp

− Bơm CO2 vào tháp để loại triệt để khí N2

− Bơm chân không để giảm áp trong hệ thống thiết bị giải hấp CO

 Hấp phụ khí CO 2 bằng than hoạt tính

Khói thải đi vào tháp hấp phụ gồm nhiều tầng, khí CO2 được giữ lại tronglớp than hoạt tính của các tầng hấp phụ, sau đó khói đi qua cyclone để lọc sạch trobụi trước khi thải ra khí quyển

Than hoạt tính được hoàn nguyên bằng cách nâng nhiệt độ lên 400-450oC.Khí CO2 thoát ra từ quá trình hoàn nguyên có nồng độ 40-50% và đạt khoảng 96-97% lượng khí CO2 có trong khói thải Sau khi hoàn nguyên than hoạt tính được sànchọn lại để loại bỏ phần than quá vụn nát và bổ sung thêm than mới để đưa lên hấpphụ trở lại Khí thoát ra từ quá trình hoàn nguyên ngoài CO2 còn có một số loại khíkhác như: H2S là 2-4%, lưu huỳnh là 0,1-0,3%

 Màng hấp thụ khí

Màng hấp thụ khí sử dụng dung môi để hấp thụ CO2 CO2 khuếch tán giữacác lỗ màng, sau đó được hấp thụ bởi dung môi Màng đóng vai trò tăng cường vàduy trì tiếp xúc của pha khí và pha lỏng Màng hấp thụ khí được sử dụng khi áp suấtriêng phần của CO2 thấp (vì động lực tách khí nhỏ) Các lỗ xốp của màng cho phépkhí tiếp xúc với dung môi CO2 được hấp thụ bởi tính chọn lọc của dung môi Màngkhông tự tách CO2 từ các khí khác mà chỉ có vai trò khuếch tán khí trong các lỗ xốpnằm chắn giữa pha lỏng và khí Hiệu quả tách CO2 bằng màng hấp thụ khí cao hơnhiệu quả tách CO2 bằng dung môi thông thường nên kích thước thiết bị giảm Dạngmodule thường được sử dụng là màng sợi rỗng