Nghiên cứu áp dụng tiêu chí đánh giá công nghệ xử lý chất thải để đánh giá giải pháp xử lý bùn đỏ từ quá trình sản xuất alumina

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- NGÔ HÔNG NGHĨA NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI ĐỂ ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP XỬ LÝ BÙN ĐỎ TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ALUMINA Chu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- NGÔ HÔNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI ĐỂ ĐÁNH

GIÁ GIẢI PHÁP XỬ LÝ BÙN ĐỎ TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ALUMINA

Chuyên ngành : Công nghệ môi trường

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: “Nghiên cứu áp dụng tiêu chí đánh giá công nghệ xử lý chất thải đề đánh giá giải pháp xử lý bùn đỏ từ quá trình sản xuất alumina” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của TS Trần Thị Thúy

và TS Hoàng Thu Hương Đây không phải là bản sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào Các số liệu, nguồn thông tin trong luận văn là do tôi điều tra, trích dẫn, tính toán và đánh giá

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

HỌC VIÊN

Ngô Hồng Nghĩa

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Thị Thúy và

TS Hoàng Thu Hương, những người đã hướng dẫn tôi thực hiện luận văn, những người luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo của hai viện: Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường; Viện Kỹ thuật Hóa học thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã trang bị cho tôi những kiến thức bổ ích, thiết thực cũng như sự nhiệt tình,

ân cần dạy bảo trong những năm vừa qua

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu, và hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, phòng thí nghiệp R&D - Đại học Bách khoa Hà Nội, tập đoàn Than – Khoáng sản Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có được những thông tin, tài liệu quý báu phục vụ cho luận văn thạc sỹ khoa học này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

HỌC VIÊN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NHÔM VÀ ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI 3

1.1 Tổng quan về công nghệ sản xuất nhôm 3

1.1.1 Bô xít – nguyên liệu cho quá trình sản xuất nhôm 3

1.1.2 Công nghệ sản xuất nhôm 8

1.1.3 Phân loại sản phẩm, lĩnh vực sử dụng 11

1.1.4 Vấn đề môi trường trong quá trình sản xuất bô xít 12

1.2 Tổng quan về đánh giá công nghệ xử lý chất thải 17

1.2.1 Khái niệm, ý nghĩa hoạt động đánh giá công nghệ xử lý chất thải 16

1.2.2 Nguyên tắc chung của việc lựa chọn, định hướng các tiêu chí 19

1.2.3 Hiện trạng hoạt động đánh giá công nghệ xử lý chất thải 21

CHƯƠNG II MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 23

2.2 Phương pháp nghiên cứu đặc tính bùn đỏ 23

2.2.1 Lấy mẫu và xử lý mẫu 23

2.2.2 Phương pháp phân tích 23

2.3 Đánh giá công nghệ xử lý chất thải 32

CHƯƠNG III ĐẶC TÍNH BÙN ĐỎ, HIỆN TRẠNG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ LƯU GIỮ VÀ XỬ LÝ BÙN ĐỎ 37

3.1 Đặc tính bùn đỏ từ quá trình sản xuất nhôm 37

3.1.1 pH 37

3.1.2 Độ dẫn điện 37

3.1.3 Sắt 38

3.1.4 Kim loại khác 39

3.1.5 Phân tích hàm lượng Cacbon hữu cơ 39

3.1.6 Kết quả phân tích silic và titan 40

3.2 Hiện trạng một số công nghệ lưu giữ bùn đỏ 41

3.2.1 Lưu giữ bùn đỏ bằng phương pháp thải ướt 41

3.2.2 Lưu giữ bùn đỏ bằng phương pháp thải khô nhiều lớp 44

CHƯƠNG IV XÂY DỰNG CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHO CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU GIỮ BÙN ĐỎ VÀ ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 46

4.1 Xây dựng các tiêu chí đánh giá công nghệ cho các phương pháp lưu giữ bùn đỏ 46 4.2 Áp dụng tiêu chí đánh giá công nghệ xử lý bùn đỏ trong điều kiện Việt Nam 52

4.2.1 Phương pháp thải ướt 52

4.2.2 Phương pháp thải khô nhiều lớp 54

4.3 Đánh giá phương pháp xử lý bùn đỏ, lựa chọn giải pháp phù hợp 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 63

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TSP Total suspend particular Tổng lƣợng bụi lơ lửng

UV - VIS Ultraviolet spectroscopy visible

Máy quang phổ tử ngoại khả kiến

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân bố trữ lượng bô xít và các nhà khai thác hàng đầu thế giới 3

Bảng 1.2 Thành phần hóa học và khoáng vật quặng bô xít 4

Bảng 1.3 Thành phần hóa học một số mẫu quặng bô xít Việt Nam 6

Bảng 1.4 Thành phần hóa học bùn đỏ 13

Bảng 2.1 Liều lượng, hóa chất sử dụng trong phân tích sắt bằng thioxianat 27

Bảng 2.2 Liều lượng, hóa chất sử dụng trong phân tích sắt bằng axit sunfosalixilic 28

Bảng 2.3 Dãy chuẩn của glucoza trong dung dịch dicromat 31

Bảng 2.4 Một số tiêu chí xây dựng đánh giá công nghệ xử lý bùn đỏ 35

Bảng 3.1 Kết quả đo pH 37

Bảng 3.2 Kết quả đo độ dẫn điện mẫu bùn đỏ 37

Bảng 3.3 Kết quả phân tích sắt mẫu bùn đỏ 38

Bảng 3.4 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu kim loại mẫu bùn đỏ 39

Bảng 3.5 Kết quả phân tích hàm lượng cacbon hữu cơ mẫu bùn đỏ 39

Bảng 3.6 Kết quả phân tích silic và titan 40

Bảng 3.7 Thành phần khối lượng các nguyên tố trong mẫu khô 40

Bảng 3.8 Thành phần khối lượng các nguyên tố trong bùn khô và bùn ướt 40

Bảng 4.1 Bảng lượng hóa điểm số các tiêu chí tính khả thi về kỹ thuật 49

Bảng 4.2 Bảng lượng hóa điểm số các tiêu chí tính an toàn môi trường 50

Bảng 4.3 Bảng lượng hóa đánh giá công nghệ theo từng tiêu chí tối đa 51

Bảng 4.4 Lượng hóa điểm số các tiêu chí phương pháp thải ướt 54

Bảng 4.5 Lượng hóa điểm số các tiêu chí phương pháp thải khô nhiều lớp 56

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ Bayer 9

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý bể điện phân nhôm 11

Hình 1.3 Sơ đồ sản phẩm và lĩnh vực sử dụng quặng bô xít 12

Hình 1.4 Dòng vật chất trong quá trình sản xuất nhôm 14

Hình 1.5 Sự cố môi trường ở nhà máy alumin Ajica – Hungary 15

Hình 1.6 Sự ô nhiễm nguồn nước mặt 15

Hình 1.7 Sự phá hủy thực vật 16

Hình 2.1 Đường chuẩn trong phân tích sắt với thuốc thử thioxianat 27

Hình 2.2 Đường chuẩn trong phân tích sắt với thuốc thử axit sunfosalixilic 29

Hình 2.3 Đường chuẩn trong phân tích tổng cacbon hữu cơ 31

Hình 3.1 Cấu tạo đê bao hồ chứa bùn đỏ 42

Hình 3.2 Mô phỏng lớp lót đáy, lớp phủ bề mặt và hệ thống quan trắc hồ chứa 42

Hình 3.3 Sơ đồ thải khô nhiều lớp 45

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp khai thác và chế biến quặng bô xít ở Việt Nam đã có sự phát triển mạnh mẽ, nhiều dự án mới được triển khai xây dựng

ở qui mô lớn Tuy nhiên, một trong những tác động tiêu cực của sự phát triển đó là vấn

đề ô nhiễm môi trường do chất thải phát sinh từ quá trình chế biến bô xít Hiếm có một ngành sản xuất nào mà lượng chất thải phát sinh trên mỗi đơn vị sản phẩm lớn như ngành chế biến quặng bô xít Quản lý và xử lý lượng chất thải này ra sao vẫn là một thách thức lớn cho các nhà sản xuất và các nhà môi trường trên thế giới cũng như ở Việt Nam Đã có nhiều phương án được xây dựng, tuy nhiên việc lựa chọn phương án khả thi về kinh tế - kỹ thuật - môi trường đối với một dự án cụ thể là một bài toán phức tạp, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà môi trường trong và ngoài nước

“Đánh giá công nghệ xử lý chất thải” là một công cụ quan trọng để xác định phương án công nghệ tối ưu trong xử lý chất thải Trong những năm gần đây, hoạt động này đã có những bước phát triển mạnh mẽ, được ứng dụng trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực sản xuất Trên cơ sở lượng hóa tính điểm từng tiêu chí nhỏ, đánh giá lợi ích - chi phí các mặt kinh tế - kỹ thuật - môi trường của một công nghệ , kết quả cuối cùng sẽ phản ánh sự tối ưu của những công nghệ được lựa chọn đánh giá

Xuất phát từ thực tế này, để giải quyết bài toán môi trường trong quá trình khai

thác chế biến quặng bô xít, đề tài “ Nghiên cứu áp dụng tiêu chí đánh giá công nghệ

xử lý chất thải để đánh giá giải pháp xử lý bùn đỏ từ quá trình sản xuất alumina” đã

được thực hiện Với kỳ vọng xây dựng một bộ tiêu chí chuẩn để đánh giá công nghệ xử

lý chất thải, đóng góp thêm một phương án giải quyết vấn đề môi trường trong các dự

án sản xuất nhôm, làm cơ sở lý luận cho các dự án khác ngoài nhôm

2 Mục tiêu của đề tài

- Xác định thành phần chủ yếu của bùn đỏ phát sinh từ công nghệ sản xuất alumina từ quặng bô xít

- Đánh giá phương pháp xử lý chất thải từ quá trình sản xuất alumina dựa trên các tiêu chí đánh giá công nghệ

- Đề xuất giải pháp phù hợp để xử lý bùn đỏ

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: chất thải từ quá trình chế biến quặng bô xít của nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ Chí Minh; hai phương án công nghệ xử lý chất thải bô xít bao gồm phương án thải khô nhiều lớp và phương án thải ướt

- Phạm vi nghiên cứu: khảo sát tính khả thi của hai phương pháp thải khô nhiều lớp và thải ướt trên các mặt kinh tế - kỹ thuật – môi trường

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: dựa trên phương pháp luận về đánh giá công nghệ xử lý chất thải nói chung, đề tài đã xây dựng bộ tiêu chí chung phục vụ cho công tác đánh giá công nghệ xử lý chất thải ngành nhôm, đóng góp cơ sở lý luận về đánh giá công nghệ xử lý cho một đối tượng cụ thể, là tài liệu cho những công trình đánh giá trên các đối tượng khác

- Ý nghĩa thực tiễn: bộ tiêu chí chung được xây dựng giúp cho các nhà đầu tư có

cơ hội lựa chọn một phương án thích hợp đối với một dự án cụ thể, hạn chế rủi ro, đem lại lợi ích kinh tế và môi trường trong tiến trình phát triển đất nước

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NHÔM

VÀ ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI

1.1 Tổng quan về công nghệ sản xuất nhôm

1.1.1 Bô xít - nguyên liệu cho quá trình sản xuất nhôm

1.1.1.1 Tài nguyên bô xít trên thế giới

Bô xít được lấy tên theo ngôi làng Les Bauxs thuộc miền Nam nước Pháp, chúng được phát hiện ra lần đầu tiên vào năm 1821 bởi nhà địa chất học Pierre Berthier Bô xít là tên một đá màu nâu đến nâu đỏ, giàu các khoáng vật chứa nhôm và

là quặng nhôm quan trọng nhất (bên cạnh nó, một số loại quặng khác cũng được biết đến như nguồn nguyên liệu cho quá trình sản xuất nhôm là: alunite, nepheline, apathite – nepheline) [1] [18]

Phân bố trữ lượng bô xít và các nhà khai thác hàng đầu thế giới được trình bày trong bảng 1.1

Bảng1.1 Phân bố trữ lượng bô xít và các nhà khai thác hàng đầu thế giới[15]

Quặng bô xít có thành phần hoá học và khoáng vật cơ bản nhƣ trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Thành phần hóa học và khoáng vật của Bô xít[4]

Al2O3 : 40 - 65% diaspor - Al2O3.H2O

bơmit - Al2O3.H2O gipxit -Al2O3.3H2O SiO2 : 0,5 - 10% kaolinit Al4(OH)8.SiO2.O10

thạch anh SiO2

Fe2O3 :3 - 30% hematít - Fe2O3

gơtít - Fe2O3.H2O TiO2 : 0,5 - 8% anatat TiO2

rutin TiO2

H2O : 10 - 34% diaspor, bơmit , gipxit, kaolinit, gơtít

Các nguyên tố đi kèm và các tạp chất: Mn, P, V, Cr, Ni, Ga, Ca, Mg, C…

Theo nguồn gốc thành tạo địa chất, bô xít được chia làm hai loại: Bô xít laterit

và bô xít karstic Bô xít laterit được thành tạo từ quá trình phong hoá đá bazan, chiếm khoảng 90% trữ lượng bô xít của thế giới, thành phần chủ yếu là gipxit Bô xít karstic được thành tạo trên nền đá vôi, chiếm khoảng 10% trữ lượng bô xít của thế giới

Đối với công nghệ xử lý, người ta chia bô xít thành các loại sau:

a Bô xít gipxit (hàm lượng bơmit < 5%): tập trung ở Brazin, Úc, Surinam, Ghinê, Guana, Jamaica, Ấn Độ, Sierra Leone, Inđônêxia, Vênêzuêla, Việt Nam

b Bô xít gipxit - bơmit (hàm lượng bơmit 5 - 20%): Úc, Ấn Độ, Ghinê, Ghana, Jamaica

c Bô xít bơmit ( hàm lượng bơmit > 20% ): Nam Tư, Pháp, Hungary

d Bô xít diaspor ( hàm lượng diaspor > 10% ): Hy Lạp, Trung Quốc, Việt Nam, Iran, Nam Tư, Rumani [4]

1.1.1.2 Tài nguyên bô xit ở Việt Nam [4]

a/ Nguồn gốc, trữ lượng và phân bố

Việt Nam được xác định là một trong những nước có nguồn tài nguyên bô xít vào loại lớn trên thế giới, tổng tài nguyên, trữ lượng quặng bô xít đã xác định và tài nguyên dự báo khoảng 5,5 tỷ tấn, trong đó khu vực miền Bắc khoảng 91 triệu tấn, còn lại tập trung chủ yếu ở khu vực Tây Nguyên khoảng 5,41 tỷ tấn, 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 - Kon Tum khoảng 806 triệu tấn (chiếm 15%) và Bình Phước

khoảng 217 triệu tấn (chiếm 4%)

Theo điều kiện thành tạo và thành phần vật chất, quặng bô xít trầm tích được phân làm hai loại quặng gốc và sa khoáng Các thân quặng gốc thường nằm trong tầng

bô xít (Mỏ Táp Ná, Tam Lung), quặng gồm diaspor, bơmit, hydrohematit, caolinit … Quặng sa khoáng là sản phẩm của quá trình phong hoá, phá huỷ quặng gốc tại chỗ (sa khoáng eluvi) ở sườn đồi hoặc sườn núi (deluvi) hoặc lắng đọng tại các thung lũng (aluvi) Quặng sa khoáng nguyên khai có chất lượng thấp vì có lẫn nhiều tạp chất - chủ

yếu là sét kaolinit Để nâng cao chất lượng người ta phải qua tuyển đãi bằng phương pháp thông thường – tuyển rửa Quặng gồm diaspor và bơmit

Các mỏ bô xít nguồn gốc phong hoá laterit chiếm ưu thế tuyệt đối về quy mô trữ lượng Ở miền Bắc thành tạo bô xít laterit được phát hiện ở Điện Biên Phủ; ngoài ra còn có ở Phủ Quỳ - Nghệ An, Tân Phủ - Tuyên Quang với trữ lượng nhỏ Ở miền Nam trữ lượng bô xít laterit thuộc loại tầm cỡ thế giới và có hầu hết ở các tỉnh Tây Nguyên

b/ Đặc điểm và thành phần hóa học

Trước năm 1977 với sự hợp tác của Liên Xô và đặc biệt là của Hungary, nước ta

đã tập trung nghiên cứu đánh giá chất lượng quặng bô xít ở các vùng Miền Bắc như Ma Mèo (Lạng Sơn), Táp Ná (Cao Bằng) Kết quả nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước

đã khẳng định bô xít Lạng Sơn và Cao Bằng thuộc loại diaspor có độ kết tinh bền vững, rất khó hoà tách (nhiệt độ hòa tách 240-2600C, với nồng độ kiềm cao  200g/l

Na2O, phải có chất xúc tác CaO cao hơn thông thường)

Các nghiên cứu trong và ngoài nước đối với bauxit Miền Nam đều đi đến kết

luận: Bô xít dưới dạng gipxit-gơtit, chất lượng thuộc loại trung bình, thường phải qua

tuyển rửa mới đảm bảo chất lượng để sử dụng cho công nghệ Bayer; bô xít thuộc loại gipxit dễ hoà tách nên có thể được xử lý bằng công nghệ Bayer Châu Mỹ (nhiệt độ khoảng 140-150 0 C, với nồng độ kiềm khoảng 160-170g/l Na 2 O), tuy vậy bô xít có chứa nhiều gơtit nên khả năng lắng kém.

Kết quả phân tích mẫu quặng tinh bô xít (mẫu sau khi tuyển rửa) của mỏ Tân Rai (Lâm Đồng) và một số mỏ ở tỉnh Đăk Nông do nước ngoài (AP-Pháp, Viện CSIRO

- Úc, Alcoa - Úc) phân tích được nêu ở bảng 1.3

Bảng 1.3 Thành phần hóa học một số mẫu quặng bô xít Việt Nam[4]

Ga: 60 ppm (Ga2O3: 0,0081)

0,17 0,11

0,14 0,08

1.1.2 Công nghệ sản xuất nhôm [4]

1.1.2.1 Công nghệ sản xuất alumina

Sản xuất alumina dựa trên hai phương pháp hỏa luyện và thủy luyện Hơn 90%

bô xít trên thế giới được xử lý bằng phương pháp thủy luyện, tại Việt Nam cũng lựa chọn phương pháp thủy luyện để sản xuất alumin, do đó nội dung luận văn tập trung vào phương pháp thủy luyện do nhà hoá học người Áo Kark Josef Bayer đã phát minh vào năm 1887- 1892 với hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao

Công nghệ Bayer được dựa trên cơ sở của phản ứng thuận nghịch sau:

Al(OH)3 + NaOH NaAlO2 + 2H2O

Công nghệ Bayer chủ yếu gồm các công đoạn:

- Bô xít được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH Lượng Al2O3 được tách ra trong dạng NaAlO2 hoà tan và được tách ra khỏi cặn không hoà tan (gọi là bùn đỏ do chủ yếu là các ôxyt sắt nên có màu đỏ, ngoài ra còn có ôxyt titan, ôxyt silic…)

- Dung dịch aluminate NaAlO2 được hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho mầm Al(OH)3 vào để kết tủa

- Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành Al2O3 thành phẩm

Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ Bayer được giới thiệu trên hình 1.1

Hoà tách >1000C

Kết tủa <1000C

Gipxit rắn

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ Bayer

Trong quá trình sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer, tùy theo thành phần khoáng vật của bô xít mà công nghệ Bayer được chia thành 2 giải pháp khác nhau:

* Công nghệ Bayer Châu Mỹ

Được áp dụng nếu Al2O3 của bô xít ở dạng gipxit (trihydrate Al2O3.3H2O), có thể được hoà tách dễ dàng Bô xít này thường được hòa tách ở nhiệt độ khoảng 140-

1450C trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm thấp (120-170g/l Na2O)

Công nghệ này đang được áp dụng trong các nhà máy của ALCOA ở tây Úc, nhà máy alumin ở Jamaica, Brazil, Sơn Đông (Trung Quốc), Guinea và sẽ được áp dụng cho các nhà máy alumin ở Tây Nguyên - Việt Nam

Trao đổi nhiệt

Cô bay hơi

Trao đổi nhiệt

Kết tinh

Tách Oxalat

Bô xít

*Công nghệ Bayer Châu Âu

Được áp dụng nếu Al2O3 của bô xít ở dạng bơmit và diaspor (monohydrate

Al2O3.H2O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 2000C (240-2500C trong các nhà máy hiện đại và có chất xúc tác đối với quặng diaspor) và trong dung dịch hòa tách có nồng

độ kiềm cao hơn (180-250g/l Na2O) Công nghệ này đang được áp dụng trong các nhà máy alumin của Nga, Iran, Bình Qủa (Trung Quốc) để xử lý quặng bauxit diaspor; nhà máy alumin ở Hungary, Nam Tư, một vài nhà máy ở Úc xử lý quặng bô xit bơmit và

sẽ được áp dụng cho nhà máy alumin xử lý quặng bô xít diaspor ở miền Bắc Việt Nam (Ma Mèo, Táp Ná )

1.1.2.2 Công nghệ điện phân nhôm

Khác với sản xuất ôxyt nhôm, sản xuất nhôm kim loại từ khoảng hơn một trăm năm nay chỉ có một phương pháp công nghệ độc tôn đó là điện phân aluminat trong dung dịch Criolit nóng chảy Năm 1888-1889 Charles Martin Hall của Mỹ và Paul Heroult của Pháp đã độc lập nghiên cứu và cùng phát minh ra công nghệ điện phân nhôm gọi là phương pháp Hall - Heroult Quá trình sản xuất nhôm tiêu hao năng lượng rất lớn: để sản xuất 1kg nhôm nguyên chất đòi hỏi sử dụng 165 – 260 MJ (megajun) năng lượng, so sánh với thép là 21 – 25MJ, đồng 80 – 127MJ, hoặc kẽm 47 – 87 MJ Giá năng lượngchiếm xấp xỉ một phần ba giá thành sản xuất nhôm [19]

Nguyên lý làm việc của bể điện phân nhôm: alumin hòa tan trong dung dịch muối nóng chảy Criolit - Na3AlF6 (nhiệt độ nóng chảy của alumin là 2050oC, Hall – Heroult đã dùng dung dịch muối nóng chảy criolit để hạ nhiệt độ nóng chảy của alumin vào khoảng 950-9650C), dưới tác dụng của dòng điện một chiều, kim loại Al được tách

ra và tích tụ ở cực âm, oxy được tách ra ở cực dương bằng than và cháy tạo ra khí CO

và CO2 theo các phản ứng sau:

Al2O3 = Al3+ + AlO32Al2O3 = Al3+ + 3AlO2

3

-Trên katod (âm cực) Al3+ + 3e = Al

Trên anod (dương cực) 2AlO3

3-

- 6e = Al2O3 + 1,5 O2

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý bể điện phân nhôm

Để đảm bảo công suất của bể điện phân, cường độ của dòng điện phải lớn Nhiệt

độ điện phân vào khoảng 950-9650

C Chất điện phân là hỗn hợp nóng chảy Criolit - alumin có tính ăn mòn rất mạnh Vì vậy chỉ có các vật liệu bằng cacbon mới làm việc được trong điều kiện này, chúng vừa phải chịu được nhiệt độ cao, vừa phải chống được

sự ăn mòn Đây cũng là đòi hỏi kỹ thuật cao trong thiết kế và xây dựng bể điện phân nhôm

1.1.3 Phân loại sản phẩm, lĩnh vực sử dụng

Khoảng 96% bô xít khai thác được sử dụng cho ngành luyện kim, 4% còn lại được sử dụng cho các ngành công nghiệp khác như: vật liệu chịu lửa, gốm sứ, vật liệu mài - đánh bóng …

Hơn 90% sản lượng nhôm ôxit được dùng cho quá trình điện phân ra nhôm kim loại (gọi là alumin cấp luyện kim), còn lại khoảng 10% sử dụng cho công nghiệp hoá chất và các ngành công nghiệp khác

Các lĩnh vực sử dụng quặng bô xit - alumin được giới thiệu trên hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ sản phẩm và lĩnh vực sử dụng quặng bô xít

1.1.4 Vấn đề môi trường trong quá trình sản xuất bô xít

1.1.4.1 Bùn đỏ

Bùn đỏ hoặc cặn thải bô xít là cách gọi chất thải từ quá trình hoà tách khoáng sản alumina ngậm nước của bô xít Bô xít được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH Lượng Al2O3 hoà tan trong kiềm và được tách ra khỏi cặn không hoà tan (bùn đỏ) Bãi

Bô xít

Bô xít đã nung Sản xuất alumin Sử dụng trong ngành hoá

Vật liệu chịu lửa

-

Công nghệ Bayer Hoạt tính

Alumin cấp luyện kim

Nhôm kim loại

chứa cặn đỏ là biểu tượng cho vấn đề môi trường của công nghiệp nhôm và vẫn chưa tìm được cách thức sử dụng vật liệu này [11]

Theo nhiều đánh giá thì lượng bùn đỏ trên thế giới hàng năm phát sinh khoảng

30 – 35 triệu tấn[19] Bùn đỏ sinh ra là tất yếu vì lượng nhôm trong quặng tinh đạt đến

47 – 49 % và phản ứng tách nhôm trong quặng đạt hiệu suất 70 – 75% [29] Trên thế giới, từ bốn đến sáu tấn bauxit được tiêu thụ để sản xuất hai tấn alumina và một tấn

nhôm [22] Dòng vật chất trong quá trình sản xuất nhôm được biểu diễn trong hình 1.4

Hình1.4 Dòng vật chất trong quá trình sản xuất Nhôm

Thành phần hóa học của một mẫu bùn đỏ được cho trong bảng 1.4

Bảng1.4 Thành phần hóa học bùn đỏ [1]

Fe2O3 48,50

Al2O3 14,14 SiO2 11,53

Na2O 7,5 TiO2 5,42 CaO 3,96

P2O5 0,297

V2O5 0.116 ZnO 0.027 MgO 0,049 MnO 0,17

K2O 0,058 Mất khi nung 7,25

Như vậy thành phần bùn đỏ về cơ bản vẫn là các nguyên tố có trong thành phần bô xít không hòa tan trong kiềm, nguyên tố có thêm là thành phần natri (vì sử dụng kiềm

Hòa tách Điện phân

để hòa tan), hoặc canxi(nếu công nghệ có sử dụng CaO làm chất xúc tác với lượng ít) Pha lỏng của bùn đỏ chứa lượng lớn kiềm hòa tan, giá trị pH của bùn đỏ lớn hơn 12,5 nên bùn đỏ là chất thải nguy hại và cần được xử lý theo tiêu chuẩn xử lý chất thải nguy hại

1.1.4.2 Các vấn đề môi trường khác phát sinh từ hoạt động sản xuất nhôm

Quặng bô xít nằm cách mặt đất 0,5 – 1m, để khai thác bô xít người ta phải bóc

bỏ lớp phủ thực vật phía trên, sau đó là lớp đất tự nhiên Bề mặt khu vực khai thác có thể được thay thế bằng bùn đỏ được thải ra sau quá trình hòa tách Sự thay thế này làm biến đổi sâu sắc hệ sinh thái của khu vực khai thác, bao gồm những thay đổi về điều kiện vật lý tự nhiên và những quần thể sinh vật

Pha lỏng của bùn đỏ có tính kiềm gây ăn mòn đối với vật liệu Khi xâm nhập vào đất, với độ kiềm cao, sẽ tiêu diệt khu hệ vi sinh vật đất, làm thay đổi các tính chất

lý hóa học đất, qua đó ảnh hưởng trực tiếp đến cây trồng (phá hủy hệ mao mạch trên bộ

rễ của cây lấy gỗ và cây công nghiệp) Sự rò rỉ kiềm từ hồ chứa cũng gây ô nhiễm nuồn nước mặt và nước ngầm Đối với động vật và con người, dịch lỏng của bùn đỏ tiếp xúc với da gây tác hại như hủy hoại lớp mỡ bảo vệ làm da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt

nẻ, đau rát, có thể sưng tấy và loét mủ ở vết rách xước trên da [13]

Khả năng xảy ra sự cố môi trường trong quá trình lưu giữ bùn đỏ cần được quan tâm thích đáng, sự cố môi trường ở nhà máy alumin Ajika của Hungary là một minh chứng cho điều này Ngày 4 tháng 10 năm 2010, bờ phía tây của hồ chứa bùn đỏ bị vỡ làm hơn 1 triệu mét khối bùn đỏ bị tràn ra khu vực xung quanh, bao phủ hai làng Kolontar và Debencser với tổng diện tích hơn 40km2 Những tác động môi trường của

sự cố này vẫn chưa được đánh giá đầy đủ và chính xác, tuy nhiên sự ô nhiễm nước mặt, nước ngầm, sự phá hủy hệ sinh thái của khu vực đã được nhiều chuyên gia khẳng định

Hình1.5 Sự cố môi trường ở nhà máy alumin Ajica – Hungary (http:// www.bee.net.vn)

Hình1.6 Sự ô nhiễm nguồn nước mặt (http:// www. allvoices.com)

Hình1.7 Sự phá hủy thực vật (hoa hướng dương)(h ttp//: www.telegraph.com.uk)

Trong sản xuất bô xít, chất thải được bão hòa với xút (bùn đỏ) là vấn đề môi trường quan trọng nhất,bên cạnh đó, sự thay đổi lớp phủ bề mặt ở khu vực khai thác dẫn đến sự thay đổi cảnh quan môi trường, hệ sinh thái và sự phát thải một số loại khí

và bụi từ quá trình nung, kết tủa và bay hơi cũng cần được quan tâm [17] Ô nhiễm không khí trong quá trình sản xuất nhôm phát sinh từ một số nguyên nhân: sự vận chuyển bô xít, trong quá trình lưu giữ sự bay hơi bề mặt bãi chứa làm phát tán bụi vào không khí, một số loại khí thải phát sinh bao gồm CO, CO2, NOx chủ yếu do quá trình đốt nhiên liệu phục vụ quá trình nung và hòa tách ở nhiệt độ cao [21]

1.2 Tổng quan về đánh giá công nghệ xử lý chất thải

1.2.1 Khái niệm, ý nghĩa của hoạt động đánh giá công nghệ xử lý chất thải

1.2.1.1 Khái niệm

Đánh giá công nghệ xử lý chất thải là một lĩnh vực nghiên cứu mới trên thế giới

và nhất là ở nước ta Tuy nhiên, nó là một hoạt động rất cần thiết cho các nhà sản xuất, các nhà xử lý ô nhiễm môi trường trong việc lựa chọn giải pháp ngăn ngừa ô nhiễm, xử

lý ô nhiễm phù hợp, giảm chi phí nghiên cứu, thiết kế, xây dựng hệ thống xử lý chất

thải cho mỗi nhà máy Chính sự cần thiết đó nên khái niệm đánh giá công nghệ xử lý chất thải đã được nhắc đến trong một số văn bản pháp luật có hiệu lực ở nước ta

Theo Cục bảo vệ môi trường, “Đánh giá công nghệ xử lý chất thải là việc xác

định trình độ, giá trị và hiệu quả của công nghệ xử lý chất thải đang được áp dụng phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam” [8]

Theo khoản 13 - điều 3 - Luật chuyển giao công nghệ nêu rõ: “Đánh giá công

nghệ là hoạt động xác định trình độ, giá trị, hiệu quả kinh tế và tác động kinh tế - xã hội, môi trường của công nghệ”

Đánh giá công nghệ là việc kiểm tra, đánh giá tính hiệu quả của công nghệ được

áp dụng trong xử lý môi trường dựa trên việc phân tích, khảo sát thực tế, sử dụng phương pháp luận và ý kiến của các chuyên gia nhằm đánh giá và lựa chọn công nghệ phù hợp cho xử lý môi trường [10]

Tiêu chí đánh giá công nghệ xử lý chất thải: “ Là các chỉ số, định mức đánh giá

trình độ các thiết bị, công nghệ về mức độ đạt được các tiêu chí môi trường, cơ khí hóa, tự động hóa, hiệu quả xử lý ô nhiễm, chi phí kinh tế, kĩ năng vận hành, bảo dưỡng

và tính an toàn môi trường” [8]

Dựa vào khái niệm trên, có thể thấy các tiêu chí được đưa ra không có tính cố định mà mang tính chất định hướng và phụ thuộc vào điều kiện, đặc điểm của từng quốc gia, có thể xác định được mục tiêu của việc xây dựng các tiêu chí bao gồm: [16]

- Làm cơ sở để các cơ quan quản lý nhà nước đánh giá, thẩm định các công nghệ môi trường theo yêu cầu của các cơ sở thiết kế, chế tạo thiết bị trong công nghệ môi trường

- Để phân loại và so sánh thông tin một cách có hệ thống các công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường hiện đại và truyến thống có đảm bảo mục tiêu xử lý ô nhiễm môi trường của địa phương hay không

- Để thiết lập một quá trình lựa chọn và đánh giá khung Cung cấp cách tiếp cận tối ưu, đánh giá và lựa chọn linh hoạt các công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường Cung cấp công cụ để đánh giá sự can thiệp làm sạch môi trường

- Hỗ trợ sử dụng trong việc lựa chọn thiết bị và công nghệ môi trường phù hợp, góp phần định hướng phát triển công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường ở nước ta

1.2.1.2 Một số khái niệm liên quan

* Đánh giá trình độ công nghệ

Là phép đo tương đối của các cấp độ công nghệ trong một ngành công nghiệp bao gồm việc xác định số lượng các thông số có thể giúp ta dự đoán trình độ thực của công nghệ ở cấp ngành công nghiệp Việc phân tích theo cách phân loại trình độ công nghệ theo các công nghệ tốt nhất của thế giới có thể giúp ta xác định chính xác những lĩnh vực công nghệ mũi nhọn cần đẩy mạnh [25]

* Đánh giá tác động môi trường

Lá quá trình phân tích, đánh giá, dự báo ảnh hưởng đến môi trường của các dự

án quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội của các cơ sở sản xuất, kinh doanh, công trình kinh tê, khoa học, kỹ thuật, y tế, văn hóa, xã hội, an ninh, quốc phòng và các công trình khác, đề xuất các giải pháp thích hợp bảo vệ môi trường [27]

Tác động đến môi trường có thể tốt hoặc xấu, có lợi hoặc có hại những việc đánh giá tác động đến môi trường sẽ giúp những nhà ra quyết định chủ động lựa chọn những phương án khả thi và tối ưu về kinh tế và kỹ thuật trong bất cứ một kế hoạch phát triển kinh tế xã hội nào

1.2.1.3 Ý nghĩa của hoạt động đánh giá công nghệ xử lý chất thải

Hiện nay, khi các ngành công nghiệp phát triển ngày càng lớn mạnh, cung cấp các sản phẩm tiêu dùng và phục vụ đời sống con người ngày một tăng cao thì vấn đề chất thải ra gây ô nhiễm môi trường cũng ngày càng nhiều, chính vì vậy mà việc lựa chọn một công nghệ xử lý phù hợp, có tính khả thi trở nên cần thiết cho mỗi cơ sở sản xuất, kinh doanh Nó có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ môi trường, sau đây là một số lợi ích khi thực hiện hoạt động đánh giá công nghệ xử lý chất thải:

- Giúp các cơ sở sản xuất kinh doanh có sự lựa chọn giải pháp ngăn ngừa ô nhiễm phù hợp, giảm chi phí, nâng cao nhận thức tuân thủ pháp luật về môi trường, đẩy nhanh việc ứng dụng công nghệ được đánh giá vào thực tiễn

- Giúp cho nhà nước định hướng phát triển công nghệ môi trường phục vụ sự nghiệp bảo vệ môi trường trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và hình thành công nghiệp môi trường

- Tạo cho các cơ sở nghiên cứu triển khai ứng dụng tiến bộ khoa học và công nghệ môi trường có điều kiện nhìn nhận khách quan về công nghệ của mình và phát huy khả năng sáng tạo, cải tiến, đổi mới công nghệ… [27]

1.2.2 Nguyên tắc chung của việc lựa chọn, định hướng các tiêu chí

1.2.2.1 Định hướng lựa chọn công nghệ

- Tiếp cận với những công nghệ tiên tiến và những kinh nghiệm trong xử lý chất thải ở trong và ngoài nước

- Công nghệ đơn giản nhưng không lạc hậu, bảo đảm xử lý có hiệu quả, an toàn

và không gây ô nhiễm môi trường

- Giá thành có thể chấp nhận trong điều kiện địa phương

- Cố gắng tận thu những giá trị của chất thải

1.2.2.2 Nguyên tắc chung của lựa chọn

Dựa vào khái niệm và ý nghĩa của việc đánh giá công nghệ xử lý chất thải, có thể thấy việc xây dựng các tiêu chí đánh gi cần xuất phát từ các quy định về bảo vệ môi trường, không tách rời với các tiêu chí chung về đánh giá công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường áp dụng cho các ngành và các quy mô sản xuất Đặc biệt cần chú ý đến đặc thù chất thải ngành xem xét, khả năng đầu tư, vận hành, tính linh động, tính liên ngành

Ở nước ta, việc xây dựng các tiêu chí đánh giá công nghệ xử lý chất thải thông thường dựa trên nguyên tắc sau:

+ Các quy định của pháp luật

Theo các quy định của pháp luật về bảo vệ môi trường, giá trị giới hạn của các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường bên ngoài phải đạt tiêu chuẩn thải theo tiêu chuẩn Việt Nam về môi trường Do đó, để không vi phạm các quy định của pháp luật về bảo vệ môi trường, trong quá trình hoạt động của nhà máy

các hệ thống xử lý chất thải phải đảm bảo xử lý được các chất ô nhiễm đến tiêu chuẩn cho phép

+ Điều kiện kinh tế nước ta

Mặc dù đạt được tốc độ tăng trưởng cao trong những năm gần đây, nhưng về cơ bản nước ta vẫn là một nước kém phát triển, điều kiện của đất nước cũng như các doanh nghiệp còn hạn chế Đây cũng là nguyên nhân mà các doanh nghiệp, các cơ sở sản xuất không có hệ thống xử lý chất thải, nếu có thì hầu như xử lý không đạt tiêu chuẩn cho phép do hạn chế về nguồn lực kinh tế, ngoại trừ một số doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài hay liên doanh Chính vì vậy, các công nghệ xử lý chất thải phải phù hợp với điều kiện tài chính của doanh nghiệp

+ Điều kiện cơ sở hạ tầng

Bao gồm các điều kiện cơ sở hạ tầng của doanh nghiệp, điều kiện tư nhiên và môi trường xung quanh Các tiêu chí được đưa ra để đánh giá cần phù hợp với điều kiện các cơ sở xử lý và điều kiện môi trường xung quanh

+ Trình độ phát triển của công nghệ trong nước

Việc xem xét, lựa chọn các tiêu chí đánh giá công nghệ xử lý chất thải phải được xem xét dựa trên sự phát triển của ngành công nghệ môi trường trong nước Nhìn chung, việc xử lý chất thải còn dựa trên các công nghệ truyền thống, về cơ bản trình độ công nghệ môi trường nước ta còn ở mức thấp, chủ yếu các công nghệ và thiết bị được nhập từ nước ngoài Do đó, việc lựa chọn công nghệ xử lý chất thải phải đảm bảo các tiêu chí về khả năng quản lý, vận hành, bảo trì đơn giản, phù hợp với các điều kiện kinh tế, xã hội và trình độ khoa học công nghệ hiện nay

1.2.2.3 Các yếu tố làm căn cứ lựa chọn công nghệ xử lý chất thải

- Thành phần, đặc tính và khối lượng chất thải phát sinh

- Điều kiện cụ thể của nhà máy:

+ Có diện tích đất phù hợp với nơi xử lý

+ Yêu cầu mức độ kĩ thuật, vệ sinh môi trường

+ Trình độ khoa học kĩ thuật và năng lực cán bộ, công nhân

+ Khả năng tài chính (vốn đầu tư, vận hành, duy tu sửa chữa) Cần phân tích, xem xét kĩ trong mối quan hệ với những yếu tố khác và đặc biệt là phải so sánh về yêu cầu sự thích hợp của công nghệ với đất đai, thiết bị, khả năng vận hành…

+ Độ tin cậy của công nghệ trong quá trình hoạt động

+ Mức độ cơ khí hóa, tự động hóa của công nghệ…

1.2.3 Hiện trạng hoạt động đánh giá công nghệ xử lý chất thải

Hoạt động đánh giá công nghệ xử lý chất thải trên thế giới đã có từ lâu trên cơ

sở hoạt động phân tích công nghệ môi trường để xác định trình độ, giá trị và tác động của công nghệ đối với sự phòng ngừa, giảm thiểu và xử lý chất thải Việc đánh giá này mang tính chất tự nguyện nhằm mục đích thúc đẩy việc ứng dụng các công nghệ tốt nhất, phù hợp nhất vào trong thực tế

Ở Việt Nam, hoạt động đánh giá công nghệ xử lý chất thải chỉ mới xuất hiện trong thời gian gần đây nên chưa có quy trình, văn bản hướng dẫn đánh giá công nghệ

xử lý chất thải mang tính pháp lý và cũng chưa có các tiêu chí để đánh giá công nghệ

xử lý chất thải, đặc biệt là các công nghệ xử lý chất thải công nghiệp và sinh hoạt gây ô nhiễm môi trường

Được sự chỉ đạo của Thủ tướng Chính phủ, Bộ Xây dựng đã chủ trì phối hợp với Bộ tài nguyên và môi trường, Bộ Khoa học và công nghệ trong thời gian vừa qua

đẫ tổ chức đánh giá và cấp giấy chứng nhận công nghệ xử lý chất thải phù hợp cho các công nghệ xử lý rác sinh hoạt, như: [14]

- Công nghệ An Sinh – ASC do Công ty cổ phần kỹ nghệ ASC nghiên cứu hiện đang được triển khai áp dụng tại thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế

- Công nghệ Seraphin do Công ty cổ phần phát triển công nghệ Môi trường Xanh nghiên cứu, chọn lọc hiện đang được triển khai áp dụng tại thành phố Sơn Tây,

Hà Nội

- Công nghệ MBT – CD.08 của công ty TNHH Thủy lực – máy nghiên cứu và

áp dụng tại thị trấn Đồng Văn, tỉnh Hà Nam

Trong quá trình hoàn thiện quy trình đánh giá công nghệ xử lý chất thải và xây dựng dự thảo Thông tư của Bộ Tài nguyên và Môi trường hướng dẫn trình tự, thủ tục thẩm định, đánh giá công nghệ xử lý chất thải, Cục BVMT cũng đã tiến hành đánh giá thử nghiệm một số công nghệ xử lý chất thải như:

- Công nghệ đồng xử lý chất thải trong lò nung xi măng do Công ty Liên doanh

xi măng Holcim Việt Nam thực hiện

- Công nghệ xử lý chất thải nguy hại của Công ty Sao Mai Xanh

- Công nghệ xử lý nước thải của Xí nghiệp đông lạnh và công ty Cổ phần xuất nhập khẩu thủy sản An Giang

Ngoài ra, một số tổ chức, cá nhân thiết kế và chế tạo công nghệ xử lý chất thải cũng đã có đơn đề nghị Bộ Tài Nguyên và Môi trường thẩm định, đánh giá và cấp giây chứng nhận công nghệ xử lý chất thải phù hợp

Qua một số các công trình nghiên cứu đánh giá công nghệ xử lý chất thải nêu trên bước đầu cũng đã xây dựng được những cơ sở lý luận mang tính định hình, để giúp cho việc xây dựng các phương pháp luận để đánh giá các công nghệ xử lý chất thải sau này tốt hơn và mang tính ứng dụng thực tiễn nhiều hơn

CHƯƠNG II: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu được triển khai nhằm mục đích đánh giá đặc tính bùn đỏ; xây dựng

bộ tiêu chí chung về đánh giá công nghệ xử lý bùn đỏ trên cơ sở những tiêu chí về đánh giá công nghệ xử lý chất thải; áp dụng bộ tiêu chí này đánh giá một số phương pháp lưu giữ và xử lý bùn đỏ và đề xuất phương pháp tối ưu

Để đáp ứng được mục tiêu đề ra, nghiên cứu được tiến hành theo các phương pháp sau đây:

2.2 Phương pháp nghiên cứu đặc tính bùn đỏ

2.2.1 Lấy mẫu và xử lý mẫu

Mẫu bùn đỏ được lấy ở hồ chứa bùn thải sau quá trình hòa tách bô xít của nhà máy hóa chất Tân Bình Vị trí lấy tại miệng ống xả Thời điểm lấy mẫu là vào 9 giờ sáng ngày 10 tháng 1 năm 2012

là ion hóa thành dạng tích điện +1 Các ion sau khi được hình thành trong plasma sẽ đi vào hệ thống tách khối lượng và ion của những nguyên tố khác nhau được tách khỏi nhau tại đây theo giá trị m/z (m là khối lượng và z là điện tích ion) Các ion tách khỏi nhau được phát hiện và định lượng bằng bộ phát hiện nhân điện tử hoặc nhân quang điện dưới dạng tín hiệu là số đếm Số ion đếm được tỷ lệ trực tiếp với nồng độ mẫu ban đầu, đây là cơ sở định lượng nguyên tố bằng ICP-MS

b/ Hóa chất, thiết bị và dụng cụ

 Hóa chất: thí nghiệm sử dụng một số hóa chất sau:

- Axit nitric HNO3 65%

- Peroxit 30%

- Khí mang cho phân tích ICP – MS: khí argon

 Thiết bị và dụng cụ

- Thiết bị sử dụng để phá mẫu là hệ thống phá mẫu bằng vi sóng model Ethos

900 có cài đặt sẵn chương trình cho các đối tượng mẫu khác nhau

- Thiết bị khối phổ plasma cảm ứng (ICP – MS) dùng trong phân tích thành phần khối lượng một số kim loại nặng, nhôm và natri

Một số thiết bị khác:

- Tủ hút, tủ sấy, cân kỹ thuật, chày và cối sứ

- Bình định mức, pipet, phễu thủy tinh, bình tam giác, cốc thủy tinh

- Giấy lọc băng xanh

c/ Quy trình phân tích mẫu

- Chuẩn bị mẫu: Mẫu bùn lấy phân tích được để khô tự nhiên tại nhiệt độ phòng Mẫu đất được rây nhỏ với kích thước hạt < 0,25mm

- Bước 1: Cân 0,5 g mẫu cho vào ống phá mẫu, thêm 50m HNO3 65% và 5ml

H2O2 30%, đậy nắp kín và đặt vào các hốc chứa, xiết chặt vít để đảm bảo quá trình ly tâm an toàn Chọn chương trình hoạt động dành cho đối tượng là đất (soil), thời gian thoát khí là 1,5 giờ

- Bước 2: Mẫu sau khi ly tâm được lọc qua giấy lọc băng xanh, rửa nhiều lần bằng nước cất để đảm bảo chuyển toàn bộ chất cần phân tích vào dung dịch, định mức đến thể tích xác định

- Bước 3: Hút một lượng mẫu nhất định đem đo ICP – MS Phép đo dựa trên việc xây dựng đường chuẩn của các nguyên tố đã lựa chọn, phép đo bao gồm cả mẫu trắng để đảm bảo độ chính xác cao nhất

Tính toán kết quả:

Me = đ đ

Trong đó:

C: kết quả đo ICP – MS, µg/l

Vđm: thể tích định mức, l

Mo: lượng mẫu đem phân tích, g

Me: hàm lượng kim loại phân tích, mg/kg

2.2.2.2 Phân tích sắt (Fe) với thuốc thử thioxianat: phương pháp trắc quang

a/ Nguyên lý chung của phương pháp trắc quang

Nguyên lý chung trong phân tích: mẫu được thêm các tác nhân, trong điều kiện phù hợp (nhiệt độ, pH, thời gian,…) xảy ra phản ứng đặc trưng giữa các tác nhân với nguyên tố cần phân tích Phức hoặc hợp chất tạo thành thường có màu và có thể hấp thụ năng lượng ánh sáng UV-Vis tại một hoặc một số bước sóng đặc trưng (được gọi là các cực đại hấp thụ) Dựa vào khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng này có thể sử dụng phổ UV-Vis để định tính và định lượng nguyên tố cần phân tích Độ hấp thụ ánh sáng A tại một bước sóng cụ thể tăng khi nồng độ C (mol/l) của các chất trong mẫu nước tăng Định luật Beer - Lambert biểu diễn mối liên hệ giữa nồng độ và độ hấp thụ theo công thức:

Trong đó: A: độ hấp thụ (Abs);

: là độ hấp thụ mol hay hệ số tắt phân tử (M-1

.cm-1);

b: độ dày lớp hấp thụ hay bề dày bên trong của cuvet đo (cm)

Trong phân tích đo quang, với dung dịch phân tích xác định, bước sóng tia tới là đơn sắc thì ε là xác định, người ta luôn có thể chọn b xác định nên định luật hấp thụ ánh sáng có thể viết dưới dạng:

A = KC với K= εb = const

Phương trình chỉ đúng với độ hấp thụ đo được trong khoảng nồng độ giới hạn (mối quan hệ giữa A và C vẫn là tuyến tính)

Để định lượng bằng phổ UV-Vis, các hợp chất cần xác định phải bền, ít phân ly,

ổn định, không thay đổi thành phần trong khoảng thời gian nhất định để thực hiện phép

đo (1020 phút) Khoảng xác định nồng độ theo phương pháp trong dải 10-610-2M tùy thuộc chất cần phân tích và hệ thuốc thử sử dụng Giới hạn phát hiện của phương pháp

10-7M [12] [9]

b/ Nguyên tắc phân tích sắt bằng thuốc thử thioxianat:

Ôxi hóa toàn bộ sắt có trong mẫu thành sắt (III) Trong môi trường acid, ion

Fe3+ tạo với ion SCN- phức chất màu đỏ Phản ứng:

Bảng 2.1 Liều lượng, hóa chất sử dụng trong phân tích sắt bằng Thioxianat

mg

Axít HCl 1:1,

Đồ thị đường chuẩn dựa vào nồng độ và mật độ quang vừa đo được:

Hình 2.1: Đường chuẩn trong phân tích sắt với thuốc thử thioxianat

Bước 2: Phân tích mẫu thật: lấy thể tích mẫu (V ml), thêm 2,5 ml dung dịch HCl 1:1, lắc đều và thêm 2,5 ml dung dịch NH4SCN 20% vào bình định mức, thêm nước cất đến vạch rồi lắc đều

Đo độ hấp thụ của mẫu ở bước sóng 480nm, dung dịch so sánh là mẫu trắng Chiếu giá trị ABS của mẫu lên đường chuẩn để tìm lượng Fe (mx, mg) có trong mẫu phân tích

Từ đó suy ra hàm lượng sắt trong mẫu phân tích được tính theo công thức sau:

CFe(mg/l) = mx.1000/Vmẫu ban đầu

2.2.2.3 Phân tích sắt với thuốc thử axit sunfosalixilic: phương pháp trắc quang

mg

Axít sunfosalixilic

10 %, ml

NH 4 OH 10%,

mg

Axít sunfosalixilic

10 %, ml

NH 4 OH 10%,

Vẽ đồ thị đường chuẩn dựa vào nồng độ và mật độ quang vừa đo được

Hình 2.2 Đường chuẩn trong phân tích sắt với thuốc thử thioxianat

Bước 2: Phân tích mẫu thật: lấy thể tích mẫu (V ml), thêm 2,5 ml dung dịch axit sunfosalixilic 10%, lắc đều và thêm 2,5 ml dung dịch NH4OH 10% vào bình định mức, thêm nước cất đến vạch, lắc đều

Đo độ hấp thụ của mẫu ở bước sóng 424nm, dung dịch so sánh là mẫu trắng Chiếu giá trị ABS của mẫu lên đường chuẩn để tìm lượng Fe (mx, mg) có trong mẫu phân tích

Từ đó suy ra hàm lượng sắt trong mẫu phân tích được tính theo công thứcsau:

CFe(mg/l) = mx.1000/Vmẫu ban đầu

2.2.2.4 Phân tích hàm lượng cacbon hữu cơ tổng số: phương pháp trắc quang

a/ Nguyên tắc

Cacbon hữu cơ trong đất bị oxi hóa trong hỗn hợp dung dịch kali dicromat (có dư) và axit sunfuric ở nhiệt độ 1350C, các ion dicromat trong dung dịch có màu đỏ da cam, bị khử về ion Cr3+ đổi màu dung dịch thành xanh lá cây Cường độ của màu xanh

lá cây được đo bằng quang phổ

- Cân phân tích, có thể cân chính xác đến 0,1g

- Ống chịu nhiệt (ống COD)

- Khối đốt nóng: có thể duy trì nhiệt độ đồng nhất ở 1350C, nồi cách thủy

- Bình định mức

- Máy ly tâm

- Quang phổ kế

c/ Cách tiến hành

Bước 1: xây dựng đường chuẩn: hòa tan khối lượng glucoza dự định trong 2,5

ml K2Cr2O7 và 4ml H2SO4, đun nóng ở nhiệt độ 1350C trong 30 phút rồi làm nguội nhanh trên nồi cách thủy Chuyển hỗn hợp sang bình định mức 50ml, thêm vào khoảng 25ml nước rồi làm nguội trên nồi cách thủy Sau đó định mức tới vạch, để yên trong 60 phút Chuyển lượng chứa trong bình định mức sang các ống ly tâm và chạy máy ly tâm trong 10 phút ở tốc độ 3000 vòng/phút Dung dịch sau ly tâm hoàn toàn trong và không cần phải ly tâm hoặc lọc