Nghiên cứu sử dụng polyDADMAC để hạn chế phản ứng tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ

30 Hình 8: Thành phần hóa học của từng cấp hạt trong bùn đỏ: a cấp hạt cát; b cấp hạt sét, c cấp hạt limon...33 Hình 9: Nhiễu xạ X-ray của thành phần sét trong mẫu bùn đỏ nghiên cứu với

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -Trần Thị Chinh

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG POLYDADMAC

ĐỂ HẠN CHẾ PHẢN ỨNG TÁN KEO CỦA THÀNH PHẦN SÉT TRONG BÙN ĐỎ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh

Hà Nội - 2019

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, học viên xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo thuộc Bộ mônTài nguyên và Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tựnhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để học viên có thểhọc tập và làm việc trong suốt thời gian nghiên cứu

Đặc biệt, với lòng biết ơn và sự kính trọng sâu sắc, học viên xin gửi lời cảm

ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải – Bộ môn Công nghệ Môi trường vàPGS.TS Nguyễn Ngọc Minh – Bộ môn Tài nguyên và Môi trường đất, Khoa Môitrường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡhọc viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Cuối cùng, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè vàcác anh chị cùng làm việc tại Bộ môn Tài nguyên và Môi trường đất đã luôn quantâm, động viên, khuyến khích và giúp đỡ về mặt tài chính và tinh thần, theo sát họcviên trong suốt quá trình hoàn thiện luận văn

Học viên xin cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí thực hiện từ đề tài Nafosted (mã số: 105.08-2017.02)

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Học viên

Trần Thị Chinh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC BẢNG iv

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Giới thiệu về bùn đỏ 3

1.1.1 Nguồn gốc phát sinh bùn đỏ 3

1.1.2 Thành phần hóa học và khoáng vật học của bùn đỏ 5

1.2 Đặc tính keo của bùn đỏ 8

1.3 Các tác động môi trường tiềm ẩn của bùn đỏ 10

1.4 Nghiên cứu về xử lý và tận dụng bùn đỏ 14

1.4.1 Trên thế giới 15

1.4.2 Ở Việt Nam 17

1.5 Tổng quan về polyDADMAC 20

1.5.1 Đặc điểm chung 20

1.5.2 Một số ứng dụng của polyDADMAC trong xử lý môi trường 22

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 25

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 25

2.2 Nội dung nghiên cứu 26

2.3 Vật liệu nghiên cứu 26

2.3.1 Mẫu bùn đỏ 26

2.3.2 Dung dịch polyDADMAC 27

2.4 Phương pháp nghiên cứu 27

2.4.2 Xác định đặc tính cơ bản của cấp hạt sét trong mẫu bùn đỏ nghiên cứu 28

2.4.3.1 Thí nghiệm về phân tán cấp hạt sét trong ống nghiệm 28

2.4.3.2 Xác định điện tích bề mặt của cấp hạt sét trong bùn đỏ 29

2.4.3.3 Xác định ảnh hưởng của một số yếu tố lý hóa học tới sự tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ 30

2.3.3.4 Phương pháp xử lý số liệu 31

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 32

3.1 Các tính chất cơ bản của mẫu bùn đỏ nghiên cứu 32

3.2 Các đặc tính cơ bản của cấp hạt sét trong mẫu bùn đỏ nghiên cứu 34

3.4 Ảnh hưởng của Al và Si hòa tan tới khả năng phân tán của cấp hạt sét trong mẫu bùn đỏ 42

3.5 Cơ chế tác động của polyDADMAC đến đặc tính keo của cấp hạt sét trong bùn đỏ……… 45

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 59

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Thành phần khoáng vật của bùn đỏ 6

Bảng 2: Một số đặc tính lý hóa cơ bản của mẫu bùn đỏ nghiên cứu 32

DANH MỤC HÌNH Hình 1: Phân bố cấp hạt mịn và thô đặc trưng của bùn đỏ 4

Hình 2: Thành phần hóa học của bùn đỏ 5

Hình 3: Thảm họa môi trường do vỡ hồ chứa bùn đỏ ở Hungary năm 2010 12

Hình 4: Một số phương pháp xử lý và tận dụng bùn đỏ 15

Hình 5: Tổng hợp PD bằng từ chất ban đầu dimethylamine và alllyl chloride 21

Hình 6: Hồ chứa bùn đỏ tại khu vực Tân Rai, Lâm Đồng 25

Hình 7: Sơ đồ cấu tạo và cơ chế hoạt động của máy PCD Mütek 05: Phân bố ion trong dung dịch khi không có dòng chuyển động (a) và có dòng chuyển động (b) 30

Hình 8: Thành phần hóa học của từng cấp hạt trong bùn đỏ: (a) cấp hạt cát; (b) cấp hạt sét, (c) cấp hạt limon 33

Hình 9: Nhiễu xạ X-ray của thành phần sét trong mẫu bùn đỏ nghiên cứu với các quy trình xử lý khác nhau: (i) bão hòa Mg, (ii) bão hòa Mg sau đó bão hòa etylen glycol, (iii) bão hòa K và (iv) bão hòa K sau đó nung ở 550oC 35

Hình 10: Kết quả phân tích nhóm chức bề mặt qua phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR (a) và ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) (b) của cấp hạt sét trong mẫu bùn đỏ 36

Hình 11: Xu hướng thế ζ (a) và độ truyền qua (b) của mẫu sét trong bùn đỏ dưới ảnh hưởng của PD 39

Hình 12: Xu hướng thế ζ (a) và độ truyền qua (b) của mẫu sét trong bùn đỏ đã loại Fe dưới ảnh hưởng của PD 41

Hình 13: Xu hướng của thế ζ (a) và T% (b) của mẫu bùn đỏ dưới ảnh hưởng của

Al hòa tan Nồng độ PD được sử dụng 0,5 mM 43Hình 14: Xu hướng của thế ζ (a) và T% (b) của mẫu bùn đỏ dưới ảnh hưởng của Sihòa tan Nồng độ PD được sử dụng 0,5 mM 45Hình 15: Cơ chế tác động của polyDADMAC đến đặc tính keo của cấp hạt séttrong bùn đỏ 47

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam là một trong những nước có tiềm năng lớn về quặng bauxit trongkhu vực và trên thế giới Tổng trữ lượng quặng bauxit đã được xác định và tài nguyên

dự báo khoảng 5,50 tỷ tấn, tập trung chủ yếu ở khu vực Tây Nguyên Hiện tại, nước

ta có hai nhà máy đang khai thác quặng bauxit và chế biến alumin bao gồm Tân Rai(Lâm Đồng) và Nhân Cơ (Đắk Nông) với công suất hiện tại khoảng 650.000tấn/năm/nhà máy

Bùn đỏ là chất thải chính của công đoạn xử lý quặng bauxit theo phương phápBayer, trong đó có sử dụng kiềm để hòa tan và tách Al Với công nghệ sản xuất hiệntại, cứ mỗi tấn alumin được tạo ra sẽ đi kèm với 1,20 – 1,30 tấn bùn đỏ (MTA, 2006)

Do tính kiềm cao, dung dịch chứa bùn đỏ thường có độ nhớt lớn, các thành phần oxit

và hydroxit tồn tại ở trạng thái phân tán nên khi có sự cố, đặc biệt là sự cố tràn và vỡđập phát tán bùn đỏ ra môi trường tự nhiên sẽ khó kiểm soát và thu hồi lượng chấtthải này Hiện nay, các nước trên thế giới cũng chưa có biện pháp nào để xử lý triệt đểđược vấn đề bùn đỏ Giải pháp xử lý tạm thời của các quốc gia là chôn lấp để hạn chế

ô nhiễm môi trường (Sutar và nnk, 2014) Tuy nhiên, giải pháp này không làm thayđổi bản chất và đặc tính vốn có của bùn đỏ (độ nhớt, độ phân tán) nên vẫn tiềm ẩnnhiều nguy cơ từ loại hình xử lý này Bên cạnh đó, bùn đỏ là một trong những chấtthải nghiêm trọng nhất liên quan đến nhà máy sản xuất alumin, do vậy nếu không xử

lý đúng cách những sự cố lớn vẫn xuất hiện ở khắp nơi trên thế giới Điển hình là sự

cố vỡ đập chứa bùn ở Hungary năm 2010 làm gần 1 triệu m3 bùn đỏ tràn ra môitrường gây thiệt hại nặng nề cho môi trường và sức khỏe của cư dân địa phương(Gura, 2010) Bất chấp những nỗ lực trong phòng ngừa sự cố và ô nhiễm môi trường

từ hoạt động khai thác bauxit, nhân loại vẫn chứng kiến nhiều thảm họa liên quan đếnbùn đỏ (vỡ đập bùn đỏ ở Úc, Hungary…) Điều này cho thấy vẫn cần sự quan tâmđặc biệt của cộng đồng khoa học nhằm giải quyết triệt để hơn những nguy cơ ô nhiễmmôi trường liên quan đến bùn đỏ và sản xuất bauxit

Thời gian gần đây, bùn đỏ được nghiên cứu nhiều hơn về hướng tận dụng đểphục vụ cho công nghiệp xúc tác hoặc sử dụng làm vật liệu xử lý ô nhiễm Tuy

nhiên có khá ít nghiên cứu giải quyết những vấn đề liên quan đến hóa học và đặcđiểm điện động học bề mặt của bùn đỏ Đặc điểm điện động học được quyết địnhbởi hóa học bề mặt, là yếu tố cơ bản quyết định khả năng hấp phụ của bùn đỏ, vàđặc biệt quyết định đến đặc tính keo của bùn đỏ (Gräfe và nnk, 2011) Nghiên cứu

về ảnh hưởng của các ion hay polyion hữu cơ đến mối quan hệ giữa đặc điểm điệnđộng học và đặc tính keo của bùn đỏ còn hạn chế PolyDADMAC (PD) là một trongnhững loại polycation hữu cơ tổng hợp không độc hại, phổ biến và có giá thành rẻ

và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật xác định điện tích bề mặt, xử lý các chất ônhiễm và các chất có tính phân tán mạnh, trong đó polycation hữu cơ này được sửdụng như ion bù (+) để chuẩn độ cho các dung dịch với các phần tử mang điện (-)(Böckenhoff và Fischer, 2001) Mặt khác, hợp chất này cũng đã được sử dụng để xử

lý nước thải nhờ phản ứng tạo phức và trợ lắng của nó với các anion trong dungdịch (Wilson và nnk, 2002) Trong môi trường kiềm của bùn thải các oxit Fe, Al và

Si đều mang điện tích âm, do đó có thể giả thiết về sự hình thành các liên kết tĩnhđiện của các oxit với PD Những liên kết này sẽ làm giảm điện tích âm bề mặt, giảmlớp vỏ hydrat hóa, giúp cho các hạt có thể tiếp cận nhau nhờ lực Van der Waals vàthúc đẩy quá trình phản ứng tụ keo của bùn đỏ

Như vậy, với những lý do kể trên, đề tài “Nghiên cứu sử dụng polyDADMAC để hạn chế phản ứng tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ” đã

được thực hiện với các mục tiêu cụ thể như sau:

1 Đánh giá được mối quan hệ giữa độ kiềm với đặc điểm điện tích bề mặt vàkhả năng phân tán của cấp hạt sét trong bùn đỏ

2 Xác định được khả năng hấp phụ và ảnh hưởng của polyDADMAC (mộtpolycation hữu cơ) đối với điện tích trên bề mặt và phản ứng keo tụ của cấp hạt séttrong bùn đỏ

3 Đề xuất được cơ chế biến đổi đặc tính bề mặt cấp hạt sét trong bùn đỏ dựa trênviệc sử dụng polyDADMAC để xử lý

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu về bùn đỏ

1.1.1 Nguồn gốc phát sinh bùn đỏ

Bùn đỏ là chất thải nguy hại sinh ra trong quy trình công nghệ Bayersản xuất alumin (Al2O3) từ quặng bauxit, hàm lượng kiềm dư cao, chứa chủyếu các oxit sắt và hydroxit sắt và nhiều kim loại nặng độc hại Khối lượngbùn đỏ phát sinh tại các nhà máy alumin tùy thuộc vào chất lượng quặngbauxit nguyên, có thể lớn hơn khối lượng sản phẩm alumin từ 1,0 - 1,5 lần.Các nhà máy sản xuất alumin thường thải bùn đỏ dưới dạng lỏng vào các

hồ chứa tạo ra nguy cơ ô nhiễm môi trường lớn đối với các vùng đất thấp.Đặc trưng của bùn đỏ là có kích thước nhỏ hơn 1 mm Do đó, bùn thải khikhô dễ phát tán bụi vào không khí gây ô nhiễm, tiếp xúc thường xuyên vớibụi này gây ra các bệnh về da và mắt, nước thải từ bùn tiếp xúc với da gâytác hại như ăn da, gây mất độ nhờn làm da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt

nẻ, đau rát, có thể sưng tấy, loét mủ ở vết rách xước trên da,… Đặc biệt,khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm là rất cao khi lưu giữ bùn với khốilượng lớn trong thời gian dài Lượng bùn này phát tán mùi hôi, hơi hóa chấtlàm ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu

Bùn đỏ bao gồm các chất không thể hòa tan, trơ và khá bền vữngtrong điều kiện phong hóa và đặc biệt có chứa hàm lượng xút dư thừa cao

có pH từ 12 - 13,5, một hóa chất độc hại đối với sức khỏe con người và môitrường sinh thái Bùn đỏ có tỷ trọng 2,6 - 3,5 tấn/m3, tỷ lệ lắng Cm/Kskhoảng 0,014 - 35,9; khoảng 80% bùn đỏ có hạt mịn < 10 µm, do vậy tốc

độ lắng của các phần tử mịn diễn ra rất chậm Sự phân bố cấp hạt đặc trưngcủa bùn đỏ (hạt mịn và hạt thô – cát) được thể hiện trên Hình 1

Hình 1: Phân bố cấp hạt mịn và thô đặc trưng của bùn đỏ

Theo kết quả thăm dò địa chất, Việt Nam có trữ lượng khoáng sảnbauxit lớn phân bố rộng từ Bắc đến Nam với trữ lượng khoảng 5,50 tỷ tấnquặng nguyên khai; tương đương với 2,40 tỷ tấn quặng tinh; tập trung chủyếu ở Tây Nguyên Do đó ngành công nghiệp sản xuất nhôm từ quặngbauxit đang được định hướng phát triển mạnh mẽ, đi kèm với nó là mộtlượng lớn bùn đỏ được thải ra Quy hoạch phát triển bauxit ở Tây Nguyênvới công suất 650.000 tấn alumin/năm như nhà máy Tân Rai, lượng bùn đỏthải ra khoảng 1,20 triệu tấn/năm Vì vậy, nếu thải trực tiếp ra môi trường

sẽ gây ra các hậu quả sau đây: Phải sử dụng diện tích đất lớn để lưu trữ;Làm mất khả năng sử dụng đất trong thời gian dài; Khối lượng bùn thải lớn,trong mùa mưa có nguy cơ gây ra rửa trôi, lũ bùn làm ô nhiễm môi trườngnước mặt trên diện rộng; Lượng xút dư thừa trong bùn đỏ thấm vào đất gây

ô nhiễm và làm mất khả năng canh tác của đất, đồng thời ngấm xuống đấtgây ô nhiễm nguồn nước ngầm; Kích thước hạt bùn đỏ rất nhỏ có khả năngphát tán vào không khí do gió, ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người vàmôi trường sinh thái

1.1.2 Thành phần hóa học và khoáng vật học của bùn đỏ

Bùn đỏ thải ra từ công nghệ Bayer có thành phần khá phức tạp vàbiến động tùy theo vật liệu bauxit đưa vào quy trình Thành phần chính củabùn đỏ gồm có Fe2O3 (26 - 32%), CaO (3 - 22%), Al2O3 (10 - 19%), SiO2(8,5 - 32%), TiO2 (3 - 7%) và một lượng nhỏ các nguyên tố độc hại khác ví

dụ như Cr, As, Hg, Pb, Cd… (Wang và Liu, 2012; Tóth và nnk, 2014; Luu

và nnk, 2014) Ngoài ra, bùn đỏ cũng có thể chứa một số các nguyên tốphóng xạ như 40K, 226Ra và 232Th (Wang và Liu, 2012; Tóth và nnk, 2014)

có nguồn gốc phong hóa và được làm giàu lên do quy trình xử lý bauxit.Tuy nhiên, bùn đỏ ở Việt Nam chưa phát hiện nguy cơ tích lũy các chấtphóng xạ trong bùn đỏ (Luu và nnk, 2014)

Hình 2: Thành phần hóa học của bùn đỏ (Klauber và nnk, 2009)Trong bùn đỏ, thành phần oxit sắt chiếm hơn 41% nên làm cho bùn

có màu đỏ và có lượng sút dư thừa (NaOH) Bùn đỏ trước khi thải ra ngoàiđược rửa ngược dòng 4 - 6 bước nhằm thu tối đa kiềm và alumin bám theobùn đỏ (giá kiềm đắt và là một trong những tiêu hao chính để sản xuấtalumin) và hạn chế tác động đến môi trường Theo công nghệ Bayer, bùn

đỏ được thải ra theo hai phương thức là thải khô và thải ướt Trong trườnghợp thải ướt, huyền phù được bơm thẳng ra bãi thải với hàm lượng chất rắn

thấp hơn, đỡ tốn kém, thích hợp với các vùng có thung lũng dễ tạo thành hồchứa, thường áp dụng cho những vùng có lượng mưa lớn hơn so với lượngbốc hơi Ví dụ ở Tây Nguyên có lượng mưa gấp 4 lần lượng bốc hơi, lượngmưa 2400 mm và lượng bốc hơi 650 mm Đối với bùn thải khô, bùn đượcbơm ra từ thiết bị rửa qua máy lọc để nâng nồng độ chất rắn lên 65% và vậnchuyển tới bãi thải Phương pháp này tiết kiệm diện tích nhưng tốn kém vàphức tạp, thích hợp với những vùng có lượng bốc hơi lớn hơn so với lượngmưa.

Xét theo thành phần hoá học của bùn đỏ thì trong chất rắn của bùn

đỏ không có chất gây hại đặc biệt đến môi trường, không có chất phóng xạ,chất rắn của huyền phù bùn đỏ không thuộc vào loại rác thải nguy hiểm.Chất gây ô nhiễm trong huyền phù bùn đỏ chủ yếu là chất lỏng kèm theobùn đỏ Dung dịch kiềm kèm theo có tính ăn mòn mạnh, và giá trị pH caohơn 12,5 Bởi vì chất rắn và chất lỏng trong huyền phù bùn đỏ không thểtách rời hoàn toàn, vì vậy phải xử lý “huyền phù bùn đỏ” theo tiêu chuẩn

xử lý chất thải nguy hiểm

Thành phần khoáng của bùn đỏ phụ thuộc vào thành phần hóa họccủa quặng bauxit nguyên khai và công nghệ chế biến cụ thể của từng nhàmáy Phân tích nhiễu xạ cho thấy thành phần khoáng vật của bùn đỏ cũngkhá đa dạng Các khoáng vật như hematite (Fe2O3), gibbsite (Al(OH)3),quartz (SiO2), perovskite (CaTiO3), cancite (CaCO3) và natri aluminat(Na5AlO4) là những thành phần khoáng chính của bùn đỏ (Wang và Liu,2012) Các khoáng vật kể trên tồn tại độc lập hoặc liên kết với nhau và cókích thước cấp hạt từ 0,8 đến 50 m Cấp hạt mịn có kích thước sét (< 2

m) có thể chiếm ~30% làm tăng khả năng phân tán của bùn đỏ Mặt khác,

sự biến động kích thước cũng là nguyên nhân làm cho việc tận dụng bùn đỏlàm vật liệu xây dựng trở nên khó khăn hơn Phân tích nhiệt sai cho thấy sựhụt khối khi nung nóng bùn đỏ (lên đến 1000oC) chỉ nhỏ hơn 20%, vàlượng hụt khối này liên quan đến sự bay hơi các phân tử nước liên kết vàphân hủy CaCO3 Bùn đỏ có phản ứng kiềm với pH có thể biến động từ 9 -

13, dung tích trao đổi cation khá cao so với các khoáng vật trong tự nhiên,CEC dao động từ 43 đến 75 cmolc kg-1 (Tóth và nnk, 2014)

Bảng 1: Thành phần khoáng vật của bùn đỏ (Mostafa và nnk, 2019)

Calcium aluminate (3CaO.Al2O3.6H2O) 2-20

Quặng bauxit có hàm lượng nhôm, sắt là thành phần lớn nhất củabùn đỏ Ngoài ra, hàm lượng Ti và Si của bùn đỏ cũng tăng gấp đôi so vớibauxit, khoáng kaolinite biến đổi thành sodalite và cancrinite, khoángferihydrite và goethite cũng có thể chuyển hoàn toàn hay một phần thànhhematite Bên cạnh đó, trong bùn đỏ còn xuất hiện thêm hai thành phần hóahọc đáng kể là Ca và Na Hai nguyên tố này có thể bị tách loại một phầnbằng quá trình rửa ngược để thu hồi xút và giảm độ kiềm của bùn đỏ

1.2 Đặc tính keo của bùn đỏ

Lưới điện tích âm của hạt sét hình thành lớp điện tích kép xung quanh Lớpđiện kép này có vai trò quyết định đến sự phân tán hay keo tụ của cấp hạt sét.Trong môi trường nước, các hạt sét tiếp cận với các hạt khác trong dung dịch nhờ

chuyển động Brownian, lớp khuếch tán của chúng sẽ bị chồng xếp lên nhau và làm

tăng năng lượng Gibbs của hệ Điều này tạo ra lực đẩy giữa các hạt sét và thúc đẩy

sự phân tán của các hạt sét Sự phân tán của các hạt sét sẽ bị tác động một khi lớpđiện kép thay đổi Sự thay đổi lớp điện kép có thể do pH, các anion hoặc cationhòa tan Bùn đỏ là một hỗn hợp các hạt rắn dị thể có kích thước nhỏ Điện tích bềmặt hạt có ảnh hưởng rất lớn tới các tính chất bên trong hạt cũng như giữa các hạtvới nhau khi có mặt của nước và các muối hòa tan Các ảnh hưởng này không chỉliên quan đến các tính chất vật lý vĩ mô như độ lưu biến, co cụm hay keo tụ màcòn liên quan đến các tính chất hóa học đặc trưng của hạt như hydrat hóa bề mặt,trao đổi ion, oxi hóa khử Sự thay đổi điện tích các hạt khoáng theo pH của dungdịch sẽ điều khiển quá trình trao đổi ion, hấp phụ/giải hấp các ion trên bề mặt tiếpxúc khoáng – nước Đặc tính của điện tích bề mặt phụ thuộc vào bản chất của cáchạt khoáng Điện tích bề mặt hạt khoáng được sinh ra do sự mất cân bằng điện tíchcục bộ (bề mặt có quá ít hoặc quá nhiều H+); hoặc do mất cân bằng điện tích cấutrúc (sự thay thế các kim loại trong ô mạng tinh thể bằng các kim loại khác như

Al3+ thay thế Si4+ trong khoáng sodalit) Bùn đỏ có thành phần cấp hạt mịn chiếm

tỷ lệ lớn chứng tỏ hàm lượng cation lớn, một phần do chúng có mặt trong cấu trúctinh thể của sét, mặt khác cation được các hạt sét hấp phụ lên bề mặt mang điệntích âm Thành phần sét được biết đến như là một trong những thành phần linhđộng; khi tồn tại trong nước sẽ hình thành một hệ keo, có thể là hệ tán keo (phântán) hay hệ tụ keo (keo tụ) Trong khi hệ tán keo, các hạt sét tồn tại ở trạng thái

phân tán và di chuyển nhờ lực Brownian tạo ra bởi sự đẩy nhau giữa các hạt sét

tích điện cùng dấu, tạo ra trạng thái bền vững nhiệt động cho dung dịch thì hệ tụkeo không bền vững về mặt nhiệt

động và có xu hướng tạo ra các đoàn lạp liên kết lớn hơn thông qua quá trình táiliên kết các hạt để giảm sức căng bề mặt Quá trình này được gọi là sự “già hóa”.Tại một thời điểm xác định của quá trình già hóa, các hạt sét tương tác với nhauhay tương tác với các chất hòa tan sao cho năng lượng bề mặt gibbsit được giảmthiểu nhờ sự liên kết giữa các hạt sét để hình thành các đoàn lạp có kích thước lớnhơn Những liên kết này dẫn đến sự keo tụ hay đoàn lạp hóa Tuy nhiên, trong các

hệ này tồn tại một giới hạn năng lượng giữa các hạt sét mà có thể gây cản trở đốivới quá trình tụ keo Do đó, các hệ này có thể duy trì sự “ổn định ảo” trongkhoảng thời gian nhất định và trạng thái này được gọi là “bền vững keo” Cáccation có khả năng tác động đến sự phân tán của sét thông qua cơ chế trung hòađiện tích bề mặt và làm giảm lớp điện kép của các hạt sét Sự có mặt của cáccation hóa trị cao hơn trong dung dịch thường làm cho sét bị keo tụ nhanh hơn.Nguyễn Ngọc Minh và nnk (2009) đã chứng minh rằng các cation tác động đếntốc độ keo lắng của mẫu khoáng sét (chứa chủ yếu illite) theo thứ tự cation hóa trịIII > hóa trị II > hóa trị I

Các anion được nhìn nhận là một trong những nguyên nhân thúc đẩy

sự tán keo Sự có mặt của các anion này làm biến đổi một phần lớp điệnkép thông qua hai cơ chế: làm tăng điện tích bề mặt, hoặc cạnh tranh hấpphụ vào các vị trí mang điện dương trên “bề mặt rìa” Các anion hữu cơ(humat) là keo âm, do đó khi bị hấp phụ bởi khoáng sét sẽ làm điện tích âmtổng thể của khoáng sét tăng thêm Kết quả là các anion hữu cơ có mặt càngnhiều thì sự tán keo càng được thúc đẩy Ảnh hưởng của các anion hữu cơđến sự phân tán khoáng sét cũng được đề cập trong nhiều nghiên cứu

(Penner và Lagaly, 2001; Frenkel và nnk,1992) Trong môi trường có phản

ứng axit, các anion vô cơ thường bị hấp phụ trên “bề mặt rìa”, nơi có các vịtrí mang điện tích dương được gọi là liên kết “anion – bề mặt rìa” Vì vậy,trạng thái tán keo được thúc đẩy Các anion hóa trị càng cao thì khả năngcạnh tranh hấp phụ vào bề mặt rìa càng lớn, và càng thúc đẩy quá trình tán

keo Khả năng thúc đẩy trạng thái tán keo tuân theo thứ tự sau: PO43- >SO42- > Cl-.

Các loại sét khác nhau có thể khác nhau về cấu trúc lớp, kích thướccấp hạt, khả năng hydrat hóa… Sự khác biệt này làm cho đặc tính keo (tánkeo và tụ keo) của chúng cũng khác nhau Một số vị trí trên bề mặt (chủyếu là bề mặt rìa) mang điện tích biến thiên theo pH nên ở các pH khácnhau phản ứng tụ keo hay tán keo của những thành phần sét này cũng rấtkhác biệt Điểm đẳng điện thường được tìm thấy trong khoảng pH từ 2 - 8đối với các oxit Fe và khoáng silicat (Kosmulski, 2011) Điều này có ýnghĩa cả oxit Fe và khoáng silicat đều được tích điện âm trong điều kiệnkiềm, tức là pH > 8 Càng nhiều điện tích bề mặt của oxit Fe và khoángsilicat (gọi là các hạt bùn đỏ), lực đẩy mạnh hơn giữa các hạt có thể đạtđược Do đó, sự tăng điện tích bề mặt bởi việc bổ sung các chất có tích điệndương có thể là một cách tiếp cận để giảm sự phân tán của các hạt bùn đỏ.Các polymer hữu cơ như ammonium hoặc pyridinium có thể đóng vai tròtích cực trong điều kiện kiềm (Lagaly, 2006), do đó là vật liệu tiềm năng để

bù đắp và cố định chất thải bùn đỏ Liên kết tĩnh điện trái dấu giữa bề mặtnền (-) và bề mặt rìa (+) của các tinh thể liền kề có thể hình thành và tạo

nên một cấu trúc được gọi là card-house (van Olphen, 1977) Cấu trúc này

làm cho liên kết giữa các tinh thể khoáng chặt chẽ hơn Sự hiện diện củacác oxit sắt trong bùn đỏ có mức độ phong hóa mạnh chứa chủ yếu cáckhoáng vật 1:1 có thể là một yếu tố quan trọng thúc đẩy sự keo tụ củakhoáng sét do việc tạo thêm nhiều vị trí mang điện tích dương và các cầunối giữa thành phần sét và oxit sắt (Goldberg và nnk, 1987)

1.3 Các tác động môi trường tiềm ẩn của bùn đỏ

Bùn đỏ được đặc trưng bởi nồng độ tương đối cao của natri aluminate, natricacbonate và một loạt các anion khác Vì vậy, nếu không được xử lý chúng sẽ trởthành nguồn gây hại cho môi trường Theo các nhà khoa học Viện Khoa học Thủylợi miền Nam, các dự án khai thác đều cần đến những diện tích đất rất lớn làm bãithải bùn Có những trường hợp diện tích đất làm bãi thải lớn gấp 10 lần diện tích

để xây dựng nhà máy Ví dụ như bãi thải bùn đỏ của nhà máy luyện alumin Govethuộc công ty Nabalco (Australia) chiếm tới 500 ha, bãi thải bùn đỏ của nhà máyAlumin Queensland rộng 1000 ha (Hoàng Thế Phi, 2012) Trong giai đoạn 2007 –

2015, mỗi năm các dự án ở Tây Nguyên sản xuất 6,60 triệu tấn alumin và lượngbùn đỏ thải ra gấp 3 lần sản lượng chế biến là 20 triệu tấn Các hồ chứa quá mongmanh trước biến cố thiên tai như lụt, lũ quét… là nguyên nhân dẫn đến thảm họamôi trường trong tương lai, đặc biệt là nguy cơ nước chảy tràn hồ chứa bùn đỏ

Nguy cơ nước chảy tràn từ hồ chứa bùn đỏ: Lưu trữ bùn đỏ chỉ được đảmbảo khi hệ thống rửa và lọc nước cũng như cân bằng nước nói chung được quản lý

và kiểm soát chặt chẽ Lượng mưa trung bình năm ở Tây Nguyên thường trên

2400 mm, có những nơi lên đến 3000 mm Như vậy, trong điều kiện Tây Nguyêncân bằng nước bị ảnh hưởng rất lớn bởi điều kiện thời tiết, đặc biệt là khi có mưa

lũ lớn bất thường Khi đó, việc vận hành thoát nước không kịp thời sẽ có nguy cơdẫn đến nước chảy tràn ra khỏi hồ chứa và phát tán ra môi trường Các hồ chứabùn đỏ ở Tân Rai tuy đã được chọn ở những thung lũng có diện tích hứng nướcnhỏ, nhưng khi có mưa lũ lớn thì lượng nước trên bề mặt cũng có khả năng đủ lớn,hoặc lũ từ các thung lũng khác tràn sang sẽ có nguy cơ cao về chảy tràn bờ nếukhông quản lý và vận hành phù hợp Trên thế giới, vấn đề nước chảy tràn bờ chứabùn đỏ đã từng xảy ra ngay cả với các tập đoàn khai khoáng lớn và diễn ra tại cácnước phát triển có kinh nghiệm về khai thác chế biến bauxit và bảo vệ môi trường

Ví dụ như vụ chảy tràn bờ hồ chứa kéo dài hơn bốn giờ với khoảng 1,80 triệu lítbùn đỏ xảy ra vào tháng 4/2007 và tháng 4/2008 từ hồ chứa ở Saguenay – Canadacủa các nhà máy alumin thuộc Tập đoàn Rio Tinto Alcan đã làm cho sôngSaguenay nhuộm màu đỏ dài hàng chục kilomet Các điều tra cho thấy nguyênnhân xảy ra sự cố để bùn đỏ chảy tràn hồ chứa là do phương thức vận hành khôngphù hợp, thiếu thông tin và không được kiểm soát chặt chẽ (Couillard, 1982) Vàotháng 1/2018, chưa đầy một thập kỷ sau thảm họa ở Hungary, một thảm họa bùn

đỏ khét tiếng khác đã xảy ra ở Belem, thủ đô của Para ở Brazil Mưa lớn đã khiếncác bể bùn đỏ thuộc công ty sản xuất bauxit của Na Uy tràn qua, làm ô nhiễm đất

và đe dọa chất lượng nước uống bởi mức độ ô nhiễm chì, nhôm và natri cao(Alves, 2018)

Hình 3: Thảm họa môi trường do vỡ hồ chứa bùn đỏ ở Hungary năm 2010Nguy cơ vỡ đập gây ra sự cố môi trường nghiêm trọng: Việc xây dựng đậpngăn hồ chứa dù kiên cố đến đâu cũng tiềm ẩn nguy cơ vỡ đập khi xảy ra thiên tainhư mưa lũ lớn, hoặc có động đất Trong những trường hợp đó, kiềm và các chấtđộc hại khác sẽ tràn ra ngoài, ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh Mặc dùchưa có ghi nhận về khả năng xảy ra nguy cơ về động đất, nhưng Tây Nguyên lại

là vùng có mưa lũ lớn và đã từng xảy ra nhiều trận lũ quét Ngày 11/5/2008 ở TuyĐức xảy ra lũ quét, vùng có mỏ bauxit của tỉnh Đắk Nông Như vậy, khả năng vỡđập ở hồ chứa bùn đỏ của các dự án alumin ở Tây Nguyên hoàn toàn có thể trởthành hiện thực Nếu sự cố đó xảy ra sẽ là một thảm họa về môi trường không chỉđối với Tây Nguyên mà lan tỏa các chất độc hại xuống vùng hạ lưu thuộc các tỉnhDuyên hải miền Trung, Đông Nam Bộ và các tỉnh Đông Bắc Campuchia Một ví

dụ điển hình ở Hungary, một nước ở vùng Đông Âu đã có hàng chục năm kinhnghiệm trong khai thác bauxit và sản xuất alumin, sự cố vỡ hồ bùn đỏ của nhàmáy Ajikia Timfoldgyar ở miền tây Hungary, khiến nhiều làng mạc, thị trấn củanước này chìm ngập trong bùn đỏ, con sông ở địa phương đã biến thành sông chết,còn dòng Danube xanh đứng trước nguy cơ đổi màu

Nguy cơ thẩm thấu chất độc hại xuống mạch nước ngầm: Theo thiết kế xâydựng hồ chứa bùn đỏ hiện nay, lòng hồ sau khi được nạo vét, kết cấu xây dựng nềngồm có lớp vật liệu chống thấm giữa hai lớp đất sét Về nguyên tắc kết cấu nềnnhư vậy có thể đảm bảo ngăn chặn các chất độc hại từ bùn đỏ thẩm thấu xuốngmạch nước ngầm Tuy nhiên, trong quá trình xây dựng, nếu không đảm bảo chấtlượng hay có sự cố làm nứt nẻ đáy nền, các chất độc hại có thể thấm xuống mạchnước ngầm gây ô nhiễm nguồn nước Mặt khác, một số điều tra nghiên cứu trênthế giới gần đây cho thấy, qua nhiều thập kỷ kiềm pha lỏng của bùn đỏ đã phảnứng với đất sét, sodium – aluminium – hydrosilicat và zeolite trong một cơ chếphản ứng phức hợp Phản ứng này tương tự như phản ứng của khoáng sét trongdung dịch Bayer nhưng chậm hơn rất nhiều Sự thay đổi này làm tăng tức thì tínhthấm nước của lớp đất sét và dẫn đến nguy cơ gây ô nhiễm hệ thống nước ngầmsau nhiều thập kỷ Như vậy, hồ chứa bùn đỏ chỉ có thể đảm bảo chống thấm trongthời gian đầu, sau vài thập kỷ vẫn có nguy cơ thẩm thấu xuống nước ngầm, mặc

dù đã được thiết kế chống thấm kỹ càng Nguy cơ này đã xảy ra tại các hồ chứabùn đỏ ở Jamaica Bộ trưởng ngành mỏ và tài nguyên tự nhiên nước này cho biết,

ở các nguồn nước ngầm và các giếng nước gần các hồ chứa bùn đỏ sau 20 nămxuất hiện nồng độ xút khá cao làm ô nhiễm nước gây nguy hiểm cho đời sốngnhân dân trong vùng (Couillard, 1982)

Nguy cơ phát tán vào môi trường: Chất thải bùn đỏ sau khi thải vào hồ cầnthời gian để làm khô Khi lớp bùn đỏ trên bề mặt bị khô, do đặc tính rất mịn nên

dễ vỡ thành bụi phát tán mang theo hóa chất độc hại Na2O vào môi trường khi cógió Theo quy trình của dự án Tân Rai, bùn đỏ sau khi khô được san ủi thành từnglớp và phủ một lớp đất màu vàng để trồng cây phục hồi môi trường Trong thực tế,muốn đưa máy vào san ủi được phải cần chờ cho các lớp bùn phía dưới cũng phảikhô mới chịu được tải trọng Như vậy, trong trường hợp lớp bùn đặc trên bề mặtbãi thải đã khô, nhưng các lớp dưới vẫn ướt (chưa thể đưa máy vào san ủi) nguy

cơ phát tán bụi do gió vẫn xảy ra Tây Nguyên có chế độ mưa theo hai mùa là mùakhô và mùa mưa, trong đó mùa khô hầu như không mưa và có gió khá mạnhkhoảng 2,4 - 5,4 m/s Tốc độ gió này cộng với khô hạn gay gắt kéo dài trong mùa

khô sẽ tạo điều kiện làm vỡ bề mặt mịn của bùn đỏ khi bị khô và phát tán bụi làm

ô nhiễm môi trường xung quanh Hơn nữa, kích thước hạt của bùn đỏ rất mịn, độkiềm cao, hàm lượng chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng cực thấp nên cây cối,thậm chí cỏ dại cũng rất khó sinh sống và phát triển trên những bãi thải bùn đỏ đãngừng hoạt động Muốn phục hồi và cải tạo môi trường đối với các bãi thải bùn đỏ

để có thể trồng được cây đòi hỏi một kinh phí rất lớn

2 – 5% giá trị nhôm thu được) và nhu cầu cho bãi chôn lấp rộng lớn chongành sản xuất alumin Bùn đỏ và dung dịch bùn đỏ có độ pH cao do chứakiềm dư (NaOH và KOH), dễ gây bỏng da và ăn mòn kim loại; giàu cáckim loại nặng (Fe, Ca, Ga, Th,…) được xem là chất thải công nghiệp nguyhại Sự cố ô nhiễm môi trường do vỡ hồ chứa bùn đỏ ở Hungary ngày04/10/2010 theo Bộ trưởng Hungary là thảm họa hóa chất nghiêm trọngnhất trong lịch sử nước này, phải mất một năm và hàng chục triệu USD đểdọn sạch lớp bùn đỏ đó Do vậy, việc nghiên cứu xử lý bùn đỏ, thu hồi cácnguyên tố kim loại có giá trị, cũng như sử dụng bùn đỏ vào mục đích khácnhau đã được các nhà khoa học trên thế giới đề cập theo 3 xu hướng: thuhồi kim loại có giá trị, vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường và sản xuất vậtliệu xây dựng Trong thực tế, hàm lượng các nguyên tố kim loại có giá trịtrong bùn đỏ cao, nhưng các quy trình thu hồi kim loại bùn đỏ mới có kếtquả khoa học trong phòng thí nghiệm

Hình 4: Một số phương pháp xử lý và tận dụng bùn đỏ

1.4.1 Trên thế giới

Ngành công nghiệp sản xuất nhôm trên thế giới phát triển rất nhanh

kể từ khi ra đời cho đến nay Cùng với sự phát triển của công nghệ và nềnkinh tế, quy mô của các nhà máy alumin ngày càng lớn Năm 1980, các nhàmáy alumin có công suất 1 triệu tấn/năm, được xây dựng ở Australia và ởBrazil được coi là các nhà máy lớn Hiện nay đã có nhà máy aluminAlunorte (ở Barcaena, Brazil) có công suất tới 6 triệu tấn/năm

Sản xuất alumin (hoặc hydroxyt nhôm) bằng phương pháp Bayer sẽthải ra một khối lượng lớn chất thải “bùn đỏ” Theo tổng kết của Tổ chứcnghiên cứu khoa học và công nghệ của Australia 2009, tổng lượng bùn đỏ

đã thải ra từ khi bắt đầu có ngành sản xuất alumin trên thế giới đến năm

1985 mới khoảng 1 tỷ tấn Đến năm 2007, tổng lượng bùn đỏ thải ra đã đạttới 2,6 tỷ tấn Như vậy có thể thấy chỉ cần khoảng 90 năm để hình thành 1

tỷ tấn bùn đỏ đầu tiên, nhưng chỉ cần 15 năm để hình thành 1 tỷ tấn bùn đỏtiếp theo Tuy nhiên, chi phí lâu dài của lựa chọn lưu giữ bùn đỏ vô thờihạn trong các hồ/đập chứa nói trên rất tốn kém Do đó, trên thế giới hiện

chưa có phương án xử lý bùn đỏ nào được cho là tối ưu Vì vậy, bùn đỏtrong các hồ chứa trở thành “bom nổ chậm” có thể gây hậu quả nghiêmtrọng bất kỳ lúc nào nếu vỡ đập hoặc sự cố rò rỉ xảy ra Đã có một sốphương án nhằm biến đổi tính chất của bùn đỏ trong các hồ chứa để triệttiêu những tác động tiêu cực của bùn đỏ, và giảm thiểu tác hại của loại chấtthải này khi bị phát tán ra môi trường tự nhiên Tuy nhiên, các phương án

xử lý này, ví dụ như rửa kiềm bằng các axit vô cơ, thường rất tốn kém và cóthể gây ra ô nhiễm thứ cấp trong quá trình xử lý Vì vậy, các phương ánthân thiện môi trường để xử lý bùn đỏ hiện vẫn đang nhận được sự quantâm đặc biệt của cộng đồng khoa học quốc tế

Đã có nhiều thành công trong nghiên cứu và phát triển các ứng dụngnhằm tận dụng bùn đỏ Ứng dụng đã được thực hiện ở quy mô thử nghiệmhoặc thương mại Tuy nhiên, chôn lấp và chứa bùn đỏ trong các hồ đậpcách ly hiện vẫn là biện pháp chủ yếu và phổ biến nhất trên thế giới Theocách này, bùn đỏ có thể được bơm và để khô cùng với quặng đuôi và đượccách ly với xung quanh bằng các đập được gia cố và phủ lót đất sét và vảiđịa kỹ thuật (Hind và nnk, 1999) Hiện các đập chứa đã được cải thiện đáng

kể về tính an toàn nhờ những tiến bộ trong công nghệ xây dựng, tuy vậyvẫn tiềm ẩn rất nhiều nguy cơ đối với môi trường xung quanh và gây khókhăn cho công tác phục hồi môi trường Ngoài phương pháp thông thườngchứa bùn đỏ trong các hồ đập cùng quặng đuôi, hiện các biện pháp đôngcứng sử dụng hóa chất (muối amoni có các axit béo) cũng đã được pháttriển (Kane, 1979) Phương án này giúp bùn đỏ thành những bánh cứng cóhàm lượng Al và các chất độc hại thấp hơn tiêu chuẩn cho phép để đổ thải

ra môi trường (Cooling và Glenister, 1992) Xử lý bùn đỏ với axit vô cơ đểtrung hòa, giảm độ kiềm và sự tích tụ kim loại nặng cũng đã được đề cậptrong nghiên cứu của Santona và nnk (2006)

Trong những thập kỷ qua, các nhà khoa học đã nghiên cứu, phát triểncác cách phù hợp, tiết kiệm chi phí môi trường để xử lý, sử dụng bùn đỏdựa trên các tính chất vật lý và hóa học của nó (Garg và Yadav, 2015; Sutar

và nnk, 2014); các đặc tính khoáng vật học (Garg và Yadav, 2015) Theocách này, bùn đỏ được coi là một vật liệu quý giá thay vì là một chất gây ônhiễm, chúng có nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm: sử dụng trong sảnxuất gạch (Dodoo-Arhin và nnk, 2013), gốm thủy tinh (Yang và nnk, 2008),

sử dụng là chất hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi dung dịch nước(Pulford và nnk, 2012), thu hồi kim loại, ví dụ Fe (Zhu và nnk, 2012), trongviệc tạo ra các chất xúc tác (Liu và nnk, 2013) Trong số các ứng dụng khácnhau này, việc chế tạo vật liệu xây dựng sẽ sử dụng một lượng lớn bùn đỏ(Joyce và nnk, 2018; Ye và nnk, 2016) và giảm rủi ro về môi trường (Ye vànnk, 2016)

Bùn đỏ được sử dụng làm phụ gia sản xuất xi măng Portland đã đượcnghiên cứu từ năm 1936 (Thakur và Sant, 1983) Các nhà nghiên cứu pháthiện ra rằng phản ứng hydrat hóa của xi măng Portland được thúc đẩy bằngcách bổ sung bùn đỏ làm môi trường có tính kiềm cao (Pera và nnk, 1997).Tsakiridis và nnk (2004) đã đánh giá việc bổ sung 1% bùn đỏ trong hỗn hợpthô để sản xuất xi măng Portland và nhận thấy rằng bùn đỏ có thể được sửdụng làm nguyên liệu thô trong sản xuất xi măng Senff và nnk (2011b) đã

sử dụng bùn đỏ cao tới 50% thay thế xi măng trong vữa và chỉ ra rằng việctăng cường hàm lượng bùn đỏ làm giảm cường độ chịu nén và dẻo Trongmột nghiên cứu khác, Yao và nnk (2013) xem xét kỹ lưỡng khả năng phatrộn bùn đỏ và các sản phẩm phụ của nhà máy than Kết quả của họ đãchứng minh rằng hỗn hợp này đáp ứng các yêu cầu cơ lý của bê tông

Hàm lượng sắt cao trong bùn đỏ thích hợp trong sản xuất bột màu vàsơn Sử dụng bùn đỏ để sản xuất màu nâu đỏ (Klauber và nnk, 2011;Mishra và Gostu, 2017) Kết hợp bùn đỏ với bùn mạ điện ở các tỷ lệ khácnhau, sau khi nung ở 1200˚C có thể tạo ra màu đen và nâu với cường độmàu thích hợp (Carneiro và nnk, 2018a)

Ngoài ra, bùn đỏ còn được nghiên cứu tận dụng làm phân bón Do cótính kiềm nên bùn đỏ được cho là có khả năng sử dụng để cải tạo đất chuathay thế cho vôi bột (Brunori và nnk, 2005)

1.4.2 Ở Việt Nam

Các nghiên cứu xử lý bùn đỏ hiện nay ở trong nước còn rất hạn chế

do ngành công nghiệp chế biến bauxit nước ta còn khá mới Ngoài nhà máyhóa chất Tân Bình (Thành phố Hồ Chí Minh) sản xuất hydroxit nhôm (cóthải bùn đỏ từ rất lâu), còn có nhà máy Alumin ở Tân Rai (Lâm Đồng) vànhà máy Alumin Nhân Cơ (Đắk Nông)

Một số nghiên cứu liên quan đến bùn đỏ như: tái sử dụng bùn đỏ làmvật liệu mới như làm vật liệu hấp phụ, vật liệu keo tụ dạng phèn chua, vậtliệu dùng trong xây dựng như gạch block, chất kết dính vô cơ dạng ximăng, một số phụ gia làm đường giao thông, tận dụng bùn đỏ để tạo ra loạivật liệu có khả năng xử lý các ô nhiễm ion kim loại nặng và các chất độchại khác trong môi trường nước,… (Hoàng Thế Phi, 2012)

Lê Xuân Thám và nnk (2013) đã nghiên cứu xử lý bùn đỏ thành đấttrồng phục vụ cho hoạt động sản xuất nông nghiệp Nhóm nghiên cứu đã trunghòa bùn đỏ với chất thải hữu cơ như bã thải sau trồng nấm, phế thải dịch nấmmen và than bùn, tỷ lệ đồng đều 1:1:1:1, để tạo thành đất mới thích hợp vớicây trồng và đã trồng thử nghiệm thành công một số loại cây như thanh long,nha đam (lô hội), xương rồng Nopal và cây dứa có sức chống chịu cao

Ở nước ta, trong dự án khai thác mỏ bauxit, Tập đoàn Công nghiệpThan – Khoáng sản Việt Nam (TKV) cũng đã đề xuất một số phương án xử lýbùn đỏ, trong đó phương án khả thi nhất là chôn lấp Hiện nay TKV đã tínhtoán cụ thể khối lượng bùn đỏ thải, khu vực thải và việc xử lý chất thải nàytheo nhiều phương án khả thi Tổ hợp bauxit – nhôm ở Lâm Đồng đã quyhoạch hồ chứa bùn đỏ với tổng diện tích lên đến 318 ha nằm trong một thunglũng để tránh nguy cơ trôi chảy bùn đỏ đến nơi khác, không ảnh hưởng mạnhđến nước ngầm trong khu vực Để chống tràn, chủ đầu tư xây dựng hệ thốngthoát nước mưa hoàn chỉnh xung quanh hồ Hồ được nạo sạch lớp bùn vàđược cán lót 2 lớp đất sét (dày 60 cm) với lớp lót vải địa kỹ thuật HDPE ởgiữa Mỗi hồ được ngăn ra thành nhiều block nhỏ (từ 10 – 15 ha) và lượng bùn

đỏ sẽ được thải theo từng ô

Trong bùn đỏ chứa rất nhiều thành phần hỗn tạp, trong đó bao gồm

cả các kim loại nặng do đó ứng dụng trong cải tạo đất có thể là lợi bất cập

hại Sản xuất vật liệu xây dựng (gạch, ngói) là một hướng đi mới trong việctận dụng bùn đỏ Đặc biệt, bùn đỏ ở Việt Nam không chứa phóng xạ nên cóthể sử dụng tốt để làm vật liệu xây dựng (Luu và nnk, 2014) Tuy vậy, chấtlượng thành phẩm, giá thành sản xuất sẽ là yếu tố hạn chế của hướng đi nàynếu so với các vật liệu xây dựng truyền thống Các ứng dụng khác ví dụnhư trong công nghiệp xúc tác, vật liệu xử lý ô nhiễm hiện nhu cầu khôngcao và cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn Vì vậy, nhiệm vụ cấp báchtrước mắt vẫn là hoàn thiện công nghệ lưu trữ, cách ly bùn đỏ với môitrường Một trong những cách tiếp cận khả dĩ là chuyển hóa, biến đổi đặctính bề mặt và từ đó hạn chế tính phân tán của bùn đỏ, giúp giảm thiểunguy cơ gây ô nhiễm trên diện rộng khi có sự cố tràn hoặc vỡ đập chứa.

Nhóm các nhà nghiên cứu của Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoahọc và Công nghệ Việt Nam) do Tiến sĩ Vũ Đức Lợi, Trưởng Phòng Khoahọc và Kỹ thuật phân tích khoa học đã nghiên cứu xây dựng được quy trìnhluyện thép từ nguyên liệu bùn đỏ Quy trình này đã được áp dụng thửnghiệm thành công tại Nhà máy Thép Thái Hưng (Hải Dương) sản xuấtthép từ 10 tấn bùn đỏ đầu tiên đã tạo ra 2,539 tấn thép có cường độ chịu lựccao Tuy nhiên, giá thành sản phẩm còn cao nên nhóm đã chuyển hướngsang sản xuất gang xốp (hàm lượng sắt 89 – 96%) (Vũ Đức Lợi, 2014)

Nghiên cứu của Vũ Xuân Minh (2017) tận dụng bùn đỏ - bã thải củanhà máy Alumin Tân Rai, Lâm Đồng chuyển hóa làm vật liệu hấp phụ ứngdụng xử lý một số chất ô nhiễm nước dạng anion bằng cách hoạt hóa bằng

2 M ở 95˚C trong 2 giờ để làm tăng diện tích bề mặt riêng lên 1,7 lần, đồngthời bề mặt vật liệu được proton hóa dẫn đến cải thiện rõ rệt khả năng hấpphụ các anion trong môi trường nước Nhìn chung, việc xử lý bùn đỏ đãđược nhiều cơ quan và các nhà khoa học Việt Nam quan tâm Nhưng vìlượng thải quá lớn, hiệu quả kinh tế, chi phí đầu tư lớn nên vẫn chưa được

áp dụng rộng rãi

Xử lý bùn đỏ nhằm thu hồi kim loại có giá trị (Fe, Ti, V) và sử dụngbùn đỏ để sản xuất vật liệu xây dựng, gốm thủy tinh và chất xử lý môitrường giải quyết được hai mục tiêu: kiểm soát ô nhiễm bùn đỏ từ hoạtđộng sản xuất alumin và tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế đang đượccác nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm Với khối lượng bùn đỏsinh ra từ công nghệ sản xuất alumin ở Tây Nguyên rất lớn nên các hướngnghiên cứu ứng dụng bùn đỏ làm chất xử lý môi trường cho dù hiệu quảnhưng không giải quyết được vấn đề sử dụng được khối lượng lớn bùn đỏcủa ngành công nghiệp sản xuất alumin ở Tây Nguyên Việc sử dụng bùn

đỏ làm gạch không nung không cố định được các chất ô nhiễm chứa trongbùn đỏ, hạn chế quy mô ứng dụng sản phẩm không nung và hạ thấp giá trịsản phẩm Sản xuất gang và thép từ bùn đỏ tạo ra sản phẩm giá thành cao,không cạnh tranh được trong thị trường

1.5 Tổng quan về polyDADMAC

1.5.1 Đặc điểm chung

Trong những năm 1950, sự phát triển của các polymer hữu cơ tổnghợp tan trong nước là một trong những bước đột phá quan trọng nhất trongcông nghệ xử lý nước và nước thải Việc sử dụng chúng là một trong nhữngbước phát triển tương đối mới trong lĩnh vực keo tụ nhưng quá trình nàythực tế là ít nhất 4000 năm tuổi Polymer có thể không mang điện, mangđiện tích dương hoặc mang điện tích âm PD và EPI – DMA được biết đến

là các polymer được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới và các báo cáocho thấy chúng chiếm 80% các polymer được bán cho ngành công nghiệpnước uống Hoa Kỳ

Có hai loại polymer hữu cơ được sử dụng trong xử lý nước và nướcthải là polymer tự nhiên và polymer tổng hợp Khối lượng phân tử và mật

độ điện tích là các đặc tính quan trọng nhất đối với các polymer tổng hợp.Diallyldimethylammonium clorua (mDADMAC) được điều chế từ phảnứng của allyl clorua với dimethylamine Các monomer sau đó được trùng

hợp để tạo thành polyDADMAC (PD) bằng phản ứng trùng hợp bổ sunggốc tự do (Ma, 2004) PD có các gốc nhóm cation mạnh và các gốc nhómhấp phụ hoặt hóa có thể làm mất tính ổn định và keo tụ các chất rắn lơ lửngtrong nước thải Các polymer thu được là cation polymer trong tự nhiên cóchứa các vòng pyrrolidine lặp lại trong cấu trúc Các polymer PD được sửdụng rộng rãi nhất để lọc nước Chúng nổi tiếng là có khả năng kháng clocao nhất và hoạt động trong phạm vi pH tương đối rộng.

Hình 5: Tổng hợp PD bằng từ chất ban đầu dimethylamine và alllyl chloride (John

và nnk, 2002)

PD với đặc tính nổi bật đã được chứng minh là chiếm ưu thế trongngành công nghiệp xử lý nước Các chất đồng trùng hợp từ DADMAC vàsulfur dioxide đã được thử nghiệm cho quá trình keo tụ sét Hơn nữa, PDđược sử dụng thay vì muối kim loại làm chất keo tụ cơ bản trong sản xuấtnước uống

Lựa chọn polymer để xử lý nước phụ thuộc vào đặc tính của cácpolymer như điện tích, mật độ điện tích, thành phần, trọng lượng phân tử và

dạng phân phối (dạng lỏng hoặc dạng bột) Cơ chế keo tụ đòi hỏi polymerphải ở dạng hòa tan và được phép hấp phụ vào bề mặt keo, các thành phầnhữu cơ (humic) và các thành phần vô cơ (sét, bùn) của nước Vì mỗi loạinước có các tính chất khác nhau và chỉ phù hợp với mỗi polymer nhất định.Một số polymer nhất định (EPI – DMA) phù hợp với vùng nước có chứalượng lớn humic tạo thành các khối rất dễ vỡ Các polymer PD thích hợpcho các vùng nước chứa một lượng lớn đất sét và bùn vô cơ Việc lựa chọnpolymer được thực hiện bằng thử nghiệm, bằng kinh nghiệm cá nhân sửdụng một loại polymer cụ thể Với tất cả những ứng dụng thực tế và sựnghiên cứu triển vọng trong tương lai, PD chắc chắn sẽ được sử dụng tăngcường trong các chức năng môi trường của nó.

1.5.2 Một số ứng dụng của polyDADMAC trong xử lý môi trường

Để phù hợp với các mục tiêu quản lý tổng hợp tài nguyên nước vì sự

an toàn của sức khỏe cộng đồng, việc xử lý nước uống để loại bỏ các chấtgây ô nhiễm đang là vấn đề toàn cầu Bước đầu của quá trình xử lý nước là

sử dụng chất trợ lắng và keo tụ để đẩy nhanh quá trình lắng của các hạt lơlửng thông qua quá trình kết tủa và sau đó loại bỏ Các nhà nghiên cứu đã

sử dụng các chất keo tụ khác nhau sử dụng cho mục đích xử lý như PD.Một loại polymer cation khác tan trong nước cũng được sử dụng rộng rãitrong xử lý nước như một chất keo tụ có nhiều ưu điểm so với chất keo tụ

vô cơ Cơ chế keo tụ dựa trên khả năng trung hòa hoặc giảm điện tích trên

bề mặt của các hạt lơ lửng Nó thúc đẩy sự va chạm giữa các hạt keo vàchất keo tụ, dẫn đến sự gắn kết và lắng đọng Khi các chất polymer cationtương tác và trung hòa các điện tích âm trên các hạt keo, thúc đẩy sự kết tủacủa các hạt rất nhỏ lơ lửng trong nước

Khi sử dụng polycation làm chất keo tụ chính hoặc chất trợ keo,polymer có thể cải thiện chất lượng nước thành phẩm, tăng tính ổn định,giảm xử lý hóa học và chi phí sản xuất Chất lượng nước xử lý được cảithiện là kết quả của sự hình thành khối lớn, ổn định hơn và dễ lọc hơn (Ma,

2004) Polymer không tạo ra một lượng chất rắn hòa tan đáng kể như ở cácchất keo tụ vô cơ Khi được sử dụng làm chất trợ lắng cùng với các chấtkeo tụ vô cơ, polymer có thể mở rộng phạm vi mà chất keo tụ có hiệu quả.Khi polymer được sử dụng làm chất keo tụ chính, việc sử dụng hóa chất sẽgiảm đi đáng kể Liều lượng polymer dùng so với chất keo tụ vô cơ chỉ là

từ 2 – 10% Việc sử dụng hóa chất làm giảm thời gian xử lý, lưu trữ bùn đỏ

và giảm chi phí sản xuất Hơn nữa, có sự giảm khối lượng bùn, tốc độ lắngcao hơn dẫn đến tăng hiệu suất xử lý Ngoài ra còn có khả năng mang lắng

ít hơn, cho phép chạy bộ lọc lâu hơn và giảm rửa ngược Không giống nhưbùn hydroxit của kim loại được hydrat hóa mạnh, bùn polymer có xu hướng

dễ bị khử để tạo thành bùn có hàm lượng chất rắn cao Việc sử dụng cácpolymer không ảnh hưởng đến pH của nước sau khi xử lý bởi các polymerthúc đẩy quá trình keo tụ vô cơ trong phạm vi pH khá rộng

Đã có những lo ngại liên quan đến việc sử dụng phèn để xử lý nước

do mối liên hệ giữa bệnh Aluminat và bệnh Alzheimer Mặc dù điều nàychưa được chứng minh một cách thuyết phục nhưng có một điều là nó sẽđược loại bỏ hoàn toàn sau khi sử dụng polymer hoặc sẽ giảm đáng kể khicác polymer được pha trộn với một lượng nhỏ poly aluminium clorua Một

số polymer dễ bị phân hủy khi có clo hoặc ozon và trong một số trường hợpcòn hình thành các sản phẩm phụ có hại hơn các chất ban đầu Đối với cácpolyamin rất ít được công bố về độc tính của chúng Người ta cho rằngpolymer không được hấp thu ở đường tiêu hóa và do đó có độc tính khôngđáng kể Dựa trên các nghiên cứu được thực hiện trên động vật thí nghiệm,polymer PD không được coi là độc hại nhưng khi đi vào cơ thể có thể gâykích ứng đường tiêu hóa

Một số nghiên cứu về phản ứng của clo với polymer trong xử lýnước đã được thực hiện (Chadik và Amy, 1984) Tất cả đã quan sát được sựhình thành của chloroform tỷ lệ thuận với nồng độ polymer Ngoài các phảnứng hóa học có thể xảy ra trong quá trình xử lý, polymer có thể bị nhiễm

monome hoặc các vật liệu có hại khác từ quá trình sản xuất và cuối cùng làxâm nhập vào nước được xử lý

Bên cạnh đó, Wenjian Guan và nnk (2014) đã phát hiện ra rằng việc

bổ sung một lượng nhỏ polymer hòa tan trong nước (cụ thể là PD), trongquá trình tiền xử lý có thể làm tăng đáng kể năng suất đường trong quátrình thủy phân enzym của sinh khối tiền xử lý Việc bổ sung PD trong tiền

xử lý có ảnh hưởng nhỏ đến sự phân lớp nhưng làm thay đổi cấu trúc tinhthể của sợi xenlulozơ khá đáng kể Các mẫu xử lý được phân tích để đánhgiá tác dụng của PD và tìm thấy được ý nghĩa đối với sinh khối không chứalignin

Nghiên cứu của Pirgalıoğlu và nnk (2015) về các hydrogel cation có

độ xốp cao được tổng hợp thông qua quá trình đồng trùng hợp liên kếtngang của diallyldimethylammonium clorua (DADMAC) với N, N'-tetraallylpiperaziniumdichloride (TAP) cho thấy ái lực cao đối với arsenatetrong khoảng thời gian ngắn Các thử nghiệm cho thấy hydrogel PD đã loại

bỏ 99% các anion arsenate ra khỏi dung dịch nước ở pH 6 - 10 và thể hiệnkhả năng loại bỏ asen tối đa 0,12 g arsenic/1 g hydrogel

PD còn được sử dụng như một chất phụ gia trong điều chế cellulose

vi sợi bằng phương pháp tiền xử lý cellulase Tác dụng của PD đối với sựhấp phụ của cellulase lên các sợi cellulose được cải thiện So với mẫu đốichứng thì độ tinh thể, tỷ lệ khung hình, diện tích bề mặt riêng và độ giãndài khi đứt của màng vi sợi tăng lên trong khi hệ số thấm của màng giảm đi(Zhang và nnk, 2018)

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Mẫu bùn đỏ được lấy tại hồ chứa bùn đỏ ở Tân Rai, Lâm Đồng, trong đótập trung nghiên cứu thành phần cấp hạt sét trong bùn đỏ

- Polycation nghiên cứu là polyDADMAC, một polycation hữu cơ tổng hợpkhông độc hại, giá thành rẻ và sử dụng phổ biến trong xử lý chất ô nhiễm

và các chất có tính phân tán mạnh

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu

- Địa điểm nghiên cứu: Hồ chứa bùn đỏ tại khu vực mỏ Tân Rai, Lâm Đồng.

Khu vực nghiên cứu có khí hậu nhiệt đới ẩm của cao nguyên với nhiệt độtrung bình năm là 20 - 24oC Lượng mưa trung bình hàng năm 2400 mm

Hình 6: Hồ chứa bùn đỏ tại khu vực Tân Rai, Lâm Đồng

- Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 1 năm 2018 đến hết tháng 9 năm 2019.

2.2 Nội dung nghiên cứu

1) Xác định các tính chất lý hóa của mẫu bùn đỏ nghiên cứu;

2) Xác định đặc điểm cấu trúc, hình thái, kết cấu, diện tích bề mặt và thànhphần hóa học của cấp hạt sét trong mẫu bùn đỏ nghiên cứu;

3) Xác định khả năng hấp phụ và ảnh hưởng của polyDADMAC (mộtpolycation hữu cơ) đối với điện tích trên bề mặt và phản ứng keo tụ của bùnđỏ;

4) Xác định ảnh hưởng của một số yếu tố lý hóa học tới sự tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ;

2.3 Vật liệu nghiên cứu

2.3.1 Mẫu bùn đỏ

Mẫu bùn đỏ được thu thập từ hồ chứa tại khu vực mỏ Tân Rai, Lâm Đồng.Mẫu sau khi đưa về phòng thí nghiệm để khô không khí, đồng nhất qua rây 2 mm

và bảo quản trong hộp nhựa

Bùn đỏ có thành phần khoáng vật cũng khá đa dạng tồn tại độc lập hoặcliên kết với nhau có kích thước cấp hạt từ 0,8 đến 50 µm Cấp hạt sét (kích thước

< 2 µm) có thể chiếm ~ 30% làm tăng khả năng phân tán của bùn đỏ và được tách

ra từ mẫu bùn đỏ thô theo phương pháp gạn lắng, sau đó ly tâm và rửa lại nhiềulần với nước deion Phần sét thu được được gọi là dung dịch chứa cấp hạt sét trongbùn đỏ, được sử dụng cho các thí nghiệm phân tán cấp hạt sét trong ống nghiệm

và thí nghiệm xác định điện tích bề mặt của cấp hạt sét trong bùn đỏ

Các oxit sắt, nhôm trong thành phần cấp hạt sét có thể tương tác với PD,qua đó làm biến đổi đặc tính keo của hỗn hợp oxit và sét Do vậy, bên cạnh mẫusét nguyên bản được tách từ bùn đỏ thô như cách trên, mẫu sét loại bỏ sắt (bằngcách tiền xử lý ba lần với dithionite citrat bicarbonat – DCB) cũng được chuẩn bịcho thí nghiệm Cả hai phân đoạn tách sét bằng phương pháp gạn lắng và xử lý

DCB được sử dụng để xác định thế ζ và đặc tính keo nhằm xác định vai trò củacác oxit sắt trong việc ảnh hưởng đến đặc tính keo của bùn đỏ.

2.3.2 Dung dịch polyDADMAC

Dung dịch PD sử dụng trong thí nghiệm được chuẩn bị bằng cách pha loãngdung dịch gốc Diallyldimethylammonium Clorua (Sigma-Aldrich, Hoa Kỳ) trongnước deion được dung dịch 0,1 M Sau đó dung dịch chứa PD 0,1 M được phaloãng với nước deion để thu được dung dịch làm việc có nồng độ mong muốn 2,5;5; 10 hoặc 20 mM

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Xác định tính chất lý, hóa học cơ bản của mẫu bùn đỏ nghiên cứu

Mẫu bùn đỏ thu thập được xử lý sơ bộ (phơi khô không khí và đồng nhấtrây qua rây 2 mm) sử dụng để xác định pH và một số thành phần cơ bản của mẫubùn đỏ như Fe, Al, Si và Na hòa tan trong nước; chiết bằng oxalat và thành phần

cơ giới

 Xác định pH của bùn đỏ bằng cách sử dụng nước deion với tỷ lệ trọnglượng/thể tích 1/2,5 Dung dịch được lắc 15 phút ở 175 vòng/phút bằngmáy lắc Uiversal SM30, để yên 2 giờ và đo pH với máy FiveEsay FE20 (ThụySỹ)

 Hàm lượng Fe, Al, Si và Na dễ hòa tan trong nước được xác định bằng cách

sử dụng nước deion để trích xuất Lấy 0,5 g bùn đỏ thô rây qua rây 2 mm(hoặc 0,1 g sét) ngâm với 20 mL nước deion, lắc đều trên máy lắc trong 4giờ Dung dịch chiết rút được lọc và đo bằng ICP – OES (PE 7300 V – ICP,PerkinElmer)

 Fe, Al, Na, Si trong các mẫu được trích xuất bằng cách sử dụng hỗn hợpoxalat Hỗn hợp được chuẩn bị bằng cách trộn hai dung dịch amoni oxalat0,2 M và axit oxalic 0,2 M theo tỷ lệ nhất định để được hỗn hợp có pH =3,0 Lấy 0,5 g bùn đỏ thô rây qua rây 2 mm (hoặc 0,1 g sét) ngâm với 20

mL dung dịch hỗn hợp oxalat trên, lắc đều trên máy lắc trong 4 giờ Dung

dịch chiết rút được lọc và đo bằng ICP – OES (PE 7300 V – ICP,PerkinElmer).

 Thành phần cơ giới sử dụng phương pháp gạn lắng trong môi trường thủytĩnh theo phương trình lắng Stockes sử dụng ống Robinson

 Thành phần hóa học của mẫu bùn đỏ nghiên cứu được phân tích bằngphương pháp phát xạ huỳnh quang tia X (Particle Induce X-Ray Emission,PIXE) trên máy gia tốc Tandem (hệ thống 5SDH 2 Pelletron do tổng công

ty Điện khí quốc gia Hoa Kỳ lắp đặt tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoahọc Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội)

 Thành phần hóa học của các cấp hạt được xác định bằng phép đo phổ tia Xphân tán năng lượng (EDX) (FESEM S-4800, Tokyo, Nhật Bản)

2.4.2 Xác định đặc tính cơ bản của cấp hạt sét trong mẫu bùn đỏ nghiên cứu

Đặc điểm hình thái của các cấp hạt trong bùn đỏ được quan sát trên kínhhiển vi điện tử quét - SEM (FEI Quanta 600 FEG, Mỹ) Thành phần khoáng vậtđược xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X với mẫu khoáng sét được phântán định hướng trên bề mặt lam kính Cấp hạt sét tách từ mẫu bùn đỏ thô được tiền

xử lý theo nhiều cách khác nhau (bão hòa K/bão hòa K rồi nung ở 550oC trong 2giờ/bão hòa Mg/bão hòa Mg rồi bão hòa etylen glycol), sau đó được phân tán trên

bề mặt lam kính và đo trên máy Bruker-AXS D5005 (hãng Siemens, CHLB Đức)

Để xác định các nhóm chức bề mặt của cấp hạt sét và PD bằng cách thu kết tủa ở

pH 7, IS 0,01 M sau đó ly tâm, sấy khô ở 45oC trong 24 giờ, sử dụng phương phápphổ hồng ngoại FTIR bằng máy phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại Nicolet™ iS™5của hãng Thermo Scientific (Mỹ) với KBr là chất tạo môi trường và chất phaloãng Diện tích bề mặt của cấp hạt sét được xác định bằng phương pháp hấp thụđơn Brunauer – Emmett – Teller (BET) N2 – phương pháp phân tích Gemini VII2390p)

2.4.3 Xác định đặc tính keo của cấp hạt sét trong bùn đỏ dưới ảnh hưởng của polyDADMAC

2.4.3.1 Thí nghiệm về phân tán cấp hạt sét trong ống nghiệm

Tính phân tán (tán keo) của bùn đỏ được xác định dựa trên kỹ thuật phântích tán xạ ánh sáng (dynamic light scattering) Kỹ thuật này đã được đưa vào sửdụng trong nghiên cứu tính phân tán của khoáng vật Thí nghiệm được tiến hành ởcác pH khác nhau và đánh giá diễn biến phản ứng keo theo phương pháp ốngnghiệm đề xuất bởi Lagaly và nnk (1997)

Thí nghiệm được tiến hành bằng cách hút 1 mL dung dịch cấp hạt sét bùn

đỏ (10 g/L) vào ống nghiệm, sau đó bổ sung thêm 1 mL polyDADMAC có nồng

độ lần lượt là 0; 2,5; 5; 10 và 20 mM và điều chỉnh pH từ 3 – 12 bằng 8 mL hỗnhợp dung dịch NaOH, HCl và NaCl 0,01 M Tổng thể tích của ống nghiệm là 10

mL (ống nghiệm chứa 10 mg sét, nồng độ PD trong mỗi ống nghiệm lần lượt là 0;0,25; 0,5; 1,0 và 2,0 mM), rung siêu âm trong vòng 30s và để yên trong 2h Sau 2hhút 3 mL phía trên cột dung dịch và chuyển vào cuvet chuyên dụng để xác định độtruyền qua Thông qua đó, cho phép đánh giá trạng thái keo (phân tán, chuyểntiếp, hay keo tụ) và được xác định trên máy quang phổ khả kiến L-VIS-400(Labnics, Mỹ) ở bước sóng 600 nm

2.4.3.2 Xác định điện tích bề mặt của cấp hạt sét trong bùn đỏ

Thế zeta (ζ) được đánh giá là một trong những thông số quan trọng đặctrưng cho khả năng phân tán của cấp hạt sét Nhằm xác định thế điện động ζ củahuyền phù sét dưới ảnh hưởng của PD và các giá trị pH khác nhau, nghiên cứu sửdụng thiết bị phân tích bề mặt tích hợp với bộ chuẩn độ tự động (PCD 05, MütekCHLB Đức) Phương pháp này đã được nhắc tới trong nhiều nghiên cứu về hóahọc đất và đặc điểm điện động học của nhiều loại mẫu vật khác nhau (Ma, 2004)

Kỹ thuật này dựa trên phương pháp phân tích thế zeta của dòng chuyển động.Dung dịch huyền phù của mẫu vật được chuyển toàn bộ vào ống Teflon, đồng thờivới sự chuyển động tịnh tiến lên - xuống của pít tông, hai điện cực bằng vàngđược gắn ở trong ống Teflon sẽ thu nhận các tín hiệu điện liên tục Thế zeta củahuyền phù có thể âm hoặc dương và được hiển thị trên màn hình

Hình 7: Sơ đồ cấu tạo và cơ chế hoạt động của máy PCD Mütek 05: Phân bố iontrong dung dịch khi không có dòng chuyển động (a) và có dòng chuyển động (b)

Trong thí nghiệm này, thế ζ của huyền phù sét được xác định khi có mặt của

PD trong dung dịch với các giá trị pH biến thiên từ 3 đến 12 Dung dịch PD cónồng độ xác định lần lượt là 0; 2,5; 5; 10 và 20 mM (được chuẩn bị như mô tả ởmục 2.4.3.1) Các dung dịch HCl, NaCl hoặc NaOH 0,01 M được sử dụng để điềuchỉnh pH về giá trị mong muốn Ống nghiệm chứa 10 mL huyền phù sét (trong đóchứa 10 mg sét, nồng độ PD trong mỗi ống nghiệm lần lượt là 0; 0,25; 0,5; 1,0 và2,0 mM) và giá trị pH xác định được chuyển vào ống Teflon của máy PCD Mütek

05, đợi 15 phút sau khi giá trị thế ổn định thì ghi lại kết quả

2.4.3.3 Xác định ảnh hưởng của một số yếu tố lý hóa học tới sự tán keo của thành phần sét trong bùn đỏ

pH có ảnh hưởng đến sự phân tán của cấp hạt sét trong bùn đỏ do đây làmột trong những yếu tố quan trọng chi phối điện tích bề mặt của cấp hạt sét Trongdung dịch tồn tại một lực đẩy làm cản trở các hạt sét gắn kết lại với nhau để dẫnđến sự keo tụ Lực đẩy này chịu ảnh hưởng của hai yếu tố: điện tích âm vĩnh cửu –phân bố trên bề mặt nền do sự thay thế đồng hình của Si4+ và Al3+ trong cấu trúc vàđiện tích biến thiên phụ thuộc vào phản ứng cho/nhận proton và hấp phụcation/anion của các nhóm chức ≡SiOH và >AlOH phân bố trên mặt rìa của hạt sét(van Olphen, 1977) Thí nghiệm được thực hiện ở dải pH từ 3 đến 12 để khảo sát

ảnh hưởng của pH đến tác động của PD tới đặc tính keo của cấp hạt sét trong bùnđỏ.

Dung dịch Si sử dụng trong thí nghiệm được chuẩn bị bằng cách hòa tan 0,5 g bột silicagel tinh khiết có kích thước hạt 0,15 mm (Công ty Fisher Scientific,Mỹ) trong 500 mL dung dịch NaOH 0,05 M, khuấy liên tục trong 3 giờ ở nhiệt độ

70oC Dung dịch thu được sau ngâm được giữ yên ở nhiệt độ phòng trong 3 ngàyrồi đem trung hòa bằng dung dịch HCl 0,05 M Nồng độ Si hòa tan trong dungdịch được xác định bằng phương pháp so màu xanh molipden trên máy quang phổkhả kiến L-VIS-400, Labnics (Mỹ) Sau đó dung dịch chứa Si gốc được pha loãngvới nước deion để thu được dung dịch làm việc có nồng độ mong muốn 10, 50,

100 hoặc 1000 mM Dung dịch Al sử dụng trong thí nghiệm được chuẩn bị tương tựnhư Si

Thí nghiệm được thiết kế tương tự như để xác định điện tích bề mặt và khảnăng phân tán của cấp hạt sét dưới tác động của PD, trong đó Al và Si được thêmvào ở các mức khác nhau để làm rõ ảnh hưởng của Al và Si hòa tan

Trong thí nghiệm này, 1 mL huyền phù sét bùn đỏ có chứa hàm lượng 10 g

L-1 (sét chưa xử lý dithionite) được trộn với cố định 1 mL PD 5 mM và 1 mL 10,

50, 100 hoặc 1000 mM Al3+ Đối với mỗi hỗn hợp này, 7 mL các tỷ lệ khác nhaucủa HCl, NaCl hoặc dung dịch NaOH 0,01 M được thêm vào để đạt được các giátrị pH từ 3 - 12 Tổng thể tích trong ống nghiệm là 10 mL (chứa 10 mg sét vàlượng Al3+ trong mỗi ống nghiệm lần lượt là 0, 1, 5, 10 và 100 mM) Để kiểm trahiệu quả của Si hòa tan, các huyền phù sau đó được chuẩn bị tương tự như quy trìnhlàm với Al

2.3.3.4 Phương pháp xử lý số liệu

- Ở mỗi giá trị pH, thí nghiệm được tiến hành trên 3 ống nghiệm khác nhau

và lấy giá trị trung bình

- Số liệu được xử lý trên excel và vẽ đồ thị trên phần mềm Sigmaplot 10.0