Bài viết này tổng hợp một số nghiên cứu về bùn đỏ trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Trong đó, bùn đỏ được xem như nguồn nguyên liệu thô được thêm vào để giảm chi phí.
Trang 1ỨNG DỤNG CỦA BÃ THẢI BÙN ĐỎ TỪ QUY TRÌNH SẢN XUẤT BỘT NHÔM THEO CÔNG NGHỆ BAYER
TRONG SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG
ThS Vũ Huyền Trân
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung
Tóm tắt: Bùn đỏ là hỗn hợp chất thải vô cùng độc hại, thậm chí được ví như “bùn
bẩn”, “bom bẩn” Hiện nay, trên thế giới chưa có nước nào xử lý triệt để được vấn
đề bùn đỏ Cách phổ biến mà người ta v n thường làm là chôn lấp bùn đỏ ở các vùng đất ít người, ven biển để tránh độc hại Việc nghiên cứu sử dụng bùn đỏ nhằm góp phần giảm bớt một phần ô nhiễm môi trường đã trở thành một đề tài lớn cho khoa học Cho tới thời điểm hiện nay, số lượng các nghiên cứu về bùn đỏ v n tiếp tục gia tăng không ngừng Bài báo này tổng hợp một số nghiên cứu về bùn đỏ trong lĩnh vực vật liệu xây dựng Trong đó, bùn đỏ được xem như nguồn nguyên liệu thô được thêm vào để giảm chi phí [1]
Từ khóa: Bauxite, bùn đỏ, geopolymer
1 Giới thiệu về Bauxite và công nghệ
Bayer sản xuất bột nhôm
Bauxite là một trong những tài
nguyên khoáng sản khá dồi dào trên trái
đất Từ bauxite có thể thu hồi alumina
Al2O3, rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi
aluminium (nhôm kim loại) Khoảng
96% bauxite khai thác được sử dụng
trong ngành luyện kim, 4% còn lại được
sử dụng trong các ngành công nghiệp
khác như: sản xuất vật liệu chịu lửa,
gốm sứ, vật liệu mài- đánh bóng, đá
trang sức nhân tạo [2]
Theo kết quả điều tra thăm dò địa
chất chưa đầy đủ, ở nước ta khoáng sản
bauxite phân bố rộng từ Nam đến Bắc
với trữ lượng khoảng 5,5 tỷ tấn quặng
nguyên khai, tương đương với 2,4 tỷ
tấn quặng tinh; tập trung chủ yếu ở Tây
Nguyên (chiếm 91,4%), trong đó Đăk
Nông 1,44 tỷ tấn (chiếm 61%) So với
các mỏ bauxite trên thế giới, bauxite ở
Việt Nam được đánh giá có chất lượng
trung bình.[3]
Quy trình Bayer sản xuất bột nhôm bao gồm 4 bước: hòa tách (digestion), gạn lọc (clarification), kết tủa (precipitation)
và nung (calcination) [4] Trong bước hòa tách, bauxite được nghiền ở dạng bùn sệt với dung dịch NaOH và được bơm vào một thùng chứa áp lực rộng gọi là thùng chiết suất (digester), tại đây quặng được tiếp xúc với hơi nước có áp suất cao Chất lượng quặng sẽ quyết định các điều kiện đặc biệt nào được sử dụng khi hòa tách Trong bước này, NaOH sẽ phản ứng với quặng alumin của bauxite tạo thành một dung dịch kiềm aluminat không hòa tan
và có lẫn tạp chất gọi là bùn đỏ (red mud), bùn đỏ này vẫn tồn tại ở dạng huyền phù
và được tuyển trong bước gạn lọc
(clarification) Như vậy bùn đỏ từ quy
trình sản xuất bột nhôm theo công nghệ Bayer là chất thải của quá trình hòa tách
2 Đặc điểm của bùn đỏ từ quy trình sản xuất bột nhôm theo công nghệ Bayer
Chất thải bùn đỏ (Hình 1) là hỗn hợp
của các hợp chất có trong các khoáng gốc,
Trang 2bauxite, sút dư và các hợp chất được tạo
thành trong quá trình Bayer
Trong bùn đỏ, hàm lượng các chất
rắn có từ 10 đến 30%, pH 13-14 và lực
hút ion cao Bề mặt riêng khoảng 10m2/g (100.000 cm2/g), 90% hạt có kích thước dưới 75 m, đây là một trở ngại lớn cho việc tái sử dụng bùn đỏ [4]
Hình 1 Bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình
3 Một số nghiên cứu về bùn đỏ trong
lĩnh vực vật liệu xây dựng
Sử dụng bùn đỏ đã trở thành một
đề tài lớn cho nghiên cứu khoa học Một
số lượng lớn các nghiên cứu về tiềm
năng của bùn đỏ đã được công bố, cụ thể
từ 1964-2008 đã có 273 bằng sáng chế
về đề tài này[5] Bùn đỏ có thể được sử
dụng trong luyện kim (sản xuất sắt và
thép, oxit titan, oxit nhôm và kiềm), sản
xuất vật liệu xây dựng (cốt liệu nhẹ,
gạch, ngói, xi măng…), chất xúc tác,
ceramic (đồ gốm, đồ vệ sinh, thủy tinh,
các loại ngói đặc biệt, men, ferit ) và
các mục đích khác (xử lý nước, chất lọc,
phân bón…) Một trong những ứng dụng
quan trọng của bùn đỏ là sản xuất vật
liệu xây dựng và các sản phẩm ceramic
như xi măng, gạch…
* Xi măng
Việc sử dụng chất thải bauxite để
làm phụ gia sản xuất xi măng đã được
nghiên cứu từ năm 1936 Trong khi hàm
lượng oxit sắt và oxit nhôm của chất thải
này rất hữu ích cho quá trình đóng rắn và
gia tăng cường độ xi măng thì kiềm lại
gây bất lợi Singh et al [6, 7] (1996 - 1997) đã sử dụng một hỗn hợp thạch cao, bauxite và bùn đỏ (trong đó bùn đỏ chiếm 20 - 50% khối lượng khô) để làm một loại xi măng đặc biệt Bùn đỏ được
sử dụng như nguồn cung cấp oxit sắt và oxit nhôm tốt hơn tro bay vì có hàm lượng oxit silic thấp Hàm lượng oxit titan trong bùn đỏ cũng rất có lợi cho cường độ xi măng Ở Ấn Độ, từ năm
1988 đến 1999 đã có 2,5 triệu tấn bùn đỏ
đã được sử dụng để sản xuất xi măng Ở Nhật Bản, các thí nghiệm được tiến hành năm 2003 cho thấy xi măng được sản xuất có sử dụng bùn đỏ đáp ứng được các tiêu chuẩn công nghiệp của Nhật Bản (Japan Aluminum Organisation, 2004) Ở
Ai Cập, công ty xi măng Lafarge đã sử dụng 200.000 tấn chất thải bauxite khô mỗi năm[1] (2005) Trong đó, lượng bùn
đỏ được sử dụng để sản xuất xi măng chỉ chiếm 1,6% khối lượng bùn đỏ thải ra hằng năm Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây được tiến hành bởi Vangelatos et al.[8] (2009) ở Ai Cập nhằm khảo sát hàm lượng bùn đỏ như một phụ gia trong
Trang 3sản xuất xi măng đã cho thấy xi măng
Portland có thể đạt được các tính chất
yêu cầu khi hàm lượng bùn đỏ tăng lên
tới 5% Chi phí của quá trình xử lý bùn
đỏ hầu hết là cho công đoạn lọc ép
được ước tính khoảng 10 Euro cho một
tấn bùn đỏ khô
Ở Việt Nam năm 2009, TS Đỗ
Quang Minh, bộ môn silicat thuộc ngành
công nghệ vật liệu Trường ĐH Bách khoa
TPHCM, đã chế tạo thành công 50 kg xi
măng đầu tiên dùng nguyên liệu là bùn đỏ
bằng phương pháp nung kết khối với đá
vôi Loại xi măng này có tốc độ đóng rắn
tương đối nhanh, có thể ứng dụng cho
những kết cấu tải trọng không cao [9]
* Cốt liệu
Để tạo ra cốt liệu từ bùn đỏ cần
phải trải qua các giai đoạn như sấy khô,
tạo hạt và nung Tuy nhiên, một loại cốt
liệu từ chất thải bauxite không thể cạnh
tranh với các loại cốt liệu khác như đá
nghiền vì chi phí của quá trình nung và
các nghiên cứu được công bố về sử dụng
bùn đỏ xuất hiện nhiều mâu thuẫn
SagoeCrentsil và Brown [10] (2005) báo
cáo rằng bùn đỏ có thể thay thế một phần
nhỏ aluminosilicate của geopolymer Các
vật liệu thí nghiệm chỉ cần được trộn và
dưỡng hộ ở 85oC trong 2 giờ có thể đạt
được cường độ 50 MPa So sánh với
cường độ của đá marble tự nhiên
100-180 MPa thì cốt liệu từ bùn đỏ với kỹ
thuật geopolymer rõ ràng bị hạn chế về
cường độ Sấy và nung bùn đỏ trực tiếp
có thể tạo ra cốt liệu nhân tạo phù hợp Showa Denko et al [11] (1976) đã tiến hành nung bùn đỏ ở 220oC trong 40 phút, sau đó tiếp tục nung ở 1200oC trong 2,5 giờ thì thu được cốt liệu với cường độ lớn hơn hoặc bằng cường độ của đá nghiền Ninh kết và nung để tạo ra một loại vật liệu có giá trị thấp như cốt liệu rõ ràng là không kinh tế
* Gạch và block
Có hai cách sản xuất gạch và block
từ bùn đỏ tùy theo việc có nung hay không Gạch đất sét truyền thống được nung khoảng 900oC để đạt được cường
độ yêu cầu còn gạch không nung thì được sản xuất từ xi măng, các chất kết dính vô
cơ hoặc hữu cơ
Theo nghiên cứu của Thakur và Sant [12] (1983), bùn đỏ có thể được thêm vào hệ nguyên liệu như là phụ gia hoặc thành phần chính Để có được loại gạch có chất lượng so với gạch đất sét nung thì phải trộn bùn đỏ với đất sét hoặc
đá phiến sét Những sản phẩm phế thải khác như tro bay và bụi than cốc cũng có thể được đưa vào Khi thêm các phụ gia như tác nhân tạo bọt và ferrosilicon thì được các loại gạch nhẹ [12]
Có 14 bằng sáng chế từ năm
1972-2009 nói về việc sản xuất gạch với bùn
đỏ Trong đó có 3 bằng sáng chế về gạch nung và 11 bằng sáng chế nói về gạch không nung được tóm tắt trong Bảng 1
Bảng 1 Bằng sáng chế về gạch nung và gạch không nung
GẠCH NUNG
Số phát minh Năm % bùn đỏ Nhiệt độ
nung (oC) Thành phần khác
Trang 4xỉ, cát, cặn photphoric, chất thải axit
sunphuric CN101269948-A 2008 70-90 900-1200 Đất sét
GẠCH KHÔNG NUNG
Số phát minh Năm % Bùn đỏ Tác nhân
đóng rắn Thành phần khác
thạch cao Borax CN107942-A 1995 - Vôi, thạch cao Tro than, cát
DE4430446-A 1995 >50 Hợp chất
canxi KR2006079292-A 2007 12-22 Không xác
định Chất thải vôi CN101020603-A 2008 15-50 Vôi Tro bay, cát silic
CN101205126-A 2008 22-40 Vôi, thạch cao Tro bay, cốt liệu
CN101215142-A 2008 20-35 Xi măng, vữa Tro bay, xỉ
Bùn acetylen CN101219883-A 2008 22-42 BaSO4, thạch
cao, vôi Sa thạch, tro bay
thach cao
Tro than, cốt liệu,
xỉ cacbua NL1035134-C6 2008 >50 Vỏ trấu (Rice
CN101289310-A 2009 - Xi măng, vữa Cát, bê tông, xỉ
Các loại gạch nung có thể được tạo
ra với hàm lượng bùn đỏ lên tới 92% và
nhiệt độ nung là 1000oC Đất sét và các
loại vật liệu khác có thể được thêm vào
tùy theo thành phần và yêu cầu của sản
phẩm Còn đối với gạch không nung cần
kết hợp với một hay nhiều tác nhân kết
dính Tác nhân kết dính phổ biến nất là
các hợp chất chứa canxi như đá vôi, vôi
và thạch cao Bằng sáng chế
NL1035134-C6 đã sử dụng vỏ trấu (rice
chaff) làm chất kết dính do vỏ trấu có
chứa nguồn silicate tham gia phản ứng
với kiềm trong bùn đỏ Các chất kết dính hữu cơ khác cũng được sử dụng
Mặc dù có nhiều nghiên cứu và bằng sáng chế về kỹ thuật sử dụng bùn
đỏ trong sản xuất gạch nhưng vẫn chưa tìm ra được một nghiên cứu nào có ứng dụng cao Lý do chính là do sự cạnh tranh về vật liệu, nơi sản xuất, sự không chắc chắn về kỹ thuật, môi trường và nguy cơ về sức khỏe của sản phẩm mới
Ở Jamaica năm 1980 [13] đã sản xuất một loại gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ với chất đóng rắn là xi măng Tại thời điểm
Trang 5này đang xảy ra sự thiếu hụt số lượng lớn
nhà cửa, vì vậy một loại gạch cĩ giá rẻ
rất phù hợp với tình hình Jamaica (Hình
2) Tuy nhiên gạch từ bùn đỏ chỉ được triển khai ở các vùng nghèo và việc mở rộng sử dụng bị hạn chế
Hình 2 Gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ ở Jamaica [14]
Một nghiên cứu gần đây của Yang
và Xiao [14] (2008) đã mơ tả quá trình
sản xuất gạch khơng nung và block sử
dụng bùn đỏ ở Trung Quốc (Hình 3) Sản
phẩm của quá trình này đáp ứng được tiêu chuẩn của Trung Quốc và được phép sản xuất để làm vật liệu xây dựng như gạch và block
Cát
Bùn đỏ
Thạch
cao, vôi
hình Trộn
Dưỡng hộ Sản phẩm Nước
Hình 3 Quá trình sản xuất gạch khơng nung và block sử dụng bùn đỏ
ở Trung Quốc [14]
Ở Việt Nam, nhĩm nghiên cứu
PGS.TS Nguyễn Văn Chánh, Vũ Huyền
Trân, Nguyễn Thị Thanh Thảo đã nghiên
cứu sản xuất gạch khơng nung từ bùn đỏ,
tro bay và gạch nung nhiệt độ thấp từ bùn
đỏ và đất sét (năm 2009) đã cho các kết
quả rất khả quan Với hàm lượng tro bay từ
40-80% và lượng dùng phụ gia hoạt hĩa 4
- 10ml/100 g hỗn hợp tro bay bùn đỏ thì
cường độ chịu nén cĩ thể đạt được từ 100
-190 KG/cm2, độ hút nước từ 5,2 đến 12,7% và hệ số mềm từ 0,7 đến 0,95 Với các tính chất như trên thì loại vật liệu này hồn tồn phù hợp để chế tạo gạch khơng nung Hiện nay đề tài vẫn đang được nghiên cứu để ứng dụng vào sản xuất [15]
* Geopolymer
Bùn đỏ cĩ chứa một lượng các khống nhơm, silic và kiềm nên phù hợp
để tạo geopolymer Việc thêm kiềm vào
Trang 6sẽ gia tăng sự hòa tan tùy theo nồng độ
ban đầu, thời gian hòa tan và các thông
số khác để quá trình xảy ra Các nguồn
khác của oxit nhôm và silic sẽ được thêm
vào để đạt cường độ và các tính chất yêu
cầu Tro bay hoặc xỉ lò cao rất phù hợp
để làm nguồn vật liệu cung cấp oxit
nhôm và silic Có rất nhiều nghiên cứu về
việc sử dụng xỉ hay tro bay nhưng vẫn
chưa có nghiên cứu nói về việc sử dụng
bùn đỏ để làm vật liệu geopolymer Tuy
nhiên SCRP (Center for Sustainable
Resources Processing) đã thành lập Liên
đoàn Geopolymer với các đối tác công
nghiệp để tiến hành nghiên cứu nhằm
mục đích phát triển những hiểu biết nền
tảng về sản xuất các vật liệu geopolymer
sử dụng trong bê tông Các thông tin trên
website của tổ chức này báo cáo rằng
“geopolymer từ bùn đỏ với các tính chất
cơ học ấn tượng đã được sản xuất thành
công Vật liệu này sẽ mở ra các cơ hội
cho việc tái chế một lượng lớn các chất
thải công nghiệp” Để đạt được mục tiêu
này cần phải tiếp tục nghiên cứu khả
năng ứng dụng của bùn đỏ trong vật liệu
geopolymer, phát triển các hỗn hợp thành
phần và phương pháp sản xuất để hoàn
thiện hóa các sản phẩm tận dụng các
nguồn vật liệu phế thải
4 Kết luận
Tổ hợp bauxite - nhôm Lâm Đồng (dự án Tân Rai) có công suất thiết kế giai đoạn 1 là 650.000 tấn alumin/ năm Đến nay, công tác xây dựng cơ bản của phần khai thác mỏ bauxite đã hoàn thành, trong đó đã khai thác được 1,6 triệu tấn quặng bauxite Từ khi dự án triển khai, ít nhiều môi trường nước, không khí tại đây
đã bị ảnh hưởng An ninh xã hội trên địa bàn cũng phức tạp hơn, tệ nạn xã hội theo
đó cũng tăng lên…[16] Dùng bùn đỏ để sản xuất vật liệu xây dựng sẽ chỉ giải quyết một phần nhỏ lượng chất thải này Tuy nhiên, vì các giải pháp xử lý bùn đỏ
ở Việt Nam vẫn còn gây nhiều tranh cãi
và lo ngại nên ứng dụng này của bùn đỏ
có ý nghĩa rất đặc biệt Việc tìm hiểu, nghiên cứu các kết quả nghiên cứu đã có trên thế giới và Việt Nam hứa hẹn tìm ra các giải pháp xử lý hiệu quả chất thải độc hại này
Theo quan điểm của tác giả, sử dụng bùn đỏ để sản xuất vật liệu không nung là một hướng giải pháp đầy tiềm năng, góp phần giải quyết vấn đề môi trường và ổn định cho Tây Nguyên Việt Nam
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y Pontikes March 14, 2005.Red Mud Applications
[2] http://www.nuce.edu.vn/index.php?lg=1&id=104
[3] http://www.viet-studies.info/kinhte/Bauxit_TiaSang.htm
[4] http://www.redmud.org/Production.html
[5] Craig Klauber, Markus Grafe and Greg Power May 2009 Review of bauxite residue “reuse option” CSIRO Document DMR 3609, Australia
[6] Singh.M, Upadhayay.S, Prasad.P 1996 Preparation of special cements from red mud Waste Management, 16, (8), 665 - 670
Trang 7[7] ] Singh.M, Upadhayay.S, Prasad.P 1997 Preparation of iron rich cements using red mud Cement and Concrete Research, 27,(7), 1037-1046
[8]Vangelatos, I., Angelopoulos, G.N., Boufounos D 2009 Utilization of ferroalumina as raw material in the production of Ordinary Portland Cement Journal
of Hazardous Materials 168 (1), pp 473-478
[ 9] http://nld.com.vn/khoa-hoc/che-tao-xi-mang-tu-bun-do-20091014100230911.htm
[10] Sagoe-Crentsil K and Brown T 2005 Bayer process waste stream as potential feedstock material for geopolymer binder systems Proceedings of the 7th International Alumina Quality Workshop, McKinnon, A., Ed AQW Inc.: Perth, pp 214-217
[11] Artificial consntruction aggregates-from granular red mud discharge from Bayer process JP51007023-A, JP82007588-B, JP51007023-A, 21 Jan 1976
[12] Tharku.R.S, Sant.B.R 1983 Utilization of red mud 2- Recovery of alkali, iron, aluminium, titanium and other constituents and polution problems J.Sci.Industr.Res.,
42, (8), 456- 469
[13] McCarthy.S, Armour-Brown.V.S, Iyer.V.S, Desu.S.B, Kander.R.G, vaseashta.A
1992 Utilization of Jamaica Bauxite Tailings as a Building material and its Socio-Economic Consideration 1992
[14] Yang.J.K, Xiao.B 2008 Development of unsintered construction materials from red mud wastes produced in the sintering alumina process Construction and Building
materials, 22, (12), 2299-2307
[15] Nguyễn Văn Chánh, Vũ Huyền Trân, Nguyễn Thị Thanh Thảo 2010 Nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn
đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam Hội nghị Khoa Học và Công nghệ gắn với thực tiễn lần IV
[16] Bauxite Tân Rai đã khai thác 1,6 triệu tấn
http://vov.vn/Kinh-te/Bauxite-Tan-Rai-da-khai-thac-16-trieu-tan/265712.vov