Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ quặng bauxite và bentonite cải thiện cường lực xi măng

Các tính chất của vữa xi măng với hàm lượng lớn bùn đỏ được đánh giá qua các chỉ tiêu: Cường độ nén, cường độ uốn, độ dẻo tiêu chuẩn, thời gian đông kết,độ ổn định thể tích, v.v…Dựa trên

NGUYỄN VĂN TẢI

NGHIÊN CỨU KẾT HỢP BÙN ĐỎ QUẶNG BAUXITE VÀ BENTONITE CẢI THIỆN CƯỜNG LỰC XI MĂNG

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Mã số: 60 52 75

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: TS LÝ CẨM HÙNG

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: TS THÁI NGUYỄN HUY CHÍ

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG

Tp.HCM ngày 28 tháng 08 năm 2012

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THÀNH

2 TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ

3 TS THÁI NGUYỄN HUY CHÍ

4 TS LÝ CẨM HÙNG

5 TS NGUYỄN QUANG LONG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THÀNH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : NGUYỄN VĂN TẢI Phái : Nam

Ngày tháng năm sinh : 10 – 03 – 1985 Nơi sinh : Phú Yên

Chuyên ngành : Công nghệ hóa học MSHV : 10050131

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ quặng Bauxite và Bentonite cải thiện

cường lực xi măng

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tổng quan về bùn đỏ, ảnh hưởng của bùn đỏ đến môi trường và ứng dụng

của bùn đỏ trong sản xuất xi măng tại Việt Nam và thế giới

 Khảo sát thành phần, tỉ lệ bentonite/bùn đỏ thêm vào xi măng

 Khảo sát sự thay đổi cường lực của xi măng khi sử dụng phụ gia bùn đỏ và

bentonite

 Kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý: cường độ nén, cường độ uốn của mẫu vữa xi

măng khi có sự tham gia của bùn đỏ và bentonite

 Trên tiêu chuẩn chất lượng xi măng poóc lăng hỗn hợp đánh giá xem mẫu xi

măng làm thí nghiệm có cường lực như thế nào so với các sản phẩm xi măng

thông thường hiện nay

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 02 tháng 07 năm 2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 25 tháng 06 năm 2012

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ

Tp HCM, ngày tháng năm 2012

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin chân thành cảm ơn Thầy HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ, đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho

em hoàn thành bài luận văn này

Đồng thời, em cũng xin gởi lời cảm ơn đến anh Đặng Thanh Xuân đang công tác tại Công ty Hồng Hà Bình Dương và tất cả các Anh chị Phòng thí nghiệm Phân viện Khoa học công nghệ xây dựng Miền Nam, đã giúp đỡ em trong quá trình tiến hành thí nghiệm

Bên cạnh đó, em cũng xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Hóa Học và các bạn Cao học hóa K2010 đã giúp đỡ em trong thời gian học tập

và nghiên cứu

Song do điều kiện và kiến thức còn hạn chế nên chưa đi sâu khai thác, phân tích kỷ cũng như khó tránh được sai xót trong quá trình thực hiện luận văn này.Vì vậy em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của các quý Thầy Cô

và các bạn để bài luận văn này được hoàn thiện hơn

Trân trọng cảm ơn!

TP HCM, ngày 25 tháng 06 năm 2012

Nguyễn Văn Tải

Các tính chất của vữa xi măng với hàm lượng lớn bùn đỏ được đánh giá qua các chỉ tiêu: Cường độ nén, cường độ uốn, độ dẻo tiêu chuẩn, thời gian đông kết,độ

ổn định thể tích, v.v…Dựa trên tiêu chuẩn chất lượng xi măng poóc lăng hỗn hợp (TCVN 6260:2009)

Các kết quả kiểm tra cơ lý cho thấy rằng việc bổ sung lên đến 15% khối lượng của bùn đỏ và 3% khối lượng bentonite cho sản phẩm xi măng phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 6260:2009

ABSTRACT

Red mud is the waste in the production of aluminum oxide from bauxite by the Bayer process The amounnt of red mud discharged in the word is about 120 milions of tons per year by CSIRO in Australia.Until now, there is still not any efficient method to solve the red mud problem Every manufacturing unit must retain large stored lake to store the red mud It is always latent danger to pollute the wateresources and the biology environment nearby Wherefore researching find out solutions to treat the red mud or use components of it which is necessary problem This theme shows some result of researching about ability combine the red mud and bauxite to improve sthenia of cement

The properties of Portland cement mortars incorporating high amounts of red mud was evaluated: Compressive strength, flexural strength, soundness, setting time, normal consistency, etc Based on standard quality Portland Cement Blended (TCVN 6260:2009)

The results of the physic - mechanical properties showed that cement which has addition up to 15 wt% of the red mud and 3 wt% of bentonite, is satisfied with standard TCVN 6260:2009

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên : NGUYỄN VĂN TẢI Phái : Nam

Ngày tháng năm sinh :

Chuyên ngành :

10 – 03 – 1985 Công nghệ hóa học

Nơi sinh : MSHV :

Phú Yên 10050131

Tên đề tài : Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ quặng bauxite và bentonite

cải thiện cường lực xi măng

Ngày bắt đầu : Ngày 04 – 07 – 2011

Ngày hoàn thành : Ngày 25 – 06 – 2012

Cán bộ hướng dẫn : TS HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Những kết quả và số liệu trong luận văn này chưa được công bố Tôi chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường về sự cam đoan này

Tp.HCM, ngày 25 tháng 06 năm 2012

Nguyễn Văn Tải

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC HÌNH xi

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 1

1.2 Ý nghĩa của đề tài 2

1.3 Các mục tiêu của đề tài 2

1.4 Các nội dung nghiên cứu 2

Chương 2: TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng đề tài 3

2.1.1 Tổng quan về bauxite 3

2.2.2 Tổng quan về bùn đỏ 11

2.2.3 Tổng quan về bentonite 19

2.2 Hướng nghiên cứu của đề tài 24

Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25

3.1 Khái quát về xi măng poóc lăng (XMP) 25

3.1.1 Khái niệm 25

3.1.2 Thành phần hóa của xi măng poóc lăng 25

3.1.3 Thành phần khoáng của xi măng poóc lăng 26

3.1.4 Quá trình đóng rắn của xi măng poóc lăng 27

3.1.5 Quá trình hydrat hóa của các khoáng trong xi măng poóc lăng 28

3.1.6 Cấu trúc đá xi măng 31

3.2 Những thông số quan trọng đánh giá chất lượng xi măng poóc lăng 32

3.2.1 Độ mịn 32

3.2.2 Khối lượng riêng 33

3.2.3 Độ dẻo chuẩn 33

3.2.4 Thời gian đông kết 33

3.2.5 Tính ổn định thể tích 34

3.2.6 Cường độ và mác xi măng 34

3.3 Nguyên liệu sản xuất xi măng thông dụng 34

3.3.1 Clinker xi măng 34

3.3.2 Phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết (Thạch cao) 34

3.3.3 Các loại phụ gia khoáng sử dụng trong công nghiệp xi măng 35

3.4 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng xi măng poóc lăng hỗn hợp 42

Chương 4: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44

4.1 Phương pháp nghiên cứu 44

4.1.1 Cơ sở nghiên cứu 44

4.1.2 Thuyết minh quy trình 44

4.2 Nguyên vật liệu sử dụng nghiên cứu 46

4.2.1 Xi măng OPC 46

4.2.2 Bùn đỏ 47

4.2.3 Bentonite 50

4.3 Xử lý nguyên liệu ban đầu 51

4.4 Tính phối liệu 51

4.5 Tạo mẫu vữa xi măng 51

4.5.1 Phương pháp tiến hành 51

4.5.2 Yêu cầu phòng thí nghiệm 52

4.5.3 Thiết bị thí nghiệm 52

4.5.4 Nguyên vật liệu 54

4.5.5 Chế tạo vữa 56

4.5.6 Chế tạo mẫu thử 56

4.5.7 Bảo dưỡng mẫu thử 57

4.6 Kiểm tra tính chất cơ lý 59

4.6.1 Xác định độ bền uốn 59

4.6.2 Xác định độ bền nén 59

4.6.3 Xác định độ dẻo chuẩn 60

4.6.4 Xác định thời gian đông kết 62

4.6.5 Xác định độ mịn 65

4.6.6 Thử ổn định thể tích 67

4.6.7 Xác định pH 69

Chương 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 72

5.1 Kết quả kiểm tra tính chất cơ lý của xi măng 72

5.1.1 Cường độ nén và cường độ uốn của vữa xi măng 72

5.1.2 Độ dẻo chuẩn của xi măng 75

5.1.3 Thời gian đông kết của xi măng 78

5.1.4 Xác định độ mịn của xi măng 80

5.1.5 pH của vữa xi măng bùn đỏ và bentonite 81

5.2 Thành phần cấp phối xi măng bùn đỏ và bentonite 83

5.3 Ảnh SEM của mẫu đá xi măng 85

5.3.1 Ảnh SEM của mẫu đá xi măng thông thường 85

5.3.2 Ảnh SEM của mẫu đá xi măng bùn đỏ 87

5.3.3 Nhận xét 89

5.3.4 Kết luận 89

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

6.1 Kết luận 90

6.2 Kiến nghị 91

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO i

PHỤ LỤC v

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG xvii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ASTM American Standards Manual – Sách tra cứu các tiêu chuẩn Mỹ CAH Hydro aluminat canxi

SEM Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét

TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

XMP Xi măng poóc lăng

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thành phần Bauxite 4

Bảng 2.2: Trữ lượng bauxite ở một số quốc gia trên thế giới 6

Bảng 2.3: Thành phần hóa của bùn đỏ 13

Bảng 2.4: Thành phần khoáng của bùn đỏ 13

Bảng 2.5: Thành phần khoáng của bentonite 22

Bảng 2.6: Thành phần hóa học của bentonite 23

Bảng 3.1: Thành phần khoáng của Tro bay 39

Bảng 3.2: Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng hỗn hợp 43

Bảng 4.1: Thành phần khoáng clinker xi măng + 4% thạch cao 46

Bảng 4.2: Thành phần hóa của bùn đỏ 47

Bảng 4.3: Thành phần khoáng của bùn đỏ 48

Bảng 4.4: Thành phần của bentonite 50

Bảng 4.5: Cấp phối hạt của cát mẫu ISO 55

Bảng 4.6: Tuổi mẫu thử độ bền 58

Bảng 5.1: Thành phần vật liệu thí nghiệm 72

Bảng 5.2: Kết quả thí nghiệm cường độ nén Rn và uốn Ru 73

Bảng 5.3: Kết quả đo độ dẻo chuẩn 75

Bảng 5.4: Kết quả đo thời gian đông kết 78

Bảng 5.5: Kết quả đo độ mịn xi măng 80

Bảng 5.6: Kết quả đo pH 82

Bảng 5.7 : Thành phần xi măng bùn đỏ và bentonite 84

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Bauxite dạng khối 3

Hình 2.2: Bauxite dạng hạt 4

Hình 2.3: Các dạng khoáng chính của bauxite 5

Hình 2.4: Bauxite với phần lõi còn mảnh đá mẹ chưa phong hóa 5

Hình 2.5: Phân bố Bauxite một số vùng ở Việt Nam 7

Hình 2.6: Mẫu quặng nguyên khai và quặng tinh Bauxite ở Đăk Nông 8

Hình 2.7: Dự án đầu tư và khai thác bauxite ở một số vùng trong cả nước 9

11

Hình 2.9: Sơ đồ Công nghệ sản xuất Alumin 13

Hình 2.10: Cấu trúc tứ diện SiO4 và bát diện MeO6 20

Hình 2.11: Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT 21

Hình 2.12: Quá trình xâm nhập của cation vào trao đổi cation Na+ trong khoảng giữa hai lớp MMT 22

Hình 3.1: Ảnh vi cấu trúc của CSH sau: (E) 7 ngày; (F) 28 ngày 30

Hình 3.2: Tinh thể Ettringit 31

Hình 4.1: Quy trình nghiên cứu 46

Hình 4.2: Máy trộn vữa 54

Hình 4.3: Khuôn đúc mẫu điển hình 55

Hình 4.4: Bàn dằn vữa điển hình 55

Hình 4.5: Mẫu cát ISO 56

Hình 4.6: Dụng cụ đo độ dẻo tiêu chuẩn và thời gian đông kết xi măng 65

Hình 4.7: Dụng cụ xác định bề mặt riêng 66

Hình 4.8: Dụng cụ xác định khối lượng riêng 66

Hình 4.9: Thiết bị Le Chatelier để xác định độ ổn định thể tích của xi măng 69

Hình 5.1: Biểu đồ so sánh kết quả kiểm tra cường độ nén 75

Hình 5.2: Biểu đồ so sánh kết quả kiểm tra cường độ uốn 75

Hình 5.3: So sánh độ dẻo chuẩn của mẫu vữa 78

Hình 5.4: Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết của mẫu vữa 80

Hình 5.5: So sánh độ mịn xi măng 82

Hình 5.6: So sánh giá trị pH của các mẫu xi măng 83

Hình 5.7: Ảnh SEM của mẫu đá xi măng thông thường 3 ngày tuổi 86

Hình 5.8: Ảnh SEM của mẫu đá xi măng thông thường 28 ngày tuổi 87

Hình 5.9: Ảnh SEM của mẫu đá xi măng bùn đỏ 3 ngày tuổi 88

Hình 5.10: Ảnh SEM của mẫu đá xi măng bùn đỏ 28 ngày tuổi 89

Chương 1: MỞ ĐẦU

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Với sự phát triển không ngừng về kinh tế xã hội và Việt Nam đang ngày càng hội nhập với Thế giới Trong bối cảnh đó, nhiều cơ sở hạ tầng được đầu tư xây dựng để đáp ứng được nhu cầu của xã hội, các công trình xây dựng quy mô cũng mọc lên ngày càng nhiều Vì thế, trình độ về thi công, kết cấu, và kiến trúc cũng đòi hỏi ngày càng cao và trở thành vấn đề bức bách của xã hội Vật liệu xây dựng chất lượng cao đi liền với những đòi hỏi đó Các nghiên cứu khoa học về vật liệu được

áp dụng để góp phần nâng cao chất lượng công trình

Bên cạnh đó, Nước ta là một trong những nước có trữ lượng bauxite tương đối lớn Theo kết quả điều tra của Liên đoàn Bản đồ địa chất miền Nam, trữ lượng quặng bauxite tại các mỏ trên địa bàn Lâm Đồng lên đến 613 triệu tấn, tương đương với gần 1,3 tỷ tấn quặng nguyên khai Tuy nhiên, việc khai thác và chế biến khoáng sản sẽ tạo ra một lượng bùn thải lớn, gọi là bùn đỏ có chứa kiềm dưới dạng ion Và nếu không được tận dụng khai thác hợp lý thì bùn đỏ có thể gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước một cách nghiêm trọng Giải quyết lượng bùn đỏ về mặt môi trường luôn là đối tượng nghiên cứu của nhiều công trình trong và ngoài nước

Khi phân tích thành phần hóa của bùn đỏ có chứa các nguyên tố như: Si, Al,

Fe, Ca, Ti và một số ít các nguyên tố khác như: Na, K, Cr,V, Ni, Ba, Cu, Mn, Pb,

Zn, …Sự dao động về thành phần hóa học của bùn đỏ ở các vùng trên thế giới cũng khác nhau Giá trị của chúng thường nằm trong khoảng sau: Fe2O3: 30-60%; Al2O3: 10-20%; SiO2: 3-50%; Na2O: 2-10%; CaO: 2-8%; TiO2: 0-25%

Trong thành phần hóa của bùn đỏ có các oxit chính cần thiết cho quá trình tạo khoáng trong xi măng nên ta hoàn toàn có thể sử dụng bùn đỏ đồng thời kết hợp với các nguyên liệu có sẵn ở Việt Nam là: đá vôi, diatomie và bentonite để chế tạo một loại xi măng đặc biệt Đây sẽ là hướng nghiên cứu ứng dụng chính của bùn đỏ

và bentonite trong luận văn này

1.2 Ý nghĩa của đề tài

 Tận dụng được nguồn nguyên liệu phế thải qua đó góp phần giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường

 Nâng cao giá trị sử dụng các chất thải

 Tận dụng nguồn khoáng trong bùn đỏ kết hợp với các nguồn nguyên liệu khác như: clinker, bentonite, cao lanh để sản xuất xi măng

 Tạo nguồn nguyên liệu chủ động cho ngành sản xuất xi măng

 Mở ra một hướng nghiên cứu mới cho ngành sản xuất xi măng

1.3 Các mục tiêu của đề tài

 Nghiên cứu kết hợp bùn đỏ và bentonite để cải thiện cường lực xi măng

 Giảm chi phí, giá thành sản xuất xi măng

 Trên tiêu chuẩn chất lượng xi măng poóc lăng hỗn hợp đánh giá xem mẫu xi măng làm thí nghiệm có cường lực như thế nào so với các sản phẩm xi măng thông thường hiện nay

1.4 Các nội dung nghiên cứu

 Tổng quan về bùn đỏ, ảnh hưởng của bùn đỏ đến môi trường và ứng dụng của bùn đỏ trong sản xuất xi măng tại Việt Nam và thế giới

 Khảo sát thành phần, tỉ lệ bentonite/bùn đỏ thêm vào xi măng

 Khảo sát sự thay đổi cường lực của xi măng khi sử dụng phụ gia bùn đỏ và bentonite

 Kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý: cường độ nén, cường độ uốn, thời gian đông kết,

độ ổn định thể tích, độ mịn, hàm lượng anhydric sunfuric (SO3) của mẫu vữa

xi măng khi có sự tham gia của bùn đỏ và bentonite

ra lần đầu tiên năm 1821

Bauxite có màu từ trắng đến đen, chủ yếu là hỗn hợp các hợp chất vô cơ và nhôm hydoxit Loại bauxite thường gặp có màu đỏ

Quặng bauxite có thể tìm thấy dưới dạng thảm (blanket), túi (pocket), lớp (interlayered), và tích tụ (detrital) Thảm bauxite là các lớp liên tục

và bằng phẳng, thường ở gần mặt đất, có bề dày thay đổi từ 1 đến 40 m (trung bình

từ 4 đến 6 m) và có thể rộng hàng cây số Túi bauxite là các túi nằm dưới mặt đất, có chiều sâu thay đổi từ dưới 1 cho đến 30 m, nằm cô lập hoặc liên kết với nhau Lớp bauxite là thảm hoặc túi bauxite bị phủ lấp và ép xuống, cho nên nó

bị nén nhiều hơn thảm hoặc túi bauxite do trọng lượng của lớp đất bên trên Tích tụ bauxite rất hiếm thấy vì được cấu tạo do sự tích tụ của bauxite bị xói mòn từ thảm, túi, hay lớp bauxite ở nơi khác

Hình 2.1: Bauxite dạng khối

Hình 2.2: Bauxite dạng hạt 2.1.1.2 Thành phần của bauxite [13]

Bauxite tồn tại ở 3 dạng chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa bên trong và cấu trúc tinh thể gồm: Gibbsit Al(OH)3, boehmit γ-AlO(OH), và diaspore α-AlO(OH), cùng với các khoáng vật oxit sắt goethit và hematit, các khoáng vật sét kaolinite và đôi khi có mặt cả anatas TiO2

Thành phần hóa học Bauxite có thành phần tương đối phức tạp, nhưng chủ yếu là hỗn hợp các khoáng nhôm hydroxit, thường bị nhiễm bẩn bởi sắt oxit (tạo ra màu đỏ cho quặng) hoặc silic oxit Thành phần hóa học của bauxite dao động giữa 50-63% Al2O3, 12-32 % H2O, 15-25 % Fe2O3, 2-10 % SiO2và 2-5 % TiO2 Hàm lượng nhôm oxit và silic oxit là những yếu tố quyết định chất lượng của quặng bauxite

Bảng 2.1: Thành phần Bauxite

Gibbsit Boehmit Diaspore Thành phần Al(OH)3 α-AlO(OH) γ-AlO(OH) Hàm lượng alumina tối đa (%) 65,4 85,0 85,0

Hệ tinh thể Đơn tà Trực thoi Trực thoi Mật độ (g.cm-3) 2,42 3,01 3,44

Nhiệt độ tách nước (°C) 150 350 450

Gibbsit Boehmit Diaspore

Hình 2.3: Các dạng khoáng chính của bauxite

2.1.1.3 Hình thành và phân bố [34]

Bauxite hình thành trên các loại đá có hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôi trong quá trình phong hóa Quá trình hình thành trải qua các giai đoạn:

 Phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra ôxít nhôm và sắt

 Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước ngầm

 Xói mòn và tái tích tụ bauxite

Loại phong hóa được hình thành do quá trình laterit hóa chỉ diễn ra trong điều kiện nhiệt đới trên nền đá mẹ là các loại đá silicat: Granit, gneiss, bazan, syenite và đá sét

Hình 2.4: Bauxite với phần lõi còn mảnh đá mẹ chưa phong hóa

Khác với quá trình hình thành laterit sắt, sự hình thành bauxite đòi hỏi điều kiện phong hóa mạnh mẽ hơn và điều kiện thủy văn thoát nước rất tốt cho phép hòa tan và rửa trôi kaolinite và hình thành lắng đọng nên gibbsit

Đới giàu hàm lượng nhôm nhất thường nằm ngay dưới lớp mũ sắt Dạng tồn tại chủ yếu của hydroxit nhôm trong bauxite laterit chủ yếu là gibbsit Tại Việt Nam, bauxite Tây Nguyên được hình thành theo phương thức này trên nền đá bazan

Loại trầm tích có chất lượng tốt và có giá trị công nghiệp Loại này được hình thành bằng con đường phong hóa laterit trên nền đá cacbonat như đá vôi và dolomit xen kẽ các lớp kẹp sét tích tụ do phong hóa sót hay do lắng đọng phần khoáng vật sét không tan khi đá vôi bị phong hóa hóa học

Các quặng bauxite phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới, Caribe, Địa Trung Hải và vành đai xung quanh xích đạo, người ta tìm thấy quặng bauxite ở các vùng

lãnh thổ như Úc, Nam và Trung Mỹ (Jamaica, Brazil, Surinam, Venezuela, Guyana), châu Phi (Guinea), châu Á (Ấn Độ, Trung Quốc, Việt Nam), Nga, Kazakhstan và châu Âu (Hy Lạp)

Bảng 2.2: Trữ lượng bauxite ở một số quốc gia trên thế giới

STT Quốc gia Sản lượng (triệu tấn) Trữ lượng

Nguồn: Tổng hợp từ US Geological Survey, Mineral Commodity Summarles

2.1.1.4 Quặng bauxite ở Việt Nam

a Phân bố bauxite ở Việt Nam

Kết quả thăm dò địa chất đã phát hiện trên lãnh thổ Việt nam được đánh giá

là một quốc gia có trữ lượng quặng boxit phong phú ở cả Miền Bắc và Miền NamViệt Nam Tổng trữ lượng quặng boxit của Việt Nam ước tính khoảng 8 tỷ tấn (có khoảng 2,1 tỉ tấn có thể khai thác được),trong đó có 7,6 tỷ tấn ở các tỉnh Tây Nguyên Với trữ lượng như vậy, nước ta đứng trong số các nước có trữ lượng bauxite lớn trên thế giới

Hình 2.5: Phân bố Bauxite một số vùng ở Việt Nam

Việt Nam có hai loại hình quặng bauxite:

 Loại quặng boehmit và diaspore, tập trung chủ yếu ở Miền Bắc Việt Nam, phân bố ở các tỉnh Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Giang Tổng trữ lượng dự đoán khoảng trên 350 triệu tấn, hàm lượng nhôm dao động trong khoảng 39-65% Modul silic (Al2O3/SiO2) bằng 5-8

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

đã được thăm dò và chứng minh ở TâyNguyên và Miền Nam Việt Nam là khoảng 2772 triệu tấn Trong đó cụ thể các khu vực như sau:

 Tài nguyên vùng Đắc Nông - Phước Long khoảng 1570 triệu tấn

 Tài nguyên boxit vùng Lâm Đồng tập trung ở hai tụ khoáng là Tân Rai

- Trữ lượng vùng tụ khoáng Bảo Lộc khoảng 378 triệu tấn

Nói chung, quặng bauxite nguyên khai ở Lâm Đồng đều có chất lượng không cao, hàm lượng Al2O3 chỉ khoảng 35-37% Người ta phải tuyển rửa quặng nguyên khai để thu được tinh quặng giàu nhôm hơn Sau khi tuyển, tinh quặng boxit ở các

 Dự án bauxite Nhân Cơ hay dự án khai thác bauxite Nhân Cơ: Nhà máy khai thác chính đặt tại xã Nhân Cơ, huyện Đăk R'Lấp, tỉnh Đăk Nông, Việt Nam, có trữ lượng 3,4 tỷ tấn, chiếm 63% toàn trữ lượng bauxite ở khu vực Tây Nguyên

 Và còn có rất nhiều dự án nhỏ khác

Hình 2.7: Dự án đầu tư và khai thác bauxite ở một số vùng trong cả nước

c Một số kết quả nghiên cứu công nghệ tuyển quặng bauxit

định vào khoảng 462 triệu tấn

bauxite 2O3 49,21 %, môđun silic 17,4

e Đăk N

tiêu chuẩn nước thải cho phép và

có thể sử dụng làm nước tuần hoàn Để tăng tốc độ lắng có thể dùng các chất trợ lắng PAA với mức chi phí tối ưu 150 ÷ 200 g/t, hoặc hồ tinh bột với mức chi phí

2500 g/t

2.2.2 Tổng quan về bùn đỏ

Có 2 loại bùn màu đỏ liên quan đến khai thác bauxite và sản xuất alumin đó là:

 Loại thứ nhất xuất hiện khi tuyển rửa quặng bauxit nguyên khai (tuyển rửa bằng nước) thành quặng tinh Sản phẩm thải ra có khối lượng tương đương hay nhiều hơn khối lượng quặng tinh, chủ yếu là đất trộn lẫn các hạt quặng bauxite có đường kính nhỏ hơn 1mm Loại bùn đất này tuy cũng có màu đỏ

nhưng thuật ngữ chuyên môn gọi là bùn thải đuôi quặng, không phải bùn đỏ

(Red Mud), và cũng không phải là chất thải công nghiệp hay chất thải độc

hại Vì quá trình tuyển rửa không dùng hóa chất (nhưng rất tốn nước) Thành phần chủ yếu chứa các oxit như SiO2, TiO2, Fe2O3, Al2O3 và lượng nhỏ các

oxit khác

 Loại thứ hai sinh ra trong quá trình sản xuất alumin từ bauxit theo công nghệ

Bayer và có tên là bùn đỏ (Red Mud) Quy trình Bayer có sử dụng xút

(NaOH) nên bùn đỏ là loại chất thải công nghiệp độc hại, gây nhiều tác động xấu đến sức khỏe con người và phải được xử lý, chôn lấp theo quy định chất thải độc hại Độ pH trong loại bùn đỏ đạt đến trị số 13-14, nghĩa là có độ

kiềm cao hơn nước trung tính (pH = 7,0) 1.000.000 (một triệu) lần

Hình 2.9: Sơ đồ Công nghệ sản xuất Alumin 2.2.2.1 Thành phần hóa học của bùn đỏ

Khi phân tích thành phần hóa của bùn đỏ có chứa các nguyên tố như: Si, Al,

Fe, Ca, Ti và một số ít các nguyên tố khác như: Na, K, Cr, V, Ni, Ba, Cu, Mn,

Pb, Zn,… Sự dao động về thành phần hóa học của bùn đỏ ở các vùng trên thế giới

cũng khác nhau Giá trị của chúng thường nằm trong khoảng sau:

Goethite Gibbsite Boehmite Diaspore Calcite Calcium aluminum hydrate

Quartz Rutile Anatase Perovskite Sodium titanium oxide

Fe2O3

Al(OH)3AlO(OH) AlO(OH) CaCO3x.CaO.yAl2O3.zH2O

SiO2TiO2TiO2CaTiO3

Na2TiO3

Kaolinite Sodalites Aluminum silicates Cancrinite Hydroxycancrinite Chantalite

Hydrogarnet

Al2O3.2SiO2.2H2O,

(NaAlSiO4)6.CaCO3(NaAlSiO4)6.NaOH.H2O CaO.Al2O3.SiO2.2H2O

Ca3Al2(SiO4)n(OH)12-4n

2.2.2.3 Thành phần hạt của bùn đỏ

Bùn đỏ là vật liệu có thành phần hạt rất mịn Kích thước hạt dưới 75µm chiếm tới 90% khối lượng Diện tích bề mặt riêng của bùn đỏ khoảng 10m2/g [26]

Các đặc tính như mật độ và diện tích bề mặt của bùn đỏ thay đổi tùy theo nguồn gốc của bùn đỏ Thông thường bùn đỏ ở trạng thái khô có mật độ từ 2,5 – 2,7 g/cm3 [9]

2.2.2.4 Ảnh hưởng của bùn đỏ đến môi trường [26]

Bùn đỏ sinh ra trong quá trình sản xuất oxit nhôm theo phương pháp Bayer chiếm một hàm lượng rất lớn Lượng chất thải này chiếm một diện tích rất lớn so với mặt bằng sản xuất Theo nghiên cứu cứ mỗi năm năm phải tốn 1 km2 để chứa chất thải cho 1 triệu tấn oxit nhôm thành phẩm

Đặc trưng của bùn đỏ là có kích thước nhỏ (nhỏ hơn 1mm) Do đó khi khô, các bải trữ bùn đỏ thường là nguồn phát tán bụi vào không khí gây ô nhiễm, tiếp xúc trực tiếp với bụi này lâu dài sẽ gây nến các bệnh về da, mặt, bệnh phổi silic, …

Nước thải từ bùn đỏ tiếp xúc với da gây 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 …

Trong bùn đỏ chứa một lượng kiềm rất lớn (có pH > 13,5), chính hàm lượng kiềm này gây thoái hoá đất trồng Đặc biệt khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm

là rất cao khi lưu giữ bùn với khối lượng lớn trong thời gian dài

Lượng bùn này phát tán mùi hôi, hơi hoá chất làm ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu

Một nguyên nhân khác là ở Việt Nam có trữ lượng quặng bauxite rất lớn khoảng hơn 3 tỉ tấn phân bố chủ yếu ở Lâm Đồng, Đắc Nông, Đắc Lắc Vì vậy, tiềm năng phát triển các ngành công nghiệp sản xuất các sản phẩm đi từ oxit nhôm

là rất cao nếu giải quyết được vấn đề xử lý chất thải

Trong bùn đỏ chứa một hàm lượng rất cao các oxit nhôm và sắt, vì thế có thể tận dụng bùn đỏ đề làm nguồn nguyên liệu sản xuất các sản phẩm khác mang giá trị kinh tế cao

Từ những nguyên nhân nêu trên, vấn đề xử lý bùn đỏ là cần thiết

2.2.2.5 Xử lý bùn đỏ trên thế giới [7, 10, 25, 28, 35, 37]

Theo phương pháp tồn trữ và thải bỏ: Theo phương pháp này bùn đỏ được

tách để lấy phần rắn Phần rắn này sẽ được dùng để san lấp nền đất hoặc đem thải vào sa mạc (thường sử dụng ở các nước châu Phi) Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là thời gian đóng rắn của bùn đỏ rất chậm và bùn đỏ còn có thể gây sa mạc hóa đất trồng do trong phần rắn bùn đỏ vẫn còn một hàm lượng NaOH

Trung hòa pH để nâng cao giá trị của chất thải: Phương pháp này được

đưa ra bởi công ty Virotec – Úc Theo phương pháp này, bùn đỏ có độ pH rất lớn sẽ được trung hòa bằng cách trộn nước biển Do trong nước biển có chứa nhiều ion

Ca2+ và Mg2+ khi thêm vào bùn đỏ sẽ làm giảm độ pH của bùn đỏ do quá trình tạo thành của các [Mg(OH)6], [Mg3Al2CO3(OH)6.4H2O], [Ca2Al(OH)7.3H2O] và [Ca2Al2(3H2O)] lắng xuống làm giảm độ pH trong bùn đỏ Vấn đề khó khăn nhất của phương pháp này chính là sự điều khiển hàm lượng Ca2+, Mg2+ trong nước để

hiệu quả lắng đạt cao nhất

Dùng làm phụ gia trong công nghệ sản xuất gốm sứ: Do trong bùn đỏ

chứa một lượng oxit sắt rất cao cho nên bùn đỏ được sử dụng làm cải thiện màu sắc của gạch và làm phụ gia trong sản xuất bột màu vô cơ Bùn đỏ còn được dùng như phụ gia giảm nhiệt độ nung Tuy nhiên, phương pháp này chỉ sử dụng một lượng bùn đỏ rất nhỏ nên không giải quyết triệt để được vấn đề

Dùng bùn đỏ làm các lớp phủ bề mặt cường độ cao cho các vật liệu ceramics

và kim loại Lớp phủ được tạo thành bằng cách phun plasma bùn đỏ lên các bề mặt vật liệu cần xử lý một lớp rất mỏng Lớp phủ này có tác dụng làm tăng độ cứng và các tinh chất bề mặt của sản phẩm

Sử dụng bùn đỏ làm nguyên liệu cho việc sản xuất các sản phẩm vật liệu xây dựng như gạch xây dựng, tấm lợp, các loại ximăng đặc biệt… Phương pháp này tận dụng các oxit SiO2, Al2O3 và cả Fe2O3 có trong bùn đỏ và thêm vào đó những thành phần oxit cần thiết như CaO, sau đó được tạo hình và đem nung Tùy theo sản phẩm yêu cầu mà nhiệt độ nung sẽ khác nhau Khi dùng cho sản xuất gạch, nhiệt độ nung trong khoảng từ 1000 – 11000C Còn khi dùng để sản xuất các loại ximăng đặc biệt thì nhiệt độ nung đến 12000C hoặc cao hơn

Sử dụng bùn đỏ để làm các chất keo tụ, lọc nước, theo phương pháp này dùng acid sunfuric để làm giảm pH của bùn đỏ Sau khi trung hòa, phần rắn được tách bằng phương pháp lọc ép hoặc lọc ly tâm Sản phẩm này dùng loại bỏ một phần kim loại nặng trong nước bằng cách tạo gel

Xử lý bùn đỏ theo phương phương pháp geopolymer, theo phương pháp này dựa trên thành phần hóa của bùn đỏ và thêm vào đó những thành phần bổ sung cần thiết

2.2.2.6 Các phương pháp xử lý bùn đỏ ở Việt Nam

- Ở Việt Nam, các nghiên cứu tận thu bùn đỏ ứng dụng trong lĩnh vực môi trường đã được thực hiện điển hình như sau:

 Nghiên cứu sản xuất hỗn hợp chất keo tụ từ bã thải của nhà máy hóa chất Tân Bình: [12]

o Hệ thống thiết bị sản xuất thử nghiệm quy mô 40 tấn/ tháng

o Sản phẩm thu được cho thấy khả năng keo tụ nước thải tốt hơn các loại phèn thương mại

o Tính toán chi phí cho thấy quá trình tận thu bùn đem lại hiệu quả kinh

tế

 Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lọc xúc tác từ bùn thải quặng của quá trình

tuyển rửa quặng bauxite: [5]

o Mẫu bùn đỏ được lấy từ mỏ bauxite Bảo Lộc – Lâm Đồng, được nung

sẽ được thải theo từng ô Khi đầy ô thì dùng công nghệ xử lý hút nước (chủ yếu là nước thải chứa xút) để đưa nước xút này trở lại nhà máy Alumin sử dụng cho công nghệ chế biến Alumin và qua đó cũng làm khô bùn đỏ Sau đó sẽ lấp đất đảm bảo chôn vĩnh viễn nếu như không sử dụng chất thải này [16]

- Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam đang tiếp cận các công nghệ sử dụng bùn đỏ làm nguyên liệu chế biến ra các sản phẩm công nghiệp khác Theo đó, bùn đỏ có thể sẽ được chế biến thành các nguyên - vật liệu

dùng để làm chất phụ gia trong xi măng, vật liệu làm đường giao thông, vật liệu xây dựng [16]

2.2.2.7 Ứng dụng của bùn đỏ trong sản xuất xi măng

Một số nghiên cứu sử dụng bùn đỏ trong lĩnh vực xi măng trên thế giới:

a Sử dụng bùn đỏ để sản xuất một loại xi măng đặc biệt: [30]

Các nhà khoa học Ấn Độ đã có nghiên cứu sử dụng bùn đỏ để chế tạo một số loại xi măng đặc biệt bằng cách sử dụng vôi, bùn đỏ, tro bay, bauxite và thạch cao

Các thành phần cấu tạo của bùn đỏ là những thành phần nguyên liệu thích hợp cho việc chế tạo loại xi măng đặc biệt

Việc chế tạo 3 loại xi măng khác nhau đã được nghiên cứu với thành phần khác nhau là:

 Đá vôi + bùn đỏ + tro bay (C4AF - ß-C2S)

 Đá vôi + bùn đỏ + bauxite (C2F - C3A và C12A7)

 Đá vôi + bùn đỏ + bauxite + thạch cao (C4AS – C4AF)

Có thể điều chế xi măng từ bùn đỏ, bauxite, đá vôi hoặc bùnđỏ, bauxite, thạch cao, đá vôi có cường độ 28 ngày tuổi tương đương với OPC Khi thay thế khoáng bauxite bằng tro bay làm giảm chất lượng của xi măng

Cường độ của mẫu xi măng từ bùn đỏ, bauxite, đá vôi hoặc bùn đỏ, bauxite, thạch cao, đá vôi tăng khi nhiệt độ nung tăng

Cường độ cao (so với OPC) có thể đạt được khi nung xi măng tới nhiệt độ

13000C

Tỉ lệ giữa oxit sắt và oxit nhôm nằm trong khoảng 0,8 – 1,2, với nhiệt độ nung

12500C, trong 1,5 – 2 giờ sẽ cho mẫu xi măng tốt nhất

b Sử dụng bùn đỏ làm nguyên liệu sản xuất clinker xi măng poóc lăng [31]

Sử dụng một phần bùn đỏ làm nguyên liệu thô cho quá trình sản xuất clinker xi măng poóc lăng Nghiên cứu được tiến hành đối với 2 loại vật liệu: một là sử dụng xi măng poóc lăng truyền thống và hai là sử dụng 3,5 % bùn đỏ làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất xi măng

Clinker thu được từ hai mẫu trên sẽ được trộn với thạch cao để tạo thành xi

măng Sau đó sẽ tiến hành tạo mẫu để so sánh về thời gian đóng rắn, khả năng giãn

nở nhiệt, cường độ nén của mẫu

Một phần bùn đỏ có thể sử dụng để thay thế nguyên liệu thô so với quá trình sản xuất xi măng poóc lăng theo phương pháp truyền thống thì chất lượng xi măng tạo thành cũng tương đương Tuy nhiên, do sử dụng một phần nguyên liệu là rác thải của quá trình sản xuất nhôm oxit nên có thể tiết kiệm được nguyên liệu từ đó dẫn tới giảm giá thành cho sản phẩm

c Sử dụng bùn đỏ làm phụ gia cho xi măng poóc lăng [32]

Bùn đỏ được nung ở các khoảng nhiệt độ khác nhau từ 400 – 7000C, sau đó được trộn với xi măng poóc lăng và khảo sát các tính chất của vữa xi măng sau khi đóng rắn Kết quả cho thấy bùn đỏ được nung ở 6000

C cho kết quả tốt nhất

Xi măng được trộn với bùn đỏ được nung ở 6000C sẽ có lượng ion Ca2+ tạo thành trong pha lỏng ít hơn, sử dụng nhiều lượng nước kết hợp hơn và có ít Ca(OH)2 tạo thành trong đá xi măng

2.2.3 Tổng quan về bentonite

2.2.3.1 Khái quát

Hiện nay, nguồn bentonite của nước ta khá phong phú, có thể cho khai thác với trữ lượng 20.000 – 24.000 tấn/năm trong 15 năm Bentonite phân bố ở Cổ Định (Thanh Hoá), Tam Bố, Đa Lé (Lâm Đồng), Nha Mé (Bình Thuận) và Bà Rịa – Vũng Tàu Tuy nhiên, bentonite hiện mới chỉ được Công ty dịch vụ Dầu khí khai thác với quy mô lớn phục vụ cho công nghệ khoan, trong khi đó diện tích đất bạc màu, đất cát, đất thoái hoá cần cải tạo phục vụ cho nông nghiệp của nước ta rất lớn

Trữ lượng quặng bentonite của Việt Nam đã xác định và dự báo khoảng 95 triệu tấn [14] Mỏ sét bentonite thuộc thung lũng Nha Mé (tại xã Phong Phú – huyện Tuy Phong – Tỉnh Bình Thuận, Việt Nam) là mỏ bentonite kiềm duy nhất ở Việt Nam có trữ lượng hàng triệu tấn, thuộc loại lớn trên thế giới hiện nay

Bentonite là loại khoáng sét tự nhiên có thành phần chính là montmorillonite (MMT), nên có thể gọi bentonite theo thành phần chính là MMT Công thức đơn giản nhất của MMT là Al2O3.4SiO2.nH2O ứng với nửa tế bào đơn vị cấu trúc Trong

trường hợp lý tưởng công thức của MMT là Si8Al4O20(OH)4 ứng với một đơn vị cấu trúc

Tuy nhiên thành phần của MMT luôn khác với thành phần biểu diễn lý thuyết do có sự thay thế đồng hình của ion kim loại Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+… với ion

Si4+ trong tứ diện SiO4 và Al3+ trong bát diện AlO6 Như vậy, thành phần hóa học của MMT ngoài sự có mặt của Si và Al còn thấy các nguyên tố khác như Fe, Zn,

Mg, Na, K… trong đó tỷ lệ Al2O3: SiO2 thay đổi từ 1: 2 đến 1: 4

Trên cơ sở cấu trúc tứ diện và bát diện, nếu sét chỉ có lớp tứ diện sắp xếp theo trật tự kế tiếp liên tục thì sẽ hình thành cấu trúc kiểu 1:1, đây là cấu trúc tinh thể kiểu caolinite

Nếu lớp bát diện nhôm oxit bị kẹp giữa hai lớp silic oxit thì khoáng sét đó thuộc cấu trúc 2:1 Sét có cấu trúc 2:1 điển hình là bentonite và vermiculite Montmorillonite là thành phần chính của sét bentonite (60 – 70 %), với hàm lượng lớn montmorillonite nên bentonite được gọi tên theo khoáng vật chính là montmorillonite Ngoài ra vì bentonite tồn tại ở dạng khoáng sét tự nhiên nên trong thành phần khoáng sét bentonite còn chứa nhiều loại khoáng sét khác như saponite, beidellite, mica, các muối, các chất hữu cơ

Cấu trúc tinh thể của MMT được giới thiệu trên hình 1.6 Khi phân ly trong nước MMT dễ dàng trương nở và phân tán thành những hạt nhỏ cỡ micromet và dừng lại ở trạng thái lỏng lẻo với lực hút Van der Waals Chiều dày mỗi lớp cấu trúc của MMT là 9,2 – 9,8 Å Khoảng cách lớp giữa trong trạng thái trương nở

khoảng từ 5 – 12 Å tùy theo cấu trúc tinh thể và trạng thái trương nở

Hình 2.11: Cấu trúc tinh thể 2:1 của MMT [1]

Trong tự nhiên khoáng sét MMT thường có sự thay thế đồng hình của các cation hóa trị II (như Mg2+, Fe2+…) với Al3+

và Al3+ với Si4+ hoặc do khuyết tật trong mạng nên chúng tích điện âm Để trung hòa điện tích của mạng, MMT tiếp nhận các cation từ ngoài Chỉ một phần rất nhỏ các cation này (Na+, K+, Li+…) định

vị ở mặt ngoài của mạng còn phần lớn nằm trong vùng không gian giữa các lớp Trong khoáng MMT các cation này có thể trao đổi với các cation ngoài dung dịch với dung lượng trao đổi cation khác nhau tùy thuộc vào mức độ thay thế đồng hình trong mạng Lực liên kết giữa các cation thay đổi nằm giữa các lớp cấu trúc mạng Các cation này (Na+, K+, Li+,…) có thể chuyển động tự do giữa mặt phẳng tích điện

âm và bằng phản ứng trao đổi ion ta có thể biến tính MMT Lượng trao đổi ion của MMT dao động trong khoảng 70 – 150 mgdl/100g Quá trình trương nở và quá trình xâm nhập những cation khác vào khoảng xen giữa mạng và làm thay đổi khoảng cách giữa chúng biểu diễn trên hình 1.7:

Quá trình xâm nhập cation vào không gian hai lớp MMT làm giãn khoảng cách cơ sở từ 9,6 Å lên vài chục Å tùy thuộc vào loại cation thay thế

Hình 2.12: Quá trình xâm nhập của cation vào trao đổi cation Na + trong khoảng

Bảng 2.6: Thành phần hóa học của bentonite [1, 3]

2.2.3.3 Tính chất của bentonite

Bentonite thể hiện một số tính chất đặc trưng sau: [1, 11]

Tính trương nở: Tính trương nở là khi bentonite hấp thụ hơi nước hay tiếp

xúc với nước, các phân tử nước sẽ xâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này tăng lên từ 12,5 Å đến 20 Å tùy thuộc vào loại bentonite và lượng nước bị hấp thụ Sự tăng khoảng cách d001 được giải thích do sự hydrat hóa của các cation giữa các lớp Sự trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình trong môi trường phân tán Lượng nước được hấp thụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng hydrat hóa của các cation

Khả năng trao đổi ion: Đặc trưng cơ bản của bentonite là trao đổi ion, tính

chất đó là do sự thay thế đồng hình cation Khả năng trao đổi ion phụ thuộc vào lượng điện tích âm bề mặt và số lượng ion trao đổi Nếu số lượng điện tích âm càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi ion càng lớn Nếu biết khối lượng phân tử M và giá trị điện tích lớp của bentonite thì dung lượng trao đổi cation được tính bằng phương trình:

Cấu trúc xốp ảnh hưởng lớn đến tính chất hấp phụ của các chất, đặc trưng của nó là tính chọn lọc chất bị hấp phụ Chỉ có phân tử nào có đường kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào được Dựa vào điều này người ta hoạt hóa sao cho có thể dùng bentonite làm vật liệu tách chất Đây cũng là một điểm khác nhau giữa bentonite và các chất hấp phụ khác

Nhờ khả năng hấp phụ cao, bentonite được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Ngành tiêu thụ chủ yếu loại này là ngành công nghiệp dầu mỏ, sử dụng để xử lý chưng cất dầu mỏ, làm dung dịch khoan trong ngành khoan dầu khí, địa chất, xây dựng, làm keo chống thấm trong các đập nước thủy điện, thủylợi, làm nguyên liệu hấp phụ tẩy rửa, làm chất kết dính trong khuôn đúc hay phụ gia tăng dẻo trong gốm sứ

2.2 Hướng nghiên cứu của đề tài

Nước ta là một trong những nước có trữ lượng bauxite tương đối lớn Do đó, việc khai thác và chế biến khoáng sản sẽ tạo ra một lượng bùn thải lớn Và nếu không được tận dụng khai thác hợp lý thì bùn đỏ có thể gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước một cách nghiêm trọng Giải quyết lượng bùn đỏ về mặt môi trường luôn là đối tượng nghiên cứu của nhiều công trình trong và ngoài nước

Trên thế giới các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng bùn đỏ vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau: Xây dựng và hóa học, môi trường,…

Đối với lĩnh vực xi măng, bùn đỏ đã được nghiên cứu sử dụng làm phụ gia cho xi măng, làm nguyên liệu để thay thế một phần nguyên liệu dùng để sản xuất xi măng poóc lăng, hay là được sử dụng để sản xuất một số loại xi măng đặc biệt

Trong phạm vi của đề tài này, chúng ta sẽ tìm hiểu và ứng dụng bùn đỏ kết hợp bentonite để làm phụ gia cho xi măng Đây là các nguyên liệu rẻ tiền và dễ khai thác, có thể nâng cao giá trị sử dụng của các khoáng quặng ở Việt Nam, đồng thời giảm thiểu tác hại chất thải ra môi trường

Vì vậy việc nghiên cứu thành công đề tài này sẽ góp phần giải quyết một phần về vấn đề môi trường do tác hại của bùn đỏ gây ra

Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Khái quát về xi măng poóc lăng (XMP) [8]

3.1.1 Khái niệm

Xi măng poóc lăng thông dụng mà ta thường gọi là xi măng OPC, là bột vô

cơ có tính kết dính thủy lực, sản phẩm nghiền mịn của hỗn hợp clinker XMP và phụ gia thạch cao 3 – 5 % khối lượng clinker

Xi măng poóc lăng hỗn hợp (PCB), là loại xi măng được nghiền chung ba thành phần gồm 61 – 81% clinker, 35 – 15% phụ gia đơn khoáng hoặc đa khoáng và

4 – 5% thạch cao

3.1.2 Thành phần hóa của xi măng poóc lăng

Thành phần hóa học chủ yếu của phối liệu gồm 4 oxit chính: CaO chủ yếu là

do đá vôi cung cấp; SiO2, Al2O3, Fe2O3 do đất sét cung cấp

Các oxit trên khi nung đến nhiệt độ phối liệu đạt 14500

C chúng phản ứng với nhau tạo thành các khoáng chính trong clinker: C3S, C2S, C3A, C4AF Những tạp chất và một lượng nhỏ CaO tự do, MgO không phản ứng hoặc nằm ở dạng tự do hoặc phân tán, hòa tan trong pha lỏng khi làm lạnh thì pha lỏng chuyển pha thành pha thủy tinh Trong trường hợp clinker chứa nhiều CaO và SiO2 tự do chủ yếu do khống chế quy trình nung chưa tốt, chưa đủ nhiệt độ kết khối, chưa tạo điều kiện để phản ứng triệt để ở pha rắn và phản ứng khi có mặt pha lỏng Các oxit chính CaO, SiO2, Al2O3, và Fe2O3 chiếm 95 – 97 % còn lại 3 – 5 % là các oxit và các tạp chất khác nằm trong phối liệu

Thành phần của clinker thường nằm trong giới hạn: CaO: 63 – 67%, SiO2: 21 – 24%, Al2O3: 4 – 7%, Fe2O3: 2,5 – 4%

Các oxit tạp chất trong giới hạn: MgO ≤ 5%, TiO2 ≤ 0,3%, Mn2O3 < 5%,

R2O <1,5%, P2O5 tùy nguyên liệu có hoặc không có

Những oxit trong clinker đều ảnh hưởng đến thành phần khoáng của clinker và tính chất sử dụng của XMP

3.1.3 Thành phần khoáng của xi măng poóc lăng

Silicat tricanxi: 3CaO.SiO2 (C3S) còn gọi là alit, C3S chiếm 40 – 60% trọng lượng clinker C3S là thành phần chính, quyết định cường độ và các tính chất khác của xi măng Nó có đặc trưng là tốc độ rắn chắc nhanh, cường độ cao, tỏa nhiệt tương đối lớn Khi hàm lượng C3S tăng thì chất lượng xi măng càng tốt C3S kết tinh có dạng hình lăng trụ 6 cạnh hoặc hình khối chữ nhật

Silicat dicanxi: 2CaO.SiO2 (C2S) còn gọi là belit chiếm 15 – 35% trọng lượng clinker

C2S có cường độ trung bình, rắn chắc chậm, nhiệt thủy hóa nhỏ Thời gian bắt đầu và kết thúc đóng rắn chậm nhưng càng về sau tốc độ rắn chắc càng nhanh

và cường độ càng cao Nó có vai trò quyết định cường độ của xi măng trong thời gian trở về sau Khi hàm lượng C2S tăng thì cường độ của xi măng cao nhưng tốc

độ rắn chắc của xi măng chậm làm kéo theo thời gian thi công C2S kết tinh ở dạng hình cầu

Aluminat tricanxi: 3CaO.Al2O3 (C3A), chiếm 4 – 14% trọng lượng clinker

C3A quyết định thời gian ninh kết rắn chắc của xi măng Nó có đặc điểm là rắn chắc rất nhanh nhưng cường độ rất thấp, nhiệt thủy hóa lớn và dễ bị ăn mòn Do đó, khi hàm lượng C3A tăng thì xi măng đóng rắn nhanh nhưng cường độ thấp, dễ gây ứng suất nhiệt và bị ăn mòn sulfat C3A kết tinh ở dạng hình khối lập phương

Fero aluminat tetracanxit: 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF), 10 – 18% trọng lượng clinker C4AF không được coi là hợp chất hóa học riêng biệt mà là dãy dung dịch rắn liên tục giữa C2F và C2A Trong đó, các ion Fe3+ được Al3+

thay thế tạo dãy dung dịch rắn liên tục Rất dễ phản ứng với nước, nhưng không có tính thủy lực rõ ràng Tốc độ rắn chắc, cường độ, nhiệt thủy hóa và khả năng chống ăn mòn trung bình giữa alit và belit Ngoài ra còn có nhiều thành phần phụ như C5A3, C2F, CaO

và MgO tự do

CaO và MgO tự do: Tinh thể CaO tự do kết tinh dạng tròn CaO tồn tại do

sai số công nghệ, nghiền không mịn, nhiệt độ nung, tốc độ làm nguội không đủ nhanh