Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

0 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Bùi Thị Huế NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG
ĐẾN QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH HÓA RẮN BÙN ĐỎ SẢN XUẤT
VẬT LIỆU XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG
ĐẾN QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH HÓA RẮN BÙN ĐỎ SẢN XUẤT
VẬT LIỆU XÂY DỰNG Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số: 60 85 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN MẠNH KHẢI

Hà Nội - 2013
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

2


3

Chƣơng 2 – Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu 36
2.1. Đối tượng nghiên cứu 36
2.2. Phương pháp nghiên cứu 37
2.2.1. Phương pháp sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng 37
2.2.2. Phương pháp ngâm chiết xác định độc tính của vật liệu 40
2.2.2.1. Xác định dung môi chiết 41
2.2.2.2. Quy trình chiết 42
2.2.2.3. Xác định hàm lượng kim loại nặng 42
2.2.3. Phương pháp xác định thành phần khoáng vật của vật liệu 43
2.2.4. Phương pháp thử nghiệm vật lý 43
2.2.5. Phương pháp xác định độ co ngót của gạch nung 44
2.2.6. Phương pháp phân tích đánh giá tổng hợp 44
2.2.7. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 44
Chƣơng 3 – Kết quả và thảo luận 45
3.1. Bùn đỏ Tây Nguyên và các vấn đề môi trường 45
3.1.1. Đặc điểm của bauxite khu vực Tây Nguyên 45
3.1.2. Thành phần tính chất bùn đỏ và các vấn đề môi trường 46
3.1.2.1. Hàm lượng các oxit 47
3.1.2.2. Các nguyên tố phóng xạ 48
3.1.2.3. Thành phần kim loại nặng trong mẫu bùn đỏ 50
3.1.2.4. Thành phần cơ giới của mẫu bùn đỏ 51
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình ổn định hóa rắn 51
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc của vật liệu 54
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dịch chiết mẫu 56
3.2.2.1. Kết quả xác định dung môi chiết 56
3.2.2.2. Giá trị pH của dịch chiết mẫu 57
3.2.2.3. Kết quả đo kim loại nặng dịch chiết mẫu 59

37
Hình 3.1. Ủ vật liệu
52
Hình 3.2. Hình dạng gạch 50 x 50 x 10
52
Hình 3.3. Cho vật liệu vào dung môi chiết
52
Hình 3.4. Chiết dịch
52
Hình 3.5. Thao tác định hình gạch
53
Hình 3.6. Hình dạng của gạch 230 x 110 x 63
55
Hình 3.7. Biểu đồ biến đổi thành phần khoáng theo nhiệt độ
52
Hình 3.8. Sự thay đổi pH dịch lắc trước và sau khi thêm axit HCl
57
Hình 3.9. Sự phụ thuộc pH của dịch chiết mẫu vào nhiệt độ nung mẫu
58
Hình 3.10. Biến thiên nồng độ kim loại nặng trong dịch chiết theo nhiệt độ
nung
57
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co ngót của vật liệu

62 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

6

Bảng 3.3. Đồng vị phóng xạ và hàm lượng của U, Th, K trong các mẫu
quặng bauxite
48
Bảng 3.4. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên
trong mẫu bùn đỏ
49
Bảng 3.5. Hàm lượng U, Th, K trong các mẫu và liều hiệu dụng năm do
phông bức xạ gamma gây ra
49
Bảng 3.6. Hàm kim loại nặng trong bùn đỏ
50
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

7

Bảng 3.7. Thành phần cơ giới mẫu bùn đỏ
51
Bảng 3.8. Kết quả phân tích XRD cho gạch nung ở các nhiệt độ khác nhau
54
Bảng 3.9. pH của mẫu khi lắc với nước cất
56
Bảng 3.10. pH của dịch chiết sau 3 bậc chiết
58
Bảng 3.11. Kết quả phân tích kim loại nặng của mẫu
60
Bảng 3.12. Độ co ngót của gạch nung
61
Bảng 3.13. Kết quả phân tích các đặc tính vật lý của gạch
63
Bảng 3.14. Cường độ uốn và nén cho gạch đất sét nung

giữ bùn với khối lượng lớn trong thời gian dài. Lượng bùn này phát tán mùi hôi, hơi
hóa chất gây ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu.
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

9

Một số thành phần hóa học chính trong bùn đỏ: Fe
2
O
3
, Al
2
O
3
, SiO
2
và TiO
2
,
Na
2
O, K
2
O, CaO và một số nguyên tố kim loại có giá trị như: V, Ga Bên cạnh
đó, bùn đỏ còn chứa một số nguyên tố phóng xạ, kim loại nặng, các chất thải nguy
hại, oxalate gây tác động xấu cho sức khỏe con người và môi trường [8].
Trước kia, để lưu trữ bùn đỏ, hầu hết các nhà máy sản xuất alumin đều chứa
bùn đỏ trong các ao mở để cho nước bay hơi và chiết xuất kiềm. Phải mất vài năm,
quá trình tự nhiên này mới kết thúc và khi đó bùn khô còn lại sẽ được chôn cất hoặc
trộn với đất. Tuy nhiên, sau sự cố vỡ bể chứa bùn đỏ của một nhà máy sản xuất

) [51].
Bauxite là một loại quặng nhôm trầm tích có màu hồng hoặc nâu, được hình
thành trên các đá chứa hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôi trong quá trình phong
hóa nhưng giàu nhôm hoặc nhôm được tích tụ từ các quặng có trước do quá trình
xói mòn. Quặng bauxite phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo, đặc
biệt trong môi trường nhiệt đới. Bauxite được xem là nguyên liệu chính để sản xuất
alumin.
1.1.2. Quá trình hình thành bauxite
Quá trình hình thành bauxite trải qua các giai đoạn [51]:
- Phong hóa đá và nước thấm lọc vào trong đá tạo nên các oxit nhôm và oxit
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.
Quá trình này lại chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như: đá mẹ chứa các
khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và sắt, độ hổng của đá cho phép nước
thấm qua, ở nơi có lượng mưa cao xen kẽ các đợt khô hạn ngắn, hệ thống thoát
nước tốt, khí hậu nhiệt đới ẩm, có mặt lớp phủ thực vật và vi khuẩn. Theo một mô
hình mô phỏng quá trình này thì giá trị pH thích hợp đạt khoảng 3,5 - 4,0.
1.1.3. Thành phần khoáng vật của bauxite
Bauxite tồn tại ở 3 dạng cấu trúc chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước
chứa trong nó và cấu trúc tinh thể gồm: gibbsite Al(OH)
3
, boehmite γ-AlO(OH) và
diaspore α-AlO(OH):
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

11

- Gibbsite có hàm lượng alumin tối đa là 65,4%
- Boehmite và diaspore cả hai đều có hàm lượng alumin tối đa là 85%.

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

12

Bảng 1.2. Trữ lƣợng và khai thác bauxite ở trên thế giới [22]
TT
Nƣớc
Trữ
lƣợng cơ
sở (tỷ tấn)
Trữ lƣợng
(tỷ tấn)
Sản lƣợng khai thác (triệu tấn)
1992
1993
2006
2007
2008
1
Guinea
8,6
7,4
13,773
14
14,5
18
18
2
Australia
7,9

21
24,8
25
6
Trung Quốc
2,3
0,7
-
-
21
30
32
7
Ấn Độ
1,4
0,77
4,475
5,4
12,7
19,2
2
8
Guyana
0,9
0,7
2,3
2
1,4
1,6
1,6

0,32
1,052
1
5,5
5,9
5,900
13
Nga
0,25
0,2
-
-
6,6
6,4
6,4
14
Mỹ
0,04
0,02
-
-
-
-
-
15
Các nước khác
3,8
3,2
14,623
11,38

9,350
12,600
13,500
2
Nga
3,720
3,960
4,200
3
Canada
3,050
3,090
3,100
4
Mỹ
2,284
2,554
2,640
5
Australia
1,930
1,960
1,960
6
Brazil
1,498
1,660
1,660
7
Na Uy

0,564
0,564
0,550
14
Germany
0,537
0,555
0,590
15
Tajikistan
0,414
0,419
0,420
16
Iceland
0,320
0,398
0,790
17
Các nước khác
4,510
4,460
4,700

Toàn cầu
33,700
38,000
39,700
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

15

bauxite này đạt 357,205 triệu tấn, trong đó trữ lượng chung ở các nhóm mỏ Lạng
Sơn và Cao Bằng (tính đến năm 1969) được 36,4 triệu tấn (chiếm 10,2% tổng trữ
lượng và tài nguyên) và đã đưa ra nhận định "Bauxit đang trở thành một khoáng sản
lớn ở nước ta" .
Quặng bauxite ở miền Bắc Việt Nam chủ yếu là loại bauxite trầm tích có tuổi
Permi muộn nằm trên mặt bào mòn của đá vôi Carbon - Permi, rất ít mỏ nằm trên
mặt bào mòn đá vôi tuổi Devon. Thành phần khoáng vật quặng bauxite trầm tích
chủ yếu là boehmite và diaspore. Ở miền Bắc Việt Nam cũng có một số ít quặng
bauxite laterite trong vỏ phong hóa các đá bazan tuổi Pliocen - Pleistocen nhưng tài
nguyên nhỏ, không có giá trị công nghiệp. Từ năm 1975 đến nay công tác điều tra,
thăm dò bauxite ở Việt Nam đã đưa lại những kết quả mới với những dự báo đến
"chóng mặt", chủ yếu liên quan đến loại bauxite laterite trong các vỏ phong hóa các
đá bazan tuổi Neogen và Pliocen - Pleistocen ở miền Nam Việt Nam [6]:
 1995: 5,4 tỷ tấn quặng nguyên khai,
 2000 - 2005: 6,75 tỷ tấn quặng nguyên khai,
 2007: 5,4 tỷ tấn quặng nguyên khai (2,298 tỷ tấn quặng tinh),
 2009: 6,75 tỷ tấn quặng nguyên khai (1,62 tỷ tấn quặng tinh),
 2010: 6,91 tỷ tấn quặng nguyên khai (3,088 tỷ tấn quặng tinh),
 Và 2011: 11 tỷ tấn quặng nguyên khai.
Gần đây (năm 2011), kết quả thống kê chuyển đổi trữ lượng và tài nguyên
bauxite laterite về "mặt bằng cấp trữ lượng và tài nguyên" theo quy định về thăm
dò, phân cấp trữ lượng và tài nguyên bauxite cho thấy tổng trữ lượng và tài nguyên
bauxite laterite của 23 mỏ ở Tây Nguyên được 2,522 tỷ tấn quặng tinh (+1mm),
giảm 566 triệu tấn quặng tinh (18,3%) so với dự kiến.
Trữ lượng quặng tinh có thể huy động vào nghiên cứu khả thi khai thác đạt
314,159 triệu tấn (15,64% so với tổng tài nguyên tinh quặng). Trữ lượng đã được

tấn)
Trữ
lượng
Tài
nguyên
Tổng
1
1-5
123
Đã
97,3
36,3
133,6
283,7
2
Gia Nghĩa
117,5
Đã
95,7
44
139,7
308,5
3
Tân Rai
70
Đã
37,7
79
116,7
236

52,7
117,1
7
Bắc Gia Nghĩa
142,5
Đang

189,7
189,7
462,6
8
Đắk Song
228
Đang

326,2
326,2
795,5
9
Gia nghĩa 2
205,5
Đang

253,4
253,4
618,1
10
Đông Bắc và
Tây Nam 1-5
174,6

162
162
306,1
14
Thống Nhất
341,3
Đang

291
291
582
15
Thọ Sơn
158,9
Đang

116,1
116,1
232
16
Quảng Sơn
83,6
Đang

115,4
115,4
281,5
17
Tuy Đức
240

Tổng cộng
2488,4
3088,5
6917,6

Như vậy, về tổng thể tiềm năng tài nguyên bauxite nói chung và bauxite
laterite ở Việt Nam là lớn, nhưng với những dẫn liệu nêu trên có thể thấy những số
liệu về tài nguyên bauxite ở Việt Nam rất cần được tổng hợp lại, cập nhật kịp thời
và cần đồng bộ hóa dữ liệu, đưa về một mặt bằng tin cậy để sử dụng cho nhiều mục
đích phát triển kinh tế - xã hội [21, 52].
1.2. Công nghệ sản xuất alumin
1.2.1. Công nghệ làm giàu và chế biến quặng bauxite
Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng nhiều loại quặng để sản xuất alumin,
nhưng loại quặng chiếm trữ lượng lớn và được sử dụng nhiều nhất là bauxite.
Khoảng 85% alumin của thế giới được sản xuất từ quặng bauxite và sản xuất ở
nhiều nước trên thế giới; khoảng 10% được sản xuất từ quặng nepheline và alunite
chủ yếu ở Nga, Canada, Mỹ; khoảng 5% từ các nguyên liệu khác tập trung ở Nga,
Mỹ, Nhật Bản
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

18

- Đập, nghiền kết hợp sàng ướt (phổ biến hơn)
Gốm, sứ
Nhôm kim loại
Các hydroxit
nhôm
Alumin
hoạt tính
Alumin đã
nung
Vật liệu chịu lửa
Vật liệu mài, đánh bóng
Sản xuất alumin
Công nghệ Bayer
Alumin cấp luyện kim
Alumin đặc biệt
Bauxite
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

19

Bằng phương pháp tuyển rửa, phần lớn SiO
2
trong hạt mịn được loại bỏ theo
quặng đuôi. Ngoài ra, một số bauxite có hàm lượng sắt cao và có từ tính (như
bauxite laterite ở vùng thềm lục địa Đông Ấn Độ), người ta dùng phương pháp
tuyển ướt với từ trường mạnh.
1.2.2. Công nghệ sản xuất alumin
Quá trình sản xuất alumin thực chất là quá trình làm giàu Al
2
O

CO
3
+ CaCO
3
trong lò ống quay ở nhiệt độ 1200
o
C để thực hiện các phản ứng
sau:
Al
2
O
3
+ Na
2
CO
3
= 2 NaAlO
2
+ CO
2

SiO
2
+ 2 CaCO
3
= 2CaO.SiO
2
+ 2CO
2



Hình 1.2. Công nghệ Bayer chế biến alumin từ bauxite [49]
Công nghệ Bayer là công nghệ sản xuất alumin từ quặng bauxite bằng phương
pháp kiềm hoá (phương pháp thuỷ luyện) với hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao và là
công nghệ chính để sản xuất alumin. Công nghệ này đòi hỏi nguồn nguyên liệu
bauxite có chất lượng tốt và đặc biệt là cho bauxite có hàm lượng silic thấp. Hiện
nay và dự báo trong tương lai khoảng 95% alumin trên thế giới vẫn được sản xuất
bằng công nghệ này [46]. Công nghệ Bayer được dựa trên cơ sở của phản ứng thuận
nghịch sau:

NaOH
Mầm kết tủa
Huyền phù
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

21 Al(OH)
3
+ NaOH NaAlO
2
+ 2H
2
O

Để hòa tan được quặng, dung dịch cần đảm bảo điều kiện (nồng độ NaOH,
nhiệt độ, áp suất) tùy theo đặc điểm của từng loại quặng. Nếu quặng chứa chủ yếu
là gibbsite thì nhiệt độ cần có là 140
o

0
C
Gibbsite rắn

NaOH
Bauxite
Hòa tan
Nước
c
Phần rắn
Rửa
Sấy khô
Bùn đỏ khô
Lọc
Loại bỏ SilicKết tủa Al(OH)
3

Dung dịch NaAlO
2
Al(OH)
3
CO
2
Mầm kết
tủa
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường


Bảng 1.5. Tiêu hao kiềm và bauxite cho sản xuất alumin [22]
Loại
Chất lượng
Tiêu hao bauxite
(t/t Al
2
O
3
)
Tiêu hao kiềm
(kg NaOH/t Al
2
O
3
)
I
II
III
Tốt
Trung bình
Kém
< 2,2
2,2 - 2,9
> 2,9
< 40
40 - 80
>80

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

3
của bauxite ở dạng boehmit và diaspore
(monohydrate Al
2
O
3
.H
2
O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 200
0
C (240 - 250
0
C
trong các nhà máy hiện đại và có chất xúc tác đối với quặng diaspore) và trong dung
dịch hòa tách có nồng độ kiềm cao hơn (180 – 250 g/l Na
2
O). Công nghệ này đang
được áp dụng trong các nhà máy alumin của Nga, Iran, Bình Qủa (Trung Quốc) để
xử lý quặng bauxite diaspore; nhà máy alumin ở Hungary, Nam Tư, một vài nhà
máy ở Úc xử lý quặng bauxite boehmite và sẽ được áp dụng cho nhà máy alumin
xử lý quặng bauxite diaspore ở miền Bắc Việt Nam (Ma Mèo, Táp Ná ).
1.2.3. Công nghệ sản xuất nhôm khu vực Tây Nguyên
Các đề tài nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước về mẫu bauxite mỏ Tân
Rai, mẫu bauxite mỏ ―1 - 5‖ … được thực hiện: Viện Nghiên cứu Trịnh Châu -
Chalco (Trung Quốc) thực hiện với mẫu mỏ ―1 - 5‖ còn mẫu mỏ Tân Rai được
nghiên cứu ở Tập đoàn luyện kim Vân Nam – Trung Quốc đều khẳng định hoà tách
bauxite ở 140 – 145
o
C có nhiều ưu việt hơn ở 105 – 107
o

tách khoáng vật gibbsite Al(OH)
3
thành NaAlO
2
hòa tan trong dung dịch. Hệ thống
thiết bị hòa tách gồm 5 thiết bị nối tiếp nhau, trong đó hai thiết bị đầu nhận trực tiếp
hơi nước có áp suất 7 atm từ nhà máy cấp hơi để đảm bảo nhiệt độ chung của toàn
bộ hệ thống hòa tách đạt 145
o
C. Dòng huyền phù từ thiết bị hòa tách có nhiệt độ
140
o
C và áp suất 5 atm sẽ được hạ áp suất tại thiết bị xả hơi và bồn xả áp. Huyền
phù sau khi hòa tách và hạ áp sẽ được hòa loãng và chuyển tới thiết bị tách cát. Tại
thiết bị tách cát, các hạt chất rắn có kích thước lớn hơn 100 µm sẽ được tách ra bằng
hệ thống hydrocyclon, rửa bằng nước nóng để thu hồi xút, sau đó đổ ra bãi thải.
Dòng dung dịch chứa aluminate sẽ tiếp tục chuyển vào thiết bị lắng để tách bùn đỏ.
Quá trình lắng của bùn đỏ sẽ được thực hiện trong thiết bị lắng dưới tác động của
trọng lực và chất trợ lắng. Dòng bùn đỏ thu từ đáy các thiết bị lắng được chuyển
sang hệ thống 6 thiết bị rửa bùn với dòng nước rửa ngược chiều để thu hồi lại xút và
aluminate. Bùn đỏ dưới dạng huyền phù có nồng độ chất rắn 47% được bơm ra bãi
chứa bùn đỏ để chôn lấp. Dung dịch aluminate sau khi ra khỏi thiết bị lắng lọc tinh
và hạ nhiệt chuyển vào thiết bị tạo mầm và thiết bị kết tinh Al - hydrate (dung dịch
cấp cho thiết bị tạo mầm cần hạ nhiệt đến nhiệt độ ~76
o
C và dung dịch cấp cho thiết
bị kết tinh cần hạ nhiệt đến nhiệt độ ~63
o
C).