nghiên cứu một số tính chất hóa lý về hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ

1
MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài:
Ô nhiễm nước trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đang là
một vấn đề nhức nhối hiện nay bởi những tác hại to lớn của chúng đến chất
lượng môi trường và sức khỏe con người trên toàn thế giới. Đặc biệt từ khi
cuộc cách mạng khoa học công nghệ ra đời một mặt năng suất lao động
nâng cao một cách đáng kể, nhưng đồng thời kèm theo đó là mức độ tàn
phá môi trường sống của chính chúng ta ngày càng đáng sợ và nghiêm
trọng hơn. Nước thải công nghiệp kèm theo các chất độc hại như kim loại
nặng đang là mối nguy hiểm đối với môi trường cũng như chất lượng cuộc
sống của người dân.
Ở Việt Nam, ô nhiễm môi trường nước cũng đang ở mức báo động. TP.
Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Vinh, Hà Nội, Hải Phòng và các thành phố lớn là
những nơi dẫn đầu về mức độ ô nhiễm: Ô nhiễm hữu cơ, ô nhiễm vô cơ, ô
nhiễm kim loại nặng. Đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng đang là vấn đề báo
động ở các khu công nghiệp, các cơ sở sản xuất.
Hiện nay các nhà khoa học trong và ngoài nước đang nỗ lực nghiên
cứu các phương pháp khác nhau để loại bỏ kim loại nặng trong nước đến
mức chấp nhận được đồng thời cũng đảm bảo tính hiệu quả về mặt kinh tế.
Ngoài các phương pháp vật lý, hóa học cũng như sinh học đã và đang dùng
hoặc đang được nghiên cứu để đưa vào ứng dụng thì việc nghiên cứu sử
dụng các vật liệu, chất liệu là vấn đề cần thiết cho bất cứ một ngành nghề
nào. Đặc biệt sử dụng các vật liệu tự nhiên, tái sử dụng các phế thải thân
thiện với môi trường luôn được đặt lên hàng đầu nhằm không gây tổn hại
tới môi trường, đảm bảo cho sự phát triển bền vững mà vẫn đem lại hiệu
quả cao khi sử dụng.

2
Kim loại nặng có vai trò thật sự to lớn trong quá trình phát triển của loài

người, đặc biệt trong các ngành công nghiệp. Tuy nhiên chất thải có chứa
kim loại nặng ở trạng thái ion (kim loại nặng tồn tại trong nước, đất…) thì nó
lại cực kỳ độc hại với con người, thực vật, động vật nếu nó thâm nhập vào cơ
thể. Tích lũy với nồng độ cao kim loại nặng có thể gây ung thư cho con
người, động vật, còn thực vật không phát triển được…
Hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp tối
ưu nhất để loại bỏ ion kim loại nặng ra khỏi môi trường bị ô nhiễm. Trong
phạm vi của đề tài, chúng tôi chỉ nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng ra khỏi
môi trường nước.
Đề tài nghiên cứu sự hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ nhằm
tìm thêm một phương pháp mới có thể loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi
trường bị ô nhiễm kim loại nặng.
Hiện nay nguyên liệu bùn đỏ có rất nhiều. Bùn đỏ là chất thải ra trong
tiến trình tinh luyện từ bauxit đến alumina. Nếu nghiên cứu thành công khả
năng hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ đối với ion kim loại nặng sẽ
mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn, tận dụng và xử lý được nguồn phế thải
trong công nghiệp. Đây là một nét mới của đề tài, những đề tài tương tự đã
có trên thế giới, nhưng chưa được công bố ở nước ta. Chính vì thế chúng tôi
chọn đề tài: “Nghiên cứu một số tính chất hóa lý về hấp phụ của hạt hấp
phụ chế tạo từ bùn đỏ”.
2. Mục đích nghiên cứu
 Nghiên cứu một số tính chất hóa lí cơ bản để từ đó xác định các thông
số hóa lí phục vụ cho công nghệ chế tạo vật liệu xử lý môi trường.
 Tạo ra một vật liệu mới giá thành thấp đáp ứng được nhu cầu xử lí môi
trường ngày càng tăng.


3
3. Đối tượng nghiên cứu:
 Chất hấp phụ: Hạt chế tạo từ bùn đỏ

 Chất bị hấp phụ: Dung dịch chứa các ion kim loại nặng.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu:
 Nghiên cứu tạo hạt hấp phụ từ bùn đỏ
 Nghiên cứu nhiệt động học quá trình hấp phụ của hạt hấp phụ chế tạo
từ bùn đỏ với các ion kim loại nặng.
5. Phương pháp nghiên cứu:
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
- Nghiên cứu cấu trúc và đặc điểm của các mẫu
- Nghiên cứu lý thuyết hấp phụ
- Nghiên cứu lý thuyết về điểm điện tích không
- Nghiên cứu phương pháp xử lý và phân tích kết quả thí nghiệm.
 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Thu thập xử lý mẫu
- Tiến hành phân tích cấu trúc các mẫu bằng phương pháp XRD, XRF.
- Chuẩn bị các dung dịch chứa ion kim loại với nồng độ khác nhau.
- Tiến hành thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại
bằng các mẫu theo nồng độ, thời gian, nhiệt độ, theo pH dung
dịch, tỷ lệ vật liệu hấp phụ, v.v và đo nồng độ bẵng phương pháp
AAS.
- Đo điểm điện tích không của các mẫu thí nghiệm
 Nghiên cứu tính chất đẳng điện
 Nghiên cứu tích chất nhiệt động học của các quá trình hấp phụ phụ
thuộc theo nồng độ.
 Tìm phương pháp chế tạo ra một số dạng hạt vật liệu để ứng dụng
thực tế.

4
6. Giả thuyết khoa học.
- Dựa vào thành phần cơ bản của bùn đỏ có hàm lượng Al
2

O
3
= 15-
25%; Fe
2
O
3
= 17,1-22,3% gần giống với đá Bazan (Các nghiên cứu gần đây
đã cho kết quả đá Bazan có khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại nặng trong
nước thải).
- Dựa vào những báo cáo khoa học về khả năng hấp phụ ion kim loại
nặng của hạt chế tạo từ bùn đỏ [ 12, 14, 61 ].
Vì vậy chúng tôi sẽ đi sâu nghiên cứu các tính chất hóa lý cơ bản về hấp
phụ của hạt hấp phụ chế tạo từ bùn đỏ.

5
NỘI DUNG
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I.1 Tổng quan về Bauxite [ 5 ]
Bauxit (hay Bô xít) là một loại quặng nhôm trầm tích có màu hồng, nâu
được hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàu nhôm hoặc tích tụ từ các
quặng có trước bởi quá trình xói mòn. Quặng bauxite phân bố chủ yếu trong
vành đai xung quanh xích đạo đặc biệt trong môi trường nhiệt đới. Từ
bauxite có thể tách ra alumina (Al
2
0
3
), nguyên liệu chính để
luyện nhôm trong các lò điện phân, chiếm 95% lượng bauxite được khai thác
trên thế giới. Tên gọi của loại quặng nhôm này được đặt theo tên gọi làng
Les Baux-de-Provence ở miền nam nước Pháp, tại đây nó được nhà địa chất
học là Pierre Berthier phát hiện ra lần đầu tiên năm 1821.
I.2 Quá trình hình thành và phân bố.
I.2.1 Hình thành
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.
Quá trình này chịu ảnh hưởng của một vài yếu tố chính như:
+ Đá mẹ chứa các khoáng vật dễ hòa tan và các khoáng vật này bị rửa
trôi chỉ để lại nhôm và sắt
+ Độ lổ hổng có hiệu của đá cho phép nước thấm qua
+ Có lượng mưa cao xen kẽ các đợt khô hạn ngắn

+ Hệ thống thoát nước tốt

6
+ Khí hậu nhiệt đới ẩm
+ Có mặt lớp phủ thực vật với vi khuẩn.
I.2.2 Phân bố [5]
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).
* Từ nguồn gốc hình thành dẫn đến việc thành tạo hai loại mỏ bauxit:
- 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. 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 bauxit
laterit chủ yếu là gibbsit. Tại Việt Nam, bauxit 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 đolomit 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.
Thân quặng bauxite tồn tại ở 4 dạng: lớp phủ, túi, xen kẹp và mảnh vụn:
 Các dạng lớp phủ lớn xuất hiện ở tây Phi, Úc, Nam Mỹ và Ấn Độ, bao
gồm các lớp bằng phẳng nằm gần bề mặt và có thể trải dài hàng km.
Chiều dày có thể thay đổi từ ít hơn một mét đến 40m, trong các trường
hợp chấp nhận được thì bề dày trung bình khoảng 4-6m.

7
 Dạng túi được tìm thấy ở Jamaica và Hispaniola, cũng như miền nam
châu Âu, bô xít phân bố ở độ sâu trong các võng này từ ít hơn 1m đến
hơn 30m. Trong một số trường hợp, các túi này nằm riêng biệt, trong khi
các khu vực khác các vùng võng chồng lẫn nhau và tạo thành các mỏ lớn.
 Dạng xen kẹp được được tìm thấy ở Hoa Kỳ, Suriname, Brazil,
Guyana, Russia, Trung Quốc, Hungary và khu vực Địa Trung Hải. Ban
đầu chúng nằm trên bề mặt sau đó bị các đá hình thành sau phủ lên
thường gặp ở dạng đá núi lửa. Loại quặng này thường có kết cấu chặt hơn
các loại khác do nó bị nén bởi các lớp đá nằm trên.
 Dạng mảnh vụn chỉ các tích tụ quặng được tạo thành từ sự xói mòn
bauxite (kiểu trầm tích ở trên) ví dụ như bauxite Arkansas ở Hoa Kỳ.
I.2.3 Thành phần khoáng vật
Bôxít tồn tại ở 3 dạng chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa trong
nó 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 kaolinit và đôi khi có mặt cả anata TiO
2
.
Gibbsit là hydroxit nhôm thực sự còn boehmit và diaspore tồn tại ở
dạng hidroxit nhôm ôxít. Sự khác biệt cơ bản giữa boehmit và diaspore là
diaspore có cấu trúc tinh thể khác với boehmit, và cần nhiệt độ cao hơn để
thực hiện quá trình tách nước nhanh.
Bảng 1: Thành phần khoáng vật của Bauxite [5]

Gibbsit
Boehmit

Diaspore
Thành phần
Al(OH)
3

AlO(OH)
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

8
I.2.4 Thành phần hóa học
Thành phần hóa học chủ yếu (quy ra ôxít) là Al
2

O
3
, SiO
2
, Fe
2
O
3
, CaO, TiO
2
,
MgO trong đó, hydroxit nhôm là thành phần chính của quặng.
Bảng 2: Thành phần khoáng vật của Bauxite [5]
Thành phần hóa học
Al
2
O
3

Fe
2
O
3

CaO
SiO
2

TiO
2

MgO
Mất khi nung
% theo khối lượng (%)
55,6
4,5
4,4
2,4
2,8
0,3
30
Ở Việt Nam, bauxite được xếp vào khoáng sản khi tỷ lệ giữa oxit
nhôm và silic oxit gọi là modun silic (ký hiệu là µsi) không được nhỏ hơn 2,
và thuộc 2 loại chính.
Bauxite nguồn gốc trầm tích (một số bị biến chất) tập trung ở các
tỉnh phía Bắc như Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Giang, Sơn La và
Nghệ An.
Bauxite nguồn gốc phong hoá laterit từ đá bazan tập trung ở các
tỉnh phía Nam như Kon Tum, Đăk Nông, Lâm Đồng, Đồng Nai, Bình
Dương, Phú Yên và Quảng Ngãi.
Các mỏ và điểm quặng bauxite Việt Nam phân bố chủ yếu ở đông Bắc
Bắc Bộ và phía nam. Xét về nguồn gốc, quặng bauxite thuộc 2 loại chính là
trầm tích (một số bị biến chất) và phong hoá laterit từ đá bazan.
Các mỏ thuộc nguồn gốc trầm tích phân bố ở các tỉnh Cao Bằng, Lạng
Sơn, Hà Giang, Hải Dương, Nghệ An. Trong số này cụm mỏ ở Lạng Sơn có
quy mô trữ lượng lớn, chất lượng tốt và có giá trị công nghiệp. Cụm mỏ
Lạng Sơn có 36 mỏ và điểm quặng chủ yếu thuộc loại eluvi- deluvi. Bauxite
có thành phần khoáng vật chủ yếu là diaspor (60-70%), boehmit (20-30%) và
ít gibbsit. Tinh quặng bauxite có hàm lượng Al
2

O
3
= 44,65-58,84%; SiO
2
=
6,4-19,2%; Fe
2
O
3
= 21,32-27,35%; TiO
2
= 2-4,5%. Tổng trữ lượng ước tính
khoảng vài trăm triệu tấn.

9
Các mỏ bauxite phong hoá từ đá bazan tập trung chủ yếu ở các tỉnh
miền Nam như Đak Lak, Lâm Đồng, Kon Tum, Quảng Ngãi. Tổng diện tích
chứa bauxit lên đến gần 20.000 km2. Quặng bauxite nguyên khai thường có
chất lượng thấp. Hàm lượng Al
2
O
3
= 35-39%; SiO
2
= 5-10%; Fe
2
O
3
= 25-29%;
TiO

2
= 4-9%. Sau tuyển rửa giữ lại những hạt >1mm, hàm lượng đạt Al
2
O
3
=
45-47%; SiO
2
= 1,6-5,1%; Fe
2
O
3
= 17,1-22,3% TiO
2
= 2,6-3%. Thành phần
khoáng vật chủ yếu gồm gibbsit, goehtit, kaolinrat và ilmenit. Các mỏ
bauxite phong hoá từ đá bazan có trữ lượng và tài nguyên khoảng 2,3 tỷ tấn.
Tài nguyên dự báo đạt khoảng 6,7 tỷ tấn [63, 64].
Theo tài liệu BAUXITE MINING, POST ENVIRONMENTAL &
SOCIAL IMPACT CONCERNS By: Consultancy on Development (CODE)
– Vietnam, thì mỏ bauxite được tìm thấy ở tỉnh Đắk Nông có khả năng sản
xuất từ 6500-7600 triệu tấn, lớn hàng thứ 4 trên thế giới.
Theo tài liệu của Tập Đoàn Công Nghiệp Than và Khoáng Sản Việt
Nam (TKV) tháng 7/2007 thì Đắk Nông có 6 vùng có mỏ bauxit với diện
tích tổng cộng là 1971 km2 chiếm 1/3 diện tích tỉnh Đắk Nông ở các địa
điểm như sau:
Tuy Đức: 354 km
2
, Đắk Song: 300 km
2

, Bắc Gia Nghĩa: 329 km
2
,
Nhân Cơ: 510 km
2
, Quảng Sơn: 159 km
2
.
Mỏ bauxite còn tìm thấy ở Bảo Lộc thuộc tỉnh Lâm Đồng và hiện nay
đang khai thác, mặc dù mỏ bauxite này không lớn như ở tỉnh Đắk Nông. Mỏ
bauxite ở Đắk Nông nằm dưới mặt đất từ 0.5-1m, trong tiến trình khai thác
người ta phải lấy đi lớp đất xốp ở trên mặt, sau đó lấy phần đất/đá có chất
bauxite đưa vào nhà máy để chuyển hóa thành chất alumina.
I.3 Bùn đỏ.
I.3.1 Nguồn phát sinh chất thải bùn đỏ
Công nghệ sản xuất nhôm từ quặng bauxite.

10

Hình 1: Sơ đồ sản xuất nhôm từ quặng bauxite
Tiến trình tinh chế Alumina:
(1) Cho quặng bauxite vào băng chuyền
(2) Đưa vào máy nghiền – crusher
(3) Cho beauxie vào để rửa sạch bùn, tạp chất (digester)
(4) Vào bộ lọc, bùn đỏ thải ra từ giai đoạn này < 1μm (bauxite residue)
(5) giai đoạn làm ra alumina
1.3.2 Bùn đỏ
Trong tiến trình tinh chế Alumina ở trên, phần quặng không tan trong
kiềm được lắng, rửa và loại khỏi dây chuyền. Bã thải này thường được gọi là
bùn đỏ.

11
Pha lỏng của bùn đỏ chứa thành phần nhôm tan trong kiềm và pha rắn
chứa các oxit kim loại chủ yếu là 30-60% Helmatit-Fe2O3, 10-20%
Trihydrate Aluminium-Al2O2, 3-50% Silicon Dioxide-SiO2, 2-10% Sodium
Oxide-Na2O, 2-8% Calcium Oxide-CaO, 2-50% Titanium Dioxide-
TiO2 cùng một số chất hóa học khác nữa như, Nitrogen, Potasium,
Chromium,Zinc
Quá trình điều chế Alumina, bauxite được nghiền nhỏ. Do đó, bùn thải
khi khô là các hạt bụi mịn (60% hạt có ф < 1 μm) dễ phát tán vào không khí
gây ô nhiễm môi trường, tiếp xúc thường xuyên với bụi này gây ra các bệnh
về da, mắt. Pha lỏng của bùn đỏ có tính kiềm gây ăn mòn đối với vật liệu.
Khi không được thu gom, cách ly với môi trường, nước này có thể thấm vào
đất ảnh hưởng đến cây trồng, xâm nhập vào mạch nước ngầm gây ô nhiễm
nguồn nước. Nước thải từ bùn tiếp xúc với da gây tác hại như ăn da, làm mất

đi lớp nhờn làm da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt nẻ, đau rát, có thể sưng
tấy và loét mủ ở vết rách xước trên da [65].
1.3.3 Tình hình thải bùn đỏ tại Việt Nam.[12]
Trên lãnh thổ Việt Nam, bauxite là
một loại khoáng sản có tiềm năng lớn tầm
cỡ thế giới với trữ lượng 5,8 tỷ tấn. Các
mỏ có trữ lượng khai thác phân bố ở miền
trung và miền nam. Chất lượng bauxite
tốt với hàm lượng quặng từ 40 – 43%.

12

Hình 2*: Hồ chứa bùn đỏ của nhà máy bauxite Bảo Lộc, Lâm đồng
(hình do đề tài KC.02.25/06-10 cung cấp)[21].
Đơn vị khai thác bauxite lớn nhất nước ta là Tổng Công ty Hóa chất
Việt Nam với sản lượng 55.000 tấn tinh quặng/ năm để sản xuất nhôm
hydroxit tại nhà máy hóa chất Tân Bình và lượng thải bùn đỏ là 11.000 tấn
/năm. Sản lượng nhôm cả nước đến năm 2005 là 1.000.000 tấn/năm để xuất
khẩu hoặc ít nhất đạt 300.000 tấn/năm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước.
Như vậy, đến năm 2005 lượng thải bùn đỏ cũng đã hơn 1 triệu tấn/năm.
Bùn đỏ sinh ra là tất yếu vì lượng nhôm trong quặng tinh đạt đến 47 –
49% và phản ứng tách nhôm trong quặng đạt hiệu suất 70 – 75%. Đây là
nguồn thải lớn cần được quản lý, xử lý triệt để và an toàn.
I.3.4 Công nghệ xử lý bùn đỏ.[12]
Các nghiên cứu xử lý bùn đỏ trên thế giới nhằm mục đích từ thải bỏ
đến tiêu hủy an toàn và tận dụng thành phần có ích.


13
Xử lý - tồn trữ

 Chỉnh pH: rửa, trung hòa
 Tách lọc: lắng với chất trợ keo tụ, ly tâm có chất keo tụ,
lọc ép
 Đóng rắn: Phụ gia là than, hay dùng hóa chất muối
ammonium
 Ổn định: Chất kết dính là polymer anion
 Thải xuống biển: Tại các vùng vịnh ăn sâu vào đất liền.
 Thải ở đất liền: Tận dụng mỏ bauxite đã khai thác.
Xử lý - tiêu hủy
 Phân hủy sinh học: Dùng vi khuẩn sắt, sản phẩm axit hòa
tan nhôm. Sản phẩm là dung dịch muối sắt và nhôm
 Đốt tận dụng năng lượng: Trộn với than và ép thành bánh
làm nhiên liệu.
Xử lý - tận dụng
 Nông nghiệp: Làm đất trồng nông nghiệp
 Sản xuất vật liệu xây dựng
 Xi măng, gạch tấm lợp cách âm có tính chống cháy:
tận dụng oxit sắt III
 Bột mầu vô cơ: Tận dụng thành phần sắt
 Vật liệu san lấp mặt bằng: Tận dụng thành phần trơ
 Vật liệu composit bùn đỏ
 Thu hồi kim loại quý dùng trong luyện kim
 Sắt, nhôm. Natri aluminat
 Canxi, magie, silic, titan, vanadi…
 Tận dụng sản xuất chất keo tụ trong công nghiệp hóa chất
 Ứng dụng trực tiếp trong công nghệ môi trường
 Dùng làm chất keo tụ trong xử lý nước
 Hấp phụ và hấp thụ khí sunfua dioxit

14
Ở Việt Nam đã có những nghiên cứu xử lý bùn đỏ theo hướng tận
dụng như sau.
- Tận dụng sản xuất gạch
- Sản xuất bột mầu
- Sản xuất Poly Aluminum Cloride - P.A.C (CTCT: Al
n
(OH)
m
Cl
3n-m
)
dùng làm chất trợ lắng trong xử lý nước
- Sản xuất hỗn hợp muối sắt, nhôm sunfat và clorua dùng làm chất keo tụ
- Nghiên cứu sản xuất chất keo tụ
(Chưa có nơi nào nghiên cứu dùng bùn đỏ làm hạt hấp phụ ion kim loại nặng
trong xử lý môi trường)

Hình 3: Sơ đồ xử lý bùn đỏ theo hướng tận dụng

Tại nhà máy hóa chất Tân Bình, công nghệ xử lý bùn đỏ như sau.
Huyền phù bã sau khi rửa được trung hòa bằng axit sunfuric. Sau đó bùn đỏ
được bơm sang hồ lắng sơ bộ và phơi khô tự nhiên. Bùn đặc được khai thác
ngay tại các hồ lắng này.

15
Bùn thải
Hồ lắng tinh
Nước thải
Hồ lắng sơ bộ

Phơi khô
Thu gom tận dụng
Tận dụng
Phơi khô tự nhiên
Hồ xử lý nýớc
Nước đục
Bùn đặc
Bùn
Axit sunfuric







Hình 4: Sơ đồ công nghệ xử lý bùn thải hiện tại của NMHC Tân Bình [12]
I.4 Một số vấn đề về ô nhiễm kim loại nặng.
I.4.1 Tình trạng ô nhiễm môi trường chung
Ô nhiễm nước trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đang là
một vấn đề nhức nhối hiện nay bởi những tác hại to lớn của chúng đến chất
lượng môi trường và sức khỏe con người trên thế giới. Đặc biệt từ khi cuộc
cách mạng khoa học công nghệ ra đời, một mặt năng suất lao động nâng cao
một cách đáng kể. nhưng đồng thời theo đó là mức độ tàn phá môi trường
sống của chính chúng ta ngày càng đáng sợ và nghiêm trọng hơn.
Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt
nhuộm ở Bắc Ninh cho thấy có lượng nước thải hàng ngàn m
3
/ ngày không
qua xử lý, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực [60].

Tình trạng ô nhiễm nước ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hà
Nội và thành phố Hồ Chí Minh. ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt
không có hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận
(sông, hồ, kênh, mương). Mặt khác, còn rất nhiều cơ sở sản xuất không xử
lý nước thải, phần lớn các bệnh viện và cơ sở y tế lớn chưa có hệ thống xử
lý nước thải.
Không chỉ ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh mà ở các đô thị khác
như Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nam Định, Hải Dương… nước thải sinh hoạt

16
cũng không được xử lý độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều
vượt quá tiểu chuẩn cho phép (TCCP), các thông số chất lơ lửng (SS), chỉ số
nhu cầu ô xy sinh hoá (BOD), nhu cầu ô xy hoá học (COD), Ô xy hoà tan
(DO) đều vượt từ 5-10 lần, thậm chí 20 lần TCCP.
Về tình trạng ô nhiễm nước ở nông thôn và khu vực sản xuất nông
nghiệp, hiện nay Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn là
nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia
súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình
trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao. Theo
báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, số vi khuẩn Feca
coliform trung bình biến đổi từ 1.500-3.500MNP/100ml ở các vùng ven sông
Tiền và sông Hậu, tăng lên tới 3800-12.500MNP/100ml ở các kênh tưới tiêu.
Trong sản xuất nông nghiệp, do lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực
vật, các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến
môi trường nước và sức khoẻ nhân dân.
Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số
gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ.
Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị
ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. ở các thành phố lớn, hàng
trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do

không có công trình và thiết bị xử lý chất thải. Ô nhiễm nước do sản xuất
công nghiệp là rất nặng. Ví dụ: ở ngành công nghiệp dệt may, ngành công
nghiệp giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung bình từ 9-11; chỉ
số (BOD), (COD) có thể lên đến 700mg/1 và 2.500mg/1; hàm lượng chất rắn
lơ lửng cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép.

17
Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt
đến 84 lần, H
2
S vượt 4,2 lần, hàm lượng NH
3
vượt 84 lần tiêu chuẩn cho
phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng dân cư.
Mức độ ô nhiễm nước ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công
nghiệp tập trung là rất lớn.
Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan dẫn đến tình trạng ô
nhiễm môi trường nước, như sự gia tăng dân số, mặt trái của quá trình công
nghiệp hoá, hiện đại hoá, cơ sở hạ tầng yếu kém, lạc hậu: nhận thức của
người dân về vấn đề môi trường còn chưa cao.
I.4.2 Ô nhiễm kim loại nặng
* Vài nét về ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải và các phương
pháp xử lý.
Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trường
hợp, các kim loại nặng khi đã phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâu
dài. Chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là
mắt xích cuối cùng [4].
Quá trình này bắt đầu với những nồng độ rất thấp của các kim loại nặng
tồn tại trong nước hoặc cặn lắng, rồi sau đó được tích tụ nhanh trong các động
vật và thực vật sống trong nước. Tiếp đến là các động vật khác sử dụng các

thực vật và động vật này làm thức ăn, dẫn đến nồng độ các kim loại nặng
được tích lũy trong cơ thể sinh vật trở nên cao hơn. Cuối cùng ở sinh vật cao
nhất trong chuỗi thức ăn, nồng độ kim loại sẽ đủ lớn để gây ra độc hại. Con
người, xét theo quan điểm sinh thái, thường có vị trí cuối cùng trong chuỗi
thức ăn, vì thế họ vừa là thủ phạm vừa là nạn nhân của ô nhiễm kim loại nặng.
Nguồn ô nhiễm kim loại nặng từ các hoạt động công nghiệp là hết sức
phong phú: công nghiệp hóa chất, khai khoáng, gia công và chế biến kim
loại, công nghiệp pin và ắc qui, công nghiệp thuộc da

18
Kim loại nặng là khái niệm để chỉ các kim loại có nguyên tử lượng cao
và thường có độc tính đối với sự sống. Kim loại nặng thường liên quan đến
vấn đề ô nhiễm môi trường. Nguồn gốc phát thải của kim loại nặng có thể là
tự nhiên (như asen As), hoặc từ hoạt động của con người, chủ yếu là từ công
nghiệp (các chất thải công nghiệp) và từ nông nghiệp, hàng hải (các chế
phẩm phục vụ nông nghiệp, hàng hải ). Hầu hết các kim loại nặng như Pb,
Hg, Cd, As, Cu, Zn, Fe, Cr, Co, Mn, Se, Mo tồn tại trong nước ở dạng ion.
Chúng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó chủ yếu là từ các hoạt
động công nghiệp.
Bảng 3: Ô nhiễm kim loại nặng trong sông Sài Gòn năm 1996 [60].
Fe(g/l)
Mn (g/l)
Zn (g/l)
Cu (g/l)
Cd (g/l)
2
0,9
1,7
0,9
10

Bảng 4: Nồng độ các kim loại nặng trong chất lơ lửng trong môi trường
nước sông Sài Gòn [3].
Zn (ppm)
Cu (ppm)
Cd (ppm)
Ni (ppm)
Cr (ppm)
172
35
1,76
61
114
Kim loại nặng có Hg, Cd, Pb, As, Sb, Cr, Cu, Zn, Mn, v.v thường
không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hoá của các thể sinh vật
và thường tích luỹ trong cơ thể chúng. Vì vậy, chúng là các nguyên tố độc
hại với sinh vật. Hiện tượng nước bị ô nhiễm kim loại nặng thường gặp trong
các lưu vực nước gần các khu công nghiệp, các thành phố lớn và khu vực
khai thác khoáng sản. Ô nhiễm kim loại nặng biểu hiện ở nồng độ cao của
các kim loại nặng trong nước. Trong một số trường hợp, xuất hiện hiện
tượng chết hàng loạt cá và thuỷ sinh vật [4].
Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm kim loại nặng là quá trình đổ vào
môi trường nước nước thải công nghiệp và nước thải độc hại không xử lý
hoặc xử lý không đạt yêu cầu. Ô nhiễm nước bởi kim loại nặng có tác động

19
tiêu cực tới môi trường sống của sinh vật và con người. Kim loại nặng tích
luỹ theo chuỗi thức ăn thâm nhập và cơ thể người. Nước mặt bị ô nhiễm sẽ
lan truyền các chất ô nhiễm vào nước ngầm, vào đất và các thành phần môi
trường liên quan khác.
Dưới đây là nguồn phát thải chủ yếu của kim loại nặng

Bảng 5: Nguồn phát thải chủ yếu của kim loại nặng [19]
Nguồn phát thải
Cd
Cr
Cu
Hg
Pb
Ni
Sn
Zn
As
Công nghiệp giấy

+
+
+
+
+

+

Công nghiệp hóa dầu
+
+

+
+

+
+

Công nghiệp tẩy nhuộm
+
+

+
+

+
+

SX và sd phân bón
+
+
+
+
+
+

+

Công nghiệp chế biến dầu mỏ
+
+
+

+
+

+

Công nghiệp sản xuất thép
+
+
+
+
+
+
+
+

Công nghiệp kim loại màu
+
+
+
+
+


+

Công nghiệp sản xuất ôtô, máy bay
+
+
+
+
+

+
+

Công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng

+







Công nghiệp dệt

+







Công nghiệp len, da

+

Nhà máy điện

+





+

Nham thạch trong các tầng đất








+

Các nguyên tố kim loại nặng tồn tại và luân chuyển trong tự nhiên
thường có nguồn gốc từ chất thải của hầu hết các ngành sản xuất công
nghiệp trực tiếp hoặc gián tiếp sử dụng các kim loại ấy trong quá trình công
nghệ hoặc từ chất thải sinh hoạt của con người. Ví dụ nước thải của các khu
công nghiệp, các nhà máy hóa chất, các cơ sở in; hoặc dưới dạng bụi trong
khí thải của các khu công nghiệp hóa chất, các lò cao, khí thải của các loại xe

20

có động cơ xăng Sau khi phát tán vào môi trường dưới dạng nói trên,
chúng lưu chuyền tự nhiên, bám dính vào các bề mặt, tích lũy trong đất và
gây ô nhiễm các nguồn nước sinh hoạt, đó là căn nguyên chính dẫn đến tình
trạng thực phẩm bị ô nhiễm. Rau quả sẽ bị ô nhiễm nếu được trồng trên
nguồn đất ô nhiễm kim loại nặng, được tưới nước bị ô nhiễm; Cá, tôm, thủy
sản nuôi trong nguồn nước bị ô nhiễm cũng thường bị ô nhiễm; gia súc, gia
cầm được nuôi bằng thức ăn bị ô nhiễm (rau, cỏ ) được uống nguồn nước ô
nhiễm thì thịt thành phẩm cũng khó tránh khỏi ô nhiễm các kim loại nặng.
Ngoài ra thực phẩm có thể bị ô nhiễm các kim loại nặng một cách trực tiếp;
do thực phẩm bị tiếp xúc với các vật liệu dễ thôi nhiễm kim loại nặng trong
quá trình sản xuất và bao gói chứa đựng thực phẩm. Mặt khác, thực phẩm
cũng có thể bị ô nhiễm do việc sử dụng các nguyên liệu chế biến không tinh
khiết, kể cả các phụ gia thực phẩm, có hàm lượng kim loại nặng vượt mức
cho phép.
Nhiều nước Đông Âu trước đây đã phát triển công nghiệp theo công nghệ
cũ và sử dụng rất nhiều loại chế phẩm trong nông nghiệp nên nước và đất ở
nhiều vùng, và nhất là trong cặn lắng của các dòng sông, bị nhiễm kim loại
nặng ở mức độ rất cao, cao hơn tiêu chuẩn cho phép 1.000 - 10.000 lần.
Có một số hợp chất kim loại nặng bị thụ động và đọng lại trong đất, song
có một số hợp chất có thể hoà tan dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau,
nhất là do độ chua của đất, của nước mưa. Điều này tạo điều kiện để các kim
loại nặng có thể phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt và gây ô
nhiễm đất.
Một số chất tẩy rửa gia dụng có chứa các tác nhân tạo phức mạnh (như
EDTA, NTA) khi thải ra cũng góp phần làm tăng khả năng phát tán của kim
loại nặng.


21
I.4.3 Hậu quả của ô nhiễm kim loại nặng đến sức khỏe con người

* Tác động của kim loại nặng tới môi trường nước có thể theo các hướng sau:
- Độc hại đối với cá và các sinh vật thủy sinh khác.
- Tác động xấu tới chất lượng hệ thống cống rãnh.
- Ảnh hưởng xấu tới quá trình xử lý sinh học.
- Làm ô nhiễm nước mặt và nước ngầm.
Cho đến nay, độc tính của nhiều kim loại nặng đối với môi trường và
con người được biết khá chi tiết. Trong số đó Pb, Cr, Cd, As, Hg, Cu, Ni,
là những kim loại nặng vô cùng độc hại. Các tác động và cơ chế gây độc của
nhiều kim loại nặng đối với cơ thể người và động vật cũng đã được tìm ra,
tuy nhiên nhân loại đã phải trả một giá khá đắt để có được nhận thức này.
Bệnh Minamata ở Nhật Bản, câu chuyện về loài chim scopa ở Thụy Điển, vụ
ô nhiễm Cadmi ở Cộng Hòa Liên Bang Đức những năm 70 , là những ký ức
đau buồn liên quan tới sự thiếu hiểu biết của chúng ta đối với việc sử dụng
và quản lý các hợp chất chứa các kim loại nặng độc hại.
Ô nhiễm kim loại nặng trong thực phẩm có thể gây nên những hậu quả
khôn lường cho sức khỏe, ô nhiễm nặng thường gây những biểu hiện ngộ
độc cấp tính, đặc hiệu, gây tử vong Ví dụ khi ngộ độc Thủy ngân, bệnh nhân
thường có biểu hiện có vị kim loại trong cổ họng, đau bụng, nôn, xuất hiện
những chấm đen trên lợi, bệnh nhân bị kích động, tăng huyết áp, sau 2-3
ngày thường chết vì suy thận. Nếu bị ngộ độc cấp bởi Thạch tín, nạn nhân có
thể có các biểu hiện nôn, đau bụng, ỉa chảy, khát nước dữ dội, mạch đập yếu,
mặt nhợt nhạt rồi thâm tím, bí đái và tử vong nhanh chóng. Trong nhiễm độc
Chì cấp tính khi ăn phải một lượng Chì 25-30 gram, nạn nhân thoạt tiên có
thể thấy vị ngọt rồi chát, tiếp theo là cảm giác nghẹn ở cổ, cháy mồm, thực
quản, dạ dày, nôn ra chất trắng (chì clorua) đau bụng dữ dội, ỉa chảy, phân
đen (chì sunfua), mạch yếu, tê tay chân, co giật và tử vong [3].

22
Các kim loại nặng có mặt trong nước, đất qua nhiều giai đoạn khác
nhau trước sau cũng đi vào chuỗi thức ăn của con người. Chẳng hạn các vi

sinh vật có thể chuyển thuỷ ngân (Hg) thành hợp chất metyl thủy ngân
(CH
3
)
2
Hg, sau đó qua động vật phù du, tôm, cá mà thuỷ ngân đi vào thức
ăn của con người. Sự kiện ngộ độc hàng loạt ở Vịnh Manimata (Nhật Bản)
năm 1953 là một minh chứng rất rõ về quá trình nhiễm thủy ngân từ công
nghiệp vào thức ăn của con người.
Khi đã nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng (ví dụ thuỷ ngân) có thể tích tụ
lại trong các mô. Đồng thời với quá trình đó cơ thể lại đào thải dần kim loại
nặng. Nhưng các nghiên cứu cho thấy tốc độ tích tụ kim loại nặng thường
nhanh hơn tốc độ đào thải rất nhiều. Thời gian để đào thải được một nửa
lượng kim loại nặng khỏi cơ thể được xác định bằng khái niệm chu kỳ bán
thải sinh học (biologocal half - life), tức là qua thời gian đó nồng độ kim loại
nặng chỉ còn một nửa so với trước đó, ví dụ với thuỷ ngân chu kỳ này vào
khoảng 80 ngày, với cadimi là hơn 10 năm. Điều này cho thấy cadimi tồn tại
rất lâu trong cơ thể nếu bị nhiễm phải.
Sự kiện bị ngộ độc cadimi trên thế giới là sự kiện cũng xảy ra ở Nhật Bản
với bệnh Itai - Itai nổi tiếng có liên quan đến ô nhiễm nguồn nước bởi cadimi.
Cadimi, do có số phối trí là 4, dễ dàng tạo ra các tương tác với
protein và chuyển vào gan, thận. Tuy nhiên cadimi lại ít đi vào hệ thần kinh
vì nguyên tố này khó tạo thành các hợp chất hữu cơ ái lipit (lipophillic),là
những chất dễ đi vào hệ thần kinh. Trong khi đó, thuỷ ngân và chì lại dễ đi
vào hệ thần kinh do tạo thành các hợp chất alkyl ái lipit.
Các kim loại nặng như chì, cadimi có thể tập trung trong xương, ức chế
emzym axit 5-amino-levulin và gây bệnh thiếu máu. Cadimi có khả năng
đuổi kẽm khỏi một số enzym và gây bệnh máu heamatopoiesis, v.v

23

Tóm lại cơ chế nhiễm độc của các kim loại nặng rất đa dạng và phức tạp
và hiện nay vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu cả về lĩnh vực bệnh học và
điều trị.
Theo TCVN có một số giá trị giới hạn nồng độ các chất gây ô nhiễm mà
đề tài cần quan tâm là:
Bảng 6: Giá trị giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong nước ăn, uống
(Theo quyết định số 1329/2002/BYT) [39].
STT
Chất ô nhiễm
Đơn vị
Giá trị giới hạn
1
Kẽm
mg/l
3,000
2
Cadimi
mg/l
0,003
3
Chì
mg/l
0,010
4
Đồng
mg/l
2,000
5
Asen
mg/l

0,001

Bảng 7: Giá trị giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải công
nghiệp (Theo TCVN 5945:2005) [37].
STT
Chất ô nhiễm
Đơn vị
Giá trị giới hạn
A
B
C
1
Kẽm
mg/l
3
3
5
2
Cadimi
mg/l
0,003
0,010
0,500
3
Chì
mg/l
0,1
0,5
1,0
4

Đồng
mg/l
2
2
5
5
Asen
mg/l
0,05
0,10
0,50
A: Đủ tiêu chuẩn đổ vào thủy vực dùng cho mục đích sinh hoạt.
B: Đủ tiêu chuẩn đổ vào thủy vực không thuộc A.
C: Đổ vào các khu tập trung xử lý.

24
I.4.4 Xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng các phương pháp hóa lý.
Bằng con đường xử lý hóa học người ta có thể loại trừ kim loại nặng ra
khỏi nước thải. Với các nguồn nước thải công nghiệp có nồng độ kim loại
nặng cao và pH cực đoan thì việc xử lý chúng bằng các phương pháp hóa lý
là rất ưu thế.
* Các phương pháp hóa lý thường được sử dụng là:
- Phương pháp bay hơi.
- Phương pháp kết tủa hóa học.
- Phương pháp trao đổi ion.
- Phương pháp hấp phụ.
- Kỹ thuật màng.
- Phương pháp điện hóa.
Hiện có nhiều quy trình công nghệ để khử KLN ra khỏi nước thải:
Keo tụ (kết tủa), lắng, lọc thông thường với hóa chất keo tụ là các

hydroxit kim loại, sulfit, cacbonat và đồng keo tụ với hydroxit Nhôm và Sắt.
Ngoài ra còn có các phương pháp khác như: trao đổi ion, hấp phụ, lọc qua
màng, điện phân, phương pháp sinh học, kết tủa hóa học.
 Kết tủa hóa học
Kết tủa hóa học là kỹ thuật thông dụng nhất để loại bỏ KLN hòa tan
trong nước thải. Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa
vào nước thải với KLN cần tách, ở pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết
tủa và được tách ra khỏi nước thải bằng phương pháp lắng.
Hiệu quả của quá trình kết tủa hóa học phụ thuộc vào các yếu tố như:
các ion KLN, nồng độ của chúng trong nước thải, tác nhân gây kết tủa, điều
kiện phản ứng và các tác nhân cản trở.
* Ưu điểm của phương pháp hóa học
- Quá trình vận hành đơn giản

25
- Chi phí đầu tư thấp.
* Nhược điểm của phương pháp hóa học
- Thời gian xử lý chậm
- Chiếm diện tích xử lý lớn
- Thể tích bùn cao
- Phải xử lý bùn chứa KLN
- Yêu cầu giám sát hệ thống liên tục

Kết tủa hydroxit kim loại Me(OH)
n
:
Phương pháp truyền thống xử lý KLN là kết tủa hóa học của những
hydroxit kim loại bằng việc keo tụ chúng thành những bông cặn lớn hơn, nặng
hơn để có thể lắng được và sau đó tách ra khỏi nước.
KLN hòa tan trong môi trường axit và kết tủa ở môi trường kiềm. Cho

nên khi tăng pH của dung dịch chứa KLN sang môi trường kiềm sẽ làm chúng
kết tủa.
 Kết tủa hydroxit kim loại MeS:
Ngoài kết tủa KLN dưới dạng hydroxit còn kết tủa KLN dưới dạng sulfua.
Một trong những thuận lợi chính của của vệc sử dụng chất kết tủa này so với
hydroxit kim loại là khả năng hòa tan của dạng hợp chất kim loại này thấp
hơn so với hydroxit kim loại.
Me
2+
+ S
2-
→ MeS↓
Tuy nhiên sử dụng sulfua trong kết tủa KLN yêu cầu thận trọng hơn
trong việc sử dụng dưới dạng hydroxit. Sử dụng quá nhiều sulfua trong dung
dịch có tính kiềm sẽ hình thành H
2
S, khí độc có mùi khó chịu.
 Kết tủa carbonat kim loại (MeCO
3
):
Na
2
CO
3
là chất được sử dụng trong trường hợp này.
Na
2
CO
3
+ Me

2+
→ MeCO
3
↓ + Na
+
Nó có ưu điểm là các muối carbonat không hòa tan trở lại trong môi