Nghiên cứu tái chế bùn đỏ thành chất keo tụ đa thành phần dùng cho xử lý nước thải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

Nguyễn Nam Giang

NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ BÙN ĐỎ THÀNH CHẤT KEO TỤ ĐA
THÀNH PHẦN DÙNG CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Nam Giang

NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ BÙN ĐỎ THÀNH CHẤT KEO TỤ ĐA
THÀNH PHẦN DÙNG CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Trần Thị Hồng

Hà Nội - 2015

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

3

1.1. Giới thiệu về bauxit

3

1.1.1. Bauxit

3

1.1.2. Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên thế giới và tại Việt Nam

4

1.1.3. Công nghệ sản xuất alumin

7

1.2. Giới thiệu về bùn đỏ

9

1.2.1. Đặc điểm, thành phần hóa học và tính chất vật lý

9

1.2.2. Phương hướng xử lý bùn đỏ

11

1.2.3. Ứng dụng bùn đỏ trong công nghệ môi trường

16

1.3. Tổng quan về keo tụ

18

1.3.1. Khái niệm

18

1.3.2. Cấu tạo của hạt keo

18

1.3.3. Cơ chế của quá trình keo tụ

19

1.3.4. Các phương pháp keo tụ

23

1.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ

26

1.4. Giới thiệu về các loại nước thải

27

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

29

2.1. Đối tượng nghiên cứu

29

2.2. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị

29

2.2.1. Nguyên liệu

29

2.2.2. Hóa chất

29

2.2.3. Dụng cụ, thiết bị

30


2.3. Các phương pháp nghiên cứu

30

2.3.1. Phương pháp xác định đặc tính hóa lý bùn đỏ

30

2.3.2. Phương pháp nghiên cứu chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ Tân Rai

35

2.3.3. Phương pháp xác định khả năng keo tụ của BĐ Al – Fe

40

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

44

3.1. Kết quả nghiên cứu bùn đỏ Tân Rai

44

3.1.1. Kết quả phân tích cấu trúc pha bùn đỏ Tân Rai

44

3.1.2. Kết quả phân tích hình thái cấu trúc, diện tích bề mặt bùn đỏ

45

3.1.3. Kết quả phân tích thành phần hóa học bùn đỏ Tân Rai

46

3.2. Kết quả nghiên cứu quá trình chế tạo chất keo tụ đa thành phần từ bùn đỏ Tân
Rai
47
3.2.1. Kết quả nghiên cứu quá trình hòa tách bùn đỏ

47

3.2.2. Quy trình chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe từ bùn đỏ Tân Rai

55

3.2.3. Kết quả phân tích thành phần chất keo tụ BĐ Al - Fe

56

3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng keo tụ từ chất keo tụ BĐ Al – Fe

56

3.3.1. Kết quả nghiên cứu xác định giá trị pH tối ưu của chất keo tụ BĐ Al – Fe 56
3.3.2. Kết quả nghiên cứu xác định liều lượng tối ưu của chất keo tụ BĐ Al - Fe 57
3.3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng keo tụ trong xử lí nước thải, so sánh với PAC,
phèn nhôm, phèn sắt
60
KẾT LUẬN

64

KIẾN NGHỊ

64

TÀI LIỆU THAM KHẢO

65

PHỤ LỤC

70


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Sự phân bố trữ lượng bauxit trên các châu lục ................................................ 4
Bảng 1.2. Trữ lượng bauxite và sản lượng khai thác trên thế giới .................................. 5
Bảng 1.3. Thành phần hóa học bùn đỏ .......................................................................... 10
Bảng 1.4. Tỷ lệ cấp hạt của bùn đỏ ................................................................................ 10
Bảng 2.1. Liều lượng các chất keo tụ sử dụng để keo tụ ............................................... 43
Bảng 3.1. Kết quả đo BET mẫu bùn đỏ Tân Rai ........................................................... 46
Bảng 3.2. Thành phần bùn đỏ Tân Rai .......................................................................... 46

Bảng 3.3. Kết quả ảnh hưởng của nồng độ axit đến quá trình hòa tách bùn đỏ ............ 47
Bảng 3.4. Kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hòa tách bùn đỏ ................... 49
Bảng 3.5. Kết quả ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình hòa tách bùn đỏ ............ 50
Bảng 3.6. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn đến quá trình hòa tách bùn đỏ ........... 52
Bảng 3.7. Kết quả ảnh hưởng của thời gian hòa tách đến quá trình hòa tách bùn đỏ .... 53
Bảng 3.8. Thành phần chất keo tụ BĐ Al – Fe .............................................................. 56
Bảng 3.9. Thành phần nước thải trước và sau keo tụ ở các pH khác nhau .................... 56
Bảng 3.10. Thành phần nước trước và sau keo tụ sử dụng liều lượng keo tụ khác nhau
ở pH = 7.................................................................................................................. 57
Bảng 3.11. Trạng thái cân bằng của sự thủy phân các ion Al3+ và Fe3+ ở các bậc khác
nhau ....................................................................................................................... 58


Bảng 3.12. Thành phần nước trước và sau khi sử dụng các chất keo tụ khác nhau ...... 60
Bảng 3.13. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- của một số chất keo tụ ...................... 60
Bảng 3.14. Thành phần nước trước và sau khi sử dụng các chất keo tụ khác nhau ...... 61
Bảng 3.15. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- ........................................................... 62


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý công nghệ Bayer sản xuất Alumin ....................................... 7
Hình 1.2. Cấu tạo hạt keo ............................................................................................... 20
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị SEM ........................................................................ 33
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bùn đỏ Tân Rai .................................................. 44
Hình 3.2. Ảnh chụp SEM mẫu bùn đỏ Tân Rai ............................................................. 45
Hình 3.3. Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào nồng độ axit ......................................... 47
Hình 3.4. Sự phụ thuộc hiệu suất chuyển hóa vào nhiệt độ ........................................... 49
Hình 3.5. Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào tốc độ khuấy ....................................... 51
Hình 3.6. Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào tỷ lệ lỏng/rắn ....................................... 52
Hình 3.7. Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào thời gian hòa tách ................................ 54

Hình 3.8. Sơ đồ quy trình chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe từ bùn đỏ ............................ 55
Hình 3.9. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- ............................................................. 61
Hình 3.10. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO43- ........................................................... 62

Hình PL 1. Phần bã sau quá trình hòa tách .................................................................... 70
Hình PL 2. Quá trình làm thực nghiệm .......................................................................... 70
Hình PL 3. Chất keo tụ BĐ Al – Fe sau khi được lọc.................................................... 70
Hình PL 4. Mẫu nước thải trước và sau khi cho chất keo tụ ......................................... 71


MỞ ĐẦU
Trên thế giới, nhôm là một trong bốn kim loại màu cơ bản được sử dụng
nhiều trong các ngành công nghiệp quan trọng như: chế tạo thiết bị điện, phương
tiện vận tải, xây dựng, chế tạo máy, vũ khí, vật liệu bao gói và sản xuất đồ gia dụng.
Tổng lượng tiêu thụ nhôm nguyên sinh trên thế giới năm 2007 đạt 38 triệu tấn và dự
báo đạt 74,9 triệu tấn vào năm 2020. Theo đánh giá của AOA VAMI RUSAL
(Nga), sản lượng nhôm oxit năm 2020 là 148.7 triệu tấn tăng 73 triệu tấn so với năm
2007. Sự tăng trưởng mạnh mẽ sản lượng alumin đạt được là do nhu cầu về nhôm
tăng mạnh, đặc biệt là từ nhu cầu của Trung Quốc và các quốc gia thuộc Mỹ La
tinh.
Bauxit là một trong những tài nguyên khoáng sản khá dồi dào trên Trái đất.
Quặng bauxit của Việt Nam được đánh giá là có trữ lượng lớn thứ ba trên thế giới
với khoảng 5,4 tỷ tấn [10]. So với các mỏ bauxit trên thế giới, mỏ bauxit ở Việt
Nam được đánh giá có chất lượng trung bình. Quặng bauxit nước ta phân bố cả ở
khu vực phía Bắc và phía Nam, trong đó tập trung nhiều ở vùng Tây Nguyên
(chiếm 91,4%). Với chủ trương khai thác nguồn tài nguyên này để phục vụ phát
triển kinh tế của đất nước, từ những năm 1970, Chính phủ đã cho triển khai dự án
sản xuất nhôm từ mỏ bauxit Ma Mèo, nhà máy sản xuất hydroxyt nhôm tại Công ty
Hóa chất Cơ bản miền Nam đã hình thành. Một số dự án lớn sản xuất alumin và
hydroxyt nhôm bao gồm: Nhà máy hóa chất Tân Bình sản xuất hydroxyt nhôm ở

TPHCM, nhà máy alumin Tân Rai (tỉnh Lâm Đồng), nhà máy alumin Nhân Cơ
(tỉnh Đăk Nông).
Từ bauxit có thể thu hồi alumin (Al2O3) rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi
nhôm kim loại. Hơn 90% sản lượng alumin được sử dụng làm nguyên liệu cho quá
trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% còn lại được sử dụng trong công
nghiệp hóa chất và các ngành công nghiệp khác. Công nghệ sản xuất alumin từ
quặng bauxit bằng phương pháp Bayer tạo ra một lượng chất thải rất lớn gọi là bùn
đỏ. Bùn đỏ bao gồm các thành phần không thể hòa tan, trơ và khá bền vững trong điều

1


kiện phong hóa như hematit, natrisilicat, aluminate, canxi - titanat, mono - hydrat
nhôm… và đặc biệt là có chứa một lượng xút, một hóa chất độc hại dư thừa từ quá trình
sản xuất alumin nên độ kiềm cao (pH = 10 – 13), khó đóng rắn và lẫn nhiều tạp chất
nên dễ phát tán gây ô nhiễm môi trường. Cho đến nay, trên thế giới đã có một số
công trình nghiên cứu sử dụng bùn đỏ nhưng vẫn chưa có giải pháp hữu hiệu giải
quyết vấn đề này. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng, xử lý bùn đỏ là rất cần thiết.
Thành phần của bùn đỏ là các oxit của sắt, của nhôm, silic, titan, kim loại
kiềm... Với hàm lượng chủ yếu là oxit sắt, oxit nhôm, bùn đỏ có thể sử dụng như
một chất keo tụ. Quá trình keo tụ đi kèm với việc hình thành bông hidroxit nhôm và
sắt có khả năng hấp phụ nhiều tạp chất như: photphat, As (V), cromat,.., một số loại
chất hữu cơ. Bên cạnh đó, trong bùn đỏ còn có một số kim loại khác như: titan,
canxi,.. có thể có một số tác dụng trong quá trình keo tụ và làm sạch nước.
Vì những lí do trên, đề tài: “Nghiên cứu tái chế bùn đỏ thành chất keo tụ đa
thành phần dùng cho xử lý nước thải” vừa hết sức cần thiết lại có tính ứng dụng
trong việc xử lý các vấn đề môi trường.
Mục tiêu nghiên cứu
 Nghiên cứu điều kiện tối ưu chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ Tân Rai
 Nghiên cứu khả năng ứng dụng chất keo tụ và xử lý độ đục, COD và PO43Nội dung nghiên cứu

 Nghiên cứu đặc tính hóa lý của bùn đỏ
 Nghiên cứu quy trình chế tạo chất keo tụ đa thành phần từ bùn đỏ.
 Thử nghiệm ứng dụng chất keo tụ trong xử lý nước thải.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu về bauxit
1.1.1. Bauxit
Bauxit là loại quặng nhôm phổ biến nhất được tìm thấy trong lớp vỏ của trái
đất, 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. Từ bauxit có thể tách ra
alumin (Al2O3) – nguyên liệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân. Khoảng
95% lượng bauxit được khai thác trên thế giới đều được dùng để luyện nhôm.
Bauxit không những là quặng nhôm quan trọng cho ngành công nghiệp sản xuất
nhôm và các hợp chất của nhôm, mà còn dùng để sản xuất corundum nhân tạo, xi
măng alumin, gạch chịu lửa…
Quá trình phong hóa hình thành quặng bauxit trên các loại đá thường trải qua
các giai đoạn như sau:
-

Phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra oxit 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 bauxit

Quá trình này chịu ảnh hưởng của một số yếu tố:
- Đá mẹ chứa các khoáng vật dễ hòa tan và các khoáng vật này bị rửa trôi
chỉ để lại nhôm và sắt.
-

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 với vi khuẩn

Các khoáng vật của nhôm có trong quặng tùy thuộc vào số lượng phân tử
nước chứa trong nó và cấu trúc tinh thế gồm: Gibbsite Al(OH)3, Diaspore α-

3


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt

1. Vũ Ngọc Ban (2007), Giáo trình thực tập hóa lý - Điều chế các hệ keo và khảo
sát một số tính chất của chúng, NXB Đại học quốc gia Hà Nội.
2. Nguyễn Bin (2008), Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực
phẩm tập 4 - NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
3. Phạm Đăng Địch, PGS. TS Lê Xuân Khuông, TS Lê Gia Mô, KS Dương Thanh
Sủng (3/2003), Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu công nghệ tiên tiến
sản xuất alumin từ quặng tinh bôxit Tân Rai - Lâm Đồng và điện phân nhôm
đạt chất lượng thương phẩm.
4. Lưu Đức Hải (2014), Báo cáo đề tài: Nghiên cứu khả năng chế tạo vật liệu xây
dựng từ bùn đỏ phát sinh trong công nghệ sản xuất alumin ở Tây Nguyên, Đại
học quốc gia Hà Nội.
5. Nguyễn Quốc Khánh (2009), “Phục hồi môi trường sau khai thác quặng bauxit
và chế biến alumin”, Tạp chí Công nghệ mỏ, Số 5, tr 46 – 48.
6. Đỗ Quang Minh (2009), “Xi măng từ bùn đỏ”, Tạp chí Vật liệu xây dựng Việt
Nam, Tập 1, số 25, tr 40 – 44.
7. Nguyễn Trung Minh (2011), “Hạt vật liệu chế tạo từ bùn đỏ bauxit Bảo Lộc và
định hướng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước thải”, Tạp chí Các khoa học về
trái đất, Số 33(2), tr 231 - 237.
8. Nguyễn Cảnh Nhã (2007), “Một số kết quả nghiên cứu công nghệ tuyển quặng
bauxit”, Tạp chí Công nghệ Mỏ, Số 5, tr 18 -21.
9. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (2009), Giáo trình công nghệ xử lý nước thải,
NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

65


10. Quy hoach phân vùng thăm dò , khai thác, chế biến sử dung quăng bauxit giai
đoan ̣ 2007-2015 có xét đến năm 2025 (2007), Quyết đinh phê duyêṭ của Thủ
tướng chính phủ số 167/2007/QĐ-TTg.
11. Nguyễn Thị Thu Thủy (2006), Xử lý nước cấp sinh hoạt và công nghiệp, NXB

Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
12. Nguyễn Văn Tiến, Lê Thị Mai Hương, Nguyễn Bích Thủy (2014), “Nghiên cứu
khả năng chế tạo chất keo tụ và chất hấp phụ từ bùn đỏ Tây Nguyên theo quy
trình khép kín và đánh giá khả năng ứng dụng của sản phẩm”, Tạp chí Khoa
học và Công nghệ, Tập 52 (2B), tr 99 – 105.
13. Nguyễn Khắc Vinh (2009), “Tài nguyên Bauxit trên Thế giới và Việt Nam”,
Tạp chí tài nguyên và môi trường, số 7, tr. 49 – 51.
14. Pham Gia Vu, Trinh Anh Trúc, Tô Thị Xuân Hằng, Nguyễn Thị Dương,
Nguyễn Vũ Giang (2012), “Nghiên cứu sử dụng bùn đỏ như bột màu trong sơn
bảo vệ chống ăn mòn”, Tạp chí Hóa học, T.50(6), tr. 717 – 720.
Tiếng Anh
15. A. H. Bhat, A. K. Banthia (2007), “Preparation and characterization of poly
(vinyl alcohol) - modified red mud composite materials”, Joumal of Applied
Polymer Science, 103(1), pp. 238 – 243.
16. A. H. Bhat, H. r. S. Abdul Khalil, Irshad-ul-Haq Bhal, A. K. Banthia (2011),
“Development

and

Characterization

of

Novel

Modified

Red

Mud

Nanocomposiles Based on Polyfhydroxy ether of Bisphenol A”, Joumal of
Applied Polymer Science, 119, pp. 515 – 522.
17. United Nations Industrial Development Organization (1991), Alumina Industry:
Conference on Ecologically Sustainable Industrial Development, Copenhagen,
Denmark.

66


18. Batra V. S., Urbonaite S., Svensson G. (2008), “Characterization of unburned
carbon in bagasse fly ash”, Fuel 87, pp. 2972 – 2976.
19. Brunori C., Cremisini C., Massanisso P., Pinto V., Torricelli L. (2005), “Reuse
of a treated red mud bauxite waste: studies on environmental compatibility”,
Journal of Hazardous Materials, pp. 55 – 63.
20. Cablik V. (2007), “Characterization and applications of red mud from bauxite
processin”, Gospodarka surowcami mineralnymi, 23 (4), pp. 27 – 38.
21. C. Klauber, M. Gräfe, G. Power (2011), Bauxite residue issues: II. options

for residue utilization, Hydrometallurgy, 108, pp. 11 – 32.
22. Fan, H.L., Li, C.H., Xie, K.C., (2005), “Testing of iron oxide sorbent for hightemperature coal gas desulfurization”, Energy Sour, 27, pp. 245 – 250.
23. J. Bratby (2006), Coagulation and Flocculation in Water and Wastewater
Treatment, 2nd Edition, IWA Publisher, London
24. Jia-Qian Jiang, Nigel J D Graham (1998), “Pre-polymerised inorganic
coagulants and phosphorus removal by coagulation - A review”, Environmental
and Water Resource Engineering, Vol. 24, No. 3, pp. 237 – 244.
25. Jorge Alvarez, Roberto Rosal, Herminio Sastre, Fernando V. Diez (1995),
Characterization and deactivation of sulfided red mud used as hydrogenation
catalyst, Derpartment of Chemical Engineering, University of Oviedo, Spain.
26. Jones, G., Joshi, G., Clark, M., McConchie, D. (2006), “Carbon capture and the

aluminum industry: preliminary studies”. Environ. Chem. 3, pp. 297 – 303.
27. K. Snars, R.J. Gilkes (2009), “Evaluation of bauxite residues (red muds) of
defferent origins for environmental applications”, J. Applied Clay Science, pp.
13 – 20.

67


28. Maneesh Singh, S.N.Upadhayay, P.M.Prasad (1997), “Preparation of iron rich
cements using red mud”, Cement and Concrete Research, Vol.27, No.7,
pp.1037 -1046
29. Menzies N. W., Fulton I. M., Morrell W. J. (2004), “Seawater Neutralization of
Alkaline Bauxite Residue and Implications for Revegetation”, J. Environ. Qual,
33, pp. 1877 – 1884.
30. Paramguru, R.; Rath, P.; Misra, V.(2005), “Trends in red mud utilization - A
review”, Min. Process. Extract. Metall. Rev, 26(1), pp. 1 – 29
31. American Water Works Association (2003), Principal and Practices of Water
Supply Operations, Water Treatment, Third Edition, Science and Technology,
USA.
32. R.Hind, S.K.Bhargava, Stephen C. Grocott (1999), “The surface chemistry of
Bayer process solids: a review”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and
Engineering Aspects, 146, pp. 359 – 374.
33. Shaobin Wang, HM.Ang, MO.Tadé (2008), “Novel application of red mud as
coagulant, adsorbent and catalyst of environmentally benign processes”,
Chemosphere, 72, pp. 1621 – 1635.
34. Thakur, R. S.; Sant, B. R. (1983), “Utilization of red mud, recovery of alkali,
iron, aluminum, titanium, and other constituents and the pollution problems”, J.
Sci.Industr. Res, 42.
35. Wanchao Liu, Jiakuan Yang , Bo Xiao (2009), “Review on treatment and
utilization of bauxite residues in China”, International Journal of Mineral

Processing, 93, pp. 220 – 231.
36. Wang, X.F., Lin, H.Y., Yang, Y.F., Ma, Y.W. (2007), “Preparation of burned
brick by red mud of Bayer process”, New Building Materials, 34 (7), pp. 24 –
26.

68


37. Y. Geng (2005), Application of flocs analysis for coagulation optimization at
the split lake water treatment plant, A Thesis submitted to Department of Civil
&
Geological Engineering, University of Manitoba, Winnipeg, Manitoba
38. Yang, J.K., Liu, W.C., Li, G., et al. (2008), A kind of composite brick made
from red mud in Bayer process and its production method, China Patent.
39. Ying Zhao, Jun Wang, Zhaok un Luan (2009), “Removal of phosphate from
aqueous solution by red mud using a factorial design”, Journal of Hazardous
Materials, (165), pp. 1193 – 1199.
40. Yunus Cengeloglu (2001), “Recovery and Concentration of Al(III), Fe(III),
Ti(IV) and Na(I) from red mud”, J.Coloids and Interface Sciences A, 244, pp.
342 - 346.

69