Nghiên cứu hoạt hóa bùn đỏ để hấp phụ một số anion ô nhiễm trong môi trường nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-------------------------------------

VŨ XUÂN MINH

NGHIÊN CỨU HOẠT HÓA BÙN ĐỎ ĐỂ HẤP PHỤ MỘT SỐ
ANION Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

VŨ XUÂN MINH

NGHIÊN CỨU HOẠT HÓA BÙN ĐỎ ĐỂ HẤP PHỤ MỘT SỐ
ANION Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 62.44.01.19

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Nguyễn Tuấn Dung
2. TS. Nguyễn Vũ Giang

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và các cộng sự. Tất
cả các xuất bản đƣợc công bố chung với các cán bộ hƣớng dẫn khoa học và các
đồng nghiệp đã đƣợc sự đồng ý của các tác giả trƣớc khi đƣa vào luận án. Các
số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc công bố và sử dụng
để bảo vệ trong bất cứ một luận án nào khác.

Tác giả luận án

Vũ Xuân Minh


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Tuấn Dung và
TS. Nguyễn Vũ Giang, những ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ
tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, các cán bộ

phòng Nghiên cứu Ứng dụng và Triển khai Công nghệ đã ủng hộ và tạo mọi điều
kiện thuận lợi cũng nhƣ những góp ý về chuyên môn cho tôi trong suốt quá trình
thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp tại Trung tâm phát triển công nghệ sạch và
vật liệu, Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên, đặc biệt là PGS.TS. Lê Thị Mai
Hƣơng, đã tạo điều kiện giúp tôi thực hiện một số nội dung quan trọng của luận án,
đồng thời có những góp ý quý báu về chuyên môn.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã luôn quan tâm,
giúp đỡ, động viên và khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, ngày tháng năm
Tác giả luận án

Vũ Xuân Minh


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. i
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... v
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 4
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÙN ĐỎ ................................................................... 4
1.1.1.

Sự hình thành bùn đỏ ................................................................................. 4

1.1.2.

Các đặc trƣng quan trọng của bùn đỏ......................................................... 6

1.1.3.

Nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng từ bùn đỏ ..................................................... 9

1.2. CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ DỤNG BÙN ĐỎ ............................... 10
1.2.1.

Lƣu trữ và chôn lấp bùn đỏ ...................................................................... 10

1.2.2.

Trung hòa bùn đỏ ..................................................................................... 12

1.2.3.

Tái sử dụng bùn đỏ ................................................................................... 14

1.3. PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC ............... 18
1.3.1.

Tổng quan chung về hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc .............................. 18

1.3.2.

Vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên và phụ phẩm công – nông nghiệp22

1.4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÙN ĐỎ LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ ............. 25
1.4.1.

Hấp phụ kim loại nặng ............................................................................. 25

1.4.2.

Hấp phụ anion .......................................................................................... 28

1.4.3.

Hấp phụ các chất hữu cơ .......................................................................... 31

CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................ 35
2.1. NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT ..................................................................... 35
2.2. TRUNG HÕA BÙN ĐỎ..................................................................................... 36
2.3. HOẠT HÓA BÙN ĐỎ ....................................................................................... 36
2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU ................. 38
2.4.1.

Phƣơng pháp chuẩn độ ............................................................................. 38

2.4.2.

Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ......................................................... 39

2.4.3.

Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét ............................................................ 39

2.4.4.

Phƣơng pháp phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX) ................................. 40

2.4.5.

Phƣơng pháp tán xạ Laser ........................................................................ 40

2.4.6.

Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng BET ................................. 40


2.4.7.

Phƣơng pháp phân tích nhiệt .................................................................... 41

2.4.8.

Phƣơng pháp phổ hồng ngoại FT-IR........................................................ 41

2.4.9.

Phƣơng pháp trắc quang ........................................................................... 42

2.5. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ANION CỦA BÙN ĐỎ VÀ
BÙN ĐỎ HOẠT HÓA .............................................................................................. 43
2.5.1.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ anion Cr(VI) ............................................ 44

2.5.2.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ anion F- .................................................... 44

2.5.3.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ chất màu .................................................. 45

2.5.4.

Nghiên cứu khả năng hấp phụ phosphat .................................................. 46

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 48
3.1. ĐẶC TRƢNG TÍNH CHẤT CỦA BÙN ĐỎ TRƢỚC VÀ SAU KHI HOẠT
HÓA .......................................................................................................................... 48
3.1.1.

Trung hòa bùn đỏ bằng các phƣơng pháp khác nhau ............................... 48

3.1.2.

Hoạt hóa bùn đỏ hằng axit ....................................................................... 53

3.1.3.

Hoạt hóa nhiệt và hoạt hóa kết hợp .......................................................... 58

3.1.4.

Khảo sát ảnh hƣởng của yếu tố xử lý tới khả năng hấp phụ của bùn đỏ . 62

3.2. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) CỦA BÙN ĐỎ HOẠT HÓA
AXIT ......................................................................................................................... 65

3.2.1.

Khảo sát ảnh hƣởng của pH ..................................................................... 65

3.2.2.

Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ Cr(VI) trên BĐA ............... 66

3.2.3.

Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ................................................................ 68

3.3. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ FLORUA CỦA BÙN ĐỎ HOẠT
HÓA AXIT ................................................................................................................ 70
3.3.1.

Khảo sát ảnh hƣởng của pH ..................................................................... 70

3.3.2.

Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ ........................................... 71

3.3.3.

Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ F- trên BĐA ....................... 71

3.3.4.

Đẳng nhiệt hấp phụ .................................................................................. 73

3.3.5.

Xử lý mẫu nƣớc nhiễm ion F- thực tế ...................................................... 75

3.4. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CHẤT MÀU ANION............................ 77
3.4.1.

Xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ chất màu ................................ 77

3.4.2.

Khảo sát ảnh hƣởng của pH ..................................................................... 78

3.4.3.

Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ ........................................... 79


3.4.4.

Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ chất màu trên BĐA ........... 80

3.4.5.

Đẳng nhiệt hấp phụ .................................................................................. 82

3.4.6.

Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR .............................................................. 85

3.4.7.

Xử lý mẫu nƣớc thải dệt nhuộm thực tế ................................................... 87

3.5. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHOSPHAT CỦA BÙN ĐỎ HOẠT
HÓA NHIỆT VÀ BÙN ĐỎ HOẠT HÓA KẾT HỢP .............................................. 88
3.5.1.

Khảo sát ảnh hƣởng của pH ..................................................................... 88

3.5.2.

Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ ........................................... 91

3.5.3.

Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ phosphat ............................ 91

3.5.4.

Đẳng nhiệt hấp phụ .................................................................................. 93

3.5.5.

Xử lý mẫu nƣớc thải thực tế nhiềm phosphat .......................................... 95

KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................ 97
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ......................................................... 99
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ............................................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 101

PHỤ LỤC ................................................................................................................ 106


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên đầy đủ

BĐT

Bùn đỏ thô

BĐ-HCl

Bùn đỏ trung hòa bằng axit HCl 10-4 M

BĐ-G

Bùn đỏ trung hòa bằng Gypsum

BĐ-NB

Bùn đỏ trung hòa bằng nƣớc biển

BĐA

Bùn đỏ xử lý bằng axit

BĐN

Bùn đỏ xử lý nhiệt

BĐN600

Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 600oC

BĐN650

Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 650oC

BĐN700

Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 700oC

BĐN800

Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 800oC

BĐN900

Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 900oC

BĐAN

Bùn đỏ hoạt hóa kết hợp bằng axit H2SO4 2M và nung ở 700oC

BET

Brunauer-Emmett-Teller

B-MERF

Blue MERF

DTA

Phân tích nhiệt vi sai

EDX

Phổ tán sắc năng lƣợng tia X

FT-IR

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

qmax

Dung lƣợng hấp phụ cực đại

qtn

Dung lƣợng hấp phụ thực nghiệm

qe

Dung lƣợng hấp phụ tính toán

R-3BF

Red 3BF

SEM

Hiển vi điện tử quét

TGA

Phân tích nhiệt trọng lƣợng

UV-vis

Phổ tử ngoại khả kiến

XRD

Nhiễu xạ tia X

Y-3GF

Yellow 3GF

i


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Sơ đồ hai quy trình chế biến quặng bauxit của Bayer [4]. ........................4
Hình 1. 2. Lớp lót vải địa kỹ thuật trong lòng hồ bùn đỏ. ........................................11
Hình 1. 3. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III) trên bùn đỏ thô
(RRM); bùn đỏ xử lý nhiệt (A) và bùn đỏ xử lý axit (B) [45] ..................................27

Hình 1. 4. Động học hấp phụ song song bậc 1 của phosphat trên bùn đỏ và bùn đỏ
hoạt hóa bằng các phƣơng pháp khác nhau [56]. ......................................................31
Hình 1. 5. Ảnh hƣởng của phƣơng pháp hoạt hóa đến đẳng nhiệt hấp phụ của tro
bay (A) và bùn đỏ (B). T = 30oC, pH = 5,2 [64] ......................................................33
Hình 2. 1. Sơ đồ hoạt hóa bùn đỏ bằng axit. ............................................................37
Hình 2. 2. Hệ thiết bị trong thí nghiệm hoạt hóa bùn đỏ bằng axit ..........................37
Hình 2. 3. Giàn khuấy cần trong thực nghiệm khảo sát hấp phụ .............................43
Hình 3. 1. pH của bùn đỏ khi trung hòa bằng a) HCl; b) nƣớc biển; c) gypsum .....49
Hình 3. 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của bùn đỏ thô (A) và sau khi trung hòa: BĐ-HCl
(B); BĐ-NB (C) và BĐ-G (D) .................................................................................50
Hình 3. 3. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp khí nitơ của (A) BĐT; (B) BĐ-HCl;
(C) BĐ-NB; (D) BĐ-G..............................................................................................52
Hình 3. 4. Giản đồ XRD của bùn đỏ trƣớc (A) và sau khi xử lý axit (B) ................54
Hình 3. 5. Ảnh SEM của bùn đỏ trƣớc (BĐT) và sau khi xử lý axit (BĐA) ...........55
Hình 3. 6. Biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt của bùn đỏ trƣớc (BĐT) và sau khi hoạt
hóa axit (BĐA) ..........................................................................................................56
Hình 3. 7. Đƣờng hấp phụ - giải hấp nitơ của (A) bùn đỏ thô và (B) bùn đỏ hoạt hóa
axit .............................................................................................................................57
Hình 3. 8: Sự phân bố thể tích lỗ xốp của (A) BĐT, (b) BĐA ................................57
Hình 3. 9. Giản đồ phân tích nhiệt của bùn đỏ .........................................................58
Hình 3. 10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của A) BĐN700 và B) BĐAN .........................59
Hình 3. 11. Ảnh SEM của BĐN700 và BĐAN ........................................................60
Hình 3. 12. Đƣờng hấp phụ - giải hấp khí nitơ của A) BĐT, B) BĐN700, C) BĐN900 và D) BĐAN ......................................................................................................61
Hình 3. 13. Sự phân bố thể tích lỗ xốp của các mẫu (a) BĐT, (b) BĐN700, (c)
BĐN900 và (d) BĐAN..............................................................................................61
ii


Hình 3. 14. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ (A) Cr(VI), (B) phopho tổng, (C) F- và
(D) Y-3GF .................................................................................................................63

Hình 3. 15. So sánh dung lƣợng hấp phụ của bùn đỏ hoạt hóa bằng các phƣơng
pháp khác nhau ..........................................................................................................64
Hình 3. 16. Ảnh hƣởng của pH tới dung lƣợng hấp phụ Cr(VI) trên BĐA .............65
Hình 3. 17. Các dạng tồn tại của ion Cr(VI) trong dung dịch theo pH với nồng độ
Cr(VI) 0,1 M theo tài liệu [71] ..................................................................................66
Hình 3. 18. Dung lƣợng hấp phụ Cr(VI) của BĐA theo thời gian tiếp xúc .............67
Hình 3. 19. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của quá trình hấp
phụ Cr(VI) trên BĐA. ...............................................................................................67
Hình 3. 20. Ảnh hƣởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu tới khả năng hấp phụ của BĐA
...................................................................................................................................68
Hình 3. 21. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Cr(VI) của BĐA: (A) Langmuir, (B)
Freundlich..................................................................................................................69
Hình 3. 22. Ảnh hƣởng của pH đến dung lƣợng hấp phụ F- của BĐA ....................70
Hình 3. 23. Ảnh hƣởng của lƣợng BĐA đến khả năng hấp phụ F- ..........................71
Hình 3. 24. Dung lƣợng hấp phụ F- trên BĐA theo thời gian tiếp xúc ....................72
Hình 3. 25. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của quá trình hấp
phụ F- trên BĐA. Nồng độ F- ban đầu (■) 50 mg/L, (●) 100 mg/L. .........................72
Hình 3. 26. Ảnh hƣởng của nồng độ F- ban đầu đến khả năng hấp phụ của BĐA ..74
Hình 3. 27. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ F- của BĐA: (A) Langmuir; (B) Freundlich
...................................................................................................................................74
Hình 3. 28. Kết quả xử lý nƣớc nhiễm florua lấy từ công ty CP phân lân nung chảy
Văn Điển ...................................................................................................................76
Hình 3. 29. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ (A)Y-3GF; (B)R-3BF và (C)B-MERF
...................................................................................................................................77
Hình 3. 30. Ảnh hƣởng của pH tới dung lƣợng hấp phụ: (A) Y-3GF; (B) R-3BF;
(C) B-MERF trên BĐA. ............................................................................................78
Hình 3. 31. Ảnh hƣởng của lƣợng BĐA tới khả năng hấp phụ Y-3GF (A); R-3BF
(B) và B-MERF (C) ..................................................................................................79
Hình 3. 32. Hiệu suất hấp phụ (A) Y-3GF; (B) R-3BF; (C) B-MERF của BĐA theo
thời gian tiếp xúc, với C0 là 30, 70 và 100 mg/L ......................................................80

iii


Hình 3. 33. Đƣờng động học hấp phụ bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của Y-3GF trên BĐA
...................................................................................................................................81
Hình 3. 34. Đƣờng động học hấp phụ bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của R-3BF trên BĐA
...................................................................................................................................81
Hình 3. 35. Đƣờng động học hấp phụ bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của B-MERF trên
BĐA ..........................................................................................................................81
Hình 3. 36. Ảnh hƣởng của nồng độ (A) Y-3GF; (B) R-3BF; (C) B-MERF đến hiệu
suất và dung lƣợng hấp phụ của BĐA. .....................................................................83
Hình 3. 37. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ các chất màu (A) Y-3GF, (B) R-3BF và (C)
B-MERF trên BĐA ...................................................................................................84
Hình 3. 38. Phổ FTIR của chất màu R-3BF (a), của bùn đỏ trƣớc (b) và sau khi hấp
phụ (c) .......................................................................................................................85
Hình 3. 39. Phổ FTIR của chất màu Y-3GF (a), của bùn đỏ trƣớc (b) và sau khi hấp
phụ (c) .......................................................................................................................86
Hình 3. 40. Phổ FTIR của chất màu B-MERF (a), của bùn đỏ trƣớc (b) và sau khi
hấp phụ (c) .................................................................................................................87
Hình 3. 41. Kết quả xử lý mẫu nƣớc thải dệt nhuộm thực tế A) R-3BF, B) Y-3GF,
C) B-MERF ...............................................................................................................88
Hình 3. 42. Dung lƣợng hấp phụ phosphat của các mẫu bùn đỏ: (a) BĐT; (b)
BĐN600; (c) BĐN650; (d) BĐN700; (e) BĐN800; (f) BĐN900. ...........................89
Hình 3. 43. Phân ly axit photphoric phụ thuộc vào pH [29] ....................................90
Hình 3. 44. Ảnh hƣởng của pH tới dung lƣợng hấp phụ phosphat của các mẫu bùn
đỏ: (a) BĐN700; (b) BĐAN. .....................................................................................90
Hình 3. 45. Ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ đến hiệu suất tách loại phosphat ..91
Hình 3. 46. Dung lƣợng hấp phụ phosphat của BĐN700 và BĐAN theo thời gian
tiếp xúc. .....................................................................................................................92
Hình 3. 47. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của quá trình hấp

phụ phosphat trên BĐN700 (■) và BĐAN (●) .........................................................92
Hình 3. 48. Ảnh hƣởng của nồng độ phosphat ban đầu tới hiệu suất và dung lƣợng
hấp phụ phosphat của (A) BĐN700; và (B) BĐAN .................................................94
Hình 3. 49. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich của: (A) BĐN700;
và (B) BĐAN ............................................................................................................94
iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Thành phần các loại khoáng chính trong quặng bauxit [2] .......................6
Bảng 1. 2. Thành phần nguyên tố và khoáng vật học của bùn đỏ [2] ........................7
Bảng 1. 3. Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của các mẫu bùn đỏ và bùn đỏ
hoạt hóa bằng các phƣơng pháp khác nhau [56] .......................................................30
Bảng 1. 4. Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của các mẫu tro bay (FA) và
bùn đỏ (RM) hoạt hóa bằng các phƣơng pháp khác nhau [64] .................................33
Bảng 3. 1. Thành phần nguyên tố của bùn đỏ trƣớc và sau khi trung hòa ...............51
Bảng 3. 2. Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của bùn đỏ trung hòa .............52
Bảng 3. 3. Khối lƣợng Al, Fe quy ra oxit trong bùn đỏ thô và trong dung dịch hòa
tách ............................................................................................................................53
Bảng 3. 4. Diện tích bề mặt riêng và đặc trƣng lỗ xốp của bùn đỏ trƣớc và sau khi
hoạt hóa axit ..............................................................................................................57
Bảng 3. 5. Diện tích bề mặt riêng và đặc trƣng lỗ xốp của BĐN và BĐAN ............62
Bảng 3. 6: Phƣơng trình đƣờng chuẩn xác định Cr(VI), phosphat, F- và Y-3GF ....63
Bảng 3. 7: Các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 và bậc
2 .................................................................................................................................67
Bảng 3. 8. Các tham số của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Cr(VI) trên BĐA ............69
Bảng 3. 9. Các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 và bậc
2 .................................................................................................................................73
Bảng 3. 10. Tốc độ hấp phụ ban đầu và thời gian dung lƣợng hấp phụ đạt 50%qe,
99%qe của F- trên BĐA .............................................................................................73

Bảng 3. 11. Các tham số của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ F- trên BĐA ..................75
Bảng 3. 12. Các tham số của phƣơng trình động học bậc hấp phụ 2 của Y-3GF, R3BF và B-MERF trên BĐA.......................................................................................82
Bảng 3. 13. Tốc độ hấp phụ ban đầu và thời gian dung lƣợng hấp phụ đạt 50%qe,
99%qe của thuốc nhuộm trên BĐA ...........................................................................82
Bảng 3. 14. Các tham số của phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Y-3GF, R-3BF và BMERF trên BĐA .......................................................................................................84
Bảng 3. 15. Nồng độ chất màu và giá trị pH của 3 loại nƣớc thải dệt nhuộm .........87
Bảng 3. 16. Các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ phosphat bậc 2 trên
BĐN700 và BĐAN ...................................................................................................93
v


Bảng 3. 17. Tốc độ hấp phụ ban đầu và thời gian dung lƣợng hấp phụ đạt 50%qe,
99%qe của phosphat trên BĐN700 và BĐAN ..........................................................93
Bảng 3. 18. Các tham số của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ phosphat trên BĐN700 và
BĐAN........................................................................................................................95

vi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Trong những năm qua nền kinh tế nƣớc ta đã có những bƣớc phát triển đáng
khích lệ, cơ cấu kinh tế chuyển đổi theo hƣớng công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tuy
nhiên, đồng hành với sự phát triển đó là việc nảy sinh nhiều vấn đề môi trƣờng
nghiêm trọng. Môi trƣờng ở một số thành phố lớn, khu công nghiệp tập trung và các
khu dân cƣ đang bị ô nhiễm. Tài nguyên thiên nhiên, đa dạng sinh học đang có nguy
cơ cạn kiệt, sự cố môi trƣờng có chiều hƣớng gia tăng.
Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất ở nƣớc ta hiện nay, khoáng sản bauxit
phân bố rộng từ Bắc vào Nam với trữ lƣợng khoảng 5,5 tỷ tấn quặng nguyên khai,
tƣơng đƣơng với khoảng 2,4 tỷ tấn quặng tinh, tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên

(chiếm khoảng 91,4%) [1]. Quặng bauxit thƣờng đƣợc khai thác, tinh luyện để sản
xuất nhôm theo phƣơng pháp Bayer. Bùn đỏ chính là bã thải rắn của quá trình này
và đƣợc coi là tác nhân gây ô nhiễm môi trƣờng khá nghiêm trọng nếu không đƣợc
quản lý tốt. Trung bình sản xuất một tấn nhôm sẽ tạo ra 1 ÷ 2 tấn chất thải bùn đỏ
(quy ra khối lƣợng ở dạng khô). Bùn đỏ có độ kiềm rất cao (pH = 10 – 12,5), bao
gồm một hỗn hợp các tạp chất rắn và oxit kim loại [2], đây là một trong những vấn
đề về chất thải có khối lƣợng lớn nhất của ngành luyện nhôm. Nhà máy Alumin Tân
Rai với công suất thiết kế 600.000 tấn alumin/năm, lƣợng bùn đỏ khô là 636.720
tấn/năm [3], đến nay nhà máy đã sản xuất hơn 1 triệu tấn alumin, tƣơng ứng với
việc thải ra môi trƣờng khoảng hơn 1 triệu tấn bùn đỏ. Bắt đầu từ năm 2016 nhà
máy Alumin Tân Rai nâng hết công suất tức là mỗi năm thải ra khoảng 650.000 tấn
bùn đỏ khô.
Bùn đỏ nếu thải trực tiếp ra môi trƣờng có thể gây những hậu quả sau: (i)
phải sử dụng diện tích lớn để lƣu trữ, làm mất khả năng sử dụng đất trong thời gian
dài; (ii) khối lƣợng bùn thải lớn, trong mùa mƣa có nguy cơ gây ra rửa trôi, lũ bùn
làm ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt trên diện rộng; (iii) lƣợng xút dƣ thừa trong bùn
đỏ thấm vào đất gây ô nhiễm, đồng thời ngấm xuống đất gây ô nhiễm cả nguồn
nƣớc ngầm; (iv) kích thƣớc các hạt bùn đỏ rất nhỏ, có khuynh hƣớng dễ vỡ khi khô,
nên trong quá trình làm khô, bụi bùn đỏ có khả năng phát tán vào không khí do gió,
ảnh hƣởng xấu đến sức khoẻ con ngƣời và môi trƣờng sinh thái. Việc nghiên cứu xử
1


lý bùn đỏ, bảo vệ môi trƣờng là nhiệm vụ cấp thiết của tất cả các quốc gia và là
thách thức lớn đối với các nhà khoa học.
Hiện nay, trên thế giới chƣa có nƣớc nào xử lý triệt để đƣợc vấn đề bùn đỏ.
Cách phổ biến mà ngƣời ta vẫn thƣờng làm là cô lập bùn đỏ bằng cách chứa nó
trong những bể lƣu nhằm giảm tác động trực tiếp lên môi trƣờng. Tuy nhiên từ đó
lại nảy sinh các rủi ro cao tại các hồ chứa bùn đỏ. Đã có nhiều nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc thu hồi kim loại từ bùn đỏ, tái sử dụng bùn đỏ làm các loại vật liệu xây

dựng nhƣ thép, xi măng, gạch block, gạch nung… Thời gian gần đây, bùn đỏ nhờ
có diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi ion cao nên bắt đầu đƣợc nghiên cứu
ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý các chất ô nhiễm trong nƣớc.
Ở nƣớc ta, các nghiên cứu về xử lý tái sử dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ
mới đƣợc bắt đầu và chƣa có kết quả đáng kể. Mặt khác, Việt Nam cũng đang phải
đối mặt với vấn đề suy giảm chất lƣợng nƣớc ngày một nghiêm trọng do nguồn phát
thải các chất ô nhiễm từ các khu công nghiệp, từ hoạt động sinh hoạt của con ngƣời,
làng nghề thủ công,… Đó là những lý do để chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu:
“Nghiên cứu hoạt hóa bùn đỏ để hấp phụ một số anion ô nhiễm trong môi
trường nước”, với mục đích giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm gây ra bởi bã thải bauxit,
chuyển hóa bùn đỏ thành vật liệu hấp phụ ứng dụng xử lý nƣớc bị ô nhiễm.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
- Hoạt hóa bùn đỏ bằng các phƣơng pháp khác nhau (xử lý axit, xử lý nhiệt và xử
lý kết hợp axit-nhiệt) và nghiên cứu đặc trƣng vật liệu.
- Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ một số anion ô nhiễm nƣớc và vai trò của
các phƣơng pháp hoạt hóa trong việc cải thiện tính năng hấp phụ của vật liệu.
3. Nội dung nghiên cứu của luận án:
- Xử lý trung hòa và hoạt hóa bùn đỏ bằng các phƣơng pháp khác nhau: xử lý axit,
xử lý nhiệt, xử lý kết hợp axit và nhiệt.
- Nghiên cứu đặc trƣng tính chất của bùn đỏ hoạt hóa bằng các phƣơng pháp:
XRD, SEM, EDX, BET, tán xạ Laser, TGA, DTA, FT-IR. Khảo sát ảnh hƣởng
của yếu tố hoạt hóa đến khả năng hấp phụ một số anion ô nhiễm nƣớc: crom(VI),
florua, phosphat, chất màu.
- Khảo sát quá trình hấp phụ các anion: crom(VI), florua, thuốc nhuộm thƣơng mại
dạng anion (Red 3BF, Yellow 3GF, Blue MERF) trên bùn đỏ hoạt hóa axit.
2


- Khảo sát quá trình hấp phụ phosphat trên bùn đỏ xử lý nhiệt và xử lý kết hợp axit
và nhiệt.

- Thử nghiệm xử lý một số mẫu nƣớc thải thực tế bằng vật liệu bùn đỏ hoạt hóa.

3


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÙN ĐỎ
1.1.1. Sự hình thành bùn đỏ
Tháng 3 năm 1888, Bayer đã trình lên cơ quan phát minh Đức bản “Quy
trình sản xuất nhôm hydroxit”, theo đó quặng bauxit đƣợc thiêu kết ở nhiệt độ cao,
sau đó hòa tách bằng xút rồi kết tủa đƣợc nhôm hydroxit (hình 1.1A). Hạn chế của
quy trình này là quá trình thiêu kết cần rất nhiều năng lƣợng gây tốn kém và khó
kiểm soát. Hiện nay nó chỉ đƣợc sử dụng với các mỏ bauxit bắt buộc phải xử lý theo
phƣơng pháp thiêu kết [4].
B

A
NATRI
CACBONAT

QUẶNG
BAUXIT

NATRI HYDROXIT
VÀ VÔI

THIÊU KẾT

QUẶNG
BAUXIT

HÕA TÁCH
dƣới ÁP SUẤT

NƢỚC

TÁCH
Rắn/Lỏng
Mầm
THẢI BÙN ĐỎ

KẾT TỦA

TÁCH
Rắn/Lỏng

THẢI BÙN ĐỎ
Mầm

NƢỚC

KẾT TỦA

LỌC

LỌC

BAY HƠI
ĐẾN KHÔ

Dịch lỏng đã qua sử
dụng quay lại quy trình

Natri cacbonat
quay lại quy trình

HÕA TÁCH

S ẢN PHẨM
Al(OH)3

QUY TRÌNH THIÊU KẾT (BAYER 1888)

BAY HƠI
ĐẾN KHÔ

S ẢN PHẨM
Al(OH)3

QUY TRÌNH HÒA TÁCH (BAYER 1892)
“QUY TRÌNH BAYER”

Hình 1. 1. Sơ đồ hai quy trình chế biến quặng bauxit của Bayer [4].
Sau đó 4 năm, Bayer đã phát hiện ra rằng, dung dịch NaAl(OH)4 (cần thiết
để chế tạo nhôm hydroxit) có thể đƣợc tạo ra bằng cách hòa tách bauxit trong dung
dịch NaOH đậm đặc dƣới điều kiện áp suất cao. Với quy trình này (hình 1.1B), ông
đã đƣợc cấp bằng phát minh thứ hai vào năm 1892, gọi là “Quy trình Bayer”. Phát
4

minh này đƣợc coi là nền tảng cho sự phát triển của ngành công nghiệp nhôm trong
thế kỷ 20 và là cơ sở công nghệ sản xuất tới hơn 95% sản lƣợng nhôm oxit trên toàn
cầu. Sau này, mặc dù công nghệ tách nhôm từ quặng bauxit đã có nhiều cải tiến
nhƣng hóa chất và các bƣớc tiến hành cơ bản của các nhà máy hiện đại vẫn giống
nhƣ mô tả nguyên gốc trong phát minh của Bayer. Sản phẩm của công nghệ Bayer
(nhôm oxit) sẽ là nguyên liệu để sản xuất nhôm kim loại bằng quy trình HallHéroult (điện phân nhôm oxit nóng chảy) [4].
Quy trình Bayer bao gồm những bƣớc cơ bản sau đây:
- Hòa trộn: Quặng bauxit thô đƣợc hòa trộn với NaOH và bơm vào bồn áp lực lớn.
Tại đây, dƣới điều kiện nhiệt hơi nƣớc (150 –200oC) và áp lực cao (2-3 atm), NaOH
phản ứng với các khoáng nhôm của bauxit tạo thành hợp chất bão hòa natri
aluminat, phần bã rắn còn lại không tan gọi là bùn đỏ.
Al2O3 + 2OH − + 3 H2O → 2[Al(OH)4]−
- Tách bùn: Sau khi hòa trộn, hỗn hợp đƣợc chuyển qua một loạt các thùng giảm áp
suất, cát và các chất rắn không tan đƣợc tách ra khỏi hỗn hợp qua các bẫy cát. Phần
dung dịch natri aluminat và cặn mịn tiếp tục đƣợc bổ sung thêm Ca(OH)2 và đƣa
qua bộ lọc vải để loại bỏ cặn mịn. Cát và chất rắn không tan chính là bùn đỏ. Bùn
đỏ sẽ đƣợc bơm đến khu vực lắng và rửa để thu hồi một phần lƣợng xút dƣ và dung
dịch natri aluminat, sau đó đƣợc bơm ra hồ chứa.
- Kết tủa: Dung dịch natri aluminat bão hòa tiếp tục đƣợc làm mát bằng hệ thống
trao đổi nhiệt. Vì bị làm lạnh đột ngột, nhôm hydroxit bị kết tủa lại tạo thành các hạt
tinh thể. Các tinh thể này kết hợp với nhau tạo thành các hạt lớn hơn lắng xuống
đáy. Sau đó, các hạt nhôm hydroxit đƣợc lọc và rửa sạch để loại bỏ xút. Phản ứng
diễn ra nhƣ sau:
Al(OH)4- → Al(OH)3↓ + OH- Nung: Nhôm hydroxit đƣợc nung trong lò ở nhiệt độ trên 960°C (1760°F) tạo
thành nhôm oxit theo phản ứng sau đây:
2Al(OH)3 →

Al2O3 + 3 H2O

Nhƣ vậy, trong quy trình Bayer, một lƣợng bùn thải lớn đƣợc sinh ra trong

quá trình tách bùn, có màu đỏ đặc trƣng (nên gọi là bùn đỏ) và có độ kiềm lớn
5


(pH~11÷13,5). Lƣợng bùn đỏ thải ra trên một tấn nhôm oxit thành phẩm có thể dao
động từ 0,3 tấn đối với bauxit chất lƣợng cao và 2,5 tấn đối với bauxit chất lƣợng
thấp [5].
Ngay từ lúc khởi đầu, nền công nghiệp nhôm đã phát triển nhanh chóng. Sự
phát triển của công nghệ, lợi ích kinh tế của quy mô lớn đã dẫn tới sự phát triển
mạnh mẽ những thiết bị sản xuất lớn hơn. Vào những năm 1980, sản lƣợng của
những nhà máy mới đƣợc xây dựng tại Australia và Brazil là 1 triệu tấn/năm [6].
Cho đến nay, hàng năm lƣợng bùn đỏ thải ra trên toàn cầu khoảng 2,7 tỷ tấn và ở
Việt Nam khoảng 1 triệu tấn (còn tiếp tục tăng lên khi các dự án khai thác và chế
biến bauxit sản xuất alumin đƣợc tăng công suất và mở rộng tại Tây Nguyên) [7].
1.1.2. Các đặc trƣng quan trọng của bùn đỏ
1.1.2.1. Thành phần khoáng trong bùn đỏ
Thành phần khoáng của bùn đỏ phụ thuộc vào thành phần hóa học của quặng
bauxit nguyên khai và công nghệ chế biến cụ thể của từng nhà máy. Thành phần các
loại khoáng chính trong quặng bauxit đƣợc trình bày trong bảng 1.1.
Bảng 1. 1. Thành phần các loại khoáng chính trong quặng bauxit [2]
Nguyên tố
(qui theo
oxit)

Thấp nhất

Trung bình

Cao nhất

Al2O3

20

26-60

70

Fe2O3

0,5

10-35

65

TiO2

SiO2

Hàm lƣợng (%)

0,1

0,1

2-4

4-8

25

15

Khoáng

Công thức ô mạng
cơ sở

Gibsit

Al(OH)3

Boehmit γ-AlOOH
Goethit

α-FeOOH

Hematit

α-Fe2O3

Anatas

TiO2

Rutil

TiO2

Ilmenit

TiFeO3

Kaolinit

Si4Al4O10(OH)8

Quartz

SiO2

Về cơ bản các khoáng này vẫn có mặt trong thành phần bùn đỏ nhƣng hàm
lƣợng thay đổi rất nhiều. Bùn đỏ phát thải từ quy trình Bayer tồn tại ở thể nhão với
tổng hàm lƣợng chất rắn dao động từ 20 đến 80 % khối lƣợng, tùy thuộc vào quy
6


trình công nghệ. Hàm lƣợng các nguyên tố trong bùn đỏ giảm theo dãy: Fe > Si ~ Ti
> Al > Ca > Na, pha tinh thể chiếm khoảng 70% khối lƣợng và còn lại là pha vô
định hình. Hematit có mặt trong tất cả các loại bùn đỏ với hàm lƣợng dao động
trong khoảng t ừ 7% đến 29% khối lƣợng, ngoài ra là các khoáng nhƣ goethit
(FeOOH), boehmit (γ-AlOOH), gibsit (Al(OH)3), anatas (TiO2), rutil (TiO2),
ilmenit (FeTiO3), perovskit (CaTiO3), và quartz ( SiO2). Thành phần các khoáng
đƣợc thống kê trong bảng 1.2 [2].
Bảng 1. 2. Thành phần nguyên tố và khoáng vật học của bùn đỏ [2]
Nguyên tố
Hàm lƣợng (%)
(qui theo Thấp Trung Cao
oxit)

nhất
bình
nhất

Khoáng

Công thức ô mạng cơ sở

Fe2O3

Hematit
6,8 40,9±15,6 71,9 Goethit
Magnetit

α-Fe2O3
α-FeOOH
Fe3O4

Al2O3

Boehmit
2,12 16.3±6,4 33,1 Gibsit
Diaspor

γ-AlOOH
γ-Al(OH)3
α-AlOOH

SiO2

0,6

Sodalit
Cancrinit
9,6±6,7 23,8
Quartz
Khác

Na6[Al6Si6O24]·[2NaOH,Na2SO4]
Na6[Al6Si6O24]·2[CaCO3]·[H2O]
SiO2
Illit, muscovit

2,5

Rutil
Anatas
8,8±4,4 22,6 Perovskit
Ilmenit

TiO2
TiO2

Calcit
Perovskit
Whewelit
8,6±9,4 47,2 Tri-calcium
aluminat
(TCA)
Hydrocalumit

CaCO3
CaTiO3
CaC2O4
Ca3Al2(OH)12

TiO2

CaO

Na2O

0,6

0,1

4,5±3,3

Sodalit
2,4 Cancrinit
Dawsonit

CaTiO3
TiFeO3

Ca4Al2(OH)12·CO3·6H2O
Na6[Al6Si6O24]·[2NaOH,Na2SO4]
Na6[Al6Si6O24]·2[CaCO3]·0[H2O]
NaAl(OH)2·CO3
7

Mất khi
nung

4,4

10,0±2,8 21,1

Bauxit có hàm lƣợng nhôm cao nhất, trong khi đó sắt là thành phần lớn nhất
của bùn đỏ. Ngoài ra, hàm lƣợng Ti và Si của bùn đỏ cũng tăng gần gấp đôi so với
bauxit, khoáng kaolinit biến đổi thành sodalit và cancrinit, khoáng ferihydrit và
goethit cũng có thể chuyển hoàn toàn hay một phần thành hematit. Bên cạnh đó,
trong bùn đỏ còn xuất hiện thêm hai thành phần hóa học đáng kể là Na và Ca. Hai
nguyên tố này có thể bị tách loại một phần bằng quá trình rửa ngƣợc để thu hồi xút
và giảm độ kiềm của bùn đỏ.
1.1.2.2. Tính chất vật lý của bùn đỏ
Quặng bauxit trƣớc khi đƣa vào hòa tách phải nghiền đến cỡ hạt nhỏ, đồng
thời tiếp tục tự tự vỡ vụn trong quá trình chế biến, nên bã thải bùn đỏ có cỡ hạt từ
mịn đến rất mịn, kích thƣớc thƣờng nằm trong khoảng từ 2 μm đến 100 μm. Tỷ khối
trung bình của bùn đỏ là 2,5±0,7 g/cm3 [2].
Bề mặt riêng trung bình của bùn đỏ trong khoảng từ 7,3 ÷ 34,5 m2/g [8], giá
trị này nhỏ hơn so với nhiều loại đất, đặc biệt là các loại đất có hàm lƣợng khoáng vô
định hình cao hoặc đất có chứa sét. Cả hai dạng khoáng này đều dễ dàng bị hòa tan
trong điều kiện hòa tách của quy trình Bayer nên không có mặt trong thành phần bùn
đỏ.
1.1.2.3. Các tính chất hóa lý của bùn đỏ
a) Độ pH
Độ pH của bùn đỏ đƣợc coi là thông số đặc biệt quan trọng, giá trị pH của
bùn đỏ nằm trong khoảng 11  13,5. Các anion có tính bazơ trong dung dịch bùn đỏ

là OH-,

,

và

. Trong công bố của Thornber [9] bùn đỏ đƣợc

rửa nƣớc liên tục, khối lƣợng các chất rắn giảm liên tục, nhƣng giá trị pH và nồng
độ các ion Na+,

,

và OH- trong nƣớc gần nhƣ không thay đổi. Điều

này chứng tỏ pH dung dịch đƣợc đệm bởi các chất rắn có tính bazơ của bùn đỏ, và
pH sẽ không thay đổi cho đến khi các chất rắn này đƣợc hòa tan hoàn toàn.
b) Điện tích bề mặt
Bùn đỏ là một hỗn hợp các hạt rắn dị thể kích thƣớc nhỏ. Điện tích bề mặt hạt
có ảnh hƣởng rất lớn tới các tính chất bên trong hạt cũng nhƣ giữa các hạt với nhau
8


khi có mặt nƣớc (và các muối hòa tan). Các ảnh hƣởng này không chỉ liên quan đến
các tính chất vật lý vĩ mô nhƣ độ lƣu biến, co cụm hay keo tụ, mà còn liên quan đến
một loạt các tính chất hóa học đặc trƣng của hạt nhƣ hydrat hóa bề mặt, trao đổi ion,
oxi hóa khử. Sự thay đổi điện tích các hạt khoáng theo pH của dung dịch sẽ điều
khiển quá trình trao đổi ion, hấp phụ/giải hấp các ion trên bề mặt tiếp xúc khoángnƣớc.
Đặc tính của điện tích bề mặt phụ thuộc vào bản chất của hạt khoáng: các
khoáng dƣ còn lại của bauxit thƣờng có điện tích bề mặt thay đổi theo pH (các oxit

của Fe, Al, Ti và Si), bên cạnh đó là khoáng của bùn đỏ, ví dụ sodalit luôn luôn tích
điện âm, không phụ thuộc vào pH. Ngƣời ta chia khoáng ra thành hai loại: i) điện
tích thay đổi (hay điện tích phụ thuộc pH), và ii) điện tích không thay đổi (hay điện
tích không phụ thuộc vào pH).
Điện tích bề mặt hạt khoáng đƣợc sinh ra do sự mất cân bằng điện tích cục
bộ (bề mặt có quá ít hoặc quá nhiều H+); hoặc do mất cân bằng điện tích cấu trúc
(sự thay thế các kim loại trong ô mạng tinh thể bằng các kim loại khác nhƣ Al3+
thay thế Si4+ trong khoáng sodalit). Các khoáng có điện tích không đổi có thể tích
điện âm (ví dụ sodalit) hoặc dƣơng (ví dụ hydrocalumit và hydrotalcit). Nhƣ vậy
trong bùn đỏ có cả hai loại: điện tích cố định và điện tích phụ thuộc pH đều tồn tại.
Việc nghiên cứu sự biến đổi điện tích bề mặt là hết sức quan trọng trong các
quá trình xử lý, trung hòa bùn đỏ hay ứng dụng làm vật liệu hấp phụ.
1.1.3. Nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng từ bùn đỏ
Song song với các hoạt động khai thác quặng bauxit là tình trạng suy giảm
tài nguyên và ô nhiễm môi trƣờng. Đặc biệt là vấn đề xả thải bùn đỏ có nguy cơ ảnh
hƣởng xấu đến nguồn nƣớc ngầm, nƣớc mặt, phá hủy môi trƣờng sinh thái và sức
khỏe ngƣời dân địa phƣơng. Theo tính toán, nhà máy alumin Nhơn Cơ với công
suất 650 000 tấn/năm sẽ thải ra 1 200 000 tấn bùn đỏ/năm, nhà máy alumin Tân Rai
công suất 650 000 tấn/năm sẽ thải ra 1 500 000 tấn bùn đỏ/năm [3]. Nếu theo đà
phát triển nhƣ vậy, tính đến năm 2025 thì lƣợng bùn đỏ thải ra của nhà máy alumin
Tân Rai là 15 triệu tấn, nhà máy Nhơn Cơ thải ra 12 triệu tấn. Lƣợng bùn thải lớn
này nếu thải trực tiếp ra môi trƣờng có thể gây những hậu quả nghiêm trọng:
- Phải sử dụng diện tích lớn để lƣu trữ, làm mất khả năng sử dụng đất trong thời
gian dài;
9


- Khối lƣợng bùn thải lớn, trong mùa mƣa có nguy cơ gây ra rửa trôi, lũ bùn làm ô
nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt trên diện rộng;
- Lƣợng xút dƣ thừa trong bùn đỏ thấm vào đất gây ô nhiễm, đồng thời ngấm

xuống đất gây ô nhiễm cả nguồn nƣớc ngầm;
- Kích thƣớc hạt bùn đỏ rất nhỏ, khi khô, bụi bùn đỏ có khả năng phát tán vào
không khí, ảnh hƣởng xấu đến sức khoẻ con ngƣời và môi trƣờng sinh thái.
Sự cố vỡ đập chứa bùn đỏ của nhà máy alumin Ajka (Hungary) tháng 10
năm 2010 đã làm rung động cả thế giới và đƣợc coi là thảm họa tràn hóa chất
nghiêm trọng nhất trong lịch sử của Hungary [10]. Khoảng 700 000 m3 bùn đỏ tràn
ra dƣới dạng sóng 1-2 mét, gây ngập lụt các địa phƣơng lân cận. Ít nhất 10 ngƣời đã
thiệt mạng và 120 ngƣời bị thƣơng (một số ngƣời chết đuối và một số bị bỏng nặng
do dung dịch có nồng độ kiềm cao). Khoảng 40 km2 đất nông nghiệp dọc theo dòng
sông Torna và Marcal bị ảnh hƣởng nặng nề của thảm họa này. Ngoài những ảnh
hƣởng trực tiếp, sự cố này còn gây tác hại lâu dài đối với môi trƣờng đất, nƣớc và
không khí trong khu vực do ô nhiễm kiềm và bụi bùn đỏ. Nhƣ vậy, mặc dù việc xây
dựng hồ đập đã đƣợc tính toán thiết kế để đảm bảo độ an toàn cao nhất, nhƣng cũng
khó lƣờng hết rủi ro có thể xảy ra. Đây là một lời cảnh báo đối với những dự án
khai thác và tinh chế quặng bauxit của nƣớc ta cũng nhƣ trên thế giới. Việc nghiên
cứu các giải pháp làm giảm sức ép về khối lƣợng và tính độc hại của bùn đỏ trong
các hồ chứa là vấn đề hết sức cần thiết, đòi hỏi sự tham gia tích cực của các nhà
quản lý cũng nhƣ giới khoa học công nghệ.
1.2. CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ DỤNG BÙN ĐỎ
1.2.1. Lƣu trữ và chôn lấp bùn đỏ
Các nhà máy chế biến bauxit trên thế giới thƣờng lựa chọn việc thải bùn đỏ
theo một trong hai cách sau: thải xuống nƣớc hoặc thải trên đất liền.
Phƣơng pháp thải xuống nƣớc (thải ra biển, sông suối hoặc vào các đầm phá
ven biển) đã đƣợc một số nhà máy sử dụng, tuy nhiên phƣơng pháp này đã lỗi thời,
hiện nay không đƣợc áp dụng do nguy cơ phá hủy hoàn toàn môi trƣờng sống của
sinh vật đáy thủy vực.
Phƣơng pháp thải bùn đỏ trên đất liền: phƣơng pháp này gây ô nhiễm ít hơn
nên đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay. Hồ chứa bùn đỏ là một bộ phận không thể tách
10

rời của hệ thống sản xuất nhôm oxit từ quặng bauxit, đƣợc thiết kế rất kỹ để chống
thấm chất lỏng trong bùn đỏ xuống nƣớc ngầm theo chiều đứng và chiều ngang.
Ở nƣớc ta, trong dự án khai thác mỏ bauxit, Tập đoàn Công nghiệp Than –
Khoáng sản Viện Nam (TKV) cũng đã đề xuất một số phƣơng án xử lý bùn đỏ,
trong đó phƣơng án khả thi nhất là chôn lấp. Hiện nay TKV đã tính toán cụ thể khối
lƣợng bùn đỏ thải, khu vực thải và việc xử lý chất thải này theo nhiều phƣơng án
khả thi. Tổ hợp bauxit-nhôm ở Lâm Đồng đã quy hoạch hồ chứa bùn đỏ với tổng
diện tích lên đến 318 ha nằm trong một thung lũng để tránh nguy cơ trôi chảy bùn
đỏ đến nơi khác, không ảnh hƣởng mạnh đến nƣớc ngầm trong khu vực… Để chống
tràn, chủ đầu tƣ xây dựng hệ thống thoát nƣớc mƣa hoàn chỉnh xung quanh hồ. Hồ
sẽ nạo sạch lớp thực bì, bùn… và đƣợc cán lót 2 lớp đất sét (dày 60 cm) với lớp lót
vải địa kỹ thuật HDPE ở giữa (hình 1.2). Mỗi hồ đƣợc ngăn ra thành nhiều block
nhỏ (từ 10-15 ha) và lƣợng bùn đỏ sẽ đƣợc thải theo từng ô.
Một lớp cát dày đƣợc bố trí trên HDPE và trong lớp cát bố trí một hệ thống
ống đục lỗ (perforated pipes) để thu gom nƣớc thấm xuống từ bùn đỏ để bơm ngƣợc
về công đoạn hòa tách bauxit để thu hồi kiềm đƣa vào tái sử dụng đồng thời cũng
làm khô bùn đỏ. Sau đó sẽ lấp đất đảm bảo chôn vĩnh viễn nếu không sử dụng chất
thải này.

Hình 1. 2. Lớp lót vải địa kỹ thuật trong lòng hồ bùn đỏ.
Chủ đầu tƣ cũng lắp đặt 4 trạm quan trắc quanh hồ để theo dõi thƣờng xuyên
biến động của hóa chất trong hồ chứa, đặc biệt là độ pH, để xử lý kịp thời. Đồng
11


thời nhằm nâng cao độ an toàn, khu vực hồ bùn đỏ sẽ đƣợc bảo vệ nghiêm ngặt, xây
dựng bờ tƣờng rào kín quanh hồ, trồng vành đai rừng bao bọc hồ với chiều rộng ít
nhất là 10 m…, tránh không cho bất cứ ngƣời hay gia súc, gia cầm đến đƣợc gần
hồ.

Còn dự án sản xuất alumin Nhân Cơ, khi công suất hoạt động đạt 650 ngàn
tấn alumin/năm thì lƣợng bùn đỏ thải ra sẽ đạt gần 1,4 triệu tấn/năm (tƣơng đƣơng
khoảng 945 ngàn m3). Dự án này đề ra biện pháp xử lý bùn đỏ bằng cách chôn lấp,
sau đó sẽ tiến hành hoàn thổ, phục hồi môi trƣờng. Bùn đỏ trƣớc khi thải ra bãi sẽ
đƣợc rửa ngƣợc dòng 6 bƣớc nhằm tận thu kiềm và alumin.
1.2.2. Trung hòa bùn đỏ
Do tính chất độc hại của việc xả thải và lƣu giữ bùn đỏ, việc nghiên cứu các
biện pháp xử lý và tái sử dụng bùn đỏ có ý nghĩa kinh tế xã hội đặc biệt quan trọng.
Để giải quyết vấn đề nhiễm kiềm cao, ngƣời ta đã đề xuất các phƣơng pháp xử lý
trung hòa, đáng lƣu ý nhất là sử dụng axit, nƣớc biển, hay thạch cao phế thải
(gypsum).
a) Trung hòa bùn đỏ bằng axit:
Các axit vô cơ nhƣ HCl, H2SO4 có thể sử dụng để trung hòa bùn đỏ. Ví dụ
trong trƣờng hợp sử dụng H2SO4, các phản ứng xảy ra nhƣ sau:
2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O
2NaAl(OH)4 + H2SO4 → Na2SO4 + 2Al(OH)3 ↓ + 2H2O
Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + CO2 ↑
Công nghệ xử lý trung hòa bùn đỏ bằng axit có thể thực hiện nếu có đủ
lƣợng lớn axit phế thải, tuy nhiên, trên thực tế nhà máy tinh chế nhôm hiếm khi gần
nguồn axit phế thải.
Có thể trung hòa bùn đỏ bằng các khí thải có tính axit, ví dụ CO2 và SO2. Tại
nhà máy tinh luyện bauxit Kwinnana (Austrailia) bùn đỏ đƣợc trung hòa bằng khí
CO2 từ một nhà máy amoniac gần đấy [11]. Các nhà máy chế biến bauxit Sumitomo
(Nhật Bản) và Eyrallumina (Italy) đã sử dụng bùn đỏ để lọc SO2 từ các ống khí thải
thông qua phản ứng trung hòa [12]. Các phản ứng trung hòa bằng pha khí dựa trên
sự khuếch tán khí vào dung dịch, khí SO2 làm giảm lƣợng các ion Na+ tự do và tăng
nồng độ H+, từ đó góp phần hòa tan các khoáng chứa natri:
12