Nghiên cứu xử lý đóng rắn bùn đỏ alumina tây nguyên bằng công nghệ geopolyme định hướng làm vật liệu không nung

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

LÊ ĐẶNG THÙY DUNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ĐÓNG RẮN BÙN ĐỎ
ALUMINA- TÂY NGUYÊN BẰNG CÔNG NGHỆ
GEOPOLYME ĐỊNH HƢỚNG LÀM VẬT LIỆU
KHÔNG NUNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2019


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

LÊ ĐẶNG THÙY DUNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ĐÓNG RẮN BÙN ĐỎ
ALUMINA- TÂY NGUYÊN BẰNG CÔNG NGHỆ
GEOPOLYME ĐỊNH HƢỚNG LÀM VẬT LIỆU
KHÔNG NUNG
Chuyên ngành: Hóa môi trường
Mã số: 8440112.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS Trần Hồng Côn
TS Công Tiến Dũng

Hà Nội - 2019


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS Trần Hồng Côn cùng
TS. Công Tiến Dũng đã trực tiếp giao đề tài, hướng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều để
tôi có thể hoàn thiện được báo cáo Luận văn thạc sỹ này theo đúng nội dung đề
cương nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô trong Khoa Hóa thuộc trường
Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và
truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu giúp tôi có nhiều kiến thức góp phần
hoàn thiện bản luận văn thạc sỹ này được tốt hơn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, các bạn sinh viên trong Phòng
thí nghiệm Hóa môi trường - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
và Phòng thí nghiệm Hóa học - Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã giúp đỡ trong thời
gian nghiên cứu và học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Học viên

Lê Đặng Thùy Dung

MỤC LỤC
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 3
1.1 Giới thiệu về bùn đỏ ...................................................................................... 3
1.1.1 Khái niệm ................................................................................................... 3
1.1.2 Hiện trạng phát thải bùn đỏ ở một số quốc gia trên thế giới và Việt Nam. ......... 6
1.1.3 Nghiên cứu xử lý, tái sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam ............. 10
1.2 Giới thiệu về công nghệ geopolyme (polyme vô cơ) .................................. 14
1.2.1 Khái niệm, lịch sử phát triển geopolyme.................................................. 14
1.2.2 Cơ chế phản ứng tạo geopolyme .............................................................. 19
1.3 Nghiên cứu chế tạo polyme vô cơ trong xử lý đóng rắn bùn đỏ trên thế giới
và Việt Nam .......................................................................................................... 22
1.3.1 Chế tạo polyme vô cơ trong xử lý đóng rắn bùn đỏ sử dụng cao
lanh/khoáng sét ................................................................................................. 22
1.3.2 Chế tạo polyme vô cơ trong xử lý đóng rắn bùn đỏ sử dụng tro bay....... 24
1.3.3 Xử lý đóng rắn bùn đỏ bằng phương pháp geopolyme sử dụng hỗn hợp
cao lanh, tro bay hoặc một số nguyên liệu khác ............................................... 28
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM .................................................................................. 31
2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................................. 31
2.1.1 Mục tiêu .................................................................................................... 31
2.1.2 Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 31
2.2 Hóa chất, dụng cụ .......................................................................................... 31
2.2.1 Hóa chất ................................................................................................... 31
2.2.2 Dụng cụ và thiết bị ................................................................................... 32
2.3 Phương pháp nghiên cứu xử lý đóng rắn bùn đỏ ........................................ 33
2.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của chất hoạt hóa ............................................... 33
2.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ cao lanh/tro bay đến tính chất của vật
liệu. .................................................................................................................... 36
2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng mẫu đến khả năng đóng rắn

của vật liệu. ....................................................................................................... 37
2.3.4 .... Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng mẫu đến khả năng đóng rắn của
vật liệu. .............................................................................................................. 37

i


2.4 Phương pháp hóa lý xác định đặc trưng tính chất của nguyên vật liệu ..... 37
2.4.1 Phương pháp phổ huỳnh quang tia X ....................................................... 37
2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X ..................................................................... 38
2.4.3 Phương pháp phổ hồng ngoại .................................................................. 40
2.4.4 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét ............................................ 40
2.4.5 Phương pháp tán xạ năng lượng tia X ..................................................... 41
2.5 Đánh giá thông số chất lượng của vật liệu geopolyme................................. 42
2.5.1 Phương pháp xác định cường độ chịu nén............................................... 42
2.5.2 Phương pháp xác định độ hút nước ......................................................... 44
2.5.3 Phương pháp kiểm tra độ pH ................................................................... 44
2.5.4 Phương pháp đo mức độ an toàn của vật liệu ......................................... 45
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 46
3.1 Thành phần và tính chất của nguyên vật liệu .............................................. 46
3.1.1 Bùn đỏ....................................................................................................... 46
3.1.2 Cao lanh ................................................................................................... 48
3.1.3 Tro bay ..................................................................................................... 50
3.2 Kết quả nghiên cứu đóng rắn xử lý bùn đỏ bằng chất kết dính vô cơ trên cơ
sở hỗn hợp cao lanh và tro bay ............................................................................ 52
3.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần cao lanh/tro bay tới tính chất vật liệu .. 52
3.2.2 Ảnh hưởng của chất kiềm hoạt hóa tới tính chất vật liệu ........................ 54
3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian lưu dưỡng mẫu ................................................ 62
3.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng mẫu ........................................................ 64
3.3 Nghiên cứu một số tính chất của vật liệu geopolyme sau đóng rắn xử lý bùn

đỏ ........................................................................................................................... 67
3.3.1 Đặc trưng cấu trúc của vật liệu bằng SEM, XRD, FT-IR ........................ 67
3.3.2 Độ hút nước của vật liệu .......................................................................... 71
3.3.3 Sự thay đổi pH nước ngâm mẫu vật liệu theo thời gian........................... 72
3.3.4 Mức độ an toàn môi trường của vật liệu .................................................. 73
Chƣơng 4. KẾT LUẬN ........................................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 76

ii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Một số hình ảnh thảm họa ô nhiễm từ bùn đỏ. ........................................... 9
Hình 1.2. Các dạng cấu trúc cơ bản của geopolyme. ................................................ 15
Hình 1.3. Hình ảnh geopolyme được chụp qua kính hiển vi điện tử quét. ............... 17
Hình 1.4. Cơ chế quá trình geopolymer hóa [35]. .................................................... 20
Hình 2.1. Hình ảnh khuôn đúc viên vật liệu. ............................................................ 32
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn đỏ. ................................................... 47
Hình 3.2. Ảnh SEM bùn đỏ Tân Rai. ........................................................................ 47
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu cao lanh. ................................................ 49
Hình 3.4. Ảnh SEM của cao lanh ở độ phóng đại khác nhau. .................................. 50
Hình 3.5. Ảnh SEM của tro bay Phả Lại II ở độ phóng đại khác nhau. ................... 51
Hình 3.6. Giản đồ XRD của tro bay Phả Lại II. ........................................................ 52
Hình 3.7. Cường độ chịu nén của vật liệu polyme vô cơ chế tạo được với tỉ lệ cao
lanh/tro bay khác nhau. ............................................................................................. 53
Hình 3.8. Cường độ chịu nén của vật liệu polyme vô cơ sử dụng chất hoạt hóa là
NaOH với các nồng độ khác nhau. ........................................................................... 55
Hình 3.9. Ảnh vật liệu geopolyme chế tạo được với chất hoạt hóa NaOH với nồng
độ khác nhau: (a) 4M, (b) 6M, (c) 8M, (d) 10M, (e) 12M. ....................................... 56
Hình 3.10. Cường độ chịu nén của vật liệu geopolyme theo hàm lượng Ca(OH)2 ở

nồng độ NaOH 4M (a), 6M (b), 8M (c), 10M (d). ................................................... 58
Hình 3.11. Cường độ chịu nén của vật liệu với chất hoạt hóa: NaOH và hỗn hợp
NaOH + Ca(OH)2 theo dõi sau 7 ngày (a) và sau 28 ngày (b). ............................... 59
Hình 3.12. Ảnh mẫu vật liệu geopolyme chế tạo được khi dùng NaOH + Ca(OH)2.61
Hình 3.13. Cường độ chịu nén của vật liệu chế tạo được khi chất hoạt hóa là hỗn
hợp NaOH + Thủy tinh lỏng + Ca(OH)2. .................................................................. 62
Hình 3.14. Cường độ chịu nén của vật liệu ở các thời gian dưỡng mẫu khác nhau. 63
Hình 3.15. Cường độ chịu nén theo thời gian của các vật liệu chế tạo được với nhiệt
độ dưỡng khác nhau trong 24h đầu tiên. ................................................................... 65

iii


Hình 3.16. Ảnh các mẫu vật liệu sau 7 ngày dưỡng ở nhiệt độ khác nhau: nhiệt độ
phòng (a); 600C (b) và 800C (c). ............................................................................... 66
Hình 3.17. Kết quả SEM-EDX của mẫu geopolyme XV13: (a) Ảnh SEM và các
điểm đo; (b),(c),(d),(e),(f) lần lượt là các điểm đo EDX số 1,2,3,4,5. ...................... 68
Hình 3.18. Ảnh SEM của mẫu XV13 ở độ phóng đại khác nhau. ............................ 69
Hình 3.19. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu XV13. .................................................. 70
Hình 3.20. Phổ hồng ngoại của mẫu geopolyme XV13............................................ 70
Hình 3.21. Giá trị pH của dung dịch ngâm mẫu vật liệu .......................................... 73

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Danh mục hóa chất, nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu .................... 31
Bảng 2.3. Thành phần phối liệu chế tạo polyme vô cơ sử dụng chất hoạt hóa NaOH34
Bảng 2.4. Thành phần phối liệu chế tạo polyme vô cơ sử dụng chất hoạt hóa NaOH
và Ca(OH)2 ................................................................................................................ 35

Bảng 2.5. Thành phần phối liệu chế tạo polyme vô cơ sử dụng chất hoạt hóa là hỗn
hợp NaOH, Ca(OH)2 và thủy tinh lỏng ..................................................................... 36
Bảng 2.6. Ảnh hưởng của tỉ lệ cao lanh/ tro bay (g/g) đến tính chất vật liệu ........... 36
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của bùn đỏ Tân Rai theo phương pháp XRF .......... 46
Bảng 3.2. Thành phần hóa học của cao lanh Trúc Thôn theo phương pháp XRF .... 48
Bảng 3.3. Thành phần hóa học của tro bay Phả Lại II theo phương pháp XRF ....... 50
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ cao lanh/tro bay đến cường độ chịu nén của vật liệu53
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của NaOH đến cường độ chịu nén của vật liệu ..................... 54
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của hỗn hợp NaOH + Ca(OH)2 đến cường độ chịu nén của vật
liệu ............................................................................................................................. 57
Bảng 3.7. Bảng so sánh cường độ chịu nén của vật liệu khi sử dụng chất hoạt hóa là
NaOH và hỗn hợp NaOH + Ca(OH)2 sau 7 ngày và 28 ngày dưỡng ....................... 59
Bảng 3.8. Cường độ chịu nén của vật liệu sử dụng chất hoạt hóa là hỗn hợp NaOH
+ thủy tinh lỏng + Ca(OH)2....................................................................................... 61
Bảng 3.9. Cường độ chịu nén của vật liệu với thời gian dưỡng mẫu khác nhau ...... 63
Bảng 3.10. Cường độ chịu nén theo thời gian của vật liệu geopolyme dưỡng ở nhiệt
độ khác nhau trong 24 giờ đầu tiên ........................................................................... 65
Bảng 3.11. Độ hút nước của một số mẫu vật liệu ..................................................... 71
Bảng 3.12. Kết quả đo pH của dung dịch ngâm các mẫu vật liệu sau 28 ngày dưỡng ....... 72
Bảng 3.13. Kết quả đo nồng độ kim loại trong các dung dịch ngâm các mẫu vật liệu
sau 28 ngày dưỡng .................................................................................................... 74

v


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Energy Dispersive X-ray

EDX:

Tán xạ năng lượng tia X

L.O.I

Mất khi nung

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

SEM

Hiển vi điện tử quét

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

XRD

Nhiễu xạ tia X

X-Ray diffraction

XRF

Huỳnh quang tia X

X-ray fluorescence

FA

Tro bay

Fly ash

RM

Bùn đỏ

Red mud

GP

Polyme vô cơ

Geopolyme

KTV

Spectrometry
Loss On Ignition
Scanning Electron Microscopy

Tập đoàn công nghiệp
Than khoáng sản Việt Nam

BOD

Nhu cầu oxy sinh học

Biochemical oxygen demand

COD

Nhu cầu oxy hóa học

Chemical oxygen demand

C-S-H

Canxi silicat hydrat

C-A-S-H

Canxi alumin silicat hydrat

vi


MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã đưa nền
kinh tế đất nước ta có những bước phát triển đáng kể. Tuy nhiên, đồng hành với sự
phát triển này cũng kéo theo nhiều hệ lụy ảnh hưởng đến môi trường sinh thái
chúng ta, tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt, môi trường thì ô nhiễm một
cách nghiêm trọng, đặc biệt là các loại chất thải rắn như chất thải sinh hoạt, chất
thải công nghiệp, nông nghiệp…
Bùn đỏ là bã thải trong quá trình sản xuất oxit nhôm đi từ boxit theo
phương pháp Bayer. Việc xử lý bùn đỏ đang là mối quan tâm của rất nhiều quốc
gia trên thế giới đặc biệt là những quốc gia sản xuất nhôm. Tại Việt Nam, chỉ tính

riêng nhà máy sản xuất Alumin Nhân Cơ-Tây Nguyên, phần đuôi quặng nước thải
và bùn thải có khối lượng 11 triệu m3/năm, tổng diện tích hồ thải sau 15 năm
khoảng 8,7 triệu m3. Với dự án Tân Rai, lượng bùn đỏ thải ra môi trường trong
suốt quá trình dự án Tân Rai hoạt động là 80 ÷ 90 triệu m3, nhưng tổng diện tích
hồ chứa của dự án chỉ có 20,25 triệu m3. Như vậy, cùng với sự phát triển xây dựng
và vận hành các nhà máy nhôm ở Việt Nam, sẽ thải ra một lượng chất thải bùn đỏ
rất lớn, chiếm một diện tích đất rất lớn để tồn trữ và là gánh nặng về môi trường,
tác động đáng kể đến hệ sinh thái và xã hội.
Do trong thành phần hóa học của bùn đỏ có chứa kiềm, dễ ngấm xuống đất
gây ô nhiễm nguồn nước, thoái hóa đất trồng hoặc trong thành phần có thể có chất
phát phóng xạ…rất khó lưu giữ và quản lý. Vì vậy, hiện nay có rất nhiều giải pháp
khoa học đang được đưa ra để xử lý vấn đề môi trường do bùn đỏ gây ra. Trên thế
giới đã và đang có rất nhiều nghiên cứu về bùn đỏ như thu hồi kim loại từ bùn đỏ,
tái sử dụng bùn đỏ làm các vật liệu để sản xuất xi măng, gạch block, gạch nung, xây
dựng đường cao tốc, sản xuất vật liệu công năng. Thời gian gần đây, bùn đỏ còn
được nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi môi trường, đây là một hướng
đi hết sức có ý nghĩa. Các nhà nghiên cứu đã tận dụng đặc điểm của bùn đỏ là có
diện tích bề mặt lớn, khả năng trao đổi ion cao để chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý các
chất ô nhiễm trong nước thải. Ở Việt Nam, do ngành công nghiệp chế biến nhôm

1


mới phát triển nên các công trình nghiên cứu về tái sử dụng bùn đỏ thành vật liệu
xây dựng vẫn còn hạn chế.
Với mục đích sử dụng bùn đỏ cùng với một số phối liệu khác như cao lanh,
tro bay làm gạch không nung đang là một hướng đi mới, không những mang lại giá
trị kinh tế cao mà còn góp phần làm giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường, chúng
tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý đóng rắn bùn đỏ Alumina- Tây Nguyên
bằng công nghệ Geopolyme định hướng làm vật liệu không nung”.

2


Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về bùn đỏ
1.1.1 Khái niệm
Bùn đỏ là tên gọi của chất thải từ quá trình hòa tách khoáng sản alumin ngậm
nước của boxit theo phương pháp Bayer. Hiện nay, khoảng 90% alumin trên thế
giới được sản xuất bằng công nghệ Bayer (sáng chế của Bayer năm 1887) [6], đây
là công nghệ thủy luyện. Quá trình sản xuất Alumina thực chất là quá trình làm giàu
Al2O3 nhằm tách lượng Al2O3 trong boxit ra khỏi các hợp chất khác.
Trong boxit có đến 30÷54% là Al2O3, phần còn lại là các silica, oxit Fe,
TiO2. Alumin (Al2O3) phải được tinh chế trước khi có thể sử dụng để điện phân sản
xuất ra nhôm kim loại. Trong quy trình Bayer, boxit bị chuyển hóa bởi dung dịch
NaOH nóng đến 1750C để trở thành hydroxyt nhôm, Al(OH)3 tan trong dung dịch
hydroxyt theo phản ứng:
Al2O3 + 2OH− + 3H2O → 2[Al(OH)4]−
Các thành phần khác không hòa tan theo phản ứng trên sẽ được lọc và loại bỏ
ra khỏi dung dịch tạo thành bã thải màu đỏ và đó chính là bùn đỏ. Chính thành phần
bùn đỏ này gây nên vấn đề môi trường liên quan đến đổ thải. Tiếp theo, dung dịch
hydroxyt được làm lạnh và hydroxyt nhôm ở dạng hòa tan phần lắng tạo thành một
dạng chất rắn, bông, có màu trắng. Khi nung nóng lên tới 10500C (quá trình canxi
hóa), hydroxyt nhôm phân hủy vì nhiệt trở thành alumin và giải phóng hơi nước
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
Về cơ bản trong bùn đỏ vẫn là các nguyên tố có trong thành phần boxit
không hòa tan trong kiềm như Ga, Vanadi, P, Nikel, Cr, Mg và có thêm thành phần
Na hoặc Ca [7].
Khối lượng và chất lượng bùn đỏ rất khác nhau tại các nhà máy luyện alumin
khác nhau. Để hiểu rõ hơn về bản chất của bùn đỏ người ta thường tách nó ra thành

hai pha: pha rắn và pha lỏng để phân tích.
- Pha rắn: được đặc trưng bởi các yếu tố chính như thành phần hóa học,
khoáng vật, cỡ hạt,...;
+ Thành phần hóa học: theo báo cáo tổng hợp của UNIDO, tài liệu chuyển
giao cho Việt Nam trong khuôn khổ dự án DPVIE 85-006.

3


+ Thành phần khoáng vật: về định tính thì tương tự như thành phần của boxit
nhưng thay đổi về định lượng và có thêm hai pha mới là Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O
và hợp chất có thành phần dao động của CaO với các cấu tử Al2O3, Na2O và SiO2.
+ Thành phần hạt: cỡ hạt từ mịn đến rất mịn (do Bauxite khi đem đưa vào
hòa tách phải nghiền đến cỡ hạt nhỏ, tỏng quá trình cũng tự vỡ vụn), đa phần có cấp
hạt 100% dưới sàng 100 µm, bùn đỏ (bauxite Jamaica) dưới sàng 44 µm tới 90 %.
Thành phần khoáng học và hoá học cũng như đặc tính vật lý của bùn đỏ từ
các nhà máy luyện alumin trên thế giới được nêu ở các bảng dưới đây [8].
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của các loại bùn đỏ, (%) [8]
Nhiệt

Boké

Weipa

Tromnetas

South

Darling

Iszka

Pamasse

độ hòa

(Guinea)

(Úc)

(Brasil)

Manchester

Range

(Hungary)

(Hi

(Jamaica)

(Úc)

143

245

143

240

260

tách

Lạp)

(0C)

240

Al2O3

14,0

17,2

13,0

10,7

14,9

14,4

13,0

SiO2

7,0

15,0

12,9

3,0

42,6

12,5

12,0

Fe2O3

32,1

36,0

52,1

61,9

28,0

38,0

41,0

TiO2

27,4

12,0

4,2

8,1

2,0

5,5

6,2

Na2O

4,0

9,0

9,0

2,3

1,2

7,5

7,5

CaO

3,2

-

1,4

2,8

2,4

7,6

10,9

Khác

2,3

3,5

1,0

2,8

2,4

4,9

2,3

MKN

10,0

7,3

6,4

8,4

6,5

9,6

7,1

240

Bảng 1.2. Thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ [8]
STT

Thành phần hóa học

Tỉ lệ (%)

1

Al2O3

5÷25

2

SiO2

1÷20

3

Fe2O3

25÷60

4

TiO2

1÷10

5

CaO

2÷8

6

Na2O

1÷10

7

MKN (H2O liên kết)

5÷15

4


Bảng 1.3. Thành phần khoáng hóa của các loại bùn đỏ [8].
Hợp chất

Boké

(%)

(Guinea)

Weipa Tromnetas
(Úc)

(Brasil)

South

Darling

Iszka

Pamasse

Manchester

Range

(Hungary)

(Hi

(Jamaica)

(Úc)

Lạp)

Gibbsite

-

33,0

-

33,0

5,6

-

-

Hematite

20,0

3,5

38,0

3,5

14,5

33,0

38,0

Goethite

16,0

18,0

19,0

10,0

14,5

6,0

1,0

22,

16,0

Cancrinite
SAHS

21,0

27,0

27,0

27,0

5,4

-

Sodalite

-

-

-

-

-

10,0

10,0

Illite

-

2,0

-

2,0

4,7

-

-

Boehmite

5,0

2,0

0,6

2,0

3,5

0,8

0,6

Diaspore

1,2

-

1,2

2,0

2,5

0,7

0,6

Ca-Al-Si

-

-

-

-

1,7

12,5

10,0

CaTiO2

2,0

-

1,5

-

-

7,0

10,0

Calcite

4,6

0,5

1,4

0,5

2,3

3,0

3,6

Quartz

-

6,0

2,2

6,0

37,1

-

-

Anatase

7,0

2,0

2,5

2,0

1,0

-

-

Rutile

19,0

6,0

0,8

6,0

-

-

-

Na-

2,0

-

-

-

0,6

-

-

Magnetite

-

-

-

-

1,3

-

-

Chamosite

-

-

-

-

-

-

0,6

Ilmenite

-

-

-

-

1,0

-

-

2,2

-

5,8

3.4

5,0

3,7

Titanates

Khác

- Pha lỏng của bùn đỏ được đặc trưng bởi thành phần hóa học của 3 cấu tử
Na2Ot (NaOH + Na2CO3), Na2Oc (NaOH) và Al2O3. Cũng theo tài liệu đã dẫn ở
trên, thành phần hóa học của pha lỏng có thể dao động như sau: (Na2Ot= 0,6÷8,0

g/l; Na2Oc= 0,5÷6,0 g/l. Al2O3 = 0,5÷3,0 g/l).
Như vậy, bùn ở pha rắn có Na2O ở dạng liên kết còn ở pha lỏng Na2O ở dạng
tự do (NaOH). Na2O ở pha rắn ít độc hại hơn khi ở trong pha lỏng.

5


Ngoài ra, độ kiềm trong bùn đỏ được tích lũy do phương pháp xử lý và lưu
trữ để tận thu kiềm lên độ kiềm ở mức rất cao lên đến pH >13 ảnh hưởng tới môi
trường nghiêm trọng nếu không được thu gom, cách ly. Đặc biệt dung dịch này sẽ
thấm vào đất, ảnh hưởng tới cây trồng, xâm nhập vào mạch nước ngầm gây ô nhiễm
nguồn nước. Phần bùn thải khô là các hạt bụi mịn nhỏ (< 60% là các hạt có kích
thước < 1µm) nên dễ phát tán vào không khí gây ô nhiễm môi trường, gây ra các
bệnh về da và mắt. Nước thải khi tiếp xúc với da làm mất đi lớp nhờn, làm da khô
ráp, sần sùi, đau rát, có thể sưng tấy, loét mủ.
1.1.2 Hiện trạng phát thải bùn đỏ ở một số quốc gia trên thế giới và Việt Nam.
Song song với các hoạt động khai thác quặng Boxit là tình trạng suy giảm tài
nguyên và ô nhiễm môi trường. Đặc biệt là vấn đề xả thải bùn đỏ có nguy cơ ảnh
hưởng xấu đến nguồn nước ngầm, nước mặt, phá hủy môi trường sinh thái và sức
khỏe người dân địa phương. Thông thường sản xuất ra một tấn nhôm oxit sẽ thải ra
0,5 ÷ 1,5 tấn bùn đỏ. Thế giới mỗi năm sản sinh ra khoảng 80 triệu tấn bùn đỏ và
lượng bùn đỏ có tích trữ lớn nhất nằm tại Trung Quốc, năm 2010 lượng bùn đỏ sản
sinh ra tại Trung Quốc là trên 30 triệu tấn, và tại thời điểm hiện tại đã đạt tới 200
triệu tấn, dự kiến đến năm 2015 bùn đỏ tích lũy của Trung Quốc vào khoảng 350
triệu tấn[45].
Ở Việt Nam, 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 Tân Rai công suất 650.000
tấn/năm sẽ thải ra 1.500.000 tấn bùn đỏ/năm. Theo đà phát triển như vậy, tính đến
năm 2025 thì lượng bùn đỏ thải ra là 15 triệu tấn đối với nhà máy Tân Rai và 12
triệu tấn đối với nhà máy Nhơn Cơ. Theo tập đoàn than và khoáng sản Việt Nam,

quy hoạch phát triển bauxit ở Tây Nguyên đến năm 2015, mỗi năm sản xuất khoảng
7 triệu tấn, tương đương với việc cho ra 10 triệu tấn bùn đỏ. Cứ như thế sau 50 năm
sẽ có 1,15 tỉ tấn bùn đỏ tồn đọng trên vùng đất Tây Nguyên.
Do vậy, vấn đề cấp bách đặt ra là một lượng lớn bùn đỏ thải ra ngoài môi
trường như vậy nếu không được quản lý và xử lý đúng sẽ gây ra những hậu quả
nghiêm trọng.
1) Một lượng bùn thải lớn như vậy cần sử dụng một diện tích để lưu trữ
tương đối lớn nên làm mất khả năng sử dụng đất trong thời gian dài.

6


2) Trong bùn đỏ vẫn chứa một lượng kiềm dư và dung dịch aluminat natri
không thể thu hồi hết được nên dung dịch bùn đỏ mang tính kiềm cao. Dung dịch
bùn đỏ phân ly thành nhiều pha với các kích cỡ hạt khác nhau, trong đó pha cỡ hạt
siêu nhỏ, mịn gồm các kim loại nặng độc hại sẽ ngấm sâu xuống đất, còn pha có cỡ
hạt lớn lại không thể liên kết với nhau nên khi gặp mưa rất nguy hiểm, dễ bị trôi lấp
nên khi thấm vào đất gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước, cả với nguồn nước
ngầm. Các hạt bùn đỏ khi khô có khả năng phát tán vào không khí, ảnh hưởng đến
sức khỏe của con người đặc biệt là đường hô hấp.
3) Các đập của hồ chứa bùn đỏ sẽ giống như đập hồ thủy điện, phải chịu áp
lực do áp lực thủy tĩnh của bùn đỏ ướt tạo ra nên rất kém an toàn. Bùn đỏ có thể gây
ra sự cố nghiêm trọng (ăn mòn) dẫn đến làm hỏng đường ống dẫn khí hay đường sắt.
4) Đặc biệt là nguy cơ bùn đỏ làm ô nhiễm các nguồn nước hạ lưu khi bể
chứa bị vỡ.
Sự cố vỡ đập chứa bùn đỏ của nhà máy Alumin Ajka ở Hungary ngày 4 tháng
10 năm 2010 chính là một minh chứng cho hậu quả của việc ô nhiễm bùn đỏ. Sự cố
này đã làm rung động cả thế giới và được coi là thảm họa tràn hóa chất nghiêm trọng
nhất trong lịch sử Hungary [47]. Khoảng 700 000m3 bùn đỏ tràn ra dưới dạng sóng 12m, gây ngập lụt các địa phương lân cận. Ít nhất 10 người thiệt mạng và 120 người bị
thương (người chết đuối, người bị bỏng do dung dịch có nồng độ kiềm cao). Khoảng

40km2 đất nông nghiệp dọc theo sông Torna và Marcal bị ảnh hưởng nặng nề của
thảm họa này. Ba tỉnh của Hungary được đặt trong tình trạng báo động về môi
trường. Sau mấy ngày, bùn đỏ khô đã trở thành mối nguy hiểm mới đó là bụi bùn đỏ
khô có chứa chất kiềm có thể gây bệnh nặng khi xâm nhập vào đường hô hấp của con
người. Như vậy, mặc dù việc xây dựng hồ đập đã được tính toán thiết kế để đảm bảo
an toàn cao nhất, nhưng cũng khó lường hết rủi ro có thể xảy ra. Đây là một lời cảnh
báo đối với những nước đang triển khai các dự án khai thác và tinh chế quặng bauxit.
Việc nghiên cứu các giải pháp làm giảm sức ép về khối lượng 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 như giới khoa học công nghệ.
Hiện nay, việc lưu trữ bùn đỏ tại một số nước lựa chọn một trong số các
cách [28]: phương pháp đổ thải xuống biển đổ thải trực tiếp bùn đỏ xuống biển,

7


thường là được dẫn ra xa bờ và đổ vào biển sâu. Phương pháp này đến nay đã
ngừng áp dụng vì tuy làm giảm áp lực về nhu cầu sử dụng đất, không cần tiến
hành cải tạo đóng cửa bãi thải tuy nhiên nó lại làm ô nhiễm vùng biển, tăng độ đục
của nước biển dẫn đến nguy cơ phá hủy hoàn toàn môi trường sông của sinh vật
sống dưới đáy thủy vực; phương pháp thải bùn đỏ thải vào vùng trũng tận dụng
vùng có địa hình tự nhiên hoặc các lòng moong khai thác mỏ hoặc đất tạo thành,
có lót một lớp đất sét hoặc kết hợp các màng nhự chống thấm, vải kỹ thuật để đổ
bùn đỏ vào đó để lưu giữ, mặc dù phương pháp này giảm chi phí sử dụng đất, hạn
chế được ô nhiễm nhưng cần có hồ chứa có diện tích lớn để lưu giữ, cần có kế
hoạch và vốn để đáp ứng yêu cầu đóng cửa phục hồi bãi thải. Ngoài ra, bùn đỏ cần
được trung hòa nếu không sẽ tạo nên dạng hồ có độ kiềm cao và chất độc hại cao
thoát ra gây ô nhiễm môi trường nước mặt và nước ngầm, chi phí xây dựng và duy
trì cao; phương pháp đổ thải khô trải nhiều lớp bùn đỏ được rửa rồi cô đặc ở dạng
hỗn hợp sau đó tiến hành đổ thải, được tháo khô và bay hơi dưới mặt trời để bùn

đỏ khô, áp dụng cho nơi thiếu diện tích đất. Phương pháp này mặc dù an toàn,
giảm nguy hại cho con người và động vật hoang dã, tuy nhiên sử dụng hạn chế vì
đắt và những nơi đất bằng phẳng sẽ thẩm thấu nhiều hơn., khó khăn ở những nơi
có mưa nhiều, khả năng bốc hơi kém, bùn trước khi thải phải cô đặc; phương pháp
thải khô bùn đỏ sau quá trình rửa được lọc khô thành bánh. Phương pháp này giảm
thiểu diện tích bãi thải, phù hợp với mọi địa hình, không cần đập lớn, không có
nguy cơ thảm họa địa chấn mà phương pháp này là đầu tư thiết bì cao và chi phí
vận hành tốn cho khâu lọc khô bùn đỏ trước khi đổ thải.
Ở Trung Quốc, toàn bộ bùn đỏ đều tích chứa lộ thiên, hơn nữa phần lớn đập
bãi chứa dùng bùn đỏ xây dựng. Tuy nhiên, bùn đỏ lộ thiên vẫn có thể hình thành
bụi theo gió cuốn lên gây ô nhiễm không khí, tạo ảnh hưởng tiêu cực đối với sự sinh
tồn của nhân loại và động thực vật, môi trường sinh thái bị chuyển biến xấu. Còn ở
nước ta, trong dự án khai thác mỏ bauxit, Tập đoàn công nghiệp than khoáng sản
Việt Nam (TKV) cũng đã đề cập đến một số phương án xử lý bùn đỏ, trong đó
phương án khả thi nhất là chôn lấp. Hiện nay, TKV đã tính toán cụ thể khối lượng
bùn đỏ thải, khu vực thải và việc xử lý chất thải theo nhiều phương án khả thi. Ở
Lâm Đồng đã xây dựng hồ chứa bùn đỏ với tổng diện tích lên tới 318 ha nằm ở

8


thung lũng để tránh nguy cơ trôi chảy bùn đỏ đến nơi khác. Còn về dự án sản xuất
alumin Nhân Cơ, khi công suất hoạt động đạt 650 ngàn tấn /năm thì lượng bùn đỏ
thải ra đạt gần 1,4 triệu tấn/năm (tương đương khoảng 954 ngàn m3). Dự án này
cũng đề ra biện pháp xử lý bùn đỏ bằng cách chôn lấp, sau đó sẽ tiến hành hoàn thổ,
phục hồi môi trường. Bùn đỏ trước khi thải ra sẽ được rửa ngược dòng 6 bước nhằm
tận thu kiềm và alumin. Tuy nhiên vấn đề đặt ra hiện nay là việc giảm tích trữ và sử
dụng lượng lớn bùn đỏ vì tích trữ bùn đỏ không chỉ chiếm dụng nhiều diện tích, tiêu
hao chi phí xây dựng, bảo vệ đồng thời còn tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn và môi
trường. Giải quyết vấn đề bùn đỏ không chỉ là lưu giữ an toàn mà thế giới đã và

đang nỗ lực nghiên cứu bùn đỏ như một nguồn tài nguyên trong đó Trung Quốc là
nước có nhu cầu bức thiết hơn cả. Tỉ lệ sử dụng tổng hợp bùn đỏ ở Trung Quốc hiện
đạt khoảng 5,24% [2]. Giải quyết vấn đề bùn đỏ không những chỉ là lưu giữ an toàn
mà các nghiên cứu hiện nay đang hướng tới việc sử dụng bùn đỏ như một nguồn tài
nguyên để sản xuất ra các vật liệu cung cấp cho ngành xây dựng, giao thông như
sản xuất xi măng, gạch không nung, bê tông... gần đây, bùn đỏ còn được nghiên cứu
để ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi môi trường, đây là hướng đi hết sức ý nghĩa,
lấy “chất thải xử lý chất thải” [3].

Hình 1.1. Một số hình ảnh thảm họa ô nhiễm từ bùn đỏ.

9


1.1.3 Nghiên cứu xử lý, tái sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam
Hiện trên thế giới và cả ở Việt Nam, công nghiệp sản xuất nhôm vẫn đã và
đang phát triển, lượng bùn đỏ thải ra môi trường ngày càng tăng không ngừng làm
cho các nhà quản lý và các nhà khoa học cần phải có nhiều nghiên cứu hơn nữa
trong việc xử lý bùn đỏ và mục đích lớn hơn là tái sử dụng nó trở thành vật liệu thân
thiện với môi trường.
Những năm gần đây, bùn đỏ được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
như ứng dụng để sản xuất xi măng, sản xuất gạch, xây dựng đường cao tốc,…hiện nay
bùn đỏ còn được nghiên cứu sản xuất thành vật liệu đa công năng, tách chiết các
nguyên tố quý hiếm…
1.1.3.1 Ứng dụng làm vật liệu xây dựng
* Ứng dụng trong sản xuất xi măng
Bùn đỏ có chứa β-2CaO.SiO2 chính là một chất kết dính rất hay dùng trong
sản xuất vật liệu xây dựng. Cho đến năm 1998, tại Trung Quốc hơn 6 triệu tấn bùn
đỏ đã được sử dụng để sản xuất xi măng, hàm lượng bùn đỏ trong xi măng có thể
lên tới 50% [40] . Trong một nghiên cứu của các nhà khoa học Ấn Độ, xi măng giàu

sắt được chế tạo bằng cách trộn hỗn hợp vôi, bùn đỏ, boxit, gypsum ở nhiệt độ nung
tốt nhất là 12500C, thành phần của xi măng được chia làm 2 nhóm: nhóm A có tỉ lệ
của vôi là 47,5%, Gypsum 7.5% còn nhóm B có tỉ lệ của vôi la 32,5% và Gypsum
là 12.5%, tỉ lệ của bùn đỏ và boxit không đổi trong khoảng từ 0-50%. Tùy vào yêu
cầu tính chất của xi măng mà lựa chọn các tỉ lệ thành phần khác nhau[42].
* Chế tạo gạch nung và gạch không nung
Do bùn đỏ có kích thước hạt nhỏ với thành phần chính là các oxit kim loại
(Fe2O 3, Al2O 3, SiO2 , Na2O,...) và một lượng lớn kiềm (NaOH) nên thích hợp để
sản xuất gạch không nung và gạch nung ở nhiệt độ thấp trên cơ sở nguyên lý chế
tạo vật liệu geopolyme.
Một số công trình đã nghiên cứu tái sử dụng bùn đỏ làm gạch không nung
bằng cách thêm đưa thêm các phụ gia giàu Si, Ca như tro bay, Gypsum và đưa ra tỷ
lệ sử dụng trong các vật liệu nghiên cứu: bùn đỏ 25- 40%; tro bay là 18- 28%; vôi
8- 10%; gypsum là 1-3% và xi măng Porland là 1%. [40].

10


Tác giả Arun thì đã đưa ra quy trình chế tạo gạch không nung như sau: bùn
đỏ chứa 30% nước, pH >13; bổ sung thêm 0.2% sắt nguyên tố; tiếp theo thêm
12,5% dung dịch axit H3PO4 85%, khuấy và đổ vào khuôn 20cm x 10cm x 6cm,
nén ở áp suất 1000psi và để ổn định trong 1 ngày. Viên gạch tạo ra có thể chịu được
lực nén tối thiểu là 20Mpa. Cơ sở của nghiên cứu này chính là quá trình Geopolyme
phosphat sử dụng bùn đỏ dựa trên phản ứng axit – bazơ giữa axit photphoric với các
ion sắt và các chất rắn khác [13]. Trong môi trường pH từ 2÷ 7, xảy ra phản ứng
phân ly tạo thành ion HPO42-, đồng thời FeO bị hòa tan trong môi trường có tính
axit, phân ly thành ion Fe2+. Sau đó xảy ra phản ứng giữa Fe2+ và HPO42- để tạo
thành sản phẩm cuối cùng là FeHPO4. FeHPO4 chính là tác nhân tạo chất kết dính
giữa các pha rắn với nhau. Tuy nhiên, sắt trong bùn đỏ thường tồn tại dưới dạng
hematit (Fe2O3), do vậy cần phải khử Fe3+ về Fe2+ để làm việc đó người ta sử dụng

cơ chế khử bằng cách bổ sung một ít sắt nguyên tố để thúc đẩy phản ứng khử Fe2O3
về FeO:
Fe2O3 + δFe = δFeO + Fe2O3-δ
Ở Việt Nam, ngành công nghiệp chế biến nhôm mới phát triển nên các công
trình nghiên cứu về tái sử dụng bùn đỏ thành vật liệu xây dựng vẫn còn hạn chế.
Những nghiên cứu ban đầu có thể kể đến là nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học
Bách khoa Hà Nội làm vật liệu chịu từ bùn đỏ[9], sau đó là nghiên cứu làm vật liệu
xốp [10]. Tác giả đã xử lý bùn đỏ bằng khí SO2 sau đó chế tạo vật liệu đóng rắn
nung và không nung từ bùn đỏ. Phối liệu gồm có bùn đỏ: đất sét: chất khoáng hóa
Na2SiF6 với tỉ lệ khối lượng 80:20:1, nung 90 phút ở 10000C thu được gạch nung có
cường độ nén đạt 102,7kg/cm2, đáp ứng tiêu chuẩn gạch đặc đất sét nung. Vật liệu
đóng rắn không nung với tỉ lệ phối liệu xi măng là 15%, bùn đỏ 50% (hoặc 55%),
cát sông 35% (hoặc 30%) có cường độ nén đạt cực đại khoảng 57- 58kg/cm2 sau
thời gian 4 tuần đóng rắn.
Một công trình nghiên cứu nữa của PGS.TS Vũ Đức Lợi về chế tạo gạch
không nung từ bùn đỏ theo công nghệ Geopolyme, sử dụng hai phương pháp nén ép
và đổ khuôn, sản phẩm gạch đạt TCVN 6476: 1999, các chỉ tiêu về cường độ nén
đạt mác cao hơn so với tiêu chuẩn quy định và đảm bảo các quy định về môi
trường. [4].

11


* Ứng dụng trong sản xuất gốm thủy tinh
Bùn đỏ chính là nguồn khoáng có giá trị chứa CaO, Al2O3, SiO2, Fe2O3 và
TiO2. Thành phần hóa học của bùn đỏ rất phù hợp cho sản xuất gốm thủy tinh. Việc
sử dụng bùn đỏ trong lĩnh vực này đã được tổng quan bởi R.Paramguru [48], bùn đỏ
có thể được sử dụng là thành phần chủ yếu trong gốm thủy tinh, hoặc một thành
phần nhỏ để nhuộm màu hay tác nhân pha thủy tinh. Nhiều công thức pha chế đã
được phát triển cho các ứng dụng khác nhau, bao gồm cả đồ dùng gia đình, gạch

chịu nước và chịu lửa, nhuộm màu gạch khối xây dựng, trong tất cả các sản phẩm
này bùn đỏ có thể được sử dụng kết hợp với các phế liệu khác như tro bay, tro
xỉ…Năm 2000, Sglavo và cộng sự [54] đã báo cáo kết quả nghiên cứu sự ảnh
hưởng của hàm lượng bùn đỏ và nhiệt độ nung hỗn hợp đất sét- bùn đỏ trong sản
xuất gốm thủy tinh. Kết quả chứng tỏ rằng bùn đỏ khô là một thành phần trơ của
hỗn hợp khi nhiệt độ nung dưới 9000C, điều này dẫn đến kết luận bùn đỏ chỉ đóng
vai trò như một chất độn hoặc chất tạo mầu, việc tăng hàm lượng bùn đỏ sẽ làm
giảm độ bền của sản phẩm. Tại nhiệt độ cao hơn, sự có mặt của soda và oxit silic
trong chất thải thúc đẩy sự hình thành silicat natri làm tăng tính dễ chảy của vật liệu
và tăng độ bền của sản phẩm sau cùng. Sắt và titan phản ứng tại nhiệt độ 10000C tạo
thành titan sắt làm tăng độ bền của sản phẩm và tạo ra màu nâu.
1.1.3.2 Ứng dụng làm chất hấp phụ trong công nghệ môi trường
Khả năng hấp phụ của bùn đỏ được nghiên cứu từ đầu những năm 1990. Do
có tính kiềm cao nên bùn đỏ có thể vừa là tác nhân kết tủa, vừa hấp phụ kim loại
nặng. Để cải thiện tải trọng hấp phụ, bùn đỏ được nghiên cứu hoạt hóa bằng các
phương pháp khác nhau: xử lý nhiệt, xử lý bằng axit hay H2O2, xử lý kết hợp nhiệt
và hóa chất. Một số ứng dụng cụ thể của bùn đỏ:
* Sử dụng bùn đỏ hấp phụ ion kim loại phóng xạ trong nước thải
Theo nghiên cứu của Thổ Nhĩ Kỳ dùng bùn đỏ để hấp phụ các nguyên tố
phóng xạ Cs137, Sr90 trong nước. Bùn đỏ trước khi sử dụng được tiến hành thông
qua 3 bước rửa nước, rửa axit, xử lý nhiệt, nhằm tạo ra một loại giống chất hấp phụ
oxi hydrat. Bề mặt xử lý nhiệt của bùn đỏ trong Cs137 không có lợi cho hoạt tính bề
mặt hấp phụ Sr90, dẫn đến năng lực hấp phụ đối với Sr90 không cao.

12


* Sử dụng bùn đỏ loại bỏ kim loại nặng trong nước thải
Trong một nghiên cứu của Nhật Bản cho thấy khi đem nung bùn đỏ ở nhiệt
độ 600°C trong 30 phút, sau đó đưa vào trong nước thải có hàm lượng Cd2+

3,5mg/l, Zn2+ 4mg/l, Cu2+ 5mg/l, khuấy 10 phút, có thể loại bỏ 98% đối với Cd2+,
Zn2+, Cu2+, lượng bùn đỏ cho vào là 500mg/l. Từ Tiến Tu [57] thực hiện thí nghiệm
bùn đỏ (phương pháp Bayer) xử lý nước thải có hàm lượng Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+.
Bùn đỏ không qua nung được trực tiếp sử dụng xử lý nước thải có thể làm cho nó
đạt tiêu chuẩn xả thải. Nguyễn Trung Minh [5] đã nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp
phụ kim loại nặng từ bùn đỏ Bảo Lộc, khả năng hấp phụ của vật liệu Pb2+ là 21,7
(mg/g) và hiệu suất loại bỏ Pb khỏi dung dịch là 68,73%.
* Loại bỏ ion PO43- trong nước thải
Jyotsnamayee đã nghiên cứu đưa bùn đỏ vào trong dung dịch HCl 20% chảy
ngược trong 2 giờ, chiết dung dịch chảy ngược đồng thời để trong nhiệt độ phòng,
thêm dung dịch amoniac vào dung dịch chảy ngược tách hoàn toàn kết tủa. Dùng
nước cất rửa sạch NH4+ trong kết tủa sau đó đem nung sấy kết tủa ở 1100C là có thể
tạo thành bùn đỏ hoạt hóa, nó có diện tích bề mặt là 249m2/g. Dưới nhiệt độ phòng,
sử dụng lượng bùn hoạt hóa 2g/l để thử nghiệm xử lý PO43- có nồng độ 30-100mg/l
cho thấy hiệu quả xử lý đạt 80-90%. Phương pháp này có thể áp dụng để xử lý nước
thải của nhà máy phân bón phốt pho.
Shiao đã dùng bùn đỏ đã được xử lý qua HCl 20% đã loại bỏ được PO43trong dung dịch, trong vòng 10 phút có thể loại được 50% lượng PO43-, sau 120
phút thì tỉ lệ PO43- bị loại bỏ đạt hiệu suất tới 72%. Hiện nay, đây là hiệu quả hấp
phụ phốt pho tốt nhất.
* Tác dụng làm chất kết bông trong xử lý một số loại nước thải
Namasiraya đem bùn đỏ làm chất kết bông trong xử lý nước thải rượu, với
lượng bùn đỏ dùng là 1304mg/l, hiệu quả xử lý độ đục, BOD, COD, dầu mỡ, vi
khuẩn của nước thải là 77%, 71%, 65%, 73%, 95%. [46]
Vladislav [61] dùng bùn đỏ đã hoạt tính bằng axit làm chất keo tụ, kết bông
xử lý nước thải công nghiệp dệt: trước tiên, dùng sữa vôi để chuyển nước có màu
đậm tới pH= 8.5, thêm vào bùn đỏ hoạt tính với lượng 5-6kg/1m3. Hiệu quả xử lý

13

độ trong suốt từ 61,6% nâng lên 95%; COD từ 1400mg/l xuống 163mg/l, tỉ lệ loại
bỏ là 88,4%; hiệu quả loại bỏ BOD là 95%. Bùn đỏ đã qua sử dụng có thể dùng HCl
hoạt tính sau đó có thể tiếp tục sử dụng.
* Sử dụng bùn đỏ trong xử lý khí thải
Nhóm nghiên cứu Nhật Bản đem bùn đỏ sấy khô ở 1050 C, rồi nung hoạt hóa
ở nhiệt độ 4500C trong 1 giở. Bùn đỏ sau khi hoạt hóa ở 5000C có thể hấp phụ 106
~ 115ml/phút SO2, hàm lượng 1.8% từ ống khói nhà máy nhiệt điện, trong ống khói
công nghiệp chế tạo, tỉ lệ loại bỏ SO2 đạt tới 100%. Tuần hoàn sau 10 lần, tỉ lệ loại
bỏ SO2 vẫn đạt 93,6%.
Nhóm nghiên cứu của Trần Nghĩa [57] đã thực hiện nghiên cứu sử dụng bùn
đỏ để hấp thụ SO2 trong khí thải. Quá trình hấp phụ chủ yếu là phản ứng trung hòa
hóa học, ngoài ra còn có quá trình hấp phụ vật lý trên bề mặt do bùn đỏ có rất nhiều
các hạt nhỏ và diện tích bề mặt rất lớn. Số liệu phân tích cho thấy: bùn đỏ có cỡ hạt
nhỏ từ 45µm chiếm tổng lượng 50% trở lên, bề mặt có thể đạt tới 10-20m2/g.
Đường kính nhỏ và diện tích bề mặt lớn đều có thể tham gia tăng tốc độ phản ứng,
mức độ phản ứng, phù hợp với yêu cầu cấp hạt trong quá trình loại bỏ S. Vì vậy,
bùn đỏ trong công nghệ Bayer là chất hấp phụ SO2, có tỉ lệ hấp phụ cao, lượng hấp
phụ lớn, ưu điểm lưu trình đơn giản. Đối với quặng nhôm lưu huỳnh cao, áp dụng
nung xử lý lưu huỳnh có thể thải ra lượng khí SO2 có nồng độ 0,6- 2%. Nồng độ
khói khí SO2 này sử dụng phương pháp truyền thống hấp phụ thành axit là rất khó
xử lý, trong khi đó, sản xuất oxit nhôm đang thải ra lượng lớn bùn đỏ có tính kiềm.
Lu Guo zhi [37] khi nghiên cứu quặng nhôm lưu huỳnh cao đã đưa ra kỹ
thuật mới dùng bùn đỏ của quá trình sản xuất nhôm oxit hấp thụ xử lý trực tiếp SO2
sinh ra từ quá trình nung, hạng mục kỹ thuật này đã giải quyết được vấn đề khí thải
SO2 , đồng thời giải quyết được vấn đề loại kiềm trong bùn đỏ, bùn đỏ sau khi cải
thiện tính kiềm trong bùn đỏ có thể dùng làm vật liệu xây dựng.
1.2 Giới thiệu về công nghệ geopolyme (polyme vô cơ)
1.2.1 Khái niệm, lịch sử phát triển geopolyme
“Geopolymer” là khái niệm được sử dụng để chỉ các loại vật liệu vô cơ tổng
hợp từ vật liệu có nguồn gốc aluminosilicate. Khái niệm geopolyme lần đầu tiên

14


được sử dụng bởi giáo sư Joseph Davidovits từ năm 1970. Geopolyme là công nghệ
chế tạo ra sản phẩm xây dựng “xanh”, nghĩa là các vật liệu được sử dụng và chế tạo
theo những phương pháp thân thiện với môi trường. Vật liệu geopolyme được tạo
thành từ mạng lưới polysialate trên cơ sở các các tứ diện [SiO4]4- và [AlO4]5-. Đây
là loại vật liệu vô định hình hoặc bán tinh thể có liên kết kiềm [22] cùng với các
tính chất đặc trưng như cường độ cao sớm, sự ổn định nhiệt và đặc biệt chống ăn
mòn hóa học tốt nên vật liệu geopolyme đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh
vực như trong công nghiệp quốc phòng, sân bay [25,41,43], chế tạo gốm sứ công
nghệ cao [26], xốp cách nhiệt [19], chất kết dính chịu lửa [17,58], vật liệu sơn phủ
bảo vệ [16] và vật liệu composite vô cơ và hữu cơ [38,68].
Qua nghiên cứu, người ta đã đưa ra công thức thực nghiệm của chuỗi poly
(sialate) có công thức thực nghiệm là:

Mn[-(SiO2)z – AlO2]n.wH2O

Trong đó :
 M : là các cation kim loại kiềm, kiềm thổ (Na+, Ca2+, K+, Ba2+… )
 n : là bậc trùng ngưng của phản ứng
 z : hệ số có giá trị 1,2,3 hoặc lớn hơn, tùy thuộc vào chuỗi là sialate,
sialate- siloxo, sialate- disiloxo.
Tùy theo vào tỉ lệ Si/Al trong mạch polyme ta có các dạng cấu trúc poly sialate khác nhau
như trong hình dưới đây:

Hình 1.2. Các dạng cấu trúc cơ bản của geopolyme.

15

Khi Si/Al=1 là chuỗi Poly(sialate): (-Si-O-Al-O-) dạng chuỗi là kết quả của
quá trình polymer hóa của các monomer (OH)3-Si-O-Al-(OH)3 (ortho-sialate),
(Hình 1.2a).
Khi Si/Al=2 là chuỗi Poly(sialate-siloxo): (-Si-O-Al-O-Si-O-) được xem là
sản phẩm giữa quá trình kết hợp giữa orthosialate và ortho silicic, axit Si(OH)4,
(Hình 1.2b).
Khi Si/Al=3 là chuỗi Poly(sialate-disiloxo): (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-) được
xem là sản phẩm giữa quá trình kết hợp giữa của hai orthosialate và ortho silicic,
axit Si(OH)4, (Hình 1.2c).
Khi Si/Al>3 loại này gồm một Si-O-Al nằm giữa hai chuỗi poly (siloxonate),
hoặc hai poly (silanol) hoặc poly (sialate), (Hình 1.2d).
Poly (sialate), poly (sialate-siloxo) và poly (sialate-disiloxo) là 3 dạng cấu
trúc cơ bản nhất của geopolymer [21] và trong thực tế các dạng trên có thể tồn tại
đồng thời.
Hiện nay, geopolyme đang được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong lĩnh vực
xây dựng. Nó được coi là một loại vật liệu thế hệ mới đang có xu hướng sử dụng
như những chất kết dính vô cơ thay thế một phần xi măng portland với ưu điểm
thân thiện môi trường, giảm phát thải khí CO2, tận dụng các chất thải công nghiệp
như tro bay, xỉ than, bùn đỏ.. thành các sản phẩm có tính năng sử dụng cao.
Lịch sử ra đời chất kết dính geopolyme
Xuất phát từ ý tưởng phải tìm ra vật liệu vô cơ có khả năng chống cháy và
chịu được nhiệt độ cao, Joseph Davidovits đã phát hiện ra hệ nguyên liệu bao gồm
đất sét, cao lanh có thể tương tác với dung dịch kiềm NaOH ở 100÷1500C để tạo ra
hợp chất mới.
Si2O5, Al2(OH)4 + NaOH

Na(-Si-O-Al-O)n

Caolanite

Hydrosodalite

Đây chính là tiền đề cho việc nghiên cứu và phát triển của công nghệ vật liệu
tổng hợp geopolyme sau này. Năm 1978, Joseph Davidovits đã giới thiệu ra toàn
thế giới về một loại vật liệu có tên là geopolyme được mô tả là một chất kết dính
các vật liệu khác có đặc tính tương tự như xi măng truyền thống nhưng có nhiều ưu

16