Nghiên cứu biến tính bùn đỏ tân rai làm vật liệu xử lý một số kim loại nặng và anion độc hại trong môi trường nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phạm Thị Mai Hƣơng

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BÙN ĐỎ TÂN RAI LÀM VẬT LIỆU XỬ
LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG VÀ ANION ĐỘC HẠI TRONG MÔI
TRƢỜNG NƢỚC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội – 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phạm Thị Mai Hƣơng

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BÙN ĐỎ TÂN RAI LÀM VẬT LIỆU
XỬ LÝ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG VÀ ANION ĐỘC HẠI
TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC

Chuyên ngành: Hóa môi trường
Mã số: 62440120

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Hồng Côn

2. PGS.TS. Trần Thị Dung

Hà Nội – 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu
và số liệu nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ một
công trình nào khác.

Hà Nội, ngày…..tháng…..năm 2017
TÁC GIẢ

PHẠM THỊ MAI HƢƠNG


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Hồng Côn, PGS.TS Trần
Thị Dung đã tận tình, động viên, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực
hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đỗ Quang Trung- Trưởng phòng thí
nghiệm Hóa môi trường, Khoa Hóa học của Trường Đại Học Khoa học tự nhiên, ĐH
Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Hóa học, các anh chị và các
thầy cô Phòng thí nghiệm Hóa môi trường- Khoa Hóa học, Trường Đại Học Khoa học

tự nhiên, ĐH Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ cho tôi thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phòng Tổ chức- Hành chính, Ban
chủ nhiệm Khoa và các bạn đồng nghiệp của Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại
học Công nghiệp Hà Nội đã động viên và tạo mọi điều kiện động viên tôi trong thời
gian thực hiện luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bố, mẹ, anh, chị, em, chồng,con
và các bạn bè gần xa đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày…..tháng…..năm 2017

PHẠM THỊ MAI HƢƠNG


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................................... 3

1.1. Nguồn gốc và thành phần của bùn đỏ ......................................................................3
1.1.1. Quặng bôxit ...........................................................................................................3
1.1.2. Quá trình sản xuất nhôm từ quặng bôxit ...............................................................4
1.1.3. Thành phần của bùn đỏ..........................................................................................6
1.2. Ảnh hưởng của bùn đỏ đối với môi trường sinh thái ...............................................8
1.3. Một số kết quả nghiên cứu xử lý bùn đỏ ................................................................10

1.3.1. Lưu trữ và xử lý theo cách truyền thống .............................................................10
1.3.2. Trung hòa bùn đỏ.................................................................................................11
1.3.3. Xử lý theo hướng thu hồi các nguyên tố có giá trị từ bùn đỏ ..............................12
1.3.4. Xử lý bùn đỏ làm vật liệu xây dựng ....................................................................13
1.3.5. Chế tạo một số vật liệu xúc tác ............................................................................14
1.3.6. Khả năng hấp phụ của bùn đỏ .............................................................................15
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .................. 28

2.1. Chế tạo vật liệu .......................................................................................................28
2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ .......................................................................28
2.1.2. Xử lý kiềm dư trong bùn đỏ ................................................................................28
2.1.3. Mẫu vật liệu tách loại triệt để nhôm ....................................................................29
2.1.4. Tổng hợp zeolit trên nền bùn đỏ ..........................................................................30
2.2. Các phương pháp phân tích đặc trưng của vật liệu ................................................32
2.2.1. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ......................................................................32
2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X ................................................................................32
2.2.3. Phương pháp tán xạ năng lượng EDX .................................................................33
2.2.4. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA/TGA) ..........................................................34
2.2.5. Phương pháp xác định điểm điện tích không của vật liệu ...................................35
2.3. Các phương pháp phân tích định lượng..................................................................36


iv

2.3.1. Phân tích thành phần các mẫu vật liệu bằng phương pháp hóa học ....................36
2.3.2. Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS).............................37
2.3.3. Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử UV-VIS ..............................37
2.4. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu .......................................38
2.4.1. Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ các ion Pb(II), NH4+, As(V), NO2- ................38
2.4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu ....................38

2.4.3. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ ................................................................................39
2.4.4. Động học quá trình hấp phụ ................................................................................41
2.5. Nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu biến tính từ bùn đỏ ...............42
2.5.1. Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu sau khi hấp phụ .................................42
2.5.2. Thử nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu trên mẫu thật ..................................42
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................................ 46

3. 1. Thành phần và đặc trưng của bùn đỏ thô Tân Rai .................................................46
3.1.1. Thành phần hóa học của bùn đỏ thô ....................................................................46
3.1.2. Đặc trưng của bùn đỏ thô ....................................................................................47
3.2. Đặc trưng và tính chất hấp phụ của vật liệu bùn đỏ sau khi xử lý loại kiềm dư
bằng axit hoặc rửa bằng nước đến pH 7 ........................................................................50
3.2.1. Đặc trưng và tính chất của vật liệu ......................................................................50
3.2.2. Khả năng hấp phụ của vật liệu RMA và RMW ..................................................57
3.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu RMA và RMW ........63
3.2.4. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ đối với vật liệu RMW............................................67
3.3. Đặc trưng và tính chất hấp phụ của vật liệu bùn đỏ sau khi tách loại nhôm (RMFe) ..................................................................................................................................74
3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian hòa tách Al ...................................74
3.3.2. Đặc trưng của vật liệu RM-Fe .............................................................................75
3.3.3 .Khả năng hấp phụ của vật liệu RM-Fe đối với các cation và anion. ...................80
3.3.4. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ đối với vật liệu RM-Fe ..........................................86
3.4. Đặc trưng và tính chất hấp phụ của vật liệu zeolit tổng hợp trực tiếp trên nền bùn
đỏ ...................................................................................................................................87
3.4.1. Đặc trưng của vật liệu tổng hợp ..........................................................................88
3.4.2. Khả năng hấp phụ của vật liệu đối với các cation và anion. ...............................94
3.5. Khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu biến tính từ bùn đỏ Tân Rai ..................106
3.5. 1. Nghiên cứu tái sử dụng một số vật liệu hấp phụ biến tính từ bùn đỏ...............106


v

3.5.2. Một số kết quả thử nghiệm khả năng hấp phụ của vật liệu biến tính trên mẫu
nước ô nhiễm ...............................................................................................................113
3.6. Tổng hợp kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ của các vật liệu biến tính từ
bùn đỏ đối với các ion khảo sát. ...............................................................................117
KẾT LUẬN ........................................................................................................................... 119
NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

HDPE: Bạt chống thấm (High density Polyethylen)
SBU: đơn vị cấu trúc thứ cấp của zeolit
IR: Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy)
DTA: Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis)
TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravemic analysis)
SEM: Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy)
TEM: Hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy)
BET: phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (Brunauer Emmertt Teller)
pHpzc : điện tích điểm không (Point of zero Charge)
XRF: Phổ huỳnh quang tia X ( X-Ray Fluorescence)
XRD: Phổ nhiễu xạ tia X (X-Ray diffraction)
EDX: Energy-dispersive X –Ray spectroscopy

UV-VIS: Phổ hấp thụ phân tử (Ultra violet- Visible)
AAS: Phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometer)
HVG: Kỹ thuật hidrua hóa (Hidride vapor generator)
GFA: Lò graphit trong phương pháp phổ nguyên tử (Graphite furnace AAS)
RM: bùn đỏ thô
RMW: bùn đỏ rửa nước
RMA: bùn đỏ trung hòa bằng axit
RM-Fe: bùn đỏ đã tách loại nhôm
RM ZeO-Si: Vật liệu dạng zeolit tổng hợp từ bùn đỏ được thêm silic
RM ZeO-Si/Al: Vật liệu dạng zeolit tổng hợp từ bùn đỏ được thêm đồng thời silic và
nhôm
EDTA: Axit etylen diamin tetra axetic
SAHS: Muối natri nhôm siliacat (Sodium aluminum silicat hydrate)
ALCOA: Tập đoàn alumin- nhôm của Autralia
SMEWW: Phương pháp tiêu chuẩn phân tích kiểm tra chất lượng nước và nước thải
(Standard Methods for Examination of Water and Wastewater)


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Chế độ nấu bôxit theo quy trình Bayer ................................................................ 5
Bảng 1.2. Thành phần bùn đỏ tại nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ Chí Minh .
………………………………………………………………………………………….............7

Bảng 1.3. Thành phần nguyên tố của bùn đỏ Bảo Lộc (Phương pháp phổ huỳnh quang
tia X- XRF ................................................................................................................................. 7
Bảng 1.4. Thành phần khoáng của bùn đỏ theo quá trình thủy phân khác nhau .............. 7
Bảng 2.1. Địa điểm và thời gian lấy mẫu nước ngầm ................................................. ..... 43
Bảng 2.2. Địa điểm và thời gian lấy mẫu nước thải ......................................................... 44

Bảng 3.1. Thành phần của bùn đỏ thô RM theo phương pháp phân tích hóa học và phổ
huỳnh quang tia X .................................................................................................................. 46
Bảng 3.2. Kết quả xác định pHpzc của bùn đỏ thô ..............................................................49
Bảng 3.3. Kết quả phân tích thành phần bùn đỏ Tân Rai sau khi trung hòa và rửa kiềm
bằng phương pháp hóa học ................................................................................................... 51
Bảng 3.4. Dạng tinh thể tồn tại của oxit/hidroxit kim loại trong mẫu bùn đỏ biến tính
RMA, RMW ở các nhiệt độ và bùn đỏ thô (RM) .............................................................. 54
Bảng 3.5. Thành phần oxit/hidroxit kim loại và diện tích bề mặt riêng của vật liệu. ... 56
Bảng 3.6. Kết quả xác định pHpzc của vật liệu RMW và RMA ....................................... 57
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát hấp phụ sơ bộ As(V) trên vật liệu RMW và RMA ............ 58
Bảng 3.8. Kết quả khảo sát hấp phụ sơ bộ Pb(II) trên vật liệu RMW và RMA ............. 60
Bảng 3.9. Kết quả khảo sát hấp phụ sơ bộ NH4+ trên vật liệu RMW và RMA .............. 61
Bảng 3.10. Kết quả khảo sát hấp phụ sơ bộ NO2- trên vật liệu RMW và RMA ............ 62
Bảng 3.11.Thông số mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich hấp phụ As(V) của bùn
đỏ rửa nước nung ở 350oC (RMW 350), bùn đỏ thô và bùn đỏ thô nung ở 350oC. ......68
Bảng 3.12.Thông số mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich hấp phụ Pb(II) của bùn
đỏ rửa nước nung ở 250oC (RMW 250), bùn đỏ thô và bùn đỏ thô nung ở 250oC. ...... 70
Bảng 3.13.Thông số mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich hấp phụ NH4+ của bùn
đỏ rửa nước nung ở 350oC (RMW 350), bùn đỏ thô và bùn đỏ thô nung ở 350oC ....... 71
Bảng 3.14.Thông số mô hình đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich hấp phụ NO2- của bùn
đỏ rửa nước nung ở 350oC (RMW 350), bùn đỏ thô và bùn đỏ thô nung ở 350oC ....... 73


viii

Bảng 3.15. Kết quả khảo sát nồng độ NaOH và thời gian hòa tách Al ........................... 74
Bảng 3.16. Thành phần hóa học của một số oxit của vật liệu RM-Fe............................. 77
Bảng 3.17. Dạng tồn tại của oxit/hidroxit sắt và nhôm trong mẫu bùn đỏ thô RM và
các mẫu bùn đỏ biến tính....................................................................................................... 78
Bảng 3.18. Diện tích bề mặt riêng của mẫu bùn đỏ thô (RM) và các mẫu bùn đỏ RMFe biến tính ............................................................................................................................. 80

Bảng 3.19. Kết quả khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ As(V), Pb(II), NO2-, NH4+ trên
các vật liệu RM-Fe ................................................................................................................. 81
Bảng 3.20. Thông số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich của bùn đỏ
tách loại nhôm RM-Fe. .......................................................................................................... 87
Bảng 3.21. Kết quả XRD của các mẫu zeolit biến tính từ bùn đỏ ...................................88
Bảng 3.22. Thành phần nguyên tố của vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al ................ 90
Bảng 3.23. Các tham số của phương trình động học bậc 2 biểu kiến hấp phụ As(V)
trên vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al............................................................................ 98
Bảng 3.24. Các tham số của phương trình động học bậc 2 biểu kiến hấp phụ Pb(II) trên
vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al ................................................................................... 99
Bảng 3.25. Các tham số của phương trình động học bậc 2 biểu kiến hấp phụ NH4+ trên
vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al ................................................................................. 100
Bảng 3.26. Các tham số của phương trình động học bậc 2 biểu kiến hấp phụ NO2- trên
vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al. ................................................................................ 100
Bảng 3.27. Ảnh hưởng của các anion đến khả năng hấp phụ của As(V) và NO2- ....... 101
Bảng 3.28. Ảnh hưởng của các cation đến khả năng hấp phụ của Pb(II) và NH4+ ...... 102
Bảng 3.29. Thông số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich của quá trình
hấp phụ As(V) ...................................................................................................................... 103
Bảng 3.30. Thông số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich của quá trình
hấp phụ Pb(II) ....................................................................................................................... 104
Bảng 3.31. Thông số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich của quá trình
hấp phụ NH4+ ........................................................................................................................ 105
Bảng 3.32. Thông số mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich của quá trình
hấp phụ NO2- ......................................................................................................................... 106
Bảng 3.33. Kết quả rửa thu hồi As(V) bằng dung dịch NaCl .........................................107


ix

Bảng 3.34. Kết quả rửa thu hồi NO2- bằng dung dịch NaCl ...........................................108

Bảng 3.35. Kết quả rửa giải thu hồi Pb(II) bằng dung dịch HCl ................................... 108
Bảng 3.36. Kết quả rửa thu hồi NH4+ bằng dung dịch HCl ............................................ 109
Bảng 3.37. Kết quả rửa thu hồi As(V) bằng dung dịch NaCl ......................................... 110
Bảng 3.38. Kết quả rửa thu hồi NO2- bằng dung dịch NaCl ........................................... 111
Bảng 3.39. Kết quả rửa thu hồi Pb(II) bằng dung dịch EDTA ...................................... 112
Bảng 3.40. Kết quả rửa thu hồi NH4+ bằng dung dịch NaCl……………...................113
Bảng 3.41. Nồng độ asen trong một số mẫu nước trên địa bàn thành phố Hà Nội .....114
Bảng 3.42. Kết quả khảo sát hấp phụ tĩnh của vật liệu RMW 350 với các mẫu nước
ngầm....................................................................................................................................... 115
Bảng 3.43. Kết quả phân tích hàm lượng chì trong mẫu nước thải ............................... 116
Bảng 3.44. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ chì trong mẫu nước thải. .................... 116
Bảng 3.45. Tổng hợp kết quả hấp phụ các ion As(V), Pb(II), NH4+, NO2-.................117


x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ quy trình tính chế Alumin từ quặng bôxit……………………………5
Hình 1.2. Cấu trúc của khối oxit nhôm Al2O3 (a) và vị trí của ion Al3+ trong cấu trúc
bó chặt anion………………………………………………………………………….16
Hình 1.3. Các đơn vị cấu trúc sơ cấp của zeolit- tứ diện TO4: SiO4 và AlO4- ............... 22
Hình 1.4. Giản đồ bão hòa-quá bão hòa dung dịch tổng hợp zeolit ................................ 23
Hình 2.1. Quy trình chế tạo vật liệu bùn đỏ tách loại nhôm ............................................. 30
Hình 2.2. Quy trình chế tạo zeolit trên nền bùn đỏ ............................................................ 31
Hình 2.3. Sơ đồ tia tới và phản xạ trên tinh thể .................................................................. 33
Hình 2.4. Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu ....................................................................... 36
Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X của bùn đỏ Tân Rai- Tây Nguyên .................................... 47
Hình 3.2. Giản đồ phân tích nhiệt của bùn đỏ thô ............................................................. 48
Hình 3.3. Ảnh chụp SEM (a) và TEM (b) của bùn đỏ thô ................................................48
Hình 3.4. Đường giải hấp và hấp phụ N2 theo BET của bùn đỏ thô................................49

Hình 3.5. Đồ thị xác định pHpzc của bùn đỏ thô .................................................................49
Hình 3.6. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu bùn đỏ biến tính RMA và RMW ............... 52
Hình 3.7a. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bùn đỏ trùng hòa bằng axit (RMA) ở
các nhiệt độ 350oC, 850oC và bùn đỏ thô............................................................................ 53
Hình 3.7b. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bùn đỏ rửa nước (RMW) ở các nhiệt
độ 100oC, 350oC, 850oC và bùn đỏ thô (RM)..................................................................... 53
Hình 3.8. Ảnh SEM của bùn đỏ RMA (a) và RMW (b) ................................................... 55
Hình 3.9. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của các vật liệu RMA 350 (a) và RMW 350 (b) 55
Hình 3.10. Đồ thị xác định pHpzc của bùn đỏ biến tính RMW và RMA ......................... 57
Hình 3.11. Dung lượng hấp phụ As(V) của vật liệu RMW, RMA theo nhiệt độ và thời
gian nung .................................................................................................................................58
Hình 3.12. Dung lượng hấp phụ Pb(II) của vật liệu RMW, RMA theo nhiệt độ và thời
gian nung ................................................................................................................................. 60
Hình 3.13. Dung lượng hấp phụ NH4+ của vật liệu RMW, RMA theo nhiệt độ và thời
gian nung. ................................................................................................................................ 61
Hình 3.14. Dung lượng hấp phụ NO2- của vật liệu RMW, RMA theo nhiệt độ và thời
gian nung. ................................................................................................................................ 63
Hình 3.15. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của As(V), Pb(II) và NH4+, NO2-

…………………………………..............................................................................................64


xi

Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ của As(V), Pb(II)
và NH4+, NO2- ......................................................................................................................... 65
Hình 3.17. Ảnh hưởng của các anion đến khả năng hấp phụ NO2- (a) và As(V) (b) ..... 66
Hình 3.18. Ảnh hưởng của các cation đến khả năng hấp phụ NH4+ (a) và Pb(II) (b) ... 67
Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich của As(V) trên bùn đỏ
RMW 350, bùn đỏ thô và bùn đỏ thô nung ở 350oC. ........................................................68

Hình 3.20. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich của Pb(II) trên bùn đỏ
RMW 350, bùn đỏ thô và bùn đỏ thô nung ở 350oC. ........................................................ 70
Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich của NH4+ trên bùn đỏ
RMW 350, bùn đỏ thô và bùn đỏ thô nung ở 350oC. ........................................................ 71
Hình 3.22. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich của NO2- trên bùn đỏ
RMW 350, bùn đỏ thô và bùn đỏ thô nung ở 350oC ......................................................... 72
Hình 3.23. Phổ EDX của mẫu vật liệu RM-Fe..............................................................76
Hình 3.24. Giản đồ phân tích nhiệt của vật liệu RM-Fe ................................................... 76
Hình 3.25. Phổ XRD của các mẫu bùn đỏ thô và mẫu bùn đỏ RM-Fe 60 (RM- Fe), RM
-Fe 90, RM-Fe 350, RM - Fe 800 ........................................................................................ 77
Hình 3.26. Ảnh SEM của bùn đỏ thô (RM) (a), bùn đỏ biến tính RM-Fe (b) ................ 79
Hình 3.27. Đường hấp phụ và giải hấp N2 của bùn đỏ thô RM (a) và bùn đỏ RM-Fe (b)
………………………………………………………………………………………...80
Hình 3.28. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu RM-Fe .................... 82
Hình 3.29. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc .................................................................... 84
Hình 3.30. Ảnh hưởng của các anion đến khả năng hấp phụ NO2-(a) và As(V) (b) ..... 84
Hình 3.31. Ảnh hưởng của các cation đến khả năng hấp phụ Pb(II) (a) và NH4+ (b) ... 85
Hình 3.32. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, Freundlich của bùn đỏ RM-Fe........ 87
Hình 3.33. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu vật liệu RM ZeO-Si và RM ZeO- Si/Al
………………………………………………………………………………………..............89

Hình 3.34. Phổ EDX của vật liệu RM ZeO-Si (a) và RM ZeO-Si/Al (b) ....................... 90
Hình 3.35. Phổ hồng ngoại của vật liệu zeolit tổng hợp ................................................... 91
Hình 3.36. Ảnh SEM của RM ZeO-Si (a), RM ZeO-Si/Al (b), ảnh TEM của
RM ZeO-Si (c) và RM ZeO-Si/Al (d) ................................................................................. 92


xii

Hình 3.37. Đường hấp phụ-giải hấp N2 của vật liệu RM ZeO-Si (a), RM ZeO-Si/Al (b)

………………………………………………………………………………………..............93

Hình 3.38. Đường phân bố kích thước lỗ xốp của vật liệu RM ZeO-Si, RM ZeO-Si/Al
.................................................................................................................................................. 93

Hình 3.39. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ các ion ......................................... 94
Hình 3.40. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc của các ion với vật liệu RM ZeO-Si, RM
ZeO-Si/Al ................................................................................................................................ 97
Hình 3.41. Đồ thị động học bậc 1 biểu kiến (a); Đồ thị động học bậc 2 biểu kiến (b)
hấp phụ As(V) trên vật liệu RM ZeO-Si và RM ZeO-Si/Al............................................. 97
Hình 3.42. Đồ thị động học bậc 1 biểu kiến (a); Đồ thị động học bậc 2 biểu kiến (b)
hấp phụ Pb(II) trên vật liệu RM ZeO-Si và RM ZeO-Si/Al. ............................................98
Hình 3.43. Đồ thị động học bậc 1 biểu kiến (a); Đồ thị động học bậc 2 biểu kiến (b)
hấp phụ NH4+ trên vật liệu RM ZeO-Si và RM ZeO-Si/Al. ............................................. 99
Hình 3.44. Đồ thị động học bậc 1 biểu kiến (a);Đồ thị động học bậc 2 biểu kiến (b) hấp
phụ NO2- trên vật liệu RM ZeO-Si và RM ZeO-Si/Al. ................................................... 100
Hình 3.45. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich đối với As(V) của vật
liệu RM ZeO-Si và RM ZeO-Si/Al .................................................................................... 103
Hình 3.46. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich đối với Pb(II) của vật
liệu RM ZeO-Si và RM ZeO-Si/Al.................................................................................... 104
Hình 3.47. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich đối với NH4+ của vật
liệu RM ZeO-Si và RM ZeO-Si/Al.................................................................................... 105
Hình 3.48. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich đối với NO2- của vật
liệu RM ZeO-Si và RM ZeO-Si/Al .................................................................................... 106


1

MỞ ĐẦU
Bùn đỏ, bùn thải từ quá trình sản xuất nhôm, với hàm lượng sắt có thể đến trên

60%, độ pH đến 13, được xếp vào loại chất thải nguy hại, đã và đang trở thành mối đe
dọa lớn đối với môi trường. Bùn đỏ với các vấn đề môi trường khác đặt ra cho việc
khai mỏ bôxit lộ thiên như bảo tồn lớp thổ nhưỡng, tuần hoàn nước, ảnh hưởng xấu
đến môi trường sinh thái, gây những tác động đến đời sống của cư dân bản địa. Theo
dữ liệu nghiên cứu của Cơ quan Thống kê Kim loại Thế giới thì tổng tài nguyên
khoáng sản bôxit trên thế giới ước đạt 75,2 tỷ tấn, phân bố chủ yếu tại các quốc gia
nhiệt đới và cận nhiệt đới, trong đó Ghi-nê, Australia và Việt Nam là các quốc gia có
trữ lượng lớn nhất. Tại Việt Nam thì bôxit tập trung phần lớn ở Tây Nguyên, do đó
tiềm năng khai thác và sản xuất nhôm nơi đây cũng rất lớn. Tuy nhiên, sản xuất nhôm
từ quặng bôxit theo công nghệ Bayer luôn phát sinh một lượng chất thải bùn đỏ lớn,
trên thực tế để sản xuất được 1 tấn alumin sẽ đồng thời thải ra khoảng 1÷ 2 tấn bùn đỏ
(quy ra khối lượng ở dạng khô). Như vậy, bùn đỏ được thải ra từ các dự án sản xuất
nhôm tại Tây Nguyên cần phải có biện pháp xử lý nhằm tránh những thảm họa môi
trường ảnh hưởng đến cuộc sống của người dân nơi đây.
Trên thế giới và Việt Nam đã có rất nhiều công trình nghiên cứu xử lý đối với
bùn đỏ như thu hồi kiềm tái sản xuất, sản xuất vật liệu xây dựng, làm vật liệu hấp phụ
xử lý ô nhiễm môi trường. Bùn đỏ với thành phần chính là các oxit sắt, nhôm, silic,..
cũng là đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học trong việc ứng dụng để xử lý kim
loại nặng và anion độc hại trong môi trường nước như asen, chì, nitrat, phốt phát. Tuy
nhiên khả năng hấp phụ của các thành phần oxit kim loại có trong bùn đỏ rất khác
nhau, điều này phụ thuộc vào hàm lượng, dạng tồn tại, điều kiện biến tính. Đóng góp
vào việc nghiên cứu sử dụng bùn đỏ, đề tài “Nghiên cứu biến tính bùn đỏ Tân Rai
làm vật liệu xử lý một số kim loại nặng và anion độc hại trong môi trường nước”
được thực hiện với mong muốn tạo ra được những vật liệu hấp phụ tốt có khả năng xử
lý một số anion và cation độc hại trong nước như As(V), Pb(II), NO2-, NH4+ ...


2

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu xử lý và biến tính bùn đỏ Tân Rai (Tây

Nguyên) tạo ra một số vật liệu có khả năng hấp thu kim loại nặng, anion độc hại trong
nước và tìm hiểu cơ chế của các quá trình này.
Để thực hiện được mục tiêu này, nhiệm vụ đặt ra là:
+ Bùn đỏ thô Tân Rai, Tây Nguyên trước tiên được xử lý loại kiềm dư bằng hai cách:
trung hòa bằng axit hoặc rửa bằng nước đến pH trung tính, sau đó sấy và nung ở các
nhiệt độ khác nhau. Khi tiến hành xử lý trung hòa bằng axit hay rửa hết kiềm bằng
nước, một số kim loại có thể bị hòa tan hoặc rửa trôi, điều này sẽ ảnh hưởng đến các
tính chất của bùn đỏ. Bùn đỏ sau khi xử lý sẽ được khảo sát khả năng hấp phụ đối với
một số cation và anion độc hại đại diện trong nước bao gồm As(V), Pb(II), NO2-,
NH4+.
+ Nghiên cứu khả năng hấp phụ của các dạng oxit/hydroxit sắt trong bùn đỏ. Thành
phần này chiếm đến 50-60% trong bùn đỏ và nó được đánh giá có ý nghĩa thực tiễn
trong xử lý môi trường. Thực nghiệm được tiến hành bằng cách tách loại nhôm và một
số kim loại khác bằng dung dịch kiềm nóng, rồi sấy, nung ở các điều kiện khác nhau
và khảo sát đánh giá khả năng hấp phụ của các dạng vật liệu này.
+ Tận dụng thành phần silic và nhôm có sẵn trong bùn đỏ để tổng hợp zeolit ngay trên
nền hematit mà không cần tách loại trước bằng cách thêm silic hay thêm đồng thời
silic và nhôm. Vật liệu mới tổng hợp được sẽ được khảo sát khả năng hấp phụ/trao đổi
ion với một số anion và cation trong môi trường nước.
Các vật liệu có tính chất ưu việt nhất sẽ được phân tích thành phần, đặc trưng,
cấu trúc để lý giải các cơ chế hấp phụ/trao đổi ion và các điều kiện ảnh hưởng đến các
quá trình này.
Các kết quả nghiên cứu của luận án nhằm đóng góp phần nào về cơ sở lý thuyết
và thực nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý, biến tính và sử dụng bùn đỏ Tân Rai
nói riêng, bùn đỏ trên thế giới nói chung theo hướng tận dụng một chất thải để xử lý
các chất độc hại trong môi trường.


3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.Nguồn gốc và thành phần của bùn đỏ
1.1.1. Quặng bôxit
Quặng bôxit là loại quặng phổ biến nhất được tìm thấy trong lớp vỏ của trái đất,
thuật ngữ “bauxite” được sử dụng để gọi tên một loại khoáng sản có chứa hơn 32%
alumina (Al2O3) và là nguyên liệu chính để sản xuất nhôm. Các quặng bôxit phân bố
chủ yếu ở khu vực nhiệt đới, Caribe, Địa Trung Hải và vành đai xung quanh xích đạo,
người ta tìm thấy quặng bôxit ở các vùng lãnh thổ như Úc, Nam và Trung Mỹ
(Jamaica, Brazil, Surinam, Venezuela, Guyana), châu Phi (Guinea), châu Á (Ấn Độ,
Trung Quốc, Việt Nam), Nga, Kazakhstan và châu Âu (Hy Lạp) [69].
Bôxit hình thành trên các loại đá có hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôi
trong quá trình phong hóa.
Quá trình hình thành trải qua các giai đoạn: Phong hóa và nước thấm lọc vào
trong đá gốc tạo ra ôxít nhôm và sắt, làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự
rửa trôi của nước ngầm, xói mòn và tái tích tụ.
Quá trình này chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như: đá mẹ chứa các khoáng
vật dễ hòa tan và các khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và sắt, độ hổng có
hiệu quả của đá cho phép nước thấm qua, ở những 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. Theo một mô hình mô phỏng của quá trình này thì giá trị pH thích
hợp là khoảng 3,5 - 4,0.
Loại phong hóa được hình thành do quá trình laterit hóa chỉ diễn ra trong điều
kiện nhiệt đới trên nền đá mẹ là các loại đá silicat như granit, gneiss, bazan, syenit và
đá sét. Khác với quá trình hình thành laterit sắt, sự hình thành bôxit đòi hỏi điều kiện
phong hóa mạnh mẽ hơn và điều kiện thủy văn thoát nước rất tốt cho phép hòa tan và
rửa trôi kaolinite và hình thành lắng đọng nên gibbsit. Đới giàu hàm lượng nhôm nhất
thường nằm ngay dưới lớp mũ sắt. Dạng tồn tại chủ yếu của hydroxit nhôm trong
bôxit laterit chủ yếu là gibbsit. Tại Việt Nam, bôxit Tây Nguyên được hình thành theo
phương thức này trên nền đá bazan [9].

4

Bôxit tồn tại ở 3 dạng cấu trúc chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa
trong nó và cấu trúc tinh thể gồm: gibbsit Al(OH)3, boehmit γ-AlO(OH), và diaspor αAlO(OH). Gibbsit có hàm lượng alumina tối đa là 65,4% còn boehmit và diaspor đều
có hàm lượng alumina tối đa là 85%.
Trong số bôxit hiện đang được khai thác, phổ biến nhất là gibbsit, sau đó là hỗn
hợp của gibbsit và boehmit.
Cùng với bôxit còn có các khoáng vật oxit sắt goethit và hematit, các khoáng vật
sét kaolinit và đôi khi có mặt cả anata TiO2. Mỗi dạng cấu trúc của bôxit có những đặc
tính khác nhau tạo nên những mục đích khai thác và sử dụng khác nhau.
Gibbsit là hydroxit nhôm thực sự còn boehmit và diaspore tồn tại ở dạng hidroxit
nhôm ôxít. Sự khác biệt cơ bản giữa boehmit và diaspore là diaspore có cấu trúc tinh
thể khác với boehmit, và cần nhiệt độ cao hơn để thực hiện quá trình tách nước nhanh.
Ba dạng cấu trúc khác nhau của bôxit có thể phân loại thành 2 nhóm dựa vào
hàm lượng nước khác nhau đó là: monohydrat và trihydrat.
Thành phần hóa học chủ yếu (quy ra ôxít) của quặng bôxit là Al2O3, SiO2,
Fe2O3, CaO, TiO2, MgO... trong đó, hydroxit nhôm là thành phần chính của quặng.
Tỷ lệ phần trăm khối lượng của các oxit này trong mẫu quặng bôxít ở các nước trên
thế giới có sự khác nhau. Chất lượng của quặng bôxit phụ thuộc vào hàm lượng SiO2
và Al2O3, bôxít tốt được xem là hàm lượng Al2O3 cao và SiO2 thấp [108].
Bôxit của Việt Nam có tỷ lệ giữa oxit nhôm và oxit silic (gọi là modul silic –ký
hiệu là µsi) lớn hơn 2. Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất thì ở nước ta, trữ lượng
quặng bôxit khoảng 5,5 tỷ tấn quặng nguyên khai, tương đương với khoảng 2,4 tấn
quặng tinh, tập trung chủ yếu ở khu vực Tây Nguyên (chiếm khoảng 91,4%), cho thấy
tiềm năng khai thác bôxít để sản xuất nhôm là rất lớn [23].
1.1.2. Quá trình sản xuất nhôm từ quặng bôxit
Việc tách alumin (Al2O3) từ bauxit (Al2O3 + SiO2 + TiO2 + Fe2O3+…) lần đầu
tiên được Henri Sainte-Claire Deville đề xuất năm 1854. Đó là một quy trình kém hiệu
quả và đắt nên khi đó nhôm sản xuất ra là kim loại quý và hiếm. Năm 1888, Karl

Joseph Bayer sáng tạo công nghệ mang tên mình (Bayer) trong sản xuất alumin từ
bôxit đã làm giảm đáng kể giá thành của nhôm khiến cho từ đó nhôm không còn là
kim loại quý hiếm nữa. Theo công nghệ Bayer, bôxit thô được nghiền rửa để thu được


5

quặng tinh bôxit, quặng tinh được nấu cùng với xút (NaOH) và sữa vôi trong lò áp lực
đến nhiệt độ khoảng 120-200oC (quá trình hòa tan tạo aluminat). Dung dịch aluminat
(NaAlO2) sau đó được tách ra đem kết tủa tạo thành Al(OH)3, rửa và nung Al(OH)3 sẽ
thu được Al2O3 là bột màu trắng có hàm lượng Al2O3 chiếm tới 98,5-99,5% .

Hình 1.1. Sơ đồ quy trình tinh chế Alumin từ quặng bôxit [5]
Hiện nay trên thế giới áp dụng hai chế độ nấu bôxit theo quy trình Bayer là chế
độ nhiệt độ thấp dành cho bôxit gibbsit (hydragillite) và chế độ nhiệt độ cao dành cho
bôxit boehmit và diaspore:
Bảng 1.1. Chế độ nấu boxit theo quy trình Bayer
Thông số kỹ thuật
Chế độ nhiệt độ cao
Chế độ nhiệt độ thấp
o
o
Nhiệt độ kết thúc nấu
200 C – 250 C
140oC – 145oC
o
o
Nhiệt độ kết tủa Al(OH)3 135 C – 185 C
110oC
[Na2O] (g/l)

200-300
120-140
Các bước công nghệ trong sản xuất Nhôm theo quy trình Bayer [5]
Bước 1: Hòa tách quặng bôxit:
*Gibbsit:
(106 -150oC)

Al2O3.3H2O + 2NaOH

2NaAlO2 + 4H2O


6

* Boehmit
(240oC)

Al2O3. H2O + 2NaOH
* Diaspore:

2NaAlO2 + 2H2O
(280oC)

Al2O3. H2O + 2NaOH

2NaAlO2 + 2H2O

Bên cạnh đó còn có phản ứng:
SiO2 + NaOH → Na2SiO3 + H2O
Na2SiO3 + Al2O3 → Na2O.Al2O3.SiO2 (Natri alumosilicat)

Các hợp chất alumosilicat ít tan trong dung dịch kiềm vừa làm giảm
lượng nhôm thu được, vừa làm mất kiềm, đồng thời các chất khác không tan
trong kiềm nằm lại dưới dạng bã thải rắn.
Bước 2: Khuấy phân hóa dung dịch natri aluminat
Dung dịch aluminat được tách ra khỏi bã thải rắn, sau đó được pha loãng
và giữ ở nhiệt độ xác định để hydroxit nhôm tách ra :
NaAlO2 + 2H2O → Al(OH)3 + NaOH
Bước 3: Nung nhôm hydroxit
(Khử nước,550oC)

Al(OH)3
γ – Al2O3
Bước 4: Cô đặc dung dịch cái và caustic hóa
(cô đặc, toC)

NaOH

NaOH ( 300 g/l)

Chất thải chủ yếu của công nghệ sản xuất nhôm đó chính là bùn đỏ.
1.1.3. Thành phần của bùn đỏ
Bùn đỏ (Red Mud) được thải ra từ quá trình sản xuất nhôm thường ở dạng cặn
rắn mịn không tan trong dung dịch hoàn lưu và được thải ra khỏi quy trình cùng với
pha lỏng, có màu đỏ. Màu đỏ và độ màu của bùn thải là do hàm lượng của oxit sắt
quyết định. Do trong quy trình hòa tách quặng bôxit có sử dụng dung dịch kiềm với
nồng độ cao dẫn đến bùn thải từ quy trình này cũng có độ kiềm rất cao. Bùn đỏ có đặc
trưng như sau:
- Màu sắc: Đỏ cam, đỏ, đỏ nâu, nâu
- Độ pH: 11,2 – 12,5.
- Kích thước hạt: 70% hạt <100 µm và 30% hạt ≥ 100 µm.

7

- Diện tích bề mặt riêng: 7,3-36,4 m2/g.
- Tỷ trọng: 1,08-1,33 g/cm3
Thành phần hóa và khoáng của quặng bôxit rất phức tạp, quyết định quá trình
thủy phân và các thông số của quá trình. Do đó, thành phần hóa và khoáng cũng như
tính chất vật lý của bùn đỏ cũng khác nhau trong các thiết bị sản xuất nhôm oxit khác
nhau.
Bảng 1.2. Thành phần b n đỏ tại nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ
Ch
Fe2O3

Al2O3

SiO2

47,44% 31,26% 6,17%

inh [13]

Na2O

TiO2

CaO

SO3

P2O5

Cr2O3

6,64%

6,73%

0,41%

0,44%

0,24%

0,22%

Bảng 1.3. Thành phần của b n đỏ Bảo ộc Phương pháp phổ hu nh quang tia
X-XRF)[22]
Hàm lượng

Thành phần

(% khối lượng)

Thành phần

Hàm lượng
(% khối lượng)

Al2O3

27,670

P2O5

0,163

Fe2O3

36,280

Cr2O3

0,120

SiO2

8,486

CuO

0,015

CaO

0,066

ZnO

0,010

TiO2

5,389

ZrO2

0,064

K2 O

0,024

MKN

20,330

Bảng 1.4. Thành phần hoáng của b n đỏ theo quá trình thủy phân hác nhau [125]
Thành phần
khoáng, %
Gibbsit
Hematit
Goethit
SAHS
Inlit
Boemit

Ở Weipa
Ở
(Úc)

Trombeta
(Brazin)
33
3,5
18,0
27,0
2,0
2,0

38
19,0
27,0
0,6

Ở Nam
Manchester
(Jamaica)

Ở Darling
Range
(Úc)

Ở Iszka
(Hungary)

Ở Parmas
(Hy Lạp)

33,0
3,5

10,0
27,0
2,0

5,6
14,5
14,5
5,4
4,7
3,5

33,0
6,0
32,0
0,8

38,0
1,0
26,0
0,6


8
Diasporit
Ca-Al-SiO2
CaTiO3
CaO
Thạch anh
Anata
Rutin

Na-TiO2
MgO
Camosit
Ilmenit
Khác

-

1,2

2,0

2,5

0,7

0,6

3,5
0,5
6,0
2,0
6,0
-

1,0
1,5
1,4
2,2
2,5

0,8
5,8

0,5
6,0
2,0
6,0
-

1,7
2,3
37,1
1,0
0,6
1,3
1,0
3,4

12,5
7,5
3,0
5,0

10,0
10,5
3,6
6,0
3,7

Các kết quả đo bằng nhiễu xạ tia X (XRD) chỉ ra rằng các khoáng chất goethit

(7-9%), hematit (15-17%) thường chiếm thành phần lớn trong bùn đỏ, các khoáng chất
này đóng vai trò quan trọng trong việc hấp phụ các kim loại nặng và một số anion độc
hại trong nước.
1.2. Ảnh hƣởng của bùn đỏ đối với môi trƣờng sinh thái
Xét trên góc độ môi trường, bùn đỏ là loại chất thải rắn nguy hại được gọi là
“bùn bẩn’’ hay “ bom bẩn".
Ngày 4/10/2010 tại Nhà máy sản xuất Alumin Ajka của Hungary đã xảy ra vụ
vỡ đập hồ chứa bùn đỏ của nhà máy làm gần 1 triệu mét khối bùn đỏ tràn xuống các
làng bên dưới nhà máy. Đến ngày 7/10/2010 đã tràn xuống sông Danube – con sông
lớn thứ 2 châu Âu, đã cuốn trôi 270 căn nhà, phá hủy một số cây cầu, làm ít nhất 4
người mất tích và 123 người bị thương do bỏng hóa chất từ bùn đỏ. Hungary cho rằng
đây là thảm họa tràn hóa chất nghiêm trọng nhất trong lịch sử và ước tính phải mất
một năm và hàng chục triệu USD để dọn sạch lượng bùn đỏ.
Nghiên cứu của K.J Summers, B.H O’Connor và D.R Fox ở Tây Australia cho
biết lượng phóng xạ là hiện hữu và tăng theo quy mô bãi thải bùn đỏ (tính bằng tấn
bùn đỏ/1 ha). Khi đạt đến quy mô 1500 tấn bùn đỏ/1ha thì cường độ phóng xạ đạt
ngưỡng an toàn môi trường là 0,1mSv. Nếu quy mô bãi thải lớn hơn 1500 tấn/ha thì
phóng xạ bắt đầu vượt ngưỡng [34]. Cũng tại Australia, tập đoàn alumin-nhôm của
nước này là ALCOA kiên trì suốt 25 năm quan trắc phóng xạ trong bùn đỏ đã tuyên bố


9

là tuy có phóng xạ nhưng cường độ nhỏ hơn tiêu chuẩn môi trường là 1mSV/năm và
bùn đỏ của Australia rất an toàn “chất phóng xạ trong b n đỏ hông nhiều như kẽm
trong sò, như flo trong thuốc đánh răng, như thủy ngân trong thịt cá mập, như chì
trong đất, như cadimi trong phân bón” theo tuyên bố của ALCOA. Tuy nhiên người
dân địa phương không tin tuyên bố của ALCOA và đã thuê cơ quan môi trường của
ngành Nông nghiệp Australia phân tích và rất bất bình khi nhận ra bùn đỏ của ALCOA
nguy hiểm quá sức tưởng tượng: chỉ một hồ bùn đỏ cỡ nhỏ với 20 tấn/ha đã chứa 30

kg phóng xạ thori, 6 kg crôm, trên 2kg bari và gần 1 kg phóng xạ uran; ngoài ra còn có
thêm 24 kg flo, hơn 0,5 kg gồm asen, đồng, kẽm, coban, một hàm lượng nhỏ chì,
cadimi và berily. Các chuyên gia cũng cho biết thêm nếu mức chứa trung bình tăng lên
200 tấn bùn đỏ/1 ha thì hàm lượng các chất nguy hiểm trên cũng tăng lên 10 lần. Tuy
nhiên do đặc điểm thành phần quặng bôxit ở Việt nam không chưa các thành phần các
nguyên tố phóng xạ độc hại.
Bùn đỏ ở trong hồ bị khô, do rất mịn nên dễ phát tán thành bụi mang theo hóa
chất độc hại làm ô nhiễm môi trường xung quanh. Nếu trong bùn đỏ có mặt của asen
và thủy ngân ở nồng độ cao sẽ gây ung thư nếu như chúng được phát tán trong không
khí và thâm nhập vào hệ thống hô hấp của con người [19].
Độ kiềm trong bùn được tích lũy do phương pháp xử lý tồn trữ để tận thu kiềm
nên độ kiềm ở mức rất cao, pH lên đến 13, hơn cả loại thuốc tẩy mạnh nhất. Nó có thể
gây bỏng nặng, nếu vào mắt, miệng mà không được tẩy rửa nhanh sẽ gây tổn thương
rất nghiêm trọng. Chất kiềm trong bùn đỏ có thể tiêu diệt một phần thảm thực vật, làm
hư hại đất canh tác, giảm khả năng hòa tan kim loại trong đất [55] hay cũng có thể gây
ảnh hưởng đến sinh thái của đất nếu trong bùn đỏ có chứa các kim loại độc hại [114].
Đặc biệt khi chảy xuống sông, bùn đỏ sẽ làm chết rất nhiều sinh vật như cá, tôm do
nước có độ pH rất cao.
Ở Việt nam, Nhà máy Alumin Tân Rai với công suất thiết kế 600.000 tấn
alumin/năm, lượng bùn khô là 636.720 tấn/năm, đến nay nhà máy đã sản hơn 1 triệu
tấn alumin, tương ứng với việc thải ra môi trường khoảng 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.
Như vậy ở các nước trên thế giới và cả ở Việt nam, công nghiệp sản xuất nhôm
vẫn đã và đang phát triển, lượng bùn đỏ thải ra không ngừng đặt ra những thách thức


10

mới đối với các nhà khoa học, đòi hỏi cần phải có nhiều nghiên cứu hơn với việc xử lý

bùn đỏ, mục đích lớn hơn cả là tái sử dụng nó trở thành vật liệu có ích và thân thiện
với môi trường.

1.3. Một số kết quả nghiên cứu xử lý bùn đỏ
1.3.1. Lƣu trữ và xử lý theo cách truyền thống
Các nhà máy chế biến bôxit trên thế giới thường lựa chọn việc thải bùn đỏ theo
một trong hai cách sau: thải xuống biển hoặc thải trên đất liền [139].
Phương pháp thải xuống nước (thải ra biển, sông suối hoặc vào các đầm phá ven
biển) đã được một số nhà máy sử dụng, tuy nhiên phương pháp này đã lỗi thời, hiện
nay không được áp dụng do nguy cơ phá hủy hoàn toàn môi trường sống của sinh vật
đáy thủy vực [140].
Phương pháp thải bùn đỏ trên đất liền gây ô nhiễm ít hơn nên được sử dụng phổ
biến hiện nay. Có hai phương pháp thải bùn đỏ trên đất liền là thải hô hoặc thải ướt.
Phương pháp thải hô: Đó là thực hiện bơm bùn đỏ ra bãi thải với hàm lượng rắn
cao, tiết kiện diện tích nhưng tốn kém và phức tạp hơn, thích hợp với bãi thải bằng
phẳng và những nơi thời tiết ít mưa, lượng nước bốc hơi lớn. Để khắc phục nhược
điểm này Nhà máy alumin Burntisland, Scotland (1941) và alumin ALCOA (1985) đã
áp dụng phương pháp thải bùn khô nhiều lớp, chi phí hiệu quả cao hơn và không gây
ảnh hưởng đến môi trường. Theo phương pháp này bùn đỏ đậm đặc trong dòng dung
dịch đáy từ thiết bị rửa hoặc thiết bị cô đặc hoặc thiết bị lọc ép chân không (để tách
nước ra khỏi bùn đỏ) được bơm tới khu vực thải và được trải thành những lớp trên
diện tích bãi thải để tách nước bằng tháo khô hay bay hơi dưới ánh mặt trời, bùn đỏ
khô đến 72% so với phơi khô tự nhiên.
Hồ chứa bùn đỏ là một bộ phận không thể tách rời của hệ thống sản xuất alumina
từ quặng bôxít, được thiết kế rất kỹ để chống thấm chất lỏng trong bùn đỏ xuống nước
ngầm theo chiều đứng và chiều ngang. Một lớp cát dày được bố trí trên HDPE và
trong lớp cát bố trí một hệ thống ống đục lỗ (perforated pipes) để thu gom nước thấm
xuống từ bùn đỏ để bơm ngược về công đoạn hòa tách bôxit để thu hồi kiềm (xút,
pH=12) đưa 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. Đặc điểm là bùn đỏ dạng vụn

(không ngấm nước) hoặc bùn đỏ đậm đặc của dòng đáy rất khó thấm nước ngay cả lúc


11

trời mưa. Hai dự án sản xuất alumina ở Lâm Đồng và Nhân Cơ – Đăk Nông của
Vinacomin cũng đang sử dụng công nghệ này, hàm lượng chất rắn trong bùn đỏ thải ra
mà nhà thầu cam kết là 46,5% [19].
Phương pháp thải ướt: Là bơm bùn với hàm lượng chất rắn thấp hơn ra bãi thải,
đỡ tốn kém, thích hợp với các vùng thung lũng dễ tạo thành hồ chứa, có thể sử dụng cả
những mỏ đã khai thác hết quặng. Tuy nhiên phương pháp này xảy ra nguy cơ cao, khi
vỡ đập, tràn bùn đỏ ra môi trường sẽ dẫn đến thảm họa khôn lường.
1.3.2. Trung hòa bùn đỏ
Do tính chất độc hại của việc xả thải và lưu 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, người ta đã đề xuất các phương pháp xử lý trung hòa,
đáng lưu ý nhất là sử dụng axit, nước biển [58], hay thạch cao phế thải (gypsum) [14.
129].
1.3.2.1.Trung hòa bùn đỏ bằng axit
Lượng axit cần thiết để trung hòa bùn đỏ được biểu diễn qua dung lượng trung
hòa axit, là lượng axit vô cơ cần thiết để đạt đến điểm pH mong muốn. Các axit vô cơ
như HCl, H2SO4 thường được sử dụng để khảo sát dung lượng trung hòa axit của bùn
đỏ. Đường cong để chuẩn độ của phản ứng trung hòa axit-bazơ thường rất dốc làm cho
quá trình kiểm soát rất khó khăn [58]. Quá trình trung hòa bùn đỏ ở dạng khô diễn ra
chậm hơn nhiều so với dạng bùn nhão.
Ví dụ: trong trường hợp sử dụng H2SO4, các phản ứng xảy ra trong quá trình
trung hòa như sau:
2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O
2NaAl(OH)4 + H2SO4 → Na2SO4 + 2Al(OH)3 + 2H2O
Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O+ CO2

Từ năm 2000 nhà máy tinh luyện bôxit Kwinna (Australia) đã bắt đầu trung hòa
toàn bộ lượng bùn đỏ thải ra bằng khí CO2 từ một nhà máy sản xuất amoniac gần đấy.
H2CO3 là một axit yếu hơn H2SO3, với hằng số phân li thứ nhất tại pH là 6,35 và hằng
số phân li thứ hai tại 10,2. Ramesh cùng cộng sự đã chỉ ra rằng pH của bùn đỏ được
xử lí với CO2 giảm từ 11,8 xuống còn 8,45 [116].