Khảo sát khả năng làm trong nước bằng việc kết hợp sử dụng phèn nhôm và alginate

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



-----

-----

Nguyễn Nam Giang

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015


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

Nguyễn Nam Giang

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 60520320

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

Hà Nội - 2015


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

Giới thiệu về bauxit

1.1.1. Bauxit
1.1.2. Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên thế giới và tại Việt Nam
1.1.3. Công nghệ sản xuất alumin
1.2.

Giới thiệu về bùn đỏ

1.2.1. Đặc điểm, thành phần hóa học và tính chất vật lý
1.2.2. Phương hướng xử lý bùn đỏ
1.2.3. Ứng dụng bùn đỏ trong công nghệ môi trường
1.3.

Tổng quan về keo tụ

1.3.1. Khái niệm
1.3.2. Cấu tạo của hạt keo
1.3.3. Cơ chế của quá trình keo tụ

1.3.4. Các phương pháp keo tụ
1.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
1.4.

Giới thiệu về các loại nước thải

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.

Đối tượng nghiên cứu

2.2.

Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị

2.2.1. Nguyên liệu
2.2.2. Hóa chất
2.2.3. Dụng cụ, thiết bị


2.3. Các phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp xác định đặc tính hóa lý bùn đỏ
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ Tân Rai
2.3.3. Phương pháp xác định khả năng keo tụ của BĐ Al – Fe
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả nghiên cứu bùn đỏ Tân Rai
3.1.1. Kết quả phân tích cấu trúc pha bùn đỏ Tân Rai
3.1.2. Kết quả phân tích hình thái cấu trúc, diện tích bề mặt bùn đỏ
3.1.3. Kết quả phân tích thành phần hóa học bùn đỏ Tân Rai
3.2. Kết quả nghiên cứu quá trình chế tạo chất keo tụ đa thành phần từ bùn đỏ Tân

Rai
3.2.1. Kết quả nghiên cứu quá trình hòa tách bùn đỏ
3.2.2. Quy trình chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe từ bùn đỏ Tân Rai
3.2.3. Kết quả phân tích thành phần chất keo tụ BĐ Al - Fe
3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng keo tụ từ chất keo tụ BĐ Al – Fe
3.3.1. Kết quả nghiên cứu xác định giá trị pH tối ưu của chất keo tụ BĐ Al – Fe
3.3.2. Kết quả nghiên cứu xác định liều lượng tối ưu của chất keo tụ BĐ Al - Fe 57
3.3.3. Kết quả nghiên cứu khả năng keo tụ trong xử lí nước thải, so sánh với PAC,
phèn nhôm, phèn sắt
KẾT LUẬN
KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Sự phân bố trữ lượng bauxit trên các châu lục............................................... 4
Bảng 1.2. Trữ lượng bauxite và sản lượng khai thác trên thế giới..................................5
Bảng 1.3. Thành phần hóa học bùn đỏ......................................................................... 10
Bảng 1.4. Tỷ lệ cấp hạt của bùn đỏ............................................................................... 10
Bảng 2.1. Liều lượng các chất keo tụ sử dụng để keo tụ.............................................. 43
Bảng 3.1. Kết quả đo BET mẫu bùn đỏ Tân Rai........................................................... 46
Bảng 3.2. Thành phần bùn đỏ Tân Rai......................................................................... 46
Bảng 3.3. Kết quả ảnh hưởng của nồng độ axit đến quá trình hòa tách bùn đỏ............47
Bảng 3.4. Kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hòa tách bùn đỏ...................49
Bảng 3.5. Kết quả ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến quá trình hòa tách bùn đỏ............50
Bảng 3.6. Kết quả ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn đến quá trình hòa tách bùn đỏ...........52
Bảng 3.7. Kết quả ảnh hưởng của thời gian hòa tách đến quá trình hòa tách bùn đỏ....53
Bảng 3.8. Thành phần chất keo tụ BĐ Al – Fe............................................................. 56
Bảng 3.9. Thành phần nước thải trước và sau keo tụ ở các pH khác nhau....................56

Bảng 3.10. Thành phần nước trước và sau keo tụ sử dụng liều lượng keo tụ khác nhau
ở pH = 7................................................................................................................ 57
3+

3+

Bảng 3.11. Trạng thái cân bằng của sự thủy phân các ion Al và Fe ở các bậc khác
nhau...................................................................................................................... 58


Bảng 3.12. Thành phần nước trước và sau khi sử dụng các chất keo tụ khác nhau......60
3-

Bảng 3.13. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO4 của một số chất keo tụ.....................60
Bảng 3.14. Thành phần nước trước và sau khi sử dụng các chất keo tụ khác nhau......61
3-

Bảng 3.15. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO4 .......................................................... 62


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

Hình 3.7. Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách vào thời gian hòa tách................................ 54
Hình 3.8. Sơ đồ quy trình chế tạo chất keo tụ BĐ Al – Fe từ bùn đỏ............................55
3-

Hình 3.9. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO4 ............................................................ 61
3-

Hình 3.10. Hiệu suất xử lý độ đục, COD , PO4 .......................................................... 62

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


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

tế của đất nước, từ những năm 1970, Chính phủ đã cho triển khai dự án sản xuất
nhôm từ mỏ bauxit Ma Mèo, nhà máy sản xuất hydroxyt nhôm tại Công ty Hóa chất
Cơ bản miền Nam đã hình thành. Một số dự án lớn sản xuất alumin và hydroxyt
nhôm bao gồm: Nhà máy hóa chất Tân Bình sản xuất hydroxyt nhôm ở TPHCM,
nhà máy alumin Tân Rai (tỉnh Lâm Đồng), nhà máy alumin Nhân Cơ (tỉnh Đăk
Nông).
Từ bauxit có thể thu hồi alumin (Al 2O3) rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi nhôm
kim loại. Hơn 90% sản lượng alumin được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình điện
phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% còn lại được sử dụng trong công nghiệp hóa chất
và các ngành công nghiệp khác. Công nghệ sản xuất alumin từ quặng bauxit bằng
phương pháp Bayer tạo ra một lượng chất thải rất lớn gọi là bùn đỏ. Bùn đỏ bao gồm
các thành phần không thể hòa tan, trơ và khá bền vững trong điều

1


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

trong việc xử lý các vấn đề môi trường.
Mục tiêu nghiên cứu
 Nghiên cứu điều kiện tối ưu chế tạo chất keo tụ từ bùn đỏ Tân Rai
 Nghiên cứu khả năng ứng dụng chất keo tụ và xử lý độ đục, COD và PO4

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

2

3-


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

Phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra oxit nhôm và sắt.

-

Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước
ngầm.

-

Xói mòn và tái tích tụ bauxit

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

-

Ở nơi có lượng mưa cao xen kẽ các đợt khô hạn ngắn

-

Hệ thống thoát nước tốt

-

Khí hậu nhiệt đới ẩm

-

Có mặt lớp phủ thực vật với vi khuẩn

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

3


AlO(OH), Boehmite γ-AlO(OH). Gibbsite có hàm lượng alumin tối đa là 65,4%.
Boehmite và diaspore có hàm lượng alumin tối đa là 85%. Ngoài ra bauxit còn có
các khoáng vật của sắt như hematit, goethit đôi khi có cả pirit … của silic như thạch
anh, opal… của titan như anatase, rutin,.. có hàm lượng đáng kể cùng một số các
nguyên tố Ca, Mg, Co, Ni, Pb… với hàm lượng rất nhỏ. Mỗi dạng cấu trúc của
bauxit có những đặc tính khác nhau nhằm phục vụ những mục đích khai thác và sử
dụng khác nhau.
1.1.2. Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên thế giới và tại Việt
Nam
1.1.2.1.

Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên thế giới

Bauxit là một trong những tài nguyên khoáng sản khá dồi dào trên trái đất.
Theo công bố của Cục khảo sát địa chất Mỹ vào tháng 1 năm 2009 thì nguồn quặng
bauxit trên thế giới ước tính khoảng 55 – 75 tỷ tấn phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt
đới, Địa Trung Hải và vành đai xung quanh xích đạo. Người ta tìm thấy quặng
bauxit ở các vùng lãnh thổ của Úc, Nam và Trung Mỹ (Jamaica, Brazin, Surinam,
Venezuela, Guyana), châu Phi (Guinea), châu Á (Ấn Độ, Việt Nam, Trung Quốc) và
châu Âu (Nga, Hy Lạp, Hungari).
Bảng 1.1. Sự phân bố trữ lượng bauxit trên các châu lục
STT

1
2
3
4
5

4


Trên thế giới có khoảng 40 nước có bauxit, trong đó Guinea là nước có trữ
lượng bauxit lớn nhất trên thế giới, sau đó là Australia và Việt Nam [13]. Các nước
có trữ lượng bauxit đều khai thác để sử dụng trong nước và xuất khẩu. Trong 15
năm qua sản lượng khai thác bauxit trên thế giới tăng bình quân hàng năm là 6,8%.
Hiện nay, trên thế giới có 24 nước với 54 nhà máy sản xuất alumin và 40 ước với
121 nhà máy điện phân nhôm kim loại [20].
Bảng 1.2. Trữ lượng bauxite và sản lượng khai thác trên thế giới [13]
TT

1
2
3
4
5
6
7
8
9


10

11
12
13
14
15

Tổng

1.1.2.2.

Tình hình khai thác và chế biến bauxit tại Việt Nam

Ở Việt Nam, bauxit phân bố phổ biến ở các tỉnh: Cao Bằng, Hà Giang, Lạng
Sơn và Tây Nguyên. Thị xã Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng là một trong những nơi có trữ
lượng bauxit lớn ở Tây Nguyên, chiếm 20% tổng trữ lượng cả nước.
Tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo khoảng 5,5 tỷ tấn, trong đó khu vực
miền Bắc khoảng 91 triệu tấn, còn lại tập trung chủ yếu ở khu vực miền Nam
khoảng 5,4 tỷ tấn (chiếm 98% tổng trữ lượng cả nước), trong đó gồm Đăk Nông
khoảng 3,42 tỷ tấn (chiếm 62% tổng trữ lượng); Lâm Đồng khoảng 975 triệu tấn
(chiếm 18%); Gia Lai - Kon Tum khoảng 806 triệu tấn (chiếm 15%) và Bình Phước
khoảng 217 triệu tấn (chiếm 4%) và một số khu vực ven biển Quảng Ngãi và Phú
Yên [3,8]. Đây là yếu tố quan trọng và quyết định việc phát triển ngành công nghiệp
khai thác bauxit, sản xuất alumin và nhôm kim loại của Việt Nam.

6


1.1.3. Công nghệ sản xuất alumin
Trong công nghiệp, có một số công nghệ sản xuất alumin tùy theo loại
nguyên liệu và chất lượng nguyên liệu. Hiện tại và trong tương lai, 85% alumin trên

thế giới được sản xuất từ quặng bauxit, 10% từ quặng nephelin và alunit chủ yếu ở
Nga, Canada, Mỹ, 5% từ các nguyên liệu khác tập trung ở Nga, Mỹ, Nhật Bản [4].
Điều đó cho thấy bauxit vẫn là nguồn nguyên liệu quan trọng nhất trong sản xuất
alumin nói riêng và sản xuất nhôm nói chung.
Công nghệ Bayer được Karl Bayer phát minh vào năm 1887.

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý công nghệ Bayer sản xuất Alumin [4]

7


Quy trình Bayer có thể khái quát bao gồm bốn bước: hòa trộn, tách bùn, kết
tủa, sấy khô [32]
-

Hòa trộn: Quặng bauxit thô được hòa trộn với NaOH trong lò áp lực đến

nhiệt độ khoảng 150 – 200˚C. NaOH phản ứng với các khoáng chất nhôm của
bauxit tạo thành hợp chất bão hòa natri aluminate và hợp chất không hòa tan (bùn
đỏ):
-

Al2O3 + 2OH + 3 H2O → 2[Al(OH)4]
-

-

Tách bùn: Sau khi hòa trộn, hỗn hợp được truyền qua một loạt các thùng

giảm áp suất. Tại đây, áp suất không khí được tràn vào, cát được tách ra khỏi hỗn

hợp qua các bẫy cát. Tiếp theo cặn mịn và các chất rắn còn lại được bổ sung các hợp
chất tổng hợp và đưa qua bộ lọc vải. Những tồn dư sau đó được rửa sạch và loại bỏ
đi.
-

Kết tủa: Hợp chất bão hòa natri aluminat tiếp tục được làm mát bằng hệ

thống trao đổi nhiệt. Vì bị làm lạnh đột ngột, các hydroxit nhôm bị kết tủa lại tạo
thành các hạt tinh thể. Các tinh thể này lại kết hợp với các tinh thể khác tạo thành
các hạt lớn hơn lắng xuống đáy. Sau đó, các hạt hydroxit nhôm được lọc và rửa sạch
để loại bỏ kiềm. Phản ứng diễn ra như sau:
+

4-

Na + Al(OH) → Al(OH)3 + NaOH
-

Nung: Các hạt hydroxit nhôm được nung trong lò ở nhiệt độ trên 960˚C tạo

thành nhôm oxit:
Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O
Quy trình Bayer tạo ra một lượng lớn chất phụ phẩm trong quá trình xử lý
quặng bauxit để sản xuất alumin (oxit nhôm). Chất thải bauxit này được gọi là bùn
đỏ.

8


1.2. Giới thiệu về bùn đỏ

1.2.1. Đặc điểm, thành phần hóa học và tính chất vật lý
Bùn đỏ là chất thải nguy hại sinh ra trong quy trình công nghệ Bayer sản xuất
alumin từ quặng bauxit, chứa hàm lượng kiềm dư cao và nhiều kim loại nặng độc
hại. Khối lượng bùn đỏ sinh ra ở các nhà máy sản xuất alumin tùy thuộc vào chất
lượng quặng bauxit nguyên khai, có thể lớn hơn khối lượng sản phẩm alumin từ 1 –
1,5 lần [21]. Các nhà máy sản xuất alumin thường thải bùn đỏ dưới dạng lỏng vào
các hồ chứa tạo ra nguy cơ ô nhiễm môi trường lớn đối với các vùng đất thấp.
Đặc điểm: Bùn đỏ ở dạng huyền phù có tỷ trọng khối trong khoảng 1,2 –
3

1,3g/m , hàm lượng chất khô là 250 – 350g/l. Diện tích bề mặt riêng của bùn đỏ
2

khoảng 7,3 – 34,5 m /g [25,27] và có thể tăng lên đáng kể bằng các biện pháp xử lý
khác nhau. Bùn đỏ mang điện tích âm do các nhóm hydroxyl trên bề mặt tạo ra. Bùn
đỏ có màu đỏ cam, đỏ, đỏ nâu, nâu. Độ pH nằm trong khoảng 11 – 13, kích thước
hạt nhỏ, 90% khối lượng các hạt có kích thước dưới 75 µm. Do đó, bùn thải khi khô
dễ phát tán bụi vào không khí gây ô nhiễm, tiếp xúc thường xuyên với bụi này gây
ra các bệnh về da, mắt. Nước thải từ bùn đỏ tiếp xúc với da gây tác hại như ăn da,
gây mất độ nhờn làm da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt nẻ, đau rát, có thể sưng tấy,
loét mủ ở vết rách xước trên da…Đặc biệt, khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm
là rất cao khi lưu giữ bùn với khối lượng lớn trong thời gian dài. Lượng bùn này
phát tán mùi hôi, hơi hóa chất làm ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu [4].
Thành phần hóa học
Thành phần hóa học của bùn đỏ thay đổi tùy từng loại quặng bauxit và tùy
vào phương pháp thu hồi nhôm oxit có trong quặng. Bùn đỏ là một hỗn hợp có độ
kiềm cao chứa chủ yếu oxit của silic, nhôm, sắt, canxi, titan và một số thành phần
phụ: Na, K, Cr, V, Ni, Ba, Cu, Mn, Pb, Zn.

9

Bảng 1.3. Thành phần hóa học bùn đỏ [17,18]
STT
1
2
3
4
5
6
7
Thành phần khoáng vât của bùn đỏ: Các khoáng vật có trong thành phần
bùn đỏ gồm khoáng vật còn lại của quặng Bauxite ban đầu như: Hematite, Gơtite,
Thạch anh, Gibsip, Bơmite, Muscovite, Anatase; cùng các khoáng vật kết tinh trong
quá trình công nghệ sản xuất Alumin (quy trình Bayer) như: Canxit, Sodalit,
Aluminat Ca và Thạch cao. Tuy nhiên, tỷ lệ các khoáng vật trên trong bùn đỏ thay
đổi trong phạm vi rộng [27].
Thành phần cỡ hạt của bùn đỏ: Do bauxit trước khi đưa vào hòa tách phải
nghiền đến cỡ hạt nhỏ và do quá trình tự vỡ vụn nên bùn đỏ thường có cỡ hạt từ mịn
đến rất mịn [27]
Bảng 1.4. Tỷ lệ cấp hạt của bùn đỏ
% cấp hạt µm

37,12 – 42,09

10


1.2.2. Phương hướng xử lý bùn đỏ
Hoạt động khai thác quặng bauxit ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường

sinh thái, nguồn nước ngầm, nước mặt và sức khỏe người dân xung quanh. Lượng
bùn đỏ thải ra trên một tấn alumin thành phẩm có thể dao động từ 0,3 tấn đối với
bauxit chất lượng cao và 2,5 tấn đối với bauxite chất lượng thấp [4]. Hàng năm, có
hơn 90 triệu tấn bùn đỏ được tạo ra trên toàn cầu. Theo quy hoạch thì đến năm 2015
mỗi năm nước ta sẽ sản xuất khoảng 7 triệu tấn alumin, tương ứng với việc thải ra
môi trường khoảng 10 triệu tấn bùn đỏ. Nếu tính đến năm 2025 thì con số này là 15
triệu tấn alumina tương đương với 23 triệu tấn bùn đỏ thải ra. Theo sự phát triển
như vậy, cứ sau 50 năm sẽ có 1,15 tỷ tấn bùn đỏ tồn đọng ở Tây Nguyên nếu không
xử lý [10].
Bùn đỏ nếu thải trực tiếp ra môi trường có thể gây ra những hậu quả nghiêm
trọng:
-

Phải sử dụng diện tích lớn để lưu trữ, làm mất khả năng sử dụng đất trong

thời gian dài;
-

Khối lượng bùn thải lớn, trong mùa mưa có nguy cơ gây ra rửa trôi, lũ bùn

làm ô nhiễm môi trường nước mặt trên diện rộng;
-

Lượng xút dư thừa trong bùn đỏ thấm vào đất gây ô nhiễm cả nguồn nước

ngầm;
-

Kích thước các hạt bùn đỏ rất nhỏ, có khuynh hướng dễ vỡ khi khô, nên

trong quá trình làm khô, bụi bùn đỏ có khả năng phát tán vào không khí do gió, ảnh
hưởng xấu đến sức khỏe con người và môi trường sinh thái.
1.2.2.1.

Phương pháp lưu trữ bùn đỏ

Việc kiểm soát chặt chẽ vấn đề lưu trữ bùn đỏ luôn là một vấn đề được quan
tâm nhất trong toàn bộ quy trình sản xuất alumin. Trên thế giới có hai phương pháp
thải bùn đỏ: thải xuống nước (sông, biển) và thải trên đất liền [19,29].

11


a. Phương pháp thải xuống nước

Phương pháp thải xuống nước (thải ra biển, sông…) là một phương pháp đơn
giản, chi phí thấp đã được một số nhà máy áp dụng. Tuy nhiên, phương pháp này
không an toàn do bùn quá mịn nên khó lắng, lượng bùn phát tán khắp nơi, hàm
lượng kiềm trong nước cũng tăng cao. Chính vì vậy, gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến các loài sinh vật dưới nước, phá hủy môi trường sống của hệ động thực vật, làm
mất vẻ đẹp cảnh quan, ảnh hưởng đến đời sống kinh tế của dân cư xung quanh. Hiện
nay, các phương pháp thải bùn đỏ ra biển, sông, hồ… đều bị nghiêm cấm vì nó phá
hủy môi trường sống của các sinh vật đáy thủy vực.
b. Phương pháp thải trên đất liền

Phương pháp thải bùn đỏ trên đất liền: phương pháp này ít gây ô nhiễm hơn
nên được sử dụng phổ biến hiện nay.
Bãi thải bùn đỏ được xây dựng và vận hành thích hợp phải đáp ứng những
yêu cầu về an toàn, bảo vệ môi trường mà trước hết là bảo vệ chất lượng của nước
ngầm và các nguồn nước xung quanh, đồng thời đáp ứng dung tích thải của nhà máy

về yêu cầu kinh tế. Những vấn đề liên quan đến địa chất thủy văn và yêu cầu của
quá trình công nghệ của nhà máy alumin cần được xem xét. Sự hợp tác rất chặt chẽ
của các nhà chuyên môn, công nghệ, địa chất, địa chất thủy văn, các kỹ sư xây
dựng, v.v... là điều cần thiết.
Điều kiện thuận lợi nhất là bãi thải bùn đỏ đặt ngay gần nhà máy alumin.
Như vậy chi phí vận chuyển bùn đỏ sẽ là ít nhất. Tuy nhiên, một khoảng cách nhất
định giữa nhà máy và bãi thải cũng cần phải được chú ý nhằm đáp ứng quy định của
kiểm tra môi trường.
Việc lưu trữ bùn thải một cách an toàn, giảm thiểu được vấn đề ô nhiễm thì
chưa đủ vì theo thời gian lượng bùn thải tích lũy ngày càng nhiều và bãi chứa trở
nên quá tải cộng thêm chi phí phải gia cố bảo trì hàng năm đã trở thành. Chính vì

12


vậy, việc nghiên cứu tận dụng bùn thải là một vấn đề hết sức cấp bách và quan
trọng.
1.2.2.2.

Vấn đề sử dụng bùn đỏ

Trong thành phần bùn đỏ, có nhiều các chất có giá trị (Fe 2O3, Al2O3, V2O5,
TiO2, nguyên tố đất hiếm) do đó cần phải sử dụng bùn đỏ một cách hiệu quả để
tránh gây lãng phí. Bùn đỏ có thể sử dụng cần phải loại bỏ nước trong bùn bằng
máy lọc ép, chuyển thành bùn đặc dạng bánh rắn để dễ vận chuyển và xử lý.
Các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu nhằm tìm ra các biện pháp hơn
để sử dụng bùn đỏ. Có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng bùn đỏ theo nhiều
hướng khác nhau nhưng được chia thành ba nhóm:
-

Canh tác nông nghiệp trên bãi thải bùn đỏ

-

Ứng dụng làm nguyên vật liệu

-

Thu hồi các khoáng vật có ích.

a. Canh tác nông nghiệp trên bãi thải bùn đỏ

Việc trồng trọt trên bùn thải rất khó thực hiện do các nguyên nhân sau: độ pH
cao, hàm lượng muối cao, thiếu chất dinh dưỡng, môi trường không có vi sinh vật.
Theo nghiên cứu [5] đã đi sâu tìm hiểu về giải pháp phục hồi môi trường các bãi
thải bùn đỏ tại nhà máy alumin tại Agios Nicolaos (Hy Lạp) với lượng bùn đỏ thải
ra hàng năm lên đến 680.000 tấn. Để có thể canh tác được trên bãi thải cần phải
thực hiện:
-

Khử nước bùn đỏ: trở ngại lớn đối với việc thải khô là diện tích lớn, do đó

bắt buộc phải làm khô bùn đỏ, cần phải sử dụng máy ép lọc có hiệu suất cao.
-

Biến đổi các đặc tính của bùn đỏ khô và xây dựng thảm thực vật: Cần lựa

chọn chất phụ gia thích hợp để chuyển hóa bùn đỏ, tiến hành các thử nghiệm vật lý,
địa hóa hỗn hợp và các thí nghiệm thực vật để đánh giá tính hiệu quả của vật liệu.

13


-

Ứng dụng tại chỗ: Bùn đỏ khô sẽ tích thành đống dày 20m, phủ lên trên một

lớp bùn đỏ khô hoặc đất đá thải đã được biến đổi đúng cách để hỗ trợ thực vật.
Việc trồng trọt trên bãi thải bùn đỏ rất khả quan nếu được nghiên cứu và đầu
tư từ xử lý bùn và kết hợp phương án cải tạo đất nghèo, lựa chọn cây trồng phù
hợp…Các loại cây trồng phù hợp chủ yếu là phục vụ chăn nuôi (cỏ), hoa mùa (bắp
cải, cây họ đậu) hoặc một vài loại cây lương thực như khoai, sắn.
b. Sử dụng bùn đỏ làm nguyên vật liệu

Sản xuất xi măng [6,28,35]: Bùn đỏ có chứa một lượng lớn β-2CaO.SiO2
chính là một chất kết dính rất hay dùng trong sản xuất vật liệu xây dựng. Hàm lượng
bùn đỏ trong xi măng có thể lên đến 50% [35]. Một nghiên cứu của các nhà khoa
học Ấn Độ đã sử dụng bùn đỏ để chế tạo xi măng giàu sắt [28]. Xi măng được chế
tạo bằng cách trộn hỗn hợp vôi, bùn đỏ, bauxit, gypsum sau đó khảo sát sự ảnh
hưởng của các thành phần, nhiệt độ và thời gian nung đến tính chất của xi măng. Để
bùn đỏ có thể ứng dụng trong sản xuất xi măng cần phải hạ thấp chi phí của khâu
lọc ép và vận chuyển.
Sản xuất gạch không nung[36,38]: Các nghiên cứu của các nhà khoa học
Séc [20] cũng đưa ra để sản xuất gạch không nung bằng cách trộn bùn đỏ với xi
măng và đá vôi theo tỷ lệ thích hợp, tính chất cơ lý của gạch được chế tạo từ bùn đỏ
tương đương với gạch Block M100 theo tiêu chuẩn của Việt Nam. Yang và các cộng
sự [38] đã nghiên cứu một loại gạch composit làm từ bã thải bauxit kết hợp với xi
măng, vôi và tro bay. Các mẫu gạch được tổng hợp dưới áp suất 0,8 MPa và sau đó
được sấy khô hơi nước trong 8h.
Ứng dụng làm chất độn trong sơn, nhựa tổng hợp: Bùn đỏ cũng được

phát hiện là có ứng dụng như một chất độn trơ trong nhựa [15,16] và như một chất
bột màu trong sơn [14]. Hầu hết các ứng dụng như vậy đều yêu cầu các thao tác tiền
xử lý trước khi sử dụng, từ đơn giản như sấy khô và sàng lọc, giảm kích thước hạt,
đến trung hòa với axit hoặc xử lý nhiệt. Tất cả các phương pháp tiền xử lý đều đóng

14


góp vào việc tăng tổng chi phí của sản phẩm. Một ứng dụng của bùn đỏ như bột
màu trong sơn bảo vệ chống ăn mòn đã được tác giả Phạm Gia Vũ và cộng sự
nghiên cứu [14]. Bùn đỏ đã được trung hòa bằng gypsum và muối biển, sau đó sử
dụng chế tạo sơn nước bằng cách nghiền với nhựa alkid, bột ôxit sắt, phụ gia và
nước. Khả năng sử dụng bùn đỏ cho sơn bảo vệ chống ăn mòn đã được khảo sát
bằng phương pháp đo tổng trở điện hóa kết hợp với đo các tính năng cơ lý. Các kết
quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng bùn đỏ trong sơn gốc nước bảo vệ chống ăn
mòn. So sánh với bột màu truyền thống oxit sắt, màng sơn sử dụng bùn đỏ có khả
năng ngăn cách với môi trường xâm thực cao hơn và có tính năng cơ lý tốt hơn.
c. Thu hồi các nguyên tố có giá trị từ bùn đỏ

Dựa theo các kết quả nghiên cứu về thành phần hóa học và khoáng vật của
bùn đỏ, người ta đã tìm ra các phương pháp thu hồi các kim loại, oxit kim loại có
giá trị: Fe2O3, Al2O3, V2O5, Ti… Một kết quả nghiên cứu của Mỹ về việc tái sử
dụng bùn đỏ bằng cách thủy phân bùn đỏ trong axit sunfuric để thu hồi Ti và nhôm
còn dư trong bùn đỏ. Sau đó, cặn thải trong quá trình thu hồi Ti được đưa vào trung
hòa kiềm còn dư trong bùn đỏ. Tuy nhiên, phương án này chỉ phù hợp với những
quặng bauxit có hàm lượng Ti lớn trên 10%. Ví dụ: ở Ấn Độ, quặng thải có hàm
lượng TiO2 tới 28% trọng lượng vì vậy thu hồi Ti được quan tâm đặc biệt.
Việc thu hồi các kim loại từ bùn đỏ cần phải được nghiên cứu để đưa ra
những quy trình được áp dụng ở quy mô lớn nhằm thu hồi tối đa và giảm thiếu phần
bã thải rắn. Thakur cùng các cộng sự năm 1983 [34] và Paramaguru năm 2005 [30]

đã tổng kết các quy trình riêng rẽ và kết hợp thu hồi sắt, nhôm và titan. Để thành
công bất kì sơ đồ quy trình thu hồi kim loại nào đều phải được thiết kế và đánh giá
các chất thải cụ thể để tối ưu hóa các cơ hội tạo ra từ các thành phần cũng như tận
dụng tối đa năng lượng.

15


Mặc dù đã có những nghiên cứu xác định nhiều giải pháp kĩ thuật nhưng vẫn
chưa có quy mô lớn nào được thực hiện vì rất khó trong việc cạnh tranh quy trình
sản xuất các kim loại đi từ khoáng tự nhiên.
1.2.3. Ứng dụng bùn đỏ trong công nghệ môi trường
1.2.3.1.

Ứng dụng trong xử lý khí thải

Ống khói và khí thải ra từ các quá trình công nghiệp khác nhau có thể chứa
các khí độc hại như H 2S, SOx, NOx, tác động mạnh mẽ đến môi trường. Tuy nhiên,
rất ít nghiên cứu được thực hiện trong làm sạch khí thải bằng cách sử dụng bùn đỏ.
Fan cùng cộng sự (2005) [22] đã báo cáo về việc loại bỏ lưu huỳnh từ khí than. Họ
chuẩn bị một lò phản ứng cố định sử dụng đất sét trộn với bùn đỏ hấp phụ trong
phòng thí nghiệm với quy mô hoạt động lớn. Kết quả thực nghiệm cho thấy khả
năng hấp phụ tốt.
Cacbon dioxit là khí chủ yếu gây hiệu ứng nhà kính. Ngưng tụ CO 2 từ quy
trình công nghiệp sẽ giúp giảm lượng khí thải CO 2. Jones cùng cộng sự (2006) [26]
đã báo cáo nghiên cứu về lượng khí CO 2 có thể cacbonat hóa bằng cách sử dụng
nguyen bùn đỏ và bùn đỏ đã trung hòa. Dựa trên các thí nghiệm, họ đã tính toán
lượng khí cacbon có thể được loại bỏ hàng năm tại nhà máy lọc nhôm tại Úc là 15
triệu tấn.
1.2.3.2.

Ứng dụng trong xử lý nước thải

a. Vật liệu hấp phụ [7,18,39]
Bùn đỏ là chất hấp phụ giá rẻ đã được nghiên cứu rộng rãi vì nó thể hiện khả
năng hấp phụ đầy hứa hẹn. Bùn đỏ đã được nhiều nhà nghiên cứu đề cập đến nhằm
phát triển ứng dụng bùn đỏ vào thực tế như loại bỏ kim loại nặng độc hại, anion vô
cơ, các á kim, cũng như các chất hữu cơ bao gồm thuốc nhuộm, hợp chất của phenol
[7,18]. Ưu điểm cơ bản của bùn đỏ là tính linh động của nó vì nó có những

16


tính chất đặc thù của vật liệu hấp phụ và chất keo tụ (mịn, xốp, chứa nhiều tâm hoạt
hóa…)
Có nhiều phương pháp hoạt hóa khác nhau đối với bùn đỏ như biến tính axit,
biến tính nhiệt, kết hợp biến tính axit và biến tính nhiệt… để nâng cao khả năng hấp
phụ các chất độc hại trong nước. Các vật liệu sau khi được hoạt hóa có thể thay đổi
về tính chất hóa lý như: thành phần pha, diện tích bề mặt, kích thước hạt, hình thái
cấu trúc… để làm tăng thêm các tâm hấp phụ đối với từng đối tượng nghiên cứu.
b. Chất keo tụ
Tái chế xử lý bùn đỏ làm chất keo tụ có nguồn gốc muối sắt, muối nhôm có
tác dụng keo tụ lắng trong nước dùng để xử lý nước thải. Trước chiến tranh thế giới
thứ hai, người Anh đã xử lý bùn đỏ với axit clohydric và axit sunfuric ở nồng độ
cao, phơi khô rồi nghiền mịn sau đó dùng sản phẩm để xử lý nước thải. Thực chất
quá trình này là dùng axit để chuyển hóa các oxit của nhôm và sắt có trong bùn đỏ
Fe2O3, Al2O3 thành các muối dạng phèn có tính năng keo tụ [12].
Hướng tái chế xử lý bùn đỏ để sản xuất chất keo tụ được đầu tư nghiên cứu
và phát triển rộng rãi ở CHLB Nga. Xuất phát của những nghiên cứu này là do nước
Nga có quặng nhôm chất lượng thấp, một thời gian dài (từ thập kỷ 70 – 80 của thế

kỷ XX) các nhà khoa học Nga đã nghiên cứu sản xuất alumin bằng con đường phân
hủy các muối nhôm (cũng là một dạng chất keo tụ). Muối nhôm được chế tạo bằng
cách chế biến tổng hợp các khoáng sản chứa nhôm dạng nghèo (nephelin, alunit, các
bô-xit chất lượng thấp) trong axit vô cơ. Trên cơ sở kết quả của các nghiên cứu này
các nhà khoa học Nga rất giàu kinh nghiệm trong việc phân giải khoáng sản chứa
hỗn hợp kim loại (chủ yếu là nhôm, sắt) bằng axit vô cơ, bao gồm: điều khiển tốc độ
hòa tách và kết tinh, hòa tách chọn lọc, kết tinh chọn lọc, đồng kết tinh.
Ứng dụng các chất keo tụ cho các nguồn nước thải và đánh giá hiệu quả sử
dụng cũng được chỉ rõ trong các nghiên cứu trên. Đặc biệt đối với xử lý nước thải

17


của các nhà máy tuyển quặng, việc vận chuyển và vận hành pha chế chất keo tụ
chứa axit thuận tiện hơn rất nhiều so với sử dụng axit sunfuric công nghiệp.
1.3. Tổng quan về keo tụ
1.3.1. Khái niệm
Keo tụ là một phương pháp xử lý nước có sử dụng hóa chất, trong đó các hạt
keo nhỏ lơ lửng trong nước nhờ tác dụng của chất keo tụ mà liên kết với nhau tạo
thành bông keo có kích thước lớn hơn và người ta có thể tách chúng ra khỏi nước dễ
dàng bằng các biện pháp lắng lọc hay tuyển nổi.
1.3.2. Cấu tạo của hạt keo
Tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ, thông thường các hạt cặn trong nước đều
có thể mang điện tích âm hoặc dương. Ví dụ: các hạt cặn gốc silic, các tạp chất hữu
cơ đều mang điện tích âm; các hydroxit sắt, nhôm mang điện tích dương. Khi thế
cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích sẽ kết dính
với nhau nhờ lực liên kết phân tử và lực điện từ, tạo thành một tổ hợp các phân tử,
nguyên tử hoặc các ion tự do, các tổ hợp tạo thành hạt keo [11]
Các hạt keo sẽ có những tính chất khác nhau, phụ thuộc vào thành phần cấu
tạo. Hạt keo được chia làm hai loại:

-

Keo ưa nước (hydrophilic) là các dung dịch cao phân tử với các phân tử chất

hữu cơ hòa tan có kích thước lớn và chứa nhiều nhóm chức phân cực, có ái lực cao
với các phân tử nước.
-

Keo kỵ nước (hydropholic) không tan, phân chia thành các hạt nhỏ, không

ngậm dầu, nước.
Keo kỵ nước hình thành sau quá trình thủy phân các chất xúc tác như: phèn
nhôm, phèn sắt. Ban đầu các phân tử mới hình thành liên kết lại với nhau thành các
khối đồng nhất. Ví dụ: khi dùng phèn sắt, sau khi thủy phân sẽ tạo ra các khối liên

18