Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý của bùn đỏ Tây Nguyên đối với một số ion độc hại trong nước

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

110
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bùn đỏ là chất thải từ quá trình sản xuất nhôm từ quặng bauxite theo công nghệ Bayer. Việc xử lý loại bỏ bùn đỏ là một vấn đề quan trọng đối với môi trường vì hai lý do chính: một là bùn đỏ có độc tính do pH cao, hai là khối lượng bùn đỏ thải ra rất lớn. Tác động đến môi trường của bùn đỏ có thể dẫn tới sự ô nhiễm tầng nước ngầm hay ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt, ảnh hưởng đến đất canh tác và thảm thực vật xung quanh khu vực khai thác và những nơi thấp hơn. Do đó vấn đề cấp bách đặt ra là việc xử lý bùn đỏ thải ra sao cho hợp lý và phù hợp với kinh tế. Chính vì vậy, đề tài được thực hiện, mà cụ thể trong đề tài này sẽ khảo sát đánh giá đối với asen và amoni.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý của bùn đỏ Tây Nguyên đối với một số ion độc hại trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ………………………… NGUYỄN VĂN THƠM NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ CỦA BÙN ĐỎ TÂY NGUYÊN ĐỐI VỚI MỘT SỐ ION ĐỘC HẠI TRONG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ………………………… NGUYỄN VĂN THƠM NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ CỦA BÙN ĐỎ TÂY NGUYÊN ĐỐI VỚI MỘT SỐ ION ĐỘC HẠI TRONG NƯỚC Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN HỒNG CÔN Hà Nội - 2015
Luận văn thạc sĩ LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Trần Hồng Côn, người đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã dốc lòng truyền đạt kiến thức trong thời gian em học tập. Với vốn kiến thức được tiếp thu không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu luận văn mà còn là hành trang quý báu cho em trong công việc và cuộc sống sau này. Em chân thành cảm ơn NCS. Phạm Thị Mai Hương đã ủng hộ và giúp đỡ em rất nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến của các anh chị, các bạn sinh viên để tôi hoàn thiện luận văn này. Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy, Cô thật dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau. Trân trọng kính chào quý Thầy, Cô! Học viên cao học Nguyễn Văn Thơm Nguyễn Văn Thơm Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt 1 XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X XRF X-Ray Fluorescence Phổ huỳnh quang tia X Scanning Electron 2 SEM Kính hiển vi điện tử quét Microscope Transmission Electron 3 TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua Microscopy 4 pHpzc pH-Point of zero charge pH tại điểm đẳng điện 5 TRMA Bùn đỏ trung hòa kiềm 6 TRMW Bùn đỏ rửa nước đến pH=7 Nguyễn Văn Thơm Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng Trang bảng Thành phần nguyên tố của bùn đỏ Bảo Lộc 1.1 3 (phương pháp phổ huỳnh quang tia X - XRF). Bảng 1.2. Thành phần nguyên tố của bùn đỏ tại 1.2 3 Nhà máy Alumin Lâm Đồng. Thành phần bùn đỏ lấy từ nhà máy hóa chất Tân Bình tại 1.3 3 thành phố Hồ Chí Minh. 1.4 Các dạng cấu trúc pha trong bùn đỏ khô. 3 1.5 Bán kính ion NH4+ và bán kính của các ion kim loại kiềm. 19 2.1 Kết quả xác định dung dịch chuẩn asen từ 10 – 90ppb. 29 2.2 Kết quả xác định dung dịch chuẩn asen từ 100 – 900 ppb. 29 2.3 Giá trị mật độ quang ABS. 31 3.1 Thành phần hóa học của bùn đỏ khô nguyên liệu. 39 3.2 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ As của TRMA. 41 3.3 Kết quả xác định pHpzc của vật liệu TRMA 350. 43 3.4 Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMA 350. 44 3.5 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ As của TRMW. 45 3.6 Kết quả xác định pHpzc của vật liệu TRMW 350. 47 3.7 Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMW 350 . 48 3.8 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của TRMA. 49 3.9 Kết quả xác định pHpzc của vật liệu TRMA 600. 51 3.10 Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMA 600. 52 3.11 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của TRMW. 53 Nguyễn Văn Thơm Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ 3.12 Kết quả xác định pHpzc của vật liệu TRMW 600. 55 3.13 Kết quả khảo sát tải trọng hấp phụ của vật liệu TRMW 600. 56 Nguyễn Văn Thơm Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình vẽ Trang hình vẽ 1.1 Cấu trúc tứ diện đều của ion amoni. 19 1.2 Đường cong Clo hoá tới điểm đột biến đối với nước có amoni. 22 2.1 Đường chuẩn asen từ 10-90 ppb. 29 2.2 Đường chuẩn asen từ 100 - 900 ppb. 30 Đường chuẩn dùng để xác định nồng độ NH4+ trong mẫu 2.3 31 nước. 2.4 Tia tới và tia phản xạ trên tinh thể. 32 2.5 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét. 34 2.6 Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu. 35 2.7 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. 37 2.8 Đồ thị dạng tuyến tính của phương trình Langmuir. 38 3.1 Giản đồ XRD của mẫu bùn đỏ Tân Rai. 40 3.2 Kết quả phân tích nhiệt mẫu bùn đỏ nguyên liệu. 41 3.3 Giản đồ XRD của vật liệu TRMA 350. 42 3.4 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMA 350. 43 3.5 Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu TRMA 350. 43 3.6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TRMA 350. 44 3.7 Giản đồ XRD của vật liệu TRMW 350. 46 3.8 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMW 350. 46 3.9 Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu TRMW 350. 47 3.10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TRMW 350. 48 3.11 Giản đồ XRD của vật liệu TRMA 600. 50 3.12 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMA 600. 50 Nguyễn Văn Thơm Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ 3.13 Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu TRMA 600. 51 3.14 Phương trình tuyến tính Langmuir của vật liệu TRMA 600. 52 3.15 Giản đồ XRD của vật liệu TRMW 600. 54 3.16 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của vật liệu TRMW 600. 54 3.17 Đồ thị xác định pHpzc của vật liệu TRMW 600. 55 3.18 Phương trình tuyến tính Langmuir của vật liệu TRMW 600. 56 Nguyễn Văn Thơm Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN ............................................................................... 2 1.1. Bùn đỏ ........................................................................................................ 2 1.1.1. Nguồn gốc của bùn đỏ......................................................................... 2 1.1.2. Thành phần và đặc điểm của bùn đỏ. .................................................. 2 1.1.3. Tình hình bùn đỏ ở Tây Nguyên. ........................................................ 4 1.1.4. Các phương pháp xử lý bùn đỏ. .......................................................... 4 1.2. Vấn đề ô nhiễm nước. ................................................................................ 8 1.2.1. Asen và các phương pháp xử lý Asen. ................................................ 8 1.2.2. Amoni và các phương pháp xử lý Amoni. ........................................ 17 CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM ........................................................................ 26 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn. ...................................... 26 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................... 26 2.1.2. Nội dung nghiên cứu. ........................................................................ 26 2.2. Hóa chất và thiết bị dụng cụ..................................................................... 26 2.2.1. Hóa chất............................................................................................. 26 2.2.2. Thiết bị và dụng cụ............................................................................ 27 2.3. Phương pháp phân tích Asen và Amoni trong nước. ............................... 28 2.3.1. Phân tích Asen bằng phương pháp thủy ngân bromua. .................... 28 2.3.2. Phân tích Amoni bằng phương pháp Nessler.................................... 30 2.4. Chế tạo các loại vật liệu hấp phụ từ bùn đỏ. ............................................ 32 2.4.1. Bùn đỏ trung hòa kiềm (TRMA)....................................................... 32 2.4.2. Bùn đỏ rửa nước đến pH=7 (TRMW)............................................... 32 2.5. Các phương pháp đánh giá đặc tính của vật liệu hấp phụ........................ 32 2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD). ..................................... 32 2.5.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM). ................................ 33 2.5.3. Phương pháp xác định giá trị pH tại điểm đẳng nhiệt. ..................... 35 2.5.4. Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu. ..................... 35 Nguyễn Văn Thơm Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ CHƯƠNG 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................... 39 3.1. Các đặc tính của bùn đỏ nguyên liệu. ...................................................... 39 3.1.1. Thành phần hóa học của bùn đỏ nguyên liệu.................................... 39 3.1.2. Thành phần khoáng học của bùn đỏ nguyên liệu.............................. 40 3.1.3. Kết quả chụp phân tích nhiệt của bùn đỏ nguyên liệu. ..................... 40 3.2. Vật liệu hấp phụ Asen từ bùn đỏ. ............................................................. 41 3.2.1. Bùn đỏ trung hòa kiềm (TRMA)....................................................... 41 3.2.2. Bùn đỏ rửa nước đến pH=7 (TRMW)............................................... 45 3.3. Vật liệu hấp phụ Amoni từ bùn đỏ. .......................................................... 49 3.3.1. Bùn đỏ trung hòa kiềm (TRMA)....................................................... 49 3.3.2. Bùn đỏ rửa nước đến pH=7 (TRMW)............................................... 53 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 58 Nguyễn Văn Thơm Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ LỜI MỞ ĐẦU Song song với sự phát triển của nền công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước thì ô nhiễm môi trường đang trở thành một vấn đề cấp bách đối với toàn xã hội. Bên cạnh quá trình sản xuất của các nghành công nghiệp thì đi cùng với nó là một lượng lớn rác thải công nghiệp được thải ra môi trường. Bùn đỏ là chất thải từ quá trình sản xuất nhôm từ quặng bauxite theo công nghệ Bayer. Việc xử lý loại bỏ bùn đỏ là một vấn đề quan trọng đối với môi trường vì hai lý do chính: một là bùn đỏ có độc tính do pH cao, hai là khối lượng bùn đỏ thải ra rất lớn. Tác động đến môi trường của bùn đỏ có thể dẫn tới sự ô nhiễm tầng nước ngầm hay ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt, ảnh hưởng đến đất canh tác và thảm thực vật xung quanh khu vực khai thác và những nơi thấp hơn. Do đó vấn đề cấp bách đặt ra là việc xử lý bùn đỏ thải ra sao cho hợp lý và phù hợp với kinh tế. Chính vì vậy, em đã thực hiện để tài nghiên cứu “ Nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý của bùn đỏ Tây Nguyên đối với một số ion độc hại trong nước”, mà cụ thể trong đề tài này sẽ khảo sát đánh giá đối với asen và amoni. Nguyễn Văn Thơm 1 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1. Bùn đỏ 1.1.1. Nguồn gốc của bùn đỏ. Bùn đỏ là chất thải trong quá trình sản xuất alumina từ quặng bauxite theo công nghệ Bayer- sáng chế của Karl Joseph Bayer năm 1888. Quá trình sản xuất alumina thực chất là quá trình làm giàu Al2O3 nhằm tách lượng Al2O3 trong bauxite ra khỏi các hợp chất khác. Theo công nghệ Bayer, bauxite thô được nghiền rửa để thu được quặng tinh bauxite, quặng tinh được nung với NaOH trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp. Dung dịch aluminat (NaAlO2) sau đó được tách 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%. Trong tiến trình tinh chế Alumina ở trên, phần quặng không tan trong kiềm được lắng, rửa và loại khỏi dây chuyền. Bã thải này được gọi là bùn đỏ [27]. 1.1.2. Thành phần và đặc điểm của bùn đỏ. Bùn đỏ thải ra gồm có pha lỏng và pha rắn. Pha lỏng có tính kiềm mạnh chứa thành phần nhôm tan trong kiềm. Pha rắn bao gồm các thành phần chính như Fe2O3, Al2O3, SiO2, TiO2,…Thành phần khoáng của bùn đỏ chủ yếu bao gồm Gibssite, Boemite, Hematite, Goethite, Manhetite,… cùng một số chất hóa học khác nữa như Nitrogen, Potasium, Chromium,Zinc...[8]. Quá trình điều chế Alumina, bauxite được nghiền nhỏ. Do đó, bùn thải khi khô là các hạt bụi mịn (60% hạt có ф< 1 μm) dễ phát tán vào không khí gây ô nhiễm môi trường, tiếp xúc thường xuyên với bụi này gây ra các bệnh về da, về mắt. Pha lỏng của bùn đỏ có tính kiềm gây ăn mòn đối với vật liệu. Khi không được thu gom, cách ly với môi trường, pha lỏng này có thể thấm vào đất ảnh hưởng đến cây trồng, xâm nhập vào mạch nước ngầm gây ô nhiễm nguồn nước. Nước thải từ bùn tiếp xúc với da gây tác hại như ăn da, làm mất đi lớp nhờn khiến da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt nẻ, đau rát, có thể sưng tấy và loét mủ ở vết rách xước trên da [29]. Nguyễn Văn Thơm 2 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ Bảng 1.1. Thành phần nguyên tố của bùn đỏ Bảo Lộc (phương pháp phổ huỳnh quang tia X – XRF) [8]. Thành phần Thành phần % khối lượng % khối lượng hóa học hóa học Al2O3 27,67 P2O5 0,163 Fe2O3 36,28 Cr2O3 0,120 SiO2 8,486 CuO 0,015 CaO 0,066 ZnO 0,010 TiO2 5,389 ZrO2 0,064 MnO 0,045 SO3 0,221 K2O 0,024 MKN 20,330 Bảng 1.2. Thành phần nguyên tố của bùn đỏ tại Nhà máy Alumin Lâm Đồng [7]. Thành phần hóa TT Đơn vị Hàm lượng học 1 Độ ẩm % 20,42 2 Al2O3 % 16,71 3 TiO2 % 5,83 4 Fe2O3 % 51,10 5 Na2O % 5,32 6 SiO2 % 6,98 Bảng 1.3.Thành phần bùn đỏ lấy từ nhà máy hóa chất Tân Bình tại thành phố Hồ Chí Minh [8]. Fe2O3 Al2O3 SiO2 Na2O TiO2 CaO SO3 P2O5 Cr2O3 47,44% 31,26% 6,17% 6,64% 6,73% 0,41% 0,44% 0,24% 0,22% Bảng 1.4: Các dạng cấu trúc pha trong bùn đỏ khô. STT Công thức hóa học Dạng tồn tại 1 Al(OH)3 Gibbsite 2 FeO(OH) Geothite 3 Fe2O3 Hematite 4 SiO2 Quartz 5 1.08Na2O.Al2O3.1.68SiO2.1.8H2O Sodium Aluminum Silicate Hydrate Nguyễn Văn Thơm 3 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ 1.1.3. Tình hình bùn đỏ ở Tây Nguyên. Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất chưa đầy đủ, nước ta có trữ lượng khoáng sản Bauxite lớn phân bố rộng từ Bắc đến Nam với trữ lượng khoảng 5,5 tỷ tấn quặng nguyên khai; tương đương với 2,4 tỷ tấn quặng tinh; tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên. Do đó ngành công nghiệp sản xuất nhôm từ quặng Bauxite đang được định hướng phát triển mạnh mẽ, đi kèm với nó là một lượng lớn bùn đỏ được thải ra. Với quy hoạch phát triển bauxite ở Tây Nguyên, dự án alumin Nhân Cơ công suất 600.000 tấn alumin/năm sẽ thải ra lượng bùn đỏ khô là 566.000 tấn/năm, dung dịch bám theo bùn đỏ là 610.000 tấn/năm; dự án alumin Tân Rai sẽ thải ra lượng bùn đỏ khô là 636.720 tấn/năm, dung dịch bám theo bùn đỏ là 687.720 tấn/năm. Hai nhà mấy alumin Nhân Cơ và Tân Rai có lượng bùn đỏ thải ra khoảng 1,2-1,3 triệu tấn/năm [7]. Bùn đỏ sinh ra là tất yếu vì lượng nhôm trong quặng tinh đạt đến 47 – 49% và phản ứng tách nhôm trong quặng đạt hiệu suất 70 – 75%. Đây là nguồn thải lớn cần được quản lý, xử lý triệt để và an toàn. Ở các tỉnh Tây Nguyên, nổi bật là ở tỉnh Lâm Đồng và tỉnh Đăk Nông, đang chịu ảnh hưởng của bùn đỏ. Toàn tỉnh Đăk Nông có 13 mỏ Bauxite, trải đều trên địa bàn các huyện nằm ở thượng nguồn 2 hệ thống sông lớn là Srepok (gồm các nhánh Krông Bông, Krông Păk, Krông Ana, Krông Nô - đổ vào dòng chính sông Mê Kông) và Đồng Nai (gồm các nhánh chính là Đăk Huýt, Đăk Glun, Đăk Rtit, Đăk Nông - đổ vào sông Đồng Nai). Phần diện tích sông Srepok trên địa bàn Đăk Nông là 3.583 km2 (chiếm 50% diện tích toàn tỉnh), sông Đồng Nai là 2.934,4 km2 (chiếm 45% diện tích tỉnh). Theo các nhà khoa học Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, các dự án khai thác đều cần đến những diện tích đất rất lớn làm bãi thải bùn. Kết quả tính toán cho thấy, để chế biến được 1 tấn Alumin từ Bauxite, các nhà máy phải thải ra môi trường 2 tấn bùn đỏ. Cứ mỗi năm trong giai đoạn 2007 - 2015 (thực hiện theo quy hoạch), các dự án ở Tây Nguyên sẽ sản xuất 6,6 triệu tấn Alumin và lượng bùn đỏ thải ra sẽ khoảng 12 triệu tấn. Các hồ chứa quá mong manh trước biến cố thiên tai như lụt, lũ quét… là nguyên nhân dẫn đến thảm họa môi trường trong tương lai. Vì vậy, việc xử lý bùn đỏ là vấn đề bức thiết mang tính “sống còn” cho các dự án Bauxite ở Tây Nguyên. 1.1.4. Các phương pháp xử lý bùn đỏ. Các phương pháp xử lý bùn đỏ hiện nay đang được áp dụng bao gồm các phương án chính sau: Nguyễn Văn Thơm 4 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ - Xử lý phần chất lỏng đi kèm bùn đỏ hoặc phát sinh trong hồ bùn đỏ bằng cách tái sử dụng trong dây chuyền sản xuất hoặc trung hoà bằng nước biển (trường hợp nhà máy đặt cạnh biển) hoặc trung hoà bằng CO2. - Chôn lấp bùn đỏ đã thải, tiến hành hoàn thổ, phục hồi môi trường. - Xử lý bùn đỏ từ bãi thải, dùng cho các ứng dụng như vật liệu xây dựng (gạch, ngói,...), làm đường, chế biến sơn, chế tạo các vật liệu đặc biệt khác... Việc lựa chọn các phương án xử lý bùn đỏ sau thải được thực hiện tùy theo các nhà máy alumin cụ thể, tuy nhiên hiện nay phương án chôn lấp, hoàn thổ chiếm ưu thế và được áp dụng rộng rãi, phương án chế biến bùn đỏ đang được nghiên cứu, thử nghiệm vì chi phí để thực hiện cao, hiệu quả kinh tế thấp. *Phương pháp chôn lấp: Bên cạnh khai thác mỏ Bauxite, đơn vị đấu thầu Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam cũng đã đề xuất một số phương án xử lý bùn đỏ. Một trong những phương án khả thi nhất là chôn lấp. Hồ chứa bùn đỏ là một bộ phận của hệ thống sản xuất alumina từ quặng bauxite, hồ này được thiết kế rất kỹ để chống thấm chất lỏng trong bùn đỏ xuống nước ngầm theo chiều đứng và chiều ngang. Để chống tràn, chủ đầu tư xây dựng hệ thống thoát nước mưa hoàn chỉnh xung quanh hồ bảo đảm không có nước mưa chảy xuống hồ gây tràn hồ. Hồ sẽ nạo sạch lớp thực bì, bùn... và được cán lót 2 lớp đất sét (dày 60cm) với lớp lót vải địa kỹ thuật ở giữa. Bảo đảm chống thấm tuyệt đối. Mỗi hồ được ngăn ra thành nhiều ngăn nhỏ và lượng bùn đỏ sẽ được thải theo từng ngăn. Khi đầy ngăn thì dùng công nghệ xử lý hút nước (chủ yếu là nước thải chứa xút) để đưa nước xút này trở lại nhà máy Alumin sử dụng cho công nghệ chế biến Alumin và qua đó cũng làm khô bùn đỏ. Sau đó sẽ lấp đất đảm bảo chôn vĩnh viễn nếu như không sử dụng chất thải này. Hồ chứa bùn đỏ xây dựng phải đảm bảo các tiêu chí như: không gây ra hiện tượng thẩm thấu các chất ô nhiễm môi trường; lòng hồ phải được xử lý thi công và lót vải địa kỹ thuật hoặc vải nhựa có độ thấm đạt các yêu cầu của tiêu chuẩn, quy chuẩn của Việt Nam đối với bãi chôn lấp rác thải nguy hại; không có hiện tượng phát sinh và phát tán bụi ra môi trường; đảm bảo khả năng hoàn thổ trả lại đất cho canh tác trong thời gian ngắn nhất với chi phí nhỏ nhất; không tiềm ẩn bất cứ khả năng gây thảm họa nào đặc biệt là khả năng vỡ đập gây ô nhiễm môi trường và nguy hiểm trên diện rộng... Xung quanh hồ sẽ xây dựng hệ thống kênh thu nước mặt, nước mưa từ lưu vực xung quanh để dẫn thoát ra khỏi phạm vi lòng hồ, đảm bảo lượng mưa xuống hồ chỉ là lượng mưa thu trực tiếp từ diện tích mặt thoáng của hồ. Nguyễn Văn Thơm 5 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ Theo thiết kế, phía dưới các lớp cát, vải địa kỹ thuật sẽ là ống hút nước (bùn được lắng đọng trong lòng hồ) từ bùn để tái sử dụng. Hồ bùn đỏ cũng được chia thành nhiều ngăn để khi bùn được thải đầy (đã hút hết nước tái sử dụng), từng ngăn sẽ được làm khô và phủ đất phía trên, trồng cây. Để bảo đảm mục tiêu này, đáy và vách của hồ bùn đỏ được lót bằng sét và nén chặt, sau đó là lớp nhựa HDPE chống thấm được hàn mối với nhau rất kỹ. Một lớp cát dày được bố trí trên lớp nhựa HDPE và trong lớp cát bố trí một hệ thống ồng đục lỗ để thu gom nước thấm xuống từ bùn đỏ để bơm ngược về công đoạn nung bauxite để thu hồi chất kiềm đưa vào tái sử dụng. Khi lượng bùn đỏ cao dần lên trong hồ, lớp chất lỏng trên mặt bùn đỏ sẽ được thu theo hệ thống ống đặt đứng theo vách hồ chứa bùn đỏ. Chất lỏng trong hồ bùn đỏ sẽ được thu hồi triệt để. Chất đặc còn lại trong hồ tích lũy cao dần lên đến độ cao quy định sẽ được phủ lên một lớp vật liệu chống thấm và sau đó đổ lên 3-6 m đất để trồng cây. Sau cùng, mặt hồ chứa bùn đỏ sẽ trở thành một vùng cây rừng xanh tốt. Bên cạnh một hồ chứa bùn đỏ đang hoạt động, luôn luôn có một hồ chứa còn trống bên cạnh để chứa nước trong trường hợp mưa quá lớn và tràn khỏi mặt hồ chứa bùn đỏ (trên cơ sở thống kê lượng mưa cực đại trong 100 năm). Với nguyên tắc thiết kế này, sẽ không có nước tràn từ mặt hồ bùn đỏ ra môi trường. *Phát triển hệ thực vật đệm trước khi chuyển đất thành đất trồng trọt. Cách này không thể áp dụng đối với các chủng cây lấy gỗ hoặc công nghiệp vì hệ mao mạch trên bộ rễ của các cây sẽ bị phá hỏng ngay khi tiếp xúc với môi trường kiềm mạnh của bùn đỏ nhưng có thể áp dụng cho các hệ cây không có khả năng cho thu hoạch, nhưng có khả năng sinh trưởng trên môi trường độc hại, hút dần các độc tính trong đất rồi bằng phương pháp cơ học, hủy diệt hệ thực vật này để tạo môi trường cho hệ thực vật có ích cho môi trường và thu hoạch hơn. Quá trình này phải mất từ 20 đến 30 năm mới có thể tái tạo một phần khả năng của đất. Tuy nhiên đối với vùng Tây nguyên, đất đai trong vùng dự án rất gần kề với khu dân cư, trồng trọt hoặc thậm chí là khu nông trang của người dân nên việc chờ đợi lâu cho rừng tái tạo như thế là hoàn toàn không hợp lý. Hoặc nếu muốn áp dụng phương pháp này thì cần phải có một kế hoạch di dân phù hợp. * Trung hòa độc tính của bùn đỏ. Cách này có thể thực hiện được bằng sử dụng nước biển. Những nghiên cứu về phương pháp này chỉ ra rằng, cứ 1 khối bùn đỏ cần 2 khối nước biển để trung hòa. Độ kiềm của bùn sẽ giảm từ 12 xuống khoảng 8,5; độ pH vừa phải để Nguyễn Văn Thơm 6 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ lớp rễ cây có thể chịu đựng được. Theo lí giải của các nghiên cứu, sự tồn tại của một lượng lớn Ca2+ và Mg2+ trong nước biển sẽ tạo thành các hidroxit dưới dạng kết tủa, làm giảm pH của bùn. Phương pháp này được coi tối ưu đối với các dự án gần biển vì sau đó, lớp bùn sa lắng không gây nguy hiểm cho hệ sinh thái ven biển. Có lẽ vì lí do này mà từ đầu, dự án Bauxite Tây Nguyên có ý định tạo đường dẫn đưa bùn đỏ ra bờ biển Việt Nam. Sự vận chuyển đất bỏ đi như thế sẽ khiến các tỉnh Tây Nguyên mất đất trồng trọt. Sau khai thác, cả vùng sẽ thành các vũng lầy diện rộng không có khả năng làm nông nghiệp. Đồng thời, với mật độ mưa lớn, sẽ tạo ra sự xói mòn đất, làm lộ ra lớp nền đá cứng không phù hợp với việc canh tác nông nghiệp hay trồng rừng. Áp dụng phương pháp này tại chỗ bằng việc trút xuống lớp muối khô CaCl2 hay MgCl2 sẽ giảm được độ pH, nhưng thay thế gốc hydroxyl (OH-) bằng gốc muối clorua sẽ khiến đất nhiễm mặn, mất khả năng trồng trọt. Điều này không khả thi với vùng đất Tây Nguyên vì chi phí cho các loại muối trên và khả năng tẩy mặn là rất khó khăn. * Lọc bỏ và thay thế các độc chất trong bùn đỏ. Có thể sử dụng các phương pháp trao đổi ion để thay natri và hidroxite trong NaOH bằng kali và photphat. Phương pháp này đã cho thấy một số kết quả trong phòng thí nghiệm, nhưng chưa thể triển khai đại trà vì chi phí màng lọc và khó khăn về thời gian trao đổi. Những kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng để việc trao đổi ion hoàn tất cho 1m3 bùn đỏ, phải mất 10 ngày. Rõ ràng chưa thể áp dụng với dự án bauxite ở Tây Nguyên. Ngoài những phương pháp trên người ta còn đề ra một số phương pháp xử lý khác như là: - Tìm kiếm các nguồn phối trộn để trung hòa bùn đỏ: cần tập trung khai thác các nguồn hữu cơ có tính acid: than bùn chua (pH < 4), đặc biệt là than bùn vùng Di Linh, Lâm Hà, Đam Rông... khá dồi dào, tăng cường sử dụng than bùn ủ phân chuồng bón phủ lên trên bùn đỏ. - Trên nền bùn đỏ đã xử lý trung hòa, khảo nghiệm các nhóm thực vật hoặc cây trồng thích hợp có khả năng đem lại hiệu quả kinh tế và đồng thời cải tạo - tái tạo đất trồng. Nhờ đó giải quyết triệt để có tính bền vững các vấn nạn ô nhiễm nêu trên. Dự kiến các nhóm thực vật chọn lọc đưa vào thử nghiệm gồm: chuối, dứa, sắn, sen, súng, lúa, củ niễng, rau muống, dầu mè; các nhóm thực vật chọn lọc mới cho khảo nghiệm; từ các nhóm cây hoang dại, cây cảnh, cây rừng... Thử nghiệm trên cây trồng chậu để xác định khả năng sử dụng chế phẩm thu được làm phân bón sinh học, giá thể trồng cho một số loại cây. Nguyễn Văn Thơm 7 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ - Dùng phế liệu của một số công ty khác để xử lý trung hòa cho bùn đỏ, chẳng hạn phế thải của Công ty men Mauri La Ngà hoặc Công ty Vedan. Về bản chất phế thải các công ty này là cặn rỉ môi trường sau lên men vi sinh, rất giàu hữu cơ, song rất chua (pH < 2,5), thời gian qua việc giải quyết xử lý chưa triệt để, gây hậu quả về môi trường. Như vậy có thể giải được cùng lúc bài toán ô nhiễm ở hai lĩnh vực, nghĩa là dùng chính các phế liệu gây ô nhiễm nặng đó xử lý lẫn nhau, đưa về một môi trường có khả năng cho thực vật phát triển… 1.2. Vấn đề ô nhiễm nước. Nước là nguồn tài nguyên rất cần thiết cho sự sống trên Trái Đất. Nước luôn luôn tuần hoàn trong thế giới tự nhiên, dưới hình thức của những chu trình nước. Nước sạch không chứa các chất nhiễm bẩn, vi khuẩn gây bệnh và các chất hóa học ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Ngoài ra, nước sạch còn được quy định về thành phần giới hạn của một số ion kim loại nặng, một số chất thải dưới mức cho phép của Tổ chức y tế Thế giới. Vấn đề ô nhiễm nước mặt, nước ngầm ngày càng trở nên nghiêm trọng, có những nơi đến mức báo động. Nguyên nhân là do: rác tồn đọng nhiều trong khu dân cư và chưa được xử lý, điều kiện vệ sinh môi trường khu vực dân cư vừa thiếu, vừa không đảm bảo vệ sinh; hệ thống thoát nước và nước thải thường xuyên bị ứ đọng, tắc; nước thải công nghiệp, các xí nghiệp, bệnh viện… hầu hết không được xử lý hay làm sạch trước khi thải vào hệ thống thoát nước chung; nhiều vùng, nguồn nước ngầm bị ô nhiễm, do gần các cơ sở có ô nhiễm nặng và nguy hiểm. Nhiều nơi chất lượng nước suy giảm mạnh, nhiều chỉ tiêu về các chất độc hại trong nước cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần [3, 5]. 1.2.1. Asen và các phương pháp xử lý Asen. 1.2.1.1. Nguồn gốc ô nhiễm Asen trong nước. Chúng ta biết rằng, giải quyết tốt vấn đề nguồn gốc ô nhiễm Asen giúp nhận diện được nguồn sinh ra Asen, dạng tồn tại và cơ chế di chuyển của nó trong nước ngầm, từ đó có những biện pháp phòng tránh, xử lý và dự báo ảnh hưởng của ô nhiễm Asen. Tuy nhiên, nguồn gốc của Asen trong nước là một vấn đề rất khó và phức tạp. Theo lý thuyết, Asen trong nước có 2 nguồn gốc là nguồn gốc tự nhiên và nguồn gốc nhân tạo. Nguồn gốc tự nhiên bao gồm các nguồn gốc do các quá trình địa chất và trầm tích tạo nên dưới tác động của các quá trình như: quá trình ôxy hoá, quá trình khử, quá trình sinh hoá. Nguồn gốc nhân tạo bao gồm các hoạt động của con người sinh ra như: đốt than, khí thải, nước thải chứa Asen, sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, nước tưới, các chất thải Nguyễn Văn Thơm 8 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ công nghiệp... Sự có mặt của Asen trong nước là kết quả của rất nhiều các quá trình dưới sự tác động của hàng loạt các yếu tố [15]. 1.2.1.2. Tính chất vật lý và hóa học của Asen. Asen là một bán kim loại có số thứ tự 33 trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev, trọng lượng nguyên tử 74,91. Khi ở nhiệt độ 250C nó có tỷ trọng 5,73 g/cm3. Nguyên tố As thuộc nhóm VA, có cấu hình [Ar] 3d104s24p3 có obitan p trống nên ngoài việc cho những hợp chất trong đó chúng có số oxi hoá +3 hoặc -3, nó còn có khả năng tạo nên 2 liên kết cộng hoá trị nữa để tạo nên hợp chất có số oxi hoá +5. Tùy theo từng điều kiện môi trường mà Asen có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau: -3, 0, +3,+5. Trong nước tự nhiên, Asen tồn tại chủ yếu ở 2 dạng hợp chất vô cơ là asenat [As(V)], asenit [As(III)]. As(V) là dạng tồn tại chủ yếu của asen trong nước bề mặt và As(III) là dạng chủ yếu của Asen trong nước ngầm. Dạng As(V) hay các asenat gồm AsO43-, HAsO42-, H2AsO4-, H3AsO4; còn dạng As(III) hay các asenit gồm H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32- và AsO33- [13]. Trong nước ngầm Asen tồn tại ở trạng thái yếm khí dưới dạng As(III) và dạng trung tính. Khi tiếp xúc với không khí (nước mặt) một phần lớn As(III) bị chuyển thành As(V). Các hợp chất của As(III) có tính độc cao hơn. Asen ở dạng đơn chất và dạng hợp chất đều có tính chất vừa kim loại vừa không kim loại nên được gọi là nguyên tố nửa kim loại. Asen tồn tại chủ yếu dưới dạng khoáng vật sunfua như Reanga (As4S4), oripenent (As2S3) ngoài ra chúng còn lẫn trong khoáng vật của các kim loại khác. Nếu không có oxi hay nguồn nước, các quặng này không tan trong nước. Khi con người khoan, khai thác nước đã vô tình đưa oxi lọt xuống tầng sâu, theo thời gian, do kết quả hoạt động của vi khuẩn, phản ứng hoá học, các khoáng chứa Asen tan ra [14, 19]. Trong nước ngầm, Asen tồn tại cả dưới vô cơ và hữu cơ. Asen không gây mùi khó chịu trong nước, (cả khi ở hàm lượng có thể gây chết người), khó phân hủy .Là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong các nguyên tố có trên bề mặt trái đất. Độc tính của Asen rất khác nhau, độc tính của As(III) độc gấp 50 lần As(V), Asen ở dạng vô cơ độc hơn ở dạng hữu cơ... Asen bền trong không khí khô, nhưng bề mặt bị oxi hóa dần trong không khí ẩm thành lớp xỉn màu đồng, cuối cùng thành lớp vỏ màu đen bao quanh nguyên tố.Khi đun nóng Asen cũng tuơng tác với brom, iot, lưu huỳnh. Asen không tác dụng với axit không có tính oxi hóa, nhưng dễ dàng phản ứng với các axit HNO3, H2SO4 đặc: Nguyễn Văn Thơm 9 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường
Luận văn thạc sĩ 3As + 5HNO3 + 2 H2O = 3 H2SO4 + 5NO Các halogenua được tạo ra khi Asen phản ứng với halogen, các hợp chất này dễ bị thủy phân tạo axit tương ứng trong môi trường nước: 3As + 5Cl2 + 2H2O = 2H3AsO4 + 10HCl Trạng thái ôxi hóa phổ biến nhất của Asen là +3 (Asenit (III): trong phần lớn các hợp chất Asen hữu cơ), +5 (Asenat (V): phần lớn các hợp chất vô cơ chứa ôxy của Asen). Các ôxít của nó kết tinh, không màu, không mùi như As2O3 và As2O5 là những chất hút ẩm và dễ dàng hòa tan trong nước để tạo thành các dung dịch có tính axít [25]. Một số tính chất hóa học của các hợp chất Asen: + Hợp chất của As-3: As-3 thường tồn tại ở dạng asin AsH3 và các hợp chất Asen hữu cơ, AsH3 là một chất khí không màu, có mùi tỏi, phân huỷ ở 300 0C, có thể bốc cháy không khí và rất độc (liều lượng gây chết người là 250ppm). AsH3 có tính khử mạnh, nó có thể khử được các muối của kim loại về kim loại, tác dụng với các chất oxi hoá mạnh như I 2, KMnO4, KIO3, tính chất này của AsH3 đã được dùng để xác định As trong nhiều công trình nghiên cứu. AsH3 + 6AgNO3 + 3H2O → 6Ag + H3AsO4 + 6HNO3 AsH3 + 2I2 + 4H2O → H3AsO4 + 8I– + 11H+ 5AsH3 + 8KMnO4 + 12H2SO4 → 5H3AsO4 + 4K2SO4 + 8MnSO4 + 12H2O 5AsH3 + 8 IO3– → 5AsO43- + 4I2 + 4H2O + 7H+ AsH3 tác dụng với muối HgCl2 tẩm trên giấy lọc tạo ra hợp chất có màu biến đổi từ vàng – đỏ – nâu: AsH2(HgCl); AsH(HgCl2)2; As2Hg2. Tính chất này của AsH3 được ứng dụng trong phép phân tích so màu bán định lượng. AsH3 được điều chế theo nguyên tắc cho hiđro mới sinh (hiđro nguyên tử) khử các hợp chất của As. Trước đây theo phương pháp cổ điển người ta điều chế Asin bằng cách cho muối của chúng tác dụng với axit: Mg3As2 + 6HCl → 3MgCl3 + 2AsH3 Dễ dàng hơn là cho hợp chất tan được của Asen tác dụng với hidro mới sinh (Zn +HCl hoặc Sn + HCl): As2O3 + 6Zn + 12 HCl → 6ZnCl2 + 2AsH3 + 3H2O Hiện nay trên thế giới phương pháp phổ biến nhất để điếu chế AsH3 là cho NaBH4 tác dụng với As(III) trong môi trường axit HCl: NaBH4 + H+ + 3H2O → H3BO3 + Na+ + 8[H] Nguyễn Văn Thơm 10 Lớp K23-Cao học Hóa Môi Trường