Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thu hồi nhôm và sắt từ bùn đỏ của quá trình sản xuất alumin Tây Nguyên

Chia sẻ: Cỏ Xanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:57

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nhằm xử lý bã thải bùn đỏ theo hướng thu hồi sắt và nhôm phục vụ ngành công nghiệp luyện kim với mục tiêu nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm thiểu tác hại môi trường do ngành công nghiệp sản xuất alumin gây ra.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thu hồi nhôm và sắt từ bùn đỏ của quá trình sản xuất alumin Tây Nguyên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ LÀI NGHIÊN CỨU THU HỒI NHÔM VÀ SẮT TỪ BÙN ĐỎ CỦA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ALUMIN TÂY NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội -2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ LÀI NGHIÊN CỨU THU HỒI NHÔM VÀ SẮT TỪ BÙN ĐỎ CỦA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ALUMIN TÂY NGUYÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trƣờng Mã số: 60520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS.TS. Đồng Kim Loan Hà Nội - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Các số liệu sử dụng, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan, phù hợp với thực tiễn của địa bàn nghiên cứu và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên Nguyễn Thị Lài
LỜI CẢM ƠN Trong suố t quá trình ho ̣c tâ ̣p và hoàn thành luâ ̣n văn này , tôi đã nhâ ̣n đƣơ ̣c sƣ̣ hƣớng dẫn , giúp đỡ quý báu của các thầy cô , các anh chị và các bạn . Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin đƣợc bày tỏ lới cảm ơn chân thành tới : PGS.TS. Đồng Kim Loanđã hế t lòng giúp đỡ , dạy bảo và tạo mọi điều kiê ̣n thuâ ̣n lơ ̣i cho tôi trong suố t quá trin ̀ h ho ̣c tâ ̣p và hoàn thành luâ ̣n văn tố t nghiê ̣p . Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, cán bộ của Bộ Môn Công nghệ Môi trƣờng nói riêng và Khoa Môi trƣờng - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên nói chung đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong quá trình học tập tại Bộ môn, cũng nhƣ gia đình, bạn bè đã khuyến khích, động viên tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức Trung tâm Môi trƣờng Công nghiệp, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn./. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày.... tháng....năm 2017 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Thị Lài
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 3 1.1.QUẶNG BÔXIT VÀ CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN QUẶNG BÔXIT ........... 3 1.2.QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM TỪ QUẶNG BÔXIT ............................... 6 1.3.BÙN ĐỎ VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƢỜNG LIÊN QUAN ĐẾN BÙN ĐỎ 7 1.3.1.Bùn đỏ ........................................................................................................ 7 1.3.2.Các vấn đề môi trƣờng liên quan đến bùn đỏ........................................... 11 1.3.3.Tình hình nghiên cứu xử lý và tái sử dụng bùn đỏ trên thế giới và ở VN 13 CHƢƠNG 2.đỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................... 17 2.1.ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ........................................................................ 17 2.2.CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 17 2.2.1.Phƣơng pháp thu thập tài liệu ................................................................... 17 2.2.2.Phƣơng pháp điều tra khảo sát thực địa ................................................... 17 2.2.3.Phƣơng pháp lấy mẫu hiện trƣờng ........................................................... 18 2.2.4.Các phƣơng pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm ............................ 18 2.2.5.Phân tích mẫu, xử lý và tính toán số liệu ................................................... 26 2.3.THIẾT BỊ VÀ VẬT TƢ NGHIÊN CỨU ....................................................... 26 2.3.1.Thiết bị nghiên cứu................................................................................... 26 2.3.2.Vật tƣ, hóa chất phục vụ nghiên cứu ........................................................ 27 CHƢƠNG 3.KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .............................. 29 3.1.KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH LÝ HÓA CỦA MẪU NGHIÊN CỨU .... 29 3.2.KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÁCH NHÔM BẰNG KIỀM ..... 32 3.3.KẾT QUẢ NGHIÊN CƢ́U QUÁ TRÌNH THIÊU NHIỆT ĐỘ CAO ............ 33 3.3.1.Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ lệ Na2CO3 trong phối liệu khi thiêu .. 33 3.3.2.Kêt quả nghiên cứu ảnh hƣởng của tỷ lệ CaO trong phối liệu khi thiêu .. 34 3.3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ quá trình thiêu ............... 35 3.3.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian quá trình thiêu .............. 37 1
3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÕA TÁCH ............................ 38 3.4.1.Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ quá trình hòa tách .............. 38 3.4.2.Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian quá trình hòa tách ............. 39 3.5.Đề xuất sơ đồ quy trình thu hồi nhôm từ bùn đỏ ............................................ 43 3.6.ĐỀ XUẤT QUÁ TRÌNH THU HỒI SẮT TỪ BÃ CẶN SAU HÕA TÁCH .... 41 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ........................................................................ 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 46 2
DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1. Phân bố trữ lƣợng Bôxit ở các châu lục .....................................................3 Bảng 1-2. Những nƣớc có tài nguyên bôxit lớn hàng đầu thế giới ............................3 Bảng 1-3. Sản lƣợng khai thác, chế biến bôxit hàng năm trên thế giới (triệu tấn/năm). ......................................................................................................................4 Bảng 1-4. Khai thác bôxit, sản xuất alumin và nhôm trên thế giới ............................5 Bảng 1-5. Thành phần khoáng vật chính của quặng bôxit ..........................................5 Bảng 1-6. Diện tích bề mặt riêng của một số loại bùn đỏ ...........................................9 Bảng 1-7. Thành phần hoá học bùn đỏ .....................................................................10 Bảng 2-1: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định tỷ lệ Na2CO3 ........................21 Bảng 2-2. Các phƣơng án nghiên cứu xác định tỷ lệ Na2CO3 tối ƣu ........................21 Bảng 2-3: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định tỷ lệ CaO ..............................22 Bảng 2-4. Các phƣơng án nghiên cứu xác định tỷ lệ CaO tối ƣu .............................22 Bảng 2-5: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định nhiệt độ thiêu tối ƣu .............23 Bảng 2-6: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định thời gián thiêu tối ƣu ............24 Bảng 2-7: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định nhiệt độ hòa tách tối ƣu .......25 Bảng 2-8: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định thời gian hòa tách tối ƣu ......25 Bảng 3-1. Thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ ..................................................29 Bảng 3-2. Thành phần cấp hạt của mẫu bùn đỏ Nhà máy Hóa chất Tân Bình .........30 Bảng 3-3. Kết quả đo thông số vật lý pha lỏng của bùn đỏ ......................................30 Bảng 3-4. Thành phần hoá học pha rắn của bùn đỏ ..................................................31 Bảng 3-5. Kết quả phân tích thành phần khoáng vật của bùn đỏ..............................32 Bảng 3-6. Ảnh hƣởng của tỷ lệ Na2CO3 đến hiệu suất hòa tan nhôm. .....................33 Bảng 3-7. Ảnh hƣởng của tỷ lệ CaO đến hiệu suất hòa tan nhôm. ...........................35 Bảng 3-8. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu đến hiệu suất hòa tan nhôm. ....................36 Bảng 3-10. Ảnh hƣởng của nhiệt độ hòa tách đến hiệu suất hòa tan nhôm. .............39 Bảng 3-11. Ảnh hƣởng của nồng độ chất rắn đến hiệu suất hòa tan nhôm. .............40 Bảng 3-12: Thành phần khoáng vật mẫu bùn đỏ sau khi thu hồi nhôm ...................41 3
DANH MỤC HÌNH Hình 1-1. Sơ đồ nguyên lý sản xuất alumin bằng phƣơng pháp bayer .......................7 Hình 1-2. Thành phần hoá học bùn đỏ của một số nhà máy alumin trên thế giới ....10 Hình 0-1. Sơ đồ nguyên lý thu hồi nhôm bằng phƣơng pháp thiêu kết ....................19 Hình 3-1. Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bùn đỏ Nhà máy Hóa chất Tân Bình. ..........32 Hình 3-2. Ảnh hƣởng của tỷ lệ Na2CO3 đến hiệu suất hòa tan nhôm. ......................34 Hình 3-3. Ảnh hƣởng của tỷ lệ CaO đến hiệu suất hòa tan nhôm. ...........................35 Hình 3-4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu đến hiệu suất hòa tan nhôm. .....................36 Hình 3-5. Ảnh hƣởng của thời gian thiêu đến hiệu suất hòa tan nhôm. ...................37 Hình 3-6. Ảnh hƣởng của nhiệt độ hòa tách đến hiệu suất hòa tan nhôm. ...............39 Hình 3-7. Sự phụ thuộc của hiệu suất hòa tan nhôm vào nồng độ chất rắn. .............40 Hình 3-8. Sơ đồ công nghệ tuyển từ thu hồi sắt từ bã bùn đỏ. .................................42 Hình 3-9. Sơ đồ công nghệ thu hồi nhôm từ bùn đỏ. ................................................43 4
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BKHVCN Bộ Khoa học và Công nghệ CP Cổ phần ĐTM Đánh giá tác động môi trƣờng KCN Khu công nghiệp KTCB Khai thác chế biến KVN Khoáng vật nặng HSPL Hệ số pha loãng MTV Một thành viên QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TNHH Trách nhiệm hữu hạn UBND Ủy ban nhân dân CTNH Chất thải nguy hại VN Việt Nam 5
MỞ ĐẦU Bảo vệ môi trƣờng đang trở thành vấn đề cấp bách đối với bất cứ quốc gia nào trên thế giới nhằm bảo đảm sự phát triển bền vững. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của cuộc cách mạng khoa học - kỹ thuật, vấn đề tốc độ, khả năng ứng dụng công nghệ để giải quyết các nội dung của tăng trƣởng kinh tế không còn là vấn đề quan tâm hàng đầu đối với mỗi nền kinh tế. Mối quan tâm lớn nhất hiện nay đó là xử lý những hậu quả do yếu tố kỹ thuật của nền kinh tế đó mang lại, đồng thời sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên. Trong đó, việc xử lý các bã thải công nghiệp là một vấn đề có tính cấp thiết. Với công nghệ và năng lực cũng nhƣ thói quen sản xuất hiện tại, hoạt động của các ngành công nghiệp thƣờng phát sinh một lƣợng chất thải rất lớn mà việc xử lý chúng là một trong những vấn đề cần đƣợc quan tâm hàng đầu. Tuy nhiên, vì lý do kinh tế và công nghệ nên trong một số ngành công nghiệp, các bã thải vẫn đƣợc lƣu trữ tại các bãi chứa. Điều này ảnh hƣởng rất lớn đến môi trƣờng sinh thái, đặc biệt là các bã thải có tính độc hại cao. Một trong các trƣờng hợp điển hình là bùn đỏ - bã thải của ngành công nghiệp sản xuất nhôm oxyt từ bôxit. Lƣợng bùn đỏ thải ra từ ngành công nghiệp này là rất lớn, theo thống kê thì hàng năm trên thế giới, lƣợng bùn đỏ phát sinh khoảng 50 triệu tấn ÷ 80 triệu tấn. Cứ sản xuất một tấn nhôm oxyt thì phải thải ra khoảng 0,3 tấn ÷ 2,5 tấn bùn đỏ, tùy thuộc vào chất lƣợng quặng bôxit và đặc điểm dây chuyền công nghệ. Bùn đỏ thải ra chủ yếu đƣợc chứa trong các hồ thải quặng đuôi. Việc lƣu trữ chúng vừa lãng phí, vừa đe dọa đến môi trƣờng sinh thái. Hơn nữa, bùn đỏ chứa một lƣợng lớn các hạt có kích thƣớc nhỏ, nên vấn đề tách nƣớc ra khỏi chúng là khó khăn. Mỗi cơ sở sản xuất nhôm oxyt đều phải duy trì những hồ thải rất lớn, chiếm nhiều diện tích đất để chứa bùn đỏ. Những hồ chứa này luôn luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nƣớc và môi trƣờng sinh thái xung quanh. Vấn đề đặt ra hiện nay là phải xử lý lƣợng bùn đỏ do sản xuất nhôm oxyt đểgiảm thiểu tác hại đến môi trƣờng. Quan trọng hơn, việc xử lý đó vừa triệt tiêu yếu tố nguy hiểm, đồng thời sử dụng nó để đƣa lại các lợi ích kinh tế phục vụ đời 1
sống dân sinh. Qua quá trình tìm hiểu và khảo sát, chúng tôi nhận thấy rằng thu hồi sắt và nhôm từ bùn đỏ vừa đảm bảo yếu tố bảo vệ môi trƣờng vừa có khả năng mang lại lợi ích kinh tế. Xuất phát từ các đề cập trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu thu hồi nhôm và sắt từ bùn đỏ của quá trình sản xuất alumin Tây Nguyên”nhằm xử lý bã thải bùn đỏ theo hƣớng thu hồi sắt và nhôm phục vụ ngành công nghiệp luyện kim với mục tiêu nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm thiểu tác hại môi trƣờng do ngành công nghiệp sản xuất alumin gây ra. Các nội dung chính của đề tài bao gồm: Nội dung 1: Nghiên cứu đặc tính hóa - lý và thành phần khoáng vật bùn đỏ của quá trình sản xuất alumin Tây Nguyên Nội dung 2: Nghiên cứu khả năng thu hồi nhôm từ bùn đỏ. Hoạt động 1: Lựa chọn phương pháp thu hồi; Hoạt động 2: Nghiên cứu điều kiện tối ưu thu hồi nhôm từ bùn đỏ; Nội dung 3: Nghiên cứu khả năng thu hồi sắt từ bùn đỏ; Nội dung 4: Đề xuất quy trình thu hồi nhôm và sắt từ bùn đỏ. 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. QUẶNG BÔXIT VÀ CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN QUẶNG BÔXIT 1.1.1. Tài nguyên bôxit trên thế giới  Phân bố quặng bôxit Theo công bố vào tháng 1/2009 của Cục Khảo sát Địa chất Mỹ (U.S. Geological Survey) thì tiềm năng tài nguyên bôxit toàn Thế giới vào khoảng 55-57 tỷ tấn, phân bố trên các châu lục nhƣ trong bảng 1-1. Bảng 1-1. Phân bố trữ lƣợng Bôxit ở các châu lục TT Châu lục Tỷ lệ phân bố (%) 1 Châu Phi 33 2 Châu Đại Dƣơng 24 3 Nam Mỹ và Carribean 22 4 Châu Á 15 5 Các nơi khác 6 Nguồn: U.S. Geological Survey, 2009. Theo tính toán trên cơ sở hiện trạng và triển vọng phát triển công nghiệp nhôm thế giới thì tài nguyên bôxit toàn cầu có khả năng bảo đảm nguyên liệu cho ngành công nghiệp này 150-200 năm nữa, đƣơc tổng hợp trong bảng 1-2: Bảng 1-2. Những nƣớc có tài nguyên bôxit lớn hàng đầu thế giới TT Nƣớc Tài nguyên bôxit (tỷ tấn) Chắc chắn Dự báo Tổng 1 Guinea 7,4 8,6 16,0 2 Australia 4,4 8,7 13,1 3 Jamaica 2,0 2,5 4,5 4 Brazilia 1,9 2,5 4,4 3
5 Trung Quốc 0,7 2,3 3,0 6 Ân Độ 0,77 1,4 2,17 7 Guyana 0,7 0,9 1,6 8 Hy Lạp 0,6 0,65 1,25 9 Surinam 0,58 0,6 1,18 Nguồn: “Raw Materials Data. Copyright: Raw Materials Group, 2009  Sản lượng khai thác và chế biến quặng bôxit Sản lƣợng bôxit, alumin và nhôm trên thế giới luôn ở xu thế gia tăng trong mối quan hệ cung cầu chặt chẽ. Tổng hợp trên thế giới và đƣợc trình bày tại bảng 1-3. Bảng 1-3. Sản lƣợng khai thác, chế biến bôxit hàng năm trên thế giới (triệu tấn/năm). Năm 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Bôxit 120 125 125 126 131 138 140 141 155 Alumin 43,0 44,6 44,4 48,1 48,9 52,7 54,0 65,2 59,5 Nhôm 19,7 20,9 21,9 22,7 23,9 24,7 24,7 26,1 28,1 Nguồn: “Raw Materials Data. Copyright, 2014”  Sản phẩm bôxit, sản xuất alumin và nhôm trên thế giới Trên thế giới hiện có khoảng 20 nƣớc khai thác bôxit, 30 nƣớc sản xuất alumin và 40 nƣớc sản xuất nhôm. Trong đó:  11 nƣớc có cả khai thác bôxit, sản xuất alumin và nhôm.  4 nƣớc chỉ khai thác bôxit và sản xuất alumin  8 nƣớc chỉ sản xuất alumin và nhôm  2 nƣớc chỉ khai thác bôxit và sản xuất nhôm  2 nƣớc chỉ khai thác bôxit  1 nƣớc chỉ sản xuất alumin  18 nƣớc chỉ sản xuất nhôm 4
Những nước khai thác và chế biến bôxit được tổng hợp trong bảng 1.4. Bảng 1-4. Khai thác bôxit, sản xuất alumin và nhôm trên thế giới Bôxit (2013) Alumin (2013) Nhôm (2013) Nƣớc Triệu Triệu Triệu % % % tấn/năm tấn/năm tấn/năm Australia và 55,6 35,87 16,975 27,28 2,246 7,51 Newzealand Châu A 28,57 18,43 11,486 18,8 9,747 32,61 Châu Phi 17,54 11,32 0,698 1,26 1,766 5,73 Châu Âu 9,4 6,06 10,343 16,95 9,376 30,46 Châu Mỹ 43,59 28,11 16,79 30,41 7,467 24,97 Nguồn: Mineral Commodity Summaries, 2014 1.1.2. Thành phần khoáng vật chính của quặng bôxit Các khoáng vật chính của quặng bôxit là gipxit, bơmit và diaspor và công thức hóa học của các khoáng vật này đƣợc trình bày trong bảng 1-5. Bảng 1-5. Thành phần khoáng vật chính của quặng bôxit Hàm lƣơ ̣ng theo lý thuyết Tên gọi Công thức hóa học (%) А12О3 SiO2 Bơmit γ-А1О[ОН] 85,0 - Diaspor α-А1О[ОН] 85,0 - Gidrargilit (gipxit) А1[ОН]3 65,4 - Caolinit Al2O3 – 2 SiO2 – 2 H2O 39,5 46,5 Nguồn: “Raw Materials Data. Copyright, 2009. 5
1.1.3. Ứng dụng của bôxit Khoảng 96% bôxit khai thác đƣợc sử dụng cho ngành luyện kim, 4% còn lại đƣợc sử dụng cho các ngành công nghiệp khác nhƣ: vật liệu chịu lửa, gốm sứ, vật liệu mài - đánh bóng… Bôxit đƣợc sử dụng trong sản xuất sơn, chất hấp phụ các tạp chất khác nhau cho tinh chế các sản phẩm dầu khí. Hơn 90% sản lƣợng alumin (gọi là alumin cấp luyện kim) trên thế giới đƣợc sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, còn lại khoảng 10% sử dụng cho công nghiệp hóa chất và các ngành công nghiệp khác. 1.2. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM TỪ QUẶNG BÔ XÍT Công nghệ sản xuất nhôm từ quặng bôxit chủ yếu đƣợc tiến hành theo phƣơng pháp Bayer và phƣơng pháp thiêu kết. Tuy nhiên theo thống kê có hơn 90% alumin trên thế giới đƣợc sản xuất ra bằng phƣơng pháp Bayer, chỉ khoảng 10% bằng phƣơng pháp thiêu kết từ bôxit và các nguyên liệu khác. Ở Việt Nam quá trình sản xuất nhôm cũng đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp Bayer nên dƣới đây chỉ đề cập phƣơng pháp Bayer, sơ đồ quy trình công nghệ nhƣ đƣợc trình bày tại hình 1-1: 6
Hình 1-1. Sơ đồ nguyên lý sản xuất alumin bằng phƣơng pháp bayer Bản chất của phƣơng pháp công nghệ Bayer là khi xử lý bôxit bằng dung dịch kiềm costit dƣới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, Al2O3 hoà tách vào dung dịch kiềm tạo thành dung dịch aluminat, sau khi tách hết bã bôxit (bùn đỏ), dung dịch aluminat đƣợc thủy phân aluminat thu Al(OH)3kết tủa, Sản phẩm này, sau đó sẽ đƣợc nungtạo ra sản phẩm là alumin Al2O3 có độ sạch tới 98,8%. Bùn đỏ đƣợc xử lý sau đó thải ra bãi, nó có chứa một lƣợng đáng kể kiềm liên kết, nhất là kiềm tự do nên có khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng, đòi hỏi phải đƣợc bảo quản tốt. 1.3. BÙN ĐỎ VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƢỜNG LIÊN QUAN ĐẾN BÙN ĐỎ 1.3.1. Bùn đỏ Bùn đỏ là chất thải của quá trình sản xuất alumin hoặc hydroxyt nhôm từtinh quặng bôxit. Trong công nghệ Bayer, bùn đỏ đƣợc tạo ra ở công đoạn hòa tách. Trong công nghệ thiêu kết, bùn đỏ đƣợc tạo ra ở công đoạn thiêu-hoà tách. Khối lƣợng bùn đỏ tạo ra nhiều hay ít phụ thuộc vào chất lƣợng quặng bôxit và công nghệ chế biến quặng bôxit cũng nhƣ công nghệ xử lý bùn đỏ trƣớc khi thải. Lƣợng 7
tạo thành bùn đỏ (khô) dao động trong khoảng 0,8-2,0 tấn/tấn alumin hay hydroxyt nhôm tùy thuộc vào chất lƣợng quặng bôxit ở từng vùng khác nhau trên thế giới. Một số mẫu công nghệ của các mỏ bôxit ở khu vực Tây Nguyên của Việt Nam cho kết quả trung bình 1 tấn alumin sẽ hình thành khoảng 1,5 tấn bùn đỏ (khô) [2].Thành phần hoá học và thành phần khoáng vật của bùn đỏ cũng phụ thuộc vào nguyên liệu bôxit, công nghệ chế biến bôxit cũng nhƣ công nghệ xử lý bùn đỏ trƣớc khi thải. Đối với công nghệ Bayer thành phần hoá học của bùn đỏ nhƣ sau: Fe2O3: 25-60 %; TiO2:1-10 %; Na2O:1-10 %; Al2O3: 5-25 %; SiO2:1-20 %; MKN: 5-15 % và CaO: 2-8 % [3]. Thành phần bùn đỏ trong sản xuất alumin củadự án Tân Rai (Lâm Đồng) và dự án Nhân Cơ (Đắk Nông), bao gồm: Fe2O3 (46,32 %), Al2O3 (17,56 %), SiO2 (6,7 %), TiO2 (7,2 %), Na2O (3,43 %), CaO (5,29 %), Khác (13,5 %) và một lƣợng xút (NaOH) dƣ.Độ pH của bùn đỏ thƣờng dao động trong khoảng pH từ 10 đến 13 và là thành phần gây ra tác động tiêu cực đến môi trƣờng [3]. Các khoáng vật của bùn đỏ bao gồm các pha có trong bôxit nhƣng không bị phá huỷ và các pha mới tạo thành trong quá trình chế biến. Đối với công nghệ Bayer, thành phần của pha natrialuminosilicat thƣờng có công thức nhƣ sau: 3(Na2O.Al2O3.2SiO2).Na2X.nH2O Ở đây, X- có thể là CO32-, SO42- , Cl- , OH- , AlO2- , ... Ở các điều kiện nhất định, TiO2 có trong bôxit cũng tạo nên natri titanat với các thành phần khác nhau. Trong quặng bôxit, Fe2O3 chủ yếu nằm trong pha gơtít hầu nhƣ không bị hoà tan trong quá trình Bayer và thƣờng tạo ra bùn đỏ rất khó lắng, lọc. Trong các điều kiện có kiểm soát, gơtit có thể chuyển thành hêmatit do đó sẽ cải thiện quá trình lắng, lọc và giảm chi phí vận hành. Dƣới đây là đặc tính của một số loại bùn đỏ trên thế giới: 8
Bảng 1-6. Diện tích bề mặt riêng của một số loại bùn đỏ Diện tích bề mặt Thành phần cấp Loại bùn đỏ riêng (m2/g) hạt ≤ 0.074mm Bùn đỏ Jamaica, hoà tách ở 2500C 22,2 65,1% có sục hydro Bùn đỏ Jamaica, hoà tách ở 1400C 36,0 - trong 0,5h Bùn đỏ Brazil 34,5 - Bùn đỏ Hy Lạp 7,3 - Bùn đỏ Tây Phi 19 - Bùn đỏ Australia 15 - Bùn đỏ Việt Nam 57,83 87,1% Nhiều nghiên cứu về bùn đỏ trên thế giới đã chỉ ra rằng: Bùn đỏ là một loại vật liệu rất mịn xét về phân bố cỡ hạt và gồm những phân tử dạng mảnh mỏng [14]; [17]; [18]. Giá trị đặc trƣng là 90 % thể tích chứa hạt có kích thƣớc cỡ 75 μm. Diện tích riêng bề mặt của bùn đỏ vào khoảng 10 m2/g. Bùn đỏ chứa các hạt thô (> 106 μm hoặc >150 μm) gọi là cát. Số lƣợng hạt cát thay đổi từ 0,1 đến 50 % trong chất thải hoà tách khác nhau, thông thƣờng là 5%. Trong nhiều trƣờng hợp hạt cát đƣợc tách ra khỏi trƣớc khi gạn lọc và chuyển tới thiết bị rửa trong hệ thống tách. Hạt cát có thể chứa quartz. Tỷ trọng của cát ở khoảng 2,6÷3,5 t/m3; tỷ lệ lắng: 0,014÷35,9 cm/ks (tỷ lệ cao hơn cho thấy có cát); độ pH dao động từ 12÷13,5 bởi có thành phần natri cácbonat kiềm nhƣ là natri hydroxit. Độ phân bố cỡ hạt đặc trƣng của bùn đỏ (hạt mịn và hạt cát thô) đƣợc trình bày tại hình 1-2. 9
Hình 1-2. Thành phần hoá học bùn đỏ của một số nhà máy alumin trên thế giới Thành phần hóa học của bùn đỏ ở một số nhà máy sản xuất alumin trên thế giới đƣợc thống kê trong bảng 1-7. Bảng 1-7. Thành phần hoá học bùn đỏ [18] Thành phần, % khối lƣợng Nhà máy Fe2O3 Al2O3 TiO2 SiO2 Na2O CaO MKN Balco, India 27,9 19,4 16,4 7,3 3,3 11,8 12,6 Hindalco, India 28,1 21,9 15,6 7,5 4,5 10,2 12,2 Indal, India 44,5 19,2 13,5 7,0 4,0 0,8 10,0 St.Croix, USA 22,9 33,8 12,9 8,5 6,0 3,5 12,4 Arvida Que, Canada 27,4 28,4 9,8 14,3 8,8 1,3 9,9 Kirkwine, Jamaica 49,4 13,2 7,3 3,0 4,0 9,4 12,5 Gramercy, USA 51,5 15,0 6,7 1,7 1,0 7,0 9,3 Ajka, Hungary 42,1 14,8 5,2 13,5 8,9 6,1 8,2 Titograd, Yugoslavia 39,7 19,2 4,9 13,0 9,6 5,7 7,2 Pocos Caldes, Brazil 29,6 21,9 4,4 17,5 8,3 2,9 11,5 Pinjara, Australia 36,2 17,1 3,9 23,8 1,6 3,9 10,4 Nalco, India 54,8 14,8 3,7 6,4 4,8 2,5 9,5 10
1.3.2. Các vấn đề môi trƣờng liên quan đến bùn đỏ Bùn đỏ đƣợc đặc trƣng bởi nồng độ tƣơng đối cao của natri aluminate, natri cacbonat và một loạt các anion khác. Vì vậy, nếu không đƣợc xử lý chúng sẽ trở thành nguồn tiềm năng gây nguy hại cho môi trƣờng. Tác động môi trƣờng lớn nhất của bùn đỏ là chiếm dụng một diện tích lớn đất để làm bãi thải bùn. Có những trƣờng hợp diện tích đất làm bãi thải lớn gấp 10 lần diện tích để xây dựng nhà máy. Ví dụ bãi thải bùn đỏ của nhà máy luyện alumin Gove thuộc Công ty Nabalco (Australia) chiếm tới 500 ha, bãi thải bùn đỏ của nhà máy Alumin Queensland Limited tại Gladstone, Queensland rộng 1000 ha [3]. Hơn nữa, do kích thƣớc hạt của bùn đỏ rất mịn, độ kiềm cao (pH=12-14), hàm lƣợng chất hữu cơ và các chất dinh dƣỡng cực thấp nên cây cối, thậm chí cỏ dại cũng rất khó sống nổi trên những bãi thải bùn đỏ đã ngừng hoạt động. Muốn phục hồi và cải tạo môi trƣờng đối với các bãi thải bùn đỏ, để có thể trồng đƣợc cây đòi hỏi một kinh phí rất lớn. Do tính kiềm mạnh (độ pH cao) nên theo Công ƣớc quốc tế Basel (Điều 1, dòng 1a, loại #B2110, theo Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế châu Âu(OECD) (Code GG110-SRA) thì bùn đỏ cũng thuộc danh mục chất thải nguy hại (CTNH). Ở Việt Nam, theo QCVN 50:2013/BTNMT thì chất thải có tính kiềm pH ≥ 12,5 thì xếp vào danh mục CTNH. Do đặc tính này mà bùn đỏ là nguồn tiềm năng gây tác động xấu tới môi trƣờng và hệ sinh thái. Ngoài ra, vấn đề lƣu trữ bùn đỏ vừa gây lãng phí, vừa có nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng. Khả năng gây ô nhiễm nguồn nƣớc ngầm do thải nƣớc từ bùn đỏ là rất lớn. Hơn nữa, bùn đỏ chứa một lƣợng lớn hạt nhỏ đến cỡ siêu mịn (micromet), nên vấn đề tách nƣớc cũng nhƣ dƣ lƣợng kiềm tan ra khỏi chúng là rất khó khăn. Lƣợng bùn đỏ thải ra rất lớn; theo nhiều thống kê thì lƣợng bùn đỏ trên thế giới hàng năm phát sinh khoảng 50 – 80 triệu tấn [1]. Thông thƣờng, khi sản xuất 1 tấn nhôm oxit bằng phƣơng pháp Bayer thì lƣợng bùn đỏ thải ra là 0,3 – 2,5 tấn [3]. Bùn đỏ thải ra chủ yếu đƣợc chứa trong các đầm hay các hồ chứa lớn. Mỗi cơ sở sản xuất nhôm đều phải duy trì những hồ chứa rất lớn chiếm rất nhiều diện tích đất để chứa bùn đỏ. Những hồ chứa này luôn luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm cho nguồn nƣớc và môi trƣờng sinh 11