Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

82
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn trình bày các nội dung: Nghiên cứu quá trình sản xuất và thành phần bùn đỏ của hai nhà máy Nhân Cơ và Tân Rai; xây dựng quy trình sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng; xác định đặc tính cơ lý, cấu trúc của vật liệu; thử độ an toàn của vật liệu. Sau đây là tóm tắt của luận văn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Bùi Thị Huế NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH HÓA RẮN BÙN ĐỎ SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60 85 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN MẠNH KHẢI Hà Nội 2013 1
MỤC LỤC Mở đầu....................................................................................................................1 Chương 1 Tổng quan...........................................................................................3 1.1. Bauxite và tiềm năng bauxite.............................................................................3 1.2. Công nghệ sản xuất alumin.............................................................................10 1.3. Thành phần và tính chất của Bùn đỏ..............................................................21 1.4. Độc tính của bùn đỏ........................................................................................26 1.5. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam.....................27 1.6. Quá trình ổn định hóa rắn................................................................................32 Chương 2 – Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ..................................................................................................................................... 36 2.1. Đối tượng nghiên cứ u ..................................................................................................................................... 36 2.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................................................................... 37 2.2.1. Phương pháp sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng ..................................................................................................................................... 37 2.2.2. Phương pháp ngâm chiết xác định độc tính của vật liệu ..................................................................................................................................... 40 2.2.3. Phương pháp xác định thành phần khoáng vật của vật liệu ..................................................................................................................................... 43 2.2.4. Phương pháp thử nghiệm vật lý ..................................................................................................................................... 43 2
2.2.5. Phương pháp xác định độ co ngót của gạch nung ..................................................................................................................................... 44 2.2.6. Phương pháp phân tích đánh giá tổng hợp ..................................................................................................................................... 44 2.2.7. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp ..................................................................................................................................... 44 Chương 3 – Kết quả và thảo luận ..................................................................................................................................... 45 3.1. Bùn đỏ Tây Nguyên và các vấn đề môi trường ..................................................................................................................................... 45 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình ổn định hóa rắn ..................................................................................................................................... 51 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc của vật liệu ..................................................................................................................................... 54 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dịch chiết mẫu ..................................................................................................................................... 56 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co ngót ..................................................................................................................................... 61 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ cứng vật liệu ..................................................................................................................................... 63 Kết luận và kiến nghị 3
..................................................................................................................................... 66 Tài liệu tham khảo ..................................................................................................................................... 68 4
MỞ ĐẦU Việt Nam là một trong ba nước có trữ lượng quặng bauxite đứng đầu trên thế giới, đến nay bauxite đang trở thành một trong những nguồn tài nguyên quan trọng của Việt Nam. Phần lớn trữ lượng bauxite của Việt Nam tập trung ở Tây Nguyên, đặc biệt là các tỉnh phía Nam của Tây Nguyên như Lâm Đồng và Đắc Nông [6]. Hiện nay, Việt Nam đã bắt đầu triển khai xây dựng hai nhà máy sản xuất alumin đầu tiên, công suất 600.000 tấn/năm: nhà máy alumin Tân Rai và nhà máy alumin Nhân Cơ. Nhà máy đầu tiên đi vào hoạt động thử nghiệm cuối năm 2012 và nhà máy thứ hai theo kế hoạch sẽ bắt đầu hoạt động sản xuất vào năm 2014. Tuy nhiên, vấn đề bất cập lớn nhất khi triển khai các dự án nhôm ở Tây Nguyên là vấn đề môi trường và sinh thái. Các chuyên gia của các nước thành viên Hội đồng tương trợ kinh tế khi xem xét dự án nhôm ở Việt Nam trong khuôn khổ hợp tác đa phương và song phương đều cho rằng dự án sẽ có ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sinh thái của khu vực trên một diện rộng [50]. Một vấn đề quan trọng mà hiện nay tất cả các nước sản xuất alumin đều quan tâm là vấn đề bùn thải trong quá trình chế biến quặng, còn gọi là bùn đỏ. Đặc trưng của bùn đỏ là có pH cao và có kích thước hạt mịn, nhỏ hơn 1mm. Do đó, bùn thải khi khô dễ phát tán bụi vào trong không khí gây ô nhiễm, tiếp xúc với bụi này gây ra các bệnh về da, mắt. Một số thành phần hóa học chính trong bùn đỏ: Fe 2O3, Al2O3, SiO2 và TiO2, Na2O, K2O, CaO...và một số nguyên tố kim loại có giá trị như: V, Ga.... Bên cạnh đó, bùn đỏ còn chứa một số nguyên tố phóng xạ, kim loại nặng, các chất thải nguy hại, oxalate gây tác động xấu cho sức khỏe con người và môi trường [8]. 5
Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng” là rất cần thiết để có thể tận dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng. 6
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Bauxite và tiềm năng bauxite 1.1.1. Bauxite 1.1.2. Quá trình hình thành bauxite 1.1.3. Thành phần khoáng vật của bauxite Bauxite 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: gibbsite Al(OH)3, boehmite γ AlO(OH) và diaspore αAlO(OH): Gibbsite có hàm lượng alumin tối đa là 65,4% Boehmite và diaspore cả hai đều có hàm lượng alumin tối đa là 85%. 1.1.4. Tiềm năng bauxite thế giới và Việt Nam 1.1.4.1. Tiềm năng bauxite thế giới Theo số liệu điều tra thăm dò trước năm 2000, trên thế giới có hơn 40 nước có tài nguyên bauxite trong đó có 5 nước có trữ lượng trên 1 tỷ tấn là Guinea (7,4 tỷ tấn), Australia (5,8 tỷ tấn), Việt Nam (2,1 t ỷ t ấn), Jamaica (2 t ỷ tấn), Brazil (1,9 tỷ tấn). 1.1.4.2. Tiềm năng bauxite ở Việt Nam Từ năm 1975 đến nay công tác điều tra, thăm dò bauxite ở Việt Nam đã đưa lại những kết quả mới với những dự báo đến "chóng mặt", chủ yếu liên quan đến loại bauxite laterite trong các vỏ phong hóa các đá bazan tuổi Neogen và Pliocen Pleistocen ở miền Nam Việt Nam [6]: 2000 2005: 6,75 tỷ tấn quặng nguyên khai, 2007: 5,4 tỷ tấn quặng nguyên khai (2,298 tỷ tấn quặng tinh), 2009: 6,75 tỷ tấn quặng nguyên khai (1,62 tỷ tấn quặng tinh), 7
2010: 6,91 tỷ tấn quặng nguyên khai (3,088 tỷ tấn quặng tinh), 1.2. Công ngh ệ s ả n xu ấ t alumin 1.2.1. Công ngh ệ làm giàu và ch ế bi ế n qu ặ ng bauxite 1.2.2. Công nghệ sản xuất alumin 1.2.3. Công nghệ sản xuất nhôm khu vực Tây Nguyên Đập, vận Chất thải rắn, tiếng chuyển quặng ồn Khí Nước chứa soda Nghiền ướt thải, bụi Tiền khử silic, pha loãng Hòa tách Nồi hơi Loại bỏ cát Hậu khử silic Kết bông Lắng Rửa Lọc tinh Bùn đỏ Trao đổi nhiệt Khử oxalate Bùn oxalate Phân cấp hạt Kết tủa Rửa Lọc sản phẩm Al(OH)3 Nung 1170oC Alumin Khí thải, bụi 8 Vận chuy ển vào Khí thải, tiếng ồn kho bụi
1.3. Thành phần và tính chất của bùn đỏ 1.3.1. Vấn đề bùn thải bùn đỏ 1.3.2. Thành phần bùn đỏ Khi phân tích thành phần hóa học của bùn đỏ thì tất cả các mẫu bùn đỏ đều chứa các nguyên tố: Si, Al, Fe, Ca, Ti… Bảng 1.6. Thành phần bùn đỏ của một số nhà máy alumin trên thế giới [22] Nguyên tố Mẫu M ẫ u Mẫu Mẫu % 1(Kaiser) 2(Alcoa) 3(Alcoa) 4(Reynolds) Al 2 4 5 10 3 – 8 1,3 B
Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu Bùn đỏ Phụ gia cát Cao lanh Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm đối và quy mô thực tế tại nhà máy gạch tuynel. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng 2.2.2. Phương pháp ngâm chiết xác định độ an toàn môi trường của vật liệu 2.2.3. Phương pháp xác định thành phần khoáng vật của vật liệu 2.2.4. Phương pháp thử nghiệm vật lý Để gạch có thể được sử dụng vào thực tế, cần có các đặc tính phù hợp với các tiêu chuẩn cho gạch xây dựng, quan trọng nhất là các đặc tính: chịu uốn, chịu nén, hút nước [37]. 2.2.5. Phương pháp xác định độ co ngót của gạch nung Thể tích viên gạch trước nung được xác định: H1 = l1 x r1 x h1 và sau nung là H2 = l2 x r2 x h2. Độ co ngót của gạch được tính toán: K = H1/H2 .100% 2.2.6. Phương pháp phân tích, đánh giá tổng hợp 2.2.7. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 10
Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Bùn đỏ Tây Nguyên và các vấn đề môi trường 3.1.1. Đặc điểm của bauxite khu vực Tây Nguyên Thành phần bauxite tại các vị trí dự kiến khai thác làm nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất alumin Việt Nam được trình bày trong Bảng Bảng 3.1. Thành phần quặng bauxite nguyên khai ở các khu mỏ Tây Nguyên [6] Thành phần Mẫu Tân Rai Mẫu Nhân Cơ Mẫu Gia Nghĩa hoá học, % (APPháp) (CSIROÚc) (ALCOAÚc) Al2O3 47,1 49,58 47,7 SiO2 2,68 2,46 5,9 Fe2O3 21,1 17,3 18,9 TiO2 2,62 2,69 2,9 M.K.N 26,4 27,2 3.1.2. Thành phần tính chất bùn đỏ và các vấn đề môi trường 3.1.2.1. Hàm lượng các oxit Trong quá trình phân tích thành phần oxit trong bùn đỏ, nhóm nghiên cứu đã xác định được các thành phần chủ yếu: SiO2, Fe2O3, Al2O3 như trong Bảng Bảng 3.2. Hàm lượng oxit trong bùn đỏ ở Tây Nguyên, Việt Nam Oxit Hàm lượng(%) Oxit Hàm lượng(%) Fe2O3 30,8 P2O5 0,22 MnO 0,02 SiO2 31,7 TiO2 2,58 Al2O3 15,6 CaO 3,51 MgO 0,27 K2O 0,11 Na2O 3,14 11
3.1.2.2. Các nguyên tố phóng xạ Kết quả nghiên cứu, phân tích hàm lượng các chất phóng xạ và hoạt độ riêng của chúng trong mẫu bauxite và bùn đỏ cho thấy không có sự khác biệt nhiều về thành phần và hoạt độ phóng xạ giữa quặng bauxite ban đầu và bùn đỏ. Bảng 3.5. Hàm lượng U, Th, K trong các mẫu và liều hiệu dụng năm do phông bức xạ gamma gây ra U Th K Liều hiệu Giới hạn liều hiệu (ppm) (ppm) (%) dụng dụng TCVN (mSv/năm) 6866:2001 Quặng bauxite 1,53 8,03 0,042 0,26 1 mSv/năm Bùn đỏ 1,27 7,22 0,045 0,23 Liều hiệu dụng hàng năm của quặng bauxite và bùn đỏ do phông bức xạ gamma gây ra nhỏ hơn liều hiệu dụng hằng năm đối với dân chúng (1mSv/năm) (theo TCVN 6866:2001) [1] và nhỏ hơn liều hiệu dụng trung bình hàng năm do phông gamma tự nhiên gây ra (0,5mSv/năm) (UNSCEAR). 3.1.2.3. Thành phần kim loại nặng trong mẫu bùn đỏ Bảng 3.6. Hàm kim loại nặng trong bùn đỏ TT Kim loại Đơn vị Bùn đỏ QCVN 03:2008/BTNMT nặng (đất công nghiệp) 1 Cu mg/kg 53,50 100 2 Pb mg/kg 1,21 300 3 Zn mg/kg 599,01 300 4 Cd mg/kg 3,09 10 12
Ở vật liệu mới này sẽ được xem xét để đánh giá có đủ điều kiện để sử dụng trong xây dựng dân dụng được không, trước hết cần đạt yêu cầu về độ an toàn cho môi trường và sinh thái, các chỉ tiêu kim loại nặng phải nằm trong ngưỡng an toàn đối với các quy định về chất thải nguy hại. 3.1.2.4. Thành phần cơ giới của mẫu bùn đỏ Thành phần cơ giới của bùn đỏ phân loại theo hình tam giác đều là thịt pha cát (cát chiếm 57,056%, limon 33,814%, và sét 9,13%). Bảng 3.7. Thành phần cấp hạt mẫu bùn đỏ Cát (0,05
Khi nung mẫu đến nhiệt độ cao, sắt trong các khác của của bùn đỏ: limonite FeO(OH).nH2O, goethite (FeOOH) bị khử hidrat để chuyển về dạng oxit Fe2O3, làm cho hàm lượng Fe2O3 tăng lên khi đưa nhiệt độ nung lên cao. Ở nhiệt độ cao, cấu trúc các khoáng thay đổi theo nhiệt độ, sự biến đổi thù hình, hình thành các khoáng mới, sự hình thành pha lỏng, biến đổi thành phần pha, sự hình thành vi cấu trúc mới của vật liệu, hoặc có thể tồn tại ở dạng silicate vô định hình gọi là silicate nhân tạo, nên kết quả phân tích XRD cho thấy thành phần này bị giảm đáng kể. 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dịch chiết mẫu 3.2.2.1. Kết quả xác định dung môi chiết Hình 3.8. Sự thay đổi pH dịch lắc trước và sau khi thêm axit HCl 14
Như vậy, sau khi cho thêm HCl vào và đun dung dịch này lên thì pH của tất cả các dịch lắc của mẫu (ở nhiệt độ khác nhau) đều có giá trị pH
không ảnh hưởng nhiều đến pH dung môi chiết. Chính vì thế, ở các lần chiết sau pH của dịch chiết càng gần với pH của dung môi, không chịu ảnh hưởng nhiều của mẫu. Khi nhiệt độ nung mẫu tăng, pH của các bậc chiết lại có xu hướng giảm, ở 600oC, pH của dịch chiết bậc 1 là 5,61 và bậc 3 là 5,33. Trong khi đó, ở 1000oC, pH của dịch chiết bậc 1 là 5,27 và bậc 3 là 5,23. Có sự khác biệt về pH của dịch chiết khi thay đổi nhiệt độ nung mẫu là do khi nhiệt độ nung tăng cao, thì hàm lượng NaOH càng lớn bị cố định, lưu giữ trong các thành phần khoáng vật mới, các khoáng vật này không bị hòa tan, thôi chiết trong dung môi chiết. 3.2.2.3. Kết quả đo kim loại nặng dịch chiết mẫu Theo bảng kết quả phân tích kim loại nặng, có thể thấy sự thay đổi đáng kể, ở đây, nồng độ các kim loại nặng có giá trị rất nhỏ. 16
Hình 3.10. Biến thiên nồng độ kim loại nặng trong dịch chiết theo nhiệt độ nung Theo biểu đồ biến thiên nồng độ các kim loại nặng khi thay đổi nhiệt độ nung: khi tăng dần nhiệt độ lên, nồng độ của 4 kim loại bất thường theo các xu hướng khác nhau, tuy nhiên ở tất cả các nhiệt độ nung khác nhau, kết quả phân tích kim loại nặng trong dịch chiết của gạch đều cho kết quả rất thấp so với ngưỡng chất thải nguy hại theo QCVN 07 : 2009. 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co ngót Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co ngót của vật liệu 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ cứng vật liệu Gạch sau nung được xác định các đặc tính như khả năng chịu uốn, chịu nén, độ hút nước theo TCVN 6355:2009. Bảng 3.13. Kết quả phân tích các đặc tính vật lý của gạch [13,14,15] STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Phương pháp thử 1 Cường độ nén Mpa 177,7 TCVN 63552:2009 2 Cường độ uốn Mpa 2,8 TCVN 63553:2009 3 Độ hút nước % 19,5 TCVN 63554:2009
Cường độ nén, gạch đạt mác M75, cường độ uốn, mác M150, độ hút nước là 19,5%, cao hơn so với tiêu chuẩn. 18
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN 1. Khi giữ nguyên tỉ lệ phối trộn mẫu, nâng dần nhiệt độ nung lên, thành phần khoáng của mẫu có sự thay đổi đáng kể. Ở nhiệt độ càng cao, hàm lượng quartz trong mẫu càng giảm (39,93% ở 600 oC xuống 9,64% ở 1000oC), hàm lượng khoáng hematite càng tăng (16,36% ở 600oC lên 38,53 % ở 1000oC). Hàm lượng albite có xu hướng giảm nhưng không đáng kể, hàm lượng zeolite biến thiên ít, ở mức ổn định. 2. Kết quả đo pH của dịch chiết mẫu sau 3 lần chiết cho th ấy, ở các dịch chiết mẫu sau có pH thấp hơn dịch chiết mẫu đầu tiên và càng về sau pH ổn định, nhưng pH giữa các lần chiết không chênh lệch nhiều. Còn khi thay đổi nhiệt độ nung mẫu, tăng nhiệt độ nung lên thì pH của dịch chiết có xu hướng giảm nhưng không nhiều. 3. Lấy dịch chiết cuối cùng của mẫu ở nhiệt độ nung khác nhau để đo các chỉ tiêu kim loại nặng Cu, Zn, Pb, Cd cho thấy, đối với chỉ tiêu Pb và Cd, hầu như ở tất cả các nhiệt độ nung đều không phát hiện được, còn chỉ tiêu Zn và Cu đều ở mức thấp, nằm dưới ngưỡng cho phép của chất thải nguy hại và nồng độ trung bình trong môi trường tự nhiên. 4. Khi đưa nhiệt độ nung gạch lên cao độ co ngót của vật liệu càng lớn, ở nhiệt độ nung 600oC gạch bị giảm 10,5% về thể tích và ở 1000 oC là 21,11%. 5. Đưa nguyên liệu vào sản xuất gạch theo quy trình sản xuất gạch công nghiệp: kích cỡ 230mm x 110mm x 63mm nung theo nhiệt độ lò nung công nghiệp (1000oC) để xác định tính chất vật lý của gạch. Gạch có độ chịu nén đạt tiêu chuẩn gạch M75 và cường độ chịu uốn đạt M150. Tuy nhiên, khi so sánh với yêu cầu kĩ thuật về độ hút nước, thì gạch đạt độ hút nước 19
là 19,5%, còn yêu cầu kĩ thuật là dưới 16%. Đây là do nguyên liệu có hàm lượng huyền phù cao, lưu giữ nước tốt, nên gạch nung lên sẽ có độ rỗng cao, tăng khả năng hút nước. Nếu so sánh với gạch đất sét nung thông thường cùng kích cỡ thì gạch tự bùn đỏ có khối lượng nhỏ hơn nhiều (>0,6 kg/viên, với kích cỡ như nhau). KIẾN NGHỊ 1. Với các kết quả nghiên cứu cho thấy, do các ưu khuyết điểm về tính chất vật lý nên loại gạch từ bùn đỏ có thế sử dụng để xây dựng trong nhà, ít chịu tác động của thời tiết, nhưng cần có các nghiên cứu thêm để có thể tăng cường các ưu điểm của loại gạch này: nhẹ, chịu uốn, chịu nén và khắc phục nhược điểm: độ hút nước cao để có thể sử dụng cho xây dựng ngoài trời. Với độ xốp cao, gạch có tiềm năng sử dụng cho mục đích là vật liệu cách nhiệt trong xây dựng dân dụng. 2. Tiến hành với các thí nghiệm vật liệu với tỉ lệ phối trộn bùn đỏ:cao lanh:cát khác hoặc sử dụng các phụ gia khác có tiềm năng như: tro bay, bột đá vôi... để có được nhiều loại gạch với các chức năng khác hay sản xuất các loại vật liệu xây dựng khác nhau. 3. Nhà nước cần hỗ trợ các nhà khoa học và các doanh nghiệp triển khai mạnh mẽ các ứng dụng trong lĩnh vực tận dụng chất thải rắn là bùn đỏ nhằm giải quyết vấn đề môi trường và coi đó như dạng tài nguyên mới tiềm năng cho phát triển kinh tế. 20