Ứng dụng của bã thải bùn đỏ từ quy trình sản xuất bột nhôm theo công nghệ bayer trong sản xuất vật liệu xây dựng

Chia sẻ: ViJakarta2711 ViJakarta2711 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

67
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này tổng hợp một số nghiên cứu về bùn đỏ trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Trong đó, bùn đỏ được xem như nguồn nguyên liệu thô được thêm vào để giảm chi phí.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng của bã thải bùn đỏ từ quy trình sản xuất bột nhôm theo công nghệ bayer trong sản xuất vật liệu xây dựng

Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2013 107 ỨNG DỤNG CỦA BÃ THẢI BÙN ĐỎ TỪ QUY TRÌNH SẢN XUẤT BỘT NHÔM THEO CÔNG NGHỆ BAYER TRONG SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG ThS. Vũ Huyền Trân Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt: Bùn đỏ là hỗn hợp chất thải vô cùng độc hại, thậm chí được ví như “bùn bẩn”, “bom bẩn”. Hiện nay, trên thế giới chưa có nước nào xử lý triệt để được vấn đề bùn đỏ. Cách phổ biến mà người ta v n thường làm là chôn lấp bùn đỏ ở các vùng đất ít người, ven biển để tránh độc hại. Việc nghiên cứu sử dụng bùn đỏ nhằm góp phần giảm bớt một phần ô nhiễm môi trường đã trở thành một đề tài lớn cho khoa học . Cho tới thời điểm hiện nay, số lượng các nghiên cứu về bùn đỏ v n tiếp tục gia tăng không ngừng. Bài báo này tổng hợp một số nghiên cứu về bùn đỏ trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Trong đó, bùn đỏ được xem như nguồn nguyên liệu thô được thêm vào để giảm chi phí [1]. Từ khóa: Bauxite, bùn đỏ, geopolymer. 1. Giới thiệu về Bauxite và công nghệ Quy trình Bayer sản xuất bột nhôm Bayer sản xuất bột nhôm bao gồm 4 bước: hòa tách (digestion), gạn Bauxite là một trong những tài lọc (clarification), kết tủa (precipitation) nguyên khoáng sản khá dồi dào trên trái và nung (calcination) [4]. Trong bước hòa đất. Từ bauxite có thể thu hồi alumina tách, bauxite được nghiền ở dạng bùn sệt Al2O3, rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi với dung dịch NaOH và được bơm vào aluminium (nhôm kim loại). Khoảng một thùng chứa áp lực rộng gọi là thùng 96% bauxite khai thác được sử dụng chiết suất (digester), tại đây quặng được trong ngành luyện kim, 4% còn lại được tiếp xúc với hơi nước có áp suất cao. Chất sử dụng trong các ngành công nghiệp lượng quặng sẽ quyết định các điều kiện khác như: sản xuất vật liệu chịu lửa, đặc biệt nào được sử dụng khi hòa tách. gốm sứ, vật liệu mài- đánh bóng, đá Trong bước này, NaOH sẽ phản ứng với trang sức nhân tạo...[2] quặng alumin của bauxite tạo thành một Theo kết quả điều tra thăm dò địa dung dịch kiềm aluminat không hòa tan chất chưa đầy đủ, ở nước ta khoáng sản và có lẫn tạp chất gọi là bùn đỏ (red mud), bauxite phân bố rộng từ Nam đến Bắc bùn đỏ này vẫn tồn tại ở dạng huyền phù với trữ lượng khoảng 5,5 tỷ tấn quặng và được tuyển trong bước gạn lọc nguyên khai, tương đương với 2,4 tỷ (clarification). Như vậy bùn đỏ từ quy tấn quặng tinh; tập trung chủ yếu ở Tây trình sản xuất bột nhôm theo công nghệ Nguyên (chiếm 91,4%), trong đó Đăk Bayer là chất thải của quá trình hòa tách. Nông 1,44 tỷ tấn (chiếm 61%). So với 2. Đặc điểm của bùn đỏ từ quy trình sản các mỏ bauxite trên thế giới, bauxite ở xuất bột nhôm theo công nghệ Bayer Việt Nam được đánh giá có chất lượng Chất thải bùn đỏ (Hình 1) là hỗn hợp trung bình.[3] của các hợp chất có trong các khoáng gốc,
Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2013 108 bauxite, sút dư và các hợp chất được tạo hút ion cao. Bề mặt riêng khoảng 10m2/g thành trong quá trình Bayer. (100.000 cm2/g), 90% hạt có kích thước Trong bùn đỏ, hàm lượng các chất dưới 75 m, đây là một trở ngại lớn cho rắn có từ 10 đến 30%, pH 13-14 và lực việc tái sử dụng bùn đỏ [4]. Hình 1. Bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình 3. Một số nghiên cứu về bùn đỏ trong gây bất lợi. Singh et al. [6, 7] (1996 - lĩnh vực vật liệu xây dựng 1997) đã sử dụng một hỗn hợp thạch cao, Sử dụng bùn đỏ đã trở thành một bauxite và bùn đỏ (trong đó bùn đỏ đề tài lớn cho nghiên cứu khoa học. Một chiếm 20 - 50% khối lượng khô) để làm số lượng lớn các nghiên cứu về tiềm một loại xi măng đặc biệt. Bùn đỏ được năng của bùn đỏ đã được công bố, cụ thể sử dụng như nguồn cung cấp oxit sắt và từ 1964-2008 đã có 273 bằng sáng chế oxit nhôm tốt hơn tro bay vì có hàm về đề tài này[5]. Bùn đỏ có thể được sử lượng oxit silic thấp. Hàm lượng oxit dụng trong luyện kim (sản xuất sắt và titan trong bùn đỏ cũng rất có lợi cho thép, oxit titan, oxit nhôm và kiềm), sản cường độ xi măng. Ở Ấn Độ, từ năm xuất vật liệu xây dựng (cốt liệu nhẹ, 1988 đến 1999 đã có 2,5 triệu tấn bùn đỏ gạch, ngói, xi măng…), chất xúc tác, đã được sử dụng để sản xuất xi măng. Ở ceramic (đồ gốm, đồ vệ sinh, thủy tinh, Nhật Bản, các thí nghiệm được tiến hành các loại ngói đặc biệt, men, ferit..) và năm 2003 cho thấy xi măng được sản các mục đích khác (xử lý nước, chất lọc, xuất có sử dụng bùn đỏ đáp ứng được các phân bón…). Một trong những ứng dụng tiêu chuẩn công nghiệp của Nhật Bản quan trọng của bùn đỏ là sản xuất vật (Japan Aluminum Organisation, 2004). Ở liệu xây dựng và các sản phẩm ceramic Ai Cập, công ty xi măng Lafarge đã sử như xi măng, gạch… dụng 200.000 tấn chất thải bauxite khô * Xi măng mỗi năm[1] (2005). Trong đó, lượng bùn Việc sử dụng chất thải bauxite để đỏ được sử dụng để sản xuất xi măng chỉ làm phụ gia sản xuất xi măng đã được chiếm 1,6% khối lượng bùn đỏ thải ra nghiên cứu từ năm 1936. Trong khi hàm hằng năm. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần lượng oxit sắt và oxit nhôm của chất thải đây được tiến hành bởi Vangelatos et này rất hữu ích cho quá trình đóng rắn và al.[8] (2009) ở Ai Cập nhằm khảo sát gia tăng cường độ xi măng thì kiềm lại hàm lượng bùn đỏ như một phụ gia trong
Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2013 109 sản xuất xi măng đã cho thấy xi măng cường độ. Sấy và nung bùn đỏ trực tiếp Portland có thể đạt được các tính chất có thể tạo ra cốt liệu nhân tạo phù hợp. yêu cầu khi hàm lượng bùn đỏ tăng lên Showa Denko et al [11] (1976) đã tiến tới 5%. Chi phí của quá trình xử lý bùn hành nung bùn đỏ ở 220oC trong 40 phút, đỏ hầu hết là cho công đoạn lọc ép sau đó tiếp tục nung ở 1200oC trong 2,5 được ước tính khoảng 10 Euro cho một giờ thì thu được cốt liệu với cường độ tấn bùn đỏ khô. lớn hơn hoặc bằng cường độ của đá Ở Việt Nam năm 2009, TS. Đỗ nghiền. Ninh kết và nung để tạo ra một Quang Minh, bộ môn silicat thuộc ngành loại vật liệu có giá trị thấp như cốt liệu rõ công nghệ vật liệu Trường ĐH Bách khoa ràng là không kinh tế. TPHCM, đã chế tạo thành công 50 kg xi * Gạch và block măng đầu tiên dùng nguyên liệu là bùn đỏ Có hai cách sản xuất gạch và block bằng phương pháp nung kết khối với đá từ bùn đỏ tùy theo việc có nung hay vôi. Loại xi măng này có tốc độ đóng rắn không. Gạch đất sét truyền thống được tương đối nhanh, có thể ứng dụng cho nung khoảng 900oC để đạt được cường những kết cấu tải trọng không cao [9]. độ yêu cầu còn gạch không nung thì được * Cốt liệu sản xuất từ xi măng, các chất kết dính vô Để tạo ra cốt liệu từ bùn đỏ cần cơ hoặc hữu cơ. phải trải qua các giai đoạn như sấy khô, Theo nghiên cứu của Thakur và tạo hạt và nung. Tuy nhiên, một loại cốt Sant [12] (1983), bùn đỏ có thể được liệu từ chất thải bauxite không thể cạnh thêm vào hệ nguyên liệu như là phụ gia tranh với các loại cốt liệu khác như đá hoặc thành phần chính. Để có được loại nghiền vì chi phí của quá trình nung và gạch có chất lượng so với gạch đất sét các nghiên cứu được công bố về sử dụng nung thì phải trộn bùn đỏ với đất sét hoặc bùn đỏ xuất hiện nhiều mâu thuẫn. đá phiến sét. Những sản phẩm phế thải SagoeCrentsil và Brown [10] (2005) báo khác như tro bay và bụi than cốc cũng có cáo rằng bùn đỏ có thể thay thế một phần thể được đưa vào. Khi thêm các phụ gia nhỏ aluminosilicate của geopolymer. Các như tác nhân tạo bọt và ferrosilicon thì vật liệu thí nghiệm chỉ cần được trộn và được các loại gạch nhẹ [12]. dưỡng hộ ở 85oC trong 2 giờ có thể đạt Có 14 bằng sáng chế từ năm 1972- được cường độ 50 MPa. So sánh với 2009 nói về việc sản xuất gạch với bùn cường độ của đá marble tự nhiên 100- đỏ. Trong đó có 3 bằng sáng chế về gạch 180 MPa thì cốt liệu từ bùn đỏ với kỹ nung và 11 bằng sáng chế nói về gạch thuật geopolymer rõ ràng bị hạn chế về không nung được tóm tắt trong Bảng 1. Bảng 1. Bằng sáng chế về gạch nung và gạch không nung GẠCH NUNG Nhiệt độ Số phát minh Năm % bùn đỏ Thành phần khác nung (oC) DE2063028-B 1972 52-92 900-1000 Đất sét CN14200097-A 2003 - - Tro bay, quặng đuôi,
Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2013 110 xỉ, cát, cặn photphoric, chất thải axit sunphuric CN101269948-A 2008 70-90 900-1200 Đất sét GẠCH KHÔNG NUNG Tác nhân Số phát minh Năm % Bùn đỏ Thành phần khác đóng rắn Xi măng, vôi, JP54039436-A 1979 - Borax thạch cao CN107942-A 1995 - Vôi, thạch cao Tro than, cát Hợp chất DE4430446-A 1995 >50 canxi Không xác KR2006079292-A 2007 12-22 Chất thải vôi định CN101020603-A 2008 15-50 Vôi Tro bay, cát silic CN101205126-A 2008 22-40 Vôi, thạch cao Tro bay, cốt liệu Xi măng, vữa Tro bay, xỉ CN101215142-A 2008 20-35 Bùn acetylen BaSO4, thạch CN101219883-A 2008 22-42 Sa thạch, tro bay cao, vôi Photpho- Tro than, cốt liệu, CN1844029-A 2008 25-40 thach cao xỉ cacbua Vỏ trấu (Rice NL1035134-C6 2008 >50 - chaff) CN101289310-A 2009 - Xi măng, vữa Cát, bê tông, xỉ Các loại gạch nung có thể được tạo với kiềm trong bùn đỏ. Các chất kết dính ra với hàm lượng bùn đỏ lên tới 92% và hữu cơ khác cũng được sử dụng. nhiệt độ nung là 1000oC. Đất sét và các Mặc dù có nhiều nghiên cứu và loại vật liệu khác có thể được thêm vào bằng sáng chế về kỹ thuật sử dụng bùn tùy theo thành phần và yêu cầu của sản đỏ trong sản xuất gạch nhưng vẫn chưa phẩm. Còn đối với gạch không nung cần tìm ra được một nghiên cứu nào có ứng kết hợp với một hay nhiều tác nhân kết dụng cao. Lý do chính là do sự cạnh dính. Tác nhân kết dính phổ biến nất là tranh về vật liệu, nơi sản xuất, sự không các hợp chất chứa canxi như đá vôi, vôi chắc chắn về kỹ thuật, môi trường và và thạch cao. Bằng sáng chế nguy cơ về sức khỏe của sản phẩm mới. NL1035134-C6 đã sử dụng vỏ trấu (rice Ở Jamaica năm 1980 [13] đã sản xuất chaff) làm chất kết dính do vỏ trấu có một loại gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ với chứa nguồn silicate tham gia phản ứng chất đóng rắn là xi măng. Tại thời điểm
Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2013 111 này đang xảy ra sự thiếu hụt số lượng lớn 2). Tuy nhiên gạch từ bùn đỏ chỉ được nhà cửa, vì vậy một loại gạch có giá rẻ triển khai ở các vùng nghèo và việc mở rất phù hợp với tình hình Jamaica (Hình rộng sử dụng bị hạn chế. Hình 2. Gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ ở Jamaica [14] Một nghiên cứu gần đây của Yang phẩm của quá trình này đáp ứng được và Xiao [14] (2008) đã mô tả quá trình tiêu chuẩn của Trung Quốc và được phép sản xuất gạch không nung và block sử sản xuất để làm vật liệu xây dựng như dụng bùn đỏ ở Trung Quốc (Hình 3). Sản gạch và block. Caùt Buøn ñoû Taïo Troän Phuï gia Troän hình Nöôùc Thaïch Döôõng hoä cao, voâi Saûn phaåm Hình 3. Quá trình sản xuất gạch không nung và block sử dụng bùn đỏ ở Trung Quốc [14]. Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu 190 KG/cm2, độ hút nước từ 5,2 đến PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh, Vũ Huyền 12,7% và hệ số mềm từ 0,7 đến 0,95. Với Trân, Nguyễn Thị Thanh Thảo đã nghiên các tính chất như trên thì loại vật liệu này cứu sản xuất gạch không nung từ bùn đỏ, hoàn toàn phù hợp để chế tạo gạch không tro bay và gạch nung nhiệt độ thấp từ bùn nung. Hiện nay đề tài vẫn đang được đỏ và đất sét (năm 2009) đã cho các kết nghiên cứu để ứng dụng vào sản xuất [15]. quả rất khả quan. Với hàm lượng tro bay từ * Geopolymer 40-80% và lượng dùng phụ gia hoạt hóa 4 Bùn đỏ có chứa một lượng các - 10ml/100 g hỗn hợp tro bay bùn đỏ thì khoáng nhôm, silic và kiềm nên phù hợp cường độ chịu nén có thể đạt được từ 100 - để tạo geopolymer. Việc thêm kiềm vào
Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2013 112 sẽ gia tăng sự hòa tan tùy theo nồng độ nguồn vật liệu phế thải. ban đầu, thời gian hòa tan và các thông 4. Kết luận số khác để quá trình xảy ra. Các nguồn Tổ hợp bauxite - nhôm Lâm Đồng khác của oxit nhôm và silic sẽ được thêm (dự án Tân Rai) có công suất thiết kế giai vào để đạt cường độ và các tính chất yêu đoạn 1 là 650.000 tấn alumin/ năm. Đến cầu. Tro bay hoặc xỉ lò cao rất phù hợp nay, công tác xây dựng cơ bản của phần để làm nguồn vật liệu cung cấp oxit khai thác mỏ bauxite đã hoàn thành, nhôm và silic. Có rất nhiều nghiên cứu về trong đó đã khai thác được 1,6 triệu tấn việc sử dụng xỉ hay tro bay nhưng vẫn quặng bauxite. Từ khi dự án triển khai, ít chưa có nghiên cứu nói về việc sử dụng nhiều môi trường nước, không khí tại đây bùn đỏ để làm vật liệu geopolymer. Tuy đã bị ảnh hưởng. An ninh xã hội trên địa nhiên SCRP (Center for Sustainable bàn cũng phức tạp hơn, tệ nạn xã hội theo Resources Processing) đã thành lập Liên đó cũng tăng lên…[16]. Dùng bùn đỏ để đoàn Geopolymer với các đối tác công sản xuất vật liệu xây dựng sẽ chỉ giải nghiệp để tiến hành nghiên cứu nhằm quyết một phần nhỏ lượng chất thải này. mục đích phát triển những hiểu biết nền Tuy nhiên, vì các giải pháp xử lý bùn đỏ tảng về sản xuất các vật liệu geopolymer ở Việt Nam vẫn còn gây nhiều tranh cãi sử dụng trong bê tông. Các thông tin trên và lo ngại nên ứng dụng này của bùn đỏ website của tổ chức này báo cáo rằng có ý nghĩa rất đặc biệt. Việc tìm hiểu, “geopolymer từ bùn đỏ với các tính chất nghiên cứu các kết quả nghiên cứu đã có cơ học ấn tượng đã được sản xuất thành trên thế giới và Việt Nam hứa hẹn tìm ra công. Vật liệu này sẽ mở ra các cơ hội các giải pháp xử lý hiệu quả chất thải cho việc tái chế một lượng lớn các chất độc hại này. thải công nghiệp”. Để đạt được mục tiêu Theo quan điểm của tác giả, sử này cần phải tiếp tục nghiên cứu khả dụng bùn đỏ để sản xuất vật liệu năng ứng dụng của bùn đỏ trong vật liệu không nung là một hướng giải pháp geopolymer, phát triển các hỗn hợp thành đầy tiềm năng, góp phần giải quyết phần và phương pháp sản xuất để hoàn vấn đề môi trường và ổn định cho Tây thiện hóa các sản phẩm tận dụng các Nguyên Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y. Pontikes. March 14, 2005.Red Mud Applications. http://www.redmud.org/Applications.html. [2] http://www.nuce.edu.vn/index.php?lg=1&id=104 [3] http://www.viet-studies.info/kinhte/Bauxit_TiaSang.htm [4] http://www.redmud.org/Production.html [5] Craig Klauber, Markus Grafe and Greg Power. May 2009. Review of bauxite residue “reuse option”. CSIRO Document DMR 3609, Australia. [6] Singh.M, Upadhayay.S, Prasad.P. 1996. Preparation of special cements from red mud. Waste Management, 16, (8), 665 - 670.
Thông báo Khoa học và Công nghệ* Số 2-2013 113 [7] ] Singh.M, Upadhayay.S, Prasad.P. 1997. Preparation of iron rich cements using red mud. Cement and Concrete Research, 27,(7), 1037-1046. [8]Vangelatos, I., Angelopoulos, G.N., Boufounos D. 2009. Utilization of ferroalumina as raw material in the production of Ordinary Portland Cement. Journal of Hazardous Materials 168 (1), pp. 473-478. [ 9] http://nld.com.vn/khoa-hoc/che-tao-xi-mang-tu-bun-do-20091014100230911.htm [10] Sagoe-Crentsil K and Brown T. 2005. Bayer process waste stream as potential feedstock material for geopolymer binder systems. Proceedings of the 7th International Alumina Quality Workshop, McKinnon, A., Ed. AQW Inc.: Perth, pp 214-217. [11] Artificial consntruction aggregates-from granular red mud discharge from Bayer process. JP51007023-A, JP82007588-B, JP51007023-A, 21 Jan 1976. [12] Tharku.R.S, Sant.B.R. 1983. Utilization of red mud 2- Recovery of alkali, iron, aluminium, titanium and other constituents and polution problems. J.Sci.Industr.Res., 42, (8), 456- 469. [13] McCarthy.S, Armour-Brown.V.S, Iyer.V.S, Desu.S.B, Kander.R.G, vaseashta.A. 1992. Utilization of Jamaica Bauxite Tailings as a Building material and its Socio- Economic Consideration 1992. [14] Yang.J.K, Xiao.B. 2008. Development of unsintered construction materials from red mud wastes produced in the sintering alumina process. Construction and Building materials, 22, (12), 2299-2307. [15] Nguyễn Văn Chánh, Vũ Huyền Trân, Nguyễn Thị Thanh Thảo. 2010. Nghiên cứu chế tạo gạch không nung bằng công nghệ geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam. Hội nghị Khoa Học và Công nghệ gắn với thực tiễn lần IV. [16] Bauxite Tân Rai đã khai thác 1,6 triệu tấn. http://vov.vn/Kinh-te/Bauxite-Tan- Rai-da-khai-thac-16-trieu-tan/265712.vov.