Untitled 38 Khoa học Công nghệ và đổi mới sáng tạo Số 12 năm 2020 giải bài toán xử lý bùn đỏ Bùn đỏ là chất thải của quy trình Bayer sản xuất alumin (ôxít nhôm) từ quặng bauxite, có độ pH cao (11 13)[.]
Khoa học - Công nghệ đổi sáng tạo xử lý bùn đỏ nhà máy alumin thành gạch gốm xây dựng PGS.TS Lưu Đức Hải trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia hà nội Bùn đỏ phát sinh từ công nghệ sản xuất alumin Tây Nguyên chất thải nguy hại phải chôn lấp hồ thiết kế xây dựng chống thấm Tuy nhiên, khơng chứa chất phóng xạ nên xử lý để thu hồi tài nguyên lại Nhóm nghiên cứu PGS.TS Lưu Đức Hải - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội) nghiên cứu giải pháp xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng cách phối liệu bùn đỏ với phụ gia đất sét cát xây dựng dây chuyền sản xuất gạch đất sét nung lò tuynel Kết tạo gạch có độ bền học cao, an tồn môi trường mang lại hiệu kinh tế cao giải toán xử lý bùn đỏ Bùn đỏ chất thải quy trình Bayer sản xuất alumin (ơxít nhơm) từ quặng bauxite, có độ pH cao (11-13) với thành phần chủ yếu oxit hydroxit kim loại Fe, Mn, Al, Ti; khoáng vật silicat, cacbonat khác Do độ pH cao, tính chất phóng xạ, thành phần phức tạp độ hạt mịn nên bùn đỏ phần lớn nhà máy sản xuất alumin giới thường phải chôn lấp hồ thiết kế xây dựng chống thấm đặc biệt Việt Nam quốc gia có tiềm lớn quặng bauxite, đứng thứ giới, với trữ lượng dự báo tỷ tấn, tạo thành mỏ lớn vỏ phong hóa đá bazan Tây Nguyên [1] Việt Nam xây dựng thí điểm hai nhà máy sản xuất alumin theo cơng nghệ Bayer Tân Rai (Lâm Đồng) Nhân Cơ (Đắc Nơng) có cơng suất tổng cộng 1,3 triệu alumin/năm Nhà máy alumin Tân Rai bắt đầu hoạt động từ năm 2011 Nhà máy alumin Nhân Cơ vào hoạt động từ năm 2014 Hàng năm nhà máy thải khoảng 650.000 bùn đỏ chôn lấp chúng hồ thiết kế chống thấm đặc biệt Cho đến có hàng chục triệu chất thải bùn đỏ chôn lấp vậy, khơng gây chi phí chơn lấp tốn nhà máy, mà tiềm ẩn rủi ro gây ô nhiễm môi trường khu vực hạ lưu sơng Đồng Nai Đã có nhiều giải pháp xử lý tận dụng bùn đỏ nghiên cứu giới Việt Nam [2-6], tập trung vào hướng giải pháp chính: nghiên cứu sử dụng bùn đỏ để sản xuất vật liệu xây dựng (gạch xây dựng, phụ gia xi măng ); thu hồi kim loại chứa bùn đỏ (Fe, Ti, V, đất ); sử dụng làm vật liệu hấp thụ (kim loại nặng hóa chất độc hại, hấp thụ CO2 ) 38 Số 12 năm 2020 Bản chất quy trình Bayer áp dụng sản xuất alumin sử dụng tính lưỡng tính kim loại Al hịa tan dung dịch kiềm (NaOH) nhiệt độ thích hợp để tách hydroxyt nhơm Al(OH)3 khỏi quặng bauxite Theo đó, ngồi khối lượng 4850% trọng lượng quặng tinh ban đầu chuyển thành alumin, tồn khối lượng cịn lại quặng bauxite đầu vào với hóa chất dư NaOH Ca(OH)2 chuyển thành bùn đỏ Khối lượng bùn đỏ phát sinh từ nhà máy sản xuất alumin Tây Nguyên hàng năm lớn, khoảng 105-110% lượng sản phẩm alumin Thành phần bùn đỏ phụ thuộc vào thành phần quặng bauxite ban đầu, bùn đỏ nhà máy sản xuất alumin giới khác tùy thuộc loại quặng bauxite khai thác [1] Thành phần hóa học bùn đỏ thải từ nhà máy sản xuất alumin Tây Ngun trình bày bảng Theo đó, khác biệt lớn bùn đỏ nhà máy khơng chứa ngun tố phóng xạ, hay nói cách xác hàm lượng ngun tố thấp phơng phóng xạ tự nhiên [7] Bảng Thành phần hóa học chủ yếu bùn đỏ nhà máy sản xuất alumin Tây Nguyên (đơn vị tính: % trọng lượng) Hợp chất Nhà máy alumin Tân Rai Nhà máy alumin Nhân Cơ Fe2O3 46,41 46,32 Al2O3 16,91 17,56 SiO2 6,62 6,72 TiO2 5,48 7,20 Na2O 5,06 5,43 CaO 4,48 5,20 nguồn: [2] khoa học - công nghệ đổi sáng tạo Thành phần khống vật bùn đỏ nhà máy alumin Tây Nguyên theo kết phân tích nhiễu xạ tia X gồm: Fe2O3, Al(OH)3, FeO(OH), Al2[Si4O10](OH)2.nH2O, Al4[Si4O10](OH)8, SiO2 Thành phần độ hạt bùn đỏ nhà máy alumin Tây Nguyên chia thành nhóm theo tỷ lệ % như sau: cấp hạt mm - 0,05 mm (chiếm 57,%), cấp hạt 0,001 mm đến < 0,05 mm (chiếm 33,8%), cấp hạt < 0,001 mm (chiếm 9,13%) Các hạt bùn đỏ với thành phần khoáng vật ơxít, hydroxít Fe khống vật sét; với kích thước hạt keo mơi trường kiềm tạo màng nước bao quanh dẫn đến khó lắng [8] Do vậy, hồ chứa bùn đỏ cần phải hàng trăm năm đóng rắn hồn tồn, tạo nguy nhiễm rủi ro môi trường người sinh vật Hồ chôn bùn đỏ Tân rai Hồ chôn bùn đỏ Nhân Cơ Như vậy, khối lượng bùn đỏ hoạt động sản xuất alumin Tây Nguyên lớn, khai thác hết tỷ quặng bauxite có để sản xuất alumin, lượng bùn đỏ sinh ước tính khoảng 1,75 tỷ Nếu hồ chơn bùn đỏ cao 10 m, diện tích mặt hồ chơn bùn đỏ cần có 10.000 (100 km2) Hơn nữa, hồ bùn đỏ không bị đơng cứng hồn tồn, nên tác nhân gây nhiễm suy thối mơi trường toàn Tây Nguyên Mặt khác, bùn đỏ Tây Nguyên khơng chứa chất phóng xạ, tận dụng để thu hồi kim loại sản xuất vật liệu xây dựng Phương án đơn giản có hiệu kinh tế xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng Bản chất tính độc hại bùn đỏ nhà máy alumin Tây Nguyên nêu lượng kiềm dư NaOH Ca(OH)2 tạo độ pH cao (1112), độ phân tán cao hạt bùn đỏ Các phương pháp sử dụng bùn đỏ làm vật liệu không nung chuyển kim loại kiềm từ dạng di động thành dạng cố định vật liệu, không tạo chuyển pha khoáng vật sét khoáng vật chứa nước bùn đỏ để hình thành tinh thể có tính liên kết vật liệu Tuy nhiên, nung riêng bùn đỏ lượng kiềm dư bay gây nhiễm khơng khí Đứng trước vấn đề kỹ thuật nêu trên, nhóm nghiên cứu (các nhà khoa học thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội) tiến hành thực đề tài “Nghiên cứu khả chế tạo vật liệu xây dựng từ bùn đỏ phát sinh công nghệ sản xuất Alumin Tây Nguyên” Kết nghiên cứu đưa giải pháp: để xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng cần phải bổ sung phụ gia để cung cấp thêm cho hỗn hợp trước nung lượng ơxít Al Si để tạo tinh thể khoáng silicat chứa Na Ca Khi chuyển thành silicat, ion kim loại kiềm cố định tinh thể hình thành Vật liệu phụ gia cần phải rẻ tiền dễ kiếm để hạ giá thành gạch gốm xây dựng sản xuất Các phụ gia dễ kiếm chúng tơi ứng dụng khống vật sét (cung cấp Al Si) cát (cung cấp Si) Thí nghiệm pilot sản xuất gạch gốm xây dựng tiến hành thành công Nhà máy gạch Hiệp Hòa dây chuyền sản xuất gạch lò tuynel với phối liệu gồm 80% bùn đỏ Nhà máy alumin Tây Rai 20% phụ gia đất sét cát xây dựng Nhiệt độ nung lựa chọn khoảng 900-950oC, chế độ đốt bình thường nung gạch đất sét Kết phân tích nhiễu xạ tia X thành phần gạch gốm chế tạo phát xuất pha kết tinh có thành phần khống vật Albit NaAlSi3O8 Điều có nghĩa là, phần lớn lượng Na linh động dư bùn đỏ kết hợp với phụ gia để tạo nên pha kết tinh khống vật Albit có gạch gốm Các viên gạch gốm xây dựng chế tạo có hình dạng, màu sắc gạch đất sét nung, có tính chất lý cao gạch đất sét nung theo TCVN (bảng 2) Bảng Kết thử nghiệm tính chất lý mẫu gạch gốm Mẫu Đơn vị gạch đo thử: CT10 Phương pháp thử Cường độ nén MPa TCVN 63552:2009 Cường độ uốn MPa TT Tên tiêu 7,7 2,8 Mac gạch theo TCVN Mac 150 125 100 75 150 TCVN6355- 125 3:2009 100 75 Chỉ tiêu trung bình 15 12,5 10 7,5 2,8 2,5 2,2 1,8 ghi chú: thử nghiệm đo phịng thí nghiệm viện vật liệu xây dựng hà nội Số 12 năm 2020 39 Khoa học - Công nghệ đổi sáng tạo Kết thử nghiệm an tồn mơi trường tiến hành phương pháp đo cường độ phóng xạ QCVN07:2009 cho thấy an tồn cao mơi trường sản phẩm gạch gốm xây dựng chế tạo hiệu kinh tế, xã hội môi trường Hiệu kinh tế giải pháp xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng phân tích cơng bố [9] với giả thiết: đầu tư xây dựng dây chuyền sản xuất gạch gốm có cơng suất 15 triệu viên/năm với chi phí khoảng 15 tỷ đồng; chi phí bùn đỏ đồng; chi phí mua phụ gia theo giá địa phương năm vào sản xuất bị âm, từ năm thứ hai trở có lãi lãi suất gia tăng cao hết chu trình đầu tư Hiệu kinh tế giải pháp xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng xuất phát từ việc vật liệu gạch gốm xây dựng bùn đỏ (khơng chi phí), thiết bị sản xuất khơng khác nhiều so với dây chuyền sản xuất gạch đất nung thơng thường có nước ta, phụ gia bổ sung khai thác địa phương với chi phí thấp Như vậy, thân việc xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng thị trường đầu cho sản phẩm có địa phương hoạt động sản xuất mang lại lợi nhuận cho nhà đầu tư Nếu tính chi phí chơn lấp bùn đỏ theo phương án xây hồ bùn đỏ phê duyệt giải pháp xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng mang lại hiệu kinh tế to lớn cho đất nước Theo thông số kỹ thuật kinh tế báo cáo đánh giá tác động môi trường phê duyệt dự án alumin Nhân Cơ, chi phí phương án xây dựng hồ bùn đỏ phục hồi môi trường hồ bùn đỏ ước tính 50 USD/m3 [9] Việc áp dụng giải pháp xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng nêu tiết kiệm số tiền mà Tập đồn Than Khống sản (TKV) phải cấp cho việc xây dựng hồ chơn bùn đỏ trung bình khoảng 200 tỷ đồng/năm Hiệu xã hội giải pháp xử lý triệt để bùn đỏ nói chung xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng tạo hiệu xã hội to lớn, trước hết củng cố niềm tin cho xã hội phương án phát triển mở rộng sản xuất alumin công nghiệp nhôm dựa vào tiềm trữ lượng lớn quặng bauxite nước ta Sự phát triển kéo theo nâng cao hạ tầng kỹ thuật khu vực, nâng cao thu nhập chất lượng sống người dân địa phương Điều minh chứng thực tế địa bàn hai tỉnh Lâm Đồng Đắc Nông, nơi có nhà máy alumin Tân Rai Nhân Cơ 40 Số 12 năm 2020 Về mặt môi trường, hiệu giải pháp xử lý triệt để nguy ô nhiễm chất thải bùn đỏ môi trường đời sống dân cư địa phương tỉnh Tây Nguyên (đặc biệt hai tỉnh Lâm Đồng, Đắc Nông tỉnh nằm hạ lưu sông Đồng Nai Serepok) Mặt khác, việc tận dụng bùn đỏ để sản xuất gạch gốm xây dựng giảm, tiến tới loại bỏ nhu cầu đất để xây dựng hồ bùn đỏ ước tính trên, tới hàng nghìn triển khai mở rộng khai thác bauxite chế biến alumin Để giải pháp xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng vào sống, cần chung tay vào tất bên: Chính phủ, bộ/ngành có liên quan, quyền địa phương; mạnh dạn nhà đầu tư; ủng hộ doanh nghiệp người dân địa phương thơng qua sách tài khoa học, công nghệ ? tài liỆu thaM Khảo [1] Lưu Đức Hải (2019), “Tiềm khoáng sản bauxite Việt Nam”, Tạp chí Kinh tế mơi trường, 152, tr.35-37 [2] Lưu Đức Hải (2014), Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học trọng điểm cấp Đại học Quốc gia Hà Nội, mã số QGTĐ.11.06 [3] Lưu Đức Hải, Trần Văn Quy, Nguyễn Xuân Huân, Trần Văn Sơn (2012), “Nghiên cứu số đặc tính hóa lý bùn đỏ nhằm định hướng sản xuất vật liệu xây dựng”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, 28(4S), tr.53-60 [4] Harekrushna Sutar, Subash Chandra Mishra, Santos Kumar Sahoo, Anata Prasad Chakraverthy and Himanshu Sekhar Maharana (2014), “Progress of Red Mud Utilization: An overview”, American Chemical Science Journal, 4(3), pp.255-279 [5] H.M Vijaya, T.S Wesly, P Kulkarni (2018), “Assessment of red mud as a construction material: A review”, Indian Journal Sci Res., 17(2), pp.473-478 [6] Vũ Đức Lợi, Dương Tuấn Hưng, Nguyễn Văn Tuyến, Phạm Sơn Lâm, Đặng Quốc Trung (2016), “Tổng quan công nghệ thu hồi sắt từ bùn đỏ”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam, 8(9), tr.15-23 [7] Luu Duc Hai, Nguyen Manh Khai, Tran Van Quy, Nguyen Xuan Huan (2014), “Material composition and properties of red mud coming from alumina processing plant Tan Rai, Lam Dong, Vietnam”, International Journal of Research in Earth & Environmental Sciences, 1(6), pp.1-7 [8] Lưu Đức Hải, Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Ngọc Minh, Trương Minh Tuấn (2019), “Bùn đỏ giải pháp xử lý bùn đỏ phát sinh từ nhà máy alumin Tây Nguyên”, Tạp chí Kinh tế mơi trường, 154, tr.45-51 [9] Nguyễn Thùy Linh, Lưu Đức Hải (2013), “Phân tích chi phí lợi ích tốn sản xuất gạch gốm nung từ bùn đỏ Nhà máy Alumin Tân Rai, Lâm Đồng”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, 29(3S), tr.139-144 ... sản xuất vật liệu xây dựng Phương án đơn giản có hiệu kinh tế xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng Bản chất tính độc hại bùn đỏ nhà máy alumin Tây Nguyên... (TKV) phải cấp cho việc xây dựng hồ chơn bùn đỏ trung bình khoảng 200 tỷ đồng/năm Hiệu xã hội giải pháp xử lý triệt để bùn đỏ nói chung xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng tạo hiệu xã hội to... tế giải pháp xử lý bùn đỏ thành gạch gốm xây dựng xuất phát từ việc vật liệu gạch gốm xây dựng bùn đỏ (khơng chi phí), thiết bị sản xuất khơng khác nhiều so với dây chuyền sản xuất gạch đất nung