Nghiên cứu tính chất kết dính từ bã thải công nghiệp

Nghiên cứu tính chất kết dính từ bã thải công nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU ------------------------ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP: NGHIÊN CỨU CHẤT KẾT DÍNH TỪ BÃ THẢI CÔNG NGHIỆP SVTH : HUỲNH THỊ NGỌC DIỄM MSSV : V0100375 GVHD : TS. ĐỖ QUANG MINH BỘ MÔN: VẬT LIỆU SILICÁT TP Hồ Chí Minh, 1 – 2006 Luận văn tốt nghiệp là bước đầu em làm quen với công việc nghiên cứu, ứng dụng những lý thuyết đã học vào thực tế nên gặp không ít những khó khăn. Vượt qua được những khó khăn đó, ngoài sự nổ lực của bản thân, còn có sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy cô, sự giúp đỡ của bạn bè và sự động viên của gia đình. Em xin chân thành cảm ơn : Thầy Đỗ Quang Minh đã tận tình hướng dẫn và chỉ dạy, bổ sung cho em những kiến thức thực nghiệm quý báu, các thầy cô trong khoa Công Nghệ Vật Liệu và bộ môn Silicát đã dìu dắt, dạy dỗ chúng em trong suốt những năm học vừa qua. Chú Nguyễn Văn Quang và các cô chú, anh chò kỹ sư cùng tập thể anh chò công nhân Phòng kiểm tra chất lượng sản phẩm nhà máy xi măng Hà Tiên I đã tạo điều kiện thuận lợi cho em về cơ sở thiết bò trong việc nghiên cứu. Sự giúp đỡ của bạn bè và nguồn động viên của gia đình. Huỳnh Thò Ngọc Diễm MỤC LỤC LỜI MƠÛ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .3 1.1 Công nghệ sản xuất nhôm hydrôxid: .3 1.1.1 Quặng bauxite: 3 1.1.2 Quy trình sản xuất: 4 1.2 Chất thải từ quy trình sản xuất: 7 1.3 Các phương hướng xử lý bùn thải 8 1.3.1 Phương hướng tồn trữ bùn thải 8 1.3.2 Vấn đề sử dụng bùn thải .9 1.3.2.1 Canh tác nông nghiệp trên bùn đỏ .10 1.3.2.2 Sử dụng bùn đỏ làm nguyên vật liệu 10 1.3.2.3 Thu hồi các khoáng có giá trò .11 1.4 Mục tiêu của đề tài: .11 CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM VỀ CÁC CHẤT 12 2.1 Khái niệm về chất kết dính 12 2.2 Tính chất của các loại chất kết dính .12 2.2.1 Ximăng Poóclăng 12 2.2.2 Ximăng Alumin (XMA) .14 2.2.3 Ximăng Lamã 15 2.2.4 Manhezi kiềm tính .15 2.2.5 Đolomit kiềm tính 16 2.2.6 Chất kết dính vôi .16 2.3 Nhận xét: 18 2.4 Cơ sở lý thuyết của hệ Al2O3 – Fe2O3 – CaO .18 2.4.1 Lựa chọn chất tạo dẻo .18 2.4.2 Nhiên liệu 19 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM .21 3.1 Mục tiêu 21 3.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm .21 3.2.1 Nghiền phối liệu 21 3.2.2 Tạo mẫu bằng phương pháp ép bán khô .22 3.3 Xác đònh các tính chất: khối lượng riêng, độ bền nén 22 3.3.1 Độ bền nén: là tỷ lệ giữa lực ép phá hủy vật liệu (F) và thiết diện (S) vuông góc với phương lực ép 22 3.3.2 Khối lượng thể tích của mẫu .23 3.4 Sơ đồ thí nghiệm 26 3.5. Tính đơn phối liệu .26 3.6 Quá trình sản xuất ximăng bùn đỏ .29 3.6.1 Chuẩn bò nguyên liệu 29 3.5.2 Sấy và nung phối liệu 30 3.6.3 Công đoạn đập sơ bộ .30 3.6.4 Nghiền và trộn .30 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 31 4.1 Phân tích X-ray 31 4.2 Xác đònh độ mòn bằng phương pháp sàng 33 4.3 Xác đònh khối lượng riêng của ximăng 34 4.4 Xác đònh độ mòn của ximăng bằng phương pháp tỷ diện .35 4.5 Xác đònh mật độ phân bố cỡ hạt và kích thước hạt trung bình bằng tia Lazer 36 4.6 Xác đònh cường độ của ximăng 37 4.7 Xác đònh nhiệt thủy hóa của ximăng 38 4.8 Xác đònh thành phần hóa 39 CHƯƠNG 5: BÀN LUẬN .45 5.1 Kết quả phân tích thành phần hóa .45 5.2 Phân tích X-ray (xem phụ lục phân tích X-ray) .45 5.3 Kết quả khối lượng riêng .46 5.4 Kết quả đo cường độ của ximăng: 46 5.5 Kết quả đo độ mòn 47 5.6 Kết luận 47 Lời mở đầu GVHD: TS.ĐỖ QUANG MINH LỜI MƠÛ ĐẦU Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, nền kinh tế thế giới đã phát triển rất nhanh với sự xuất hiện của những khu công nghiệp, nhà máy, xí nghiệp. Sự phát triển đó đã làm cho đời sống của con người thay đổi rất nhiều. Chất lượng cuộc sống được nâng lên, tuổi thọ bình quân tăng… Bên cạnh đó, tăng trưởng kinh tế đã làm xuất hiện những xu hướng tiêu cực, trong đó suy thoái môi trường được xem là vấn đề quan trọng bậc nhất trên toàn thế giới. Nhôm kim loại, hợp chất và các hợp kim của nhôm được có mặt trong hầu hết các ngành công nghiệp: hóa chất cơ bản, hóa dầu, vật liệu xây dựng, gốm sứ, vật liệu điện, điện tử, hàng không vũ trụ… Để đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng thì nhu cầu về sản lượng alumina hằng năm là rất lớn. Hiện nay các nước trên thế giới công nghiệp sản xuất alumina chủ yếu đi từ quặng bauxite, tùy theo hàm lượng nhôm ôxit có trong quặng mà người ta chọn phương pháp sản xuất thích hợp để có lợi về kinh tế, trong đó thường dùng là phương pháp Bayer. Người ta ước tính trung bình cứ sản xuất ra 1 tấn alumina từ quặng bauxite thải ra khoảng 0,8 – 2 tấn bùn thải, vì thế lượng chất thải đổ ra mỗi năm là con số khổng lồ và chiếm lượng lớn diện tích bề mặt bể chứa. Đây chính là nguyên nhân gây nhiều ảnh hưởng đến môi trường: ô nhiễm đất, nguồn nước, không khí… Nhất là hiện nay vấn đề bảo vệ môi trường sinh thái là mục tiêu hàng đầu của cả thế giới. Các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu để tìm cách an toàn nhất để chứa chất thải này mà không ảnh hưởng đến môi sinh đặt biệt là việc tận dụng chất thải này vào một số ngành công nghiệp: vật liệu xây dựng, luyện kim, thu hồi các ôxid có giá trò… Tuy nhiên việc áp dụng các công trình nghiên cứu này trên thực tế với quy mô lớn còn tùy thuộc vào nhiều điều kiện của từng quốc gia nhất là hiệu quả kinh tế vì đa phần các biện pháp này rất phức tạp và tốn kém. Nhưng hiện nay xu hướng chung của các nhà máy sản xuất là khai thác sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên một cách hợp lý và tận dụng tối đa các bã thải công nghiệp nhằm tránh sự lãng phí và ô nhiễm môi trường. Bùn đỏ là chất thải sinh ra từ công nghệ sản xuất nhôm hydroxit từ quặng bauxite của nhà máy hóa chất Tân Bình. Đây là phần quặng bauxite không tan SVTH: HUỲNH THỊ NGỌC DIỄM 1 Lời mở đầu GVHD: TS.ĐỖ QUANG MINH trong kiềm với lượng thải khá cao lên đến 30 tấn/ngày. Một số nghiên cứu đã đi theo hướng sử dụng bã thải này sản xuất bột màu tuy nhiên hiệu quả xử lý không cao và lượng bã tiêu thụ không nhiều trong khi lượng bùn thải là rất lớn. Mục tiêu của đề tài này là tận dụng bã thải làm nguyên liệu sản xuất chất kết dính, nhằm xử lý triệt để loại chất thải này góp phần bảo vệ môi trường, đồng thời tạo ra sản phẩm mới. SVTH: HUỲNH THỊ NGỌC DIỄM 2 Chương 1: Tổng quan GVHD: TS.ĐỖ QUANG MINH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nước Việt Nam ta có tiềm năng lớn trong việc xây dựng và phát triển một nền công nghiệp sản xuất alumina hiện đại. Ngày nay với sự hỗ trợ của khoa học kỹ thuật và sự giúp đỡ của các nước trên thế giới, thì việc đầu tư, xây dựng và phát triển ngành công nghiệp này ở tương lai không xa. Cho nên việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp xử lý và sử dụng chất thải dựa trên các kinh nghiệm cũng như các công trình nghiên cứu các quốc gia đi trước là việc hết sức cần thiết, để sau này khi nước ta bắt tay vào sản xuất alumina theo công nghệ tiên tiến thì chúng ta không bò lúng túng trong vấn đề xử lý chất thải. Chúng ta vừa có thể khai thác sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên một cách hợp lý và tận dụng tối đa bã thải công nghiệp nhằm tránh sự lãng phí vừa có thể bảo vệ tốt môi trường sinh thái. 1.1 Công nghệ sản xuất nhôm hydrôxid: Nhà máy Hóa chất Tân Bình sản xuất nhôm hydrôxid đi từ quặng bauxite theo phương pháp Bayer (do K.I Bayer người Áo phát minh vào năm 1887). Phương pháp này dùng dung dòch xút (NaOH) hòa tách quặng bauxite ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Phương pháp Bayer được sử dụng rộng rãi vì có quy trình đơn giản, chất lượng sản phẩm tốt, giá thành hạ; tuy nhiên chỉ có lợi về mặt kinh tế khi quặng bauxite có modul silic ≥10. Khi hàm lượng oxid silic trong quặng bauxite cao, dùng phương pháp Bayer để sản xuất nhôm không có lợi. 1.1.1 Quặng bauxite: Bauxite là một trong những quặng có chứa hàm lượng nhôm cao, các khoáng của nhôm có trong quặng là gibbsite, diaspore, boehmite, ngoài ra bauxite còn có các khoáng của sắt như hematite, goethite đôi khi có cả pirite …, của silic như thạch anh, opal…, của titan như anatase, rutin, … có hàm lượng đáng kể, cùng một số các nguyên tố Ca, Mg, V, Co, Ni, Pb… với hàm lượng rất nhỏ. Tùy theo hàm lượng oxid sắt mà quặng bauxite có nhiều màu sắc khác nhau. Thành phần hóa học chính của quặng bauxite dao động trong khoảng rộng sau: Bảng 1.1: Thành phần hóa của quặng bauxite Al 2 O 3 Fe 2 O 3 SiO 2 TiO 2 H 2 O 30%-75% 2%-37% 1%-27% 0%-11% 8%-25% SVTH: HUỲNH THỊ NGỌC DIỄM 3 Chương 1: Tổng quan GVHD: TS.ĐỖ QUANG MINH Người ta đánh giá quặng bauxite thông qua modul silic: tỷ số giữa hàm lượng Al 2 O 3 và SiO 2 , quặng bauxite nào có hàm lượng Al 2 O 3 ≥ 50% và modul silic ≥ 10 thì chất lượng quặng thuộc loại tốt. Quá trình các khoáng nhôm biến đổi theo thời gian như sau: Keo nhôm → Alumo giả bền → Hydragillite → Boehmite → Diaspore → Corundum. Người ta phân loại bauxite theo tuổi của đá, bauxite diaspore là loại già nhất, còn trẻ nhất là bauxite hidragillite. Thông thường bauxite có màu đỏ khá cứng, đôi khi có màu trắng vàng xanh thẩm tùy theo thành phần các chất có trong quặng. Bauxite không những là quặng nhôm quan trọng cho ngành công nghiệp sản xuất nhôm và các hợp chất của nhôm, mà còn dùng để sản xuất corundum nhân tạo, ximăng alumin, gạch chòu lửa… gần đây quặng bauxite còn được dùng làm chất hấp thụ khi tinh lọc các sản phẩm dầu lửa… Trên thế giới nhiều nước có quặng bauxite như Pháp, Hungari, Rumani, Hi Lạp, Ý, Mỹ, Trung Quốc… và Việt Nam. ƠÛ Việt Nam, quặng bauxite đã được phát hiện ở Hà Tuyên, Cao Bằng, Lạng Sơn, Đắc Lắc, Lâm Đồng, Gia Lai- Kom Tum, Sông Bé, Phú Khánh… với trữ lượng lớn hàng tỷ tấn. Nhìn chung quặng bauxite ở Việt Nam có hàm lượng nhôm oxid khá cao gần bằng 50% và có modul silic >10 có nhiều nơi đạt đến 20-26. Bảng 1.2: Thành phần hóa học của quặng bauxite Lâm Đồng CO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 SiO 2 TiO 2 CaO MgO Na 2 O K 2 O 0.32 49.45 17.58 2.08 2.99 -- 0.26 0.05 0.05 1.1.2 Quy trình sản xuất: Bản chất của phương pháp Bayer là sử dụng dung dòch natrihydrôxid hòa tan chọn lọc các khoáng nhôm oxid có trong quặng bauxite: gibbsite, diaspore, boehmite. Các khâu chủ yếu của quy trình là: hòa tách quặng bauxite, khuấy phân hóa dung dòch natri aluminat, nung nhôm hydrôxid, cô đặc dung dòch nước cái và caustic hóa. SVTH: HUỲNH THỊ NGỌC DIỄM 4 Chương 1: Tổng quan GVHD: TS.ĐỖ QUANG MINH Các phương trình phản ứng trong từng khâu: • Khâu 1: hòa tách quặng bauxite: Al(OH) 3 + NaOH →NaAl(OH) 4 (hydragilit, Gibbsite) AlOOH +NaOH + H 2 O→ NaAl(OH) 4 (Diaspore, Boehmite) SiO 2 +2NaOH → Na 2 SiO 3 +H 2 O Na 2 SiO 3 +Na Al(OH) 4 +aq → Na 2 O.Al 2 O 3 .mSiO 2 .nH 2 O +NaOH Natri silicat Natri alumosilicat (NAS) Các hợp chất alumosilicat ít tan trong dung dòch kiềm vừa làm giảm thực thu nhôm vừa làm mất kiềm, đồng thời các khoáng khác không tan trong kiềm nằm lại dưới dạng bã thải rắn nhưng có khả năng hấp thụ kiềm cao như khoáng vật goethite… làm tổn thất kiềm và tăng chi phí cho công đoạn rửa bùn thải. • Khâu 2: khuấy phân hóa dung dòch natrialuminat: Dung dòch aluminat được tách ra khỏi bã thải, sau đó được pha loãng và giữ ở nhiệt độ xác đònh để hydrôxid nhôm tách ra NaAlO 2 + 2H 2 O ⇔ Al(OH) 3 ↓ + NaOH • Khâu 3: nung nhôm hydrôxid • Khâu 4: cô đặc dung dòch cái và caustic hoá: SVTH: HUỲNH THỊ NGỌC DIỄM 5 550 0 C Khử H 2 O Al(OH) 3 1200 0 C - Al 2 O 3 - Al 2 O 3 Cô đặc t 0 C NaOH NaOH 130-140g/l 300g/l Na 2 CO 3 +Ca(OH) 2 =2NaOH + CaCO 3 Chương 1: Tổng quan GVHD: TS.ĐỖ QUANG MINH Dung dòch kiềm sau khi tách nhôm được cô đặc, sau đó bổ sung lượng NaOH tổn thất và lại được dùng để chiết nhôm từ quặng bauxite. Như thế dung dòch kiềm được tái sử dụng trong chu trình kín của quy trình Bayer. Hiệu suất của quá trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nhiệt độ, thời gian, nồng độ dung dòch, tỉ số rắn/ lỏng, và bản chất của quặng bauxite. Sơ đồ tóm tắt quá trình Bayer: SVTH: HUỲNH THỊ NGỌC DIỄM 6 Gđ nghiền quặng phải đạt Kích thứơc hạt < 0,074mm Bùn đỏ Hòa tách trong autocla Khấy phân hóa Mầm Al(OH) 3 Al(OH) 3 Dung dòch NaAlO 2 Dung dòch Rửa thải Cặn đỏ Bùn quặng Lắng - lọc Khuấy phân hóa Cô đặc và caustic hóa Al 2 O 3 Nung Xút NaOH Quặng Bauxite (nghiền nhỏ) [...]... xuất chất kết dính Vừa khai thác sử dụng các nguồn tài nguyên một cách hợp lý vừa tận dụng tối đa chất thải rắn nhằm tránh sự lãng phí để có thể bảo vệ tốt môi trường sinh thái Quy mô sản xuất chuyển từ phòng thí nghiệm sang bán sản xuất SVTH: HUỲNH THỊ NGỌC DIỄM 11 Chương 2: Khái niệm về các chất kết dính GVHD: TS.ĐỖ QUANG MINH CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM VỀ CÁC CHẤT KẾT DÍNH 2.1 Khái niệm về chất kết dính Chất. .. khoáng tạo nên tính kết dính Các khoáng chính đối với manhezi kiềm tính: Mg(OH)2 − Quá trình đóng rắn Quá trình đóng rắn của đolomit kiềm tính cũng như manhezi kiềm tính, đều xảy ra sự hydrat hóa với sự tạo hydrat của ôxit magie và oxy- clorit magie Do còn chứa một lượng đáng kể CaCO3 chưa phân hủy, nên cường độ đolomit không cao bằng manhezi 2.2.6 Chất kết dính vôi − Tính chất Vôi là chất kết dính trong... cường độ trong nước Ví dụ như: XM Poóclăng, XM cao nhôm, XM xỉ, XM Puzơlan, vôi thủy lực, XM Lamã… Chất kết dính sau khi đóng rắn trong không khí có thể bền vững dưới tác dụng của môi trường axit đó là CKD bền axit 2.2 Tính chất của các loại chất kết dính 2.2.1 Ximăng Poóclăng − Tính chất XMP là chất kết dính thủy lực, sản phẩm nghiền mòn của clinker XMP với những phụ gia thích hợp Khi trộn với nước,... magie nếu có 2.2.4 Manhezi kiềm tính − Tính chất Manhezi kiềm tính là CKD không khí, được sản xuất bằng phương pháp nung sau đó nghiền mòn manhezit kiềm tự nhiên (MgCO3) Manhezi kiềm tính không hòa tan trong nước như các CKD khác, mà tan trong một số dung dòch muối như: MgCl 2, MgSO4 Sản phẩm hòa tan này có tính kết dính và được gọi là XM manhezi − Các khoáng tạo nên tính kết dính: SVTH: HUỲNH THỊ NGỌC... VỀ CÁC CHẤT KẾT DÍNH 2.1 Khái niệm về chất kết dính Chất kết dính là những chất hoặc hợp chất có khả năng tự rắn chắc, đồng thời liên kết một hệ khác (sợi hoặc hạt) thành khối vững chắc Chất kết dính sau khi hòa tan bởi nước có thể đóng rắn và bền vững trong môi trường không khí đó là CKD không khí Ví dụ như: thạch cao, vôi, CKD manhezi Chất kết dính sau khi trộn nước và trong không khí có thể tiếp tục... các chất kết dính GVHD: TS.ĐỖ QUANG MINH 3(CaO.Al2O3) + 9H2O = 3CaO.Al3O3.6H2O + Al(OH)3 Khoáng ban đầu thủy hóa CaO.Al2O3.10H2O có cường độ rất cao, sau đó chuyển thành CaO.Al2O3.8H2O Khoáng CaO.Al2O3.6H2O là không mong muốn do cường độ thấp 2.2.3 Ximăng Lamã − Tính chất XM La- mã là chất kết dính thủy lực, đó là XM có thành phần phối liệu tương tự như XMP, nhưng nung ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết. .. thải Ngoài ra bùn đỏ còn được dùng để sản xuất vật liệu xây dựng nhẹ, chất độn nhẹ, sản xuất bêtông nặng chống phóng xạ… 1.3.2.3 Thu hồi các khoáng có giá trò Dựa theo các kết quả nghiên cứu về thành phần hóa học và khoáng vật của bùn đỏ, người ta đã tìm ra các phương pháp thu hồi các kim loại, oxid kim loại có giá trò như: Fe2O3, Al2O3, V2O5, Ga… 1.4 Mục tiêu của đề tài: Xử lý chất thải rắn công nghiệp. .. GVHD: TS.ĐỖ QUANG MINH 1.2 Chất thải từ quy trình sản xuất: Bã thải ở dạng cặn rắn, rất mòn, không tan trong dung dòch hoàn lưu và được thải ra khỏi quy trình cùng có mặt của pha lỏng, có màu đỏ nên được gọi là bùn đỏ Màu đỏ và độ màu của bùn thải là do hàm lượng của oxid sắt III Pha lỏng tồn tại là do dung dòch hoàn lưu không lọc tách hoàn toàn pha lỏng và pha rắn Bảng 1.3: Tính chất vật lý của bùn đỏ... ép lên 9MPa, trong quá trình làm thí nghiệm thì nhận thấy mẫu dễ nén hơn, các tính chất của mẫu đất sét 5% vẫn cho kết quả tốt Tuy nhiên, quy mô chuyển từ phòng thí nghiệm sang bán sản xuất đòi hỏi kỹ thuật cao Do lần đầu áp dụng công nghệ này, máy ép không có nên đòi hỏi công việc rất thủ công Chính vì công việc rất thủ công nên áp lực ta chọn càng nhỏ càng tốt nhưng cần phải đảm bảo độ bền của mẫu... tác nông nghiệp trên bùn đỏ Việc trồng trọt trên bùn thải rất khó thực hiện do các nguyên nhân sau: độ pH cao, hàm lượng muối cao, thiếu chất dinh dưỡng, môi trường không có vi sinh vật Nhưng nếu có nghiên cứu và đầu tư thích đáng từ khâu xử lý bùn và kết hợp phương án cải tạo đất nghèo, lựa chọn cây trồng phù hợp… thì việc trồng trọt trên đất bùn rất khả quan Một số cây được trồng trên bùn thải: cỏ, . các chất kết dính GVHD: TS.ĐỖ QUANG MINH CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM VỀ CÁC CHẤT KẾT DÍNH 2.1 Khái niệm về chất kết dính Chất kết dính là những chất hoặc hợp chất. KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU ------------------------ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP: NGHIÊN CỨU CHẤT KẾT DÍNH TỪ BÃ THẢI CÔNG NGHIỆP