nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường 0 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Bùi Thị Huế NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH HÓA RẮN BÙN ĐỎ SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Bùi Thị Huế NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG 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 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường 2 MỤC LỤC Mở đầu 1 Chƣơng 1 - Tổng quan 3 1.1. Bauxite và tiềm năng bauxite 3 1.1.1. Bauxite 3 1.1.2. Quá trình hình thành bauxite 3 1.1.3. Thành phần khoáng vật của bauxite 3 1.1.4. Tiềm năng bauxite thế giới và Việt Nam 4 1.1.4.1. Tiềm năng bauxite thế giới 4 1.1.4.2. Tiềm năng bauxite ở Việt Nam 7 1.2. Công nghệ sản xuất alumin 10 1.2.1. Công nghệ làm giàu và chế biến quặng bauxite 10 1.2.2. Công nghệ sản xuất alumin 12 1.2.3. Công nghệ sản xuất nhôm khu vực Tây Nguyên 16 1.3. Thành phần và tính chất của Bùn đỏ 21 1.3.1. Vấn đề bùn thải – bùn đỏ 21 1.3.2. Thành phần bùn đỏ 22 1.4. Độc tính của bùn đỏ 26 1.5. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam 27 1.5.1. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ trên thế giới 27 1.5.1.1. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất vật liệu xây dựng 28 1.5.1.2. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất gốm thủy tinh 29 1.5.1.3. Sử dụng bùn đỏ trong xử lý nước 29 1.5.2. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ ở Việt Nam 31 1.6. Quá trình ổn định hóa rắn 32 1.6.1. Ổn định hóa rắn 32 1.6.2. Cơ chế của quá trình ổn đinh hóa rắn 33 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường 3 Chƣơng 2 – Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu 36 2.1. Đối tượng nghiên cứu 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 2.2.2.1. Xác định dung môi chiết 41 2.2.2.2. Quy trình chiết 42 2.2.2.3. Xác định hàm lượng kim loại nặng 42 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 2.2.5. 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 Chƣơng 3 – Kết quả và thảo luận 45 3.1. Bùn đỏ Tây Nguyên và các vấn đề môi trường 45 3.1.1. Đặc điểm của bauxite khu vực Tây Nguyên 45 3.1.2. Thành phần tính chất bùn đỏ và các vấn đề môi trường 46 3.1.2.1. Hàm lượng các oxit 47 3.1.2.2. Các nguyên tố phóng xạ 48 3.1.2.3. Thành phần kim loại nặng trong mẫu bùn đỏ 50 3.1.2.4. Thành phần cơ giới của mẫu bùn đỏ 51 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 3.2.2.1. Kết quả xác định dung môi chiết 56 3.2.2.2. Giá trị pH của dịch chiết mẫu 57 3.2.2.3. Kết quả đo kim loại nặng dịch chiết mẫu 59 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co ngót 61 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường 4 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ cứng vật liệu 63 Kết luận và kiến nghị 66 Tài liệu tham khảo 68 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Các phương án sử dụng bauxite 11 Hình 1.2. Công nghệ Bayer chế biến alumin từ bauxite 13 Hình 1.3. Quy trình sản xuất alumin 14 Hình 1.4. Quy trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer ở Tây Nguyên 18 Hình 1.5. Một số phương án sử dụng bùn đỏ 28 Hình 2.1. Quy trình sử dụng bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng 37 Hình 3.1. Ủ vật liệu 52 Hình 3.2. Hình dạng gạch 50 x 50 x 10 52 Hình 3.3. Cho vật liệu vào dung môi chiết 52 Hình 3.4. Chiết dịch 52 Hình 3.5. Thao tác định hình gạch 53 Hình 3.6. Hình dạng của gạch 230 x 110 x 63 55 Hình 3.7. Biểu đồ biến đổi thành phần khoáng theo nhiệt độ 52 Hình 3.8. Sự thay đổi pH dịch lắc trước và sau khi thêm axit HCl 57 Hình 3.9. Sự phụ thuộc pH của dịch chiết mẫu vào nhiệt độ nung mẫu 58 Hình 3.10. Biến thiên nồng độ kim loại nặng trong dịch chiết theo nhiệt độ nung 57 Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co ngót của vật liệu 62 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Tài nguyên bauxite ở các châu lục trên thế giới 4 Bảng 1.2. Trữ lượng và khai thác bauxite ở trên thế giới 5 Bảng 1.3. Sản xuất nhôm kim loại trên thế giới 6 Bảng 1.4. Thống kê các mỏ bauxite laterite chính ở miền nam Việt Nam 9 Bảng 1.5. Tiêu hao kiềm và bauxite cho sản xuất alumin 15 Bảng 1.6. Thành phần bùn đỏ của một số nhà máy alumin trên thế giới 22 Bảng 1.7. Thành phần của bùn đỏ 23 Bảng 1.8. Thành phần bùn đỏ và dung dịch bám theo bùn đỏ của dự án Lâm Đồng 24 Bảng 1.9. Thành phần bùn đỏ và dung dịch bám theo bùn đỏ của dự án Nhân Cơ 25 Bảng 3.1. Thành phần quặng bauxite nguyên khai ở các khu mỏ Tây Nguyên 45 Bảng 3.2. Hàm lượng oxit trong bùn đỏ ở Tây Nguyên, Việt Nam 47 Bảng 3.3. Đồng vị phóng xạ và hàm lượng của U, Th, K trong các mẫu quặng bauxite 48 Bảng 3.4. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên trong mẫu bùn đỏ 49 Bảng 3.5. Hàm lượng U, Th, K trong các mẫu và liều hiệu dụng năm do phông bức xạ gamma gây ra 49 Bảng 3.6. Hàm kim loại nặng trong bùn đỏ 50 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường 7 Bảng 3.7. Thành phần cơ giới mẫu bùn đỏ 51 Bảng 3.8. Kết quả phân tích XRD cho gạch nung ở các nhiệt độ khác nhau 54 Bảng 3.9. pH của mẫu khi lắc với nước cất 56 Bảng 3.10. pH của dịch chiết sau 3 bậc chiết 58 Bảng 3.11. Kết quả phân tích kim loại nặng của mẫu 60 Bảng 3.12. Độ co ngót của gạch nung 61 Bảng 3.13. Kết quả phân tích các đặc tính vật lý của gạch 63 Bảng 3.14. Cường độ uốn và nén cho gạch đất sét nung 64 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường 8 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]. Khi khai thác bauxite, trước mắt bắt buộc phải phá huỷ toàn bộ thảm thực vật để bốc đi lớp đất phủ trên bề mặt và lớp khoáng vật chứa bauxite với độ sâu hết chiều dày của thân quặng. Toàn bộ vùng đồi núi sẽ dần biến thành đất trống, không có khả năng trồng trọt do không giữ được độ ẩm. Một vấn đề quan trọng hơn nữa 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. Nước thải từ bùn hoặc nước chảy tràn qua hồ bùn đỏ tiếp xúc với da gây các tác hại như ăn mòn da, gây mất độ nhờn làm da khô ráp, có thể sưng tấy, loét mủ ở các vết xước trên da [8]. Đặc biệt, nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nước ngầm là rất cao khi lưu giữ bùn với khối lượng lớn trong thời gian dài. Lượng bùn này phát tán mùi hôi, hơi hóa chất gây ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu. Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường 9 Một số thành phần hóa học chính trong bùn đỏ: Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2 và TiO 2 , Na 2 O, K 2 O, 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]. Trước kia, để lưu trữ bùn đỏ, hầu hết các nhà máy sản xuất alumin đều chứa bùn đỏ trong các ao mở để cho nước bay hơi và chiết xuất kiềm. Phải mất vài năm, quá trình tự nhiên này mới kết thúc và khi đó bùn khô còn lại sẽ được chôn cất hoặc trộn với đất. Tuy nhiên, sau sự cố vỡ bể chứa bùn đỏ của một nhà máy sản xuất nhôm ở miền Tây Hungary và hậu quả của nó đã cho thấy việc chứa bùn đỏ chưa phải đã là giải pháp tốt, mà phải tìm ra một giải pháp hữu hiệu hơn để có thể xử lý, làm giảm các nguy cơ, rủi ro của bùn đỏ đến môi trường, hoặc có thể sử dụng chất thải này như một loại nguyên vật liệu cho quá trình sản xuất tạo ra các sản phẩm khác, mang lại lợi ích kinh tế nhưng không gây tác động xấu đến sức khỏe con người và môi trường. Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: ―Nghiên cứu ảnh hƣởng 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. Đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung gồm: - 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. [...]... 1.3.1 Vấn đề bùn thải - bùn đỏ Vấn đề môi trường lớn nhất trong quá trình sản xuất alumin (của thế giới cũng như các dự án của TKV đang triển khai) là vấn đề bùn thải (bùn đỏ) Có hai loại bùn thải phát sinh trong quá trình sản xuất alumin là bùn thải đuôi quặng phát sinh trong quá trình tuyển quặng bauxite (thường chiếm tỷ lệ tới 50 % trọng lượng quặng nguyên khai đưa vào quy trình tuyển) và bùn thải công... 1.4 Độc tính của bùn đỏ Trong quá trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer, các nguyên tố kim loại kiềm (Ca, K, Ba) được đưa vào nhiều, đặc biệt là Na, các nguyên tố này tồn tại dưới dạng ion hòa tan trong bùn đỏ tạo nên độ pH cao (12,5 - 13) gây các tác động xấu đến vật liệu và trang thiết bị tiếp xúc Hoặc khi thâm nhập vào cơ thể người và sinh vật, với độ pH cao, bùn đỏ có thể gây nên các tổn thương... nhau thường có thành phần vật chất khác biệt nhau, đòi hỏi các phân tích chi tiết khi nghiên cứu sử dụng chúng vào các mục đích sản xuất công nghiệp [3] Với độ hạt kích thước µm và hàm lượng ion mang màu cao, bùn đỏ thường có độ nhớt lớn, màu đỏ, độ pH trên 12,5 Việc nghiên cứu thành phần vật chất và tính chất bùn đỏ là yêu cầu bắt buộc khi tiến hành nghiên cứu xử lý bùn đỏ và sử dụng chất thải này... Việc nghiên cứu xử lý bùn 34 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường đỏ thu hồi các nguyên tố kim loại có giá trị, cũng như sử dụng bùn đỏ vào mục đích khác đã được các nhà khoa học thế giới nghiên cứu và đề cập theo 3 hướng chính: thu hồi kim loại có giá trị, sản xuất vật liệu xử lý môi trường, sản xuất vật liệu xây dựng [25] Trong thực tế, hàm lượng các nguyên tố kim loại có giá trị trong bùn đỏ cao,... số liệu cho thấy, việc bổ sung bùn đỏ vào phụ gia xi măng với khối lượng bằng 1% nguyên liệu thô không làm thay đổi quy trình sản xuất và chất lượng xi măng, nhưng có thể làm giảm giá thành xi măng xuất xưởng Tuy nhiên, việc sử dụng khối lượng bùn đỏ hàng triệu tấn sinh ra trong quá trình sản xuất alumin ở Tây Nguyên làm phụ gia cho hoạt động sản xuất xi măng là không khả thi 1.5.1.1 Sử dụng bùn đỏ. .. khoáng vật có trong thành phần bùn đỏ gồm khoáng vật còn lại của quặng bauxite ban đầu như: hematite, goethite, thạch anh, gibbsite, boehmite, muscovite và anata; cùng các khoáng vật kết tinh trong quá trình công nghệ sản xuất alumin (quy trình Bayer) như: canxite, sodalite, aluminate canxi và thạch cao Tuy nhiên, tỷ lệ các khoáng vật trên trong bùn đỏ thay đổi trong phạm vi rộng Nên bùn đỏ của các... Khoa học Môi trường Các đặc tính hóa lí của bùn đỏ tại các nhà máy cũng khác nhau, khi thêm một lượng lớn kiềm trong quá trình sản xuất alumin, mặc dù đã được rửa lại, nhưng bùn đỏ vẫn còn lại một lượng kiềm lớn có khả năng ăn mòn cao, pH của bùn đỏ nằm trong khoảng 10 - 13 Bùn đỏ có độ mịn cao, với cỡ hạt trung bình . trong mẫu bùn đỏ 50 3.1.2.4. Thành phần cơ giới của mẫu bùn đỏ 51 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. đề tài: Nghiên cứu ảnh hƣởng 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. Đề tài luận. TỰ NHIÊN Bùi Thị Huế NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH HÓA RẮN BÙN ĐỎ SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC