Nghiên cứu sử dụng chất thải bùn đỏ từ khai thác bauxite tây nguyên để chế tạo vật liệu thay thế một phần xi măng

MỞ ĐẦU 1) Tính cấp thiết đề tài Bùn đỏ chất thải trình sản xuất nhôm từ quặng bauxite Các nghiên cứu cho rằng: tính kiềm cao (pH 10.5-13.0) [1] lượng bùn thải lớn nên bùn đỏ tác nhân gây ô nhiễm mơi trường Hiện nay, giới chưa có nước xử lý triệt để vấn đề bùn đỏ Cách phổ biến thường làm chôn lấp hồ chứa bùn đỏ Tuy nhiên, cách xử lý chiếm diện tích đất lớn để chơn lấp tiềm ẩn nguy vỡ hồ gây hậu khôn lường kinh tế xã hội [2], [3], ví dụ thảm họa vỡ hồ chứa bùn đỏ nhà máy sản xuất nhơm Ajkai Timfưldgr Miền Tây Hungary vào ngày tháng 10 năm 2010 làm khoảng 600.000-700.000 m3 bùn đỏ với pH 13 nhấn chìm ngơi làng Kolontár, Devecser Somlóvásàrhely [4] Bùn đỏ chứa thành phần hóa học chủ yếu gồm: Fe2O3, Al2O3, TiO2, SiO2, CaO, kiềm, nguyên tố vi lượng khác như: K, Cr, V, Ni, Ba, Cu, Mn, Pb, Zn, Sc, Ga Với thành phần hóa học này, bùn đỏ hứa hẹn sử dụng làm nguyên liệu để phục vụ cho việc sản xuất vật liệu xây dựng như: sản xuất gạch, sản xuất xi măng, vật liệu pu-zơlan-nic, vật liệu tạo màu cho bê tông, cốt liệu cho bê tơng, Do đó, việc nghiên cứu phương án xử lý bùn đỏ thành vật liệu thay cho phần xi măng, góp phần phát triển ngành công nghiệp chế biến khai thác Bauxite theo hướng phát triển bền vững có ý nghĩa khoa học thực tiễn Nó đáp ứng đồng thời hai mục tiêu vừa giảm lượng chất thải trình khai thác, chế biến Bauxite vừa tận dụng chất thải dư thừa để tạo vật liệu xây dựng 2) Mục tiêu đề tài Xử lý chất thải bùn đỏ từ khai thác Bauxite Tây Nguyên thành sản phẩm thay cho phần xi măng 3) Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: Kế thừa kết nghiên cứu giới sử dụng bùn đỏ để làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng Phương pháp nghiên cứu: Phân tích lý thuyết kết hợp thí nghiệm 4) Nội dung nghiên cứu Để đạt mục đích đề ra, đề tài nghiên cứu nội dung sau: Nghiên cứu lý thuyết quặng Bauxite, bùn đỏ tái sử dụng bùn đỏ; Nghiên cứu thực địa Nhà máy Alumin Tân Rai, Lâm Đồng; Lấy mẫu bùn đỏ hồ chứa bùn đỏ Nhà máy Alumin Tân Rai để thí nghiệm phịng thí nghiệm; Hoạt hóa bùn đỏ chu trình nhiệt khác nhau; Phân tích thành phần hóa học thành phần khống bùn đỏ trước sau hoạt hóa nhiệt; Thí nghiệm khả sử dụng bùn đỏ hoạt hóa để thay cho phần xi măng vật liệu xây dựng Chương TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ BÙN ĐỎ ĐỂ LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước Bùn đỏ bã thải q trình sản xuất nhơm từ quặng Bauxite theo công nghệ Bayer Các nghiên cứu [7], [8], [5], [9] cho rằng: tính kiềm cao lượng bùn thải lớn nên bùn đỏ tác nhân gây ô nhiễm môi trường Hiện nay, giới chưa có nước xử lý triệt để vấn đề bùn đỏ Cách phổ biến thường làm chôn lấp hồ chứa bùn đỏ Tuy nhiên, cách xử lý chiếm diện tích đất lớn để chơn lấp tiềm ẩn nguy vỡ hồ gây hậu khơn lường Do đó, đề tài thu hút nhà nghiên cứu giới (Hình 1-1) nhằm góp phần phát triển ngành cơng nghiệp chế biến khai thác Bauxite theo hướng phát triển bền vững Hình 1-1.Thống kê số lượng báo khoa học công bố chủ đề bùn đỏ giai đoạn 2000 -2009 [10] Trên giới Nhà nghiên cứu công bố nhiều báo khoa học tổng quan (review) khả tái chế bùn đỏ thành vật liệu có ích [11], [12],[13], [14][15], [16], [17], [10], [5], [18] Kết nghiên cứu bùn đỏ sử dụng làm nguyên liệu để phục vụ cho việc sản xuất vật liệu xây dựng (sản xuất gạch, sản xuất xi măng, vật liệu pu-zơ-lan-nic, vật liệu tạo màu cho bê tông, cốt liệu cho bê tông, vật liệu làm đường, ), vật liệu hấp chất ô nhiễm, chất làm đông, chất xúc tác, làm trung hịa chất thải có tính axít Tuy nhiên, việc sử dụng bùn đỏ lĩnh vực kể chiếm phần nhỏ so với lượng chất thải bùn đỏ khổng lồ 90 triệu năm toàn giới [19] Ở Việt nam, nghiên cứu xử lý bùn đỏ chưa nhiều, chủ yếu nghiên cứu Viện khoa học trọng điểm quốc gia, cụ thể: Đề tài "Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép vật liệu không nung từ bùn đỏ trình sản xuất a-lu-min Tây Nguyên" Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam) thực thu kết khả quan, mở hướng việc tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo, giải vấn đề ô nhiễm môi trường khai thác Bauxite để sản xuất nhôm Tây Nguyên; Viê ̣n Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyê ̣n kim đã tiế n hành nghiên cứu khả xử lý bùn đỏ thải từ nhà máy sản xuất alumin sản xuất hydroxyt nhôm phương pháp trung hòa nước biển để giảm độ pH bùn đỏ xuống pH = ÷ nhằm làm giảm áp lực giải vấn đề bùn đỏ cho nhà máy sản xuất alumin sản xuất hydroxyt nhơm, mang lại lợi ích kinh tế cho đơn vị sản xuất 1.2 Các phương pháp xử lý bùn đỏ 1.2.1 Xử lý bùn đỏ trước chôn lấp Việc xử lý chất thải bùn đỏ từ khai thác quặng Bauxite vấn đề lớn nhà máy alumin khắp giới Phần lớn bùn đỏ xử lý cách chôn lấp Cho đến ngày nay, xử lý bùn đỏ phương pháp chôn lấp giảm thiểu tác động gây ô nhiễm mơi trường diện tích đất để chơn lấp Ngoài biện pháp xử lý chất thải bùn đỏ cách chôn lấp nêu trên, kỷ XX, số nước Pháp, Vương Quốc Anh, Jamaica, Nhật Bản, Ý, Hoa Kỳ đổ bùn đỏ trực tiếp biển [20] Hậu cách thải bùn đỏ kiểu làm cho môi trường biển bị ô nhiễm hệ sinh vật biển bị hủy hoại tính kiềm cao thành phần hạt mịn phát tán (suspension) nước biển [20],[21] 1.2.2 Xử lý bùn đỏ thành vật liệu có ích 1.1.1.1 Sản xuất kim loại có giá trị Bùn đỏ xem vật liệu thứ cấp cho việc thu hồi lại (sản xuất) kim loại có giá trị, bùn đỏ chứa 14-45% Fe, 5-14% Al, 1-9% Si, 1-6% Na, 2-12% Ti [19], ước tính lượng Fe chứa bùn đỏ thải năm 12 triệu (tương ứng với lượng thải bùn đỏ 90 triệu năm) Liu et al [22] phát triểnmột trình tái sử dụng bùn đỏ sử dụng cách nung với soda-lime chiết tách hóa học, kết thu hồi 75,7% Al 80,7% Na Trong đó, thu hồi sắt phụ loại bùn đỏ hợp chất sắt có tính chất từ tính khơng từ tính tạp chất Nhìn chung, nghiên cứu thu hồi lại cáckim loại có giá trị sắt, nhơm, titan nguyên tố đất từ bùn đỏ nhằm đề xuất quy trình có tính khả thi kỹ thuật mang lại lợi ích mơi trường kinh tế 1.2.2.1 Sản xuất xi măng Trong nghiên cứu tổng quan khả sử dụng bùn đỏ Samal et al [5] rằng: với hỗn hợp gồm đá vôi + bùn đỏ + tro bay sau nung tạo thành khoáng xi măng aluminoferrite (C4AF) belite (β-C2S); với hỗn hợp gồm đá vôi + bùn đỏ Bauxite tạo thành khoáng xi măng aluminoferrite, ferrite (C2F) aluminates (C3A and C12A7); với hỗn hợp gồm đá vôi + bùn đỏ + Bauxite + thạch cao tạo thành khoáng xi măng Sulfoaluminate (C4A3Ŝ), aluminoferrite, ferrite Ngồi ra, dựa nghiên cứu trước thí nghiệm bùn đỏ HILDALCO (Hindustan Aluminum Corporation) Renukoot Ấn Độ, Samal et al đề xuất tỷ lệ thành phần để sản xuất xi măng: 30÷35 % bùn đỏ + 15÷20% Bauxite + 7,5÷10% thạch cao + 45÷50 đá vơi tùy thuộc vào loại xi măng yêu cầu Ở Trung Quốc, đến năm 1998 có triệu chất thải Bauxite tiêu thụ cho sản xuất xi măng [15] Trong nghiên cứu Feng cộng [23] giải thích chế hoạt hóa bùn đỏ sản xuất xi măng, đồng thời cho với tỷ lệ chất thải bùn đỏ (đến 50% theo khối lượng) sản xuất loại xi măng đạt liêu chuẩn xi măng Portland 42.5 1.2.2.2 Sản xuất vật liệu thay phần xi măng (vật liệu puzơlanic) Một số nghiên cứu cho sau hoạt hóa bùn đỏ nhiệt (calcination) sản phẩm hứa hẹn sử dụng vật liệu puzơlanic dùng để sản xuất vữa xi măng [24], [25] Việc tạo sản phẩm bùn đỏ hoạt hóa nhiệt có số hoạt tính puzơlanic tốt (the best index ofpozzolanic activity) quan trọng 1.2.2.3 Sản xuất gạch Đã có số nghiên cứu sử dụng chất thải bùn đỏ để sản xuất gạch [27], [28], [15] Năm 2007 Yang Xiao [7] nghiên dùng chất thải bùn đỏ từ nhà máy alumin Sơn Đông – Trung Quốc để sản xuất gạch 1.2.2.4 Sản xuất thủy tinh thủy tinh – gốm Cho đến nay, nghiên cứu sử dụng chất thải bùn đỏ để sản xuất gốm thủy tinh – gốm thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu [29], [30], [31], [32], [33], [34] Các nghiên cứu cho rằng: bùn đỏ với thành phần hóa học gồm CaO, Al2O3, SiO2, Fe2O3, TiO2 phù hợp cho sản xuất thủy tinh – gốm Chương BAUXITE VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHƠM TỪ BAUXITE 2.1 Tổng quan bauxite Quặng Bauxite tài nguyên quặng chủ yếu sản xuất nhôm nay, 95% lượng nhơm tồn giới đươ ̣c sản xuất từ quặng Bauxite Năm 1821 nhà địa chất học người Pháp Pierre Berthier phát Bauxite gần làng Les Baux Provence, tỉnh miền nam nước Pháp Đến năm 1861, nhà hóa học người Pháp Henri Sainte-Claire Deville đặt tên cho loại khoáng "Bauxite" Bauxite loại quặng có thành phần cấu tạo phức tạp, thành phần hóa học thay đổi lớn Bauxite chứa khoáng chủ yếu gồm: gibbsite(Al2O3), beohmite (-AlO(OH)) diaspore (α-AlO(OH)); ngồi cịn chứa hai loại oxít sắt (goethite: α-FeO(OH) haematite: Fe2O3), khoáng kaolinite (Al2Si2O5(OH)4) lượng nhỏ anatase (TiO2) Căn vào khác trạng thái tồn khống vật có nhơm, phân biệt quặng Bauxite kiểu gibbsite, kiểu beohmite, kiểu diaspore loại kiểu hỗn hợp Hàm lượng oxít nhơm quặng Bauxite thay đổi lớn, thấp 40%, cao có thể đạt 70% Ngồi oxít nhơm (Al2O3), quặng Bauxite cịn chứa tạp chất chủ yếu như: silic ơxít(SiO2), loại ơxít sắt, ôxít titan(TiO2), tạp chất thứ yếu khác Do thay đổi lớn thành phần khoáng vật thành phần hóa học nên hı̀nh dáng bên ngoài (màu sắc, kết cấu) tính chất (tỷ trọng, độ cứng) quặng Bauxite thay đổi lớn Một số quặng bauxiterất cứng chắc, số khác mềm dẻo đất Kết cấu có dạng đất, dạng chă ̣t (Compact shape) dạng hạt đậu Quặng Bauxite có đủ tất màu màu trắng màu đấ t son, thông thường quặng Bauxite với hàm lượng sắt cao mang màu đỏ, với hàm lượng sắt thấp mang màu xám nha ̣t Tài nguyên quặng Bauxite tồn giới ước tính từ 55 đến 75 tỷ tấn, phân bố nhiều Châu Phi (chiếm 33%), tiếp đến Châu Đại Dương (chiếm 24%), Nam Mỹ Caribê (chiếm 22%), Châu Á (chiếm 15%), nơi khác (chiếm 6%) Các quốc gia có trữ lượng quặng Bauxite lớn giới theo thứ tự: Guinea, Australia, Vietnam, Brazil, Jamaica, China, India, Guyana, trình bày Hình 2-1[5] Hình 2-1 Biểu đồ thể quốc gia có trữ lượng quặng Bauxite lớn giới [5] 2.2 Bauxite lãnh thổ Việt Nam Tài nguyên Bauxite Việt Nam biết đến từ năm 30 kỷ trước, vào khoảng năm 1936-1943 nhà địa chất Pháp phát khai thác mỏ Bauxite Lỗ Sơn (Hải Dương) mỏ Bauxite vùng Lạng Sơn Cho đến trước năm 1975 kết điều tra, thăm dò ngành địa chất Việt Nam xác định sơ đánh giá triển vọng vùng quặng Bauxite lớn miền Bắc Việt Nam phân bố tỉnh Lạng Sơn, Cao Bằng, Hà Giang, Nghệ An Theo kết điều tra thăm dò địa chất chưa đầy đủ, nước ta khoáng sản Bauxite phân bố rộng từ Bắc đến Nam với trữ lượng khoảng 5,4 tỷ quặng nguyên khai, tương đương với 2,4 tỷ quặng tinh [6], [5]; tập trung chủ yếu Tây Nguyên (chiếm 91,4%), Đăk Nơng 1,44 tỷ (chiếm 61%) So với mỏ Bauxite giới, Bauxite Việt Nam đánh giá có chất lượng trung bình (tỷ lệ trữ lượng tài nguyên quặng Bauxite Việt Nam đạt 38,88% thấp so với Ghine (86,0%), Jamaica (80%), Brasil (76%), Úc (73,41% 78,48% năm 2012), Ấn độ (55%) cao nhiều so với Trung Quốc (3,04% 3,60% năm 2012) Việt Nam có trữ lượng tài nguyên Bauxite lớn thứ ba giới với khoảng 5,4 tỷ Bauxite gibbsite sau Guinea 7,4 tỷ Australia 6,2 tỷ (Hình 2-2) 2.3 Đặc điểm Bauxite Lâm Đồng Theo tài liệu địa chất Bauxite Lâm Đồng phần tàn dư vỏ phong hoá laterit đá basalt hình thành suốt thời gian nhiều triệu năm qua, khác hẳn loại Bauxite tái trầm tích nằm xen tầng đá vôi 250 triệu năm tuổi Hà Giang, Lạng Sơn, Hải Dương phía Bắc nước ta Nam Trung Quốc Bauxite Lâm Đồng xương cứng vỏ phong hoá, thành phần cấu trúc quan trọng địa hình cao nguyên Vỏ phong hố Bauxite Lâm Đồng có độ dày thay đổi, chiều dày lớp quặng Bauxite biến thiên khoảng 1,0-15m, nằm sâu mặt đất 0-3m Tầng bở rời phủ tầng quặng bao gồm lớp kết von laterit lớp đất màu mỏng 2.4 Quy trình sản xuất nhôm từ bauxite Cho đế n hiê ̣n nay, đã đề rấ t nhiề u phương pháp để tinh luyê ̣n alumin từ quă ̣ng Bauxite và các nguyên liê ̣u có nhôm khác, vı̀ nguyên nhân kỹ thuâ ̣t và kinh tế , mô ̣t số phương pháp đã bi loại bỏ, ̣ mô ̣t số ở giai đoa ̣n nghiên cứu thı́ nghiê ̣m, nên hiê ̣n có số phương pháp đươ ̣c dùng để sản xuấ t cơng nghiê ̣p Bảng 4-1 Thành phần hóa học bùn đỏ trước sau hoạt hóa nhiệt Tên tiêu Hàm lượng (% theo khối lượng) RM0 RM650 RM750 Fe2O3 Al2O3 51.1 19.8 55.8 21.8 57.5 22.2 CaO 4.12 4.83 4.88 SiO2 5.47 6.33 6.54 Na2O 2.49 2.85 2.87 TiO2 2.21 2.13 2.11 4.4.2 Phân tích độ mịn phương pháp BET Độ mịn chất kết dính nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến phát triển cường độ bê tông vữa Để nghiên cứu khả ứng dụng sản phẩm chế biến từ chất thải bùn đỏ, nghiền sản phẩm (RM650 RM750) cho độ mịn chúng tương đương với độ mịn xi măng dùng nghiên cứu (Xi măng Vicem PC40) Kết xác định độ mịn theo phương pháp BET máy đo ASAP 2020 xi măng, RM650 RM750 Bảng 4-2 Bảng 4-2.Kết đo diện tích bề mặt theo phương pháp BET Tên mẫu Xi măng RM650 RM750 Diện tích bề mặt BET (m2/g) 1.55 1.57 1.60 4.4.3 Phân tích bùn đỏ sản phẩm chế biến từ bùn đỏ theo phương pháp nhiệt trọng lượng Kết phân tích nhiệt trọng lượng mẫu RM0, RM650 RM750 Hình 4-1 Hình 4-1.Kết phân tích nhiệt trọng lượng mẫu RM0, RM 650 RM750 Từ kết đo đường giảm khối lượng TG Hình 4-9, chúng tơi lập bảng so sánh khối lượng mẫu khoảng nhiệt độ khác Bảng 4-3 Bảng 4-3.Kết khối lượng mẫu khoảng nhiệt độ Sự khối lượng khoảng nhiệt độ (%) Mẫu 30oC – 100oC 100oC – 500oC 500oC – 750oC 30oC – 750oC RM0 0.976 12.024 2.276 15.276 RM650 0.951 2.018 2.009 5.107 RM750 0.853 2.805 2.111 4.973 Kết phân tích nhiệt trọng lượng Hình 4-9 Bảng 4-5 cho thấy khối lượng mẫu RM0, RM650 RM750 thể hai giai đoạn chính: - Giai đoạn từ 30oC đến 500oC: khối lượng mẫu nước liên kết vật lý (physically bound water) liên kết hóa học (chemically bound water) Tuy nhiên kết Bảng 4-5 cho thấy khoảng nhiệt độ từ 30oC đến 100oC lượng nước ba mẫu không đáng kể khoảng ±0.9%, điều ba mẫu sấy nhiệt độ 105oC vòng 12 giờ, mẫu RM650 RM750 nung thời gian nhiệt độ tương ứng 650oC 750oC lượng nước liên kết vật lý bị tiêu tan - Trong khoảng nhiệt độ từ 100oC đến 500oC khối lượng mẫu chủ yếu bốc nước liên kết hóa học (chemically bound water) phân hủy (hay cháy) chất hữu Đối với mẫu RM650 RM750 khối lượng mẫu tương ứng 2.018% 2.805%, khối lượng nhỏ nhiều so với mẫu RM0 (giảm khối lượng 12.024%) Ngồi ra, nhìn đường DTG (Hình 4-9) mẫu RM0 xuất píc sâu nhiệt độ 260oC (trong mẫu RM650 RM750 không xuất píc khoảng nhiệt độ này) Sự xuất píc 260oC giải thích cháy chất hữu tách nước từ hydroxides goethite, gibbsite, [39] - Giai đoạn từ 500oC đến 750oC: đường cong DTG mẫu xuất píc nhiệt độ khoảng 640oC lượng khối lượng tương đương (±2.1%), nguyên nhân khối lượng cho giải phóng CO2 từ phân hủy calcite [8], [40] 4.4.4 Phân tích bùn đỏ sản phẩm chế biến từ bùn đỏ theo phương pháp nhiễu xạ tia X Kết xác định thành phần khống (mineralogical composition) bùn đỏ sấy khơ (RM0) sản phẩm chế biến từ bùn đỏ (RM650 RM750) tương ứng trình bày Hình 4-2, Hình 4-3 Hình 4-4 Hình 4-2 Kết phân tích thành phần khống RM0 phương pháp nhiễu xạ tia X Hình 4-3.Kết phân tích thành phần khoáng sản phẩm RM650 phương pháp nhiễu xạ tia X Hình 4-4.Kết phân tích thành phần khống sản phẩm RM750 phương pháp nhiễu xạ tia X Kết nhiễu xạ tia X (XRD patterns) hình 4-2 cho thấy bùn đỏ khơ (RM0) chứa pha là: calcite (CaCO3), hematite (Fe2O3), mayenite (Ca12Al14O33 – thành phần thường gặp clinker xi măng portland), β-cristobalite (hay high-cristobalite: có cơng thức hóa học thạch anh (quartz: SiO2) khác cấu trúc tinh thể, quartz β-cristobalite có dạng đa hình), calcium silicate (CaSiO3), perovskite (CaTiO3), ilmenite (FeTiO3) So sánh kết nhiễu xạ tia X RM0 với RM650 RM750 (xem Hình từ 4-11 đến 4-13) dễ dàng nhận thấy: - RM650 RM750 xuất píc (hay nhiều pic bị biến mất); - RM650 RM750 thể píc vị trí tương tự khác chiều cao píc (intensity); - Trong kết nhiễu xạ tia X RM0 xác định bảy loại khống RM650 RM750 thể ba loại khoáng là: hematite (RM0 tồn khống hematite khơng bị ảnh hưởng xử lý nhiệt lên đến 900oC); calcite (CaCO3 tồn dạng calcite, chiều cao píc calcite RM650 RM750 xuất thấp so với RM0, điều nhiệt độ nung 650oC 750oC calcite bị phân hủy thành CaO CO2, nhiên phản ứng thuận nghịch nên kết XRD RM650 RM750 cịn tìm thấy loại khoáng này; khoáng rutile (TiO2) 4.4.5 Quan sát mẫu kính hiển vi điện tử quét Ảnh Sem chụp mẫu RM0, RM650 RM750 mức phóng đại 2000, 7500, 10000 15000 lần Hình 4-5 RM0 (x200) RM0 (x7500) RM0 (x10000) RM0 (x15000) RM650 (x2000) RM650 (x7500) RM650 (x1000) RM650 (x15000) RM750 (x2000) RM750 (x7500) RM750 (x10000) RM750 (x15000) Hình 4-5.Ảnh SEM RM0, RM650 RM750 Các ảnh SEM cho thấy: RM0, RM650 RM750 có dạng khối kết tập không (aggregete of irregulars), khối kết tập gồm nhiều hạt có kích thước nhỏ So với RM0 RM650 RM750 có kích thước hạt nhỏ khối kết tập có kích thước nhỏ đáng kể, điều nung nhiệt độ 650oC 750oC sau dược nghiền mịn Các hạt nhỏ RM650 RM750 có dạng từ không qui cách đến dạng đĩa dẹt (irregular to semi platy structure) giống hình thái học mêtakaolanh, ngun nhân làm cho sản phẩm có tính háo nước 4.4.6 Kết xác định tính chất học mẫu vữa Kết xác định cường độ nén thực mẫu 5x5x5 cm3của cấp phối (PC, 5RM650, 10RM650, 15RM650, 20RM650, 5RM750, 10RM750, 15RM750 20RM750) thời điểm ngày, ngày 28 ngày tương ứng Bảng 4-4 Các kết trình bày dạng biểu đồ nhằm thể phát triển cường độ theo thời gian ảnh hưởng hàm lượng thay sản phẩm chế biến từ chất thải bùn đỏ (RM650 RM750) cho xi măng Hình từ 4-6 đến 4-9 Bảng 4-4.Kết phát triển cường độ nén thời đoạn 28 ngày Tên mẫu PC 5RM650 10RM650 15RM650 20RM650 5RM750 10RM750 15RM750 20RM750 Cường độ nén Rn (MPa) 28 ngày 28.22 28.28 25.56 20.53 15.06 28.61 20.29 12.73 9.52 35.86 36.49 28.56 21.85 19.06 35.49 24.90 15.92 12.86 39.58 40.00 33.74 23.72 22.18 39.07 26.24 17.25 13.19 Hình 4-6 Sự phát triển cường độ mẫu RM650 mẫu PC Hình 4-7.Sự phát triển cường độ mẫu RM750 mẫu PC Hình 4-8.Sự phát triển cường độ mẫu 5RM650, 5RM750 PC Hình 4-9 Sự phát triển cường độ mẫu 20RM650, 20RM750 PC 4.4.7 Phân tích kết thí nghiệm Với mức độ thay 5% xi măng sản phẩm chế biến từ bùn đỏ (RM650 RM750) phát triển cường độ nén so với mẫu đối chứng PC (100% xi măng) tương đương nhau, chí thời điểm 28 ngày mẫu 5RM650 có cường độ lớn so với mẫu đối chứng tương ứng 1.8% 1%; Với tỷ lệ thay 10% xi măng RM650 cường độ nén mẫu 10RM650 thời điểm 3, 28 ngày giảm so với mẫu PC tương ứng 9.4%, 14.8% 8.9% Ngồi ra, kết Hình 4-16 cho thấy thời đoạn 7-28 ngày, tốc độ phát triển cường độ nén mẫu 10RM650 lớn so với mẫu PC; Với tỷ lệ thay 10% xi măng RM750 cường độ nén mẫu 10RM750 thời điểm 3, 28 ngày giảm nhiều so với mẫu PC tương ứng 21.8%, 30.5% 33.% Kết Hình 4-8 cho thấy sau thời đoạn 7-28 ngày, tốc độ phát triển cường độ nén mẫu 10RM750 nhỏ so với mẫu PC Với tỷ lệ thay cao (15% 20%), tỷ lệ thay cao cường độ nén giảm Nhìn Hình 4-9, dễ dàng nhận thấy so với mẫu 20RM650 cường độ nén mẫu RM750 giảm đáng kể, cụ thể thời điểm 3, 28 ngày so với mẫu PC lượng giảm cường độ nén mẫu 20RM650 tương ứng 44.6%, 46.8% 44.0%, lượng giảm cường độ nén mẫu 20RM750 so với mẫu PC tương ứng 66.3%, 64.1% 66.7% Mặt khác, kết Hình 4-6 Hình 4-7 cường độ nén mẫu 20RM650 phát triển nhanh mẫu 20RM750 thời đoạn 7-28 ngày Bình luận giải thích kết thí nghiệm Với phân tích kết trên, nhận thấy rằng: Đối với sản phẩm RM650 có tham gia vào phát triển cường độ nén mẫu vữa tất tỷ lệ thay thế, nhiên mức thay cao (15% 20%) mức độ tham gia phát triển cường độ nén nhỏ Trong sản phẩm RM750 với tỷ lệ thay từ 10% trở lên gần không tham gia phát triển cường độ nén Nguyên nhân kết giải thích sau: - Với nhiệt độ nung 650oC tạo sản phẩm bùn đỏ có hoạt tính xi măng tốt (good cement activity) hình thành tinh thể bền (poorly-crystallized) Ca2SiO4 phản ứng 2CaO + SiO2Ca2SiO4 (C2S) Với tăng nhiệt độ nung lớn 700oC (RM750 nung 750oC)Ca2SiO4 bền chuyển thành tinh thể bền (highly-crystallized) có cấu trúc đối xứng (symmetrical structure), điều làm cho Ca2SiO4 không tham gia vào trình phát triển cường độ (poorly cement activity) Do đó, xem RM750 hạt cốt liệu trơ siêu nhỏ, tham gia vào việc phát triển cường độ thông qua hiệu ứng lấp đầy - RM650 tham gia vào phát triển cường độ mẫu vữa kết hợp ba hiệu ứng: + (1) Hiệu ứng lấp đầy (filler effect): hạt RM650 mịn phân tán lấp vào khoảng trống làm chặt cấu trúc đá xi măng Hiệu ứng có tác dụng trường hợp thay lượng nhỏ xem cát hạt cốt liệu siêu mịn trơ + (2) Hiệu ứng vật liệu xi măng: lượng nhỏ RM650 bị thủy hóa giống xi măng, tham gia vào trình phát triển cường độ + (3) Hiệu phản ứng puzơlanic: RM650 có chứa lượng SiO2 vơ định hình tác dụng với portlandite Ca(OH)2(chất sinh q trình thủy hóa xi măng CaO có RM650 tác dụng với nước) nước để tạo thành gen C-S-H thứ cấp làm tăng tính dính kết đá xi măng – cốt liệu tăng mật độ C-S-H dẫn đến giảm độ rỗng tăng cường độ Tuy nhiên lượng thay lớn hiệu ứng khơng bù đắp lượng xi măng bị thiếu hụt thay RM650 Mặt khác, kết phân quan sát SEM cho thấy tính háo nước nước RM650 (làm cho chất kết dính bị bón cục khơng bao phủ cốt liệu thiếu nước cho hạt xi măng thủy hóa) làm giảm hiệu chất kết dính KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Dựa sở thu thập phân tích nghiên cứu cơng bố giới xử lý chất thải bùn đỏ để sản xuất vật liệu xây dựng, đề tài đưa hai chu trình hoạt hóa chất thải bùn đỏ 650oC 750oC phịng thí nghiệm, kết hợp với thiết bị kỹ thuật thí nghiệm chuyên sâu đề tài đưa đến số kết luận sau: - Nhiệt độ hoạt hóa chất thải bùn đỏ có ảnh hưởng lớn đến độ hoạt tính xi măng sản phẩm chế biến từ chất thải bùn đỏ Kết thí nghiệm đề tài cho thấy với mức nhiệt hoạt 650oC cho sản phẩm RM650 có hoạt tính xi măng tốt - Với mức độ thay 5% RM650 cho xi măng tạo chất dính kết tương đương xi măng - Khi thay phần sản phẩm RM650 cho phần bùn đỏ cho thấy với tỷ lệ thay lớn (từ 10%) bắt đầu xuất hiện tượng bón cục chất hồ dính kết (thiếu nước cho q trình thủy hóa tính linh động vữa làm suy giảm hiệu hồ chất kết dính dẫn đến giảm cường độ) Do đó, cần thay đổi tỷ lệ nước/ chất kết dính (xác định lượng nước tiêu chuẩn - quantity of water required to produce a cement paste of standard consistency) cấp phối khác (10RM650, 15RM650, 20RM650, ) - Hỗn hợp chất dính kết xi măng – RM650 làm cho phát triển cường độ nén chậm giai đoạn đầu giảm tính linh động vữa Để cải thiện tính chất nhằm đáp ứng yêu cầu thực tế dùng kết hợp với loại phụ gia khống phụ gia hóa hóa (giảm nước tăng tính linh động) Nghiên cứu đưa đến luận bước đầu chứng minh việc dùng bùn đỏ từ nhà máy alumin Tân Rai chế tạo vật liệu thay cho phần xi măng Đề tài cần nghiên cứu sâu rộng (nghiên cứu nhiều chu trình hoạt hóa nhiệt, lấy mẫu nhiều nhằm phản ảnh cách tổng thể, triển khai dây chuyền công nghệ sản xuất thử nghiệm), thành công hứa hẹn giải pháp tiêu thụ lượng lớn chất thải bùn đỏ từ khai thác Bauxite vừa mang lại giá trị kinh tế vừa góp phần giảm nhẹ ô nhiễm môi trường MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ BÙN ĐỎ ĐỂ LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2 Các phương pháp xử lý bùn đỏ 1.2.1 Xử lý bùn đỏ trước chôn lấp 1.2.2 Xử lý bùn đỏ thành vật liệu có ích Chương 2: BAUXITE VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHƠM TỪ BAUXITE 2.1 Tổng quan bauxite 2.2 Bauxite lãnh thổ Việt Nam 2.3 Đặc điểm Bauxite Lâm Đồng 2.4 Quy trình sản xuất nhôm từ bauxite 2.5 Tác động khai thác Bauxite đến môi trường 10 Chương 3: CHẾ BIẾN BÙN ĐỎ 11 3.1 Nguồn bùn đỏ 11 3.2 Thiết bị thí nghiệm chế biến bùn đỏ 11 3.3 Chế biến bùn đỏ theo chu trình xử lý nhiệt 11 Chương 4: ÁP DỤNG THAY THẾ SẢN PHẨM CHẾ BIẾN BÙN ĐỎ CHO XI MĂNG 13 4.1 Vật liệu, thiết bị qui trình thí nghiệm 13 4.2 Cấp phối mẫu vữa 13 4.3 Chế tạo mẫu phương pháp thử 13 4.4 Kết thí nghiệm 13 4.4.1 Phân tích thành phần hố học bùn đỏ trước sau chế biến 13 4.4.2 Phân tích độ mịn phương pháp BET 14 4.4.3 Phân tích bùn đỏ sản phẩm chế biến từ bùn đỏ theo phương pháp nhiệt trọng lượng 14 4.4.4 Phân tích bùn đỏ sản phẩm chế biến từ bùn đỏ theo phương pháp nhiễu xạ tia X 16 4.4.5 Quan sát mẫu kính hiển vi điện tử quét 18 4.4.6 Kết xác định tính chất học mẫu vữa 20 4.4.7 Phân tích kết thí nghiệm 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 25 ... 2: BAUXITE VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM TỪ BAUXITE 2.1 Tổng quan bauxite 2.2 Bauxite lãnh thổ Việt Nam 2.3 Đặc điểm Bauxite Lâm Đồng 2.4 Quy trình sản xuất nhôm từ bauxite. .. bùn đỏ từ khai thác Bauxite Tây Nguyên thành sản phẩm thay cho phần xi măng 3) Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: Kế thừa kết nghiên cứu giới sử dụng bùn đỏ để làm nguyên liệu... [5] 2.2 Bauxite lãnh thổ Việt Nam Tài nguyên Bauxite Việt Nam biết đến từ năm 30 kỷ trước, vào khoảng năm 1936-1943 nhà địa chất Pháp phát khai thác mỏ Bauxite Lỗ Sơn (Hải Dương) mỏ Bauxite vùng