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

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.

Thông báo Khoa học 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 hỗn hợp chất thải vô độc hại, chí ví “bùn bẩn”, “bom bẩn” Hiện nay, giới chưa có nước xử lý triệt để vấn đề bùn đỏ Cách phổ biến mà người ta v n thường làm chơn lấp bùn đỏ vùng đất người, ven biển để tránh độc hại Việc nghiên cứu sử dụng bùn đỏ nhằm góp phần giảm bớt phần ô nhiễm môi trường trở thành đề tài lớn cho khoa học Cho tới thời điểm nay, số lượng nghiên cứu bùn đỏ v n tiếp tục gia tăng không ngừng Bài báo tổng hợp số nghiên cứu bùn đỏ lĩnh vực vật liệu xây dựng Trong đó, bùn đỏ xem nguồn nguyên liệu thô thêm vào để giảm chi phí [1] Từ khóa: Bauxite, bùn đỏ, geopolymer Giới thiệu Bauxite công nghệ Bayer sản xuất bột nhôm Bauxite tài nguyên khoáng sản dồi trái đất Từ bauxite thu hồi alumina Al2O3, tiếp tục điện phân thu hồi aluminium (nhôm kim loại) Khoảng 96% bauxite khai thác sử dụng ngành luyện kim, 4% lại sử dụng ngành công nghiệp khác như: sản xuất vật liệu chịu lửa, gốm sứ, vật liệu mài- đánh bóng, đá trang sức nhân tạo [2] Theo kết điều tra thăm dò địa chất chưa đầy đủ, nước ta khoáng sản bauxite phân bố rộng từ Nam đến Bắc với trữ lượng khoảng 5,5 tỷ quặng nguyên khai, tương đương với 2,4 tỷ quặng tinh; tập trung chủ yếu Tây Ngun (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.[3] Quy trình Bayer sản xuất bột nhơm bao gồm bước: hòa tách (digestion), gạn lọc (clarification), kết tủa (precipitation) nung (calcination) [4] Trong bước hòa tách, bauxite nghiền dạng bùn sệt với dung dịch NaOH bơm vào thùng chứa áp lực rộng gọi thùng chiết suất (digester), quặng tiếp xúc với nước có áp suất cao Chất lượng quặng định điều kiện đặc biệt sử dụng hòa tách Trong bước này, NaOH phản ứng với quặng alumin bauxite tạo thành dung dịch kiềm aluminat không hòa tan có lẫn tạp chất gọi bùn đỏ (red mud), bùn đỏ tồn dạng huyền phù tuyển bước gạn lọc (clarification) Như bùn đỏ từ quy trình sản xuất bột nhôm theo công nghệ Bayer chất thải q trình hòa tách Đặc điểm bùn đỏ từ quy trình sản xuất bột nhơm theo cơng nghệ Bayer Chất thải bùn đỏ (Hình 1) hỗn hợp hợp chất có khống gốc, Thơng báo Khoa học Công nghệ* Số 2-2013 bauxite, sút dư hợp chất tạo thành trình Bayer Trong bùn đỏ, hàm lượng chất rắn có từ 10 đến 30%, pH 13-14 lực 108 hút ion cao Bề mặt riêng khoảng 10m2/g (100.000 cm2/g), 90% hạt có kích thước 75 m, trở ngại lớn cho việc tái sử dụng bùn đỏ [4] Hình Bùn đỏ nhà máy hóa chất Tân Bình Một số nghiên cứu bùn đỏ lĩnh vực vật liệu xây dựng Sử dụng bùn đỏ trở thành đề tài lớn cho nghiên cứu khoa học Một số lượng lớn nghiên cứu tiềm bùn đỏ công bố, cụ thể từ 1964-2008 có 273 sáng chế đề tài này[5] Bùn đỏ sử dụng luyện kim (sản xuất sắt thép, oxit titan, oxit nhôm kiềm), sản xuất vật liệu xây dựng (cốt liệu nhẹ, gạch, ngói, xi măng…), chất xúc tác, ceramic (đồ gốm, đồ vệ sinh, thủy tinh, loại ngói đặc biệt, men, ferit ) mục đích khác (xử lý nước, chất lọc, phân bón…) Một ứng dụng quan trọng bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng sản phẩm ceramic xi măng, gạch… * Xi măng Việc sử dụng chất thải bauxite để làm phụ gia sản xuất xi măng nghiên cứu từ năm 1936 Trong hàm lượng oxit sắt oxit nhôm chất thải hữu ích cho q trình đóng rắn gia tăng cường độ xi măng kiềm lại gây bất lợi Singh et al [6, 7] (1996 1997) sử dụng hỗn hợp thạch cao, bauxite bùn đỏ (trong bùn đỏ chiếm 20 - 50% khối lượng khô) để làm loại xi măng đặc biệt Bùn đỏ sử dụng nguồn cung cấp oxit sắt oxit nhôm tốt tro bay có hàm lượng oxit silic thấp Hàm lượng oxit titan bùn đỏ có lợi cho cường độ xi măng Ở Ấn Độ, từ năm 1988 đến 1999 có 2,5 triệu bùn đỏ sử dụng để sản xuất xi măng Ở Nhật Bản, thí nghiệm tiến hành năm 2003 cho thấy xi măng sản xuất có sử dụng bùn đỏ đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản (Japan Aluminum Organisation, 2004) Ở Ai Cập, công ty xi măng Lafarge sử dụng 200.000 chất thải bauxite khơ năm[1] (2005) Trong đó, lượng bùn đỏ sử dụng để sản xuất xi măng chiếm 1,6% khối lượng bùn đỏ thải năm Tuy nhiên, nghiên cứu gần tiến hành Vangelatos et al.[8] (2009) Ai Cập nhằm khảo sát hàm lượng bùn đỏ phụ gia Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 2-2013 sản xuất xi măng cho thấy xi măng Portland đạt tính chất yêu cầu hàm lượng bùn đỏ tăng lên tới 5% Chi phí trình xử lý bùn đỏ hầu hết cho cơng đoạn lọc ép ước tính khoảng 10 Euro cho bùn đỏ khô Ở Việt Nam năm 2009, TS Đỗ Quang Minh, môn silicat thuộc ngành công nghệ vật liệu Trường ĐH Bách khoa TPHCM, chế tạo thành công 50 kg xi măng dùng nguyên liệu bùn đỏ phương pháp nung kết khối với đá vơi Loại xi măng có tốc độ đóng rắn tương đối nhanh, ứng dụng cho kết cấu tải trọng không cao [9] * Cốt liệu Để tạo cốt liệu từ bùn đỏ cần phải trải qua giai đoạn sấy khô, tạo hạt nung Tuy nhiên, loại cốt liệu từ chất thải bauxite cạnh tranh với loại cốt liệu khác đá nghiền chi phí q trình nung nghiên cứu cơng bố sử dụng bùn đỏ xuất nhiều mâu thuẫn SagoeCrentsil Brown [10] (2005) báo cáo bùn đỏ thay phần nhỏ aluminosilicate geopolymer Các vật liệu thí nghiệm cần trộn dưỡng hộ 85oC đạt cường độ 50 MPa So sánh với cường độ đá marble tự nhiên 100180 MPa cốt liệu từ bùn đỏ với kỹ thuật geopolymer rõ ràng bị hạn chế 109 cường độ Sấy nung bùn đỏ trực tiếp tạo cốt liệu nhân tạo phù hợp Showa Denko et al [11] (1976) tiến hành nung bùn đỏ 220oC 40 phút, sau tiếp tục nung 1200oC 2,5 thu cốt liệu với cường độ lớn cường độ đá nghiền Ninh kết nung để tạo loại vật liệu có giá trị thấp cốt liệu rõ ràng không kinh tế * Gạch block Có hai cách sản xuất gạch block từ bùn đỏ tùy theo việc có nung hay khơng Gạch đất sét truyền thống nung khoảng 900oC để đạt cường độ yêu cầu gạch khơng nung sản xuất từ xi măng, chất kết dính vơ hữu Theo nghiên cứu Thakur Sant [12] (1983), bùn đỏ thêm vào hệ nguyên liệu phụ gia thành phần Để có loại gạch có chất lượng so với gạch đất sét nung phải trộn bùn đỏ với đất sét đá phiến sét Những sản phẩm phế thải khác tro bay bụi than cốc đưa vào Khi thêm phụ gia tác nhân tạo bọt ferrosilicon loại gạch nhẹ [12] Có 14 sáng chế từ năm 19722009 nói việc sản xuất gạch với bùn đỏ Trong có sáng chế gạch nung 11 sáng chế nói gạch khơng nung tóm tắt Bảng Bảng Bằng sáng chế gạch nung gạch không nung Số phát minh Năm DE2063028-B CN14200097-A 1972 2003 GẠCH NUNG Nhiệt độ % bùn đỏ nung (oC) 52-92 900-1000 - Thành phần khác Đất sét Tro bay, quặng đuôi, Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 2-2013 CN101269948-A 2008 70-90 110 900-1200 GẠCH KHƠNG NUNG Tác nhân % Bùn đỏ đóng rắn Số phát minh Năm JP54039436-A 1979 - CN107942-A 1995 - DE4430446-A 1995 >50 KR2006079292-A 2007 12-22 CN101020603-A CN101205126-A 2008 2008 15-50 22-40 CN101215142-A 2008 20-35 CN101219883-A 2008 22-42 CN1844029-A 2008 25-40 NL1035134-C6 2008 >50 CN101289310-A 2009 - Các loại gạch nung tạo với hàm lượng bùn đỏ lên tới 92% nhiệt độ nung 1000oC Đất sét loại vật liệu khác thêm vào tùy theo thành phần yêu cầu sản phẩm Còn gạch khơng nung cần kết hợp với hay nhiều tác nhân kết dính Tác nhân kết dính phổ biến nất hợp chất chứa canxi đá vôi, vôi thạch cao Bằng sáng chế NL1035134-C6 sử dụng vỏ trấu (rice chaff) làm chất kết dính vỏ trấu có chứa nguồn silicate tham gia phản ứng Xi măng, vôi, thạch cao Vôi, thạch cao Hợp chất canxi Không xác định Vôi Vôi, thạch cao Xi măng, vữa BaSO4, thạch cao, vôi Photphothach cao Vỏ trấu (Rice chaff) Xi măng, vữa xỉ, cát, cặn photphoric, chất thải axit sunphuric Đất sét Thành phần khác Borax Tro than, cát Chất thải vôi Tro bay, cát silic Tro bay, cốt liệu Tro bay, xỉ Bùn acetylen Sa thạch, tro bay Tro than, cốt liệu, xỉ cacbua Cát, bê tông, xỉ với kiềm bùn đỏ Các chất kết dính hữu khác sử dụng Mặc dù có nhiều nghiên cứu sáng chế kỹ thuật sử dụng bùn đỏ sản xuất gạch chưa tìm nghiên cứu có ứng dụng cao Lý cạnh tranh vật liệu, nơi sản xuất, không chắn kỹ thuật, môi trường nguy sức khỏe sản phẩm Ở Jamaica năm 1980 [13] sản xuất loại gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ với chất đóng rắn xi măng Tại thời điểm Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 2-2013 xảy thiếu hụt số lượng lớn nhà cửa, loại gạch có giá rẻ phù hợp với tình hình Jamaica (Hình 111 2) Tuy nhiên gạch từ bùn đỏ triển khai vùng nghèo việc mở rộng sử dụng bị hạn chế Hình Gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ Jamaica [14] Một nghiên cứu gần Yang Xiao [14] (2008) mơ tả q trình sản xuất gạch khơng nung block sử dụng bùn đỏ Trung Quốc (Hình 3) Sản phẩm trình đáp ứng tiêu chuẩn Trung Quốc phép sản xuất để làm vật liệu xây dựng gạch block Cát Bùn đỏ Thạch cao, vôi Trộn Phụ gia Nước Trộn Tạo hình Dưỡng hộ Sản phẩm Hình Q trình sản xuất gạch khơng nung block sử dụng bùn đỏ 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% hệ số mềm từ 0,7 đến 0,95 Với Trân, Nguyễn Thị Thanh Thảo nghiên tính chất loại vật liệu cứu sản xuất gạch không nung từ bùn đỏ, hoàn toàn phù hợp để chế tạo gạch không tro bay gạch nung nhiệt độ thấp từ bùn nung Hiện đề tài đỏ đất sét (năm 2009) cho kết nghiên cứu để ứng dụng vào sản xuất [15] khả quan Với hàm lượng tro bay từ * Geopolymer 40-80% lượng dùng phụ gia hoạt hóa Bùn đỏ có chứa lượng - 10ml/100 g hỗn hợp tro bay bùn đỏ khống nhơm, silic kiềm nên phù hợp cường độ chịu nén đạt từ 100 để tạo geopolymer Việc thêm kiềm vào Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 2-2013 gia tăng hòa tan tùy theo nồng độ ban đầu, thời gian hòa tan thơng số khác để trình xảy Các nguồn khác oxit nhôm silic thêm vào để đạt cường độ tính chất yêu cầu Tro bay xỉ lò cao phù hợp để làm nguồn vật liệu cung cấp oxit nhơm silic Có nhiều nghiên cứu việc sử dụng xỉ hay tro bay chưa có nghiên cứu nói việc sử dụng bùn đỏ để làm vật liệu geopolymer Tuy nhiên SCRP (Center for Sustainable Resources Processing) thành lập Liên đồn Geopolymer với đối tác cơng nghiệp để tiến hành nghiên cứu nhằm mục đích phát triển hiểu biết tảng sản xuất vật liệu geopolymer sử dụng bê tông Các thông tin website tổ chức báo cáo “geopolymer từ bùn đỏ với tính chất học ấn tượng sản xuất thành công Vật liệu mở hội cho việc tái chế lượng lớn chất thải công nghiệp” Để đạt mục tiêu cần phải tiếp tục nghiên cứu khả ứng dụng bùn đỏ vật liệu geopolymer, phát triển hỗn hợp thành phần phương pháp sản xuất để hồn thiện hóa sản phẩm tận dụng 112 nguồn vật liệu phế thải Kết luận Tổ hợp bauxite - nhôm Lâm Đồng (dự án Tân Rai) có cơng suất thiết kế giai đoạn 650.000 alumin/ năm Đến nay, công tác xây dựng phần khai thác mỏ bauxite hồn thành, khai thác 1,6 triệu quặng bauxite Từ dự án triển khai, nhiều mơi trường nước, khơng khí bị ảnh hưởng An ninh xã hội địa bàn phức tạp hơn, tệ nạn xã hội theo tăng lên…[16] Dùng bùn đỏ để sản xuất vật liệu xây dựng giải phần nhỏ lượng chất thải Tuy nhiên, giải pháp xử lý bùn đỏ Việt Nam gây nhiều tranh cãi lo ngại nên ứng dụng bùn đỏ có ý nghĩa đặc biệt Việc tìm hiểu, nghiên cứu kết nghiên cứu có giới Việt Nam hứa hẹn tìm giải pháp xử lý hiệu chất thải độc hại Theo quan điểm tác giả, sử dụng bùn đỏ để sản xuất vật liệu không nung hướng giải pháp đầy tiềm năng, góp phần giải vấn đề môi trường ổn định cho Tây 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 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 SocioEconomic 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 công nghệ geopolymer sử dụng tro bay phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà vùng cao nguyên Việt Nam Hội nghị Khoa Học Công nghệ gắn với thực tiễn lần IV [16] Bauxite Tân Rai khai thác 1,6 triệu http://vov.vn/Kinh-te/Bauxite-TanRai-da-khai-thac-16-trieu-tan/265712.vov  ... Một ứng dụng quan trọng bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng sản phẩm ceramic xi măng, gạch… * Xi măng Việc sử dụng chất thải bauxite để làm phụ gia sản xuất xi măng nghiên cứu từ năm 1936 Trong. .. cứu tiềm bùn đỏ cơng bố, cụ thể từ 1964-2008 có 273 sáng chế đề tài này[5] Bùn đỏ sử dụng luyện kim (sản xuất sắt thép, oxit titan, oxit nhôm kiềm), sản xuất vật liệu xây dựng (cốt liệu nhẹ,... thước 75 m, trở ngại lớn cho việc tái sử dụng bùn đỏ [4] Hình Bùn đỏ nhà máy hóa chất Tân Bình Một số nghiên cứu bùn đỏ lĩnh vực vật liệu xây dựng Sử dụng bùn đỏ trở thành đề tài lớn cho nghiên cứu