Các mẫu có cùng tỉ lệ thành phần theo tỉ lệ khối lượng của bùn đỏ, cacbon và chất phụ gia lần lượt là 100 : 20 : 6, được đem nung tại nhiệt độ 1300oC như ở trên với các khoảng thời gian nung khác nhau. Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.5 và hình 3.6.
Bảng 3.5.Ảnh hưởng của thời gian nung đến TFe, MFe
Thời gian nung (phút) 90 110 130 150
TFe (%) 73,4 81,3 67,2 61,9
MFe (%) 43,1 74,3 53,3 47,0
Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian nung đến MFe/TFe và RFe
Từ hình 3.6 nhận thấy rằng không có quan hệ tuyến tính giữa mỗi thông số thu hồi sắt MFe/TFe và RFe và thời gian nung, chỉ có một peak ứng với một thông số thu hồi sắt tại thời gian là 110 phút. Tại nhiệt độ 1300oC với thời gian nung 110 phút, TFe ; MFe/TFe và RFe lần lượt có giá trị tốt nhất là 81,3% ; 91,4% và 83,2%.
Từ đó có thể suy ra rằng thời gian tối ưu 110 phút là thời gian mà phản ứng khử sắt oxit bằng cacbon xảy ra tối ưu.
3.2.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ hàm lượng cacbon
Để khảo sát hàm lượng cacbon phù hợp cho quá trình thu hồi sắt, đã khảo sát lần lượt các tỉ lệ khác nhau của cacbon so với bùn đỏ. Các thông số khác của thí nghiệm cũng được duy trì như ở trên: theo tỉ lệ khối lượng của bùn đỏ và chất phụ gia là 100 : 6, phản ứng khử được thực hiện tại nhiệt độ 1300oC trong khoảng thời gian 110 phút. Kết quả được trình bày trong bảng 3.6 và hình 3.7.
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến TFe và MFe
Hàm lƣợng cacbon
(g/100g bùn đỏ) 8 12 16 20 24
TFe (%) 61,5 68,3 76,0 81,3 80,5
MFe (%) 48,9 56,6 67,9 74,3 72,0
Hình 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến MFe/TFe và RFe
Từ bảng 3.6 và hình 3.7, lúc đầu các thông số của quá trình thu hồi sắt TFe, MFe/TFe và RFe tăng lên cùng với sự tăng của tỉ lệ khối lượng của cacbon so với bùn đỏ. Khi tỉ lệ khối lượng của cacbon so với bùn đỏ là 20 : 100 thì TFe, MFe/TFe
và tỉ lệ thu hồi sắt RFe đạt kết quả tối ưu. Nhưng nếu tăng thêm hàm lượng cacbon lên 24 : 100 thì tổng hàm lượng sắt thu hồi TFe ở bảng 3.6 và các trị số MFe/TFe,
RFe ở hình 3.7 cũng không cao hơn được nữa.
Với tỉ lệ cacbon so với bùn đỏ là 20 : 100 này, TFe ; MFe/TFe và RFe lần lượt thu được là 81,3% ; 91,4% và 83,2%.
Trong trường hợp tính toán theo lượng hematite chứa trong bùn đỏ, theo lý thuyết chỉ bằng 48,5% lượng cacbon đưa vào phối liệu (tức chỉ cần khoảng 9,7g cacbon/100g bùn đỏ, ít hơn rất nhiều so với dữ liệu thực nghiệm). Điều đó chứng tỏ rằng một phần lớn cacbon bị tiêu hao do phản ứng đồng thời với các tạp chất của bùn đỏ.
3.2.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ hàm lượng chất phụ gia
Trong loạt thí nghiệm này, các thí nghiệm cũng được thực hiện ở điều kiện nêu ở trên: tỉ lệ khối lượng của bột cacbon : bùn đỏ là 20 : 100, nhiệt độ nung là 1300oC, thời gian nung là 110 phút. Hàm lượng chất phụ gia được thay đổi từ 0, 3, 6 đến 9%.
Như đã nói ở trên, các chất FeO, SiO2 và Al2O3 có trong bùn đỏ sẽ làm cho nhiệt độ của phản ứng khử sắt oxit bằng cacbon trở nên rất cao. Khi thêm các chất phụ gia CaCO3 hoặc MgCO3 vào phản ứng, ban đầu sẽ có sự phân huỷ CaCO3 và MgCO3 thành CaO và MgO. Sau đó, chính CaO và MgO sẽ tác dụng với các tạp chất có trong bùn đỏ để tạo thành các chất hỗ trợ việc tạo thành pha sắt có điểm nóng chảy thấp. Ví dụ, CaO·SiO2 và MgO·SiO2 sẽ hình thành trước tiên do phản ứng giữa các tạp chất với CaO hoặc MgO. Kết quả là sự khử sắt oxit bằng cacbon được tiến hành chỉ cần ở 1300o
C.
Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon, chất phụ gia đến các thông số của quá trình thu hồi sắt được trình bày trong bảng 3.7 và hình 3.8.
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng chất phụ gia đến TFe , MFe
Hàm lƣợng chất phụ gia (%) 0 3 6 9
TFe (%) 66,8 83,0 81,3 88,6
Hình 3.8 Ảnh hưởng của hàm lượng chất phụ gia đếnMFe/TFevà RFe
Theo hình 3.8, hàm lượng chất phụ gia tối ưu là vào khoảng 6%. Ứng với tỉ lệ này, TFe ; MFe/TFe và RFe lần lượt thu được là 81,3% ; 91,4% và 83,2%.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Qua quá trình nghiên cứu thu hồi sắt từ bã thải bùn đỏ nhà máy Hóa chất Tân Bình, TP. HCM, chúng tôi đã thu được những kết quả sau:
1. Đặc tính phối liệu:
Bùn đỏ có kích thước khá mịn, với đa số các tập hợp hạt cỡ khoảng 10 µm – 30 µm. Thành phần hóa học của bã thải bùn đỏ chủ yếu bao gồm các nguyên tố: O, Fe, Al, Na, Ca, Si, Ti với hàm lượng sắt oxit là 42,93%, nhôm oxit 22,72 %.... Bùn đỏ không nung chứa khoáng goethite FeO(OH) và natri nhôm silicat hidrat, các cấu tử còn lại ở dạng vô định hình. Độ giảm khối lượng tổng cộng của bùn đỏ do mất nước cấu trúc là 12%.
2. Nghiên cứu thu hồi sắt bằng phản ứng hoàn nguyên với cacbon, có thêm
chất phụ gia ở nhiệt độ cao:
Đã khảo sát được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thu hồi sắt như: nhiệt độ nung, thời gian nung, hàm lượng cacbon, hàm lượng chất phụ gia. Cụ thể :
+ Nhiệt độ nung càng cao thì tổng hàm lượng sắt thu hồi, tỉ lệ kim loại hóa và hiệu suất thu hồi càng tăng.
Tại nhiệt độ 1150oC – 1200oC, các hợp chất như 2FeO·SiO2, 2FeO·Al2O3 và 2FeO·2Al2O3·5SiO2 được tạo ra từ phản ứng giữa các chất FeO, SiO2 và Al2O3 có trong bùn đỏ. Có khả năng các chất vừa mới tạo thành này ngăn cản, làm giảm độ hoạt động của các chất phản ứng ban đầu, do đó sự khử sắt oxit và sự hình thành các tinh thể sắt đã bị ngăn chặn.
Nếu thêm các chất phụ gia CaCO3 hoặc MgCO3 sẽ tạo ra những ảnh hưởng tích cực đến phản ứng khử sắt oxit bằng cacbon, do đó ở nhiệt độ cao hơn 1200oC sự gây cản trở của các hợp chất nêu trên đã bị vô hiệu hóa. Vì vậy TFe cũng như MFe/TFe tăng lên khi nhiệt độ nung cao hơn 1200oC. Kết quả cho thấy nhiệt độ nung 1300oC và hàm lượng chất phụ gia vào khoảng 6% là tối ưu.
+ Không có quan hệ tuyến tính giữa mỗi thông số thu hồi sắt MFe/TFe và
RFe và thời gian nung, chỉ có một peak ứng với một thông số thu hồi sắt tại thời gian là 110 phút. Do đó 110 phút là thời gian mà phản ứng khử sắt oxit bằng cacbon
xảy ra tối ưu.
+ Khi tỉ lệ khối lượng của cacbon so với bùn đỏ là 20 : 100 thì TFe, MFe/TFe và tỉ lệ thu hồi sắt RFe đạt kết quả tối ưu. Nhưng nếu tăng thêm hàm lượng cacbon lên 24 : 100 thì tổng hàm lượng sắt thu hồi TFe, MFe/TFe và RFe cũng không cao hơn được nữa.
Tóm lại, với điều kiện thí nghiệm tại nhiệt độ nung 1300oC, thời gian nung 110 phút, tỉ lệ theo khối lượng của bùn đỏ : cacbon : chất phụ gia là 100 : 20 : 6 sẽ cho các giá trị tối ưu của TFe ; MFe/TFe và RFe lần lượt là 81,3% ; 91,4% và 83,2%.
KIẾN NGHỊ
Do hạn chế về điều kiện thí nghiệm cũng như thời gian thực hiện đề tài, chúng tôi chưa thể khảo sát đầy đủ quá trình thu hồi sắt từ bã thải bùn đỏ với một số phối liệu và chất phụ gia khác. Vì vậy, chúng tôi đề xuất một số hướng cho các nghiên cứu tiếp theo:
1. Thực hiện quá trình thu hồi sắt kim loại từ bùn đỏ với một số phối liệu có
tính khử khác.
2. Tiến hành nghiên cứu xử lí và ứng dụng bã alumisilicat sau thu hồi.
3. Tiến hành mô hình hóa các thí nghiệm thu hồi, tìm ra điều kiện tối ưu
nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1] Nguyễn Tinh Dung (2007), Hóa học phân tích (Tập 3) – Các phương pháp định lượng hóa học, NXB Giáo dục, Hà Nội.
[2] Lê Thuận Đăng (2001), Hướng dẫn lấy mẫu và thử các tính chất cơ lý vật liệu xây dựng, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội.
[3] R.A. Lidin, V.A. Molosco, L.L. Andreeva (Lê Kim Long, Hoàng Nhuận dịch) (2001), Tính chất lý hóa học các chất vô cơ, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[4] Bùi Văn Mưu (chủ biên), Nguyễn Văn Hiền, Nguyễn Kế Bính, Trương Ngọc Thận (2006), Lý thuyết các quá trình luyện kim, NXB Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội.
[5] Âu Duy Thành (2001), Phân tích nhiệt các khoáng vật trong mẫu địa chất, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[6] Lê Xuân Thành, Nguyễn Trọng Dần, Võ Quang Mai, (2011), “Nghiên cứu chế tạo gạch nung từ bã thải bùn đỏ”, Tạp chí Hóa học và Ứng dụng (số chuyên đề 01/2012), pp. 19 – 23.
Tiếng Anh:
[7] E. Lee Bray (2009), Minerals yearbook – Bauxite and Alumina, U.S. Department of the Interior & U.S. Geological Survey.
[8] Paul Gabbott (2008), Principles and Application of Thermal Analysis, Blackwell Publishing, Singapore.
[9] Joseph I. Goldstein, Charles E. Lyman, Dale E. Newbury, Eric Lifshin, Patrick Echlin, Linda Sawyer, David C. Joy, Joseph R. Michael (2003), Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Plenum Publishers, Newyork.
[10] Fathi Habashi (2005), “A short history of hidrometallurgy”, Hidrometallurgy
(79), pp. 15 – 22.
[11] Andrew R. Hind, Suresh K. Bhargava, Stephen C. Grocott (1999), “The surface chemistry of Bayer process solids: a review”, Physicochemistry and Engineering Aspect (146), pp. 354 – 374.
[12] Ekrem Kalkan (2006), “Utilization of red mud as a stabilization material for the preparation of clay liners”, Engineering Geology (87), pp. 220 – 229.
[13] Maneech Singh, S.N. Upadhayay, P.M. Prasad (1997), “Preparation of iron rich cements using red mud”, Cement and Concrete Research, Vol 27, (No 7), pp. 1037 –1046.
[14] D. Tuazon, G.D. Corder (2008), “Life cycle assessment of seawater neutralised red mud for treatment of acid mine drainage”, Resources, Coservation and Recycling (52), pp. 1307–1314.
[15] Ida Valeton (1972), Bauxites, Elsevier Publishing Company, The Netherlands.
[16] Douglas Vaughan (1999), Energy Dispersive X-Ray Microanalysis, NORAN Instruments.
[17] Jiakuan Yang, Dudu Zhang, Jian Hou, Baoping He, Bo Xiao (2008), “Preparation of glass-ceramics from red mud in the aluminium industries”,
Ceramics International (34), pp. 125–130.
Các website:
[18] Tấn Đức (2010), “Nguy cơ từ bùn đỏ”, http://www.thesaigontimes.vn,
14/10/2010
[19] Đoàn Hạnh (2010), “BaseconTM - công nghệ xử lí bùn đỏ thải ra từ nhà máy alumin”, http://vinamin.vn, 12/10/2010.
[20] Tập đoàn hóa chất Việt Nam (2002), “Sản xuất nhôm oxit và nhôm hidroxit tại Công ty hóa chất cơ bản miền Nam”, http://www.vinachem.com.vn,
13/05/2010.
[21] Nguyễn Quý Thép (2011), “Cần bao nhiêu tiền để biến bùn đỏ thành vật liệu xây dựng”, http://bee.net.vn, 14/02/2011.
[22] International Aluminium Institute (2011), “Goelogy of Bauxite”,
http://www.world-aluminium.org, 17/03/2011.
[23] International Aluminium Institute (2011), “Bauxite residue”,
http://www.world-aluminium.org, 17/03/2011.
[24] Y. Pontikes (2005), “Bayer process”, http://www.redmud.org, 13/07/2005.
[25] Jim Schweitzer (2010), Scanning Electron Microscopy,