CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.4. Công nghệ xử lý, tận dụng bùn thải mạ điện
1.4.3. Công nghệ thu hồi/tái sử dụng bùn thải mạ điện
Bùn thải chứa kim loại trong một số trường hợp có hàm lượng rất cao thậm chí cao hơn so với hàm lượng trong quặng. Để thu hồi kim loại trong bùn thải có thể áp dụng kỹ thuật tiên tiến dành cho quặng chất lượng thấp như thuỷ luyện kim (Hydrometallurgy). Trong kỹ thuật này, kim loại được tách khỏi bùn thải đi vào dung dịch lỏng thơng thường bằng cách hồ tan trong mơi trường axit hay bazo. Kỹ thuật
kết tủa cũng được sử dụng rộng rãi trong quá trình tách. Bên cạnh đó, phương pháp tách chiết dung mơi và trao đổi ion pha rắn cũng được sử dụng trong thuỷ luyện kim. Các phương pháp tách khác bao gồm sử dụng dịch lỏng ion, tách màng và hấp phụ bằng than hoạt tính và các nguyên liệu tự nhiên. Bã bùn thải sau khi thu hồi kim loại có thể được ứng dụng trong sản xuất nơng nghiêp, làm vật liệu xây dựng, đồ gốm sứ,…
1.4.3.1. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thu hồi/tái sử dụng bùn thải mại điện tại Việt Nam
- Đề tài “Nghiên cứu thu hồi Niken sunfat từ dung dịch thải mạ Crom-Niken bằng kết tủa Oxalat” của Nguyễn Thị Hoa cùng nnk (2018) đã công bố dung dịch thải trực tiếp từ bể mạ crom-niken chứa hàm lượng niken khá cao, từ 6,7g/l đến 15,6g/l. Niken được kết tủa dưới dạng NiC2O4 ở điều kiện pH = 6-7, lượng dư H2C2O4 là 100%. Ở điều kiện này niken được thu hồi với hiệu suất cao, khoảng 94-96%, độ tinh khiết của kết tủa thu được NiC2O4 khoảng 96-98%. Kết tủa NiC2O4 được chuyển hoàn toàn thành niken sunfat bằng axit H2SO4 và H2O2. Q trình thu hồi có tính khả thi cao. Niken được thu hồi sẽ làm giảm đáng kể hàm lượng niken trong bùn thải, giảm chi phí xử lý nước thải cơng nghiệp mạ, ngăn ngừa ô nhiễm môi trường. Mặt khác, Niken thu hồi được chuyển hóa về dạng niken sunfat nhằm mục đích tái sử dụng trong công nghệ mạ crom - niken [10].
- Nguyễn Thị Phương Loan cùng nnk (2005) đã thực hiện nghiên cứu công nghiệp tái chế bùn thải để sản xuất công nghiệp và cải tạo đất nông nghiệp. Bùn từ các NMXLNT thải tập trung của khu cơng nghiệp, nhà máy luyện kim, cơ khí, xử lý nước chứa nhiều kim loại nặng như chì, thủy ngân, niken, crom, đồng, sắt...được thu gom về và dùng phương pháp sinh học để tách kim loại. Phần vô cơ chiếm 59- 67% được sử dụng làm vật liệu xây dựng. Bùn từ nhà máy nước và nhà máy phi mạ chứa nhiều sắt nên được tận dụng làm bột màu hoặc sản xuất đinh. Theo tính tốn trong phịng thí nghiệm, xử lý 1 tấn bùn chứa kim loại nặng bằng phương pháp truyền thống (sấy khơ, đốt, hóa rắn, chơn lấp) cần chi phí 4 triệu đồng trong khi xử lý bằng phương pháp sinh học và hóa học chỉ cần 1,3 triệu đồng.
- Đỗ Quang Minh và nnk (2009) đã có hướng nghiên cứu sử dụng bùn đỏ để sản xuất gạch không nung. Các tác giả đã sử dụng bùn đỏ cùng với chất kết dính là CaO, xi măng Pooclăng và các vật liệu nền là cát, đá dăm mịn để ép thành các viên gạch. Sau khi ủ mẫu gạch 28 ngày, các tác giả đã phát hiện được sự xuất hiện của 2 khoáng vật xi măng mới là Xonotlite 6CaO.6SiO2.H2O(C6S6H) và Riversideit 6CaO.5SiO2.H2O(C6S5H) tạo nên sự rắn chắc của viên gạch. Tạo mẫu với các chất kết dính: 10% hệ xi măng, 10% hệ vôi, 10% vôi - 5% xi măng với hệ hỗn hợp xi măng và vôi. Thay một phần bùn đỏ bằng đá mi. Lượng đá mi dao động từ 20 - 40% với mức thay đổi là 5%. Kết quả phân tích XRD các mẫu sau 28 ngày đêm dưỡng hộ ẩm cho thấy trong hệ xuất hiện thêm các khoáng sau: 1-Xonotlite: 6CaO.6SiO2.H2O (C6S6H) xuất hiện ở tất cả các cấp phối dùng XMP. 2-Riversideit: 6CaO.5SiO2.H2O (C6S5H) xuất hiện ở các hệ chỉ sử dụng vôi. Điều này chứng tỏ phản ứng tạo C-S-H từ vôi khá mạnh: SiO2.nH2O + Ca(OH)2 C-S-H. Thành phần bùn đỏ chứa SiO2.nH2O vơ định hình, có khả năng tác dụng với Ca(OH)2 hình thành khống C-S- H tạo cường độ cho gạch. Khi thay thế một phần bùn đỏ bằng đá mi sàng (5-10mm) độ bền uốn của mẫu sẽ giảm nhưng độ bền nén sẽ tăng. Khi thay thế một phần bùn đỏ bằng cát không cải thiện được độ bền uốn và nén. Độ bền nén lớn nhất là 263.25 kG/cm2 đạt được cường độ tiêu chuẩn TCVN 6476:1999 Gạch bê tông tự chèn, TCVN 6477:1999 Gạch block tự chèn tại thành phần 10% vôi, 5% xi măng, 40% đá mi, 45% bùn đỏ. Tuy nhiên, với phương pháp sản phẩm không nung, các chất ô nhiễm chứa trong bùn đỏ (Fe, As, V, Na,...) vẫn đang tồn tại dưới dạng liên kết yếu, có thể bị hồ tan ra môi trường xung quanh. Do vậy, vấn đề xử lý bùn đỏ theo phương hướng này không giải quyết được triệt để. Hơn nữa, chất lượng sản phẩm gạch không cao, nên tính ứng dụng của sản phẩm hạn chế [18].
- Năm 2012, Công ty Paratech global LLC, Hoa Kỳ tại Việt Nam đã giới thiệu
quy trình cơng nghệ biến đổi bùn đỏ thành cặn bơxít ổn định (SBR), có tính khả
thi về mặt kinh tế, an tồn về mơi trường. Bùn đỏ qua q trình xử lý sẽ thu được 12,8% nhôm hydroxit, 6,5% natri hydroxit và 80% SBR. Hỗn hợp SBR có thể sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xi măng, gạch xây không nung, gạch lát nền và bê tông xây dựng rất hiệu quả. Ngoài ra, SBR dùng để hoàn thổ các mỏ đã khai thác sẽ
rất tốt vì nó có tác dụng tăng năng suất cây trồng, đảm bảo vấn đề môi trường cho các khu khai thác. Cơng nghệ này khơng có chất thải vì tồn bộ nước được lọc thành nước sạch, các hóa chất được thu hồi để tái sử dụng nên giá trị bảo vệ môi trường cao [21]. - Trong nghiên cứu của Lưu Đức Hải và nnk (2014), đã sử dụng 4 loại phụ gia là sét cao lanh, cát xây dựng, bột đá vôi và tro bay để phối liệu với bùn đỏ để sản xuất gạch nung ở 600-8000C. Kết quả cho thấy cao lanh kết hợp với bùn đỏ cho ra các sản phẩm gạch xây dựng có các tính năng cơ lý có nhiều ưu điểm (độ cứng, độ uốn tốt). Đồng thời nghiên cứu cũng chỉ ra sự phụ thuộc mạnh mẽ tính chất cơ lý của sản phẩm vào tỷ lệ phối liệu và nhiệt độ nung sản phẩm.
- Tại hội thảo "Ứng dụng vật liệu xây dựng, thiết bị công nghệ mới trong các cơng trình xây dựng đảm bảo an tồn, tiết kiệm năng lượng và giá thành hợp lý" (2010), PGS.TS Nguyễn Văn Chánh cùng nhóm cộng sự Trường ĐH Bách khoa TP.HCM đã trình bày nghiên cứu công nghệ Geoplymer từ bùn thải của quặng bauxit và tro bay để sản xuất vật liệu xây dựng nhà ở và đường giao thông nông thôn. Được biết, tài nguyên đất bauxit ở nước ta rất phong phú, trong quá trình tuyển quặng thường thải ra lượng đất bùn đỏ, nếu sử dụng loại đất này để làm đường thì vào mùa khơ tạo thành bụi và lầy lội vào mùa mưa. Tro bay, một loại phế thải công nghiệp từ các nhà máy nhiệt điện cũng đã được các nhà nghiên cứu tạo thành chất kết dính trong sản xuất vật liệu xây không nung. Nghiên cứu cho thấy, công nghệ Geoplymer làm cho đất có cường độ cao và ổn định lâu dài không chỉ trong trạng thái khô mà ngay cả trong trạng thái bão hòa nước nhờ các chất liên kết. Các khoáng chất rời rạc trong đất sẽ được liên kết lại thành bộ khung không gian vững chắc, tạo nên cường độ và sự ổn định cho sự không ổn định của đất khi gặp sự thay đổi liên tục của môi trường khơ ẩm. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 10 - 20% tro bay, 6 - 8ml chất đóng rắn/100g bột, cường độ chịu nén là 120 - 150 kgf/cm2, cường độ kéo khi bửa là 13 -19kgf/cm2, mô đun đàn hồi là 4.000 - 6.000kgf/cm2, độ hút nước đạt 6,8 - 8,8%, hệ số mềm 0,8 - 0,9 với điều kiện sấy 6 giờ và nhiệt độ 1000C. "Vật liệu Geoplymer từ bùn thải và tro bay là sự kết hợp có tính chất kỹ thuật phù hợp với việc áp dụng sản xuất gạch không nung cho xây dựng nhà ở và phát triển cơ sở hạ tầng, phát triển - kinh tế xã hội của nông thôn trên phạm vi cả nước" [3].
- Đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép và vật liệu xây dựng không nung từ nguồn thải bùn đỏ trong quá trình sản xuất alumin tại Tây Nguyên” của Vũ Đức Lợi, Viện Hóa học (2012) thuộc Chương trình KHCN trọng điểm cấp nhà nước “Khoa học và công nghệ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng Tây Nguyên (Chương trình Tây nguyên 3) đã nghiên cứu các thành phần và tính chất của bùn đỏ trong q trình sản xuất alumin tại nhà máy alumin Lâm Đồng. Bùn đỏ là chất thải có tính kiềm cao, theo cơng ước Basel và Quy chuẩn Việt Nam QCVN 07:2009/BTNMT thì bùn đỏ được phân loại là chất thải nguy hại. Thành phần sắt trong bùn đỏ cao, hàm lượng Fe2O3 trong tất cả các mẫu đều trên 50%, hàm lượng tổng sắt (T-Fe >35%), do vậy có thể định hướng sử dụng bùn đỏ để làm tinh quặng sắt, gang và thép. Quy trình sản xuất thép từ bùn đỏ dựa trên cơng nghệ hồn nguyên trực tiếp có hiệu suất thu hồi đạt trên 70%, xỉ lị có thể làm phụ gia cho sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng [16].
- Đề tài “Nghiên cứu tái sử dụng bùn thải chứa kim loại nặng để sản xuất gạch khơng nung trên cơ sở ổn định hóa rắn bằng xi măng và polyacrylamit” của GS.TS. Nguyễn Văn Khơi và nnk, Viện Hóa học, Viện Hàn Lâm Khoa học và Cơng nghê Việt Nam (2015) đã nghiên cứu ảnh hưởng của bùn thải đến tính chất gạch khơng nung và ảnh hưởng của polyacrylamit đến khả năng cố định kim loại trong bùn thải. Nghiên cứu đã sử dụng bùn thải được lấy sau công đoạn ép bùn trong hệ thông xử lý nước thải ở dạng khô, hàm ẩm 8 - 10%, bùn sau đó được nghiền với kích thước 1,5 - 2,5mm. Xi măng Pooc lăng mac P40, đá mạt, cát sông, Polyacryamit (PAM) khối lượng 1,5x106 g/mol. Tiến hành phối trộn với các tỉ lệ khác nhau, tạo mẫu gạch với kích thước 400x200x200 mm, sau đó ép bằng máy ép thủy lực với lực nén 110 kg/cm2. Sau khi phơi khơ mẫu được lấy đi phân tích các chỉ tiêu cơ lý (cường độ nén, uốn) và xác định hàm lượng kim loại nặng bị thôi nhiễm ra môi trường. Kết quả phân tích mẫu gạch sau 28 ngày đóng rắn có cường độ uốn cao [14].
1.4.3.2. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thu hồi/tái sử dụng bùn thải mại điện trên thế giới
- Nghiên cứu của Tay và nnk (2001) tại Singapore đã cho kết quả các mẫu bê tông tạo ra từ đất sét và bùn thải cơng nghiệp có độ nén cao hơn nhiều so với vật liệu thơng thường. Ngồi ra, nhiều nghiên cứu khác trên thế giới cũng chỉ ra rằng việc xử
lý và tận dụng bùn thải thành vật liệu xây dựng là một lựa chọn tiềm năng để quản lý chất thải (Gowda và nnk, 2008; Zhan và Poon, 2015). Nghiên cứu tái sử dụng bùn thải chứa kim loại để sản xuất xi măng đã chỉ ra tính khả thi trong việc thay thế các vật liệu thô bằng sử dụng bùn thải chứa kim loại từ quá trình mạ điện của các nhà máy xi mạ, ảnh hưởng của các kim loại nặng chứa trong hỗn hợp xi măng thô lên sự kết tinh trong sản phẩm xi măng cũng đã được phân tích bằng phép phân tích XRD. Khi thay thế hỗn hợp thơ bằng bùn với tỷ lệ 15%, thì sự hình thành pha tricalcium silicat (C3S) trong xi măng sẽ được tăng cường nhờ sự có mặt của các kim loại. Trong quá trình nung, hơn 90% các chất dễ bay hơi như Pb sẽ bay hơi ở nhiệt độ cao, các chất khó bay hơi hơn như Cu, Cr và Ni sẽ bị giữ lại trong clinke. Việc sử dụng bùn thải chứa kim loại làm vật thiệu thô cho xi măng không thải ra nước thải độc hại [53]. - Trong nghiên cứu “Sử dụng tro bùn thải để làm vật liệu gạch” của Deng-Fong Lin và Chih-Huang Weng (2001) đại học Đài Loan đã nghiên cứu và áp dụng thành cơng việc sử dụng bùn làm ngun liệu đóng gạch. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: hai yếu tố quan trọng quyết định đến tính chất của gạch là thành phần của bùn và nhiệt độ đốt. Khi hàm lượng bùn tăng dẫn đến sự co rút sự hút nước và độ nén của gạch. Theo công nghệ này bùn được làm khô ở nhiệt độ thấp, trong điều kiện các thành phần độc hại cố định vĩnh viễn và khơng bay hơi. Sau đó bùn được nén thành các hạt rắn có kích cỡ hạt đậu. Các hạt này khi trộn với sét được nung thành những viên gạch nhẹ. Mỗi hạt bùn chứa khoảng 1500 Kcal nhiệt, nên bản thân chúng sẽ góp phần vào sự cháy và giúp tiết kiệm nhiên liệu nung gạch. Các lỗ hổng nhỏ bên trong mỗi hạt bùn sau khi cháy sẽ giúp giảm trọng lượng của gạch và tăng khả năng chịu nén. Một dây chuyền sản xuất theo công nghệ mới để xử lý 100 tấn bùn mỗi ngày sẽ giúp tiết kiệm khoảng 125.000 USD so với chi phí chơn lấp [36].
- Trong nghiên cứu của P. Sharma và H. Joshi (2016) đã sử dụng bùn thải đã qua xử lý bằng điện hoá để làm gạch block xây dựng cho thấy mẫu vữa với tỷ lệ trộn bùn với xi măng với tỷ lệ từ 0 đến 15% tính theo trọng lượng của xi măng đã được kiểm tra về mật độ, sức nén và mức độ thôi rữa của kim loại nặng theo phương pháp chuẩn. Kết quả phân tích cho thấy, việc kiên cố hố bùn bằng xi măng làm giảm nồng độ kim loại nặng trong nước rỉ. Cường độ nén của gạch block được thay thế bằng bùn với tỷ lệ
7,5% theo trọng lượng của xi măng là <5% so đối chứng (không sử dụng bùn). Điều này có thể được sử dụng trong việc sản xuất các vật liệu xây dựng như gạch lát và làm hàng rào vườn mà không ảnh hưởng đến môi trường [50].
- Trong nghiên cứu của Noor Amira Sarani và nnk (2017) đã trình bày thơng tin cơ bản về việc loại bỏ chất thải bùn khảm từ các hoạt động khảm công nghiệp thành vật liệu xây dựng. Nghiên cứu này rất có lợi cho việc quản lý chất thải rắn và các ngành sản xuất chất thải có hàm lượng kim loại nặng cao bằng cách cung cấp thông tin chi tiết về cách xử lý chất thải bằng cách giảm thiểu tiềm năng lọc kim loại nặng trong khi cung cấp vật liệu xây dựng thân thiện với mơi trường và chi phí thấp. Do đó, một phương pháp xử lý thay thế là kết hợp chất thải khảm như bùn đáy (BS) và bùn đánh bóng (PS) vào gạch đất sét nung. Các viên gạch được kết hợp với tỷ lệ phần trăm khác nhau (0%, 1%, 5%, 10%, 20% và 30% theo trọng lượng) của chất thải bùn và bắn ở 10500C (0,70C/phút tốc độ gia nhiệt). Kết quả tối ưu hóa cho thấy việc kết hợp lên tới 30% bùn khảm vào gạch đất sét nung có khả năng cải thiện tính chất cơ lý của nó. Hơn nữa, việc kết hợp bùn thải khảm thành gạch đất sét có tác động tích cực đến việc rút co ngót, mật độ và cường độ nén. Nghiên cứu này chứng minh rằng BS và PS có thể thay thế chi phí thấp và thân thiện với mơi trường, có thể được sử dụng để cải thiện các tính chất vật lý và cơ học của gạch đất sét nung. Nghiên cứu này kiểm tra tính khả thi của việc làm gạch đất sét nung kết hợp với bùn mạ điện để làm giảm mật độ khối và cường độ nén và tăng tổn thất khối lượng, co rút tuyến tính, tỷ lệ độ xốp và độ hấp thụ nước. Theo quan sát, cường độ nén đã giảm từ 23,5 xuống 15,5 MPa và độ hấp thụ nước tăng từ 2,7 đến 3,46% với. Những kết quả này cho thấy sử dụng bùn mạ điện trong sản xuất gạch đất sét nung hoặc gốm có thể là một phương