Bùn đỏ là chất thải không thể tránh khỏi trong quá trình sản xuất alumin.
Trong quá trình sản xuất, các nhà sản xuất sẽ phải cố gắng tối đa để thu hồi lượng xút dư thừa để giảm thiểu chi phí tài chính và bảo vệ môi trường. [19]
Hiện nay, trên thế giới chưa có nước nào xử lý triệt để ô nhiễm bùn đỏ. Cách phổ biến mà người ta vẫn thường làm là chôn lấp bùn đỏ ở các vùng đất ít người,
ven biển để tránh độc hại. Với qui hoạch phát triển bauxit ở Tây Nguyên, dự án Alumin Tân Rai - Lâm Đồng sẽ thải ra lượng bùn đỏ khô là 636.720 tấn/năm, dung dịch bám theo bùn đỏ là 687.720 tấn/năm.
Sản phẩm của quy trình Bayer tạo ra dung dịch sodium aluminate và phần bã rắn không tan (gồm 45% dịch lỏng và 55% cặn bùn), hay còn gọi là bùn đỏ, được tách ra bằng phương pháp lắng gạn. Thông thường cứ mỗi tấn nhôm được sản xuất ra thì có khoảng 1 – 1,5 tấn bùn đỏ, do đó lượng bùn đỏ thải ra hàng năm là rất lớn.
Bùn đỏ có độ kiềm rất lớn (pH khoảng 10 – 13) nên đòi hỏi phải được trung hòa về pH < 9 (tốt nhất là khoảng 8,5 – 8,9) trước khi được thải ra môi trường. Phần dung dịch lỏng của bùn đỏ vẫn còn chứa một lượng tương đối cao aluminium và một số anion của kim loại chuyển tiếp khác. Một số trong số chúng có thể gây hại cho môi trường, do đó chúng phải được loại bỏ trước khi thải vào môi trường.
Sự khác nhau về tính chất lý, hóa và khoáng vật của bùn đỏ là do nguồn quặng Bauxite và quá trình hòa tách được sử dụng. Bùn đỏ chứa các hạt thô (> 106 μm), gọi là cát. Số lượng hạt cát thay đổi từ 0,1 đến 50 % trong chất thải hoà tách khác nhau, thông thường 5%. Nhìn chung, thành phần của bùn đỏ còn chủ yếu là các sắt oxit (hematite, goethite), boehmite, một số aluminium hydroxide, canxi oxit, titan oxit (anatase và rutile), thạch anh, sodalíte. Những thành phần này giúp cho bùn đỏ có độ bền hóa học và giúp tạo nên bùn đỏ có độ hoạt động bề mặt cao.
Bảng 1.2. Thành phần nguyên tố hóa học của bùn đỏ [6]
Thành phần hóa học Hàm lượng ( % khối lượng )
Thành phần hóa học Hàm lượng ( % khối lượng )
Al2O3 27,670 P2O5 0,163
Fe2O3 36,280 Cr2O3 0,120
SiO2 8,486 CuO 0,015
CaO 0,066 ZnO 0,010
TiO2 5,389 ZrO2 0,064
MnO 0,045 SO3 0,221
K2O 0,024 MKN 20,330
Sắt oxit
Độ tan của sắt (III) oxit thì thấp, trong khi sắt (II) oxit lại ít tan. Trong khoảng pH 4 – 10, tổng lượng sắt trong dung dịch là khoảng nhỏ hơn 10 - 6M. Các oxit sắt hòa tan chậm trên một khoảng pH rộng. Do các oxit sắt có tính lưỡng tính, nên chúng có thể tan trong môi trường axit để tạo thành cation hydroxo và trong môi trường bazơ để tạo thành anion hydroxo. Các nhóm chức hydroxyl bề mặt là những tâm hoạt động ở bề mặt chất rắn trong môi trường nước. Chúng giữ một cặp điện tử cũng như là một nguyên tử hydrogen liên kết mà có thể phản ứng được cả với axit lẫn bazơ, do đó làm cho các sắt oxit có tính lưỡng tính.
≡FeOH2+ ↔ FeOH + H+
≡FeOH ↔ FeO- + H+ Trong đó: ≡ chỉ ra bề mặt sắt oxit
Về mặt tinh thể học, nhóm hydroxyl bề mặt có thể kết hợp với nhau từ 1 (singly), 2 (doubly) hay 3 (triply) nguyên tử Fe, xem hình 1.3. Mật độ của những nhóm này phụ thuộc cả vào cấu trúc tinh thể và sự khác nhau hình thái tinh thể. Các nghiên cứu về sự hấp phụ cho thấy rằng các nhóm hydroxyl đôi kết trên bề mặt goethite và hematite đều trơ với mọi pH, sự hấp phụ các ion chủ yếu liên quan đến các nhóm đơn kết.
Hình 1.3. Các dạng nhóm hydroxyl bề mặt trên các oxit sắt (III) [14]
Quá trình hấp phụ của các sắt oxit trên bùn đỏ chủ yếu liên quan đến sự tương tác giữa chất bị hấp phụ và các nhóm hydroxyl bề mặt trên các sắt oxit.
Nguyên tử oxy của nhóm hydroxyl bề mặt có thể tương tác với các proton sự hấp phụ các anion đơn giản, các ion hữu cơ trên các sắt oxit đã được nghiên cứu rộng rãi. Sự hấp phụ đặc trưng liên quan đến sự thay thế của các nhóm hydroxyl bề mặt bằng ligand chất hấp phụ. Đó là hấp phụ hóa học, hấp phụ trao đổi ion. Sự hấp phụ đạt cực đại ở pH thấp và giảm khi tăng pH ngoại trừ silicat.
Khoáng silica
Phần tạp chất chính trong Bauxite là những hợp chất của silic, sắt và titan.
Silica hiện diện trong kaolinite (Al2O3.2SiO2.2H2O) và halloysite (Al2O3.2SiO2.3H2O).
Silica, trong thạch anh, không dễ bị hòa tan trong chế độ hòa tách nhiệt độ thấp của quy trình Bayer, tuy nhiên nó đã kết hợp như là khoáng sét tan trong soda kiềm.
Thạch anh có thể bị dính trong chế độ hòa tách nhiệt độ cao, tuy nhiên, sau đó nó phản ứng với soda và alumina trong dung dịch và kết tủa một cách cục bộ như sodium alumino silicate hay sodalíte. Sodalíte trong quy trình Bayer có công thức tổng quát là (3(Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O).Na2X), trong đó n trong khoảng từ 0 – 2 và X là các anion CO32-, SO42-, 2OH-, 2Cl-, hay hỗn hợp của tất cả phụ thuộc vào độ tinh khiết trong dung dịch hòa tách.
Hóa học bề mặt của bùn đỏ
Hóa học bề mặt của các hạt bùn đỏ vô cùng phức tạp do sự khác nhau của vữa bùn. Sự khó khăn cũng tăng khi xác định thành phần hóa học của bề mặt bùn đỏ do lớp bề mặt mỏng (khoảng 5 nm - 1àm). Tuy nhiờn, do những khoỏng và oxit chiếm thành phần chính trong bùn đỏ đã được biết đến là có tính axit/bazơ trong dung dịch nước, nên bùn đỏ cũng có thể mang tính chất tương tự. Tính chất axit/bazơ của bùn đỏ được cho là do các nhóm hydroxyl bề mặt quyết định. Diện tích bề mặt đặc trưng và khả năng hấp phụ proton của bùn đỏ đã xử lý axit là 20,7 m2/g và 2,5 x 10-2mol/g. Santona và đồng sự [10] đã tìm thấy diện tích bề mặt của bùn đỏ khác nhau khi không xử lý và có xử lý axit, 18,9 và 25,2 m2g-1. Việc tăng diện tích bề mặt sau khi xử lý axit cho thấy bùn đỏ đã bị tan một phần và có thể là cancrinte (một dạng sodium aluminosilicate) khi mà khối lượng giảm 9% sau khi trung hòa. Sự hiện diện của nhiều oxit khác nhau trong bùn đỏ, cho thấy rằng nó không chỉ có những phức bề mặt trung tính và các tâm SOH ở điểm đẳng điện (PZC), mà còn có cả phức bề mặt dương (như FeOH2+
, AlOH2+
) và phức bề mặt âm (như TiO-, SiO-). Sự giảm PZC thì đặc trưng cho thông tin về những vị trí tích điện khác nhau trên bề mặt, và việc giải phóng các ion hydroxide tự do vào dung dịch làm tăng điện tích dương trên bề mặt. [11]
1.3.2. Tác hại của bùn đỏ
Bùn đỏ là hỗn hợp bao gồm các chất sắt, magan... và một lượng xút dư thừa do quá trình dung hòa. Theo các nhà khoa học thì đây là chất thải có nguy cơ đe dọa môi trường rất lớn.
Quá trình điều chế alumina, quặng Bauxite được nghiền nhỏ. Do đó, bùn thải khi khô là các hạt bụi mịn sẽ dễ phát tán bụi vào không khí gây ô nhiễm, tiếp xúc thường xuyên với bụi này gây ra các bệnh về da, mắt. Nước thải từ bùn tiếp xúc với da gây tác hại như ăn da, gây mất độ nhờn làm da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt nẻ, đau rát, có thể sưng tấy, loét mủ ở vết rách vết xước trên da. Đặc biệt, khả năng 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 làm ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu [19].
Mặt khác, trái đất hiện nay đang biến đổi không ngừng theo xu hướng ngày càng xấu đi, thiên tai, động đất, lũ lụt ngày càng phức tạp. Khi có những trận động đất, những cơn lũ xuất hiện tạo ra những dòng chảy rất mạnh mang theo cả bùn đỏ.
Lúc đó không những Tây nguyên mà các tỉnh phía Đông Nam Bộ, miền Tây cũng bị ảnh hưởng bởi bùn đỏ. Chính vì vậy, việc xử lý chất thải này là vấn đề bức thiết mang tính sống còn cho các dự án Bauxit ở Tây Nguyên.
1.3.3. Phương pháp xử lý bùn đỏ
Bùn đỏ có độ pH rất cao, vì thế trước khi đổ ra bãi chứa cần phải trung hòa lượng kiềm dư trong pha lỏng để tránh ô nhiễm, bên cạnh đó việc lựa chọn nơi chứa rất quan trọng vì vừa phải đảm bảo yêu cầu nguồn nước, đất trồng và môi trường dân cư lân cận… và phải đảm bảo tính khả thi, tính kinh tế, nhưng tiện lợi nhất là xây dựng bãi chứa ở gần nhà máy để tránh chi phí chuyên chở, vì vậy việc xử lý bùn trước khi thải là rất cần thiết để tránh ô nhiễm môi trường xung quanh. Trên thế giới có hai khuynh hướng chứa bùn trên đất liền và đổ bùn xuống sông, biển.
1.3.4. Ứng dụng của bùn đỏ
Các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu nhằm tìm ra các biện pháp hữu hiệu hơn để sử dụng bùn đỏ. Các ứng dụng bùn đỏ có thể thấy được trong nhiều lĩnh
vực như là vật liệu xây dựng, thu hồi một số kim loại có giá trị, cải tạo làm đất trồng, sản xuất gốm sứ, sản xuất sơn và bột màu, làm chất hấp phụ, chất xúc tác…
1.3.4.1. Xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải [19]
Nguyễn Trung Minh và cộng sự đã sử dụng thành phần có ích của bùn đỏ để tạo ra một loại vật liệu mới, có khả năng xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải, có khả năng hấp phụ cao, giá thành rẻ, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đưa ra đã đáp ứng được cả hai mục tiêu [8]. Một là, giảm được lượng chất thải của quá trình khai thác, chế biến Bauxite. Hai là, tận dụng chất thải dư thừa của quá trình khai thác, chế biến quặng, tạo ra loại vật liệu có khả năng xử lý các ô nhiễm ion kim loại nặng và các chất độc hại khác trong môi trường nước.
1.3.4.2. Sản xuất xi măng từ bùn đỏ [20]
Một sản phẩm xi măng mới ở Việt Nam vừa được Đỗ Quang Minh và cộng sự nghiên cứu và chế tạo thành công từ nguồn chất thải bùn đỏ. Bằng quy trình trộn bùn đỏ, tro bay, vôi và thạch cao nung ở nhiệt độ trên 1250 độ C đã tạo nên loại xi măng mới với khả năng chịu ăn mòn, hấp thụ sóng, độ mịn... khá tốt, độ bóng rắn tương đối nhanh. Nghiên cứu này đã xây dựng một công nghệ mới sản xuất xi măng ở Việt Nam, mở ra một cái nhìn tích cực về xử lý chất thải rắn và những ngành công nghiệp vệ tinh từ việc xử lý các chất thải từ bùn đỏ.
1.3.4.3. Sản xuất gạch, đất sét nung từ bùn đỏ [5]
Nguyễn Thị Thanh Thảo và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng bùn đỏ làm nguyên liệu để sản xuất vật liệu xây dựng, tận dụng bùn đỏ để sản xuất gạch xây với hệ nguyên liệu chính là bùn đỏ và đất sét trên cơ sở nguyên lý chế tạo vật liệu Geopolymer.
1.4. Trung hòa bùn đỏ bằng nước biển