Sừ dụng bùn đỏ (độ ẩm 2%) làm vật liệu xây dựng là một trong các xu hướng chính để làm giảm khối lượng bùn thải sau sản xuất alumin. Quá trình sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng được thực hiện trong phòng Chuẩn bị mẫu, khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học tự nhiên.
Hình 2.1. Quy trình sử dụng bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng
Dựa vào thành phần hóa học của bùn đỏ, sét và cát xây dựng, thành phần hóa học của gạch xây dựng, tính toán được tỉ lệ bùn đỏ, sét và cát cần có để phối trộn và nhiệt độ nung thích hợp. Trong nghiên cứu này, tỉ lệ Bùn đỏ: Cao lanh : Cát được chọn là 16 : 4 : 5 để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định
Nung sản phẩm trong lò Định hình gạch
Phơi sấy sản phẩm
Chuẩn bị phụ gia: đất sét, cát xây dựng
45
hóa rắn theo nhiệt độ từ 600oC đến 1000oC. Trong quá trình nung, cao lanh đóng vai trò cung cấp Al và Si cho vật liệu, cát cung cấp Si cho vật liệu, sao cho vật liệu có thành phần hóa học hợp lý để tạo nên dạng liên kết chặt chẽ và ổn định khi nung.
Trong quá trình sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng, có hai loại kích cỡ gạch được sử dụng là 50 x 50 x 10 mm và 230 x 110 x 63mm. Mỗi kích cỡ phục vụ cho mỗi đích nghiên cứu khác nhau, cỡ gạch 50 x 50 x 10 mm dùng để phân tích xác định thành phần, mức độ an toàn của vật liệu xây dựng (thực hiện tại phòng thí nghiệm khoa Môi trường, trường Đại học khoa học tự nhiên); còn cỡ gạch 230 x 110 x 63 mm dùng trong xác định đặc tính vật lý của vật liệu (thực hiện tại Nhà máy gạch Viglacera Hữu Hưng). Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất hai loại gạch này, đều có những thao tác và trình tự tương tự nhau.
a) Chuẩn bị phụ gia
Phụ gia là thành phần quan trọng của gạch gốm nung sản xuất trên nền bùn đỏ. Phụ gia có vai trò bổ sung các thành phần hóa học và tăng cường tính chất cơ lý cho sản phẩm. Tùy thuộc vào đặc điểm, thành phần hóa học của bùn đỏ, tính toán để lựa chọn được loại phụ gia, tỉ lệ pha trộn phụ gia phù hợp với mục đích của vật liệu cần sản xuất vừa đảm bảo được thành phần của vật liệu, vừa đảm bảo tính an toàn với con người và môi trường. Khi lựa chọn phụ gia trước hết cần quan tâm đến các loại phụ gia có giá trị kinh tế đối với địa phương và có sẵn tại khu vực này, giá thành rẻ và có khả năng khai thác với số lượng lớn. Một số loại phụ gia được sử dụng nhiều trong quá trình chế tạo gạch xây đất sét nung: Cao lanh, cát, tro bay, vôi, bột đá... tuy nhiên, trong nghiên cứu này, hai loại phụ gia được sử dụng là cao lanh và cát xây dựng.
Đất sét kaolinite: được lấy từ Trúc Thôn (Hải Dương), có thành phần chủ yếu là nhôm và silic, thành phần nhôm bổ sung vào vật liệu, góp phần cùng các thành phần có trong bùn đỏ hình thành các khoáng mới. Phụ gia đất sét kaolinite được phơi khô, đập nhỏ và nghiền thành bột mịn và sàng lấy phần mịn < 0,1 mm trước khi đưa vào phối liệu để đảm bảo độ đồng đều của phối liệu khi trộn.
46
Cát xây dựng: Cát xây dựng được sử dụng là cát sông Hồng, có thành phần hóa học chủ yếu là SiO2, có độ hạt < 1mm. Vật liệu cát khi đưa vào phối liệu sẽ làm giảm tính kiềm và độ nhớt của bùn đỏ, do đó không cản trở đến quá trình gia công chế tạo sản phẩm thô. Phần lớn vật liệu cát khi nung không bị mất nước, cùng với các thành phần oxit nhôm và sắt trong bùn đỏ tạo nên độ rắn chắc của gạch gốm nung. Nhược điểm lớn nhất của loại phụ gia này là việc tạo nên tỷ trọng cao của sản phẩm gạch gốm nung, nhưng đây lại là loại phụ gia có giá thành rẻ và có ở nhiều địa phương.
b) Phối liệu
Tất cả các thành phần như bùn đỏ và các phụ gia (cao lanh, cát) đều phải được nghiền nhỏ và cho qua rây 1mm. Sau đó cân các thành phần này theo tỉ lệ đã tính toán được: 16:4:5 (bùn đỏ:cao lanh:cát) và trộn đều với nhau để đảm bảo tính đồng nhất phối liệu sản xuất. Bổ sung nước từ từ vào hỗn hợp đã trộn đến độ ẩm cần thiết (20 – 30%), có khả năng định hình gạch và ủ vật liệu trong 2 - 3 ngày. Quá trình ủ này làm cho nước ngấm đều vào vật liệu, cao lanh có thể trương nở tối đa, tránh hiện tượng nứt vỡ, nổ trên bề mặt vật liệu trong quá trình nung ở nhiệt độ cao.
c) Định hình gạch
Để tạo phôi gạch, sử dụng loại khuôn có kích thước phù hợp với kích thước gạch mong muốn (50 x 50 x 10 mm và 230 x 110 x 63 mm), làm phẳng các cạnh trong lòng khuôn để dễ dàng cho việc tháo dỡ vật liệu từ khuôn.
Vật liệu sau khi ủ, tiếp tục được nhào trộn cho đều và điều chỉnh độ ẩm phù hợp. Sau đó đưa hỗn hợp này vào khuôn, nén chặt, làm mịn và đều các bề mặt gạch rồi đưa gạch ra khỏi khuôn mà không làm biến dạng gạch.
d) Phơi sấy sản phẩm
Sau khi định dạng gạch, gạch có thể được phơi khô ngoài không khí hoặc được sấy trong lò. Yêu cầu của việc phơi sấy sản phẩm thô là đảm bảo cho quá trình mất nước từ từ của sản phẩm trước khi nung đến độ ẩm khoảng 2 - 3% trọng lượng.
47
Để làm việc này, sản phẩm thô sau khi lấy ra khỏi khuôn, được để khô tự nhiên dưới ánh nắng mặt trời hoặc trong bóng râm thoáng khí. Lượng nước còn chứa trong sản phẩm thô sẽ từ từ bay ra ngoài, nhưng hình dạng của sản phẩm không bị biến dạng trong quá trình phơi sấy. Nếu phơi ngoài không khí, thời gian để gạch khô hoàn toàn là từ 7 – 10 ngày; nếu sấy trong lò, thời gian gạch khô ngắn hơn, chỉ trong khoảng 24 giờ. Gạch khi để khô không được nứt vỡ hoặc bị móp méo, biến dạng.
e) Nung sản phẩm
Tùy thuộc vào yêu cầu về đặc điểm của vật liệu, cần xác định nhiệt độ nung sản phẩm phù hợp. Nhiệt độ nung gạch trong phòng thí nghiệm cho các loại gạch kích cỡ nhỏ thường nằm trong khoảng 600 đến 1000o
C. Tại các nhà máy gạch tuynel, gạch có kích cỡ lớn, nhiệt độ của lò nung khoảng 1000oC. Trong quá trình đưa gạch vào lò, đưa nhiệt độ gạch tăng từ từ lên cho viên gạch nóng đều, để tránh sự thay đổi nhiệt độ đột ngột làm nứt, vỡ, nổ gạch. Sau thời gian nung gạch (24h) hạ nhiệt độ gạch dần xuống còn 50oC thì đưa gạch ra bên ngoài.
2.2.2. Phương pháp ngâm chiết xác định độ an toàn môi trường của vật liệu
Một số dụng cụ, thiết bị thí nghiệm và hóa chất sử dụng trong phân tích, nghiên cứu: Dụng cụ: - Bình tam giác 250ml, 500ml - Pipet các loại: 1ml, 2ml, 5ml 10ml - Bình định mức 50 ml, 100ml 1000ml - Phễu - Giấy lọc Hóa chất: - Dung dịch NaOH 1N
48 - Axit axetic băng (95 – 99%) - Dung dịch HCl 1N
Thiết bị tại phòng thí nghiệm Phân tích môi trường, khoa Môi trường, trường Đại học khoa học tự nhiên:
- Cân kĩ thuật - Tủ sấy - Lò nung - Máy lắc - Máy khuấy từ - Tủ hút
Để xác định độc tính của vật liệu, sử dụng phương pháp ngâm chiết theo EPA 1311. Do mẫu cần phân tích là gạch nung ở 600, 700, 800, 900, 1000oC có dạng rắn nên khi phân tích kim loại nặng trong mẫu, có thể áp dụng được một phần từ phương pháp ngâm chiết này.
Theo đó, tùy vào đặc thù của mẫu phân tích, sử dụng một trong hai dung môi chiết dưới đây để ngâm chiết, với cách thức pha dung môi chiết như sau:
- Dung môi chiết 1: Cho 5,7 ml axit axetic băng CH3CH2OOH vào 500ml nước tinh khiết, thêm 64,3 ml NaOH 1N và định mức 1 lít, dung môi thu được có giá trị pH = 4,93 ± 0,05.
- Dung môi chiết 2: Cho 5,7 ml axit axetic băng CH3CH2OOH vào nước cất và định mức lên 1 lít, dung môi thu được có giá trị pH = 2,88 ± 0,05.
2.2.2.1. Xác định dung môi chiết
Xác định dung môi chiết hợp lý cho từng mẫu: Lấy 1 lượng nhỏ mẫu (10g) để nghiền và cho qua rây 1mm, sau đó cân lấy 5g mẫu vừa nghiền cho vào bình tam giác 500ml, thêm vào bình tam giác 96,5 ml nước cất, đậy kín và khuấy từ nhanh
49
trong 5 phút. Đo và ghi lại giá trị pH, tùy thuộc vào giá trị pH đo được ở các mẫu sẽ xác định được dung môi chiết phù hợp:
+ Trường hợp 1: nếu pH ≤ 5, dùng dung môi chiết 1.
+ Trường hợp 2: nếu pH > 5. Tiến hành bổ sung 3,5 ml HCl 1N vào bình tam giác đã khuấy từ ở trên, đậy kín và đun ở 50oC trong 10 phút. Đợi dung dịch nguội về đến nhiệt độ phòng, thực hiện đo lại giá trị pH của dung dịch, ghi lại giá trị pH. Nếu pH ≤ 5, sử dụng dung môi chiết số 1 để chiết mẫu đó. Nếu pH > 5, sử dụng dung môi chiết số 2 để chiết.
2.2.2.2. Quy trình chiết
Sau khi xác định được loại dung môi chiết hợp lý cho mỗi mẫu, tiến hành chiết mẫu bằng dung môi này:
Ban đầu nghiền mẫu đó đến kích thước 9,5mm và đem cân lấy 5g mẫu này cho vào bình tam giác 250ml và thêm 100ml dung môi chiết (loại dung môi đã xác định được ở trên), cho vào máy lắc với tốc độ 30 vòng/phút trong vòng 18h, ở điều kiện nhiệt độ 23oC. Sau đó mang dung dịch thu được từ quá trình lắc này lọc qua giấy lọc thì thu được dịch chiết, đem dịch chiết này đo giá trị pH và ghi lại giá trị đo được.
Phần rắn còn lại đem thực hiện lắc bậc 2, bậc 3...cùng với dung môi chiết tương ứng như trên, cũng trong điều kiện môi trường như trước và đo lại pH. Quá trình lắc dừng lại khi pH ở các lần sau bắt đầu ổn định, giữ lại dịch chiết cuối cùng để phân tích các chỉ tiêu xác định thành phần kim loại nặng.
2.2.2.3. Xác định hàm lượng kim loại nặng
Sau khi dịch chiết có pH ổn định, đem dịch chiết cuối cùng đi phân tích các chỉ tiêu kim loại nặng: Pb, Cu, Zn, Cd bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS – 6800 tại phòng thí nghiệm Phân tích môi trường, khoa Môi trường, trường Đại học khoa học tự nhiên Hà Nội.
50
2.2.3. Phương pháp xác định thành phần khoáng vật của vật liệu
Vật liệu sau khi nung, hình thành các loại liên kết mới, nên có thành vật khoáng vật thay đổi.
Muốn xác định khả năng khoáng hóa của vật chất, sử dụng phương pháp chụp XRD bằng máy SIEMENS D5005 tại khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên.
2.2.4. Phương pháp thử nghiệm vật lý
Để gạch có thể được sử dụng vào thực tế, cần có các đặc tính phù hợp với các tiêu chuẩn cho gạch xây dựng, quan trọng nhất là các đặc tính: chịu uốn, chịu nén, hút nước [37]. Các đặc tính này được xác định tại Trung tâm kiểm định vật liệu xây dựng, Viện Vật liệu xây dựng.
TCVN 6355-2:2009: Xác định cường độ nén [13]: Sử dụng 5 viên gạch làm mẫu thử, mỗi viên gạch được cắt ngang và chồng lên nhau, hai đầu cắt nằm về hai phía khác nhau, ngâm các nửa viên gạch vào nước từ 2 đến 5 phút, sử dụng vữa xi măng để trát phẳng cả hai mặt tiếp xúc với máy ép của mẫu thử và cả hai mặt không có vết lõm, bọt khí, hai mặt trát phẳng phải song song với nhau. Sau khi trát, mẫu được đặt trong phòng thí nghiệm 72 giờ rồi đem thử cường độ nén bằng máy.
TCVN 6355-3:2009: Xác định cường độ uốn [14]: sử dụng 5 viên gạch, ngâm vào nước từ 2 đến 5 phút rồi trát vữa xi măng, để trong phòng thí nghiệm 72 giờ, sau đó đem vào máy thử cường độ uốn.
TCVN 6355-4:2009: Xác định độ hút nước [15]: Sử dụng 5 viên gạch, sấy lên ở nhiệt độ 105 đến 110oC đến khối lượng không đổi, đặt mẫu thử nơi khô ráo rồi cân mẫu (mo). Đặt các mẫu thử theo chiều thẳng đứng trong thùng nước, ngâm trong 24 giờ. Sau khi vớt mẫu ra, thấm khô bề mặt gạch và cân mẫu đã bão hòa nước trong vòng 3 phút (m1). Độ hút nước được tính theo công thức:
51
2.2.5. Phương pháp xác định độ co ngót của gạch nung
Để xác định độ co ngót của gạch sau nung, cần có các thông tin số liệu về kích cỡ của gạch trước khi nung và sau nung. Phương pháp xác định kích thước của gạch trước và sau nung tương tự nhau: Sử dụng thước kẹp đo 3 kích thước của gạch: dài (l), rộng (r) và cao (h). Để xác định được kích thước nào đó của gạch, đo kích thước tại hai đầu và tại giữa viên gạch sau đó cộng lại lấy giá trị trung bình của chúng.
Thể tích viên gạch trước nung được xác định: H1 = l1 x r1 x h1 và sau nung là H2 = l2 x r2 x h2. Độ co ngót của gạch được tính toán: K = H1/H2 .100%
2.2.6. Phương pháp phân tích, đánh giá tổng hợp
Dựa trên những số liệu đã phân tích, thu thập được để đưa ra phương thức tiến hành, cách đánh giá, đề xuất một số giải pháp.
2.2.7. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp
- Các số liệu thu thập từ các điều tra, đề tài, các chuyên đề về công nghệ sản xuất alumin tại hai nhà máy Nhân Cơ và Tân Rai.
- Thu thập các phương pháp, số liệu nghiên cứu, đánh giá trong các tài liệu, giáo trình, tạp chí khoa học có liên quan đến công nghệ Bayer, phương pháp xử lý bùn đỏ, sản xuất vật liệu xây dựng, đánh giá chất lượng sản phẩm....
52
Chƣơng 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Bùn đỏ Tây Nguyên và các vấn đề môi trƣờng
3.1.1. Đặc điểm của bauxite khu vực Tây Nguyên
Theo nguồn gốc phát sinh, bauxite Tây Nguyên được hình thành do quá trình phong hóa đá bazan Q1, có hàm lượng Al2O3 và modul Al/Si đủ để sản xuất alumin theo quy trình công nghệ Bayer. Thành phần, tính chất và trữ lượng quặng bauxite phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc trưng của quá trình phong hóa như: thành phần đá bazan gốc, độ dốc của địa hình, lượng mưa, thảm thực vật. Có hai khu vực tiềm năng lớn đó là Đắc Nông – Gia Nghĩa và Di Linh - Bảo Lộc. Hai nhà máy sản xuất alumin đầu tiên của Việt Nam đã và đang được triển khai xây dựng tại Tân Rai - Bảo Lộc – Lâm Đồng và Nhân Cơ – Gia Nghĩa - Đắc Nông [6].
Thành phần bauxite tại các vị trí dự kiến khai thác làm nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất alumin Việt Nam được trình bày trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thành phần quặng bauxite nguyên khai ở các khu mỏ Tây Nguyên [6]
Thành phần hoá học, %
Mẫu Tân Rai (AP-Pháp)
Mẫu Nhân Cơ (CSIRO-Úc)
Mẫu Gia Nghĩa (ALCOA-Úc) Al2O3 47,1 49,58 47,7 SiO2 2,68 2,46 5,9 Fe2O3 21,1 17,3 18,9 TiO2 2,62 2,69 2,9 M.K.N (Mất khi nung) 26,4 27,2 Na2O <0,3 0,01 0,05 K2O 0,01 CaO 0,06 0,01 MgO 0,01
53 Carbonat 0,15 - 0,23 V2O5 V: 245 ppm (V2O5: 0,0437) 0,041 V: 229 ppm Ga2O3 Ga: 60 ppm (Ga2O3: 0,0081) 0,001 S 0,076 0,07 SO3 0,16 C tổng C hữu cơ 0,108 0,1 0,17 0,11 0,14 0,08 Oxalat 0,015 P2O5 0,08 0,23 0,18 ZnO <15ppm 0,003 Zn: 54 ppm BaO 0,01 ZrO2 0,03 Zr: 227 ppm Cr2O3 0,084 Cr: 661 ppm PbO 0,01 Pb: 7 ppm Be 0,5 ppm Hg 0,07 ppm 3.1.2. Thành phần tính chất bùn đỏ và các vấn đề môi trường
Theo báo các đánh giá tác động môi trường của nhà máy, với quy mô sản xuất 650.000 tấn alumin/năm, lượng chất thải các loại phát sinh trong khâu sản xuất alumin của nhà máy Nhân Cơ đã được tính toán và dự báo [18]: