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

ười, ven biển để tránh độc hại. Việc nghiên cứu sử dụng bùn đỏ nhằm gĩp phần giảm bớt một phần ơ nhiễm mơi trường đã trở thành một đề tài lớn cho khoa học . Cho tới thời điểm hiện nay, số lượng các nghiên cứu về bùn đỏ v n tiếp tục gia tăng khơng ngừng. Bài báo này tổng hợp một số nghiên cứu về bùn đỏ trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Trong đĩ, bùn đỏ được xem như nguồn nguyên liệu thơ được thêm vào để giảm chi phí [1]. Từ khĩa: Bauxite, bùn đỏ, geopolymer. 1. Giới thiệu về Bauxite và cơng nghệ Bayer sản xuất bột nhơm Bauxite là một trong những tài nguyên khống sản khá dồi dào trên trái đất. Từ bauxite cĩ thể thu hồi alumina Al2O3, rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi aluminium (nhơm kim loại). Khoảng 96% bauxite khai thác được sử dụng trong ngành luyện kim, 4% cịn lại được sử dụng trong các ngành cơng nghiệp khác như: sản xuất vật liệu chịu lửa, gốm sứ, vật liệu mài- đánh bĩng, đá trang sức nhân tạo...[2] Theo kết quả điều tra thăm dị địa chất chưa đầy đủ, ở nước ta khống sản bauxite phân bố rộng từ Nam đến Bắc với trữ lượng khoảng 5,5 tỷ tấn quặng nguyên khai, tương đương với 2,4 tỷ tấn quặng tinh; tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên (chiếm 91,4%), trong đĩ Đăk Nơng 1,44 tỷ tấn (chiếm 61%). So với các mỏ bauxite trên thế giới, bauxite ở Việt Nam được đánh giá cĩ chất lượng trung bình.[3] Quy trình Bayer sản xuất bột nhơm bao gồm 4 bước: hịa tách (digestion), gạn lọc (clarification), kết tủa (precipitation) và nung (calcination) [4]. Trong bước hịa tách, bauxite được nghiền ở dạng bùn sệt với dung dịch NaOH và được bơm vào một thùng chứa áp lực rộng gọi là thùng chiết suất (digester), tại đây quặng được tiếp xúc với hơi nước cĩ áp suất cao. Chất lượng quặng sẽ quyết định các điều kiện đặc biệt nào được sử dụng khi hịa tách. Trong bước này, NaOH sẽ phản ứng với quặng alumin của bauxite tạo thành một dung dịch kiềm aluminat khơng hịa tan và cĩ lẫn tạp chất gọi là bùn đỏ (red mud), bùn đỏ này vẫn tồn tại ở dạng huyền phù và được tuyển trong bước gạn lọc (clarification). Như vậy bùn đỏ từ quy trình sản xuất bột nhơm theo cơng nghệ Bayer là chất thải của quá trình hịa tách. 2. Đặc điểm của bùn đỏ từ quy trình sản xuất bột nhơm theo cơng nghệ Bayer Chất thải bùn đỏ (Hình 1) là hỗn hợp của các hợp chất cĩ trong các khống gốc, Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ* Số 2-2013 108 bauxite, sút dư và các hợp chất được tạo thành trong quá trình Bayer. Trong bùn đỏ, hàm lượng các chất rắn cĩ từ 10 đến 30%, pH 13-14 và lực hút ion cao. Bề mặt riêng khoảng 10m2/g (100.000 cm 2/g), 90% hạt cĩ kích thước dưới 75 m, đây là một trở ngại lớn cho việc tái sử dụng bùn đỏ [4]. Hình 1. Bùn đỏ của nhà máy hĩa chất Tân Bình 3. Một số nghiên cứu về bùn đỏ trong lĩnh vực vật liệu xây dựng Sử dụng bùn đỏ đã trở thành một đề tài lớn cho nghiên cứu khoa học. Một số lượng lớn các nghiên cứu về tiềm năng của bùn đỏ đã được cơng bố, cụ thể từ 1964-2008 đã cĩ 273 bằng sáng chế về đề tài này[5]. Bùn đỏ cĩ thể được sử dụng trong luyện kim (sản xuất sắt và thép, oxit titan, oxit nhơm và kiềm), sản xuất vật liệu xây dựng (cốt liệu nhẹ, gạch, ngĩi, xi măng), chất xúc tác, ceramic (đồ gốm, đồ vệ sinh, thủy tinh, các loại ngĩi đặc biệt, men, ferit..) và các mục đích khác (xử lý nước, chất lọc, phân bĩn). Một trong những ứng dụng quan trọng của bùn đỏ là sản xuất vật liệu xây dựng và các sản phẩm ceramic như xi măng, gạch * Xi măng Việc sử dụng chất thải bauxite để làm phụ gia sản xuất xi măng đã được nghiên cứu từ năm 1936. Trong khi hàm lượng oxit sắt và oxit nhơm của chất thải này rất hữu ích cho quá trình đĩng rắn và gia tăng cường độ xi măng thì kiềm lại gây bất lợi. Singh et al. [6, 7] (1996 - 1997) đã sử dụng một hỗn hợp thạch cao, bauxite và bùn đỏ (trong đĩ bùn đỏ chiếm 20 - 50% khối lượng khơ) để làm một loại xi măng đặc biệt. Bùn đỏ được sử dụng như nguồn cung cấp oxit sắt và oxit nhơm tốt hơn tro bay vì cĩ hàm lượng oxit silic thấp. Hàm lượng oxit titan trong bùn đỏ cũng rất cĩ lợi cho cường độ xi măng. Ở Ấn Độ, từ năm 1988 đến 1999 đã cĩ 2,5 triệu tấn bùn đỏ đã được sử dụng để sản xuất xi măng. Ở Nhật Bản, các thí nghiệm được tiến hành năm 2003 cho thấy xi măng được sản xuất cĩ sử dụng bùn đỏ đáp ứng được các tiêu chuẩn cơng nghiệp của Nhật Bản (Japan Aluminum Organisation, 2004). Ở Ai Cập, cơng ty xi măng Lafarge đã sử dụng 200.000 tấn chất thải bauxite khơ mỗi năm[1] (2005). Trong đĩ, lượng bùn đỏ được sử dụng để sản xuất xi măng chỉ chiếm 1,6% khối lượng bùn đỏ thải ra hằng năm. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây được tiến hành bởi Vangelatos et al.[8] (2009) ở Ai Cập nhằm khảo sát hàm lượng bùn đỏ như một phụ gia trong Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ* Số 2-2013 109 sản xuất xi măng đã cho thấy xi măng Portland cĩ thể đạt được các tính chất yêu cầu khi hàm lượng bùn đỏ tăng lên tới 5%. Chi phí của quá trình xử lý bùn đỏ hầu hết là cho cơng đoạn lọc ép được ước tính khoảng 10 Euro cho một tấn bùn đỏ khơ. Ở Việt Nam năm 2009, TS. Đỗ Quang Minh, bộ mơn silicat thuộc ngành cơng nghệ vật liệu Trường ĐH Bách khoa TPHCM, đã chế tạo thành cơng 50 kg xi măng đầu tiên dùng nguyên liệu là bùn đỏ bằng phương pháp nung kết khối với đá vơi. Loại xi măng này cĩ tốc độ đĩng rắn tương đối nhanh, cĩ thể ứng dụng cho những kết cấu tải trọng khơng cao [9]. * Cốt liệu Để tạo ra cốt liệu từ bùn đỏ cần phải trải qua các giai đoạn như sấy khơ, tạo hạt và nung. Tuy nhiên, một loại cốt liệu từ chất thải bauxite khơng thể cạnh tranh với các loại cốt liệu khác như đá nghiền vì chi phí của quá trình nung và các nghiên cứu được cơng bố về sử dụng bùn đỏ xuất hiện nhiều mâu thuẫn. SagoeCrentsil và Brown [10] (2005) báo cáo rằng bùn đỏ cĩ thể thay thế một phần nhỏ aluminosilicate của geopolymer. Các vật liệu thí nghiệm chỉ cần được trộn và dưỡng hộ ở 85oC trong 2 giờ cĩ thể đạt được cường độ 50 MPa. So sánh với cường độ của đá marble tự nhiên 100- 180 MPa thì cốt liệu từ bùn đỏ với kỹ thuật geopolymer rõ ràng bị hạn chế về cường độ. Sấy và nung bùn đỏ trực tiếp cĩ thể tạo ra cốt liệu nhân tạo phù hợp. Showa Denko et al [11] (1976) đã tiến hành nung bùn đỏ ở 220oC trong 40 phút, sau đĩ tiếp tục nung ở 1200oC trong 2,5 giờ thì thu được cốt liệu với cường độ lớn hơn hoặc bằng cường độ của đá nghiền. Ninh kết và nung để tạo ra một loại vật liệu cĩ giá trị thấp như cốt liệu rõ ràng là khơng kinh tế. * Gạch và block Cĩ hai cách sản xuất gạch và block từ bùn đỏ tùy theo việc cĩ nung hay khơng. Gạch đất sét truyền thống được nung khoảng 900oC để đạt được cường độ yêu cầu cịn gạch khơng nung thì được sản xuất từ xi măng, các chất kết dính vơ cơ hoặc hữu cơ. Theo nghiên cứu của Thakur và Sant [12] (1983), bùn đỏ cĩ thể được thêm vào hệ nguyên liệu như là phụ gia hoặc thành phần chính. Để cĩ được loại gạch cĩ chất lượng so với gạch đất sét nung thì phải trộn bùn đỏ với đất sét hoặc đá phiến sét. Những sản phẩm phế thải khác như tro bay và bụi than cốc cũng cĩ thể được đưa vào. Khi thêm các phụ gia như tác nhân tạo bọt và ferrosilicon thì được các loại gạch nhẹ [12]. Cĩ 14 bằng sáng chế từ năm 1972- 2009 nĩi về việc sản xuất gạch với bùn đỏ. Trong đĩ cĩ 3 bằng sáng chế về gạch nung và 11 bằng sáng chế nĩi về gạch khơng nung được tĩm tắt trong Bảng 1. Bảng 1. Bằng sáng chế về gạch nung và gạch khơng nung GẠCH NUNG Số phát minh Năm % bùn đỏ Nhiệt độ nung ( o C) Thành phần khác DE2063028-B 1972 52-92 900-1000 Đất sét CN14200097-A 2003 - - Tro bay, quặng đuơi, Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ* Số 2-2013 110 xỉ, cát, cặn photphoric, chất thải axit sunphuric CN101269948-A 2008 70-90 900-1200 Đất sét GẠCH KHƠNG NUNG Số phát minh Năm % Bùn đỏ Tác nhân đĩng rắn Thành phần khác JP54039436-A 1979 - Xi măng, vơi, thạch cao Borax CN107942-A 1995 - Vơi, thạch cao Tro than, cát DE4430446-A 1995 >50 Hợp chất canxi KR2006079292-A 2007 12-22 Khơng xác định Chất thải vơi CN101020603-A 2008 15-50 Vơi Tro bay, cát silic CN101205126-A 2008 22-40 Vơi, thạch cao Tro bay, cốt liệu CN101215142-A 2008 20-35 Xi măng, vữa Tro bay, xỉ Bùn acetylen CN101219883-A 2008 22-42 BaSO4, thạch cao, vơi Sa thạch, tro bay CN1844029-A 2008 25-40 Photpho- thach cao Tro than, cốt liệu, xỉ cacbua NL1035134-C6 2008 >50 Vỏ trấu (Rice chaff) - CN101289310-A 2009 - Xi măng, vữa Cát, bê tơng, xỉ Các loại gạch nung cĩ thể được tạo ra với hàm lượng bùn đỏ lên tới 92% và nhiệt độ nung là 1000oC. Đất sét và các loại vật liệu khác cĩ thể được thêm vào tùy theo thành phần và yêu cầu của sản phẩm. Cịn đối với gạch khơng nung cần kết hợp với một hay nhiều tác nhân kết dính. Tác nhân kết dính phổ biến nất là các hợp chất chứa canxi như đá vơi, vơi và thạch cao. Bằng sáng chế NL1035134-C6 đã sử dụng vỏ trấu (rice chaff) làm chất kết dính do vỏ trấu cĩ chứa nguồn silicate tham gia phản ứng với kiềm trong bùn đỏ. Các chất kết dính hữu cơ khác cũng được sử dụng. Mặc dù cĩ nhiều nghiên cứu và bằng sáng chế về kỹ thuật sử dụng bùn đỏ trong sản xuất gạch nhưng vẫn chưa tìm ra được một nghiên cứu nào cĩ ứng dụng cao. Lý do chính là do sự cạnh tranh về vật liệu, nơi sản xuất, sự khơng chắc chắn về kỹ thuật, mơi trường và nguy cơ về sức khỏe của sản phẩm mới. Ở Jamaica năm 1980 [13] đã sản xuất một loại gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ với chất đĩng rắn là xi măng. Tại thời điểm Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ* Số 2-2013 111 này đang xảy ra sự thiếu hụt số lượng lớn nhà cửa, vì vậy một loại gạch cĩ giá rẻ rất phù hợp với tình hình Jamaica (Hình 2). Tuy nhiên gạch từ bùn đỏ chỉ được triển khai ở các vùng nghèo và việc mở rộng sử dụng bị hạn chế. Hình 2. Gạch tiêu chuẩn từ bùn đỏ ở Jamaica [14] Một nghiên cứu gần đây của Yang và Xiao [14] (2008) đã mơ tả quá trình sản xuất gạch khơng nung và block sử dụng bùn đỏ ở Trung Quốc (Hình 3). Sản phẩm của quá trình này đáp ứng được tiêu chuẩn của Trung Quốc và được phép sản xuất để làm vật liệu xây dựng như gạch và block. Cát Bùn đỏ Thạch cao, vôi Trộn Phụ gia Tạo hình Trộn Dưỡng hộ Sản phẩm Nước Hình 3. Quá trình sản xuất gạch khơng nung và block sử dụng bùn đỏ ở Trung Quốc [14]. Ở Việt Nam, nhĩm nghiên cứu PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh, Vũ Huyền Trân, Nguyễn Thị Thanh Thảo đã nghiên cứu sản xuất gạch khơng nung từ bùn đỏ, tro bay và gạch nung nhiệt độ thấp từ bùn đỏ và đất sét (năm 2009) đã cho các kết quả rất khả quan. Với hàm lượng tro bay từ 40-80% và lượng dùng phụ gia hoạt hĩa 4 - 10ml/100 g hỗn hợp tro bay bùn đỏ thì cường độ chịu nén cĩ thể đạt được từ 100 - 190 KG/cm 2, độ hút nước từ 5,2 đến 12,7% và hệ số mềm từ 0,7 đến 0,95. Với các tính chất như trên thì loại vật liệu này hồn tồn phù hợp để chế tạo gạch khơng nung. Hiện nay đề tài vẫn đang được nghiên cứu để ứng dụng vào sản xuất [15]. * Geopolymer Bùn đỏ cĩ chứa một lượng các khống nhơm, silic và kiềm nên phù hợp để tạo geopolymer. Việc thêm kiềm vào Thơng báo Khoa học và Cơng nghệ* Số 2-2013 112 sẽ gia tăng sự hịa tan tùy theo nồng độ ban đầu, thời gian hịa tan và các thơng số khác để quá trình xảy ra. Các nguồn khác của oxit nhơm và silic sẽ được thêm vào để đạt cường độ và các tính chất yêu cầu. Tro bay hoặc xỉ lị cao rất phù hợp để làm nguồn vật liệu cung cấp oxit nhơm và silic. Cĩ rất nhiều nghiên cứu về việc sử dụng xỉ hay tro bay nhưng vẫn chưa cĩ nghiên cứu nĩi về việc sử dụng bùn đỏ để làm vật liệu geopolymer. Tuy nhiên SCRP (Center for Sustainable Resources Processing) đã thành lập Liên đồn Geopolymer với các đối tác cơng nghiệp để tiến hành nghiên cứu nhằm mục đích phát triển những hiểu biết nền tảng về sản xuất các vật liệu geopolymer sử dụng trong bê tơng. Các thơng tin trên website của tổ chức này báo cáo rằng “geopolymer từ bùn đỏ với các tính chất cơ học ấn tượng đã được sản xuất thành cơng. Vật liệu này sẽ mở ra các cơ hội cho việc tái chế một lượng lớn các chất thải cơng nghiệp”. Để đạt được mục tiêu này cần phải tiếp tục nghiên cứu khả năng ứng dụng của bùn đỏ trong vật liệu geopolymer, phát triển các hỗn hợp thành phần và phương pháp sản xuất để hồn thiện hĩa các sản phẩm tận dụng các nguồn vật liệu phế thải. 4. Kết luận Tổ hợp bauxite - nhơm Lâm Đồng (dự án Tân Rai) cĩ cơng suất thiết kế giai đoạn 1 là 650.000 tấn alumin/ năm. Đến nay, cơng tác xây dựng cơ bản của phần khai thác mỏ bauxite đã hồn thành, trong đĩ đã khai thác được 1,6 triệu tấn quặng bauxite. Từ khi dự án triển khai, ít nhiều mơi trường nước, khơng khí tại đây đã bị ảnh hưởng. An ninh xã hội trên địa bàn cũng phức tạp hơn, tệ nạn xã hội theo đĩ cũng tăng lên[16]. Dùng bùn đỏ để sản xuất vật liệu xây dựng sẽ chỉ giải quyết một phần nhỏ lượng chất thải này. Tuy nhiên, vì các giải pháp xử lý bùn đỏ ở Việt Nam vẫn cịn gây nhiều tranh cãi và lo ngại nên ứng dụng này của bùn đỏ cĩ ý nghĩa rất đặc biệt. Việc tìm hiểu, nghiên cứu các kết quả nghiên cứu đã cĩ trên thế giới và Việt Nam hứa hẹn tìm ra các giải pháp xử lý hiệu quả chất thải độc hại này. Theo quan điểm của tác giả, sử dụng bùn đỏ để sản xuất vật liệu khơng nung là một hướng giải pháp đầy tiềm năng, gĩp phần giải quyết vấn đề mơi trường và ổn định cho Tây Nguyên Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y. Pontikes. March 14, 2005.Red Mud Applications. [2] [3] [4] [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. Thơng báo Khoa học và Cơng 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] [10] Sagoe-Crentsil K and Brown T. 2005. Bayer process waste stream as potential feedstock material for geopolymer binder systems. Proceedings of the 7 th 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 Socio- Economic 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 khơng nung bằng cơng nghệ geopolymer sử dụng tro bay và phế thải bùn đỏ để xây dựng nhà ở vùng cao nguyên Việt Nam. Hội nghị Khoa Học và Cơng nghệ gắn với thực tiễn lần IV. [16] Bauxite Tân Rai đã khai thác 1,6 triệu tấn. Rai-da-khai-thac-16-trieu-tan/265712.vov.