BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN TRỌNG DẦN NGHIÊN CỨU ĐÓNG RẮN BÃ THẢI BÙN ĐỎ Chuyên ngành : HÓA VÔ CƠ Mã số : 60 44 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. LÊ XUÂN THÀNH Huế, năm 2011 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Trọng Dần ii iii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Lê Xuân Thành dã dịnh hướng nghiên cứu, tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo khoa Hóa học trường Dại học Sư phạm Huế, các thầy cô giáo khoa Hóa học và khoa Dịa chất, trường Dại học Khoa học Huế dã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Xin chân thành cám ơn Ban giám đốc Nhà máy hóa chất Tân Bình, Nhà máy xi măng Long Thọ, Nhà máy gạch Tuynen Hương Trà dã giúp dỡ, tạo diều kiện tốt nhất cho tôi trong việc lấy nguyên liệu và kiểm tra thông số mẫu thí nghiệm. Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè dã dộng viên, giúp dỡ, tạo mọi diều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành khóa học này. Huế, ngày 10 tháng 09 năm 2011 Tác giả luận văn Nguyễn Trọng Dần MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa i Lời cam đoan ii Lời cám ơn iii Mục lục 1 Chữ viết tắt 4 Danh mục các bảng biểu 4 Danh mục các hình vẽ 5 MỞ ĐẦU 7 Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 10 1.1. TỔNG QUAN VỀ BÔXIT VÀ QUY TRÌNH BAYER 10 1.1.1. Khái quát về quặng bôxit 10 1.1.2. Tổng quan về bôxit Việt Nam 11 1.1.3. Quy trình Bayer trong sản xuất ôxit nhôm từ quặng bôxit 12 1.1.4. Tình hình khai thác quặng bôxit trên thế giới và ở Việt Nam 14 1.2. KHÁI QUÁT VỀ BÙN ĐỎ 15 1.2.1. Thành phần hóa học của bùn đỏ 15 1.2.2. Nguy cơ độc hại của bùn đỏ 16 1.2.3. Một số giải pháp xử lý bã thải bùn đỏ 17 1.3. MỘT SỐ VẬT LIỆU ĐÓNG RẮN 18 1.3.1. Gạch nung 18 1.3.2. Gạch không nung 20 1.4. MỘT SỐ CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ 22 1.4.1. Xi măng Portland 22 1.4.2. Đất sét 23 1 Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 25 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 25 2.2.1. Xác định đặc tính phối liệu 25 2.2.2. Chế tạo vật liệu đóng rắn có nung 25 2.2.3. Chế tạo vật liệu đóng rắn không nung 26 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.3.1. Phương pháp xác định độ ẩm 26 2.3.2. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) 27 2.3.3. Phương pháp phân tích nhiệt 27 2.3.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 28 2.3.5. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 29 2.3.6. Các phương pháp xác định tính chất cơ lý vật liệu xây dựng 30 2.4. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT 34 2.4.1. Dụng cụ 34 2.4.2. Thiết bị 34 2.4.3. Hóa chất và phối liệu 34 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1. ĐẶC TÍNH PHỐI LIỆU 35 3.1.1. Bùn đỏ 35 3.1.2. Đất sét Hương Trà 40 3.1.3. Cát sông 43 3.2. NGHIÊN CỨU ĐÓNG RẮN BÃ THẢI BÙN ĐỎ 44 3.2.1. Đóng rắn chế tạo vật liệu có nung 44 3.2.1.1. Chuẩn bị phối liệu 44 3.2.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nguyên liệu đầu 45 2 3.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 45 3.2.1.4. Ảnh hưởng của thời gian nung 46 3.2.1.5. Ảnh hưởng của chất khoáng hóa 47 3.2.2. Đóng rắn chế tạo vật liệu không nung 48 3.2.2.1. Chuẩn bị phối liệu 48 3.2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng phối liệu và thời gian đóng rắn 49 3.2.2.3. Ảnh hưởng của lực ép mẫu 50 3.3. ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH SẢN PHẨM ĐÓNG RẮN 51 3.3.1. Khối lượng riêng 51 3.3.2. Độ hút nước 51 3.3.3. Dư lượng kiềm 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 3 CHỮ VIẾT TẮT TG : Thermal Gravity DSC : Diffirential Scanning Calometry XRD : X – ray Diffraction EDS : Energy Dispersive X – ray Spectroscopy SEM : Scanning Electron Microscopy L.O.I : Loss of ignition NA : Not available CAS : Chemical Abstracts Service RM : Red mud CL : Clay VLXD : Vật liệu xây dựng DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Stt Ký hiệu Nội dung Trang 1 Bảng 1.1. Đặc điểm các dạng khoáng chính chứa nhôm trong quặng bôxit 11 2 Bảng 1.2 Sản lượng khai thác và trữ lượng bôxit trên thế giới 14 3 Bảng 1.3 Thành phần các dạng pha khoáng của bã thải bùn đỏ 16 4 Bảng 1.4 Chỉ tiêu cơ lí của gạch đặc đất sét nung 20 5 Bảng 1.5 Chỉ tiêu cơ lí của gạch block bê tông 22 6 Bảng 1.6 Thành phần hóa học của clinke Portland 23 7 Bảng 1.7 Thành phần hóa học của đất sét đặc dùng sản xuất gạch ngói 24 8 Bảng 3.1 Độ ẩm của bã thải bùn đỏ 36 9 Bảng 3.2 Hàm lượng kiềm tan trong bã thải bùn 36 10 Bảng 3.3 Thành phần nguyên tố bã thải bùn đỏ 37 11 Bảng 3.4 Thành phần hóa học của bã thải bùn đỏ 38 4 12 Bảng 3.5 Độ ẩm đất sét Hương Trà 40 13 Bảng 3.6 Thành phần hóa học đất sét Hương Trà 41 14 Bảng 3.7 Thành phần hóa học của mẫu cát sông 43 15 Bảng 3.8 Tỷ lệ hàm lượng phối liệu cho mẫu đóng rắn có nung 45 16 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của hàm lượng nguyên liệu đầu 45 17 Bảng 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung 46 18 Bảng 3.11 Ảnh hưởng của thời gian nung 46 19 Bảng 3.12 Ảnh hưởng của hàm lượng chất khoáng hóa 47 20 Bảng 3.13 Tỷ lệ hàm lượng phối liệu mẫu đóng rắn không nung 48 21 Bảng 3.14 Ảnh hưởng của hàm lượng nguyên liệu đầu và thời gian đóng rắn 49 22 Bảng 3.15 Ảnh hưởng của lực ép mẫu 50 23 Bảng 3.16 Khối lượng riêng một số sản phẩm 51 24 Bảng 3.17 Độ hút nước một số mẫu vật liệu 52 25 Bảng 3.18 Dư lượng kiềm trong một số mẫu vật liệu 53 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Stt Ký hiệu Nội dung Trang 1 Hình 1.1 Phân bố trữ lượng bôxit theo vùng ở Việt Nam 11 2 Hình 1.2 Sơ đồ quy trình Bayer trong sản xuất nhôm ôxit 12 3 Hình 2.1 Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên mạng tinh thể 28 4 Hình 2.2 Độ tù của pic nhiễu xạ gây ra do kích thước hạt 29 5 Hình 2.3 Mô hình nguyên lí hoạt động của máy SEM 30 6 Hình 3.1 Ảnh SEM của bùn đỏ 35 7 Hình 3.2 Phổ EDS của bã thải bùn đỏ 37 8 Hình 3.3 Giãn đồ XRD của bã thải bùn đỏ 38 9 Hình 3.4 Giãn đồ XRD của bã thải bùn đỏ nung 1h ở 900 o C 39 10 Hình 3.5 Giãn đồ phân tích nhiệt mẫu bùn đỏ 39 11 Hình 3.6 Phổ EDS mẫu đất sét Hương Trà 41 12 Hình 3.7 Giãn đồ XRD mẫu đất sét Hương Trà 42 13 Hình 3.8 Giãn đồ XRD đất sét Hương Trà nung 1h ở 900 o C 42 14 Hình 3.9 Phổ EDS của mẫu cát sông 43 15 Hình 3.10 Giãn đồ XRD của mẫu cát sông 44 16 Hình 3.11 Giãn đồ XRD của mẫu C 335 48 6 MỞ ĐẦU Bảo vệ môi trường đang trở thành vấn đề cấp bách đối với bất cứ quốc gia nào trên thế giới nhằm bảo đảm sự phát triển bền vững. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của cuộc cách mạng Khoa học – kỹ thuật, vấn đề tốc độ, khả năng ứng dụng công nghệ để giải quyết các nội dung của tăng trưởng kinh tế không còn là vấn đề quan tâm hàng đầu đối với mỗi nền kinh tế. Mối quan tâm lớn nhất hiện nay đó là xử lý những hậu quả do yếu tố kỹ thuật của nền kinh tế đó mang lại, đồng thời sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên. Trong đó, việc xử lý các bã thải công nghiệp là một vấn đề có tính cấp thiết. Với công nghệ và năng lực cũng như thói quen sản xuất hiện tại, hoạt động của các ngành công nghiệp thường phát sinh một lượng chất thải rất lớn. Việc xử lý chúng là một trong những vấn đề cần được quan tâm hàng đầu. Tuy nhiên, vì lý do kinh tế và công nghệ nên trong một số ngành công nghiệp, các bã thải vẫn được lưu trữ tại các bãi chứa. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sinh thái, đặc biệt là các bã thải có tính độc hại cao. Một trong các trường hợp điển hình là bùn đỏ – bã thải của ngành công nghiệp sản xuất ôxit nhôm từ bôxit. Lượng bùn đỏ thải ra từ ngành công nghiệp này là rất lớn, theo thống kê thì hàng năm trên thế giới, lượng bùn đỏ phát sinh khoảng 50 – 80 triệu tấn [25]. Cứ sản xuất một tấn ôxit nhôm thì phải thải ra khoảng 0,3 – 2,5 tấn bùn đỏ [20], tùy thuộc vào chất lượng quặng bôxit và đặc điểm dây chuyền công nghệ. Bùn đỏ thải ra chủ yếu được chứa trong các đầm hay các hồ chứa lớn. Việc lưu trữ chúng vừa lãng phí, vừa đe dọa đến môi trường sinh thái. Hơn nữa, bùn đỏ chứa một lượng lớn các hạt có kích thước nhỏ, nên vấn đề tách nước ra khỏi chúng là khó khăn. Mỗi cơ sở sản xuất nhôm ôxit đều phải duy trì những hồ rất lớn chiếm nhiều diện tích đất để chứa bùn đỏ. Những hồ chứa này luôn luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường sinh thái xung quanh. Vấn đề đặt ra hiện nay là phải xử lý lượng bùn đỏ do sản xuất nhôm ôxit để giảm thiểu tác hại đến môi trường. Quan trọng hơn, việc xử lý đó vừa triệt tiêu yếu tố nguy hiểm, đồng thời sử dụng nó để đưa lại các lợi ích kinh tế phục vụ đời sống dân sinh. Qua quá trình tìm hiểu và khảo sát, chúng tôi nhận thấy rằng dùng bùn đỏ để sản xuất gạch vừa đảm bảo yếu tố bảo vệ môi trường vừa mang lại lợi ích kinh tế vì những lý do sau: 7 [...]... quản lí liên quan Xuất phát từ các đề cập trên, chúng tôi chọn đề tài: Nghiên cứu đóng rắn bã thải bùn đỏ nhằm xử lý bã thải bùn đỏ theo hướng tạo ra vật liệu đóng rắn dùng được trong xây dựng Đề tài thực hiện các nhiệm vụ sau: - Xác định đặc tính bã thải bùn đỏ của nhà máy hóa chất Tân Bình - Nghiên cứu đóng rắn bã thải bùn đỏ - Khảo sát, đánh giá các thông số kỹ thuật và chất lượng của vật liệu... tương lai sẽ phát sinh một lượng lớn bã thải bùn đỏ Do đó, vấn đề tập trung nghiên cứu xử lý bã thải bùn đỏ cần thiết nhận được sự quan tâm của các cấp chính quyền, các nhà khoa học và đông đảo quần chúng nhân dân 1.2 KHÁI QUÁT VỀ BÙN ĐỎ 1.2.1 Thành phần hóa học của bùn đỏ Vấn đề môi trường lớn nhất trong sản xuất nhôm ôxit là cặn bôxit thải ra bùn đỏ Khối lượng bùn đỏ thải ra phụ thuộc vào chất lượng... DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Trong phạm vi đề tài này chúng tôi nghiên cứu khả năng đóng rắn bã thải bùn đỏ sử dụng các tác nhân đóng rắn: đất sét, xi măng Portland, cát sông ở điều kiện thích hợp Sự đóng rắn được khảo sát ở điều kiện không nung và có nung Mẫu sau chế tạo được đánh giá bằng các phương pháp hóa học và vật lí thích hợp 2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Các điều kiện thực... lại trong bã thải bùn đỏ [30] 1.2.2 Nguy cơ độc hại của bùn đỏ Như đã đề cập ở phần mở đầu, vấn đề lưu trữ bùn đỏ vừa gây lãng phí, vừa có nguy cơ ô nhiễm môi trường Khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm do thải nước từ bùn đỏ là rất lớn Hơn nữa, bùn đỏ chứa một lượng lớn hạt nhỏ đến cỡ siêu micro, nên vấn đề tách nước cũng như dư lượng kiềm tan ra khỏi chúng là rất khó 16 khăn Lượng bùn đỏ thải ra rất... tố đến quá trình đóng rắn 2.2.1 Xác định đặc tính phối liệu Với bùn đỏ (1) Đánh giá cỡ hạt của bùn đỏ qua ảnh SEM (2) Xác định độ ẩm và hàm lượng kiềm tan theo phương pháp chuẩn độ axit – bazơ của bã thải bùn đỏ (3) Xác định thành phần hóa học của bùn đỏ theo phương pháp tán sắc tia X (EDS) (4) Xác định các dạng khoáng trong bùn đỏ theo phương pháp XRD (5) Đánh giá sự biến đổi của bùn đỏ theo nhiệt độ... đang từng bước được triển khai Trên thế giới, có nhiều công trình nghiên cứu xử lý bã thải bùn đỏ Tuy nhiên, đa số các kết quả nghiên cứu hiện tại hoặc là 8 chưa đáp ứng về hiệu quả kinh tế, hoặc nếu có thì chỉ xử lý một lượng nhỏ so với lượng bã thải bùn đỏ thải ra ở các nước có ngành công nghiệp sản xuất nhôm ôxit Do vậy, xử lý bùn đỏ hiện vẫn là một thách thức lôi cuốn sự quan tâm các nhà khoa học,... khảo sát: (1) Tỉ lệ bùn đỏ và đất sét theo nhiệt độ nung lên độ bền nén của vật liệu (2) Ảnh hưởng của nhiệt độ nung (3) Ảnh hưởng của thời gian nung (4) Ảnh hưởng của hàm lượng Na2SiF6 2.2.3 Chế tạo vật liệu đóng rắn không nung Nghiên cứu khả năng đóng rắn của bùn đỏ sử dụng các tác nhân đóng rắn: xi măng Portland, và cát sông ở điều kiện thích hợp Cụ thể: (1) Khảo sát tỉ lệ bùn đỏ, chất kết dính xi... dễ gây ra bệnh ung thư Bùn đỏ sẽ quánh khô sẽ có nguy cơ do bụi đỏ bay theo gió Trong mùa mưa, hợp chất kim loại sẽ di chuyển theo các dòng nước Đất đai sẽ không thể trồng trọt, nếu có canh tác thì thực phẩm sẽ có nguy cơ chứa các kim loại nặng [24] 1.2.3 Một số giải pháp xử lý bã thải bùn đỏ Hiện có nhiều công trình nghiên cứu xử lý bùn đỏ chủ yếu theo các hướng: - Nung kết bùn đỏ với các chất phụ gia... của bùn đỏ, nhằm chuyển kiềm từ dạng hòa tan thành các khoáng vật có tính hòa tan yếu Bauxsol TM là sản phẩm thương mại của công nghệ này, nó được dùng để xử lý đất ô nhiễm, nước thải dân cư và nước thải công nghiệp [25] Đa số các kết quả nghiên cứu hiện tại theo các hướng chỉ ra ở trên hoặc là chưa đáp ứng về hiệu quả kinh tế, hoặc nếu có thì chỉ xử lý một lượng nhỏ so với lượng bã thải bùn đỏ thải. .. quanh Bùn đỏ sau khi chắt lọc được rửa để thu lại kiềm nhôm cuốn theo Giảm được lượng kiềm cuốn theo sẽ giảm ô nhiễm môi trường Một vấn đề lớn trong việc xử lý bùn đỏ là không thể rửa sạch bùn đỏ một cách triệt để, vì vậy bùn đỏ chứa nhiều phần kiềm nhôm sót lại, và nó có tính kiềm mạnh pH của bùn đỏ có thể lên đến 13 hoặc cao hơn trong một số trường hợp [30] Như đã nói ở trên, dư lượng kiềm cao trong bùn . Nghiên cứu đóng rắn bã thải bùn đỏ nhằm xử lý bã thải bùn đỏ theo hướng tạo ra vật liệu đóng rắn dùng được trong xây dựng. Đề tài thực hiện các nhiệm vụ sau: - Xác định đặc tính bã thải bùn. 3.1 Độ ẩm của bã thải bùn đỏ 36 9 Bảng 3.2 Hàm lượng kiềm tan trong bã thải bùn 36 10 Bảng 3.3 Thành phần nguyên tố bã thải bùn đỏ 37 11 Bảng 3.4 Thành phần hóa học của bã thải bùn đỏ 38 4 12 Bảng. SEM 30 6 Hình 3.1 Ảnh SEM của bùn đỏ 35 7 Hình 3.2 Phổ EDS của bã thải bùn đỏ 37 8 Hình 3.3 Giãn đồ XRD của bã thải bùn đỏ 38 9 Hình 3.4 Giãn đồ XRD của bã thải bùn đỏ nung 1h ở 900 o C 39 10 Hình