Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng

ượng chất rắn rất cao, tiết kiệm diện tích nhưng tốn kém và phức tạp hơn, thích hợp với những vùng có lượng bốc hơi lớn hơn so với lượng mưa. Thải ướt là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn thấp hơn, đỡ tốn kém, thích hợp với các vùng có các thung lũng dễ tạo thành hồ chứa, thường áp dụng cho những vùng có lượng mưa lớn hơn so với lượng bốc hơi (ví dụ ở Tây Nguyên - Việt Nam có lượng mưa gấp gần 4 lần lượng bốc hơi: lượng mưa 2400mm; lượng bốc hơi 650mm). Bùn đỏ trước khi thải ra bãi thải phải được rửa ngược dòng 4 - 6 bước nhằm tận thu kiềm và alumin bám theo bùn đỏ (giá kiềm đắt là một trong tiêu hao chính để sản xuất alumin) và đảm bảo yêu cầu môi trường. Hồ bùn đỏ phải có các lớp chống thấm tốt để làm sao kiềm bám theo bùn đỏ không thẩm thấu vào mạch nước ngầm, nước chứa kiềm trong hồ chứa bùn đỏ được thu gom và bơm tuần hoàn về nhà máy alumin sử dụng lại. Độc tính của bùn đỏ Trong quá trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer, các nguyên tố kim loại kiềm (Ca, K, Ba) được đưa vào nhiều, đặc biệt là Na, các nguyên tố này tồn tại dưới dạng ion hòa tan trong bùn đỏ tạo nên độ pH cao (12,5 - 13) gây các tác động xấu đến vật liệu và trang thiết bị tiếp xúc. Hoặc khi thâm nhập vào cơ thể người và sinh vật, với độ pH cao, bùn đỏ có thể gây nên các tổn thương niêm mạc cũng như làm thay đổi cân bằng của các chu trình sinh lý – sinh hóa, gây nên bệnh tật cho cơ thể [8]. Hàm lượng kim loại nặng trong bùn đỏ không quá cao và dạng tồn tại của các kim loại này cũng chưa được nghiên cứu và đánh giá chính xác. Các kim loại nặng có mặt trong bùn đỏ bao gồm: V, Cr, Fe, Ni, Pb, Zr... là các tác nhân gây ô nhiễm có hoạt tính cao. Khi thâm nhập vào cơ thể sinh vật và con người, sẽ tích lũy trong các cơ quan nội tiết, tạo ra các chứng bệnh nan y (ung thư, xương khớp, thần kinh...). Trong bùn đỏ, người ta cũng thường tìm thấy các nguyên tố phóng xạ, những nguyên tố này rất nguy hiểm đối với sức khỏe con người và môi trường. Quặng bauxite tại Tây Nguyên hình thành do quá trình phong hóa đá bazan có tuổi tương đối trẻ (Q1 và Q2), chưa bị biến đổi nhiều dưới tác động của các quá trình tự nhiên nên không có khả năng chứa các nguyên tố phóng xạ. Ngoài ra các nguyên tố như: Al, Ti, Si... cũng có mặt với hàm lượng tương đối cao trong bùn đỏ. Các nguyên tố trên tồn tại trong bùn đỏ chủ yếu dưới dạng không hòa tan trong các thành phần alumin, khoáng vật sét, khoáng vật oxit và một ít dưới dạng hòa tan trong dung dịch kiềm dư. Tuy mức độ độc hại của các nguyên tố này không cao, nhưng khả năng gây ô nhiễm cho môi trường nước (tạo ra độ đục cao, tăng độ nhớt, tạo mầu đỏ của nước) cũng như thâm nhập vào cơ thể sinh vật làm thay đổi các cân sinh lý – hóa của cơ thể sống, từ đó sinh ra các bệnh tật là điều cần được lưu ý. Các phương pháp sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam Các phương pháp sử dụng bùn đỏ trên thế giới Thành phần hoá học bùn đỏ gồm các oxit chính Fe2O3, SiO2, Al2O3, TiO2, NaO, CaO, K2O... với biến động lớn. Ngoài các oxit chính trên, một số mẫu bùn đỏ còn chứa một lượng lớn các nguyên tố kim loại nặng độc hại và kim loại quý như: V, Ga, Th... Các khoáng vật có trong thành phần bùn đỏ gồm khoáng vật còn lại của quặng bauxite ban đầu như: hematite, goethite, thạch anh, gibbsite, boehmite, muscovite và anata; cùng các khoáng vật kết tinh trong quá trình công nghệ sản xuất alumin (quy trình Bayer) như: canxite, sodalite, aluminate canxi và thạch cao. Tuy nhiên, tỷ lệ các khoáng vật trên trong bùn đỏ thay đổi trong phạm vi rộng. Nên bùn đỏ của các nhà máy khác nhau thường có thành phần vật chất khác biệt nhau, đòi hỏi các phân tích chi tiết khi nghiên cứu sử dụng chúng vào các mục đích sản xuất công nghiệp [3]. Với độ hạt kích thước µm và hàm lượng ion mang màu cao, bùn đỏ thường có độ nhớt lớn, màu đỏ, độ pH trên 12,5. Việc nghiên cứu thành phần vật chất và tính chất bùn đỏ là yêu cầu bắt buộc khi tiến hành nghiên cứu xử lý bùn đỏ và sử dụng chất thải này cho các mục đích khác nhau [9, 24]. Việc nghiên cứu xử lý bùn đỏ thu hồi các nguyên tố kim loại có giá trị, cũng như sử dụng bùn đỏ vào mục đích khác đã được các nhà khoa học thế giới nghiên cứu và đề cập theo 3 hướng chính: thu hồi kim loại có giá trị, sản xuất vật liệu xử lý môi trường, sản xuất vật liệu xây dựng [25]. Trong thực tế, hàm lượng các nguyên tố kim loại có giá trị trong bùn đỏ cao, nhưng các quy trình thu hồi kim loại từ bùn đỏ mới có kết quả khoa học trong phòng thí nghiệm. Chất nhuộm và sơn Sản xuất vật liệu xây dựng: Gạch, xi măng và bê tông Thu hồi kim loại : Fe, Al, Ti, Ga, V, Sc Bùn đỏ Đồ gốm Cải tạo đất Chất xúc tác Chất hấp phụ Hình 1.5. Một số phương án sử dụng bùn đỏ [24] Theo các tư liệu đã công bố trên các tạp chí khoa học thế giới, bùn đỏ có thể tận dụng làm phụ gia xi măng. Các số liệu cho thấy, việc bổ sung bùn đỏ vào phụ gia xi măng với khối lượng bằng 1% nguyên liệu thô không làm thay đổi quy trình sản xuất và chất lượng xi măng, nhưng có thể làm giảm giá thành xi măng xuất xưởng. Tuy nhiên, việc sử dụng khối lượng bùn đỏ hàng triệu tấn sinh ra trong quá trình sản xuất alumin ở Tây Nguyên làm phụ gia cho hoạt động sản xuất xi măng là không khả thi. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất vật liệu xây dựng Thành công lớn nhất trong việc tận dụng bùn đỏ là sản xuất các loại gạch có sử dụng thêm các phụ gia các loại khác nhau: kaolinite, cát, quặng photphat, tro bay, quặng Bo thải và nung ở nhiệt độ cao. Các pha kết tinh mới NaAlSiO4, NaSiO3, Ca2Al2SiO7 có độ bền cao, giữ được độ cứng của viên gạch và giữ các ion Na+ linh động trong pha rắn, cứng. Wanchao Liu, Jiak uan Yang, trong bài báo [43] năm 2009 đã trình bày kết quả trong phòng thí nghiệm về thu hồi Fe chứa trong bùn đỏ bằng phương pháp khử các oxit sắt, cũng như phương pháp sản xuất gạch bùn đỏ bằng cách bổ sung phụ gia Ca(OH)2 với nồng độ 9, 13, 17 và 21%. Tác giả Taner Kavas sử dụng chất thải từ nhà máy tuyển quặng Bo của Thổ Nhĩ Kỳ để tạo ra loại gạch có chất lượng, giảm nhiệt độ nung gạch bùn đỏ và làm tăng độ cứng của gạch. Các kết quả trên cho thấy: bùn đỏ có thể sử dụng để sản xuất gạch, tuy nhiên để tạo ra loại gạch có chất lượng và giảm nhiệt độ nung gạch cần tìm kiếm được loại phụ gia cần thiết có giá thành rẻ tại địa phương, đó có thể là đất sét, đá vôi. Các phối liệu gạch bùn đỏ đã thành công trong sản xuất thường được đăng ký bản quyền ở quốc gia đó, nơi có các nhà máy sản xuất. Phương pháp này ngoài việc loại bỏ được ảnh hưởng độc hại của bùn đỏ đối với môi trường, còn có thể tạo ra sản phẩm dân dụng có giá trị đối với địa phương. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất gốm thủy tinh Bùn đỏ còn được sử dụng trong sản xuất gốm thuỷ tinh trong phối liệu sản xuất gốm thuỷ tinh tại công ty Nhôm Shangdong, Trung Quốc có 52% bùn đỏ, 33 % tro bay, 9 % cát thạch anh, 1% TiO2 và 5% Sođa ở nhiệt độ nung 850 – 1100oC tạo ra loại sứ thuỷ tinh có cấu trúc đẹp. Tương tự, sử dụng 50% bùn đỏ cùng với 50% sét có thành phần hoá học (Al2O3 10,8%, SiO2 37,5%, K2O 2%, Na2O 0,8%, CaO 22,1%, Fe2O3 4,1%, MKN 18,7%, thành phần khác 3,2%) tạo ra sản phẩn sứ thuỷ tinh ở nhiệt độ 1000oC. Như vậy, có thể sử dụng các phụ gia tro bay, sét và kaolinite để tạo ra sản phẩm sứ thuỷ tinh quy mô công nghiệp [9]. Sử dụng bùn trong xử lý nước Ô nhiễm nước hiện nay là vấn đề lớn của toàn cầu, kể cả nước mặt và nước thải sinh hoạt hay công nghiệp. Hầu hết các nguồn nước ô nhiễm này đều gây hại cho con người, động vật và cây trồng; chúng có chứa các anion, các hợp chất hữu cơ và cation kim loại nặng. Tất cả các hợp chất này nhất thiết phải được loại bỏ trước khi nước thải được tái sử dụng hoặc thải ra sông suối. Trước nhiều kĩ thuật xử lý nước thải, hấp phụ được xem là phương thức hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi và than hoạt tính được biết đến là giải pháp hữu hiệu trong loại bỏ chất ô nhiễm. Nhưng giá thành chất hấp phụ và quá trình tái sinh chúng lại rất đắt, đã hạn chế quá trình sử dụng và không được ứng dụng rộng rãi. Trong nhiều thập kỉ gần đây, các chất hấp phụ giá rẻ được tạo ra bằng chất thải công nghiệp, nông nghiệp đã được quan tâm và nghiên cứu. Bùn đỏ cũng được xem như chất hấp phụ giá rẻ và nhiều nghiên cứu cho thấy bùn đỏ có khả năng hấp phụ cao do nó có đặc tính xốp và bám dính cao. Trong thời gian gần đây, nhiều nhà khoa học đã bắt đầu quan tâm và nghiên cứu các ứng dụng của bùn đỏ trong môi trường, ví dụ như xử lý nước thải. Bùn đỏ có khả năng loại bỏ được kim loại nặng, các anion vô cơ, ion kim loại hoặc các chất hữu cơ có màu, các hợp chất phenol và vi sinh vật. Ưu điểm lớn nhất của bùn đỏ là nó có khả năng bám dính và đông tụ. Ying Zhao, Jun Wang, Zhaok un Luan (2009) [47, 48] và nhiều công trình nghiên cứu khác đã cho thấy sự thành công trong sử dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ khi xử lý photpho và nito trong nước và một số nghiên cứu sử dụng bùn đỏ để xử lý asen, crom trong nước thải [41, 45]. Bùn đỏ vừa được thải bỏ ra phải được hoạt hóa để có thể loại bỏ được chất ô nhiễm và giảm thiểu được tác động có hại của chúng. Phương pháp hoạt hóa chính đó là: axit hóa, hoạt hóa bằng nhiệt, hoặc kết hợp nhiều hình thức. Dựa vào nguồn gốc của bùn đỏ và nguồn gây ô nhiễm, sẽ có các hình thức hoạt hóa thích hợp. Bùn đỏ sau khi được hoạt hóa sẽ có các đặc tính hóa lý khác hẳn ban đầu [33, 28]. Axit hóa: Các axit này là H2SO4 đặc, HCl hoặc HNO3 loãng. Kết quả chụp SEM cũng cho thấy sự ăn mòn bề mặt và tạo ra các lỗ hổng bên trong bởi axit, các lỗ hổng và bề mặt mới được hình thành là do sự hòa tan canxi và các muối tan trong axit, làm cho diện tích bề mặt tăng từ 14,09m2/g đến 19,35m2/g, làm tăng dung tích hấp phụ của bùn đỏ [24]. Xử lý nhiệt: xử lý nhiệt cho bùn đỏ với nhiều nhiệt độ khác nhau (từ 200oC đến 1000oC). Xử lý nhiệt ở 700oC sẽ làm giảm diện tích về mặt của bùn đỏ nhưng dung tích hấp phụ photphat lại tăng lên. Kết quả phân tích XRD cho thấy, xử lý nhiệt đã làm xuất hiện sự chuyển pha và thay đổi thành phần khoáng vật của bùn đỏ [40]. Như vậy, nếu như bùn đỏ chưa qua xử lý là một nguồn gây ô nhiễm đe dọa môi trường và sức khỏe con người, thì người ta lại tìm ra cách quản lý và xử lý nó để nó trở thành sản phẩm hữu hiệu, mang lại lợi ích cho môi trường và nguồn lợi về kinh tế. Bùn đỏ có thể được sử dụng làm vật liệu xây dựng (gạch, xi măng, đồ gốm), phủ xanh, cải tạo đất, sử dụng bùn đỏ theo các phương thức thân thiện với môi trường sinh thái [44]. Các phương pháp sử dụng bùn đỏ ở Việt Nam Các dự án khai thác – chế biến bauxite Tây nguyên là nguồn gốc phát sinh các chất độc hại vào môi trường, chủ yếu là quặng đuôi sau khi tuyển, bùn đỏ và bùn oxalate từ khâu rửa bã cuối cùng của dây chuyền công nghệ. Thành phần chủ yếu của bùn thải quặng đuôi bao gồm oxit nhôm, oxit sắt, oxit silicvà bùn sét. Thành phần chủ yếu của bùn đỏ bao gồm hematite (Fe2O3), natrisilico aluminate, canxi titanate, nhôm ngậm nước (Al2O3.H2O và Al2O3 .3H2O). Thành phần chủ yếu của bùn oxalate bao gồm Al2O3 - 13,3%, CaO - 31,3% và Na2C2O4 - 10,6% còn lại 45% là các tạp chất khác. Trên thực tế, các hoạt động xử lý và sử dụng bùn đỏ ở Việt Nam chủ yếu là nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm pilot quy mô nhỏ [6]: Thử nghiệm sử dụng bùn đỏ làm chất xử lý môi trường: dùng viên lọc “bùn đỏ” để lọc H2S chứa trong khí biogas tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, Thành phố Hồ Chí Minh do các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ sinh học Việt Nam, Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh..; cũng như các ứng dụng bùn đỏ để hấp phụ kim loại nặng, chất ô nhiễm NO3- và PO43- trong nước thải. Phương hướng này có thể có hiệu quả. Tuy nhiên, với khối lượng hàng triệu tấn của riêng nhà máy alumin Tân Rai hoặc Nhân Cơ, thì lượng bùn đỏ có thể tận dụng cho mục đích này không giải quyết được vấn đề kiểm soát bùn đỏ. Sử dụng bùn đỏ để sản xuất gạch không nung: Khoa Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh công bố năm 2009 về việc 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 và đá dăm mịn để ép thành các viên gạch. Sau khi ủ mẫu gạch sau 28 ngày đêm, 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. Quá trình ổn định hóa rắn Ổn định hóa rắn Ổn định và hóa rắn là quá trình làm tăng các tính chất vật lý của chất thải, giảm khả năng phát tán vào môi trường hay làm giảm tính độc hại của chất ô nhiễm. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong quản lý chất thải nguy hại. Phương pháp này thường được áp dụng trong các trường hợp sau: Xử lý chất thải nguy hại Xử lý chất thải từ quá trình khác (ví dụ tro của quá trình nhiệt) Xử lý đất bị ô nhiễm khi hàm lượng chất ô nhiễm cao trong đất cao. Làm ổn định là một quá trình mà chất thêm vào được trộn với chất thải để giảm tới mức tối thiểu khả năng phát tán của chất nguy hại ra khỏi khối chất thải và giảm tính độc hại của chất thải. Như vậy, quá trình làm ổn định có thể được mô tả như một quá trình nhằm làm cho các chất gây ô nhiễm bị gắn từng phần hoặc hoàn toàn bởi các chất kết dính hoặc các chất biến đổi khác. Cũng tương tự như vậy, quá trình đóng rắn là một quá trình sử dụng các chất phụ gia làm thay đổi bản chất vật lý của chất thải (thay đổi tính kéo, nén hay độ thấm). Như vậy, mục tiêu của quá trình làm ổn định và hóa rắn làm giảm tính độc hại và tính di động của chất thải cũng như làm tăng các tính chất của vật liệu đã được xử lý. Cơ chế của quá trình ổn định hóa rắn Có rất nhiều cơ chế khác nhau xảy ra trong quá trình ổn định chất thải, tuy nhiên quá trình ổn định chất thải đạt kết quả tốt khi thực hiện được một trong các cơ chế sau: Bao viên ở mức kích thước lớn Bao viên ở mức kích thước nhỏ Hấp thụ Hấp phụ Kết tủa Khử độc. Bao viên ở mức kích thước lớn: là cơ chế trong đó các thành phần nguy hại bị bao bọc vật lý trong một khuôn có kích thước nhất định và thành phần nguy hại nằm trong vật liệu đóng rắn ở dạng không liên tục. Hỗn hợp rắn này về sau có thể bị vỡ ra thành các mảnh khá lớn và các chất nguy hại không thể phân tán ra ngoài. Cả khối chất đã được đóng rắn có thể bị vỡ theo thời gian do các áp lực môi trường tác dụng lên. Các áp lực này bao gồm các chu kỳ khô và ẩm, nóng và lạnh, do các chất lỏng thấm qua và các áp lực vật lý khác. Như vậy, các thành phần đã bị đóng rắn theo cơ chế bao viên ở mức có kích thước lớn có thể bị phân tán ra ngoài nếu như tính toàn thể của nó bị phá vỡ. Mức độ bao viên ở mức kích thước lớn này được tăng lên theo loại và năng lượng tiêu tốn để trộn đóng viên nó. Bao viên cỡ mức kích thước nhỏ: các thành phần nguy hại được bao ở cấu trúc tinh thể của khuôn đóng rắn ở qui mô rất nhỏ. Kết quả là, nếu như chất đã được đóng rắn bị vỡ ở dạng các hạt tương đối nhỏ thì đa số các chất nguy hại đó vẫn giữ nguyên ở thể bị bao bọc. Như vậy, tuy các chất nguy hại được bao viên ở mức kích thước nhỏ, nhưng chất thải nguy hại không biến đổi tính chất vật lý nên tốc độ phân tán của nó ra môi trường vẫn phụ thuộc vào kích thước bị vỡ ra theo thời gian của viên bao và tốc độ phân tán tăng khi kích thước hạt giảm. Cũng như bao viên ở mức kích thước lớn, ở mức kích thước nhỏ, các chất nguy hại được bao vật lý bằng các chất kết dính khác nhau như xi măng, xỉ than, vôi và độ bền của nó tăng khi tăng chi phí năng lượng cho việc trộn và đóng viên nó. Hấp thụ: là quá trình đưa chất thải nguy hại ở dạng lỏng vào bên trong chất hấp thụ. Các chất hấp thụ hay được sử dụng là: đất, xỉ than, bụi lò nung xi măng, bụi lò nung vôi, các khoáng (bentonite, cao lanh, vermiculite và zeolite), mùn cưa, cỏ khô và rơm khô. Hấp phụ: là quá trình giữ chất nguy hại trên bề mặt của chất hấp phụ để chúng không phát tán vào môi trường. Không giống như quá trình phủ đóng viên ở trên, khi thực hiện cơ chế này, khối chất rắn khi bị vỡ ra chất nguy hại có thể thoát ra ngoài. Để đóng rắn các chất thải hữu cơ đất, sét biến tính thường được sử dụng. Đất sét loại này là đất sét được biến đổi bằng cách thay các cation vô cơ được hấp phụ trên bề mặt đất sét bằng cation hữu cơ mạch dài để tạo đất sét organophilic. Các phân tử nguy hại sẽ bị hấp phụ vào thạch cao và chúng không thể thoát ra môi trường. Kết tủa: quá trình hóa rắn nói chung sẽ làm kết tủa các thành phần nguy hại trong chất thải thành dạng ổn định hơn rất nhiều. Các chất kết tủa là các thành phần của chất dùng để hóa rắn như hydroxite, sulfua, silicate, carbonate và phosphate. Quá trình này được sử dụng để đóng rắn các chất thải nguy hại vô cơ như bùn hydroxite kim loại. Ví dụ, carbonate kim loại thường ít tan hơn hydroxite kim loại. Với pH cao, phản ứng hóa học sẽ xảy ra và tạo thành carbonate kim loại từ hydroxite kim loại theo phản ứng như sau: Me(OH)2 + H2CO3 → MeCO3 + H2O Tính vĩnh cửu của carbonate kim loại phụ thuộc vào một số yếu tố trong đó có pH. Ở môi trường pH thấp, kim loại vẫn có thể bị hòa tan lại và nó có thể thoát tự do ra ngoài môi trường. Khử độc: là các chuyển hóa hóa học xảy ra trong quá trình ổn định hóa rắn, quá trình này sẽ giúp chuyển chất độc hại thành chất không độc hại. Quá trình khử độc xảy ra là do kết quả của các phản ứng hóa học với các thành phần của chất kết dính, trường hợp điển hình về khử độc là chuyển crom từ hoá trị VI thành crom hóa trị III khi hóa rắn chất thải nguy hại chứa crom bằng xi măng hay chất kết dính có nguồn gốc từ xi măng. Chất phụ gia thường dùng trong ổn định hóa rắn chất thải nguy hại là xi măng, loại xi măng thông dụng nhất là xi măng Portland được sản xuất bằng cách nung hỗn hợp đá vôi với thạch cao (hoặc chất silicat khác) trong lò nung nhiệt độ cao. Lò nung tạo ra linke, đó là hỗn hợp của canxi, silic, nhôm và oxit sắt, thành phần chính là các silicat canxi (3CaO.SiO2 và 2CaO.SiO2). Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Bùn đỏ được lấy từ nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 11/2012: trong giai đoạn này, hai nhà máy Nhân Cơ và Tân Rai đang trong quá trình thi công và hoạt động thử nghiệm, chưa đi vào hoạt động chính thức, nên nguyên liệu cho tất cả các thử nghiệm nói trên là bùn đỏ của xưởng sản xuất alumin của nhà máy hóa chất Tân Bình, thành phố Hồ Chí Minh. Về bản chất, nhà máy hóa chất Tân Bình lấy quặng bauxite từ phân xưởng khai thác và tuyển quặng tại Bảo Lộc, tiến hành sản xuất alumin theo công nghệ Bayer. Các quy trình sản xuất này hoàn toàn tương đồng với các quy trình sản xuất của Nhà máy alumin Tân Rai. Sau công đoạn ép bùn ở nhà máy, bùn đỏ được để khô tự nhiên. Cách lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu tuân theo đúng yêu cầu của cách lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản chất thải nguy hại: mẫu ở dạng khô được lấy tổng hợp nhiều lần, tại nhiều vị trí của bãi thải và được chứa trong các túi đựng bằng polyetylen, bảo quản trong điều kiện nhiệt độ phòng. Sau khi khô, bùn đỏ có kích thước đa dạng từ dạng hạt mịn cỡ 0,1 mm đến kích thước lớn 150 mm do bị đóng rắn, độ ẩm 2%. Trước khi tiến hành thí nghiệm, bùn đỏ được để khô trong môi trường không khí và nghiền nhỏ, cho qua rây 1mm. Phụ gia cát: được lấy ở sông Hồng, có hàm lượng SiO2 cao (100%). Trước khi đưa vào sử dụng trong thí nghiệm, cát được để khô, cho qua rây 1mm để loại bỏ các thành phần có kích thước lớn. Cao lanh: có thành phần chủ yếu là khoáng vật kaolinite cùng một số khoáng vật khác như illite, montmorillonite, thạch anh. Cao lanh được lấy ở khu vực Trúc Thôn, Chí Linh, Hải Dương, có thành phần hóa học: Al2O3(22%), SiO2(66%). Cao lanh ở dạng hạt lớn nên trước khi đưa vào thí nghiệm, cao lanh được nghiền mịn và cho qua rây 1mm. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm đối với các phép phân tích tính an toàn của vật liệu và quy mô thực tế tại nhà máy gạch tuynel để xác định đặc tính vật lý của vật liệu. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng 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. Nung sản phẩm trong lò Định hình gạch Phơi sấy sản phẩm Chuẩn bị phụ gia: đất sét, cát xây dựng Phối liệu phụ gia và bùn đỏ 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 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Nung sản phẩm Tùy thuộc vào yêu cầu về đặc điểm của vật