Luận văn Nghiên cứu thu hồi nhôm và sắt từ bùn đỏ của quá trình sản xuất alumin Tây Nguyên

... 5 Bảng 1-5. Thành phần khoáng vật chính của quặng bôxit .......................................... 5 Bảng 1-6. Diện tích bề mặt riêng của một số loại bùn đỏ ........................................... 9 Bảng 1-7. Thành phần hoá học bùn đỏ ..................................................................... 10 Bảng 2-1: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định tỷ lệ Na2CO3 ........................ 21 Bảng 2-2. Các phƣơng án nghiên cứu xác định tỷ lệ Na2CO3 tối ƣu ........................ 21 Bảng 2-3: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định tỷ lệ CaO .............................. 22 Bảng 2-4. Các phƣơng án nghiên cứu xác định tỷ lệ CaO tối ƣu ............................. 22 Bảng 2-5: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định nhiệt độ thiêu tối ƣu ............. 23 Bảng 2-6: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định thời gián thiêu tối ƣu ............ 24 Bảng 2-7: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định nhiệt độ hòa tách tối ƣu ....... 25 Bảng 2-8: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định thời gian hòa tách tối ƣu ...... 25 Bảng 3-1. Thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ .................................................. 29 Bảng 3-2. Thành phần cấp hạt của mẫu bùn đỏ Nhà máy Hóa chất Tân Bình ......... 30 Bảng 3-3. Kết quả đo thông số vật lý pha lỏng của bùn đỏ ...................................... 30 Bảng 3-4. Thành phần hoá học pha rắn của bùn đỏ .................................................. 31 Bảng 3-5. Kết quả phân tích thành phần khoáng vật của bùn đỏ. ............................. 32 Bảng 3-6. Ảnh hƣởng của tỷ lệ Na2CO3 đến hiệu suất hòa tan nhôm. ..................... 33 Bảng 3-7. Ảnh hƣởng của tỷ lệ CaO đến hiệu suất hòa tan nhôm. ........................... 35 Bảng 3-8. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu đến hiệu suất hòa tan nhôm. .................... 36 Bảng 3-10. Ảnh hƣởng của nhiệt độ hòa tách đến hiệu suất hòa tan nhôm. ............. 39 Bảng 3-11. Ảnh hƣởng của nồng độ chất rắn đến hiệu suất hòa tan nhôm. ............. 40 Bảng 3-12: Thành phần khoáng vật mẫu bùn đỏ sau khi thu hồi nhôm ................... 41 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1-1. Sơ đồ nguyên lý sản xuất alumin bằng phƣơng pháp bayer ....................... 7 Hình 1-2. Thành phần hoá học bùn đỏ của một số nhà máy alumin trên thế giới .... 10 Hình 0-1. Sơ đồ nguyên lý thu hồi nhôm bằng phƣơng pháp thiêu kết .................... 19 Hình 3-1. Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bùn đỏ Nhà máy Hóa chất Tân Bình. .......... 32 Hình 3-2. Ảnh hƣởng của tỷ lệ Na2CO3 đến hiệu suất hòa tan nhôm. ...................... 34 Hình 3-3. Ảnh hƣởng của tỷ lệ CaO đến hiệu suất hòa tan nhôm. ........................... 35 Hình 3-4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu đến hiệu suất hòa tan nhôm. ..................... 36 Hình 3-5. Ảnh hƣởng của thời gian thiêu đến hiệu suất hòa tan nhôm. ................... 37 Hình 3-6. Ảnh hƣởng của nhiệt độ hòa tách đến hiệu suất hòa tan nhôm. ............... 39 Hình 3-7. Sự phụ thuộc của hiệu suất hòa tan nhôm vào nồng độ chất rắn. ............. 40 Hình 3-8. Sơ đồ công nghệ tuyển từ thu hồi sắt từ bã bùn đỏ. ................................. 42 Hình 3-9. Sơ đồ công nghệ thu hồi nhôm từ bùn đỏ. ................................................ 43 5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BKHVCN Bộ Khoa học và Công nghệ CP Cổ phần ĐTM Đánh giá tác động môi trƣờng KCN Khu công nghiệp KTCB Khai thác chế biến KVN Khoáng vật nặng HSPL Hệ số pha loãng MTV Một thành viên QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TNHH Trách nhiệm hữu hạn UBND Ủy ban nhân dân CTNH Chất thải nguy hại VN Việt Nam 1 MỞ ĐẦU Bảo vệ môi trƣờng 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 trƣởng 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 nhƣ thói quen sản xuất hiện tại, hoạt động của các ngành công nghiệp thƣờng phát sinh một lƣợng chất thải rất lớn mà việc xử lý chúng là một trong những vấn đề cần đƣợc 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 đƣợc lƣu trữ tại các bãi chứa. Điều này ảnh hƣởng rất lớn đến môi trƣờng sinh thái, đặc biệt là các bã thải có tính độc hại cao. Một trong các trƣờng hợp điển hình là bùn đỏ - bã thải của ngành công nghiệp sản xuất nhôm oxyt từ bôxit. Lƣợng bùn đỏ thải ra từ ngành công nghiệp này là rất lớn, theo thống kê thì hàng năm trên thế giới, lƣợng bùn đỏ phát sinh khoảng 50 triệu tấn ÷ 80 triệu tấn. Cứ sản xuất một tấn nhôm oxyt thì phải thải ra khoảng 0,3 tấn ÷ 2,5 tấn bùn đỏ, tùy thuộc vào chất lƣợng quặng bôxit và đặc điểm dây chuyền công nghệ. Bùn đỏ thải ra chủ yếu đƣợc chứa trong các hồ thải quặng đuôi. Việc lƣu trữ chúng vừa lãng phí, vừa đe dọa đến môi trƣờng sinh thái. Hơn nữa, bùn đỏ chứa một lƣợng lớn các hạt có kích thƣớc nhỏ, nên vấn đề tách nƣớc ra khỏi chúng là khó khăn. Mỗi cơ sở sản xuất nhôm oxyt đều phải duy trì những hồ thải 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 nƣớc và môi trƣờng sinh thái xung quanh. Vấn đề đặt ra hiện nay là phải xử lý lƣợng bùn đỏ do sản xuất nhôm oxyt đểgiảm thiểu tác hại đến môi trƣờng. Quan trọng hơn, việc xử lý đó vừa triệt tiêu yếu tố nguy hiểm, đồng thời sử dụng nó để đƣa lại các lợi ích kinh tế phục vụ đời 2 sống dân sinh. Qua quá trình tìm hiểu và khảo sát, chúng tôi nhận thấy rằng thu hồi sắt và nhôm từ bùn đỏ vừa đảm bảo yếu tố bảo vệ môi trƣờng vừa có khả năng mang lại lợi ích kinh tế. Xuất phát từ các đề cập trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu thu hồi nhôm và sắt từ bùn đỏ của quá trình sản xuất alumin Tây Nguyên”nhằm xử lý bã thải bùn đỏ theo hƣớng thu hồi sắt và nhôm phục vụ ngành công nghiệp luyện kim với mục tiêu nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm thiểu tác hại môi trƣờng do ngành công nghiệp sản xuất alumin gây ra. Các nội dung chính của đề tài bao gồm: Nội dung 1: Nghiên cứu đặc tính hóa - lý và thành phần khoáng vật bùn đỏ của quá trình sản xuất alumin Tây Nguyên Nội dung 2: Nghiên cứu khả năng thu hồi nhôm từ bùn đỏ. Hoạt động 1: Lựa chọn phương pháp thu hồi; Hoạt động 2: Nghiên cứu điều kiện tối ưu thu hồi nhôm từ bùn đỏ; Nội dung 3: Nghiên cứu khả năng thu hồi sắt từ bùn đỏ; Nội dung 4: Đề xuất quy trình thu hồi nhôm và sắt từ bùn đỏ. 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. QUẶNG BÔXIT VÀ CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN QUẶNG BÔXIT 1.1.1. Tài nguyên bôxit trên thế giới  Phân bố quặng bôxit Theo công bố vào tháng 1/2009 của Cục Khảo sát Địa chất Mỹ (U.S. Geological Survey) thì tiềm năng tài nguyên bôxit toàn Thế giới vào khoảng 55-57 tỷ tấn, phân bố trên các châu lục nhƣ trong bảng 1-1. Bảng 1-1. Phân bố trữ lƣợng Bôxit ở các châu lục TT Châu lục Tỷ lệ phân bố (%) 1 Châu Phi 33 2 Châu Đại Dƣơng 24 3 Nam Mỹ và Carribean 22 4 Châu Á 15 5 Các nơi khác 6 Nguồn: U.S. Geological Survey, 2009. Theo tính toán trên cơ sở hiện trạng và triển vọng phát triển công nghiệp nhôm thế giới thì tài nguyên bôxit toàn cầu có khả năng bảo đảm nguyên liệu cho ngành công nghiệp này 150-200 năm nữa, đƣơc tổng hợp trong bảng 1-2: Bảng 1-2. Những nƣớc có tài nguyên bôxit lớn hàng đầu thế giới TT Nƣớc Tài nguyên bôxit (tỷ tấn) Chắc chắn Dự báo Tổng 1 Guinea 7,4 8,6 16,0 2 Australia 4,4 8,7 13,1 3 Jamaica 2,0 2,5 4,5 4 Brazilia 1,9 2,5 4,4 4 5 Trung Quốc 0,7 2,3 3,0 6 Ân Độ 0,77 1,4 2,17 7 Guyana 0,7 0,9 1,6 8 Hy Lạp 0,6 0,65 1,25 9 Surinam 0,58 0,6 1,18 Nguồn: “Raw Materials Data. Copyright: Raw Materials Group, 2009  Sản lượng khai thác và chế biến quặng bôxit Sản lƣợng bôxit, alumin và nhôm trên thế giới luôn ở xu thế gia tăng trong mối quan hệ cung cầu chặt chẽ. Tổng hợp trên thế giới và đƣợc trình bày tại bảng 1-3. Bảng 1-3. Sản lƣợng khai thác, chế biến bôxit hàng năm trên thế giới (triệu tấn/năm). Năm 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Bôxit 120 125 125 126 131 138 140 141 155 Alumin 43,0 44,6 44,4 48,1 48,9 52,7 54,0 65,2 59,5 Nhôm 19,7 20,9 21,9 22,7 23,9 24,7 24,7 26,1 28,1 Nguồn: “Raw Materials Data. Copyright, 2014”  Sản phẩm bôxit, sản xuất alumin và nhôm trên thế giới Trên thế giới hiện có khoảng 20 nƣớc khai thác bôxit, 30 nƣớc sản xuất alumin và 40 nƣớc sản xuất nhôm. Trong đó:  11 nƣớc có cả khai thác bôxit, sản xuất alumin và nhôm.  4 nƣớc chỉ khai thác bôxit và sản xuất alumin  8 nƣớc chỉ sản xuất alumin và nhôm  2 nƣớc chỉ khai thác bôxit và sản xuất nhôm  2 nƣớc chỉ khai thác bôxit  1 nƣớc chỉ sản xuất alumin  18 nƣớc chỉ sản xuất nhôm 5 Những nước khai thác và chế biến bôxit được tổng hợp trong bảng 1.4. Bảng 1-4. Khai thác bôxit, sản xuất alumin và nhôm trên thế giới Nƣớc Bôxit (2013) Alumin (2013) Nhôm (2013) Triệu tấn/năm % Triệu tấn/năm % Triệu tấn/năm % Australia và Newzealand 55,6 35,87 16,975 27,28 2,246 7,51 Châu A 28,57 18,43 11,486 18,8 9,747 32,61 Châu Phi 17,54 11,32 0,698 1,26 1,766 5,73 Châu Âu 9,4 6,06 10,343 16,95 9,376 30,46 Châu Mỹ 43,59 28,11 16,79 30,41 7,467 24,97 Nguồn: Mineral Commodity Summaries, 2014 1.1.2. Thành phần khoáng vật chính của quặng bôxit Các khoáng vật chính của quặng bôxit là gipxit, bơmit và diaspor và công thức hóa học của các khoáng vật này đƣợc trình bày trong bảng 1-5. Bảng 1-5. Thành phần khoáng vật chính của quặng bôxit Tên gọi Công thức hóa học Hàm lƣơṇg theo lý thuyết (%) А12О3 SiO2 Bơmit γ-А1О[ОН] 85,0 - Diaspor α-А1О[ОН] 85,0 - Gidrargilit (gipxit) А1[ОН]3 65,4 - Caolinit Al2O3 – 2 SiO2 – 2 H2O 39,5 46,5 Nguồn: “Raw Materials Data. Copyright, 2009. 6 1.1.3. Ứng dụng của bôxit Khoảng 96% bôxit khai thác đƣợc sử dụng cho ngành luyện kim, 4% còn lại đƣợc sử dụng cho các ngành công nghiệp khác nhƣ: vật liệu chịu lửa, gốm sứ, vật liệu mài - đánh bóng Bôxit đƣợc sử dụng trong sản xuất sơn, chất hấp phụ các tạp chất khác nhau cho tinh chế các sản phẩm dầu khí. Hơn 90% sản lƣợng alumin (gọi là alumin cấp luyện kim) trên thế giới đƣợc sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, còn lại khoảng 10% sử dụng cho công nghiệp hóa chất và các ngành công nghiệp khác. 1.2. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM TỪ QUẶNG BÔ XÍT Công nghệ sản xuất nhôm từ quặng bôxit chủ yếu đƣợc tiến hành theo phƣơng pháp Bayer và phƣơng pháp thiêu kết. Tuy nhiên theo thống kê có hơn 90% alumin trên thế giới đƣợc sản xuất ra bằng phƣơng pháp Bayer, chỉ khoảng 10% bằng phƣơng pháp thiêu kết từ bôxit và các nguyên liệu khác. Ở Việt Nam quá trình sản xuất nhôm cũng đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp Bayer nên dƣới đây chỉ đề cập phƣơng pháp Bayer, sơ đồ quy trình công nghệ nhƣ đƣợc trình bày tại hình 1-1: 7 Hình 1-1. Sơ đồ nguyên lý sản xuất alumin bằng phƣơng pháp bayer Bản chất của phƣơng pháp công nghệ Bayer là khi xử lý bôxit bằng dung dịch kiềm costit dƣới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, Al2O3 hoà tách vào dung dịch kiềm tạo thành dung dịch aluminat, sau khi tách hết bã bôxit (bùn đỏ), dung dịch aluminat đƣợc thủy phân aluminat thu Al(OH)3kết tủa, Sản phẩm này, sau đó sẽ đƣợc nungtạo ra sản phẩm là alumin Al2O3 có độ sạch tới 98,8%. Bùn đỏ đƣợc xử lý sau đó thải ra bãi, nó có chứa một lƣợng đáng kể kiềm liên kết, nhất là kiềm tự do nên có khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng, đòi hỏi phải đƣợc bảo quản tốt. 1.3. BÙN ĐỎ VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƢỜNG LIÊN QUAN ĐẾN BÙN ĐỎ 1.3.1. Bùn đỏ Bùn đỏ là chất thải của quá trình sản xuất alumin hoặc hydroxyt nhôm từtinh quặng bôxit. Trong công nghệ Bayer, bùn đỏ đƣợc tạo ra ở công đoạn hòa tách. Trong công nghệ thiêu kết, bùn đỏ đƣợc tạo ra ở công đoạn thiêu-hoà tách. Khối lƣợng bùn đỏ tạo ra nhiều hay ít phụ thuộc vào chất lƣợng quặng bôxit và công nghệ chế biến quặng bôxit cũng nhƣ công nghệ xử lý bùn đỏ trƣớc khi thải. Lƣợng 8 tạo thành bùn đỏ (khô) dao động trong khoảng 0,8-2,0 tấn/tấn alumin hay hydroxyt nhôm tùy thuộc vào chất lƣợng quặng bôxit ở từng vùng khác nhau trên thế giới. Một số mẫu công nghệ của các mỏ bôxit ở khu vực Tây Nguyên của Việt Nam cho kết quả trung bình 1 tấn alumin sẽ hình thành khoảng 1,5 tấn bùn đỏ (khô) [2].Thành phần hoá học và thành phần khoáng vật của bùn đỏ cũng phụ thuộc vào nguyên liệu bôxit, công nghệ chế biến bôxit cũng nhƣ công nghệ xử lý bùn đỏ trƣớc khi thải. Đối với công nghệ Bayer thành phần hoá học của bùn đỏ nhƣ sau: Fe2O3: 25-60 %; TiO2:1-10 %; Na2O:1-10 %; Al2O3: 5-25 %; SiO2:1-20 %; MKN: 5-15 % và CaO: 2-8 % [3]. Thành phần bùn đỏ trong sản xuất alumin củadự án Tân Rai (Lâm Đồng) và dự án Nhân Cơ (Đắk Nông), bao gồm: Fe2O3 (46,32 %), Al2O3 (17,56 %), SiO2 (6,7 %), TiO2 (7,2 %), Na2O (3,43 %), CaO (5,29 %), Khác (13,5 %) và một lƣợng xút (NaOH) dƣ.Độ pH của bùn đỏ thƣờng dao động trong khoảng pH từ 10 đến 13 và là thành phần gây ra tác động tiêu cực đến môi trƣờng [3]. Các khoáng vật của bùn đỏ bao gồm các pha có trong bôxit nhƣng không bị phá huỷ và các pha mới tạo thành trong quá trình chế biến. Đối với công nghệ Bayer, thành phần của pha natrialuminosilicat thƣờng có công thức nhƣ sau: 3(Na2O.Al2O3.2SiO2).Na2X.nH2O Ở đây, X- có thể là CO3 2- , SO4 2- , Cl - , OH - , AlO2 - , ... Ở các điều kiện nhất định, TiO2 có trong bôxit cũng tạo nên natri titanat với các thành phần khác nhau. Trong quặng bôxit, Fe2O3 chủ yếu nằm trong pha gơtít hầu nhƣ không bị hoà tan trong quá trình Bayer và thƣờng tạo ra bùn đỏ rất khó lắng, lọc. Trong các điều kiện có kiểm soát, gơtit có thể chuyển thành hêmatit do đó sẽ cải thiện quá trình lắng, lọc và giảm chi phí vận hành. Dƣới đây là đặc tính của một số loại bùn đỏ trên thế giới: 9 Bảng 1-6. Diện tích bề mặt riêng của một số loại bùn đỏ Loại bùn đỏ Diện tích bề mặt riêng (m2/g) Thành phần cấp hạt ≤ 0.074mm Bùn đỏ Jamaica, hoà tách ở 2500C có sục hydro 22,2 65,1% Bùn đỏ Jamaica, hoà tách ở 1400C trong 0,5h 36,0 - Bùn đỏ Brazil 34,5 - Bùn đỏ Hy Lạp 7,3 - Bùn đỏ Tây Phi 19 - Bùn đỏ Australia 15 - Bùn đỏ Việt Nam 57,83 87,1% Nhiều nghiên cứu về bùn đỏ trên thế giới đã chỉ ra rằng: Bùn đỏ là một loại vật liệu rất mịn xét về phân bố cỡ hạt và gồm những phân tử dạng mảnh mỏng [14]; [17]; [18]. Giá trị đặc trƣng là 90 % thể tích chứa hạt có kích thƣớc cỡ 75 μm. Diện tích riêng bề mặt của bùn đỏ vào khoảng 10 m2/g. Bùn đỏ chứa các hạt thô (> 106 μm hoặc >150 μm) gọi là cát. Số lƣợng hạt cát thay đổi từ 0,1 đến 50 % trong chất thải hoà tách khác nhau, thông thƣờng là 5%. Trong nhiều trƣờng hợp hạt cát đƣợc tách ra khỏi trƣớc khi gạn lọc và chuyển tới thiết bị rửa trong hệ thống tách. Hạt cát có thể chứa quartz. Tỷ trọng của cát ở khoảng 2,6÷3,5 t/m3; tỷ lệ lắng: 0,014÷35,9 cm/ks (tỷ lệ cao hơn cho thấy có cát); độ pH dao động từ 12÷13,5 bởi có thành phần natri cácbonat kiềm nhƣ là natri hydroxit. Độ phân bố cỡ hạt đặc trƣng của bùn đỏ (hạt mịn và hạt cát thô) đƣợc trình bày tại hình 1-2. 10 Hình 1-2. Thành phần hoá học bùn đỏ của một số nhà máy alumin trên thế giới Thành phần hóa học của bùn đỏ ở một số nhà máy sản xuất alumin trên thế giới đƣợc thống kê trong bảng 1-7. Bảng 1-7. Thành phần hoá học bùn đỏ [18] Nhà máy Thành phần, % khối lƣợng Fe2O3 Al2O3 TiO2 SiO2 Na2O CaO MKN Balco, India 27,9 19,4 16,4 7,3 3,3 11,8 12,6 Hindalco, India 28,1 21,9 15,6 7,5 4,5 10,2 12,2 Indal, India 44,5 19,2 13,5 7,0 4,0 0,8 10,0 St.Croix, USA 22,9 33,8 12,9 8,5 6,0 3,5 12,4 Arvida Que, Canada 27,4 28,4 9,8 14,3 8,8 1,3 9,9 Kirkwine, Jamaica 49,4 13,2 7,3 3,0 4,0 9,4 12,5 Gramercy, USA 51,5 15,0 6,7 1,7 1,0 7,0 9,3 Ajka, Hungary 42,1 14,8 5,2 13,5 8,9 6,1 8,2 Titograd, Yugoslavia 39,7 19,2 4,9 13,0 9,6 5,7 7,2 Pocos Caldes, Brazil 29,6 21,9 4,4 17,5 8,3 2,9 11,5 Pinjara, Australia 36,2 17,1 3,9 23,8 1,6 3,9 10,4 Nalco, India 54,8 14,8 3,7 6,4 4,8 2,5 9,5 11 1.3.2. Các vấn đề môi trƣờng liên quan đến bùn đỏ Bùn đỏ đƣợc đặc trƣng bởi nồng độ tƣơng đối cao của natri aluminate, natri cacbonat và một loạt các anion khác. Vì vậy, nếu không đƣợc xử lý chúng sẽ trở thành nguồn tiềm năng gây nguy hại cho môi trƣờng. Tác động môi trƣờng lớn nhất của bùn đỏ là chiếm dụng một diện tích lớn đất để làm bãi thải bùn. Có những trƣờng hợp diện tích đất làm bãi thải lớn gấp 10 lần diện tích để xây dựng nhà máy. Ví dụ bãi thải bùn đỏ của nhà máy luyện alumin Gove thuộc Công ty Nabalco (Australia) chiếm tới 500 ha, bãi thải bùn đỏ của nhà máy Alumin Queensland Limited tại Gladstone, Queensland rộng 1000 ha [3]. Hơn nữa, do kích thƣớc hạt của bùn đỏ rất mịn, độ kiềm cao (pH=12-14), hàm lƣợng chất hữu cơ và các chất dinh dƣỡng cực thấp nên cây cối, thậm chí cỏ dại cũng rất khó sống nổi trên những bãi thải bùn đỏ đã ngừng hoạt động. Muốn phục hồi và cải tạo môi trƣờng đối với các bãi thải bùn đỏ, để có thể trồng đƣợc cây đòi hỏi một kinh phí rất lớn. Do tính kiềm mạnh (độ pH cao) nên theo Công ƣớc quốc tế Basel (Điều 1, dòng 1a, loại #B2110, theo Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế châu Âu(OECD) (Code GG110-SRA) thì bùn đỏ cũng thuộc danh mục chất thải nguy hại (CTNH). Ở Việt Nam, theo QCVN 50:2013/BTNMT thì chất thải có tính kiềm pH ≥ 12,5 thì xếp vào danh mục CTNH. Do đặc tính này mà bùn đỏ là nguồn tiềm năng gây tác động xấu tới môi trƣờng và hệ sinh thái. Ngoài ra, vấn đề lƣu trữ bùn đỏ vừa gây lãng phí, vừa có nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng. Khả năng gây ô nhiễm nguồn nƣớc ngầm do thải nƣớc từ bùn đỏ là rất lớn. Hơn nữa, bùn đỏ chứa một lƣợng lớn hạt nhỏ đến cỡ siêu mịn (micromet), nên vấn đề tách nƣớc cũng nhƣ dƣ lƣợng kiềm tan ra khỏi chúng là rất khó khăn. Lƣợng bùn đỏ thải ra rất lớn; theo nhiều thống kê thì lƣợng bùn đỏ trên thế giới hàng năm phát sinh khoảng 50 – 80 triệu tấn [1]. Thông thƣờng, khi sản xuất 1 tấn nhôm oxit bằng phƣơng pháp Bayer thì lƣợng bùn đỏ thải ra là 0,3 – 2,5 tấn [3]. Bùn đỏ thải ra chủ yếu đƣợc chứa trong các đầm hay các hồ chứa lớn. Mỗi cơ sở sản xuất nhôm đều phải duy trì những hồ chứa rất lớn chiếm rất nhiều diện tích đất để chứa bùn đỏ. Những hồ chứa này luôn luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm cho nguồn nƣớc và môi trƣờng sinh 12 thái xung quanh. Trên thế giới đã chứng kiến không ít các sự cố vỡ đập hoặc tràn đập chứa bùn đỏ gây nên các ảnh hƣởng nghiêm trọng đến môi trƣờng sinh thái. Sự cố nhà máy alumin Ajka là một vụ tai nạn tràn bùn đỏ tại một chuỗi hồ chứa chất thải độc hại của nhà máy alumina Ajkai Timföldgyár tại làng Ajka, hạt Veszprém, ở phía tây Hungary vào lúc 12h25 giờ địa phƣơng ngày 4 tháng 10 năm 2010 khi góc tây bắc của các đập của hồ chứa số 10 bị sụp đổ, làm thoát ra khoảng một triệu mét khối chất thải lỏng từ hồ bùn đỏ. Bùn đỏ đã tràn ra dƣới dạng sóng 1-2 mét, ngập lụt một số địa phƣơng lân cận, bao gồm các làng Kolontár và thị trấn Devecser. Ít nhất chín ngƣời đã chết, và 122 ngƣời bị thƣơng. Khoảng 40 km vuông đất ban đầu đã chịu ảnh hƣởng của sự cố này. Bùn đã tràn đến sông Danubevào ngày 7 tháng 10 năm 2010. Thảm hoạ vỡ đập bùn đỏ tại Brazil (ngày 5/11/2015) khiến ít nhất 13 ngƣời thiệt mạng đã để lại hậu họa nghiêm trọng. 500 dặm dọc theo chiều dài con sông Rio Doce ra đến cửa biển Đại Tây Dƣơng đã bị nhiễm độc thạch tín và thủy ngân trầm trọng. Tại Việt Nam mối đe dọa từ thảm họa bùn đỏ ở Trung - Tây Nguyên vẫn còn đó. Ngày 08/10/2014, bùn đỏ đã tràn ra từ một hồ thải quặng ở khu vực nhà máy bauxite Tân Rai, Lâm Đồng. Lƣợng nƣớc có lẫn bùn chảy từ Hồ thải đuôi quặng qua đoạn đê phụ bị sạt lở ra ngoài khoảng 9.000 m 3 . Bùn đỏ sau khi chắt lọc đƣợc rửa để thu lại kiềm nhôm cuốn theo. Giảm đƣợc lƣợng kiềm cuốn theo sẽ giảm ô nhiễm môi trƣờng. 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 trƣờng hợp [18]. Nhƣ đã nói ở trên, dƣ lƣợng kiềm cao trong bùn đỏ rất nguy hiểm, nếu nhƣ hồ chứa bùn đỏ có sự cố, bùn đỏ tràn ra ngoại môi trƣờng thì sẽ gây nên thảm họa sinh thái do môi trƣờng thủy sinh bị nhiễm kiềm, các sinh vật không thể sống đƣợc, không thể canh tác trên những vùng đất đã bị bùn đỏ tràn qua. Theo Oliver Donard, Giám đốc Học viện Khoa học phân tích và Vật lí – Hóa học về môi trƣờng và vật liệu thuộc Trung tâm Quốc gia nghiên cứu khoa học CNRS và Đại học Paul, mức độ nguy cơ về dài hạn của bùn đỏ tùy thuộc vào thành 13 phần kim loại có trong chất thải này. Nói chung, có khá nhiều sắt oxit, nhôm oxit, silic, titan, chì, crom và có thể cả thủy ngân trong bùn đỏ. Vấn đề ở đây là dạng thức hóa học của kim loại và hoạt tính của nó. Ví dụ nhƣ nhôm oxit, ở thể rắn thì không độc, nhƣng ở dạng dung dịch, nó có hoạt tính cao và có thể xuyên thấu các màng sinh học. Tƣơng tự, crom dƣới dạng Cr(VI) khi xâm nhập vào cơ thể rất dễ gây ra bệnh ung thƣ. Bùn đỏ sẽ quánh khô sẽ có nguy cơ do bụi đỏ bay theo gió. Trong mùa mƣa, hợp chất kim loại sẽ di chuyển theo các dòng nƣớc. Đất đai sẽ không thể trồng trọt, nếu có canh tác thì thực phẩm sẽ có nguy cơ chứa các kim loại nặng. 1.3.3. Tình hình nghiên cứu xử lý và tái sử dụng bùn đỏ trên thế giới và ở Việt Nam (a) Trên thế giới Ngành công nghiệp sản xuất nhôm thế giới phát triển rất nhanh kể từ khi ra đời cho đến nay. Cùng với sự phát triển của công nghệ và nền kinh tế, quy mô của các nhà máy sản xuất alumin cũng ngày càng lớn. Năm 1980 các nhà máy alumin có công suất 1 triệu tấn/năm, đƣợc xây dựng ở Australia và ở Brazil đƣợc coi là các nhà máy lớn. Hiện nay đã có nhà máy alumin Alunorte (ở Barcarena, Brazil) có công suất tới 6 triệu tấn/năm. Sản xuất alumin (hoặc hydroxyt nhôm) bằng phƣơng pháp Bayer sẽ thải ra một khối lƣợng lớn chất thải “bùn đỏ”. Theo tổng kết của Tổ chức nghiên cứu khoa học và công nghiệp của Liên bang Australia 2009, tổng lƣợng bùn đỏ đã thải ra từ khi bắt đầu có ngành sản xuất alumin thế giới đến năm 1985 mới khoảng 1 tỷ tấn. Đến năm 2007 tổng lƣợng bùn đỏ thải ra đã đạt tới 2,6 tỷ tấn. Nhƣ vậy có thể thấy cần khoảng 90 năm để hình thành 1 tỷ tấn bùn đỏ đầu tiên, nhƣng chỉ cần 15 năm để hình thành 1 tỷ tấn bùn đỏ tiếp theo. Đối với các nhà máy alumin, vấn đề quản lý chất thải có tính kiềm cao nhƣ vậy có các lựa chọn: (1) Lƣu giữ bùn đỏ vô thời hạn trong các hồ/đập chứa; (2) Trung hoà bùn đỏ: nhằm tăng khả năng sử dụng bùn đỏ, giảm thiểu khối lƣợng lƣu giữ bùn đỏ, giảm chi phí xây dựng hồ thải nhờ giảm cấp chống thấm. 14 Tuy nhiên chi phí lâu dài của lựa chọn lƣu giữ bùn đỏ vô thời hạn trong các hồ/đập chứa nói trên rất tốn kém. Ví dụ ở Australia cần trên 80 triệu USD/năm và cần duy trì trong khoảng 500 năm [3]. Ngoài ra các trách nhiệm pháp lý liên quan đến khu vực hồ/đập chứa bùn đỏ rất cao. Việc đảm bảo an toàn cho các hồ/đập chứa bùn đỏ đang gặp nhiều khó khăn nhƣ: chi phí xây dựng và bảo trì các hồ/đập bùn đỏ rất cao và đất sau khi sử dụng làm bãi chứa bùn đỏ khó có thể sử dụng cho các mục đích khác. Bùn đỏ mang tính kiềm cao còn là mối nguy hiểm cho sức khỏe con ngƣời và các loài động vật xung quanh nếu tiếp xúc phải; xử lý tốn kém nếu rò rỉ nƣớc thải từ hồ/đập chứa bùn đỏ kiềm vào nƣớc mặt và nƣớc ngầm trong khu vực và cần phải xử lý lâu dài kể cả sau khi hồ/đập thải đã ngừng hoạt động; các chi phí liên quan đến bảo vệ môi trƣờng, hoàn thổ phục hồi môi trƣờng, đền bù v.v có thể tăng cao theo thời gian. (3) Nung kết bùn đỏ với các chất phụ gia thích hợp, sau đó hòa tan trong nƣớc tan để thu hồi Na2O và Al2O3. Bã rắn còn lại để sản xuất thép và titan. (4) Xử lí bùn đỏ bằng các axit hoặc các hợp chất hóa học khác để thu hồi các cấu tử có giá trị bằng phƣơng pháp kết tủa hoặc kết tinh chọn lọc, hay tạo ra các vật liệu có giá trị từ các cấu tử thu đƣợc sau hoà tách nhƣ zeolite, nepheline. Hoặc dùng bùn đỏ phối trộn với một số phối liệu khác để sản xuất gốm sứ. (b) Ở Việt Nam Các nghiên cứu xử lý bùn đỏ hiện nay ở trong nƣớc còn rất hạn chế do ngành công nghiệp chế biến bôxit nƣớc ta còn rất mới. Ngoài Nhà máy Hóa chất Tân Bình (TP.HCM) sản xuất hydroxyt nhôm (có thải bùn đỏ từ rất lâu), còn có Nhà máy Alumin ở Tân Rai (Lâm Đồng) và Nhà máy Alumin Nhân Cơ (Đăk Nông) mới đi vào hoạt động. Ở nƣớc ta mới chỉ có một số nghiên