Đề tài Nghiên cứu sử dụng chất thải bùn đỏ từ khai thác Bauxite Tây Nguyên để chế tạo vật liệu thay thế một phần xi măng

 MỞ ĐẦU 
 1) Tính cấp thiết của đề tài 
Bùn đỏ là chất thải trong quá trình sản xuất nhôm từ quặng bauxite. 
Các nghiên cứu cho rằng: do tính kiềm cao (pH 10.5-13.0) [1] và lượng 
bùn thải lớn nên bùn đỏ sẽ là tác nhân gây ô nhiễm môi trường. Hiện 
nay, trên thế giới chưa có nước nào xử lý triệt để được vấn đề bùn đỏ. 
Cách phổ biến thường làm là chôn lấp trong hồ chứa bùn đỏ. Tuy 
nhiên, cách xử lý này chiếm diện tích đất lớn để chôn lấp và tiềm ẩn 
nguy cơ vỡ hồ gây hậu quả khôn lường về kinh tế và xã hội [2], [3], ví 
dụ thảm họa của vỡ hồ chứa bùn đỏ của nhà máy sản xuất nhôm Ajkai 
Timföldgyár ở Miền Tây Hungary vào ngày 4 tháng 10 năm 2010 làm 
khoảng 600.000-700.000 m3 bùn đỏ với pH 13 đã nhấn chìm các ngôi 
làng Kolontár, Devecser và Somlóvásàrhely [4]. 
Bùn đỏ chứa các thành phần hóa học chủ yếu gồm: Fe2O3, Al2O3, TiO2, 
SiO2, CaO, kiềm,... và các nguyên tố vi lượng khác như: K, Cr, V, Ni, 
Ba, Cu, Mn, Pb, Zn, Sc, Ga. Với thành phần hóa học này, bùn đỏ hứa 
hẹn có thể sử dụng làm nguyên liệu để phục vụ cho việc sản xuất vật 
liệu xây dựng như: sản xuất gạch, sản xuất xi măng, vật liệu pu-zơ-
lan-nic, vật liệu tạo màu cho bê tông, cốt liệu cho bê tông,... 
Do đó, việc nghiên cứu phương án xử lý bùn đỏ thành vật liệu thay thế 
cho một phần xi măng, sẽ góp phần phát triển ngành công nghiệp chế 
biến và khai thác Bauxite theo hướng phát triển bền vững là có ý nghĩa 
khoa học và thực tiễn. Nó đáp ứng đồng thời hai mục tiêu vừa giảm 
được lượng chất thải trong quá trình khai thác, chế biến Bauxite vừa 
tận dụng chất thải dư thừa này để tạo ra vật liệu xây dựng. 
 2) Mục tiêu của đề tài 
Xử lý chất thải bùn đỏ từ khai thác Bauxite Tây Nguyên thành sản 
phẩm có thể thay thế cho một phần xi măng. 
 3) Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu 
Cách tiếp cận: Kế thừa kết quả nghiên cứu trên thế giới về sử dụng 
bùn đỏ để làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng. 
Phương pháp nghiên cứu: Phân tích lý thuyết kết hợp thí nghiệm. 
 4) Nội dung nghiên cứu 
Để đạt được mục đích đề ra, đề tài nghiên cứu các nội dung sau: 
Nghiên cứu lý thuyết về quặng Bauxite, bùn đỏ và tái sử dụng bùn đỏ; 
Nghiên cứu thực địa ở Nhà máy Alumin Tân Rai, Lâm Đồng; 
Lấy mẫu bùn đỏ tại hồ chứa bùn đỏ của Nhà máy Alumin Tân Rai để 
thí nghiệm tại phòng thí nghiệm; 
Hoạt hóa bùn đỏ bằng các chu trình nhiệt khác nhau; 
Phân tích thành phần hóa học và thành phần khoáng của bùn đỏ trước 
và sau khi hoạt hóa nhiệt; 
Thí nghiệm về khả năng sử dụng bùn đỏ đã hoạt hóa để thay thế cho 
một phần xi măng trong vật liệu xây dựng. 
 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ 
 BÙN ĐỎ ĐỂ LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG 
 1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 
 Bùn đỏ là bã thải của quá trình sản xuất nhôm từ quặng Bauxite theo 
 công nghệ Bayer. Các nghiên cứu [7], [8], [5], [9] đều cho rằng: do 
 tính kiềm cao và lượng bùn thải lớn nên bùn đỏ sẽ là tác nhân gây ô 
 nhiễm môi trường. Hiện nay, trên thế giới chưa có nước nào xử lý triệt 
 để được vấn đề bùn đỏ. Cách phổ biến thường làm là chôn lấp trong 
 hồ chứa bùn đỏ. Tuy nhiên, cách xử lý này chiếm diện tích đất lớn để 
 chôn lấp và tiềm ẩn nguy cơ vỡ hồ gây hậu quả khôn lường. Do đó, 
 đây là đề tài đã và đang thu hút các nhà nghiên cứu trên thế giới (Hình 
 1-1) nhằm góp phần phát triển ngành công nghiệp chế biến và khai 
 thác Bauxite theo hướng phát triển bền vững. 
 Hình 1-1.Thống kê số lượng bài báo khoa học công bố về chủ đề 
 bùn đỏ giai đoạn 2000 -2009 [10] 
 Trên thế giới các Nhà nghiên cứu đã công bố nhiều bài báo khoa học 
 tổng quan (review) về khả năng tái chế bùn đỏ thành vật liệu có ích 
 [11], [12],[13], [14][15], [16], [17], [10], [5], [18]. Kết quả nghiên cứu 
 chỉ ra bùn đỏ có thể sử dụng làm nguyên liệu để phục vụ cho việc sản 
 xuất vật liệu xây dựng như (sản xuất gạch, sản xuất xi măng, vật liệu pu-zơ-lan-nic, vật liệu tạo màu cho bê tông, cốt liệu cho bê tông, vật 
liệu làm nền đường,...), vật liệu hấp chất ô nhiễm, chất làm đông, chất 
xúc tác, làm trung hòa chất thải có tính axít. Tuy nhiên, việc sử dụng 
bùn đỏ trong các lĩnh vực kể trên chỉ chiếm một phần rất nhỏ so với 
lượng chất thải bùn đỏ khổng lồ 90 triệu tấn mỗi năm trên toàn thế giới 
[19]. 
Ở Việt nam, các nghiên cứu về xử lý bùn đỏ chưa nhiều, chủ yếu được 
nghiên cứu ở các Viện khoa học trọng điểm quốc gia, cụ thể: Đề tài 
"Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép và vật liệu không nung từ bùn 
đỏ trong quá trình sản xuất a-lu-min tại Tây Nguyên" do Viện Hóa học 
(Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện và đã thu 
được kết quả khả quan, mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng nguồn 
nguyên liệu tái tạo, giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do khai thác 
Bauxite để sản xuất nhôm ở Tây Nguyên; Viêṇ Khoa học và Công 
nghệ Mỏ-Luyêṇ kim đa ̃ tiến hành nghiên cứu khả năng xử lý bùn đỏ 
thải từ nhà máy sản xuất alumin và sản xuất hydroxyt nhôm bằng 
phương pháp trung hòa nước biển để giảm độ pH bùn đỏ xuống pH = 
8 ÷ 9 nhằm làm giảm áp lực giải quyết vấn đề bùn đỏ cho các nhà máy 
sản xuất alumin và sản xuất hydroxyt nhôm, mang lại lợi ích kinh tế 
cho đơn vị sản xuất. 
1.2 Các phương pháp xử lý bùn đỏ 
1.2.1 Xử lý bùn đỏ trước khi chôn lấp 
Việc xử lý chất thải bùn đỏ từ khai thác quặng Bauxite là một vấn đề 
lớn trong nhà máy alumin trên khắp thế giới. Phần lớn bùn đỏ được xử 
lý bằng cách chôn lấp. Cho đến ngày nay, đối với xử lý bùn đỏ bằng 
phương pháp chôn lấp là làm sao giảm thiểu tác động gây ô nhiễm môi 
trường và diện tích đất để chôn lấp. 
Ngoài biện pháp xử lý chất thải bùn đỏ bằng cách chôn lấp như nêu 
trên, ở thế kỷ XX, một số nước như Pháp, Vương Quốc Anh, Jamaica, 
Nhật Bản, Ý, Hoa Kỳ đã đổ bùn đỏ trực tiếp ra biển [20]. Hậu quả của cách thải bùn đỏ kiểu này là làm cho môi trường biển bị ô nhiễm và hệ 
sinh vật biển bị hủy hoại do tính kiềm cao và thành phần hạt mịn phát 
tán (suspension) trong nước biển [20],[21]. 
1.2.2 Xử lý bùn đỏ thành vật liệu có ích 
 1.1.1.1 Sản xuất kim loại có giá trị 
Bùn đỏ được xem là vật liệu thứ cấp cho việc thu hồi lại (sản xuất) các 
kim loại có giá trị, bùn đỏ chứa 14-45% Fe, 5-14% Al, 1-9% Si, 1-6% 
Na, 2-12% Ti [19], ước tính lượng Fe chứa trong bùn đỏ thải mỗi năm 
là hơn 12 triệu tấn (tương ứng với lượng thải bùn đỏ là 90 triệu tấn 
mỗi năm). Liu et al. [22] đã phát triểnmột quá trình tái sử dụng bùn đỏ 
sử dụng bằng cách nung với soda-lime và chiết tách hóa học, kết quả 
thu hồi được 75,7% Al và 80,7% Na. Trong khi đó, sự thu hồi sắt phụ 
loại bùn đỏ trong đó hợp chất sắt có tính chất từ tính hoặc không từ 
tính và tạp chất. 
Nhìn chung, các nghiên cứu về sự thu hồi lại cáckim loại có giá trị như 
sắt, nhôm, titan và các nguyên tố đất hiếm từ bùn đỏ nhằm đề xuất các 
quy trình có tính khả thi về kỹ thuật sẽ mang lại lợi ích về môi trường 
và kinh tế. 
1.2.2.1 Sản xuất xi măng 
Trong nghiên cứu tổng quan về khả năng sử dụng bùn đỏ Samal et al. 
[5] đã chỉ ra rằng: với hỗn hợp gồm đá vôi + bùn đỏ + tro bay sau khi 
nung tạo thành các khoáng của xi măng như aluminoferrite (C4AF) và 
belite (β-C2S); với hỗn hợp gồm đá vôi + bùn đỏ và Bauxite tạo thành 
các khoáng của xi măng như aluminoferrite, ferrite (C2F) và 
aluminates (C3A and C12A7); với hỗn hợp gồm đá vôi + bùn đỏ + 
Bauxite + thạch cao tạo thành các khoáng của xi măng như 
Sulfoaluminate (C4A3Ŝ), aluminoferrite, ferrite. Ngoài ra, dựa trên các 
nghiên cứu trước đó và thí nghiệm trên bùn đỏ HILDALCO 
(Hindustan Aluminum Corporation) ở Renukoot Ấn Độ, Samal et al. đã đề xuất tỷ lệ các thành phần để sản xuất xi măng: 30÷35 % bùn đỏ 
+ 15÷20% Bauxite + 7,5÷10% thạch cao + 45÷50 đá vôi tùy thuộc vào 
loại xi măng yêu cầu. 
Ở Trung Quốc, đến năm 1998 có hơn 6 triệu tấn chất thải Bauxite đã 
được tiêu thụ cho sản xuất xi măng [15]. Trong nghiên cứu của mình 
Feng và các cộng sự [23] đã giải thích cơ chế hoạt hóa bùn đỏ trong 
sản xuất xi măng, đồng thời cho rằng với tỷ lệ chất thải bùn đỏ (đến 
50% theo khối lượng) sản xuất được loại xi măng đạt liêu chuẩn xi 
măng Portland 42.5. 
1.2.2.2 Sản xuất vật liệu thay thế một phần xi măng (vật liệu 
 puzơlanic) 
Một số nghiên cứu cho rằng sau khi hoạt hóa bùn đỏ bởi nhiệt 
(calcination) sản phẩm này hứa hẹn có thể được sử dụng như vật liệu 
puzơlanic và có thể dùng để sản xuất vữa và xi măng [24], [25]. Việc 
tạo ra sản phẩm bùn đỏ bởi hoạt hóa nhiệt có chỉ số hoạt tính puzơlanic 
tốt nhất (the best index ofpozzolanic activity) là rất quan trọng. 
1.2.2.3 Sản xuất gạch 
Đã có một số nghiên cứu về sử dụng chất thải bùn đỏ để sản xuất gạch 
như [27], [28], [15]. Năm 2007 Yang và Xiao [7] đã nghiên dùng chất 
thải bùn đỏ từ nhà máy alumin Sơn Đông – Trung Quốc để sản xuất 
gạch. 
1.2.2.4 Sản xuất thủy tinh và thủy tinh – gốm 
Cho đến nay, các nghiên cứu về sử dụng chất thải bùn đỏ để sản xuất 
gốm và thủy tinh – gốm đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên 
cứu [29], [30], [31], [32], [33], [34]. Các nghiên cứu cho rằng: bùn đỏ 
với thành phần hóa học gồm CaO, Al2O3, SiO2, Fe2O3, và TiO2 là khá 
phù hợp cho sản xuất thủy tinh – gốm. 
 Chương 2 BAUXITE VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT 
 NHÔM TỪ BAUXITE 
2.1 Tổng quan về bauxite 
Quặng Bauxite là tài nguyên quặng chủ yếu nhất trong sản xuất nhôm 
hiện nay, hơn 95% lượng nhôm trên toàn thế giới đều đươc̣ sản xuất 
từ quặng Bauxite. Năm 1821 nhà địa chất học người Pháp Pierre 
Berthier phát hiện Bauxite gần làng Les Baux ở Provence, một tỉnh ở 
miền nam nước Pháp. Đến năm 1861, nhà hóa học người Pháp Henri 
Sainte-Claire Deville đặt tên cho loại khoáng này là "Bauxite". 
Bauxite là một loại quặng có thành phần cấu tạo phức tạp, thành phần 
hóa học thay đổi lớn. Bauxite chứa các khoáng chủ yếu gồm: 
gibbsite(Al2O3), beohmite (-AlO(OH)) và diaspore (α-AlO(OH)); 
ngoài ra còn chứa hai loại oxít sắt (goethite: α-FeO(OH) và haematite: 
Fe2O3), khoáng kaolinite (Al2Si2O5(OH)4) và một lượng nhỏ anatase 
(TiO2). Căn cứ vào sự khác nhau về trạng thái tồn tại của khoáng vật 
có nhôm, có thể phân biệt quặng Bauxite là kiểu gibbsite, kiểu 
beohmite, kiểu diaspore và các loại kiểu hỗn hợp. Hàm lượng oxít 
nhôm trong quặng Bauxite thay đổi rất lớn, thấp thì dưới 40%, cao thì 
có thể đạt trên 70%. Ngoài oxít nhôm (Al2O3), trong quặng Bauxite 
còn chứa các tạp chất chủ yếu như: silic ôxít(SiO2), các loại ôxít sắt, 
ôxít titan(TiO2), và các tạp chất thứ yếu khác. 
Do sự thay đổi lớn về thành phần khoáng vật và thành phần hóa học 
nên hı̀nh dáng bên ngoài (màu sắc, kết cấu) và tính chất (tỷ trọng, độ 
cứng) của quặng Bauxite thay đổi lớn. Một số quặng bauxiterất cứng 
chắc, số khác thì mềm dẻo như đất. Kết cấu có dạng đất, dạng chăṭ 
(Compact shape) và dạng hạt đậu. Quặng Bauxite có thể có đủ tất cả 
các màu giữa màu trắng và màu đất son, thông thường quặng Bauxite 
với hàm lượng sắt cao thì mang màu đỏ, với hàm lượng sắt thấp thì 
mang màu xám nhat.̣ Tài nguyên quặng Bauxite trên toàn thế giới ước tính từ 55 đến 75 tỷ 
tấn, phân bố nhiều nhất ở Châu Phi (chiếm 33%), tiếp đến Châu Đại 
Dương (chiếm 24%), Nam Mỹ và Caribê (chiếm 22%), Châu Á (chiếm 
15%), các nơi khác (chiếm 6%). Các quốc gia có trữ lượng quặng 
Bauxite lớn trên thế giới theo thứ tự: Guinea, Australia, Vietnam, 
Brazil, Jamaica, China, India, Guyana,... như trình bày ở Hình 2-1[5]. 
 Hình 2-1. Biểu đồ thể hiện các quốc gia có trữ lượng quặng 
 Bauxite lớn trên thế giới [5] 
2.2 Bauxite trên lãnh thổ Việt Nam 
Tài nguyên Bauxite ở Việt Nam đã được biết đến từ những năm 30 thế 
kỷ trước, khi vào khoảng năm 1936-1943 các nhà địa chất Pháp đã 
phát hiện và khai thác mỏ Bauxite Lỗ Sơn (Hải Dương) và các mỏ 
Bauxite ở vùng Lạng Sơn. 
Cho đến trước năm 1975 kết quả điều tra, thăm dò của ngành địa chất 
Việt Nam đã xác định và sơ bộ đánh giá triển vọng các vùng quặng 
Bauxite lớn ở miền Bắc Việt Nam phân bố ở các tỉnh Lạng Sơn, Cao 
Bằng, Hà Giang, Nghệ An. Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất 
chưa đầy đủ, ở nước ta khoáng sản Bauxite phân bố rộng từ Bắc đến Nam với trữ lượng khoảng 5,4 tỷ tấn quặng nguyên khai, tương đương 
với 2,4 tỷ tấn quặng tinh [6], [5]; tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên 
(chiếm 91,4%), trong đó Đăk Nông 1,44 tỷ tấn (chiếm 61%). So với 
các mỏ Bauxite trên thế giới, Bauxite ở Việt Nam được đánh giá có 
chất lượng trung bình (tỷ lệ giữa trữ lượng và tài nguyên của quặng 
Bauxite ở Việt Nam đạt 38,88% thấp hơn so với Ghine (86,0%), 
Jamaica (80%), Brasil (76%), Úc (73,41% và 78,48% năm 2012), Ấn 
độ (55%) nhưng cao hơn nhiều so với Trung Quốc (3,04% và 3,60% 
năm 2012). 
Việt Nam có trữ lượng và tài nguyên Bauxite lớn thứ ba trên thế giới 
với khoảng 5,4 tỷ tấn Bauxite gibbsite sau Guinea 7,4 tỷ tấn và 
Australia 6,2 tỷ tấn (Hình 2-2). 
2.3 Đặc điểm của Bauxite Lâm Đồng 
Theo các tài liệu địa chất thì Bauxite Lâm Đồng là phần tàn dư của vỏ 
phong hoá laterit trên đá basalt được hình thành trong suốt thời gian 
nhiều triệu năm qua, khác hẳn loại Bauxite tái trầm tích nằm xen trong 
các tầng đá vôi 250 triệu năm tuổi ở Hà Giang, Lạng Sơn, Hải Dương 
phía Bắc nước ta cũng như ở Nam Trung Quốc. Bauxite Lâm Đồng là 
bộ xương cứng của vỏ phong hoá, là thành phần cấu trúc quan trọng 
của địa hình cao nguyên. Vỏ phong hoá Bauxite ở Lâm Đồng có độ 
dày rất thay đổi, chiều dày lớp quặng Bauxite biến thiên trong khoảng 
1,0-15m, nằm sâu dưới mặt đất 0-3m. Tầng bở rời phủ trên tầng quặng 
bao gồm lớp kết von laterit và lớp đất màu khá mỏng. 
2.4 Quy trình sản xuất nhôm từ bauxite 
Cho đến hiêṇ nay, đa ̃ đề ra rất nhiều phương pháp để tinh luyêṇ alumin 
từ quăng̣ Bauxite và các nguyên liêụ có nhôm khác, nhưng vı̀ các 
nguyên nhân về ky ̃ thuâṭ và kinh tế, môṭ số phương pháp đa ̃ bi lọ ại bỏ, 
môṭ số vẫn đang ở giai đoaṇ nghiên cứ u thı́ nghiêm,̣ nên hiêṇ nay chỉ 
có một số phương pháp đươc̣ dùng để sản xuất công nghiêp.̣