Bài giảng Tái chế và sử dụng chất thải - Phạm Đức Sơn

Nội dung text: Bài giảng Tái chế và sử dụng chất thải - Phạm Đức Sơn

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG SVTH: Phạm Đức Sơn Nguyễn Văn Tám Tạ Tiến Thành Ngô Thu Thủy Nguyễn Thị Thủy
2. 1.Khái niệm bùn đỏ • Bùn đỏ là chất thải của quặng thoát ra từ quá trình tinh chế quặng theo quy trình Bayer sau khi Al2O3 được tách ra khỏi quặng bằng phản ứng với NaOH đặc. • Ngoài những thành phần vốn có trong quặng bauxite như oxit sắt, oxit silic, oxit titan và các tạp chất khác bùn đỏ còn có chứa một lượng nhỏ xút NaOH và dung dịch aluminat natri mà không thể thu hồi hết được • Bùn đỏ là CTR có kiềm tính cao,pH dao động từ 10-12.Bùn đỏ có kích thước hạt rất mịn (trung bình là 10 micromet). • Để sản xuất 1 tấn alumin bằng công nghệ Bayer sẽ thải ra khoảng 1,5 - 2,0 tấn bùn đỏ.
3. • Bảng thành phần của bùn đỏ Fe2O3 Al2O3 SiO2 Na2O CaO TiO2 30-60% 10-20% 3-50% 2-10% 2-8% 10% Hình ảnh về bùn đỏ
4. 2. Tác hại của bùn đỏ • Do còn chứa một tỷ lệ nhất định hoá chất độc hại như xút NaOH và dung dịch aluminat natri thường không thể thu hồi hết được. Bùn đỏ nếu dính vào da sẽ gây bỏng nguy hiểm cho con người (vì đây là một dạng bỏng hoá học),giết chết sinh vật và cây cỏ. • Dung dịch bùn đỏ sẽ phân ly thành nhiều pha với các cỡ hạt khác nhau, trong đó có pha cỡ hạt siêu nhỏ gồm các kim loại nặng độc hại sẽ ngấm xuống đất, còn các pha cỡ hạt lớn lại không thể liên kết lại với nhau khi gặp mưa rất nguy hiểm, dễ bị trôi lấp.
5. • Các đập của hồ bùn đỏ sẽ giống như các đập hồ thuỷ điện, phải chịu lực do áp lực thuỷ tĩnh của bùn đỏ ướt tạo ra, nên rất kém an toàn. • Bùn đỏ có thể gây ra sự cố nghiêm trọng (ăn mòn, dẫn đến làm hỏng) đường ống dẫn khí hay đường sắt. Điều đặc biệt là nguy cơ bùn đỏ làm ô nhiễm các nguồn nước hạ lưu khi bể chứa bị vỡ.
6. 3.Phương pháp xử lý bùn đỏ • Xử lý phần chất lỏng đi kèm bùn đỏ hoặc phát sinh trong hồ bùn đỏ bằng cách tái sử dụng trong dây chuyền sản xuất hoặc trung hoà bằng nước biển (trường hợp nhà máy đặt cạnh biển) hoặc trung hoà bằng CO2. • Chôn lấp bùn đỏ đã thải, tiến hành hoàn thổ, phục hồi môi trường. • Xử lý bùn đỏ từ bãi thải, dùng cho các ứng dụng như vật liệu xây dựng (gạch, ngói, bê tông ), làm đường, chế biến sơn, chế tạo các vật liệu đặc biệt khác • Việc lựa chọn các phương án xử lý bùn đỏ sau thải được thực hiện tùy theo các nhà máy alumin cụ thể, tuy nhiên hiện nay phương án chôn lấp, hoàn thổ chiếm ưu thế và được áp dụng rộng rãi, phương án chế biến bùn đỏ đang được nghiên cứu, thử nghiệm vì chi phí để thực hiện cao, hiệu quả kinh tế thấp.
7. 3.1 Phương pháp chôn lấp • Hồ chứa bùn đỏ là một bộ phận của hệ thống sản xuất alumina từ quặng bauxite, hồ này được thiết kế rất kỹ để chống thấm chất lỏng trong bùn đỏ xuống nước ngầm theo chiều đứng và chiều ngang. • Để chống tràn, hồ sẽ được xây dựng hệ thống thoát nước mưa hoàn chỉnh xung quanh hồ bảo đảm không có nước mưa chảy xuống hồ gây tràn hồ. Hồ sẽ nạo sạch lớp thực bì, bùn và được cán lót 2 lớp đất sét ( dày 60 cm ) với lớp lót vải địa kỹ thuật ở giữa. Bảo đảm chống thấm tuyệt đối.
8. • Mỗi hồ được ngăn ra thành nhiều ô nhỏ và lượng bùn đỏ sẽ được thải theo từng ô. Khi đầy ô thì dùng công nghệ xử lý hút nước ( chủ yếu là nước thải chứa xút ) để đưa nước xút này trở lại nhà máy Alumin sử dụng cho công nghệ chế biến Alumin và qua đó cũng làm khô bùn đỏ. Sau đó sẽ lấp đất đảm bảo chôn vĩnh viễn nếu như không sử dụng chất thải này.
9. 3.2 Trung hòa độc tính của bùn đỏ • Cách này có thể thực hiện được bằng sử dụng nước biển. Những nghiên cứu đăng trên tạp chí môi sinh về phương pháp này chỉ ra rằng, cứ 1 khối bùn đỏ cần 2 khối nước biển để trung hòa. • Độ kiềm của bùn sẽ giảm từ 12 xuống khoảng 8.5; độ pH vừa phải để lớp rễ cây có thể chịu đựng được. Theo lí giải của các nghiên cứu, sự tồn tại của một lượng lớn Ca2+ và Mg2+ trong nước biển sẽ tạo thành các hidroxit dưới dạng kết tủa, làm giảm pH của bùn.
10. 3.3 Lọc bỏ và thay thế các độc chất trong bùn đỏ Có thể sử dụng các phương pháp trao đổi ion để thay natri và hidroxite trong NaOH bằng kali và photphat. Phương pháp này đã cho thấy một số kết quả trong phòng thí nghiệm, nhưng chưa thể triển khai đại trà vì chi phí màng lọc và khó khăn về thời gian trao đổi. Những kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng để việc trao đổi ion hoàn tất cho 1 khối bùn đỏ, phải mất 10 ngày. 3.4 Một số phương pháp khác • Tìm kiếm các nguồn phối trộn để trung hòa bùn đỏ: cần tập trung khai thác các nguồn hữu cơ có tính acid: than bùn chua (pH < 4), tăng cường sử dụng than bùn ủ phân chuồng bón phủ lên trên bùn đỏ. • Trên nền bùn đỏ đã xử lý trung hòa, khảo nghiệm các nhóm thực vật hoặc cây trồng thích hợp có khả năng đem lại hiệu quả kinh tế và đồng thời cải tạo - tái tạo đất trồng.
11. 4.Công nghệ thu hồi bùn đỏ Bauxit+NaOH Nghiền và trộn bauxit với NaOH Hòa tan ở 220-250o C Pha lỏng Bùn(Fe2O3, SiO2 ) lọc NaOH đặc Rửa 4-6 lần Aluminat nhôm(NaAlO2 ) Bốc hơi Bùn đỏ Làm nguội rồi lọc dd NaOH loãng Hồ chứa bùn Hydrat nhôm Nung Alumin(Al2O3 )
12. ❖Thuyết minh quy trình • Bauxit khai thác từ mỏ được nghiền nhỏ rồi đem trộn với dd NaOH, sau đó được hòa tan ở nhiệt độ từ 220 – 2500C tạo thành pha lõng rồi đem lọc được Aluminat nhôm. • Bùn từ quá trình lọc có chứa hàm lượng Fe2O3, SiO2, TiO2, được rửa ngược từ 4 – 6 lần rồi đưa trở lại công đoạn lọc nhằm thu hồi lượng Aluminat nhôm còn sót lại. • Phần bùn từ quá trình rửa được gọi là bùn đỏ và được dẫn đến hồ chứa bùn đỏ. • Lượng Aluminat nhôm thu được từ công đoạn lọc được làm nguội rồi tiến hành đem lọc một lần nữa. Sản phẩm tạo ra từ quá trình này là Hydrat nhôm .
13. • Lượng Hydrat nhôm này được tiếp tục đem nung ở nhiệt độ khoảng 11000C. Sản phẩm cuối cùng được tạo ra từ công đoạn nung là Alumin nguyên chất màu trắng. • Quá trình làm nguội rồi lọc Aluminat nhôm thu được dd NaOH ở dạng loãng, sau đó để cho bốc hơi tự nhiên dưới điều kiện ánh sáng mặt trời tạo thành dd NaOH ở dạng đặc. Dung dịch NaOH ở dạng đặc này được tận thu và tuần hoàn trở thành dây chuyền sản xuất.
14. 5. Một số ứng dụng của bùn đỏ a .Trong lĩnh vực luyện kim Bùn đỏ được dùng làm nguyên liệu để thu hồi các kim loại như sắt,nhôm ,titan ➢ Thu hồi sắt ▪ Phương pháp xỉ cacbon:trộn bùn đỏ với đá vôi và sôđa rồi nung chảy,sắt bị khử về dạng có từ tính và được thu hồi bằng phương pháp tuyển từ. ▪ Nung chảy trong lò điện:trong quá trình này có tới 98% sắt chứa trong bùn đỏ được thu hồi. ▪ Nung chảy trong lò cao:trộn bùn với than đá trong lò cao để khử sắt rồi sau đó thêm vôi vào khử hoàn toàn sắt về dạng kim loại
15. ➢ Thu hồi nhôm Khi nung chảy bùn đỏ để thu hồi sắt,phần xỉ còn lại được rửa bằng dung dịch Na2CO3 để thu hồi nhôm. ➢ Thu hồi titan Titan được thu hồi từ phần bã còn lại sau khi rửa tách nhôm,tuy nhiên nó không khả khi bởi vì chi phí để tách titan từ bùn đỏ cao gấp 2 lần so với việc thu hồi titan từ các khoáng tự nhiên khác như rutil hay inmenite. b .Sản xuất vật liệu xây dựng ➢ Sản xuất xi măng Portland Xi măng Portland chứa thành phần chủ yếu là các silicate và aluminete của canxi,nhôm và silic.oxit của các kim loại này có trong bùn đỏ ,vì thế bùn đỏ cũng được xem là nguyên liệu để sản xuất xi măng.
16. • Tuy nhiên do bùn đỏ chứa lượng oxit sắt cao nên lượng bùn đỏ được sử dụng hạn chế trong xi măng. • Thêm vào chỉ 5-8% bùn đỏ đã được xử lý trước sẽ làm tăng cường lực và giảm thời gian đóng rắn của xi măng,nếu lượng bùn đỏ được sử dụng lớn hơn sẽ có tác dụng ngược lại. Xi măng Portland
17. ➢ Sản xuất gạch xây dựng ▪ Khi trộn bùn đỏ với đất sét tỉ lệ thích hợp (25-50%) để sản xuất gạch xây dựng sẽ cải thiện một số tính chất so với gạch sản xuất từ đất sét như: -Tăng cường lực cho việc gia công trước khi nung -Hạ nhiệt độ nung vì vậy sẽ tiết kiệm được năng lượng ▪ Ngoài ra, ta còn có thể điều chỉnh được màu sắc thích hợp bằng cách thay đổi lượng bùn đỏ trong giới hạn (25-50%)
18. ➢ Sản xuất chất độn nhẹ • Một số khoáng sét hay phiến nham khi gia nhiệt bị phồng lên tạo thành chất độn nhẹ.bùn đỏ cũng có tính trương nở nên người ta cũng đã nghiên cứu sử dụng bùn đỏ vào lĩnh vực này và đã đi đến kết quả là trộn bùn đỏ với đất sét theo tỷ lệ bùn đỏ:sét là 50:50-90:10 ,tốt nhất là 75:25 rồi sau đó nung để taọ thành chất độn nhẹ. ➢ Sản xuất lớp cách âm • Trộn bùn đỏ với thủy tinh và một số loại chất rắn khác để sản xuất tấm lớp ,tấm lớp này có tính chất chống cháy ,chống lại sự thay đổi thời tiết tốt hơn tấm lớp bằng xenlulozo và nhựa.
19. ➢ Dùng làm chất tạo màu Bùn đỏ được dùng làm chất tạo màu cho bê tông,thủy tinh và sơn.độ đậm đặc của màu sắc phụ thuộc vào hàm lượng oxit sắt có trong bùn và lượng bùn cho vào.
20. c. Dùng làm vật liệu hấp phụ • Hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải và nước ngầm gây độc đối với con người ,động vật và cây trồng ,vì thế chúng cần được loại bỏ .Trong các phương pháp xử lý nước .Hấp phụ được xem là phương pháp hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi nhất.than hoạt tính là chất hấp phụ phổ biến nhất tuy nhiên việc sản xuất và tái sinh thì rất đắt . • Bùn đỏ được xem là chất hấp phụ rẻ tiền và được ứng dụng trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm như các anion,kim loại nặng ,thuốc nhộm và các chất hữu cơ. • Ngoài ra,bùn đỏ còn được ứng dụng trong xử lý khí thải .Nếu trộn bùn với than chì thì hỗn hợp này có thể hấp phụ được khí SO2 trong lò hơi công nghiệp
21. d .Sản xuất chất keo tụ Ở nước Anh trước chiến tranh thế giới thứ 2 người ta đã xử lý bùn đỏ với axit HCl hoặc H2SO4 đậm đặc để chuyển sắt và nhôm oxit thành các clorua hoặc sunfat có tác dụng keo tụ sau đó phơi khô và nghiền mịn để xử lý nước thải. e .Dùng làm chất xúc tác ▪ Bùn đỏ đã được nghiên cứu ứng dụng làm chất xúc tác cho một số phản ứng như hydro hóa,oxy hóa các hydrocacbon,cracking,phân hủy amoniac với sự có mặt của các hợp chất sunfua,chuyển đổi dầu thải thành nhiên liệu. ▪ Bùn đỏ thô cho hiệu suất cho hiệu suất phản ứng thấp nên việc áp dụng một số phương pháp xử lý sẽ làm tăng hoạt tính xúc tác của bùn đỏ
22. • Bùn đỏ tẩm một hoặc nhiều kim loại hoạt động sẽ làm tăng hiệu quả của phản ứng . • Xúc tác bùn đỏ tẩm 5%Ru được dùng cho phản ứng phân hủy amoniac thành hydro. • Cu tẩm trên bùn đỏ xúc tác cho phản ứng khử nitơ oxit
23. KẾT LUẬN ▪ Như vậy cũng không phải là không có phương án xử lý bùn đỏ nhưng do những tác hại nghiêm trọng của bùn đỏ mà cần phải khai thác quặng một cách hợp lý để giảm thiểu những ảnh hưởng của bùn đỏ tới con người và môi trường.