Luận văn Nghiên cứu xử lý đóng rắn bùn đỏ Alumina - Tây Nguyên bằng công nghệ Geopolyme định hướng làm vật liệu không nung

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu xử lý đóng rắn bùn đỏ Alumina - Tây Nguyên bằng công nghệ Geopolyme định hướng làm vật liệu không nung

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------- LÊ ĐẶNG THÙY DUNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ĐÓNG RẮN BÙN ĐỎ ALUMINA- TÂY NGUYÊN BẰNG CÔNG NGHỆ GEOPOLYME ĐỊNH HƢỚNG LÀM VẬT LIỆU KHÔNG NUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------- LÊ ĐẶNG THÙY DUNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ĐÓNG RẮN BÙN ĐỎ ALUMINA- TÂY NGUYÊN BẰNG CÔNG NGHỆ GEOPOLYME ĐỊNH HƢỚNG LÀM VẬT LIỆU KHÔNG NUNG Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 8440112.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS Trần Hồng Côn TS Công Tiến Dũng Hà Nội - 2019
3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS Trần Hồng Côn cùng TS. Công Tiến Dũng đã trực tiếp giao đề tài, hướng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi có thể hoàn thiện được báo cáo Luận văn thạc sỹ này theo đúng nội dung đề cương nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô trong Khoa Hóa thuộc trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu giúp tôi có nhiều kiến thức góp phần hoàn thiện bản luận văn thạc sỹ này được tốt hơn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, các bạn sinh viên trong Phòng thí nghiệm Hóa môi trường - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Phòng thí nghiệm Hóa học - Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã giúp đỡ trong thời gian nghiên cứu và học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Lê Đặng Thùy Dung
4. MỤC LỤC Chƣơng 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 3 1.1 Giới thiệu về bùn đỏ ...................................................................................... 3 1.1.1 Khái niệm ................................................................................................... 3 1.1.2 Hiện trạng phát thải bùn đỏ ở một số quốc gia trên thế giới và Việt Nam. ......... 6 1.1.3 Nghiên cứu xử lý, tái sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam ............. 10 1.2 Giới thiệu về công nghệ geopolyme (polyme vô cơ) .................................. 14 1.2.1 Khái niệm, lịch sử phát triển geopolyme.................................................. 14 1.2.2 Cơ chế phản ứng tạo geopolyme .............................................................. 19 1.3 Nghiên cứu chế tạo polyme vô cơ trong xử lý đóng rắn bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam .......................................................................................................... 22 1.3.1 Chế tạo polyme vô cơ trong xử lý đóng rắn bùn đỏ sử dụng cao lanh/khoáng sét ................................................................................................. 22 1.3.2 Chế tạo polyme vô cơ trong xử lý đóng rắn bùn đỏ sử dụng tro bay ....... 24 1.3.3 Xử lý đóng rắn bùn đỏ bằng phương pháp geopolyme sử dụng hỗn hợp cao lanh, tro bay hoặc một số nguyên liệu khác ............................................... 28 Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM .................................................................................. 31 2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................................. 31 2.1.1 Mục tiêu .................................................................................................... 31 2.1.2 Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 31 2.2 Hóa chất, dụng cụ .......................................................................................... 31 2.2.1 Hóa chất ................................................................................................... 31 2.2.2 Dụng cụ và thiết bị ................................................................................... 32 2.3 Phương pháp nghiên cứu xử lý đóng rắn bùn đỏ ........................................ 33 2.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của chất hoạt hóa ............................................... 33 2.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ cao lanh/tro bay đến tính chất của vật liệu. .................................................................................................................... 36 2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian dưỡng mẫu đến khả năng đóng rắn của vật liệu. ....................................................................................................... 37 2.3.4 .... Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dưỡng mẫu đến khả năng đóng rắn của vật liệu. .............................................................................................................. 37 i
5. 2.4 Phương pháp hóa lý xác định đặc trưng tính chất của nguyên vật liệu ..... 37 2.4.1 Phương pháp phổ huỳnh quang tia X ....................................................... 37 2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X ..................................................................... 38 2.4.3 Phương pháp phổ hồng ngoại .................................................................. 40 2.4.4 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét ............................................ 40 2.4.5 Phương pháp tán xạ năng lượng tia X ..................................................... 41 2.5 Đánh giá thông số chất lượng của vật liệu geopolyme ................................. 42 2.5.1 Phương pháp xác định cường độ chịu nén ............................................... 42 2.5.2 Phương pháp xác định độ hút nước ......................................................... 44 2.5.3 Phương pháp kiểm tra độ pH ................................................................... 44 2.5.4 Phương pháp đo mức độ an toàn của vật liệu ......................................... 45 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 46 3.1 Thành phần và tính chất của nguyên vật liệu .............................................. 46 3.1.1 Bùn đỏ ....................................................................................................... 46 3.1.2 Cao lanh ................................................................................................... 48 3.1.3 Tro bay ..................................................................................................... 50 3.2 Kết quả nghiên cứu đóng rắn xử lý bùn đỏ bằng chất kết dính vô cơ trên cơ sở hỗn hợp cao lanh và tro bay ............................................................................ 52 3.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần cao lanh/tro bay tới tính chất vật liệu .. 52 3.2.2 Ảnh hưởng của chất kiềm hoạt hóa tới tính chất vật liệu ........................ 54 3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian lưu dưỡng mẫu ................................................ 62 3.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng mẫu ........................................................ 64 3.3 Nghiên cứu một số tính chất của vật liệu geopolyme sau đóng rắn xử lý bùn đỏ ........................................................................................................................... 67 3.3.1 Đặc trưng cấu trúc của vật liệu bằng SEM, XRD, FT-IR ........................ 67 3.3.2 Độ hút nước của vật liệu .......................................................................... 71 3.3.3 Sự thay đổi pH nước ngâm mẫu vật liệu theo thời gian........................... 72 3.3.4 Mức độ an toàn môi trường của vật liệu .................................................. 73 Chƣơng 4. KẾT LUẬN ........................................................................................... 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 76 ii
6. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Một số hình ảnh thảm họa ô nhiễm từ bùn đỏ. ........................................... 9 Hình 1.2. Các dạng cấu trúc cơ bản của geopolyme. ................................................ 15 Hình 1.3. Hình ảnh geopolyme được chụp qua kính hiển vi điện tử quét. ............... 17 Hình 1.4. Cơ chế quá trình geopolymer hóa [35]. .................................................... 20 Hình 2.1. Hình ảnh khuôn đúc viên vật liệu. ............................................................ 32 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn đỏ. ................................................... 47 Hình 3.2. Ảnh SEM bùn đỏ Tân Rai. ........................................................................ 47 Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu cao lanh. ................................................ 49 Hình 3.4. Ảnh SEM của cao lanh ở độ phóng đại khác nhau. .................................. 50 Hình 3.5. Ảnh SEM của tro bay Phả Lại II ở độ phóng đại khác nhau. ................... 51 Hình 3.6. Giản đồ XRD của tro bay Phả Lại II. ........................................................ 52 Hình 3.7. Cường độ chịu nén của vật liệu polyme vô cơ chế tạo được với tỉ lệ cao lanh/tro bay khác nhau. ............................................................................................. 53 Hình 3.8. Cường độ chịu nén của vật liệu polyme vô cơ sử dụng chất hoạt hóa là NaOH với các nồng độ khác nhau. ........................................................................... 55 Hình 3.9. Ảnh vật liệu geopolyme chế tạo được với chất hoạt hóa NaOH với nồng độ khác nhau: (a) 4M, (b) 6M, (c) 8M, (d) 10M, (e) 12M. ....................................... 56 Hình 3.10. Cường độ chịu nén của vật liệu geopolyme theo hàm lượng Ca(OH)2 ở nồng độ NaOH 4M (a), 6M (b), 8M (c), 10M (d). ................................................... 58 Hình 3.11. Cường độ chịu nén của vật liệu với chất hoạt hóa: NaOH và hỗn hợp NaOH + Ca(OH)2 theo dõi sau 7 ngày (a) và sau 28 ngày (b). ............................... 59 Hình 3.12. Ảnh mẫu vật liệu geopolyme chế tạo được khi dùng NaOH + Ca(OH)2.61 Hình 3.13. Cường độ chịu nén của vật liệu chế tạo được khi chất hoạt hóa là hỗn hợp NaOH + Thủy tinh lỏng + Ca(OH)2. .................................................................. 62 Hình 3.14. Cường độ chịu nén của vật liệu ở các thời gian dưỡng mẫu khác nhau. 63 Hình 3.15. Cường độ chịu nén theo thời gian của các vật liệu chế tạo được với nhiệt độ dưỡng khác nhau trong 24h đầu tiên. ................................................................... 65 iii
7. Hình 3.16. Ảnh các mẫu vật liệu sau 7 ngày dưỡng ở nhiệt độ khác nhau: nhiệt độ 0 0 phòng (a); 60 C (b) và 80 C (c). ............................................................................... 66 Hình 3.17. Kết quả SEM-EDX của mẫu geopolyme XV13: (a) Ảnh SEM và các điểm đo; (b),(c),(d),(e),(f) lần lượt là các điểm đo EDX số 1,2,3,4,5. ...................... 68 Hình 3.18. Ảnh SEM của mẫu XV13 ở độ phóng đại khác nhau. ............................ 69 Hình 3.19. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu XV13. .................................................. 70 Hình 3.20. Phổ hồng ngoại của mẫu geopolyme XV13............................................ 70 Hình 3.21. Giá trị pH của dung dịch ngâm mẫu vật liệu .......................................... 73 iv
8. DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Danh mục hóa chất, nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu .................... 31 Bảng 2.3. Thành phần phối liệu chế tạo polyme vô cơ sử dụng chất hoạt hóa NaOH34 Bảng 2.4. Thành phần phối liệu chế tạo polyme vô cơ sử dụng chất hoạt hóa NaOH và Ca(OH)2 ................................................................................................................ 35 Bảng 2.5. Thành phần phối liệu chế tạo polyme vô cơ sử dụng chất hoạt hóa là hỗn hợp NaOH, Ca(OH)2 và thủy tinh lỏng ..................................................................... 36 Bảng 2.6. Ảnh hưởng của tỉ lệ cao lanh/ tro bay (g/g) đến tính chất vật liệu ........... 36 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của bùn đỏ Tân Rai theo phương pháp XRF .......... 46 Bảng 3.2. Thành phần hóa học của cao lanh Trúc Thôn theo phương pháp XRF .... 48 Bảng 3.3. Thành phần hóa học của tro bay Phả Lại II theo phương pháp XRF ....... 50 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ cao lanh/tro bay đến cường độ chịu nén của vật liệu53 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của NaOH đến cường độ chịu nén của vật liệu ..................... 54 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của hỗn hợp NaOH + Ca(OH)2 đến cường độ chịu nén của vật liệu ............................................................................................................................. 57 Bảng 3.7. Bảng so sánh cường độ chịu nén của vật liệu khi sử dụng chất hoạt hóa là NaOH và hỗn hợp NaOH + Ca(OH)2 sau 7 ngày và 28 ngày dưỡng ....................... 59 Bảng 3.8. Cường độ chịu nén của vật liệu sử dụng chất hoạt hóa là hỗn hợp NaOH + thủy tinh lỏng + Ca(OH)2 ....................................................................................... 61 Bảng 3.9. Cường độ chịu nén của vật liệu với thời gian dưỡng mẫu khác nhau ...... 63 Bảng 3.10. Cường độ chịu nén theo thời gian của vật liệu geopolyme dưỡng ở nhiệt độ khác nhau trong 24 giờ đầu tiên ........................................................................... 65 Bảng 3.11. Độ hút nước của một số mẫu vật liệu ..................................................... 71 Bảng 3.12. Kết quả đo pH của dung dịch ngâm các mẫu vật liệu sau 28 ngày dưỡng ....... 72 Bảng 3.13. Kết quả đo nồng độ kim loại trong các dung dịch ngâm các mẫu vật liệu sau 28 ngày dưỡng .................................................................................................... 74 v
9. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Energy Dispersive X-ray EDX: Tán xạ năng lượng tia X Spectrometry L.O.I Mất khi nung Loss On Ignition QCVN Quy chuẩn Việt Nam SEM Hiển vi điện tử quét Scanning Electron Microscopy TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam XRD Nhiễu xạ tia X X-Ray diffraction XRF Huỳnh quang tia X X-ray fluorescence FA Tro bay Fly ash RM Bùn đỏ Red mud GP Polyme vô cơ Geopolyme Tập đoàn công nghiệp KTV Than khoáng sản Việt Nam BOD Nhu cầu oxy sinh học Biochemical oxygen demand COD Nhu cầu oxy hóa học Chemical oxygen demand C-S-H Canxi silicat hydrat C-A-S-H Canxi alumin silicat hydrat vi
10. MỞ ĐẦU Trong những năm qua, công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã đưa nền kinh tế đất nước ta có những bước phát triển đáng kể. Tuy nhiên, đồng hành với sự phát triển này cũng kéo theo nhiều hệ lụy ảnh hưởng đến môi trường sinh thái chúng ta, tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt, môi trường thì ô nhiễm một cách nghiêm trọng, đặc biệt là các loại chất thải rắn như chất thải sinh hoạt, chất thải công nghiệp, nông nghiệp Bùn đỏ là bã thải trong quá trình sản xuất oxit nhôm đi từ boxit theo phương pháp Bayer. Việc xử lý bùn đỏ đang là mối quan tâm của rất nhiều quốc gia trên thế giới đặc biệt là những quốc gia sản xuất nhôm. Tại Việt Nam, chỉ tính riêng nhà máy sản xuất Alumin Nhân Cơ-Tây Nguyên, phần đuôi quặng nước thải và bùn thải có khối lượng 11 triệu m3/năm, tổng diện tích hồ thải sau 15 năm khoảng 8,7 triệu m3. Với dự án Tân Rai, lượng bùn đỏ thải ra môi trường trong suốt quá trình dự án Tân Rai hoạt động là 80 ÷ 90 triệu m3, nhưng tổng diện tích hồ chứa của dự án chỉ có 20,25 triệu m3. Như vậy, cùng với sự phát triển xây dựng và vận hành các nhà máy nhôm ở Việt Nam, sẽ thải ra một lượng chất thải bùn đỏ rất lớn, chiếm một diện tích đất rất lớn để tồn trữ và là gánh nặng về môi trường, tác động đáng kể đến hệ sinh thái và xã hội. Do trong thành phần hóa học của bùn đỏ có chứa kiềm, dễ ngấm xuống đất gây ô nhiễm nguồn nước, thoái hóa đất trồng hoặc trong thành phần có thể có chất phát phóng xạ rất khó lưu giữ và quản lý. Vì vậy, hiện nay có rất nhiều giải pháp khoa học đang được đưa ra để xử lý vấn đề môi trường do bùn đỏ gây ra. Trên thế giới đã và đang có rất nhiều nghiên cứu về bùn đỏ như thu hồi kim loại từ bùn đỏ, tái sử dụng bùn đỏ làm các vật liệu để sản xuất xi măng, gạch block, gạch nung, xây dựng đường cao tốc, sản xuất vật liệu công năng. Thời gian gần đây, bùn đỏ còn được nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi môi trường, đây là một hướng đi hết sức có ý nghĩa. Các nhà nghiên cứu đã tận dụng đặc điểm của bùn đỏ là có diện tích bề mặt lớn, khả năng trao đổi ion cao để chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải. Ở Việt Nam, do ngành công nghiệp chế biến nhôm 1