Sản xuất chất keo tụ và bột màu từ bùn đỏ

Khu thải bùn đỏ tại Nhà máy Sản xuất Alumin. Ảnh: kinhtemoitruong.vn

“Hiện nay, nước ta vẫn chỉ lưu giữ bùn đỏ tại hồ và không xử lý được. Trên thế giới, dù người ta cũng có tận dụng bùn để làm một số vật liệu xây dựng nhưng nói chung vẫn chỉ lưu giữ và có thể chôn lấp hoàn thổ mà thôi”, PGS.TS Lê Thị Mai Hương - Phó Viện trưởng Viện Công nghệ xạ hiếm, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam - cho biết. Khó xử lý là vậy thế nhưng theo quy hoạch hiện nay về khai thác bauxite tại Tây Nguyên, nếu tính đến năm 2025 thì lượng bùn đỏ thải ra sẽ đạt 23 triệu tấn, sau 10 năm sẽ là 230 triệu tấn và sau 50 năm sẽ là 1,15 tỷ tấn, đặt ra nhiều vấn đề “đau đầu” về diện tích đất làm hồ cũng như chi phí lưu trữ bùn đỏ.

Bởi vậy, nhiều phương pháp nhằm tái sử dụng bùn đỏ như sản xuất chất keo tụ, chất hấp phụ, luyện gang thép hay làm vật liệu xây dựng của thế giới đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, các phương pháp này không giải quyết được triệt để vấn đề bởi chỉ làm ra một sản phẩm, “nếu sản xuất chất keo tụ thì họ sẽ lấy kiệt hết các thành phần nhôm và sắt, phần còn lại không hòa tách thì họ biến thành chất thải và đem đi chôn hoặc bỏ đi. Còn nếu để sản xuất bột màu hoặc chất hấp phụ thì họ sẽ rửa qua cho hết phần xút dư và một số tạp chất không cần thiết, phần còn lại thì mới làm chất hấp phụ”, PGS.TS Lê Thị Mai Hương giải thích.

Tuy nhiên, từ những kinh nghiệm nghiên cứu về hệ nhôm sắt, bà nhận thấy rằng những tạp chất chứa trong bùn đỏ như kiềm, khi hòa tách trong axit sẽ tạo ra các muối natri, muối canxi, không có hại nhiều mà thậm chí còn hỗ trợ hiệu quả hơn cho quá trình keo tụ. Thay vì bỏ đi như các phương pháp khác, bà băn khoăn câu hỏi: làm thế nào để có thể tận dụng được cùng lúc những thành phần này mà không làm phát sinh chất thải thứ phát như các phương pháp khác?

Do vậy trong quá trình nghiên cứu, khi xác định được nhôm và sắt - thành phần chính của bùn đỏ - cũng chính là thành phần trong dung dịch chất keo tụ để xử lý nước và chất hấp phụ để xử lý màu và kim loại nặng, PGS.TS Mai Hương đã nảy ra ý tưởng tìm một mức độ hòa tách hợp lý để phần pha rắn có thể dùng làm các chất hấp phụ hoặc nung lên làm bột màu, còn phần đã hòa tách ra trong pha lỏng thì vẫn dùng được để làm dung dịch chất keo tụ đa thành phần.

Thêm vào đó, do bùn đỏ ở nước ta có sẵn lợi thế không chứa phóng xạ và dễ tái chế hơn so với nhiều nước trên thế giới, bà tin rằng nếu tận dụng được tối đa các thành phần như vậy sẽ giúp sản xuất ra phèn và phèn nhôm ngay trong nước với giá thành rẻ hơn mà không cần phải nhập khẩu nhiều từ Trung Quốc nữa.

Để thực hiện ý tưởng này, PGS.TS Hương đã hòa tách bùn đỏ bằng axit sulfuric có nồng độ từ 2 đến 5 mol/L ở nhiệt độ xấp xỉ 100°C, trong điều kiện khuấy trộn liên tục từ 2 đến 3 giờ. Nguyên liệu axit được chuẩn bị bằng cách hòa tan axit sulfuric đặc 98% trong nước và được lấy thiếu so với phương trình tỷ lượng từ 10 đến 30% tổng lượng nhôm và sắt có trong bùn đỏ. Nhiệt của phản ứng hòa tan axit sulfuric cũng sẽ được tận dụng để cấp nhiệt cho phản ứng hòa tách bùn đỏ.

Mấu chốt của phương pháp sản xuất này là phải xác định được một tỉ lệ hòa tách hợp lý nhằm tạo ra đồng thời nhiều sản phẩm trong cùng một quy trình, vậy nên việc kiểm soát kỹ các điều kiện của quá trình thực hiện đóng vai trò vô cùng quan trọng. “Có điều kiện hòa tách sẽ làm cho nhôm ra nhiều, có điều kiện lại làm cho sắt ra nhiều, nếu nhiều nhôm quá hoặc ít sắt quá thì cả keo tụ và pha rắn đều không hiệu quả”, PGS.TS Mai Hương cho biết và nói vui rằng, “người làm hóa cũng như người nấu ăn vậy, mình phải biết gia giảm các thứ và căn được đến độ nào thì vừa và “chín tới”, không được để chín quá”.

Sau khi hòa tách, toàn bộ hệ sau phản ứng sẽ được đưa vào máy lọc khung bản để thu hồi dung dịch muối và phần bã rắn. Phần bã sau đó sẽ được rửa bằng nước nóng ở nhiệt độ từ 70°C đến 90°C với tỷ lệ nước rửa từ 10 đến 20% khối lượng bã, lọc lại bằng máy lọc khung bản để thu được bã rắn và dung dịch sau lọc. Tiếp đó, phần dung dịch sẽ được bổ sung axit sulfuric đặc 98% để đạt tỷ lệ phản ứng với bùn đỏ và được tuần hoàn trở lại bước đầu tiên để hòa tách bùn đỏ, còn phần bã rắn được sấy khô ở nhiệt độ từ 110°C đến 140°C trong thời gian 6 giờ, sau đó được nung ở nhiệt độ từ 650°C đến 800°C trong thời gian 1 giờ bằng lò nung và được nghiền thành bột màu. Bên cạnh đó, một phần dung dịch muối sau hòa tách có thành phần chính là muối sulfat của nhôm và sắt sẽ được sử dụng trực tiếp làm chất keo tụ dạng lỏng, đồng thời được xử lý để làm chất keo tụ dạng rắn.

Với các bước được tính toán chi tiết như vậy, PGS.TS Mai Hương đã sử dụng được cả pha lỏng và pha rắn mà không làm phát sinh chất thải thứ phát. Không những vậy, dung dịch chất keo tụ đa thành phần sản xuất theo quy trình này còn có hàm lượng muối sulfat nhôm cao hơn; nâng cao được khả năng xử lý độ đục cũng như khả năng xử lý đồng thời COD hoặc Photphat. Bên cạnh đó, hàm lượng oxit sắt trong pha rắn cũng cao hơn, bề mặt riêng phát triển mạnh, giúp cho bột màu với thành phần chính là oxit sắt Fe2O3 có tính ưu việt hơn. Chưa kể đến do tái sử dụng được chất phế thải, các sản phẩm sản xuất từ bùn đỏ cũng sẽ có giá thành rẻ hơn so với sản phẩm ngoại nhập mà vẫn đảm bảo tốt tính năng, có thể ứng dụng được trong xử lý nước thải, nước cấp, sản xuất vật liệu xây dựng như gạch không nung, sơn chống gỉ và chất độn, v.v.

Để kiểm tra kết quả trong thực tế, bà đã thử nghiệm với 1 kg bùn đỏ ướt thải từ nhà máy Alumin Tân Rai, Tây Nguyên. Sau khi hòa tách bùn đỏ trong máy khuấy với 250ml dung dịch axit sulfuric đặc 98% và 500ml nước, ở nhiệt độ xấp xỉ 100°C trong thời gian 3 giờ, đồng thời thực hiện các bước lọc, rửa, tuần hoàn, sấy, nghiền theo thông số kỹ thuật phù hợp, kết quả thử nghiệm đã thu được sản phẩm là 200g bột màu, 200ml chất keo tụ dạng lỏng và 80g chất keo tụ dạng rắn từ 1 kg bùn đỏ ban đầu.

Mặc dù có tiềm năng đem lại hiệu quả cả về mặt kinh tế và môi trường, có thể góp phần xử lý vấn đề môi trường cho các khu khai thác bauxite ở Tây Nguyên như vậy nhưng theo PGS.TS Lê Thị Mai Hương, việc triển khai phương pháp này trong thực tế còn là cả một chặng đường dài, bởi riêng việc thử nghiệm quy trình sản xuất ở quy mô công nghiệp vẫn đang còn gặp nhiều khó khăn do yêu cầu khá phức tạp về mặt thủ tục, giấy tờ trong việc tái sử dụng chất thải nguy hại. Bên cạnh đó, dù phương pháp này có thể giúp xử lý bùn đỏ, tuy nhiên cũng mới chỉ dừng ở việc giảm bớt được một phần nhỏ trong số hàng triệu tấn bùn thải ra hàng năm, “để xử lý được trên quy mô rộng hơn sẽ cần phải nghiên cứu hoặc phát triển thêm các phương pháp khác nữa”, PGS.TS Mai Hương cho biết.