Download luận án tiến sĩ ngành hóa học với đề tài: Nghiên cứu hoạt hóa bùn đỏ để hấp phụ một số anion ô nhiễm trong môi trường nước, cho các bạn tham khảo Nhận viết luận văn đại học, thạc sĩ trọn gói, chất lượng, LH ZALO=>0909232620 Tham khảo dịch vụ, bảng giá tại: https://baocaothuctap.net

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-------------------------------------
VŨ XUÂN MINH
NGHIÊN CỨU HOẠT HÓA BÙN ĐỎ ĐỂ HẤP PHỤ MỘT SỐ
ANION Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
HÀ NỘI – 2017

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………
VŨ XUÂN MINH
NGHIÊN CỨU HOẠT HÓA BÙN ĐỎ ĐỂ HẤP PHỤ MỘT SỐ
ANION Ô NHIỄM TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 62.44.01.19
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Nguyễn Tuấn Dung
2. TS. Nguyễn Vũ Giang
Hà Nội – 2017

3. LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và các cộng sự. Tất
cả các xuất bản đƣợc công bố chung với các cán bộ hƣớng dẫn khoa học và các
đồng nghiệp đã đƣợc sự đồng ý của các tác giả trƣớc khi đƣa vào luận án. Các
số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc công bố và sử dụng
để bảo vệ trong bất cứ một luận án nào khác.
Tác giả luận án
Vũ Xuân Minh

4. LỜI CẢM ƠN
Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Tuấn Dung và
TS. Nguyễn Vũ Giang, những ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ
tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, các cán bộ
phòng Nghiên cứu Ứng dụng và Triển khai Công nghệ đã ủng hộ và tạo mọi điều
kiện thuận lợi cũng nhƣ những góp ý về chuyên môn cho tôi trong suốt quá trình
thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp tại Trung tâm phát triển công nghệ sạch và
vật liệu, Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên, đặc biệt là PGS.TS. Lê Thị Mai
Hƣơng, đã tạo điều kiện giúp tôi thực hiện một số nội dung quan trọng của luận án,
đồng thời có những góp ý quý báu về chuyên môn.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã luôn quan tâm,
giúp đỡ, động viên và khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, ngày tháng năm
Tác giả luận án
Vũ Xuân Minh

5. MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................i
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................v
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.......................................................................................4
1.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÙN ĐỎ...................................................................4
1.1.1. Sự hình thành bùn đỏ .................................................................................4
1.1.2. Các đặc trƣng quan trọng của bùn đỏ.........................................................6
1.1.3. Nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng từ bùn đỏ.....................................................9
1.2.CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ DỤNG BÙN ĐỎ ...............................10
1.2.1. Lƣu trữ và chôn lấp bùn đỏ ......................................................................10
1.2.2. Trung hòa bùn đỏ .....................................................................................12
1.2.3. Tái sử dụng bùn đỏ...................................................................................14
1.3.PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC...............18
1.3.1. Tổng quan chung về hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc..............................18
1.3.2. Vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên và phụ phẩm công – nông nghiệp22
1.4.NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÙN ĐỎ LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ.............25
1.4.1. Hấp phụ kim loại nặng .............................................................................25
1.4.2. Hấp phụ anion ..........................................................................................28
1.4.3. Hấp phụ các chất hữu cơ..........................................................................31
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................35
2.1.NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT.....................................................................35
2.2.TRUNG HÕA BÙN ĐỎ.....................................................................................36
2.3.HOẠT HÓA BÙN ĐỎ .......................................................................................36
2.4.CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU.................38
2.4.1. Phƣơng pháp chuẩn độ.............................................................................38
2.4.2. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD).........................................................39
2.4.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét ............................................................39
2.4.4. Phƣơng pháp phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDX) .................................40
2.4.5. Phƣơng pháp tán xạ Laser........................................................................40
2.4.6. Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng BET .................................40

6. 2.4.7. Phƣơng pháp phân tích nhiệt....................................................................41
2.4.8. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại FT-IR........................................................41
2.4.9. Phƣơng pháp trắc quang...........................................................................42
2.5.NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ANION CỦA BÙN ĐỎ VÀ
BÙN ĐỎ HOẠT HÓA..............................................................................................43
2.5.1. Nghiên cứu khả năng hấp phụ anion Cr(VI)............................................44
2.5.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ anion F-
....................................................44
2.5.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ chất màu ..................................................45
2.5.4. Nghiên cứu khả năng hấp phụ phosphat ..................................................46
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................48
3.1.ĐẶC TRƢNG TÍNH CHẤT CỦA BÙN ĐỎ TRƢỚC VÀ SAU KHI HOẠT
HÓA ..........................................................................................................................48
3.1.1. Trung hòa bùn đỏ bằng các phƣơng pháp khác nhau...............................48
3.1.2. Hoạt hóa bùn đỏ hằng axit .......................................................................53
3.1.3. Hoạt hóa nhiệt và hoạt hóa kết hợp..........................................................58
3.1.4. Khảo sát ảnh hƣởng của yếu tố xử lý tới khả năng hấp phụ của bùn đỏ .62
3.2.NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cr(VI) CỦA BÙN ĐỎ HOẠT HÓA
AXIT .........................................................................................................................65
3.2.1. Khảo sát ảnh hƣởng của pH .....................................................................65
3.2.2. Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ Cr(VI) trên BĐA...............66
3.2.3. Nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ................................................................68
3.3.NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ FLORUA CỦA BÙN ĐỎ HOẠT
HÓA AXIT................................................................................................................70
3.3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của pH .....................................................................70
3.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ ...........................................71
3.3.3. Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ F-
trên BĐA.......................71
3.3.4. Đẳng nhiệt hấp phụ ..................................................................................73
3.3.5. Xử lý mẫu nƣớc nhiễm ion F-
thực tế ......................................................75
3.4.KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CHẤT MÀU ANION............................77
3.4.1. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ chất màu................................77
3.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH .....................................................................78
3.4.3. Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ ...........................................79

7. 3.4.4. Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ chất màu trên BĐA ...........80
3.4.5. Đẳng nhiệt hấp phụ ..................................................................................82
3.4.6. Phân tích phổ hồng ngoại FT-IR..............................................................85
3.4.7. Xử lý mẫu nƣớc thải dệt nhuộm thực tế...................................................87
3.5.KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ PHOSPHAT CỦA BÙN ĐỎ HOẠT
HÓA NHIỆT VÀ BÙN ĐỎ HOẠT HÓA KẾT HỢP ..............................................88
3.5.1. Khảo sát ảnh hƣởng của pH .....................................................................88
3.5.2. Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ ...........................................91
3.5.3. Nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ phosphat............................91
3.5.4. Đẳng nhiệt hấp phụ ..................................................................................93
3.5.5. Xử lý mẫu nƣớc thải thực tế nhiềm phosphat ..........................................95
KẾT LUẬN CHUNG................................................................................................97
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .........................................................99
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ...............................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................101
PHỤ LỤC................................................................................................................106

8. i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Tên đầy đủ
BĐT Bùn đỏ thô
BĐ-HCl Bùn đỏ trung hòa bằng axit HCl 10-4
M
BĐ-G Bùn đỏ trung hòa bằng Gypsum
BĐ-NB Bùn đỏ trung hòa bằng nƣớc biển
BĐA Bùn đỏ xử lý bằng axit
BĐN Bùn đỏ xử lý nhiệt
BĐN600 Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 600o
C
BĐN650 Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 650o
C
BĐN700 Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 700o
C
BĐN800 Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 800o
C
BĐN900 Bùn đỏ xử lý nhiệt ở 900o
C
BĐAN Bùn đỏ hoạt hóa kết hợp bằng axit H2SO4 2M và nung ở 700o
C
BET Brunauer-Emmett-Teller
B-MERF Blue MERF
DTA Phân tích nhiệt vi sai
EDX Phổ tán sắc năng lƣợng tia X
FT-IR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
qmax Dung lƣợng hấp phụ cực đại
qtn Dung lƣợng hấp phụ thực nghiệm
qe Dung lƣợng hấp phụ tính toán
R-3BF Red 3BF
SEM Hiển vi điện tử quét
TGA Phân tích nhiệt trọng lƣợng
UV-vis Phổ tử ngoại khả kiến
XRD Nhiễu xạ tia X
Y-3GF Yellow 3GF

9. ii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Sơ đồ hai quy trình chế biến quặng bauxit của Bayer [4]. ........................4
Hình 1. 2. Lớp lót vải địa kỹ thuật trong lòng hồ bùn đỏ.........................................11
Hình 1. 3. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III) trên bùn đỏ thô
(RRM); bùn đỏ xử lý nhiệt (A) và bùn đỏ xử lý axit (B) [45]..................................27
Hình 1. 4. Động học hấp phụ song song bậc 1 của phosphat trên bùn đỏ và bùn đỏ
hoạt hóa bằng các phƣơng pháp khác nhau [56].......................................................31
Hình 1. 5. Ảnh hƣởng của phƣơng pháp hoạt hóa đến đẳng nhiệt hấp phụ của tro
bay (A) và bùn đỏ (B). T = 30o
C, pH = 5,2 [64]......................................................33
Hình 2. 1. Sơ đồ hoạt hóa bùn đỏ bằng axit. ............................................................37
Hình 2. 2. Hệ thiết bị trong thí nghiệm hoạt hóa bùn đỏ bằng axit..........................37
Hình 2. 3. Giàn khuấy cần trong thực nghiệm khảo sát hấp phụ .............................43
Hình 3. 1. pH của bùn đỏ khi trung hòa bằng a) HCl; b) nƣớc biển; c) gypsum .....49
Hình 3. 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của bùn đỏ thô (A) và sau khi trung hòa: BĐ-HCl
(B); BĐ-NB (C) và BĐ-G (D) .................................................................................50
Hình 3. 3. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp khí nitơ của (A) BĐT; (B) BĐ-HCl;
(C) BĐ-NB; (D) BĐ-G..............................................................................................52
Hình 3. 4. Giản đồ XRD của bùn đỏ trƣớc (A) và sau khi xử lý axit (B) ................54
Hình 3. 5. Ảnh SEM của bùn đỏ trƣớc (BĐT) và sau khi xử lý axit (BĐA) ...........55
Hình 3. 6. Biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt của bùn đỏ trƣớc (BĐT) và sau khi hoạt
hóa axit (BĐA)..........................................................................................................56
Hình 3. 7. Đƣờng hấp phụ - giải hấp nitơ của (A) bùn đỏ thô và (B) bùn đỏ hoạt hóa
axit.............................................................................................................................57
Hình 3. 8: Sự phân bố thể tích lỗ xốp của (A) BĐT, (b) BĐA ................................57
Hình 3. 9. Giản đồ phân tích nhiệt của bùn đỏ.........................................................58
Hình 3. 10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của A) BĐN700 và B) BĐAN .........................59
Hình 3. 11. Ảnh SEM của BĐN700 và BĐAN........................................................60
Hình 3. 12. Đƣờng hấp phụ - giải hấp khí nitơ của A) BĐT, B) BĐN700, C) BĐN-
900 và D) BĐAN ......................................................................................................61
Hình 3. 13. Sự phân bố thể tích lỗ xốp của các mẫu (a) BĐT, (b) BĐN700, (c)
BĐN900 và (d) BĐAN..............................................................................................61

10. iii
Hình 3. 14. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ (A) Cr(VI), (B) phopho tổng, (C) F-
và
(D) Y-3GF.................................................................................................................63
Hình 3. 15. So sánh dung lƣợng hấp phụ của bùn đỏ hoạt hóa bằng các phƣơng
pháp khác nhau..........................................................................................................64
Hình 3. 16. Ảnh hƣởng của pH tới dung lƣợng hấp phụ Cr(VI) trên BĐA .............65
Hình 3. 17. Các dạng tồn tại của ion Cr(VI) trong dung dịch theo pH với nồng độ
Cr(VI) 0,1 M theo tài liệu [71]..................................................................................66
Hình 3. 18. Dung lƣợng hấp phụ Cr(VI) của BĐA theo thời gian tiếp xúc.............67
Hình 3. 19. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của quá trình hấp
phụ Cr(VI) trên BĐA. ...............................................................................................67
Hình 3. 20. Ảnh hƣởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu tới khả năng hấp phụ của BĐA
...................................................................................................................................68
Hình 3. 21. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Cr(VI) của BĐA: (A) Langmuir, (B)
Freundlich..................................................................................................................69
Hình 3. 22. Ảnh hƣởng của pH đến dung lƣợng hấp phụ F-
của BĐA ....................70
Hình 3. 23. Ảnh hƣởng của lƣợng BĐA đến khả năng hấp phụ F-
..........................71
Hình 3. 24. Dung lƣợng hấp phụ F-
trên BĐA theo thời gian tiếp xúc ....................72
Hình 3. 25. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của quá trình hấp
phụ F-
trên BĐA. Nồng độ F-
ban đầu (■) 50 mg/L, (●) 100 mg/L..........................72
Hình 3. 26. Ảnh hƣởng của nồng độ F-
ban đầu đến khả năng hấp phụ của BĐA ..74
Hình 3. 27. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ F-
của BĐA: (A) Langmuir; (B) Freundlich
...................................................................................................................................74
Hình 3. 28. Kết quả xử lý nƣớc nhiễm florua lấy từ công ty CP phân lân nung chảy
Văn Điển ...................................................................................................................76
Hình 3. 29. Đƣờng chuẩn xác định nồng độ (A)Y-3GF; (B)R-3BF và (C)B-MERF
...................................................................................................................................77
Hình 3. 30. Ảnh hƣởng của pH tới dung lƣợng hấp phụ: (A) Y-3GF; (B) R-3BF;
(C) B-MERF trên BĐA.............................................................................................78
Hình 3. 31. Ảnh hƣởng của lƣợng BĐA tới khả năng hấp phụ Y-3GF (A); R-3BF
(B) và B-MERF (C) ..................................................................................................79
Hình 3. 32. Hiệu suất hấp phụ (A) Y-3GF; (B) R-3BF; (C) B-MERF của BĐA theo
thời gian tiếp xúc, với C0 là 30, 70 và 100 mg/L ......................................................80

11. iv
Hình 3. 33. Đƣờng động học hấp phụ bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của Y-3GF trên BĐA
...................................................................................................................................81
Hình 3. 34. Đƣờng động học hấp phụ bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của R-3BF trên BĐA
...................................................................................................................................81
Hình 3. 35. Đƣờng động học hấp phụ bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của B-MERF trên
BĐA ..........................................................................................................................81
Hình 3. 36. Ảnh hƣởng của nồng độ (A) Y-3GF; (B) R-3BF; (C) B-MERF đến hiệu
suất và dung lƣợng hấp phụ của BĐA. .....................................................................83
Hình 3. 37. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ các chất màu (A) Y-3GF, (B) R-3BF và (C)
B-MERF trên BĐA ...................................................................................................84
Hình 3. 38. Phổ FTIR của chất màu R-3BF (a), của bùn đỏ trƣớc (b) và sau khi hấp
phụ (c) .......................................................................................................................85
Hình 3. 39. Phổ FTIR của chất màu Y-3GF (a), của bùn đỏ trƣớc (b) và sau khi hấp
phụ (c) .......................................................................................................................86
Hình 3. 40. Phổ FTIR của chất màu B-MERF (a), của bùn đỏ trƣớc (b) và sau khi
hấp phụ (c).................................................................................................................87
Hình 3. 41. Kết quả xử lý mẫu nƣớc thải dệt nhuộm thực tế A) R-3BF, B) Y-3GF,
C) B-MERF...............................................................................................................88
Hình 3. 42. Dung lƣợng hấp phụ phosphat của các mẫu bùn đỏ: (a) BĐT; (b)
BĐN600; (c) BĐN650; (d) BĐN700; (e) BĐN800; (f) BĐN900. ...........................89
Hình 3. 43. Phân ly axit photphoric phụ thuộc vào pH [29] ....................................90
Hình 3. 44. Ảnh hƣởng của pH tới dung lƣợng hấp phụ phosphat của các mẫu bùn
đỏ: (a) BĐN700; (b) BĐAN......................................................................................90
Hình 3. 45. Ảnh hƣởng của lƣợng chất hấp phụ đến hiệu suất tách loại phosphat..91
Hình 3. 46. Dung lƣợng hấp phụ phosphat của BĐN700 và BĐAN theo thời gian
tiếp xúc......................................................................................................................92
Hình 3. 47. Động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 (A) và bậc 2 (B) của quá trình hấp
phụ phosphat trên BĐN700 (■) và BĐAN (●) .........................................................92
Hình 3. 48. Ảnh hƣởng của nồng độ phosphat ban đầu tới hiệu suất và dung lƣợng
hấp phụ phosphat của (A) BĐN700; và (B) BĐAN .................................................94
Hình 3. 49. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich của: (A) BĐN700;
và (B) BĐAN ............................................................................................................94

12. v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Thành phần các loại khoáng chính trong quặng bauxit [2].......................6
Bảng 1. 2. Thành phần nguyên tố và khoáng vật học của bùn đỏ [2] ........................7
Bảng 1. 3. Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của các mẫu bùn đỏ và bùn đỏ
hoạt hóa bằng các phƣơng pháp khác nhau [56].......................................................30
Bảng 1. 4. Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của các mẫu tro bay (FA) và
bùn đỏ (RM) hoạt hóa bằng các phƣơng pháp khác nhau [64].................................33
Bảng 3. 1. Thành phần nguyên tố của bùn đỏ trƣớc và sau khi trung hòa ...............51
Bảng 3. 2. Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của bùn đỏ trung hòa .............52
Bảng 3. 3. Khối lƣợng Al, Fe quy ra oxit trong bùn đỏ thô và trong dung dịch hòa
tách ............................................................................................................................53
Bảng 3. 4. Diện tích bề mặt riêng và đặc trƣng lỗ xốp của bùn đỏ trƣớc và sau khi
hoạt hóa axit ..............................................................................................................57
Bảng 3. 5. Diện tích bề mặt riêng và đặc trƣng lỗ xốp của BĐN và BĐAN............62
Bảng 3. 6: Phƣơng trình đƣờng chuẩn xác định Cr(VI), phosphat, F-
và Y-3GF ....63
Bảng 3. 7: Các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 và bậc
2.................................................................................................................................67
Bảng 3. 8. Các tham số của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Cr(VI) trên BĐA............69
Bảng 3. 9. Các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 và bậc
2.................................................................................................................................73
Bảng 3. 10. Tốc độ hấp phụ ban đầu và thời gian dung lƣợng hấp phụ đạt 50%qe,
99%qe của F-
trên BĐA .............................................................................................73
Bảng 3. 11. Các tham số của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ F-
trên BĐA..................75
Bảng 3. 12. Các tham số của phƣơng trình động học bậc hấp phụ 2 của Y-3GF, R-
3BF và B-MERF trên BĐA.......................................................................................82
Bảng 3. 13. Tốc độ hấp phụ ban đầu và thời gian dung lƣợng hấp phụ đạt 50%qe,
99%qe của thuốc nhuộm trên BĐA...........................................................................82
Bảng 3. 14. Các tham số của phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Y-3GF, R-3BF và B-
MERF trên BĐA .......................................................................................................84
Bảng 3. 15. Nồng độ chất màu và giá trị pH của 3 loại nƣớc thải dệt nhuộm .........87
Bảng 3. 16. Các tham số của phƣơng trình động học hấp phụ phosphat bậc 2 trên
BĐN700 và BĐAN ...................................................................................................93

13. vi
Bảng 3. 17. Tốc độ hấp phụ ban đầu và thời gian dung lƣợng hấp phụ đạt 50%qe,
99%qe của phosphat trên BĐN700 và BĐAN ..........................................................93
Bảng 3. 18. Các tham số của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ phosphat trên BĐN700 và
BĐAN........................................................................................................................95

14. 1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Trong những năm qua nền kinh tế nƣớc ta đã có những bƣớc phát triển đáng
khích lệ, cơ cấu kinh tế chuyển đổi theo hƣớng công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tuy
nhiên, đồng hành với sự phát triển đó là việc nảy sinh nhiều vấn đề môi trƣờng
nghiêm trọng. Môi trƣờng ở một số thành phố lớn, khu công nghiệp tập trung và các
khu dân cƣ đang bị ô nhiễm. Tài nguyên thiên nhiên, đa dạng sinh học đang có nguy
cơ cạn kiệt, sự cố môi trƣờng có chiều hƣớng gia tăng.
Theo kết quả điều tra thăm dò địa chất ở nƣớc ta hiện nay, khoáng sản bauxit
phân bố rộng từ Bắc vào Nam với trữ lƣợng khoảng 5,5 tỷ tấn quặng nguyên khai,
tƣơng đƣơng với khoảng 2,4 tỷ tấn quặng tinh, tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên
(chiếm khoảng 91,4%) [1]. Quặng bauxit thƣờng đƣợc khai thác, tinh luyện để sản
xuất nhôm theo phƣơng pháp Bayer. Bùn đỏ chính là bã thải rắn của quá trình này
và đƣợc coi là tác nhân gây ô nhiễm môi trƣờng khá nghiêm trọng nếu không đƣợc
quản lý tốt. Trung bình sản xuất một tấn nhôm sẽ tạo ra 1 ÷ 2 tấn chất thải bùn đỏ
(quy ra khối lƣợng ở dạng khô). Bùn đỏ có độ kiềm rất cao (pH = 10 – 12,5), bao
gồm một hỗn hợp các tạp chất rắn và oxit kim loại [2], đây là một trong những vấn
đề về chất thải có khối lƣợng lớn nhất của ngành luyện nhôm. Nhà máy Alumin Tân
Rai với công suất thiết kế 600.000 tấn alumin/năm, lƣợng bùn đỏ khô là 636.720
tấn/năm [3], đến nay nhà máy đã sản xuất hơn 1 triệu tấn alumin, tƣơng ứng với
việc thải ra môi trƣờng khoảng hơn 1 triệu tấn bùn đỏ. Bắt đầu từ năm 2016 nhà
máy Alumin Tân Rai nâng hết công suất tức là mỗi năm thải ra khoảng 650.000 tấn
bùn đỏ khô.
Bùn đỏ nếu thải trực tiếp ra môi trƣờng có thể gây những hậu quả sau: (i)
phải sử dụng diện tích lớn để lƣu trữ, làm mất khả năng sử dụng đất trong thời gian
dài; (ii) khối lƣợng bùn thải lớn, trong mùa mƣa có nguy cơ gây ra rửa trôi, lũ bùn
làm ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt trên diện rộng; (iii) lƣợng xút dƣ thừa trong bùn
đỏ thấm vào đất gây ô nhiễm, đồng thời ngấm xuống đất gây ô nhiễm cả nguồn
nƣớc ngầm; (iv) kích thƣớc các hạt bùn đỏ rất nhỏ, có khuynh hƣớng dễ vỡ khi khô,
nên trong quá trình làm khô, bụi bùn đỏ có khả năng phát tán vào không khí do gió,
ảnh hƣởng xấu đến sức khoẻ con ngƣời và môi trƣờng sinh thái. Việc nghiên cứu xử

15. 2
lý bùn đỏ, bảo vệ môi trƣờng là nhiệm vụ cấp thiết của tất cả các quốc gia và là
thách thức lớn đối với các nhà khoa học.
Hiện nay, trên thế giới chƣa có nƣớc nào xử lý triệt để đƣợc vấn đề bùn đỏ.
Cách phổ biến mà ngƣời ta vẫn thƣờng làm là cô lập bùn đỏ bằng cách chứa nó
trong những bể lƣu nhằm giảm tác động trực tiếp lên môi trƣờng. Tuy nhiên từ đó
lại nảy sinh các rủi ro cao tại các hồ chứa bùn đỏ. Đã có nhiều nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc thu hồi kim loại từ bùn đỏ, tái sử dụng bùn đỏ làm các loại vật liệu xây
dựng nhƣ thép, xi măng, gạch block, gạch nung… Thời gian gần đây, bùn đỏ nhờ
có diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi ion cao nên bắt đầu đƣợc nghiên cứu
ứng dụng làm vật liệu hấp phụ xử lý các chất ô nhiễm trong nƣớc.
Ở nƣớc ta, các nghiên cứu về xử lý tái sử dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ
mới đƣợc bắt đầu và chƣa có kết quả đáng kể. Mặt khác, Việt Nam cũng đang phải
đối mặt với vấn đề suy giảm chất lƣợng nƣớc ngày một nghiêm trọng do nguồn phát
thải các chất ô nhiễm từ các khu công nghiệp, từ hoạt động sinh hoạt của con ngƣời,
làng nghề thủ công,… Đó là những lý do để chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu:
“Nghiên cứu hoạt hóa bùn đỏ để hấp phụ một số anion ô nhiễm trong môi
trường nước”, với mục đích giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm gây ra bởi bã thải bauxit,
chuyển hóa bùn đỏ thành vật liệu hấp phụ ứng dụng xử lý nƣớc bị ô nhiễm.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
- Hoạt hóa bùn đỏ bằng các phƣơng pháp khác nhau (xử lý axit, xử lý nhiệt và xử
lý kết hợp axit-nhiệt) và nghiên cứu đặc trƣng vật liệu.
- Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ một số anion ô nhiễm nƣớc và vai trò của
các phƣơng pháp hoạt hóa trong việc cải thiện tính năng hấp phụ của vật liệu.
3. Nội dung nghiên cứu của luận án:
- Xử lý trung hòa và hoạt hóa bùn đỏ bằng các phƣơng pháp khác nhau: xử lý axit,
xử lý nhiệt, xử lý kết hợp axit và nhiệt.
- Nghiên cứu đặc trƣng tính chất của bùn đỏ hoạt hóa bằng các phƣơng pháp:
XRD, SEM, EDX, BET, tán xạ Laser, TGA, DTA, FT-IR. Khảo sát ảnh hƣởng
của yếu tố hoạt hóa đến khả năng hấp phụ một số anion ô nhiễm nƣớc: crom(VI),
florua, phosphat, chất màu.
- Khảo sát quá trình hấp phụ các anion: crom(VI), florua, thuốc nhuộm thƣơng mại
dạng anion (Red 3BF, Yellow 3GF, Blue MERF) trên bùn đỏ hoạt hóa axit.

16. 3
- Khảo sát quá trình hấp phụ phosphat trên bùn đỏ xử lý nhiệt và xử lý kết hợp axit
và nhiệt.
- Thử nghiệm xử lý một số mẫu nƣớc thải thực tế bằng vật liệu bùn đỏ hoạt hóa.

17. 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BÙN ĐỎ
1.1.1. Sự hình thành bùn đỏ
Tháng 3 năm 1888, Bayer đã trình lên cơ quan phát minh Đức bản “Quy
trình sản xuất nhôm hydroxit”, theo đó quặng bauxit đƣợc thiêu kết ở nhiệt độ cao,
sau đó hòa tách bằng xút rồi kết tủa đƣợc nhôm hydroxit (hình 1.1A). Hạn chế của
quy trình này là quá trình thiêu kết cần rất nhiều năng lƣợng gây tốn kém và khó
kiểm soát. Hiện nay nó chỉ đƣợc sử dụng với các mỏ bauxit bắt buộc phải xử lý theo
phƣơng pháp thiêu kết [4].
Hình 1. 1. Sơ đồ hai quy trình chế biến quặng bauxit của Bayer [4].
Sau đó 4 năm, Bayer đã phát hiện ra rằng, dung dịch NaAl(OH)4 (cần thiết
để chế tạo nhôm hydroxit) có thể đƣợc tạo ra bằng cách hòa tách bauxit trong dung
dịch NaOH đậm đặc dƣới điều kiện áp suất cao. Với quy trình này (hình 1.1B), ông
đã đƣợc cấp bằng phát minh thứ hai vào năm 1892, gọi là “Quy trình Bayer”. Phát
NATRI
CACBONAT
QUẶNG
BAUXIT
NƢỚC
THẢI BÙN ĐỎ
SẢN PHẨM
Al(OH)3
THIÊU KẾT
HÕA TÁCH
TÁCH
Rắn/Lỏng
KẾT TỦA
LỌC
BAY HƠI
ĐẾN KHÔ
Mầm
Natricacbonat
quaylạiquytrình
QUY TRÌNH THIÊU KẾT (BAYER 1888)
A
NATRI HYDROXIT
VÀ VÔI
QUẶNG
BAUXIT
NƢỚC
THẢI BÙN ĐỎ
SẢN PHẨM
Al(OH)3
HÕA TÁCH
dƣới ÁP SUẤT
TÁCH
Rắn/Lỏng
KẾT TỦA
LỌC
BAY HƠI
ĐẾN KHÔ
Mầm
Dịchlỏngđãquasử
dụngquaylạiquytrình
QUY TRÌNH HÒA TÁCH (BAYER 1892)
“QUY TRÌNH BAYER”
B

18. 5
minh này đƣợc coi là nền tảng cho sự phát triển của ngành công nghiệp nhôm trong
thế kỷ 20 và là cơ sở công nghệ sản xuất tới hơn 95% sản lƣợng nhôm oxit trên toàn
cầu. Sau này, mặc dù công nghệ tách nhôm từ quặng bauxit đã có nhiều cải tiến
nhƣng hóa chất và các bƣớc tiến hành cơ bản của các nhà máy hiện đại vẫn giống
nhƣ mô tả nguyên gốc trong phát minh của Bayer. Sản phẩm của công nghệ Bayer
(nhôm oxit) sẽ là nguyên liệu để sản xuất nhôm kim loại bằng quy trình Hall-
Héroult (điện phân nhôm oxit nóng chảy) [4].
Quy trình Bayer bao gồm những bƣớc cơ bản sau đây:
- Hòa trộn: Quặng bauxit thô đƣợc hòa trộn với NaOH và bơm vào bồn áp lực lớn.
Tại đây, dƣới điều kiện nhiệt hơi nƣớc (150 –200o
C) và áp lực cao (2-3 atm), NaOH
phản ứng với các khoáng nhôm của bauxit tạo thành hợp chất bão hòa natri
aluminat, phần bã rắn còn lại không tan gọi là bùn đỏ.
Al2O3 + 2OH −
+ 3 H2O → 2[Al(OH)4]−
- Tách bùn: Sau khi hòa trộn, hỗn hợp đƣợc chuyển qua một loạt các thùng giảm áp
suất, cát và các chất rắn không tan đƣợc tách ra khỏi hỗn hợp qua các bẫy cát. Phần
dung dịch natri aluminat và cặn mịn tiếp tục đƣợc bổ sung thêm Ca(OH)2 và đƣa
qua bộ lọc vải để loại bỏ cặn mịn. Cát và chất rắn không tan chính là bùn đỏ. Bùn
đỏ sẽ đƣợc bơm đến khu vực lắng và rửa để thu hồi một phần lƣợng xút dƣ và dung
dịch natri aluminat, sau đó đƣợc bơm ra hồ chứa.
- Kết tủa: Dung dịch natri aluminat bão hòa tiếp tục đƣợc làm mát bằng hệ thống
trao đổi nhiệt. Vì bị làm lạnh đột ngột, nhôm hydroxit bị kết tủa lại tạo thành các hạt
tinh thể. Các tinh thể này kết hợp với nhau tạo thành các hạt lớn hơn lắng xuống
đáy. Sau đó, các hạt nhôm hydroxit đƣợc lọc và rửa sạch để loại bỏ xút. Phản ứng
diễn ra nhƣ sau:
Al(OH)4
-
→ Al(OH)3↓ + OH-
- Nung: Nhôm hydroxit đƣợc nung trong lò ở nhiệt độ trên 960°C (1760°F) tạo
thành nhôm oxit theo phản ứng sau đây:
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O
Nhƣ vậy, trong quy trình Bayer, một lƣợng bùn thải lớn đƣợc sinh ra trong
quá trình tách bùn, có màu đỏ đặc trƣng (nên gọi là bùn đỏ) và có độ kiềm lớn

19. 6
(pH~11÷13,5). Lƣợng bùn đỏ thải ra trên một tấn nhôm oxit thành phẩm có thể dao
động từ 0,3 tấn đối với bauxit chất lƣợng cao và 2,5 tấn đối với bauxit chất lƣợng
thấp [5].
Ngay từ lúc khởi đầu, nền công nghiệp nhôm đã phát triển nhanh chóng. Sự
phát triển của công nghệ, lợi ích kinh tế của quy mô lớn đã dẫn tới sự phát triển
mạnh mẽ những thiết bị sản xuất lớn hơn. Vào những năm 1980, sản lƣợng của
những nhà máy mới đƣợc xây dựng tại Australia và Brazil là 1 triệu tấn/năm [6].
Cho đến nay, hàng năm lƣợng bùn đỏ thải ra trên toàn cầu khoảng 2,7 tỷ tấn và ở
Việt Nam khoảng 1 triệu tấn (còn tiếp tục tăng lên khi các dự án khai thác và chế
biến bauxit sản xuất alumin đƣợc tăng công suất và mở rộng tại Tây Nguyên) [7].
1.1.2. Các đặc trƣng quan trọng của bùn đỏ
1.1.2.1. Thành phần khoáng trong bùn đỏ
Thành phần khoáng của bùn đỏ phụ thuộc vào thành phần hóa học của quặng
bauxit nguyên khai và công nghệ chế biến cụ thể của từng nhà máy. Thành phần các
loại khoáng chính trong quặng bauxit đƣợc trình bày trong bảng 1.1.
Bảng 1. 1. Thành phần các loại khoáng chính trong quặng bauxit [2]
Nguyên tố
(qui theo
oxit)
Hàm lƣợng (%)
Khoáng
Công thức ô mạng
cơ sởThấp nhất Trung bình Cao nhất
Al2O3 20 26-60 70
Gibsit Al(OH)3
Boehmit γ-AlOOH
Fe2O3 0,5 10-35 65
Goethit α-FeOOH
Hematit α-Fe2O3
TiO2 0,1 2-4 25
Anatas TiO2
Rutil TiO2
Ilmenit TiFeO3
SiO2 0,1 4-8 15
Kaolinit Si4Al4O10(OH)8
Quartz SiO2
Về cơ bản các khoáng này vẫn có mặt trong thành phần bùn đỏ nhƣng hàm
lƣợng thay đổi rất nhiều. Bùn đỏ phát thải từ quy trình Bayer tồn tại ở thể nhão với
tổng hàm lƣợng chất rắn dao động từ 20 đến 80 % khối lƣợng, tùy thuộc vào quy

20. 7
trình công nghệ. Hàm lƣợng các nguyên tố trong bùn đỏ giảm theo dãy: Fe > Si ~ Ti
> Al > Ca > Na, pha tinh thể chiếm khoảng 70% khối lƣợng và còn lại là pha vô
định hình. Hematit có mặt trong tất cả các loại bùn đỏ với hàm lƣợng dao động
trong khoảng t ừ 7% đến 29% khối lƣợng, ngoài ra là các khoáng nhƣ goethit
(FeOOH), boehmit (γ-AlOOH), gibsit (Al(OH)3), anatas (TiO2), rutil (TiO2),
ilmenit (FeTiO3), perovskit (CaTiO3), và quartz (SiO2). Thành phần các khoáng
đƣợc thống kê trong bảng 1.2 [2].
Bảng 1. 2. Thành phần nguyên tố và khoáng vật học của bùn đỏ [2]
Nguyên tố
(qui theo
oxit)
Hàm lƣợng (%) Khoáng Công thức ô mạng cơ sở
Thấp
nhất
Trung
bình
Cao
nhất
Fe2O3 6,8 40,9±15,6 71,9
Hematit
Goethit
Magnetit
α-Fe2O3
α-FeOOH
Fe3O4
Al2O3 2,12 16.3±6,4 33,1
Boehmit
Gibsit
Diaspor
γ-AlOOH
γ-Al(OH)3
α-AlOOH
SiO2 0,6 9,6±6,7 23,8
Sodalit
Cancrinit
Quartz
Khác
Na6[Al6Si6O24]·[2NaOH,Na2SO4]
Na6[Al6Si6O24]·2[CaCO3]·[H2O]
SiO2
Illit, muscovit
TiO2 2,5 8,8±4,4 22,6
Rutil
Anatas
Perovskit
Ilmenit
TiO2
TiO2
CaTiO3
TiFeO3
CaO 0,6 8,6±9,4 47,2
Calcit
Perovskit
Whewelit
Tri-calcium
aluminat
(TCA)
Hydrocalumit
CaCO3
CaTiO3
CaC2O4
Ca3Al2(OH)12
Ca4Al2(OH)12·CO3·6H2O
Na2O 0,1 4,5±3,3 2,4
Sodalit
Cancrinit
Dawsonit
Na6[Al6Si6O24]·[2NaOH,Na2SO4]
Na6[Al6Si6O24]·2[CaCO3]·0[H2O]
NaAl(OH)2·CO3

21. 8
Mất khi
nung
4,4 10,0±2,8 21,1
Bauxit có hàm lƣợng nhôm cao nhất, trong khi đó sắt là thành phần lớn nhất
của bùn đỏ. Ngoài ra, hàm lƣợng Ti và Si của bùn đỏ cũng tăng gần gấp đôi so với
bauxit, khoáng kaolinit biến đổi thành sodalit và cancrinit, khoáng ferihydrit và
goethit cũng có thể chuyển hoàn toàn hay một phần thành hematit. Bên cạnh đó,
trong bùn đỏ còn xuất hiện thêm hai thành phần hóa học đáng kể là Na và Ca. Hai
nguyên tố này có thể bị tách loại một phần bằng quá trình rửa ngƣợc để thu hồi xút
và giảm độ kiềm của bùn đỏ.
1.1.2.2. Tính chất vật lý của bùn đỏ
Quặng bauxit trƣớc khi đƣa vào hòa tách phải nghiền đến cỡ hạt nhỏ, đồng
thời tiếp tục tự tự vỡ vụn trong quá trình chế biến, nên bã thải bùn đỏ có cỡ hạt từ
mịn đến rất mịn, kích thƣớc thƣờng nằm trong khoảng từ 2 μm đến 100 μm. Tỷ khối
trung bình của bùn đỏ là 2,5±0,7 g/cm3
[2].
Bề mặt riêng trung bình của bùn đỏ trong khoảng từ 7,3 ÷ 34,5 m2
/g [8], giá
trị này nhỏ hơn so với nhiều loại đất, đặc biệt là các loại đất có hàm lƣợng khoáng vô
định hình cao hoặc đất có chứa sét. Cả hai dạng khoáng này đều dễ dàng bị hòa tan
trong điều kiện hòa tách của quy trình Bayer nên không có mặt trong thành phần bùn
đỏ.
1.1.2.3. Các tính chất hóa lý của bùn đỏ
a) Độ pH
Độ pH của bùn đỏ đƣợc coi là thông số đặc biệt quan trọng, giá trị pH của
bùn đỏ nằm trong khoảng 11  13,5. Các anion có tính bazơ trong dung dịch bùn đỏ
là OH-
, , và . Trong công bố của Thornber [9] bùn đỏ đƣợc
rửa nƣớc liên tục, khối lƣợng các chất rắn giảm liên tục, nhƣng giá trị pH và nồng
độ các ion Na+
, , và OH-
trong nƣớc gần nhƣ không thay đổi. Điều
này chứng tỏ pH dung dịch đƣợc đệm bởi các chất rắn có tính bazơ của bùn đỏ, và
pH sẽ không thay đổi cho đến khi các chất rắn này đƣợc hòa tan hoàn toàn.
b) Điện tích bề mặt
Bùn đỏ là một hỗn hợp các hạt rắn dị thể kích thƣớc nhỏ. Điện tích bề mặt hạt
có ảnh hƣởng rất lớn tới các tính chất bên trong hạt cũng nhƣ giữa các hạt với nhau

22. 9
khi có mặt nƣớc (và các muối hòa tan). Các ảnh hƣởng này không chỉ liên quan đến
các tính chất vật lý vĩ mô nhƣ độ lƣu biến, co cụm hay keo tụ, mà còn liên quan đến
một loạt các tính chất hóa học đặc trƣng của hạt nhƣ hydrat hóa bề mặt, trao đổi ion,
oxi hóa khử. Sự thay đổi điện tích các hạt khoáng theo pH của dung dịch sẽ điều
khiển quá trình trao đổi ion, hấp phụ/giải hấp các ion trên bề mặt tiếp xúc khoáng-
nƣớc.
Đặc tính của điện tích bề mặt phụ thuộc vào bản chất của hạt khoáng: các
khoáng dƣ còn lại của bauxit thƣờng có điện tích bề mặt thay đổi theo pH (các oxit
của Fe, Al, Ti và Si), bên cạnh đó là khoáng của bùn đỏ, ví dụ sodalit luôn luôn tích
điện âm, không phụ thuộc vào pH. Ngƣời ta chia khoáng ra thành hai loại: i) điện
tích thay đổi (hay điện tích phụ thuộc pH), và ii) điện tích không thay đổi (hay điện
tích không phụ thuộc vào pH).
Điện tích bề mặt hạt khoáng đƣợc sinh ra do sự mất cân bằng điện tích cục
bộ (bề mặt có quá ít hoặc quá nhiều H+
); hoặc do mất cân bằng điện tích cấu trúc
(sự thay thế các kim loại trong ô mạng tinh thể bằng các kim loại khác nhƣ Al3+
thay thế Si4+
trong khoáng sodalit). Các khoáng có điện tích không đổi có thể tích
điện âm (ví dụ sodalit) hoặc dƣơng (ví dụ hydrocalumit và hydrotalcit). Nhƣ vậy
trong bùn đỏ có cả hai loại: điện tích cố định và điện tích phụ thuộc pH đều tồn tại.
Việc nghiên cứu sự biến đổi điện tích bề mặt là hết sức quan trọng trong các
quá trình xử lý, trung hòa bùn đỏ hay ứng dụng làm vật liệu hấp phụ.
1.1.3. Nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng từ bùn đỏ
Song song với các hoạt động khai thác quặng bauxit là tình trạng suy giảm
tài nguyên và ô nhiễm môi trƣờng. Đặc biệt là vấn đề xả thải bùn đỏ có nguy cơ ảnh
hƣởng xấu đến nguồn nƣớc ngầm, nƣớc mặt, phá hủy môi trƣờng sinh thái và sức
khỏe ngƣời dân địa phƣơng. Theo tính toán, nhà máy alumin Nhơn Cơ với công
suất 650 000 tấn/năm sẽ thải ra 1 200 000 tấn bùn đỏ/năm, nhà máy alumin Tân Rai
công suất 650 000 tấn/năm sẽ thải ra 1 500 000 tấn bùn đỏ/năm [3]. Nếu theo đà
phát triển nhƣ vậy, tính đến năm 2025 thì lƣợng bùn đỏ thải ra của nhà máy alumin
Tân Rai là 15 triệu tấn, nhà máy Nhơn Cơ thải ra 12 triệu tấn. Lƣợng bùn thải lớn
này nếu thải trực tiếp ra môi trƣờng có thể gây những hậu quả nghiêm trọng:
- Phải sử dụng diện tích lớn để lƣu trữ, làm mất khả năng sử dụng đất trong thời
gian dài;

23. 10
- Khối lƣợng bùn thải lớn, trong mùa mƣa có nguy cơ gây ra rửa trôi, lũ bùn làm ô
nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt trên diện rộng;
- Lƣợng xút dƣ thừa trong bùn đỏ thấm vào đất gây ô nhiễm, đồng thời ngấm
xuống đất gây ô nhiễm cả nguồn nƣớc ngầm;
- Kích thƣớc hạt bùn đỏ rất nhỏ, khi khô, bụi bùn đỏ có khả năng phát tán vào
không khí, ảnh hƣởng xấu đến sức khoẻ con ngƣời và môi trƣờng sinh thái.
Sự cố vỡ đập chứa bùn đỏ của nhà máy alumin Ajka (Hungary) tháng 10
năm 2010 đã làm rung động cả thế giới và đƣợc coi là thảm họa tràn hóa chất
nghiêm trọng nhất trong lịch sử của Hungary [10]. Khoảng 700 000 m3
bùn đỏ tràn
ra dƣới dạng sóng 1-2 mét, gây ngập lụt các địa phƣơng lân cận. Ít nhất 10 ngƣời đã
thiệt mạng và 120 ngƣời bị thƣơng (một số ngƣời chết đuối và một số bị bỏng nặng
do dung dịch có nồng độ kiềm cao). Khoảng 40 km2
đất nông nghiệp dọc theo dòng
sông Torna và Marcal bị ảnh hƣởng nặng nề của thảm họa này. Ngoài những ảnh
hƣởng trực tiếp, sự cố này còn gây tác hại lâu dài đối với môi trƣờng đất, nƣớc và
không khí trong khu vực do ô nhiễm kiềm và bụi bùn đỏ. Nhƣ vậy, mặc dù việc xây
dựng hồ đập đã đƣợc tính toán thiết kế để đảm bảo độ an toàn cao nhất, nhƣng cũng
khó lƣờng hết rủi ro có thể xảy ra. Đây là một lời cảnh báo đối với những dự án
khai thác và tinh chế quặng bauxit của nƣớc ta cũng nhƣ trên thế giới. Việc nghiên
cứu các giải pháp làm giảm sức ép về khối lƣợng và tính độc hại của bùn đỏ trong
các hồ chứa là vấn đề hết sức cần thiết, đòi hỏi sự tham gia tích cực của các nhà
quản lý cũng nhƣ giới khoa học công nghệ.
1.2. CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ DỤNG BÙN ĐỎ
1.2.1. Lƣu trữ và chôn lấp bùn đỏ
Các nhà máy chế biến bauxit trên thế giới thƣờng lựa chọn việc thải bùn đỏ
theo một trong hai cách sau: thải xuống nƣớc hoặc thải trên đất liền.
Phƣơng pháp thải xuống nƣớc (thải ra biển, sông suối hoặc vào các đầm phá
ven biển) đã đƣợc một số nhà máy sử dụng, tuy nhiên phƣơng pháp này đã lỗi thời,
hiện nay không đƣợc áp dụng do nguy cơ phá hủy hoàn toàn môi trƣờng sống của
sinh vật đáy thủy vực.
Phƣơng pháp thải bùn đỏ trên đất liền: phƣơng pháp này gây ô nhiễm ít hơn
nên đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay. Hồ chứa bùn đỏ là một bộ phận không thể tách

24. 11
rời của hệ thống sản xuất nhôm oxit từ quặng bauxit, đƣợc thiết kế rất kỹ để chống
thấm chất lỏng trong bùn đỏ xuống nƣớc ngầm theo chiều đứng và chiều ngang.
Ở nƣớc ta, trong dự án khai thác mỏ bauxit, Tập đoàn Công nghiệp Than –
Khoáng sản Viện Nam (TKV) cũng đã đề xuất một số phƣơng án xử lý bùn đỏ,
trong đó phƣơng án khả thi nhất là chôn lấp. Hiện nay TKV đã tính toán cụ thể khối
lƣợng bùn đỏ thải, khu vực thải và việc xử lý chất thải này theo nhiều phƣơng án
khả thi. Tổ hợp bauxit-nhôm ở Lâm Đồng đã quy hoạch hồ chứa bùn đỏ với tổng
diện tích lên đến 318 ha nằm trong một thung lũng để tránh nguy cơ trôi chảy bùn
đỏ đến nơi khác, không ảnh hƣởng mạnh đến nƣớc ngầm trong khu vực… Để chống
tràn, chủ đầu tƣ xây dựng hệ thống thoát nƣớc mƣa hoàn chỉnh xung quanh hồ. Hồ
sẽ nạo sạch lớp thực bì, bùn… và đƣợc cán lót 2 lớp đất sét (dày 60 cm) với lớp lót
vải địa kỹ thuật HDPE ở giữa (hình 1.2). Mỗi hồ đƣợc ngăn ra thành nhiều block
nhỏ (từ 10-15 ha) và lƣợng bùn đỏ sẽ đƣợc thải theo từng ô.
Một lớp cát dày đƣợc bố trí trên HDPE và trong lớp cát bố trí một hệ thống
ống đục lỗ (perforated pipes) để thu gom nƣớc thấm xuống từ bùn đỏ để bơm ngƣợc
về công đoạn hòa tách bauxit để thu hồi kiềm đƣa vào tái sử dụng đồng thời cũng
làm khô bùn đỏ. Sau đó sẽ lấp đất đảm bảo chôn vĩnh viễn nếu không sử dụng chất
thải này.
Hình 1. 2. Lớp lót vải địa kỹ thuật trong lòng hồ bùn đỏ.
Chủ đầu tƣ cũng lắp đặt 4 trạm quan trắc quanh hồ để theo dõi thƣờng xuyên
biến động của hóa chất trong hồ chứa, đặc biệt là độ pH, để xử lý kịp thời. Đồng

25. 12
thời nhằm nâng cao độ an toàn, khu vực hồ bùn đỏ sẽ đƣợc bảo vệ nghiêm ngặt, xây
dựng bờ tƣờng rào kín quanh hồ, trồng vành đai rừng bao bọc hồ với chiều rộng ít
nhất là 10 m…, tránh không cho bất cứ ngƣời hay gia súc, gia cầm đến đƣợc gần
hồ.
Còn dự án sản xuất alumin Nhân Cơ, khi công suất hoạt động đạt 650 ngàn
tấn alumin/năm thì lƣợng bùn đỏ thải ra sẽ đạt gần 1,4 triệu tấn/năm (tƣơng đƣơng
khoảng 945 ngàn m3
). Dự án này đề ra biện pháp xử lý bùn đỏ bằng cách chôn lấp,
sau đó sẽ tiến hành hoàn thổ, phục hồi môi trƣờng. Bùn đỏ trƣớc khi thải ra bãi sẽ
đƣợc rửa ngƣợc dòng 6 bƣớc nhằm tận thu kiềm và alumin.
1.2.2. Trung hòa bùn đỏ
Do tính chất độc hại của việc xả thải và lƣu giữ bùn đỏ, việc nghiên cứu các
biện pháp xử lý và tái sử dụng bùn đỏ có ý nghĩa kinh tế xã hội đặc biệt quan trọng.
Để giải quyết vấn đề nhiễm kiềm cao, ngƣời ta đã đề xuất các phƣơng pháp xử lý
trung hòa, đáng lƣu ý nhất là sử dụng axit, nƣớc biển, hay thạch cao phế thải
(gypsum).
a) Trung hòa bùn đỏ bằng axit:
Các axit vô cơ nhƣ HCl, H2SO4 có thể sử dụng để trung hòa bùn đỏ. Ví dụ
trong trƣờng hợp sử dụng H2SO4, các phản ứng xảy ra nhƣ sau:
2NaOH + H2
SO4
→ Na2
SO4
+ 2H2
O
2NaAl(OH)4
+ H2
SO4
→ Na2
SO4
+ 2Al(OH)3
↓ + 2H2
O
Na2
CO3
+ H2
SO4
→ Na2
SO4
+ H2
O + CO2 ↑
Công nghệ xử lý trung hòa bùn đỏ bằng axit có thể thực hiện nếu có đủ
lƣợng lớn axit phế thải, tuy nhiên, trên thực tế nhà máy tinh chế nhôm hiếm khi gần
nguồn axit phế thải.
Có thể trung hòa bùn đỏ bằng các khí thải có tính axit, ví dụ CO2 và SO2. Tại
nhà máy tinh luyện bauxit Kwinnana (Austrailia) bùn đỏ đƣợc trung hòa bằng khí
CO2 từ một nhà máy amoniac gần đấy [11]. Các nhà máy chế biến bauxit Sumitomo
(Nhật Bản) và Eyrallumina (Italy) đã sử dụng bùn đỏ để lọc SO2 từ các ống khí thải
thông qua phản ứng trung hòa [12]. Các phản ứng trung hòa bằng pha khí dựa trên
sự khuếch tán khí vào dung dịch, khí SO2 làm giảm lƣợng các ion Na+
tự do và tăng
nồng độ H+
, từ đó góp phần hòa tan các khoáng chứa natri:

26. 13
Na8[Al6Si6O24 ][OH] + 4H2SO3 + 16 H2O ↔ Na2SO3 + H4SiO4 + 6 Al(OH)3
4 Na2SO3 + 2 O2 → 4 Na2SO4
Khaitan cùng cộng sự [13] đã chỉ ra rằng pH của bùn đỏ đã giảm đến một giá
trị gần nhƣ ổn định khi xử lí bằng CO2 trong 1 ngày. Tuy nhiên, khi dừng xử lí, giá
trị pH của bùn đỏ lại tự tăng dần theo thời gian. Để pH của bùn đỏ ổn định ở giá trị
7,5 phải xử lí liên tục bằng CO2 ở 1 atm trong 30 ngày. Hiện tƣợng bùn đỏ tự tăng
pH theo thời gian là do trong bùn đỏ có chứa các thành phần có tính đệm pH nhƣ
tri-calcium aluminat hoặc sodalit. Các khoáng này luôn có tính kiềm, nếu quá trình
trung hòa mà không làm tan hết các khoáng trên thì theo thời gian các khoáng này
sẽ giải phóng dần ion OH-
làm tăng pH của bùn đỏ. Động học của các phản ứng hòa
tan này trong các vùng ổn định của và H2CO3 còn chƣa đƣợc nghiên cứu chi
tiết.
b) Trung hòa bùn đỏ bằng nước biển:
Khi trung hòa nƣớc biển, các ion có trong nƣớc biển nhƣ Ca2+
, Mg2+
,
làm giảm nồng độ OH-
và trong bùn đỏ do kết tủa tạo thành các khoáng
nhƣ bruxit (Mg3(OH)6), canxit/aragonit (CaCO3), hydrotalxit (Mg6Al2CO3-
(OH)16.4H2O, aluminohydro-calxit (CaAl2(CO3)2(OH)4.3H2O), hydrocalumit
(Ca4Al2(OH)12.CO3), pyroaurit (Mg6Fe2(CO3)(OH)16.4H2O) [14]. Tùy thuộc vào tỷ
lệ giữa chất rắn (bùn đỏ) và nƣớc biển, pH của bùn đỏ có thể giảm về 8-9.
Năm 2000 Virotec International (Australia) đã đầu tƣ thành công và đƣa ra
công nghệ mới về xử lý bùn đỏ có tên thƣơng mại là Bauxsol. Về bản chất, công
nghệ Bauxsol là một giải pháp kỹ thuật dùng nƣớc biển để chuyển hóa các chất
kiềm có thể hòa tan (mà hầu hết là hydroxit natri) trở thành các khoáng vật có tính
hòa tan yếu (chủ yếu là canxi hydroxit, magie cacbonat và hydro cacbonat). Theo
công nghệ này, cứ 1 khối bùn đỏ cần 2 khối nƣớc biển để trung hòa, độ kiềm sẽ
giảm từ 12 xuống khoảng 8,5. Sau một thời gian xử lý ngắn dung dịch có thể đổ ra
biển một cách an toàn hoặc giữ trong một bể bay hơi để thu hồi muối. BauxsolTM
chính là bã thải bùn đỏ đã đƣợc trung hòa bằng nƣớc biển, theo Virotec, có thể bảo
quản và vận chuyển một cách an toàn, dễ dàng.
c) Trung hòa bùn đỏ bằng gypsum:

27. 14
Gypsum là bã thải rắn của ngành công nghiệp sản xuất phân lân còn dƣ
lƣợng H2SO4 và có thành phần chính là canxi sunphat. Giá trị pH của gypsum ở tỷ
lệ nƣớc/gypsum 2,5 L/kg dạng huyền phù là 2,19, dạng dung dịch trong sau khi đã
li tâm là 1,78. Gypsum có thể làm giảm độ pH của bùn đỏ bằng cách kết tủa lƣợng
dƣ OH-
, và tạo thành Ca(OH)2, hydrocalumit, và CaCO3. Trung hòa
bùn đỏ bằng cách trộn với gypsum chủ yếu đƣợc ứng dụng vào việc hoàn thổ, để
trung hòa lƣợng kiềm trong 1 kg bùn đỏ cần khoảng 4 kg gypsum [15].
1.2.3. Tái sử dụng bùn đỏ
1.2.3.1. Thu hồi các nguyên tố có giá trị từ bùn đỏ
Ngay từ những năm 1980 vấn đề thu hồi sắt, nhôm và titan từ bùn đỏ đã
đƣợc nghiên cứu. Thakur cùng các cộng sự năm 1983 [16] và Paramaguru năm
2005 [17] đã tổng kết các quy trình riêng rẽ và kết hợp thu hồi sắt, nhôm và titan.
Để thành công, bất kì sơ đồ quy trình thu hồi kim loại nào đều phải đƣợc thiết kế và
đánh giá hiệu quả kinh tế. Ví dụ, một trong vài loại quặng thải Ấn Độ, hàm lƣợng
TiO2 tới 28% trọng lƣợng, vì vậy thu hồi Ti có thể đƣợc quan tâm đặc biệt trong
trƣờng hợp này. Về kĩ thuật, có thể đễ dàng thu hồi TiO2 bằng cách hòa tách bởi
axit HCl, sau đó với H2SO4, tạo ra TiO2 97,5% (màu trắng).
Gần đây, đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép và vật liệu xây dựng
không nung từ nguồn thải bùn đỏ trong quá trình sản xuất alumin tại Tây Nguyên”
thuộc Chƣơng trình KHCN trọng điểm cấp nhà nƣớc “Khoa học và công nghệ phục
vụ phát triển kinh tế - xã hội vùng Tây Nguyên, do PGS.TS. Vũ Đức Lợi thuộc
Viện Hóa học làm chủ trì đã đạt đƣợc nhiều kết quả khả quan [18]. Nhóm đề tài đã
thử nghiệm sản xuất tinh quặng sắt, sắt xốp và luyện thép từ bùn đỏ thành công.
1.2.3.2. Ứng dụng làm vật liệu xây dựng
1.2.3.2.1. Ứng dụng trong sản xuất xi măng
Bùn đỏ có chứa β-2CaO.SiO2 chính là một chất kết dính rất hay dùng trong
sản xuất vật liệu xây dựng. Cho đến năm 1998, tại Trung Quốc hơn 6 triệu tấn bùn
đỏ đã đƣợc sử dụng để sản xuất xi măng, hàm lƣợng bùn đỏ trong xi măng có thể
lên đến 50% [19]. Trong một nghiên cứu của các nhà khoa học Ấn Độ xi măng giàu
sắt đƣợc chế tạo bằng cách trộn hỗn hợp vôi, bùn đỏ, bauxit, gupsum. Các tác giả

28. 15
chỉ ra rằng nhiệt độ nung tốt nhất là 1250o
C, thành phần của xi măng đƣợc chia làm
2 nhóm, nhóm A có tỉ lệ của vôi là 47,5%, gypsum 7,5%, còn nhóm B tỉ lệ của vôi
là 32,5% và gypsum 12,5%, tỉ lệ của bùn đỏ và bauxit thay đổi trong khoảng từ 0-
50%. Tùy vào yêu cầu tính chất của xi măng mà lựa chọn các tỉ lệ thành phần khác
nhau [20].
1.2.3.2.2. Chế tạo gạch nung và gạch không nung
Bùn đỏ có kích thƣớc hạt nhỏ với thành phần chính là các oxit kim loại
(Fe2O3, Al2O3, SiO2, Na2O,...) và một lƣợng lớn xút, thích hợp để sản xuất gạch
không nung và gạch nung ở nhiệt độ thấp trên cơ sở nguyên lý chế tạo vật liệu
geopolyme. Có hai loại geopolyme là geopolyme nhôm-silic-kiềm và geopolyme
phosphat. Geopolyme nhôm-silic-kiềm đƣợc nghiên cứu nhiều hơn vì tận dụng các
thành phần Al2O3, SiO2 và lƣợng xút dƣ trong bùn đỏ. Geopolyme phosphat tận
dụng hàm lƣợng Fe2O3 chiếm đa số trong bùn đỏ để phản ứng với axit photphoric
tạo ra muối FeHPO4 chính là thành phần tạo kết dính giữa các pha rắn với nhau.
Một số công trình đã nghiên cứu tái sử dụng bùn đỏ làm gạch không nung
bằng cách thêm các phụ gia giàu Si, Ca nhƣ tro bay, gypsum. Tỷ lệ theo khối lƣợng
của các nguyên vật liệu đƣợc đƣa ra trong một nghiên cứu nhƣ sau: bùn đỏ 25-40%,
18-28% tro bay, cát 30-35%, vôi 8-10%, gypsum 1-3%, và xi măng Portland 1%
[19].
Theo Arun thì quá trình geopolyme phosphat sử dụng bùn đỏ dựa trên phản
ứng axit – bazơ giữa axit photphoric với các ion sắt và các chất rắn khác [21]. Trong
môi trƣờng pH 2-7, xảy ra phản ứng phân ly tạo thành ion , đồng thời, FeO
bị hòa tan trong môi trƣờng có tính axit, phân ly thành ion Fe2+
. Sau đó xảy ra phản
ứng giữa các ion Fe2+
và để tạo thành sản phẩm cuối cùng là FeHPO4.
FeHPO4 chính là tác nhân tạo kết dính giữa các pha rắn với nhau. Tuy nhiên sắt
trong bùn đỏ thƣờng tồn tại dƣới dạng hematit (Fe2O3), do vậy cần phải khử Fe3+
về
Fe2+
, để làm việc đó ngƣời ta sử dụng cơ chế khử bằng cách bổ sung một ít sắt
nguyên tố để thúc đẩy phản ứng khử Fe2O3 về FeO:
Fe2O3 + δFe = δFeO + Fe2O3-δ
Tác giả đã đƣa ra quy trình chế tạo gạch không nung nhƣ sau: Bùn đỏ chứa
30% nƣớc, pH > 13; bổ sung thêm 0,2 % sắt nguyên tố; tiếp theo thêm 12,5 % dung

29. 16
dịch axit H3PO4 85%, khuấy và đổ vào khuôn 20 cm x 10 cm x 6 cm, nén ở áp suất
1000 psi và để ổn định trong 1 ngày. Viên gạch tạo ra có thể chịu đƣợc lực nén tối
thiểu là 20 MPa.
Do ngành công nghiệp chế biến nhôm mới phát triển ở Việt Nam nên các
công trình nghiên cứu về tái sử dụng bùn đỏ thành vật liệu xây dựng vẫn còn hạn
chế. Những nghiên cứu ban đầu có thể kể đến là của nhóm nghiên cứu thuộc
Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội làm vật liệu chịu lửa từ bùn đỏ [22], sau đó là
nghiên cứu làm vật liệu xốp [23]. Tác giả đã xử lý bùn đỏ bằng khí SO2 sau đó chế
tạo vật liệu đóng rắn nung và không nung từ bùn đỏ. Phối liệu gồm bùn đỏ:đất
sét:chất khoáng hóa Na2SiF6 với tỉ lệ khối lƣợng là 80:20:1, nung 90 phút ở 1000o
C
thu đƣợc gạch nung có cƣờng độ nén 102,7 kg/cm2
, đáp ứng tiêu chuẩn gạch đặc đất
sét nung. Vật liệu đóng rắn không nung với tỷ lệ phối liệu là xi măng 15%, bùn đỏ
50% (hoặc 55%), cát sông 35% (hoặc 30%) có cƣờng độ nén đạt cực đại khoảng 57-
58 kg/cm2
sau thời gian 4 tuần đóng rắn.
Ngoài ra PGS.TS. Vũ Đức Lợi cũng công bố xây dựng đƣợc quy trình công
nghệ chế tạo gạch không nung từ bùn đỏ theo công nghệ geopolymer, sử dụng hai
phƣơng pháp nén ép và đổ khuôn, sản phẩm gạch đạt TCVN 6476:1999, các chỉ
tiêu về cƣờng độ nén đạt mác cao hơn so với tiêu chuẩn quy định và đảm bảo các
quy định về môi trƣờng [18].
1.2.3.3. Ứng dụng trong sản xuất gốm thủy tinh
Bùn đỏ chính là nguồn khoáng có giá trị có chứa CaO, Al2O3, SiO2, Fe2O3,
và TiO2. Thành phần hóa học của bùn đỏ rất phù hợp cho sản xuất gốm thủy tinh
[24].
Việc sử dụng bùn đỏ trong lĩnh vực này đã đƣợc tổng quan bởi R. Paramguru
[17], bùn đỏ có thể đƣợc sử dụng là thành phần chủ yếu trong gốm thủy tinh, hoặc
một thành phần nhỏ để nhuộm màu hay tác nhân tạo pha thủy tinh. Nhiều công thức
pha chế đã đƣợc phát triển cho các ứng dụng khác nhau, bao gồm cả đồ dùng gia
đình, gạch chịu nƣớc và chịu lửa, và nhuộm màu gạch khối xây dựng, trong tất cả
các sản phẩm này bùn đỏ có thể đƣợc sử dụng kết hợp với các phế liệu khác nhƣ tro
bay, xỉ…. Năm 2000 Sglavo và cộng sự [25, 26] đã báo cáo kết quả nghiên cứu
một cách hệ thống sự ảnh hƣởng của hàm lƣợng bùn đỏ và nhiệt độ nung hỗn hợp
đất sét - bùn đỏ trong sản xuất gốm thủy tinh. Kết quả chứng tỏ rằng bùn đỏ khô là

30. 17
một thành phần trơ của hỗn hợp khi nhiệt độ nung dƣới 900o
C, điều này dẫn đến kết
luận bùn đỏ chỉ đóng vai trò nhƣ một chất độn hoặc chất tạo màu, việc tăng hàm
lƣợng bùn đỏ sẽ làm giảm độ bền của sản phẩm. Tại nhiệt độ cao hơn, sự có mặt
của soda và oxit silic trong chất thải thúc đẩy sự hình thành của silicat natri làm
tăng tính dễ chảy của vật liệu và tăng độ bền của sản phẩm sau cùng. Sắt và titan
phản ứng tại nhiệt độ trên 1000o
C tạo thành titanat sắt làm tăng độ bền của sản
phẩm và tạo ra màu nâu.
1.2.3.4. Ứng dụng trong công nghệ môi trường
Bùn đỏ có nhiều tính chất thích hợp cho việc ứng dụng làm vật liệu xử lý
môi trƣờng. Tính kiềm cao của bùn đỏ có thể đƣợc sử dụng để trung hòa, xử lý các
khí thải có tính axit nhƣ: H2S, SOx, NOx, CO2. Tuy nhiên, các nghiên cứu theo
hƣớng ngày còn ít do khả năng ứng dụng thực tế hạn chế. Fan cùng cộng sự [27] đã
nghiên cứu loại lƣu huỳnh từ khí than bằng bùn đỏ, các tác giả đã chế tạo một lò
phản ứng cố định sử dụng đất sét trộn với bùn đỏ hấp thụ trong phòng thí nghiệm,
kết quả cho thấy khả năng hấp phụ lƣu huỳnh khá tốt. Jones cùng cộng sự [28] đã
công bố rằng khí CO2 có thể cacbonat hóa bằng cách sử dụng bùn đỏ và bùn đỏ
trung hòa bằng nƣớc biển (BauxsolTM
). Các tác giả chỉ ra rằng cacbon có thể đƣợc
loại bỏ hàng năm tại nhà máy luyện nhôm tại Öc là 15 triệu tấn. Ở nƣớc ta bƣớc đầu
đã có những nghiên cứu sử dụng bùn đỏ để xử lý khí, nhƣ nhóm nghiên cứu thuộc
Trung tâm Môi trƣờng – Viện Mỏ Luyện kim thực hiện đề tài của Bộ Công thƣơng
về xử lý bùn đỏ bằng phƣơng pháp trung hòa nhờ nƣớc biển, Đại học Bách khoa
Thành phố Hồ Chí Minh kết hợp với JICA – Nhật Bản tái chế bùn đỏ thành chất
hấp phụ H2S của biogas.
Thành phần hóa học của bùn đỏ bao gồm chủ yếu là oxit của các kim loại
sắt, nhôm và silic, muối của các kim loại này cũng đƣợc ứng dụng nhiều để làm
chất keo tụ. Do đó các nhà khoa học đã sử dụng các axit vô cơ nhƣ HCl, H2SO4 để
hòa tách nhôm, sắt trong bùn đỏ thành dạng muối sunphat hoặc clorua, ứng dụng
làm chất keo tụ. Hƣớng nghiên cứu này đƣợc đầu tƣ và phát triển rộng rãi ở CHLB
Nga từ những năm 1970, do quặng nhôm của Nga chất lƣợng thấp. Các nhà khoa
học Nga đã nghiên cứu sản xuất alumin bằng con đƣờng phân hủy các muối nhôm
từ quặng nghèo nhôm (nephelin, alunit) bằng axit vô cơ.

31. 18
Hƣớng nghiên cứu tái sử dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ cũng đƣợc đông
đảo các nhà khoa học quan tâm. Các đối tƣợng hấp phụ rất đa dạng: kim loại nặng,
các anion vô cơ nhƣ F-
, , , các chất hữu cơ nhƣ phenol, thuốc nhuộm [8].
1.3. PHƢƠNG PHÁP HẤP PHỤ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC
Ô nhiễm nƣớc là một vấn đề môi trƣờng toàn cầu, cần đƣợc quản lý và có
các biện pháp xử lý triệt để. Trong số các kỹ thuật xử lý nƣớc, hấp phụ đƣợc coi là
phƣơng pháp hiệu quả, dễ áp dụng nhất nên đƣợc sử dụng rất rộng rãi.
1.3.1. Tổng quan chung về hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc
Hấp phụ trong môi trƣờng nƣớc là hiện tƣợng tăng nồng độ của một chất tan
(chất bị hấp phụ) lên bề mặt một chất rắn (chất hấp phụ). Nếu tƣơng tác giữa chất
hấp phụ và chất bị hấp phụ không lớn, cấu trúc điện tử của chất bị hấp phụ ít thay
đổi, nhiệt hấp phụ tỏa ra nhỏ thì ngƣời ta gọi đó là hấp phụ vật lý. Nếu tƣơng tác
giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ lớn sẽ làm biến đổi cấu trúc điện tử của
nguyên tử dẫn tới hình thành liên kết hóa học, nhiệt tỏa ra lớn ngang với các phản
ứng hóa học, quá trình đó gọi là hấp phụ hóa học. Khi bị hấp phụ lên bề mặt một
chất rắn, chất bị hấp phụ chiếm chỗ của một cấu tử nào đó và “đẩy” nó ra khỏi vị trí
mà nó đã “gắn” lên đó thì hiện tƣợng đó gọi là trao đổi ion [29].
Cân bằng hấp phụ: quá trình chất khí hoặc chất lỏng hấp phụ trên bề mặt chất
hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phần tử chất bị hấp phụ đã hấp phụ trên
bề mặt chất bị hấp phụ vẫn di chuyển ngƣợc lại. Theo thời gian, lƣợng chất bị hấp
phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngƣợc trở lại pha
mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ di chuyển
ngƣợc lại pha mang (giải hấp) thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Dung lƣợng hấp phụ cân bằng đƣợc biểu thị là khối lƣợng chất bị hấp phụ
trên một đơn vị khối lƣợng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng dƣới các điều kiện
nồng độ và nhiệt độ cho trƣớc.
Một hệ hấp phụ có dung lƣợng cao hay thấp trƣớc hết phụ thuộc vào lực
tƣơng tác giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ. Quá trình hấp phụ trong nƣớc chịu sự tác
động của nhiều yếu tố khác nhau: pH, thời gian tiếp xúc, các ion, hợp chất lạ trong
dung dịch,… Muốn vận dụng tốt kỹ thuật hấp phụ để xử lý nƣớc cần phải hiểu rõ

32. 19
bản chất và sự biến đổi của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong các điều kiện
khác nhau.
Các chất hấp phụ nhân tạo, tự nhiên thƣờng có nguồn gốc hay thành phần
hóa học chủ yếu nhƣ sau:
- Dạng oxit kim loại hay silic (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO,…).
- Hỗn hợp các oxit kim loại (zeolit, khoáng sét, than bùn, đá ong, diatomit,
vermiculit, perlit).
Động học hấp phụ
Quá trình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt trong của chất hấp phụ, vì vậy
quá trình động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn kế tiếp nhau [29]:
khuếch tán của các chất bị hấp phụ tới bề mặt ngoài, khuếch tán bên trong hạt hấp
phụ và giai đoạn hấp phụ thực sự, trong đó, giai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ
quyết định hay khống chế chủ yếu toàn bộ quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp
phụ trong môi trƣờng nƣớc, quá trình khuếch tán thƣờng chậm và đóng vai trò
quyết định. Tốc độ của một quá trình hấp phụ đƣợc xác định bởi sự thay đổi nồng
độ của chất bị hấp phụ theo thời gian. Việc xác định các tham số động học hấp phụ
thực thƣờng rất khó, vì vậy hiện nay ngƣời ta thƣờng sử dụng các phƣơng trình
động học biểu kiến để mô tả quá trình hấp phụ:
- Phƣơng trình động học biểu kiến bậc 1 đƣợc đề xuất bởi Lagergren có dạng vi
phân nhƣ sau:
- (1.1)
Dạng tích phân đƣợc viết nhƣ sau:
ln(qe – qt) = lnqe – k1.t (1.2)
Trong đó: k1: hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình động học bậc 1 (thời gian-1
).
qe, qt: dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm t (mg/g).
- Phƣơng trình động học biểu kiến bậc hai có dạng vi phân:
(1.3)
Dạng tích phân đƣợc viết nhƣ sau:
(1.4)

33. 20
Trong đó:
k2: hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình giả động học bậc 2 (g/mg.phút).
qe, qt: dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm t (mg/g).
Đẳng nhiệt hấp phụ
Phương trình đẳng nhiệt Langmuir
Một trong những phƣơng trình đẳng nhiệt đầu tiên xây dựng trên cơ sở lý
thuyết là của Langmuir với giả thiết rằng:
- Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lƣợng.
- Trên bề mặt chất rắn chia ra từng vùng nhỏ, các tâm hoạt động mỗi vùng
chỉ tiếp nhận một phân tử chất bị hấp phụ. Trong trạng thái bị hấp phụ các phân tử
trên bề mặt chất rắn không tƣơng tác với nhau.
- Quá trình hấp phụ là động, tức là quá trình hấp phụ và giải hấp phụ có tốc
độ bằng nhau khi trạng thái cân bằng đã đạt đƣợc. Tốc độ hấp phụ tỉ lệ với các vùng
chƣa bị chiếm chỗ (tâm hấp phụ), tốc độ giải hấp phụ tỉ lệ thuận với các tâm đã bị
chất bị hấp phụ chiếm chỗ.
Trên cơ sở các giả thiết này Langmuir đã xây dựng phƣơng trình đẳng nhiệt
hấp phụ đối với sự hấp phụ chất tan trong dung dịch trên bề mặt chất hấp phụ rắn:
(1.5)
Dạng tuyến tính: = + (1.6)
Trong đó:
q: dung lƣợng hấp phụ cân bằng của chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối
lƣợng chất hấp phụ (mg/g);
Ce: nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/L);
qmax: dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g);
KL: hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg).
Từ các số liệu thí nghiệm q và Ce có thể xác định qmax và KL bằng phƣơng
pháp tính tối ƣu hay đơn giản bằng phƣơng pháp đồ thị dựa vào phƣơng trình dạng
tuyến tính (1.6).
Phƣơng trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trƣng của hệ: Trong vùng
nồng độ nhỏ KL.Ce << 1, khi đó q ≈ qmax.KL.Ce, mối quan hệ q, Ce đƣợc coi là tuyến

34. 21
tính (còn gọi là vùng đẳng nhiệt Henry). Trong vùng nồng độ cao thì KL.Ce >> 1,
khi đó q ≈ qmax, tức là q không phụ thuộc vào Ce nữa vì nó đã bão hòa, số tâm hấp
phụ đã bị chiếm hết.
Phương trình đẳng nhiệt Freundlich
Phƣơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich là phƣơng trình kinh nghiệm áp
dụng cho sự hấp phụ trên bề mặt không đồng nhất và có dạng nhƣ sau:
q = KF (1.7)
Dạng tuyến tính: lg q = lg KF + lg Ce (1.8)
Trong đó:
q: dung lƣợng hấp phụ cân bằng của chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối
lƣợng chất hấp phụ (mg/g);
Ce: nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/L);
qmax: dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g);
KF: hằng số Frendlich đặc trƣng cho dung lƣợng hấp phụ và lực hấp phụ;
n: hằng số thực nghiệm.
Các tham số KF và n có thể xác định đƣợc thông qua đồ thị tƣơng quan giữa
lgq và lgCe từ các dữ liệu thực nghiệm bằng phƣơng pháp hồi quy tuyến tính. Nếu
Ce = 1 đơn vị thì q = KF tức là KF chính là dung lƣợng hấp phụ tại Ce = 1, vậy nó là
đại lƣợng có thể dùng để đặc trƣng cho khả năng hấp phụ của hệ. n là bậc mũ của
biến Ce luôn nhỏ hơn 1, nó đặc trƣng định tính cho bản chất lực tƣơng tác của hệ,
nếu n nhỏ thì hấp phụ thiên về dạng hóa học, còn n lớn thì bản chất lực hấp phụ
thiên về dạng vật lý, lực hấp phụ yếu.
Không giống nhƣ phƣơng trình Langmuir, phƣơng trình Freundlich không
mô tả vùng tuyến tính và vùng bão hòa (hệ hấp phụ dĩ nhiên có vùng bão hòa), vì
vậy nó chỉ có thể sử dụng để xử lý số liệu khi KF, n là hằng số và chúng chính là
hằng số trong một khoảng nồng độ nào đó mà thôi. Số liệu thí nghiệm chỉ ra rằng n
tăng khi Ce giảm (vùng loãng), trong vùng cực loãng n→1, tức là vào vùng tuyến
tính.

35. 22
1.3.2. Vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên và phụ phẩm công – nông
nghiệp
Trong lĩnh vực xử lý nƣớc bằng phƣơng pháp hấp phụ, các chất hấp phụ
đóng một vai trò quan trọng nên các nhà khoa học đặc biệt quan tâm nghiên cứu.
Hƣớng phát triển các vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên và phụ phẩm công-
nông nghiệp đang ngày càng đƣợc chú ý nhờ các lợi ích thiết thực về kinh tế xã hội,
cũng nhƣ ý nghĩa to lớn đối với môi trƣờng [30].
1.3.2.1. Vật liệu hấp phụ có nguồn gốc tự nhiên
Trong tự nhiên tồn tại một số chất vô cơ có thể sử dụng làm chất xúc tác và
hấp phụ, chủ yếu là silic oxit, nhôm oxit, sắt oxit và alumosilicat tồn tại trong các
quặng nguyên khai đƣợc hình thành từ các quá trình địa chất khác nhau, do có sẵn
trong thiên nhiên nên chúng có giá thành không cao, tuy nhiên chất lƣợng không
phải khi nào cũng đáp ứng tốt các nhu cầu sử dụng nên ngƣời ta thƣờng biến tính
bằng các biện pháp khác nhau.
Khoáng sét (bentonit)
Khoáng sét là loại khoáng vật có cấu trúc lớp thuộc họ phyllosilicat, bao gồm
các lớp (tính theo trục đứng d(001) của silic oxit và nhôm oxit xếp theo một trật tự
nhất định, ví dụ nếu cứ lần lƣợt một lớp silic oxit rồi tới một lớp nhôm oxit ta có
cấu trúc 1:1, nếu lớp nhôm oxit bị kẹp giữa hai lớp silic oxit thì tac có cấu trúc 2:1.
Montmorilonit (thành phần chủ yếu của bentonit) có công thức chung
Al2Si4O10(OH)2, bình thƣờng sẽ trung hòa điện tích nhƣng do sự thay thế đồng hình
xảy ra ở khối tám mặt nên có sự thay đổi đáng kể. Để trung hòa điện tích của mạng,
sét tiếp nhận các cation từ ngoài vào với nồng độ 70-150 mđl/100g. Các cation này
có thể trao đổi đƣợc với các cation khác ngoài dung dịch. Trong khoảng không gian
giữa các lớp còn tồn tại nƣớc và nƣớc có xu hƣớng tạo vỏ hydrat với cation trong
đó, làm giãn khoảng cách cơ sở từ 9,5 Ao
(không có nƣớc) lên 22,5Ao
khi bão hòa
nƣớc. Trong một số trƣờng hợp khoảng cách này có thể dãn tới vài chục nanomet.
Nƣớc của lớp vỏ hydrat có vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ chất
hữu cơ nhất là đối với chất phân cực, các loại polyme nhiều nhóm chức [31]. Kim
loại nặng trong nƣớc cũng có thể bị loại bỏ bởi bentonit [32], tuy nhiên cần phải
biến tính mới có khả năng hấp phụ.

36. 23
Đá ong
Đá ong là một loại khoáng với thành phần sắt chiếm trên 30% về khối lƣợng.
Nó tồn tại rất phổ biến ở nƣớc ta tại những vùng giáp ranh giữa vùng đồi núi và
đồng bằng có sự phong hóa quặng chứa sắt và các dòng nƣớc ngầm có oxi hòa tan.
Thực tế là nguồn nƣớc ngầm khi chảy qua các tầng đá ong thƣờng có chất lƣợng rất
tốt. Đã có nhiều nghiên cứu khả năng hấp phụ của loại khoáng tự nhiên này đặc biệt
là đối với As.
Zeolit tự nhiên
Zeolit là nhóm khoáng chất alumosilicat cấu trúc tinh thể, thành phần hóa
học chủ yếu gồm nhôm oxit và silic oxit sắp xếp theo một trật tự nào đó với tỉ lệ
nhất định. Ngoài ra, trong zeolit còn tồn tại các ion dƣơng (hóa trị 1, 2, 3) không
gắn vào vị trí cố định, nó linh động và có thể trao đổi đƣợc với các ion khác nên
ngoài tính năng hấp phụ zeolit còn là chất trao đổi ion. Do có cấu trúc tinh thể với
hệ thống lỗ xốp có kích thƣớc phân tử đồng đều nên zeolit có khả năng hấp phụ
chọn lọc với dung lƣợng hấp phụ cao. Có nhiều nghiên cứu cho rằng zeolit có thể
xử lý tốt amoni trong nƣớc và các kim loại nặng nhƣ Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn
[33, 34].
Diatomit
Điển hình của khoáng vật họ silic oxit trong tự nhiên là diatomit, thành phần
hóa học chủ yếu là SiO2, có cấu trúc vô định hình. Diatomit là sản phẩm phân hủy
của tảo diatom (tảo cát) nên thành phần hóa học không ổn định, thƣờng từ 70-90%
SiO2, độ xốp của diatomit rất lớn chiếm 80-90%. Đã có một số nghiên cứu khả năng
xử lý nƣớc của diatomit [35, 36].
Than bùn
Than bùn là sản phẩm phân hủy thực vật, có màu đen hoặc nâu sáng. Ngoài
thành phần hữu cơ (55-60% C, 6% H, 33% O) còn có thành phần vô cơ (tro) là các
oxit kim loại. Thành phần chính của than bùn là axit humic, axit fulvic, với cấu trúc
hóa học không cố định. Than bùn thực chất là một tập hợp axit phân tử lƣợng lớn
chứa nhiều nhóm chức, do đó có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ phân cực và các

37. 24
kim loại chuyển tiếp (theo cơ chế trao đổi ion và tạo phức), khả năng trao đổi ion
phụ thuộc vào pH của môi trƣờng.
1.3.2.2. Vật liệu hấp phụ từ phụ phẩm công nghiệp
Tro bay
Tro bay là chất thải rắn sinh ra từ quá trình đốt than tại các nhà máy nhiệt
điện, thƣờng chứa các ôxit kim loại: SiO2, Al2O3, Fe2O3, ngoài ra còn có một lƣợng
nhỏ các ôxit kim loại khác nhƣ Mg, Ca, Na, K… Bột tro bay có dạng hình cầu, kích
thƣớc hạt trong khoảng từ dƣới 1 đến 100 μm, diện tích bề mặt riêng dao động trong
khoảng từ 0,5 đến 2 m2
/g [37]. Các ƣu điểm nổi bật của tro bay là nhẹ, tính chất cơ
học cao, bền nhiệt, bền với các loại hóa chất, giá thành rẻ. Ở nƣớc ta, hằng năm ƣớc
tính các nhà máy nhiệt điện trên cả nƣớc thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay, vấn đề
xử lý chất thải này đang rất cấp bách. Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng tro bay làm
chất hấp phụ xử lý các chất ô nhiễm nƣớc, ví dụ nhƣ các dẫn xuất của phenol, các
chất màu, hay các ion kim loại nặng [38]. Tuy nhiên, các nghiên cứu đều chỉ ra rằng
dung lƣợng hấp phụ của tro bay không cao, nên phải sử dụng với lƣợng lớn. Một số
công trình đã nghiên cứu biến tính tro bay, chủ yếu là chuyển hóa thành zeolit bằng
cách trộn với xút rắn và nung ở nhiệt độ khoảng 500-600o
C.
Phụ phẩm ngành công nghiệp sản xuất thép [30]
Bã thải của công nghệ sản xuất thép gồm có bụi lò cao và xỉ lò. Với lƣợng
sản xuất rất lớn phục vụ cho nhu cầu xã hội thì đồng thời lƣợng phụ phẩm cũng tăng
rất nhanh, nếu không có biện pháp xử lý, tái sử dụng sẽ gây ra hậu quả nghiêm
trọng cho môi sinh. Đã có các công trình công bố về khả năng tái sử dụng bã thải lò
cao vào lĩnh vực xử lý nƣớc ô nhiễm kim loại nặng. Dimitrova và cộng sự đã sử
dụng xỉ lò cao để hấp phụ các ion Cu(II), Zn(II) và Ni(III) trong nƣớc, kết quả cho
thấy hiệu suất hấp phụ của xỉ hoạt hóa có thể so sánh với than hoạt tính thƣơng mại.
Bụi khói lò cũng đƣợc nghiên cứu để loại bỏ các ion kim loại nặng hóa trị II nhƣ:
Cu(II), Pb(II) có trong nƣớc thải. Các thành phần có trong bụi thải nhƣ là cacbon,
sắt, và các aluminosilicat là những tác nhân có khả năng tách loại ion kim loại nặng.
Phụ phẩm ngành công nghiệp sản xuất giấy

38. 25
Hàng năm các nhà máy giấy của nƣớc ta sản xuất ra hàng trăm nghìn tấn
giấy và bột giấy. Trong quá trình sản xuất phát sinh ra một lƣợng lớn chất thải hữu
cơ, trong đó ligin chiếm một tỷ lệ đáng kể. Hiện tại chỉ có nhà máy giấy Bãi Bằng
(Phú Thọ) đầu tƣ xây dựng bộ phận thu hồi xút từ ligin theo phƣơng pháp đốt, nhà
máy giấy Hoàng Văn Thụ (Thái Nguyên) mới đầu tƣ hệ thống xử lý nƣớc thải, còn
phần lớn các cơ sở sản xuất giấy khác đều chƣa có hệ thống xử lý nƣớc thải một
cách hữu hiệu. Lignin là hợp chất cao phân tử có cấu trúc vô định hình. Cho đến
nay công thức của lignin vẫn chƣa đƣợc xác định, nhƣng ngƣời ta đã kết luận rằng
trong phân tử lignin có chứa các nhóm (-OH), nhóm metoxyl (-OCH3) và nhân
benzen; do đó có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng trong nƣớc thải.
Srivastava [39] đã cho thấy dung lƣợng hấp phụ của lignin rất cao, đối với Pb(II) và
Zn(II) tƣơng ứng là 1587 và 73 mg/g. Một nghiên cứu khác của Mohan [40] và
cộng sự sử dụng lignin hấp phụ Cu(II) và Cd(II), dung lƣợng cực đại ở 25o
C tƣơng
ứng là 87,05 mg/g và 137,14 mg/g.
1.4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÙN ĐỎ LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ
1.4.1. Hấp phụ kim loại nặng
Kim loại nặng có mặt trong nhiều nguồn nƣớc thải công nghiệp: công nghiệp
mạ, sơn, khai thác mỏ, sản xuất ô tô, thuộc da và nông nghiệp. Hầu hết các kim loại
nặng đều có độc tính cao, ngay ở nồng độ thấp. Phƣơng pháp kết tủa đƣợc sử dụng
rộng rãi nhất để xử lý nƣớc thải nhiễm kim loại nặng. Gần đây các chất hấp phụ giá
rẻ ứng dụng trong lĩnh vực này, đặc biệt là các chất hấp phụ tái chế từ chất thải công
nghiệp, cũng đƣợc quan tâm nghiên cứu rất mạnh mẽ. Khả năng hấp phụ kim loại
nặng của bùn đỏ đƣợc nghiên cứu từ đầu những năm 1990. Do có độ kiềm cao, bùn
đỏ có thể vừa là tác nhân kết tủa vừa hấp phụ kim loại nặng. Để cải thiện tải trọng
hấp phụ, bùn đỏ đƣợc nghiên cứu hoạt hóa bằng các phƣơng pháp khác nhau: xử lý
nhiệt, xử lý bằng axit hay H2O2, xử lý kết hợp nhiệt và hóa chất.
Gupta và cộng sự, năm 2002, khi nghiên cứu xử lý Cd2+
và Zn2+
cũng cho
rằng bùn đỏ thô có các tính năng hấp phụ kém [41]. Các tác giả xử lý bùn đỏ bẳng
H2O2 ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, mục đích để oxi hóa các chất hữu cơ bám theo
bùn đỏ, sau đó xử lý nhiệt ở 500o
C trong 3 giờ. Việc lựa chọn giá trị 500o
C đƣợc

39. 26
giải thích là với các nhiệt độ nung cao hơn, bề mặt riêng của vật liệu sẽ giảm, không
thuận lợi cho quá trình hấp phụ.
Năm 1998, Apak và cộng sự đã khảo sát khả năng hấp phụ Cu2+
, Cd2+
và
Pb2+
trên bùn đỏ và tro bay, hoạt hóa bằng hai cách: i) xử lý axit trong dung dịch
HCl 20% ở 100o
C trong 2 giờ; ii) xử lý kết hợp: sau khi xử lý axit tiếp tục xử lý
nhiệt ở 600o
C trong 4 giờ. Bùn đỏ sau khi hoạt hóa có diện tích bề mặt tăng từ 14,2
m2
/g lên 20,7 và 28,0 m2
/g. Kết quả khảo sát hấp phụ cho thấy bùn đỏ hoạt hóa hấp
phụ các cation Cu2+
, Cd2+
và Pb2+
kém hơn bùn đỏ thô và kém hơn tro bay. Các tác
giả cho rằng việc xử lý axit đã hòa tan một phần hematit trên bề mặt bùn đỏ, dẫn
đến giảm khả năng hấp phụ [42]. Kết luận này cũng tiếp tục đƣợc khẳng định trong
các công bố của Santona (năm 2006) và của Smiciklas (năm 2014) khi nghiên cứu
quá trình hấp phụ các cation Pb2+
, Cd2+
, Zn2+
[43] và Ni2+
[44] trên bùn đỏ hoạt hóa
bằng axit HCl. Kết quả thu đƣợc đã chỉ ra rằng sau khi hoạt hóa bằng axit dung
lƣợng hấp phụ giảm mạnh trong cả 4 trƣờng hợp. Các tác giả cho rằng khi xử lý
bằng axit, các khoáng cancrinit, sodalit trên bề mặt bùn đỏ là trung tâm hấp phụ
cation kim loại đã bị hòa tan, khả năng hấp phụ giảm. Để khắc phục điều này, trong
một công bố rất mới gần đây, Manoj sau khi hoạt hóa bùn đỏ bằng HCl đã tiến hành
kết tủa lại các sản phẩm hòa tan bằng dung dịch amoniac, sau đó nung ở 500o
C
trong 2 giờ. Bùn đỏ hoạt hóa có dung lƣợng hấp phụ cation Pb2+
đạt 6,0273 mg/g,
cao hơn bùn đỏ chƣa hoạt hóa.
Đối với asen, các công trình nghiên cứu rất nhiều và phong phú. Năm 2002
Altundogan và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu một cách hệ thống ảnh
hƣởng của điều kiện hoạt hóa nhiệt và hoạt hóa bằng axit HCl tới khả năng hấp phụ
As(III) và As(V). Kết quả cho thấy việc xử lý nhiệt không có hiệu quả, dung lƣợng
hấp phụ thậm chí còn giảm đi khi nhiệt độ nung trên 400o
C. Tuy nhiên khi xử lý
axit, sodalit sẽ tan ra, lƣợng hermatit là các tâm hấp phụ asen tăng lên, dẫn đến dung
lƣợng hấp phụ tăng [45].

40. 27
(A) (B)
Hình 1. 3. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ As(III) trên bùn đỏ thô
(RRM); bùn đỏ xử lý nhiệt (A) và bùn đỏ xử lý axit (B) [45]
Bùn đỏ thƣơng mại BauxsolTM
(bùn đỏ trung hòa bằng nƣớc biển) cũng đƣợc
nghiên cứu nhiều để ứng dụng hấp phụ asen. Genç-Fuhrman và cộng sự đã công bố
rằng quá trình hấp phụ asenat ở điều kiện pH 6,3 trên BauxsolTM
diễn ra thuận lợi
nhất, tuy nhiên dung lƣợng hấp phụ chỉ đạt khoảng 5,82 µmol/g (0,44 mg/g) [46].
Sau đó các tác giả đã nghiên cứu tăng hiệu suất hấp phụ asen bằng cách xử lý axit,
kết hợp xử lý axit với xử lý nhiệt, thêm phụ gia sắt sulfat hoặc nhôm sulfat, kết quả
cho thấy xử lý axit và đặc biệt là xử lý kết hợp (axit và nhiệt) có tác dụng cải thiện
rõ rệt khả năng hấp phụ asenat của BauxsolTM
. Trong khi đó việc biến tính BausolTM
với sắt sulfat hoặc nhôm sulfat lại làm giảm khả năng hấp phụ [47]. Cơ chế hấp phụ
asen cũng đƣợc cho là không giống các cation kim loại nặng, do các hợp chất của
asen tồn tại trong dung dịch dƣới dạng anion nên cơ chế hấp phụ tƣơng tự nhƣ đối
với các anion, ví dụ phosphat. Các nhà nghiên cứu thậm chí đã chỉ ra có sự cạnh
tranh hấp phụ giữa asen và các anion khác có mặt trong dung dịch.
Ngoài asen, crom là một kim loại nặng tồn tại trong nƣớc dƣới dạng các
anion: , , . Ion crom hóa trị 6 đƣợc coi là chất ô nhiễm có độc
tính thuộc loại cao nhất, có thể gây nhiều bệnh nan y cho con ngƣời. Pradhan và
cộng sự đã nghiên cứu quá trình hấp phụ Cr(VI) sử dụng bùn đỏ hoạt hóa bằng axit.
Bùn đỏ đƣợc hòa tách trong dung dịch HCl 20% trong 2 giờ, sau đó kết tủa lại bằng
dung dịch amoniac. Các tác giả đã chỉ ra rằng do bản chất không đồng nhất của bề
mặt chất hấp phụ nên năng lƣợng hấp phụ cũng không đồng nhất. Quá trình hấp phụ

41. 28
liên quan chặt chẽ tới pH, hiệu suất hấp phụ cao ở pH thấp và đạt giá trị cao nhất ở
pH 5,2, khi pH > 6 khả năng hấp phụ giảm mạnh [48].
Ở Việt Nam, hƣớng nghiên cứu chuyển hóa phụ phẩm của công nghệ chế
biến quặng bauxit thành chất hấp phụ xử lý kim loại nặng bắt đầu đƣợc quan tâm.
Nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Nguyễn Trung Minh ở Viện Địa chất, Viện Hàn
lâm KHCNVN, đã sử dụng bùn thải đuôi quặng (bùn sinh ra trong quá trình tuyển
rửa quặng bauxit), thêm 10-15% thủy tinh lỏng (Na2SiO3), ngoài ra còn cao lanh,
dầu cốc, để vê viên, tạo hạt hấp phụ. Vật liệu nung ở khoảng 350o
C-400o
C trong
thời gian 3-5 giờ có khả năng tách loại kim loại nặng: Cu2+
, Pb2+
, Zn2+
, Cd2+
, Cr6+
và As(V) tốt hơn than hoạt tính thƣơng mại [49].
Mới đây nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Trần Hồng Côn, Đại học Khoa học
Tự nhiên – ĐHQGHN đã tiến hành biến tính nhiệt bùn đỏ và khảo sát khả năng hấp
phụ asen [50]. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) và chỉ ra rằng khi xử lý nhiệt
ở 350o
C trong 2 giờ chỉ quan sát thấy tinh thể Fe2O3, các tác giả cho rằng các oxit
nhôm, silic, titan tồn tại ở dạng vô định hình. Mẫu bùn đỏ này có dung lƣợng hấp
phụ asenic cực đại đạt 16,1 mg/g, nhiệt độ nung càng cao thì dung lƣợng hấp phụ
càng giảm.
PGS.TS. Vũ Đức Lợi và cộng sự cũng nghiên cứu hoạt hóa bùn đỏ bằng
phƣơng pháp gia nhiệt. Các kết quả đặc trƣng cấu trúc của bùn đỏ đã chỉ ra rằng sau
khi nung ở nhiệt độ 800o
C trong 4 giờ, bùn đỏ chỉ thể hiện cấu trúc tinh thể hematit,
diện tích bề mặt riêng giảm theo nhiệt độ nung, với mẫu nung ở 800o
C, bề mặt riêng
chỉ đạt 15m2
/g [51]. Để khắc phục điều này các tác giả tiếp tục xử lý vật liệu bằng
dung dịch axit HCl 1M trong 4 giờ, diện tích bề mặt riêng tăng lên, đạt 24 m2
/g. Kết
quả khảo sát hấp phụ asen cho thấy bùn đỏ hoạt hóa có hiệu suất hấp phụ đƣợc cải
thiện đáng kể, giá trị dung lƣợng hấp phụ cực đại của As(III) là 0,48 mg/g tại pH
7,5 và As(V) là 0,50 mg/g tại pH 4.
1.4.2. Hấp phụ anion
Ngoài các kim loại nặng và á kim, bùn đỏ còn đƣợc nghiên cứu nhiều trong
việc tách loại các anion trong dung dịch nhƣ nitrat [52, 53], florua [54, 55],
phosphat [56].

42. 29
Hấp phụ nitrat
Nồng độ nitrat trong nƣớc ngầm đang tăng lên trên toàn cầu, nồng độ nitrat
trong nƣớc cao là nguy cơ gây hại tiềm tàng tới sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là trẻ
em. Năm 1992, Ho và cộng sự đã thử nghiệm hấp phụ cột sử dụng cát trộn với bùn
đỏ để tách loại nitơ và photpho trong nƣớc thải. Tác giả đã chỉ ra rằng với tỉ lệ 30%
bùn đỏ thì hiệu suất tách loại nitrat khoảng 24%, với 20% bùn đỏ hiệu suất đạt 9%,
khi tỉ lệ bùn đỏ là 10% khả năng xử lý rất thấp, nhƣ vậy bùn đỏ có vai trò quan
trọng trong việc hấp phụ nitrat [52]. Çengeloglu và cộng sự sau đó đã có một nghiên
cứu kỹ lƣỡng hơn về vấn đề này [53]. Các tác giả hoạt hóa bùn đỏ bằng dung dịch
HCl 20% ở nhiệt độ 100o
C trong 20 phút, diện tích bề mặt riêng tăng từ 14,2 lên
20,7 m2
/g, dung lƣợng hấp phụ nitrat tăng từ 1,859 lên 5,858 mmol/g, quá trình hấp
phụ đạt cân bằng trong khoảng 1 giờ và khả năng tách loại giảm khi pH > 7.
Hấp phụ florua
Thời gian gần đây, sự ảnh hƣởng của nồng độ florua trong nƣớc uống tới sức
khỏe răng lợi đƣợc cộng đồng đặc biệt quan tâm. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra
rằng sự tiếp xúc thời gian dài và tích tụ florua không những làm hỏng xƣơng, răng,
mà còn gây ra biến đổi cấu trúc DNA, tổn thƣơng não và ung thƣ. Việc loại bỏ
florua dƣ trong nƣớc uống do đó hết sức quan trọng và thƣờng đƣợc thực hiện bằng
các phƣơng pháp hấp phụ, trao đổi ion và kết tủa. Çengeloglu và cộng sự đã hoạt
hóa bùn đỏ tƣơng tự nhƣ tài liệu [53] và khảo sát khả năng hấp phụ florua [54], kết
quả cho thấy dung lƣợng hấp phụ F-
của bùn đỏ sau khi xử lý axit tăng từ 3,11 lên
6,29 mg/g. Năm 2009, Tor và cộng sự [55] đã chế tạo vật liệu hấp phụ dạng hạt từ
bùn đỏ, thành phần cụ thể nhƣ sau: 15g bùn đỏ đã xử lý trung hòa, 2g tro bay, 1g
natri cacbonat, 0,8g vôi sống, 1,2g natri silicat. Sau khi vê viên, để khô tự nhiên
trong 24 giờ, sau đó nung ở 400o
C trong 2 giờ và 900o
C trong 0,5 giờ. Kết quả thử
nghiệm hấp phụ tĩnh cho thấy hiệu suất hấp phụ florua diễn ra thuận lợi ở pH 4,7,
thời gian hấp phụ đạt cân bằng khá lâu - 6 giờ, đẳng nhiệt hấp phụ tuân theo mô
hình Freundlich, dung lƣợng hấp phụ cực đại chỉ đạt 0,851 mg/g. Với mục đích cải
thiện khả năng hấp phụ florua, Wei và cộng sự đã nghiên cứu biến tính bùn đỏ với
nhôm [57]. Sau khi biến tính dung lƣợng hấp phụ florua của bùn đỏ tăng mạnh, đạt
68,7 mg/g.