Sản xuất vật liệu xây dựng từ bùn đỏ

Tính khả thi kinh tế và hiệu quả về mặt kỹ thuật đã biến quy trình sản xuất vật liệu xây dựng từ bùn đỏ trở thành ứng viên đáng chú ý trong số các giải pháp xử lý chất thải nguy hại này.

PGS.TS Lưu Đức Hải (bên trái) lấy mẫu bùn đỏ ở Tây Nguyên.

Tìm hướng đi phù hợp cho bùn đỏ Việt Nam

Với bề mặt khô cứng nứt nẻ như những cánh đồng ngày hạn, thoạt nhìn những hồ chứa bùn đỏ ở Tây Nguyên không có gì đáng sợ, thậm chí người ta vẫn có thể đi bộ ở trên. Nhưng đó chỉ là phần ven hồ. “Nếu bước ra xa hơn sẽ cực kỳ nguy hiểm”, PGS.TS Lưu Đức Hải, nguyên Chủ nhiệm Khoa Môi trường, trường ĐH Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN), hiện là Chủ tịch Hội Kinh tế môi trường Việt Nam, giải thích. “Nó chỉ khô trên bề mặt thôi, vì tính chất của bùn đỏ rất khó đông cứng. Đây là chất thải độc hại, có độ pH rất cao, tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và sinh vật”.

Hàng chục triệu tấn bùn đỏ như vậy đang nằm trong các hồ chứa ở Tây Nguyên. Bùn đỏ là chất thải của quy trình sản xuất alumin (oxit nhôm) từ quặng bauxite theo công nghệ Bayer. Màu đỏ của bùn xuất phát từ các ion sắt bị oxy hóa - thường chiếm khoảng 60% khối lượng bùn đỏ. Thành phần chủ yếu của bùn đỏ là các loại oxit và hydroxit kim loại sắt, mangan… cùng một số khoáng sét. “Bùn đỏ là một trong những vấn đề lớn nhất khi khai thác bauxite ở Tây Nguyên”, PGS.TS Lưu Đức Hải cho biết. Nếu không có biện pháp đảm bảo an toàn, để bùn đỏ rò rỉ ra ngoài môi trường sẽ dẫn đến những hậu quả khó khó lường. Thảm họa tràn bùn đỏ ở Hungary cách đây 15 năm, khiến nhiều người chết và bị thương, hủy hoại phần lớn hệ sinh thái, là bài học cảnh báo về mức độ nguy hiểm của loại chất thải này.

Việc xử lý bùn đỏ là điều hết sức quan trọng với Việt Nam - quốc gia có tiềm năng rất lớn về quặng bauxite, đứng thứ ba trên thế giới, có trữ lượng dự báo trên 7 tỷ tấn, tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên. Hiện nay cả nước có hai nhà máy sản xuất alumin theo công nghệ Bayer tại Tân Rai (Lâm Đồng) và Nhân Cơ (Đắk Nông) với tổng công suất hơn 1,3 triệu tấn alumin/năm. Hằng năm mỗi nhà máy thải ra khoảng hơn 650 nghìn tấn bùn đỏ và chôn lấp trong các hồ được thiết kế chống thấm đặc biệt. Theo PGS.TS Lưu Đức Hải, nếu khai thác hết 7 tỷ tấn quặng bauxite hiện có để sản xuất alumin, thì lượng bùn đỏ sinh ra khoảng 1,75 tỷ tấn. Nếu các hồ chôn bùn đỏ cao 10m, thì diện tích mặt hồ chôn bùn đỏ cần có là 10.000 ha (100 km²). Hơn nữa, các hồ bùn đỏ này không bị đông cứng hoàn toàn, nên sẽ là tác nhân tiềm ẩn gây ô nhiễm và suy thoái môi trường đối với toàn bộ Tây Nguyên.

Bài toán bùn đỏ đã được tính đến ngay từ khi bắt đầu khai thác bauxite ở Tây Nguyên, bao gồm các phương pháp thu hồi kim loại trong bùn đỏ, sử dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ, sản xuất gạch… đã được nghiên cứu ở Việt Nam từ lâu. Tuy nhiên, tính khả thi của các giải pháp này còn thấp. Do vậy, cũng giống như nhiều quốc gia trên thế giới, chôn lấp vẫn là cách xử lý bùn đỏ đang được áp dụng ở Việt Nam hiện nay và trong tương lai gần khi chưa có công nghệ xử lý có hiệu quả kinh tế.

Tuy nhiên, dưới góc nhìn của các chuyên gia trong ngành như PGS.TS Lưu Đức Hải, đây chưa phải là lựa chọn phù hợp nhất với Việt Nam. “Hầu hết các nước phải chôn lấp bùn đỏ vì bùn đỏ ở đó chứa phóng xạ. Nhưng bùn đỏ ở Việt Nam thì không, chính xác hơn là cường độ phóng xạ của bùn đỏ Việt Nam thấp hơn phông phóng xạ tự nhiên. Điều này bắt nguồn từ sự khác biệt trong cơ chế hình thành quặng bauxite ở mỗi nơi”, PGS.TS Lưu Đức Hải cho biết. “Có hai loại khoáng sản bauxite có khả năng khai thác ở quy mô công nghiệp là bauxite lanterit và bauxite biến chất. Các mỏ bauxite ở Tây Nguyên là bauxite laterit, chủ yếu được hình thành trong quá trình phong hóa đá bazan dưới tác động của các yếu tố nhiệt độ, lượng nước mưa và oxy khí quyển. Đá bazan Tây Nguyên không chứa các nguyên tố phóng xạ, nên bauxite ở Tây Nguyên không chứa các nguyên tố phóng xạ”.

Trong khi đó, bauxite ở hầu hết các quốc gia trên thế giới là bauxite trầm tích biến chất, được hình thành từ quá trình biến đổi bauxite laterit. “Khi quặng bauxite lanterit bị nhấn chìm vào lòng đất hàng trăm triệu năm, dưới tác động của các tác nhân biến chất (nhiệt độ, áp suất và dung dịch biến chất), quặng bauxite laterit bị biến đổi về mặt thành phần hóa học và khoáng vật; đồng thời hấp thụ các nguyên tố phóng xạ di chuyển từ bên ngoài. Kết quả là tạo ra quặng bauxite trầm tích biến chất chứa các nguyên tố phóng xạ như ở Hungary, các nước châu Âu hay Trung Quốc”, ông giải thích.

Nếu quặng bauxite không chứa phóng xạ thì đương nhiên, bùn đỏ thải ra sau quá trình khai thác cũng không nhiễm phóng xạ. “Kết quả phân tích thành phần bùn đỏ của các nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ có phông phóng xạ rất thấp, được xem là không nhiễm phóng xạ. Điều này hoàn toàn khác biệt với bùn đỏ thải ra sau quá trình khai thác bauxite của Hungary và các nước khác. Do vậy, chúng ta có thể tận dụng bùn đỏ cho các ứng dụng thực tiễn khác, thay cho việc chôn lấp thường xuyên được thực hiện ở Hungary, Ấn Độ hay Trung Quốc”, PGS.TS Lưu Đức Hải cho biết. “Và một trong những giải pháp rất tiềm năng là sản xuất gạch xây dựng từ bùn đỏ”.

Cân bằng mục tiêu môi trường và kinh tế

Giữa nhiều giải pháp tận dụng bùn đỏ từng được triển khai ở Việt Nam, tại sao PGS.TS Lưu Đức Hải và các cộng sự lại nghĩ đến sản xuất gạch xây dựng? “Điều quan trọng là giải pháp phải đảm bảo hiệu quả trong giải quyết vấn đề môi trường với chất thải có khối lượng lớn, và khả thi về mặt kinh tế”, ông giải thích. Không ít giải pháp xử lý bùn đỏ tiềm năng nhưng chỉ dừng lại ở quy mô nghiên cứu vì chưa đáp ứng được các tiêu chí này. Đơn cử như giải pháp thu hồi sắt từ bùn đỏ, do hàm lượng sắt trong bùn đỏ thấp hơn so với quặng sắt thông thường, lại chứa nhiều chất khác nhau nên quy trình chiết tách sẽ phức tạp và tốn kém hơn, khiến sắt thu được từ bùn đỏ có giá thành cao hơn so với thông thường. “Nếu không có lãi thì rất khó thu hút các bên đầu tư, giải pháp không đi vào thực tế và sẽ không giải quyết được triệt để vấn đề”, ông nói. Nhưng nếu chỉ khả thi về mặt kinh tế, chẳng hạn như sử dụng bùn đỏ làm chất hấp thụ ô nhiễm hay phụ gia xi măng thì nhu cầu nhỏ, không xử lý được khối lượng bùn đỏ tính bằng đơn vị triệu tấn như quy hoạch khai thác và chế biến bauxite Tây Nguyên (theo Quyết định 866).

Điểm mấu chốt để xử lý bùn đỏ nằm ở lượng kiềm tồn dư. Bản chất của công nghệ Bayer trong sản xuất alumin là sử dụng tính lưỡng tính của nhôm hòa tan trong dung dịch kiềm (NaOH) ở nhiệt độ thích hợp để tách hydroxit nhôm Al(OH)3 ra khỏi quặng bauxite. Ngoài khối lượng 48-50% trọng lượng quặng tinh ban đầu được chuyển thành alumin, toàn bộ khối lượng còn lại của quặng bauxite đầu vào cùng với hóa chất dư là NaOH và Ca(OH)2 sẽ chuyển thành bùn đỏ. Do vậy, bùn đỏ có độ pH rất cao (11-13), nơi nào bùn đỏ đi qua thì hệ sinh thái nơi đó sẽ bị hủy hoại nghiêm trọng. Độ kiềm cao khiến người tiếp xúc trực tiếp với bùn đỏ, không mang đồ bảo hộ có thể bị bỏng chỉ sau 15 phút, giống như khi tiếp xúc với bê tông ướt.

Việc kết hợp bùn đỏ với các loại phụ gia để sản xuất gạch gốm là phương án tối ưu để giải quyết vấn đề này. “Nếu dùng bùn đỏ làm gạch không nung thì không thể chuyển các kim loại kiềm từ dạng di động thành dạng cố định, cũng như không tạo ra sự chuyển pha của khoáng vật sét và các khoáng vật chứa nước trong bùn đỏ để hình thành các tinh thể có tính liên kết vật liệu. Nhưng nếu chỉ nung riêng bùn đỏ thì lượng kiềm dư sẽ bay hơi gây ra ô nhiễm không khí”, PGS.TS Lưu Đức Hải giải thích. “Cách tốt nhất là trước khi đem nung, bổ sung thêm oxit nhôm và silic để tạo ra các tinh thể khoáng silicat, giúp cố định các ion kim loại kiềm”. Loại phụ gia mà nhóm nghiên cứu lựa chọn là tro bay và đất sét có sẵn ở địa phương - đáp ứng được tiêu chí rẻ tiền và dễ kiếm.

Bắt đầu cách đây 10 năm với nguồn kinh phí khiêm tốn, PGS.TS Lưu Đức Hải và các cộng sự đã nỗ lực để hoàn thành những mục tiêu đề ra. Sau không ít lần thử - sai để tìm ra công thức phối trộn nguyên liệu tối ưu cho quá trình sản xuất gạch, nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình sản xuất gạch gốm từ bùn đỏ. “Cũng phải xoay xở nhiều chứ, nhưng ‘khéo co thì ấm’. Một điều may mắn là chúng tôi cũng nhận được sự hỗ trợ từ trường cũng như các anh em đồng nghiệp, vận chuyển giúp 1 tấn bùn đỏ từ Tây Nguyên ra đây để phục vụ nghiên cứu”, ông chia sẻ.

Kết quả sản xuất thử nghiệm tại nhà máy gạch tại địa phương đã chứng minh quy trình sản xuất gạch gốm từ bùn đỏ của nhóm nghiên cứu không chỉ giải quyết bài toán môi trường mà còn hứa hẹn tiềm năng về mặt kinh tế. Từ những nguyên liệu tại địa phương và dây chuyền sản xuất gạch sẵn có, nhóm nghiên cứu đã sản xuất được sản phẩm gạch gốm xây dựng từ bùn đỏ có hình dạng, màu sắc như gạch đất sét nung nhưng có tính chất cơ lý cao hơn gạch đất sét nung thông thường theo tiêu chuẩn Việt Nam. Để kiểm tra khả năng cố định các ion kim loại kiềm, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X thành phần gạch gốm và nhận thấy sự xuất hiện các pha kết tinh có thành phần khoáng vật albit NaAlSi3O8. “Như vậy, phần lớn lượng Na linh động còn dư trong bùn đỏ đã kết hợp với phụ gia để tạo nên pha kết tinh mới là khoáng vật albit có trong gạch gốm”, PGS.TS Lưu Đức Hải cho biết.

Nhờ tính mới và giá trị ứng dụng cao, quy trình sản xuất vật liệu xây dựng từ bùn đỏ của PGS.TS Lưu Đức Hải đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền giải pháp hữu ích vào năm 2023. Một điều đáng mừng nhiều doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng rất hứng thú với giải pháp này. Tưởng chừng con đường từ nghiên cứu đến ứng dụng sẽ rất gần song thực tế, vẫn còn những nút thắt chính sách cần tháo gỡ để đẩy nhanh quá trình này. “Nếu có chính sách khuyến khích thu hút nhiều doanh nghiệp tham gia, chúng tôi sẵn sàng hỗ trợ để cải tiến và phát triển thêm nhiều sản phẩm mới từ bùn đỏ”, ông nói. “Một lợi thế rất lớn của bùn đỏ là chứa nhiều sắt, do vậy chỉ cần thay đổi chế độ oxy hóa là có thể tạo ra nhiều sản phẩm vật liệu xây dựng với nhiều màu sắc khác nhau rất dễ dàng”.

Bài đăng KH&PT số 1334 (số 10/2025)

Khoahocphattrien