Bùn đỏ là phế thải của quá trình sản xuất alumin từ bauxite theo công nghệ Bayer. Hiện nay khoảng 90% alumin trên thế giới được sản xuất bằng công nghệ Bayer. Bùn đỏ bao gồm các thành phần không thể hòa tan, trơ và khá bền vững trong điều kiện phong hóa như hematit, natrisilicat, aluminate, canxi-titanat, mono-hydrate nhôm… và đặc biệt là có chứa một lượng xút, một loại kiềm cao độc hại dư thừa từ quá trình sản xuất. Theo quá trình công nghệ, bùn đỏ thường được thải ra ở dạng sệt bao gồm pha rắn và pha lỏng.

Pha rắn của bùn đỏ được đặc trưng bởi các yếu tố chính như thành phần hóa học, khoáng vật, cỡ hạt...;

+ Về thành phần hóa học, pha rắn của bùn đỏ gồm các oxít như Al2O3, SiO2, Fe2O3, Na2O, CaO, TiO2, ... và lượng mất khi nung.

+ Về thành phần khoáng, bùn đỏ có thành phần tương tự như của bauxite và có thêm Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O và hợp chất có thành phần dao động của CaO với các cấu tử Al2O3, Na2O và SiO2.

+ Về thành phần hạt, bùn đỏ thường có cỡ hạt từ mịn đến rất mịn. Đa phần có cấp hạt 100% < 100 µm, bùn đỏ (bauxite Jamaica) < 44 µm chiếm tới 90%.

Pha lỏng của bùn đỏ được đặc trưng bởi thành phần hóa học của 3 cấu tử Na2Ot (NaOH + Na2CO3), Na2O (NaOH) và Al2O3.

Trước đây biện pháp chủ yếu là xây hồ chứa để tồn trữ, bơm bùn xuống đáy sông, đáy biển hoặc ngăn một phần vịnh biển để chứa bùn thải. Các biện pháp này, nay đã không còn được sử dụng do ảnh hưởng tới môi trường. Ngày nay, nghiên cứu tập trung vào các lĩnh vực sau như nông nghiệp (làm đất trồng trong nông nghiệp), sản xuất vật liệu xây dựng (xi măng, gạch, làm bột màu vô cơ), vật liệu san lấp (cho đường giao thông), vật liệu composite, thu hồi các kim loại quý dùng trong luyện kim (sắt, nhôm). Vì trong thành phần bùn đỏ có các hydroxit nhôm, hydroxit và oxit sắt với kích thước hạt rất nhỏ, nên có thể dùng sản xuất gạch không nung hệ geopolymer.

Xuất phát từ thực tiễn đó, Chủ nhiệm đề tài TS. Hoàng Minh Đức cùng nhóm nghiên cứu tại Viện khoa học công nghệ xây dựng thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng gạch không nung từ bùn đỏ theo công nghệ chưng áp” với mục tiêu nghiên cứu tận dụng triệt để lượng kiềm dư trong thành phần bùn đỏ Tân Rai hỗ trợ phản ứng geopolymer hóa, ngoài ra đểnâng cao hàm lượng oxit silic hòa tan có thể bổ sung từ nguồn bên ngoài là tro bay nhiệt điện của chính Nhà máy điện của dự án nhằm phối hợp xử lý cùng lúc hai loại phế thải. Ngoài ra, để tiết kiệm lượng kiềm sử dụng để kích hoạt cũng như giảm thiểu lượng kiềm dư trong sản phẩm có thể sử dụng chế độ gia công ở nhiệt độ cao, áp suất cao trong autoclave.

Geopolymer là vật liệu được tạo thành từ quá trình polymer hóa một số nguyên liệu chứa aluminosilicate khi phản ứng với các tác nhân kiềm, hoặc có thể coi là thủy tinh aluminosilicate tổng hợp ở nhiệt độ thấp. Geopolymer là một loại polymer vô cơ với đơn vị cấu trúc là các tứ diện [SiO4] 4- và [AlO4] 5- . Cơ chế của quá trình geopolymer hóa gồm 4 giai đoạn và các quá trình này có thể diễn ra song song, xen kẽ do đó không thể phân biệt ranh giới rõ ràng, bao gồm: (1) Hòa tan aluminosilicate rắn trong dung dịch kiềm mạnh; (2) Tạo thành chuỗi cơ sở (oligomer) Si-Si hoặc Si-Al trong pha lỏng; (3) Quá trình đa trùng ngưng các oligomer tạo thành khung mạng lưới alunimo silicat ba chiều; (4) Tạo liên kết giữa các phân tử rắn thành khung geopolymer và đóng rắn trong toàn hệ thống hình thành cấu trúc geopolymer rắn.

Chế độ sấy của mẫu thí nghiệm

Các nghiên cứu trên thế giới coi bùn đỏ là nguyên liệu phụ, phải sử dụng thêm các thành phần nguyên liệu có chứa oxit silic hoạt tính để xử lý bùn đỏ bằng phương pháp geopolymer hóa. Sử dụng tro bay tầng sôi, metakaolin và lượng bùn đỏ sử dụng tối đa 40%, cho cường độ nén 2÷13 MPa. Sử dụng tro bay loại C, cường độ 7÷13MPa. Dimas sử dụng 85% bùn đỏ và 15% metakaolin kiềm NaOH và Na2SiO3 (thủy tinh lỏng) cho geopolymer chịu nhiệt đạt từ 400÷1000oC, cường độ nén từ 4÷9,5 MPa. Yang, sử dụng xi măng pooc lăng OPC, tro bay, vôi và thạch cao để chế tạo vữa geopolymer, cường độ đạt 11,7÷29 MPa. Kumar sử dụng thêm xỉ, dưỡng hộ 60oC trong 24 giờ cường độ nén 64÷125 MPa. Zang, sử dụng tro trấu, NaOH 4M với bùn đỏ, cường độ 3,2÷20,5 MPa.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

1. Các kết quả nghiên cứu trong đề tài đã cho thấy có thể chế tạo gạch xây không nung từ phế thải bùn đỏ và tro bay nhiệt điện theo công nghệ chưng áp, đáp ứng các yêu cầu để sử dụng trong công trình xây dựng.

2. Đề tài đã xây dựng tiêu chuẩn cơ sở cho sản phẩm gạch không nung từ bùn đỏ theo công nghệ chưng áp với các chỉ tiêu kỹ thuật đáp ứng yêu cầu sử dụng trong công trình và đảm bảo yêu cầu về vệ sinh, an toàn.

3. Đã xác định được cấp phối hợp lý cho sản xuất gạch không nung từ bùn đỏ theo công nghệ chưng áp bao gồm 75% bùn đỏ, 25% tro bayvới chất kích hoạt là dung dịch kiềm 1M hoặc 2M. Sản phẩm thu được đáp ứng được yêu cầu đề ra là có cường độ chịu nén lớn hơn 5,0 MPa, hệ số hóa mềm lớn hơn 0,8 và độ pH nhỏ hơn 10.

4. Đề tài đã sản xuất thử nghiệm gạch không nung geopolyme từ bùn đỏ theo công nghệ chưng áp. Các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm đáp ứng yêu cầu đặt ra. Nghiên cứu thực nghiệm này cho thấy sản xuất công nghiệp sản phẩm gạch như định hướng của nghiên cứu hoàn toàn khả thi trong điều kiện công nghệ hiện nay tại Việt Nam. 5. Nghiên cứu đã cho thấy khối xây gạch không nung geopolyme từ bùn đỏ theo công nghệ chưng áp có khả năng chịu lực tương đương với khối xây gạch rỗng đất sét nung sử dụng gạch cùng cường độ.

6. Đề tài đã đề xuất dự án xây dựng nhà máy sản xuất gạch không nung geopolyme từ bùn đỏ theo công nghệ chưng áp. Giá thành sản phẩm gạch xây không nung geopolymer từ bùn đỏ và tro bay, dưỡng hộ chưng áp trong thiết bị autcolave thấp hơn so với gạch đất sét nung và xi măng cốt liệu. Vì vậy nếu được sử dụng rộng rãi trong thực tế sẽ tiết kiệm được chi phí, xử lý đồng bộ cùng lúc được cả hai loại phế thải công nghiệp là bùn đỏ và tro bay, góp phần bảo vệ môi trường.