The possibility of utilizing red mud from bauxite ore in production of bricks from red mud – clay system at low temperature_2011

TẬN DỤNG PHẾ THẢI BÙN ĐỎ TỪ QUẶNG BAUXITE ĐỂ SẢN
XUẤT GẠCH ĐẤT SÉT NUNG Ở NHIỆT ĐỘ THẤP
NGUYỄN THỊ THANH THẢO, VŨ HUYỂN TRÂN, NGUYỄN VĂN CHÁNH
Bộ môn Vật liệu xây dựng, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam.
1. GIỚI THIỆU
Bùn đỏ là chất thải từ quá trình sản xuất nhôm theo công nghệ Bayer. Thành phần của bùn
đỏ gồm hỗn hợp nhiều chất rắn với các oxit kim loại như Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2 , Na 2 O…. Bùn có
màu đỏ do có chứa nhiều oxit sắt. Bên cạnh đó, bùn đỏ chứa một hàm lượng khá lớn xút trong
nó. Chính điều này làm cho bùn đỏ có độ pH lớn, thông thường từ 13 trở lên. Đây là những
thành phần có hại và không dễ dàng phân hủy. Do đó, cho đến nay người ta vẫn chưa tìm ra
được biện pháp triệt để nào để xử lý. Một trong những giải pháp xử lý vấn đề này là sử dụng
bùn đỏ làm nguyên liệu để sản xuất vật liệu xây dựng. Cụ thể trong bài báo là tận dụng bùn đỏ
để sản xuất gạch xây với hệ nguyên liệu chính là bùn đỏ và đất sét trên cơ sở nguyên lý chế tạo
vật liệu Geopolymer.
Geopolymer là từ được sử dụng để chỉ các loại vật liệu tổng hợp từ vật liệu có nguồn gốc
aluminosilicate. Từ Geopolymer lần đầu tiên được sử dụng bởi giáo sư Joseph Davidovits từ
những năm 1970. Nguyên lý chế tạo vật liệu Geopolymer dựa trên khả năng phản ứng của các
vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm bền và có cường độ. Hệ
nguyên liệu để chế tạo vật liệu Geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu
ban đầu và chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu ban đầu thường ở dạng aluminosilicate nhằm cung
cấp nguồn Si và Al cho quá trình Geopolymer hóa xảy ra. Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ
biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat nhằm tạo môi trường
kiềm và tham gia vào các phản ứng Geopolymer hóa.
Vật liệu Geopolymer tổng hợp từ aluminosilicate được tạo thành từ mạng lưới
Poly(Sialate) trên cơ sở các các tứ diện SiO 4 và AlO 4 với công thức như sau:[1]
M n [-(SiO 2 ) z – AlO 2 ] n .wH 2 O
Trong đó:
- M là các nguyên tử kiềm như K, Na hay Ca.
- n là mức độ đa trùng ngưng.
- z là 1, 2, 3 hay >3.
Quá trình tổng hợp để tạo thành vật liệu Geopolymer được gọi là quá trình Geopolymer hóa
các nguyên vật liệu ban đầu nhờ vào các chất hoạt hóa kiềm khác nhau. Quá trình hoạt hóa kiềm
cho các vật liệu aluminosilicate là một quá trình phức tạp và đến nay vẫn chưa được mô tả một
cách rõ ràng[2]. Các bước phản ứng không diễn ra tuần tự mà hầu như diễn ra cùng lúc và chồng
lắp vào nhau. Do đó, rất khó phân biệt cũng như khảo sát các bước phản ứng một cách riêng
biệt.
Tuy nhiên, quá trình phản ứng hóa học tạo thành geopolymer có thể được phân ra thành các
bước chính sau: [3][4]
- Hòa tan các phân tử Si và Al trong nguyên liệu nhờ vào các ion hydroxide trong dung
dịch.
- Định hướng lại các ion trong dung dịch tạo thành các monomer.

- Đóng rắn các monomer thông qua các phản ứng trùng ngưng polymer để tạo thành các
cấu trúc polymer vô cơ.
Quá trình Geopolymer hóa bắt đầu bằng sự phá vỡ các mối liên kết giữa Si, O. Tiếp theo đó
sẽ có sự hình thành các pha mới và quá trình này bao gồm quá trình tổng hợp bằng dung dịch
kiềm. Theo đó diễn ra sự xâm nhập của các nguyên tử Al vào cấu trúc Si-O-Si. Từ đó tạo thành
các gel aluminosilicate [4]. Với gốc là các nhóm poly(sialate), qua quá trình trùng ngưng
polymer sẽ tạo thành những chuỗi polymer với phân tử lượng rất lớn. Mạng lưới các polymer vô
cơ này nhìn chung bao gồm các gel aluminosilicate tồn tại ở dạng không gian 3 chiều. Trong đó,
các điện cực âm trong các ion Al có dạng tứ diện sẽ liên kết với ion dương từ các kim loại kiềm
như Na, K nhằm cân bằng được điện tích.
2. THỰC NGHIỆM
Nguyên liệu chính được sử dụng là đất sét Đồng Nai và bùn đỏ lấy từ nhà máy hóa chất
Tân Bình tại thành phố Hồ Chí Minh. Đất sét có vai trò là nguyên liệu cung cấp nguồn Si và Al
cho quá trình chế tạo sản phẩm theo công nghệ Geopolymer. Bùn đỏ do có chứa một lượng xút
lớn nên đóng vai trò tạo ra môi trường kiềm cho quá trình Geopolymer hóa diễn ra. Đất sét và
bùn đỏ lấy từ nguồn về được phơi khô trong điều kiện ngoài trời. Sau khi phơi khô, nguyên liệu
được đập nhỏ bằng búa rồi sàng qua sàng có kích thước lỗ 1mm. Nguyên liệu đã sàng được đem
sấy khô trong lò sấy ở 105-110 o C đến độ ẩm không lớn hơn 2%. Đất sét và bùn đỏ được trộn với
nhau với tỉ lệ bùn đỏ tăng dần từ 40% đến 90% theo khối lượng. Chất phụ gia hoạt hóa có thành
phần chính là kiềm và natri silicat được đưa vào hỗn hợp với tỉ lệ thay đổi từ 8ml đến
16ml/100g tổng nguyên liệu gồm bùn đỏ và đất sét để thúc đẩy quá trình tạo thành sản phẩm.
Một lượng nước được đưa vào với tỉ lệ thay đổi tăng giảm tùy theo lượng phụ gia sử dụng để
đảm bảo hỗn hợp đạt độ ẩm tạo hình từ 22% đến 23%. Hỗn hợp sau khi trộn được tạo hình trong
khuôn lập phương có cạnh là 50mm. Mẫu sau tạo hình được đưa đi sấy với nhiệt độ 110 o C. Sau
khi sấy, mẫu được nung với nhiệt độ thay đổi ở 400 o C – 600 o C – 800 o C. Một số mẫu sau sấy
được giữ nguyên không nung. Mẫu hoàn chỉnh được thử nghiệm cường độ chịu nén, độ bền
nước, độ hút nước, phân tích phổ hồng ngoại FTIR và phân tích TEM.
3.1 Đặc trưng kĩ thuật của đất sét và bùn đỏ
3.1.1 Đặc trưng kĩ thuật của bùn đỏ
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Thành phần hóa học của bùn đỏ được xác định bằng phương pháp XRF (bảng 1). Kết quả
cho thấy thành phần Fe 2 O 3 chiếm tỉ lệ lớn với 47,44% trong bùn đỏ giúp tạo màu đỏ cho gạch.
Thành phần Al 2 O 3 cũng là nguồn cung cấp lượng Al cho quá trình Geopolymer hóa. Kết quả
phân tích phổ hồng ngoại của bùn đỏ được thể hiện ở hình 1.
Bảng 1: Thành phần hóa học của bùn đỏ
Fe 2 O 3 Al 2 O 3 SiO 2 Na 2 O TiO 2 CaO SO 3 P 2 O 5 Cr 2 O 3
47,44% 31,26% 6,17% 6,64% 6,73% 0,41% 0,44% 0,24% 0,22%

3.1.2 Đặc trưng kĩ thuật của đất sét
Hình 1: Phân tích phổ hồng ngoại của bùn đỏ.
Đất sét được thử nghiệm tính chất cơ lý theo tiêu chuẩn TCVN 4345:1985 (bảng 2) và
thành phần hóa học theo tiêu chuẩn TCVN 7131:2002 (bảng 3). Kết quả cho thấy tỉ lệ thành
phần SiO 2 và Al 2 O 3 trong đất sét lần lượt là 65,7% và 14,6%. Đây là thành phần cung cấp lượng
Al và Si cho quá trình Geopolymer hóa. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại IR của đất sét được
thể hiện ở hình 2.
Bảng 2: Tính chất cơ lý của đất sét
Kết quả
Tính chất cơ lý
thử nghiệm
Bảng 3: Thành phần hóa học của đất sét
Thành phần
Tỉ lệ %
hóa học
Giới hạn chảy 32,8% SiO 2 65,7
Giới hạn lăn 14,3% Al 2 O 3 14,6
Chỉ số dẻo 18,5% Fe 2 O 3 6,4
Độ ẩm tạo hình 22,6% MgO 0,6
Độ co khi sấy ở 100 o C 4,9% CaO 0,2
Độ co khi nung ở 1000 o C 2,5% SO 3 0,05

Hình 2: Phân tích phổ hồng ngoại của đất sét.
3.2 Tính chất cơ lý của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ
3.2.1 Cường độ chịu nén
Khi tỉ lệ bùn đỏ tăng lên thì cường độ chịu nén của mẫu giảm dần (Hình 3). Nhiệt độ có ảnh
hưởng lớn đến mức độ thay đổi cường độ của mẫu khi tỉ lệ bùn đỏ - đất sét thay đổi. Hình 3 cho
thấy nhiệt độ tạo mẫu càng cao thì mức độ giảm cường độ càng lớn khi tỉ lệ bùn đỏ tăng dần.
Khi lượng bùn đỏ tăng lên hay lượng đất sét giảm đi thì yếu tố nhiệt độ ít ảnh hưởng đến sự thay
đổi cường độ của sản phẩm và ngược lại. Nguyên nhân vì đất sét là nguyên liệu chính cung cấp
thành phần Al và Si cho quá trình Geopolymer hóa và sự giải phóng Al và Si cho quá trình này
chịu ảnh hưởng rất lớn từ nhiệt độ.
Hình 3: Quan hệ giữa tỉ lệ bùn đỏ và
Hình 4: Quan hệ giữa tỉ lệ phụ gia và
cường độ chịu nén của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ. cường độ chịu nén của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ.
Khi tỉ lệ phụ gia sử dụng tăng thì cường độ của mẫu tăng. Hình 4 cho thấy ít có sự chênh
lệch về cường độ giữa các mẫu chỉ sấy ở 110 o C khi tỉ lệ phụ gia sử dụng tăng dần. Mức chênh
lệch lớn nhất xảy ra ở những mẫu được tạo ở nhiệt độ 400 o C và 600 o C. Đến 800 o C thì mức
chênh lệch cường độ giữa các mẫu lại giảm đi. Như vậy có thể kết luận rằng tỉ lệ phụ gia có ảnh
hưởng nhiều nhất đến cường độ mẫu tại khoảng nhiệt độ từ 400 o C đến 600 o C.

3.2.2 Độ bền nước
Trong cùng một nhiệt độ nung, độ bền nước giữa các mẫu có tỉ lệ bùn đỏ khác nhau gần
như tương đương. Sự khác nhau về độ bền nước chỉ xảy ra giữa các mẫu có cùng tỉ lệ bùn đỏ
nhưng nhiệt độ nung khác nhau. Hình 5 cho thấy khi nhiệt độ tăng dần từ 110 o C đến 600 o C, độ
bền nước tăng đều từ 0,42 đến 0,85. Độ bền nước tăng ít ở khoảng nhiệt độ từ 600 o C đến 800 o C.
Với tỉ lệ phụ gia sử dụng thay đổi từ 8 đến 16ml/100g nguyên liệu, độ bền nước tăng lên ở
những mẫu được chế tạo ở nhiệt độ thấp như mẫu sấy ở 110 o C và 400 o C (Hình 6). Đối với
những mẫu được chế tạo ở nhiệt độ cao như 600 o C và 800 o C, độ bền nước thay đổi không đáng
kể khi tỉ lệ phụ gia sử dụng tăng lên.
Như vậy có thể thấy yếu tố quyết định nhiều nhất đối với độ bền nước là nhiệt độ tạo mẫu.
Để mẫu được xem như có khả năng bền nước, tức độ bền nước trên 0,75 thì nhiệt độ tạo mẫu
phải từ 600 o C trở lên.
Hình 5: Quan hệ giữa tỉ lệ bùn đỏ và độ bền nước
của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ.
Hình 6: Quan hệ giữa tỉ lệ phụ gia và độ bền nước
của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ.
3.2.3 Độ hút nước
Hình 7: Quan hệ giữa tỉ lệ bùn đỏ và
độ hút nước của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ.
Hình 8: Quan hệ giữa tỉ lệ phụ gia và
độ hút nước của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ.
Hình 7 cho thấy khi tỉ lệ bùn đỏ tăng lên thì độ hút nước cũng tăng lên. Mức độ tăng tương
đối đồng đều ở các nhiệt độ nung khác nhau. Khi tỉ lệ bùn đỏ tăng lên nghĩa là tỉ lệ đất sét giảm
đi trong khi đất sét là nguồn cung chính thành phần Al và Si cho quá trình Geopolymer hóa. Khi
nguồn cung cấp này giảm đi thì quá trình sản sinh sản phẩm Geopolymer cũng giảm đi và làm
cho các lỗ rỗng giữa các hạt vẫn còn tồn tại. Từ đó làm cho độ hút nước tăng lên.

Kết quả (Hình 8) cho thấy ở tất cả các mẫu, khi tỉ lệ phụ gia tăng lên thì độ hút nước giảm
đi. Điều này chứng tỏ, khi tỉ lệ phụ gia tăng lên, các phản ứng Geopolymer hóa xảy ra mạnh mẽ
hơn và tỉ lệ các hạt ban đầu biến đổi thành vật liệu Geopolymer nhiều hơn. Điều này làm giảm lỗ
rỗng giữa các hạt và làm giảm độ hút nước của mẫu.
3.3 Cấu trúc của gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ
3.3.1 Phân tích TEM
Kết quả TEM với tỉ lệ phóng đại 30000 lần (Hình 9) cho thấy mạng lưới Geopolymer có
cấu trúc là tập hợp của các mảnh thủy tinh vô định hình đã hình thành trong mẫu.
Hình 9: Kết quả TEM cho thấy mạng lưới Geopolymer trong mẫu gạch từ đất sét – bùn đỏ được
nung ở nhiệt độ 600 o C và tỉ lệ phụ gia là 16ml/100g nguyên liệu.
3.3.2 Phân tích phổ hồng ngoại FTIR
Kết quả phân tích FTIR (Hình 10) cho thấy các vạch phổ tại các vị trí 3620cm -1 và 3697cm -
1 là do các nhóm hydroxyl O-H trong mẫu. Các vạch phổ tại các vị trí 1630cm -1 và 3450 cm -1
hầu hết là do nước hấp thụ trong mẫu.Vùng có số sóng nhỏ hơn 1033 cm -1 là vùng hấp thụ đặc
trưng của Geopolymer. Trong phạm vi vùng này, các mẫu gạch đều cho ra kết quả tương tự
nhau.Vùng hấp thu mạnh nhất ở các vị trí trong vùng từ 1033cm -1 đến 997cm -1 cho thấy sự hình
thành Geopolymer trong mẫu. Số sóng của các mẫu nung 400 o C, 600 o C, 800 o C lần lượt là
1033cm -1 , 1011cm -1 , 1010cm -1 . Đó là dao động tương ứng với các tứ diện Si-O có trong mẫu [5].
Có thể thấy số sóng của các mẫu giảm dần khi nhiệt độ nung tăng lên. Điều này chứng tỏ trong
mẫu có sự thay thế dần nguyên tử Al trong các tứ diện Si-O để tạo thành mạng lưới Si-O-Al của
Geopolymer [6]. Các vạch tại các vị trí 913 cm -1 và 795 cm -1 của đất sét yếu dần khi so sánh với
các mẫu gạch. Đây là các vạch đặc trưng cho liên kết Al-OH và Al-O có trong đất sét [6]. Hiện
tượng này có thể được giải thích là do thành phần Al trong đất sét đã chuyển sang một mạng
lưới khác.

Hình 10: Phân tích phổ hồng ngoại FTIR của mẫu đất sét và mẫu gạch từ đất sét – bùn đỏ.
4. KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu, những kết luận được đưa ra như sau:
- Với tỉ lệ bùn đỏ từ 40% đến 90% tổng khối lượng nguyên liệu khô và nhiệt độ nung từ
600 o C trở lên, mẫu gạch từ hệ đất sét – bùn đỏ có thể đạt được cường độ chịu nén trên 50
kG/cm 2 và độ bền nước trên 0,75.
- Ở cùng tỉ lệ nguyên liệu sử dụng, cường độ chịu nén tăng lên khi nhiệt độ nung tăng lên.
Cường độ chịu nén của mẫu nung ở nhiệt độ 600 o C và 800 o C gần như tương đương nhau.
Khi tỉ lệ bùn đỏ tăng từ 40% đến 90% thì cường độ mẫu giảm đi. Khi tỉ lệ phụ gia sử dụng
tăng từ 8ml đến 16ml/100g nguyên liệu, thì cường độ chịu nén tăng lên.
- Nhiệt độ nung có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền nước. Ở mẫu chỉ sấy ở 110 o C thì độ bền
nước khoảng 0,4; mẫu nung ở 400 o C, 600 o C và 800 o C có độ bền nước lần lượt là 0,6; 0,8 và
0,9. Độ bền nước của mẫu không thay đổi đáng kể khi tỉ lệ bùn đỏ và tỉ lệ phụ gia thay đổi.
- Khi tỉ lệ phụ gia tăng thì độ hút nước giảm và khi tỉ lệ bùn đỏ tăng thì độ hút nước tăng.
Khi nhiệt độ tạo mẫu dưới 600 o C thì độ hút nước tăng khi nhiệt độ tăng. Độ hút nước giảm
trong khoảng nhiệt độ từ 600 o C đến 800 o C.
- Các kết quả phân tích TEM và phổ hồng ngoại FTIR cho thấy sự hình thành sản phẩm
Geopolymer với cấu trúc là tập hợp của các mảnh thủy tinh vô định hình trong mẫu gạch từ
hệ đất sét – bùn đỏ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Joseph Davidovits, Chemistry of Geopolymeric System Terminology, Géopolymère '99:
Second International Conference, 1999, pp. 9-39.
2.František škvára - Alkali activated materials or geopolymers?, Ceramics − Silikáty
51(2007), pp. 173-177.
3.Nguyen Van Chanh, Bui Dang Trung, Dang Van Tuan, Recent research geopolymer
concrete, The 3rd ACF International Conference, ACF/VCA 2008, pp. 235-241.
4.Muhd Fadhil Nuruddi, Construction of infrastructures for sustainable futures, Seminar
Nasional Aplikasi Teknologi Prasarana Wilayah, 2010.
5.S Perera, M G Blackford, E R Vance, J V Hanna, K S Finnie and C L Nicholson,
Geopolymers for the Immobilization of Radioactive Waste, Scientific Basis for Nuclear Waste
Management XXVIII, Vol. MRS 824 (2004), pp. 607-612.
6.ZhangYunsheng,Sun Wei,Chen Qianli,Chen Lin, Synthesis and heavy metal
immobilization behaviors of slag based Geopolymer, Journal of hazardous materials, 143,
(2007), pp. 206-213.
Abstract
THE POSSIBILITY OF UTILIZING RED MUD FROM BAUXITE ORE IN PRODUCTION
OF BRICKS FROM RED MUD - CLAY SYSTEM AT LOW TEMPERATURE
Red mud from bauxite ore is a by-product of the Bayer process for refining aluminium.
Millions of tons of red mud produce annually and these cause adverse affect on the environment.
This paper aims to study the possibility of utilizing red mud in production of bricks from red
mud - clay system based on Geopolymer technology. Geopolymer technology is based on the
reaction between an alkaline solution and an aluminosilicate source to form a product with
durability and strength. An alkaline activation admixture is added to the red mud - clay system to
accelerate the forming process. The effect of mix proportions and temperature treatment on the
mechanical properties and the structure of the samples is experience by changing the red mud
rate from 40% to 90% of the total weight of the dry materials, the alkaline activation admixture
rate vary from 8ml to 16ml for each 100g solid mixture. Also, the temperature treatment is
generated from the sample with drying process at 110 o C only and the sample with heating
temperature from 400 o C to 800 o C. The result shows that with temperature treatment of 600 o C
and the rates of red mud from 40% to 90% of the total weight of the dry materials, the bricks
from red mud - clay system meet the qualification of having the compressive strength more than
50kG/cm 2 and the water resistance factor more than 0,75.
Keyword: red mud, clay, Geopolymer, bricks.