Ứng dụng rào chắn địa hóa để xử lý nước thải công nghiệp từ kim loại màu

38 KHCNM SỐ 1/2020 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Tóm tắt:
Bài báo giới thiệu khả năng sử dụng rào chắn địa hóa nhân tạo với các khoáng chất và chất thải 
quặng quặng đồng-niken của mỏ quặng Pechenga vùng Murmansk.
ỨNG DỤNG RÀO CHẮN ĐỊA HÓA ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 
CÔNG NGHIỆP TỪ KIM LOẠI MÀU
Tác giả: Julia Bajurova, Dmitriy Makarov 
Russian Journal of Inorganic Chemistry
Người dịch: ThS. Nguyễn Thị Thùy Linh
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin
Biên tập: ThS. Phạm Chân Chính
1. Giới thiệu
Khai thác mỏ và quá trình tuyển tại các nhà 
máy tuyển tạo ra nguồn gây ô nhiễm lớn. Quá 
trình sản xuất và tuyển quặng đã chiết tách và xử 
lý khối lượng đá thải rất lớn. Không quá 2% đá 
thải được sử dụng trong quá trình sản xuất, phần 
còn lại được lưu trong bọt tuyển nổi và bãi quặng 
đuôi. Theo báo cáo của các doanh nghiệp hoạt 
động trong vùng Murmansk, các chất thải của 
ngành công nghiệp khai thác mỏ (quặng đuôi, 
đá thải...) chiếm hơn 99% của các chất thải công 
nghiệp và tiêu dùng trong khu vực. 
Những khu vực lưu trữ chất thải khai thác mỏ 
có thể được phòng ngừa ô nhiễm bằng cách sử 
dụng rào chắn địa hóa. Trong những thập kỷ gần 
đây, các rào chắn địa hóa đã được sử dụng tích 
cực cho cả mục đích công nghệ và môi trường.
Ngoài việc sử dụng các rào chắn địa hóa 
nhân tạo để lọc kim loại nặng, chất phóng xạ và 
các sản phẩm dầu từ nước tự nhiên, chúng có 
thể được sử dụng để:
- Tái chiết tách các thành phần có giá trị từ 
các nguyên liệu tự nhiên và vật liệu kỹ thuật sử 
dụng lý hóa địa kỹ thuật.
- Chống thấm các bãi thải quặng đuôi và bãi 
bùn, chất lắng, các bể chứa bùn...
- Gia cố đất xây dựng.
Rào chắn địa hóa có thể được sử dụng để 
giải quyết các vấn đề khác nhau:
- Bố trí các rào chắn chống lọc.
- Các giải pháp lọc thông qua các rào chắn 
của các chất ô nhiễm lắng đọng.
- Thêm một giải pháp vật liệu rào cản (trong 
nước tự nhiên, thải quặng đuôi, chất lắng...)
Vật liệu nhân tạo cho rào chắn địa hóa có thể 
là:
- Các chất thải khác nhau trong ngành công 
nghiệp (đá phủ, thải quặng đuôi) có chứa thành 
phần hóa học có ích.
- Hỗn hợp phản ứng hoặc biến đổi của các 
khoáng chất.
- Các sản phẩm và chất thải của các chất hóa 
học phức tạp và quá trình luyện kim của quặng 
và tinh quặng.
Các khoáng chất tác nhân hóa học 
như Serpophite Mg 5Fe(OH)8[Si4O10], 
talc Mg2.5Fe0,5(OH)2[Si4O10] và biotite 
KMgFe2(OH)2[AlSi3O10] có thể được sử dụng 
như một nguyên liệu để tạo ra rào cản địa hóa. 
Các khoáng chất này có thể được tìm thấy trong 
quặng đuôi Cu-Ni từ mỏ quặng Pechenga. Việc 
áp dụng các chất thải khai khác mỏ và tuyển tại 
địa phương sẽ giảm chi phí xử lý các chất thải 
ô nhiễm.
2. Các vật liệu và phương pháp
Các tác giả đã thực hiện các thí nghiệm 
về hấp phụ của Ni bằng khoáng chất trong tự 
nhiên có chứa Mg hydrosilicat: Serpophite Mg-
5Fe(OH)8[Si4O10], talc Mg2.5Fe0,5(OH)2[Si4O10] 
và biotite KMgFe2(OH)2[AlSi3O10] đơn chất của 
serpophite và talc từ núi Pilgujarvi của vùng 
Pechega sa khoáng đã được sử dụng trong 
các thí nghiệm, cùng với một phần biotit từ gốm 
mạch pegmatit của trầm tích vùng Kuruvaara, 
bán đảo Kola. Đơn chất của khoáng vật được 
nghiền xuống kích thước dưới 1mm. Trong các 
thí nghiệm tĩnh của khoáng vật thêm dung dịch 
chứa Ni theo tỷ lệ 1, 5, 10, 20, 40g/l. Phản ứng 
của dung dịch và khoáng chất đã được nghiên 
cứu bằng việc khuấy liên tục trong 3 giờ. Độ 
PH của dung dịch được kiểm tra mỗi 5-10 phút. 
Nồng độ của dung dịch niken sulfat tương ứng 
với 0,1N trong các thí nghiệm. Sau đó pha loãng 
được phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử 
(K vant – 2 AFA), các pha rắn được nghiên cứu 
bằng nhiễm xạ tia X (XRD).
Ngoài ra các thí nghiệm về hấp thụ của các 
kim loại nặng bằng các chất thải đồng – niken 
kết hạt từ Pechenganikel được sử dụng kết hợp. 
60% chất thải bao gồm serpentin, chlorit và talc. 
 KHCNM SỐ 1/2020 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG 39
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Các chất thải được đặt xuống đất với kích thước 
-0,063mm. Sự kết hạt đã được tiến hành sử 
dụng như là chất dính lignosulfonat, đường kính 
hạt là 0,5cm. Các hạt được gia nhiệt trong 2 giờ 
ở nhiệt độ 650oC và 700oC. Cường độ nén của 
các hạt thu được là 2,19 (650oC) và 1,92 (700oC) 
Mpa. Việc hấp thụ các ion niken, đồng và sắt 
được nghiên cứu trong điều kiện động. 
Đối với các thí nghiệm động, 150g hạt được 
đưa vào cột chiều cao 0,2m và độ ẩm dung dịch 
chứa sulfat 0,1g/l Ni2+, 0,05g/l Cu2+ và 0,1g/l 
Fe2+. Giá trị Eh và Ph của dung dịch là 3,84 và 
199mV. Các thí nghiệm kéo dài trong 30 ngày. 
Hàm lượng chứa khoáng chất trong dung dịch 
là 75ml/ngày. Cấp liệu dung dịch được cấp trong 
khoảng 15ml mỗi 2 tiếng trong vòng 8 tiếng.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Tương tác các khoáng chất với dung 
dịch niken sulfat 
Pha rắn có màu xanh lá cây tươi sau phản 
ứng với dung dịch. Số lượng lớn các vật liệu 
mịn phân tán trong đó. Các đồ thị trong hình 1 
thể hiện độ pH giảm, có lẽ do sự hình thành các 
chất rắn trên bề mặt các vật liệu khi dừng phản 
ứng, và tốc độ của nó được kiểm soát bằng cách 
khuyếch tán dung dịch thông qua màng lọc lớn 
dần. Nếu mức độ khuyếch tán thấp hơn mức 
thủy phân của muối hòa tan thì độ pH của dung 
dịch giảm. Trong quá trình tương tác của dung 
dịch niken sulfat với các khoáng chất secpentinit 
có sự trao đổi ion giữa các pha rắn và pha lỏng 
và trạng thái cân bằng được thiết lập giữa chúng. 
Hệ số phân bố của niken và magie trong pha 
rắn và trong dung dịch được dựa trên độ pH của 
dung dịch.
Trong các dung dịch ban đầu có độ axit 
cao (pH=1÷3) các phản ứng trao đổi Mg-Ni kết 
hợp với các phản ứng Mg-2H hoặc Mg-2H3O. 
Các lớp montmorillonite như (saponite) trong 
serpentine thúc đẩy sự hình thành saponit chứa 
niken (pimelites Ni3Si4O10(OH)2.4H2O).
Niken có trong khoáng vật do phản ứng trao 
đổi của 2K-Ni, Mg-Ni và ở mức độ thấp hơn 
của phản ứng Fe-Ni. Niken có thể được gắn 
vào trong các lớp bát diện và có thể hoạt động 
như một cation lớp trung gian. Cấu trúc của lớp 
tứ diện vẫn không thay đổi. Trong trường hợp 
biotite không có sự phụ thuộc vào hệ só của 
niken và magie phân bố trong pha rắn và dung 
dịch từ giá trị độ pH. Có lẽ, điều này là do sự hiện 
diện của các cation khác – kali và đến mức độ 
thấp hơn sắt trong dung dịch và trong pha rắn.
Sự tương tác của các dung dịch niken sulfat 
với talc có thể được giảm xuống để trao đổi các 
quá trình của loại Mg-Ni và các kết quả trong 
sự hình thành của Ni3Si4O10(OH)2. Có sự tương 
quan giữa hệ số phân phối niken và magiê và 
giá trị pH. Ở các giá trị pH cao hơn, nồng độ 
ion nickel đang giảm và nồng độ các muối magiê 
tăng lên.
Các tác giả đã nghiên cứu cơ chế thay thế Mg-
Ni bằng các chất serpophite, talc và biotit bằng 
phương pháp nhiễu xạ tia X. Các mẫu nhiễu xạ 
được ghi lại với tốc độ quét là 0.5 độ/phút ở góc 
độ 2θ từ 6° đến 60° đối với talc, từ 4° đến 40° đối 
với serpophite, từ 6° đến 46° đối với biotite.
Các mẫu nhiễu xạ tia X Talc cho thấy sự thay 
đổi của lưới tinh thể, thể hiện bản thân trong việc 
tăng cường các phản xạ bazơ không đối xứng 
006 và 0010 (Bảng 1).
Các mẫu nhiễu xạ tia X của Serpophite đã ghi 
lại sự xuất hiện của các lớp montmorillonit, thay 
đổi với các lớp serpentinite một cách ngẫu nhiên. 
Không tìm thấy các đường đặc tính của các lớp 
silicat lớp khác. Sau đấy cho thấy không có pha 
vô định hình trong mẫu. Sự xuất hiện các lớp 
montmorillonit luân phiên với các lớp serpentine 
một cách ngẫu nhiên sẽ mở rộng phản xạ, làm 
Hình 1: Sự phụ thuộc độ PH của dung dịch đến thời gian tương tác dung dịch NiSO4 nồng độ 0,1N, 
các khoáng chất (cấp hạt -0,1mm) a-serpophite; b-biotite; c-talc
1- Không axit hóa (hàm lượng chứa khoáng chất 5g/l); 2- hàm lượng chứa khoáng chất 1g/l; 3- hàm lượng 
chứa khoáng chất 5g/l; 4- hàm lượng chứa khoáng chất 10g/l; 5- hàm lượng chứa khoáng chất 20g/l; 6- hàm 
lượng chứa khoáng chất 40g/l.
40 KHCNM SỐ 1/2020 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
giảm cường độ phản xạ 001, và tăng hệ số lệch 
phản xạ 001 và 002 (Bảng 2). Chúng ta giả sử 
rằng một số cấu trúc sắp xếp thứ tự được quan 
sát thấy trong thực hiện thuốc thử ở mức tiêu thụ 
cao. Tuy nhiên, ở tỷ lệ thuốc thử/dung dịch thấp 
hơn vai trò của các lớp montmorillonit tăng lên 
một lần nữa (Makarov và cộng sự, 2005).
Trên mô hình nhiễu xạ tia X của biotit, sau 
khi xử lý bằng dung dịch niken sulfat thay đổi 
đáng kể ánh sáng phản xạ. Với dung dịch chứa 
hàm lượng các khoáng chất cao, ánh sáng phản 
xạ trở nên hẹp hơn và cao hơn, cao hơn cho 
thấy hoàn thiện về cấu trúc khoáng sản. Dung 
dịch chứa hàm lượng khoáng sản ở mức trung 
bình, các phản xạ trở nên thấp hơn và rộng hơn. 
Cường độ phản xạ I003/I001 giảm đi ở dung 
dịch chứa hàm lượng khoáng sản cao và tăng 
lên ở dung dịch chứa hàm lượng khoáng sản 
tương đối thấp tới những khoáng sản ban đầu. 
Các tỷ lệ cường độ I002/I001 và I004/I001 trong 
tất cả các mẫu xử lý là cao hơn (trong bảng 3), 
trong khi phản xạ không đối xứng thấp hơn so 
Bảng 1. Các thông số ánh sáng phản xạ của talc trước và sau phản ứng với dung dịch 
niken sulfat nồng độ 0,05N (Không axit hóa; 2- với axit hóa)
Thông số
Mẫu thử
Nguyên 1 2
H/b006 19,38 10,92 12,87
H/b0010 2,58 1,01 1,28
H/b0012 1,00 0,56 0,96
I006/I0010 19,375 16,620 13,353
I0012/I0010 0,625 0,647 0,662
A006 0,818 1,467 1,571
A0010 0,950 1,182 1,250
A0012 1,000 0,867 0,846
 Bảng 2. Các thông số ánh sáng phản xạ của serpophite trước và sau phản ứng với dung dịch niken sulfat
(nồng độ 0,05N (hàm lượng của serpophite: 1-15g/l; 2-10g/l; 3-6g/l; 4-2g/l
Thông số
Mẫu thử
Nguyên 1 2 3 4
H/b001 5,95 8,00 7,09 6,02 6,33
H/b002 6,06 7,75 5,92 6,08 5,49
H/b003 0,88 1,69 1,83 1,21 1,40
I001/I002 0,848 0,862 0,902 0,830 0,812
I003/I002 0,051 0,066 0,072 0,066 0,080
A001 0,39 0,52 0,42 0,38 0,33
A002 1,421 1,5 1,31 1,32 1,38
 Bảng 3. Các thông số ánh sáng phản xạ của biotite trước và sau phản ứng với dung dịch niken sulfat nồng
(độ 0,05N (hàm lượng của serpophite: 1-22,46g/l; 2-13,48g/l; 3-4,5g/l; 4-2,25g/l
Thông số
Mẫu thử
Nguyên 1 2 3 4
H/b001 6,19 8,57 7,88 4,76 3,23
H/b002 0,64 2,00 1,50 1,36 0,90
H/b003 8,79 9,49 9,25 8,63 7,23
I002/I001 0,042 0,055 0,058 0,063 0,065
I003/I001 1,53 1,14 1,28 1,57 2,08
I004/I001 0,28 0,30 0,315 0,34 0,302
A001 3,15 1,79 1,75 1,89 1,96
A002 2,44 1,00 1,22 2,67 1,49
 KHCNM SỐ 1/2020 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG 41
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
với khoáng sản ban đầu (Makarov và cộng sự, 
2008).
Các nghiên cứu nhiễm xạ tia X đã không khám 
phá bất kỳ pha khoáng sản mới nào. Phương 
pháp quang học cũng không thể khám phá ra.
Trong các điều kiện tĩnh, các phần khoáng 
chất có kích thước -0,1 mm với tỷ lệ khoáng sản/
dung dịch khác nhau được sử dụng cho lắng 
đọng niken từ dung dịch. Nồng độ Ni2+ ban đầu 
trong dung dịch là 2,93 g/l, thời gian phản ứng -3 
giờ. Việc phục hồi niken tăng lên cùng với sự gia 
tăng hàm lượng của khoáng sản.
4. Tương tác hoạt nhiệt các quặng đuôi 
thải với dung dịch sunfat có chứa niken, 
đồng và sắt
Trong quá trình lọc dung dịch sunfat đa thành 
phần có chứa 0,1g/l Ni2+, 0,05g/l Cu2+ và 0,1g/l 
Fe2+, thông qua các quặng đuôi thải đồng-niken 
kết hạt, chiết tách các ion sắt cho hàng chắn số 
1 (quặng đuôi thải đồng-niken được gia nhiệt ở 
650oC) và hàng chắn số 2 (quặng đuôi thải đồng-
niken được gia nhiệt ở 700oC) sau 30 ngày là 
85,2% và 93,2%, ion đồng 74,4% và 65,2, ion 
niken 53,7% và 63,3% tương ứng (Hình 2). Giá 
trị pH tăng lên khi bắt đầu thí nghiệm, sau đó có 
sự giảm và giá trị ổn định ở 4,43-4,67 (Hình 3).
5. Kết luận
Khi khoáng chất tương tác với dung dịch 
sunfat niken giá trị pH tăng lên cùng với sự tăng 
hàm lượng của khoáng chất, đáng kể khi thêm 
chất serpophite. Các mô hình nhiễu xạ của các 
khoáng chất cho thấy một sự thay đổi đáng kể 
của lưới tinh thể chính nó thể hiện trong việc 
mở rộng và tăng cường sự không đối xứng của 
ánh sáng phản xạ. Sự tương tác của các dung 
dịch niken sunfat ở pH=1÷3 với các khoáng chất 
serpentine dẫn đến sự hình thành pimelites 
(Ni3Si4O10(OH)2.4H2O) và khi độ axit của 
dung dịch ít khoáng chất của loại garnierness 
Ni6Si4O10(OH)8 được hình thành. Sự tương tác 
của dung dịch niken sulphat với talc dẫn đến sự 
hình thành của các villemseite (Ni-3Si4O10(OH)2). 
Trong quá trình tương tác của dung dịch niken 
sunfat với biotit hình thành các khoáng chất của 
loại pimelit (Ni3Si4O10(OH)2.4H2O) được quan sát 
thấy. Sự tương tác của các dung dịch sunfat kim 
loại màu với các khoáng chất này dẫn đến sự 
lắng đọng của chúng như là kết quả của sự thay 
thế đồng hình của đồng hóa trị. Chiết tách niken 
tăng với tỷ lệ tăng khoáng chất tự nhiên/dung 
dịch.
Các tác giả đã đạt được sự giảm đáng kể 
Bảng 4. Nồng độ niken sau tương tác với các khoáng chất
Hàm lượng chứa khoáng chất g/l 1 5 10 20 40
Talc 
Nồng độ Ni, g/l 2,48 2,24 2,35 2,52 2,10
Chiết tách % 15,36 23,55 19,80 13,99 28,33
Serpophite
Nồng độ Ni, g/l 2,44 2,50 2,25 2,18 1,94
Chiết tách % 16,72 14,68 23,21 25,60 33,79
Biotite 
Nồng độ Ni, g/l 2,52 2,35 2,37 2,21 1,88
Chiết tách % 13,99 19,80 19,11 24,57 35,84
Hình 2: Nồng độ còn lại của các ion sắt (1); đồng (2); niken (3) trong dung dịch
sau lọc thông qua rào chắn số 1 (a) và rào chắn số 2 (b)
42 KHCNM SỐ 1/2020 * CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
nồng độ ion Ni2+, Cu2+ và Fe2+ khi các quặng đuôi 
thải kết hạt của đồng-nickel được gia nhiệt được 
sử dụng làm chất hấp thụ. Sự hấp thụ các ion 
Ni2+ và Fe2+ hoạt động mạnh hơn trong rào 
chắn số 2, bao gồm quặng đuôi thải kết hạt của 
đồng-nickel được gia nhiệt ở 700oC. Sự hấp thụ 
của ion Cu2+ hoạt động mạnh hơn trong rào chắn 
số 1, bao gồm quặng đuôi thải kết hạt của đồng-
nickel được gia nhiệt ở 650oC. Điều này có thể 
được giải thích bởi thực tế là sự vô định hình của 
khoáng chất serpentine sau khi giải phóng thành 
phần nước đã không hoàn thành trong quặng 
đuôi thải đồng-niken ở 650oC.
Tài liệu tham khảo:
1. Perelman, A I., Geochemistry. Moscow, 
Russia. 1989; pp. 528. 
2. Makarov, V N; Makarov, D V; Vasilyeva, 
T N; Kremenetskaya, I P., Interaction of 
natural serpentines with dilute sulfate solutions 
containing nickel ions. Russian Journal of 
Inorganic Chemistry. 2005, vol. 50, №. 9, pp. 
1315-1325. 
3. Makarov, V N; Kremenetskaya, I P; 
Makarov, D V; Korytnaya, O P; Vasilyeva, T N., 
Interaction of micas with nickel sulfate solutions. 
Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2008, 
vol. 53, №.1, pp. 11–21.
Hình 3: Sự thay đổi giá trị PH (a) và Eh (b) dung dịch niken sulfat, đồng, và sắt sau lọc thông qua gia nhiệt 
các quặng đuôi thải đồng-niken 
(1- rào chắn số 1 được gia nhiệt ở 650oC; 2- rào chắn số 2 được gia nhiệt ở 700oC)
Application of geochemical barrier for the industrial wastewater treatment 
from non-ferrous metal
Author: Julia Bajurova, Dmitriy Makarov, Russian Journal of Inorganic Chemistry
Translator: MSc. Nguyen Thi Thuy Linh, 
Vinacomin – Institute of Mining Science and Technology
Abstract: 
The article introduces the possibility of using artificial geochemical barriers with minerals and 
copper-nickel ore wastes from Pechenga ore mine in Murmansk.