Ứng dụng công nghệ xử lý nước thải chứa phóng xạ trong khai thác chế biến khoáng sản ở Việt Nam

Thứ Sáu, 01 Tháng Tư 2016 10:08 SA

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm phóng xạ trong ngành khai thác, chế biến khoáng sản mới được nghiên cứu trong khai thác, chế biến quặng titan-zircon. Đối với các khoáng sản mới phát triển như đất hiếm và urani đang được đầu tư nghiên cứu sản xuất ở quy mô thử nghiệm. Dự kiến trong thời gian tới, nhiều dự án khai thác, chế biến đất hiếm và urani sẽ được triển khai.

Do vậy, nhu cầu xử lý các loại chất thải này sẽ càng trở nên cấp thiết.

   Công nghệ chế biến khoáng sản có phát sinh chất thải phóng xạ đặc trưng được đề cập trong bài viết là công nghệ chế biến đất hiếm và urani (U) do chất thải dạng lỏng sinh ra từ quá trình chế biến các loại khoáng sản này có chứa hàm lượng cao các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng độc hại cần phải xử lý.   Công nghệ chế biến khoáng sản có phát sinh chất thải phóng xạ

   Công nghệ chế biến đất hiếm và đặc tính dòng thải lỏng: Quá trình chế biến đất hiếm có sử dụng rất nhiều công nghệ khác nhau tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể. Công nghệ chế biến đất hiếm phổ biến, bao gồm: Thủy luyện tinh quặng đất hiếm và chiết phân chia - tinh chế.

   Công nghệ thủy luyện (CNTL): Thủy luyện tinh quặng đất hiếm để thu được tổng ôxít đất hiếm (TREO). CNTL dùng tác nhân phân hủy là axít sulfuric (H₂SO₄) gọi là “công nghệ axít sulfuric”. CNTL dùng tác nhân phân hủy là NaOH được gọi là “công nghệ kiềm”. Tuy nhiên, do khó khăn về xử lý chất thải nên công nghệ này ít được triển khai trên quy mô lớn.

   CNTL tinh quặng được áp dụng cho mỏ đất hiếm Yên Phú (Văn Yên, Yên Bái) là phương pháp phân hủy tinh quặng đất hiếm bằng axít sulfuric. Sản phẩm phân hủy sau đó được hòa tách với nước ở nhiệt độ thấp. Quá trình thủy luyện tinh quặng qua nhiều công đoạn để thu nhận tổng ôxít đất hiếm, bao gồm các công đoạn: Trung hòa axít để tách loại các tạp chất chủ yếu là sắt, U và thori (Th); khi đó tạp chất và các bã thải không tan sẽ ở dạng chất thải rắn (bùn thải), sản phẩm đất hiếm ở dạng sulfat tan nằm trong dung dịch; dung dịch chứa sulfat đất hiếm được kết tủa oxalat để thu nhận oxalat đất hiếm và đồng thời, các tạp chất tan trong axít được tiếp tục loại bỏ trong giai đoạn kết tủa oxalat. Giai đoạn tiếp theo là nung oxalat đất hiếm để thu nhận tổng oxit đất hiếm sản phẩm. Do vậy, trong thành phần nước thải của chế biến quặng đất hiếm có các loại chất thải có tính độc hại cao như: Chất thải chứa H₂SO₄, chất thải có chứa hạt nhân phóng xạ U, Th và các nguyên tố đất hiếm...

   Công nghệ chiết phân chia - tinh chế: Quy trình công nghệ chiết phân chia - tinh chế gồm các bước: Hòa trộn hỗn hợp REE bằng axít HCl để có HREE (các nguyên tố đất hiếm nhóm nặng); trích ly HREE bằng hóa chất để thu LREE (các nguyên tố đất hiếm nhóm nhẹ); tách từ loại REE, La, Ce, Pr/Nd bằng các quá trình trích ly bằng dung môi riêng biệt; chuyển các REE thu được dưới dạng dung dịch thành dạng ôxít; thu hồi Th, U và các tạp chất; tái sử dụng dung dịch.

   Nguồn phát sinh nước thải từ công đoạn tinh chế chủ yếu từ quá trình xử lý khí thải, công đoạn trung hòa chất thải lỏng, trung hòa dung môi, quá trình xử lý HCl và công đoạn chiết, kết tủa oxalat đất hiếm riêng rẽ. Nước thải từ các công đoạn này thường có tính axít nhẹ (axít clohydric, axít oxalic) và chứa một hàm lượng nhỏ đất hiếm, các chất dung môi, muối NaCl, một số ôxít kim loại nặng (Fe, Cu, Mn…) và đặc biệt, có thể có Th và U dưới dạng các ôxít. Tổng lượng nước thải từ các quá trình sản xuất nêu trên thường khá lớn, có thể lên tới hơn trăm nghìn tấn/năm. Phần lớn, nước thải sản xuất sẽ được tuần hoàn tái sử dụng, tuy nhiên, cũng có một lượng nước thải sản xuất được thải ra môi trường cần phải xử lý, đặc biệt đối với các thông số về pH, kim loại nặng và tổng hoạt độ phóng xạ α, tổng hoạt độ phóng xạ β.

   Công nghệ chế biến urani và đặc tính dòng thải lỏng

   Công nghệ xử lý quặng uranium gồm nhiều công đoạn, trong đó công đoạn chính là chuẩn bị quặng (tuyển, đập, nghiền, nghiền chọn lọc và phân loại); hòa tách quặng đã nghiền; phân chia các pha rắn lỏng; tách chọn lọc urani từ dung dịch hòa tách dưới dạng hợp chất này hay hợp chất khác, với độ sạch kỹ thuật cần thiết (để tách U từ dung dịch hòa tách có thể sử dụng nhiều phương pháp, hoặc kết hợp giữa các phương pháp như trao đổi ion trong dung dịch, trao đổi ion trong bùn quặng; chiết dung môi, kết tủa trực tiếp từ dung dịch hòa tách)… Tùy từng loại quặng cụ thể mà có thể trải qua toàn bộ hay một số công đoạn trên.

   Trong quá trình thủy luyện quặng để thu hồi U theo phương pháp hòa tách đống tạo ra chất thải rắn và lỏng có hoạt độ phóng xạ thấp và lượng thải lớn. Khi hòa tách quặng U bằng cacbonat, lượng thải lỏng có thể lên tới 1 tấn/1 tấn quặng. Thải lỏng từ thủy luyện quặng U rất độc hại, do chứa các chất phóng xạ như 226 Ra; 230 Th; 210 Po, 227Ac, Pb, Fe…Về mặt phóng xạ, trong chất thải rắn và lỏng của quá trình thủy luyện quặng U đều có chứa một lượng đồng vị phóng xạ cao hơn tiêu chuẩn an toàn bức xạ. Ngoài thành phần phóng xạ, trong thành phần thải lỏng còn chứa một số chất với nồng độ lớn như H₂SO₄, sulphat, F, Cl, cacbonat, nitrat của các kim loại, muối amoni, Ca, Na… Có thể còn chứa các cation như Fe, Cu, Va, Mo, As, Pb, một số hợp chất của U. Độ độc hại càng lớn khi thải lỏng có chứa dung dịch thải sau quá trình chiết, trong đó có thể chứa alkylamin, TBP, amin, kerosen, rượu. Khi hòa tách quặng bằng H₂SO₄, khoảng 99,3 - 99,6% Ra và khoảng 20% Th không hòa tan và nằm lại trong bã hòa tách. Khi hòa tách bằng cacbonat, khoảng 1,5 - 2,2% Ra trong quặng đầu bị hòa tan. Trong trường hợp này tạo ra nồng độ phóng xạ của 226 Ra trong nước thải lên tới 3,5.10-8 pCi/L và 230 Th là 22.10-6 pCi/L.

   Nghiên cứu xử lý nước thải chứa phóng xạ

   Để xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng, một số phương pháp xử lý thường được áp dụng bao gồm: Trao đổi ion/hấp phụ, kết tủa, bay hơi, thẩm thấu ngược, siêu lọc, vi lọc, keo tụ, tách chiết bằng dung môi… Trong đó, công nghệ hấp phụ/trao đổi ion đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Ngoài sử dụng nhựa trao đổi ion, một số nghiên cứu trong nước và trên thế giới đã tập trung nghiên cứu loại vật liệu và nâng cao hiệu suất trao đổi ion của các vật liệu có nguồn gốc từ vật liệu khoáng tự nhiên.

   Các hợp chất khoáng tự nhiên như bentonit, kaolin, illinit, zeolit, laterit và apatit… đều có tính hấp phụ, do vậy, chúng thường được lựa chọn làm vật liệu hấp phụ/trao đổi ion. Trong đó, khoáng bentonit và zeolit tự nhiên được sử dụng khá rộng rãi. Gần đây, khoáng laterit và apatit tự nhiên cũng được một số nước trên thế giới nghiên cứu, áp dụng và cũng cho kết quả khả quan trong xử lý chất phóng xạ. Đối với từng loại khoáng tự nhiên, tùy cấu trúc của chúng mà khả năng hấp phụ các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng sẽ khác nhau.

   Như vậy có thể thấy, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu khoáng tự nhiên để chế tạo vật liệu ứng dụng trong xử lý các chất ô nhiễm nói chung và các chất phóng xạ nói riêng với giá thành hợp lý là hướng đi cần được ưu tiên, phát triển. Ở Việt Nam, các nguồn khoáng tự nhiên nói trên đều rất phong phú. Hiện nay, đã phát hiện được trên 20 mỏ và điểm mỏ bentonit tại Bình Thuận, Lâm Đồng, Thanh Hóa, Thừa Thiên-Huế. Nguồn nguyên liệu khoáng apatit trong nước cũng dồi dào với trữ lượng khoảng trên 800 triệu tấn, phân bố chủ yếu ở Lào Cai. Khoáng laterit sắt hay laterit đá ong cũng rất phổ biến từ khu vực phía Nam (vùng Tây Nguyên) tới khu vực phía Bắc (Hà Nội, Phú Thọ, Thái Nguyên, Hà Giang…). Với nguồn nguyên liệu khoáng tự nhiên dồi dào, việc lựa chọn các khoáng phù hợp làm chất hấp phụ các nguyên tố phóng xạ và kim loại nặng sẽ góp phần sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, thúc đẩy phát triển kinh tế và BVMT ngành khai thác và chế biến khoáng sản của đất nước.

   Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim đã hợp tác cùng Viện Công nghệ Xạ hiếm (Bộ Khoa học và Công nghệ) đang triển khai nghiên cứu, chế tạo vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ 4 loại khoáng tự nhiên (apatit, laterit, zeolit và bentonit) để xử lý các nguyên tố phóng xạ như Th, U, Ra và các kim loại nặng có trong chất thải lỏng từ quá trình khai thác, chế biến quặng phóng xạ. Nghiên cứu này nằm trong khuôn khổ Chương trình của “Đề án Phát triển ngành công nghiệp môi trường Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt vào năm 2009.

   Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy, các khoáng tự nhiên như apatit, laterit, zeolit và bentonit đều có khả năng hấp phụ các nguyên tố phóng xạ U, Th và một số kim loại nặng. Trong số 4 loại vật liệu khoáng tự nhiên được lựa chọn nghiên cứu thì khoáng bentonit có khả năng hấp phụ các chất phóng xạ và kim loại nặng tốt nhất. Do vậy, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn khoáng bentonit làm vật liệu nền để tiếp tục gia công, nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ chất phóng xạ.

TS. Nguyễn Thúy Lan,

KS. Đinh Văn Tôn,

CN. Nguyễn Tiến Dần

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim (Bộ Công Thương)

• QCVN 61-MT:2016/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về lò đốt chất thải rắn sinh hoạt (23/03/2016)
• Các nước ASEAN bảo vệ đa dạng sinh học vì sự phát triển bền vững (03/03/2016)
• TT 12/2016/TT-BTC Sửa đổi, bổ sung khoản 1 Điều 7 TT 152/2015/TT-BTC hướng dẫn về thuế tài nguyên (03/03/2016)
• Thông tư liên tịch 58/2015/TTLT-BYT-BTNMT Quy định về quản lý chất thải y tế (03/03/2016)
• Nghị định số 45/2013/NĐ-CP Quy định một số điều của Bộ Luật lao động (03/03/2016)