Có nhiều trong vỏ trái đất, giá thành rẻ, lại nhẹ và chống ăn mòn, nhôm là nguyên liệu quen thuộc để sản xuất đủ loại sản phẩm, từ giấy bạc nhà bếp, lon nước giải khát cho đến ô tô điện Tesla hoặc máy bay. Nhưng thứ kim loại màu bạc này cũng có mặt tối: bùn đỏ.
Thứ bùn màu đỏ nâu này – một hỗn hợp xút gồm các oxit giàu kim loại và silic, thường chứa một ít nguyên tố phóng xạ và đất hiếm – là những gì còn lại sau khi nhôm được chiết xuất từ quặng. Bùn đỏ đang ngày càng dồn tụ lại. Trên toàn cầu, khoảng 3 tỷ tấn bùn đỏ hiện đang được lưu trữ trong các hồ chứa chất thải khổng lồ hoặc được sấy và chất thành gò khiến nó trở thành một trong những chất thải công nghiệp nhiều bậc nhất hành tinh. Mỗi năm, các nhà máy nhôm tạo ra 150 triệu tấn bùn đỏ.
Bùn đỏ đang chật vật tìm chỗ chứa. Năm 2010, một con đập bằng đất tại hồ bùn thải ở Hungary bị vỡ, tạo ra một bức tường bùn đỏ cao 2 mét chôn vùi thị trấn Ajka, lấy đi mạng sống của 10 người và làm 150 người bị bỏng hóa chất nặng.
Ngay cả khi bùn đỏ trong hồ chứa, độ kiềm cực cao của nó vẫn có thể bị rò rỉ ra ngoài, làm nhiễm độc nước ngầm và làm ô nhiễm các con sông và hệ sinh thái gần đó.
Nghĩa vụ pháp lý cùng áp lực pháp luật ngày càng tăng đối với ngành chế biến nhôm theo hướng phát triển bền vững đã thúc đẩy toàn cầu tìm cách tái chế, sử dụng bùn đỏ. Một số nhà nghiên cứu đang phát triển phương pháp chiết xuất các kim loại đất hiếm có giá trị hoặc biến bùn thành xi măng hay gạch.
Kỹ sư cơ khí Yiannis Pontikes thuộc Đại học KU Leuven nói: “Hy vọng là có”. Nhưng rào cản là hiệu quả về mặt kinh tế và tiếp thị, và “không còn nhiều thời gian” khi các nhà quản lý xem xét các biện pháp kiểm soát mới. “Đến một lúc nào đó, chúng ta sẽ không còn chỗ cho chất thải. Vì vậy, cần phải có những thay đổi cấp thiết”, kỹ sư luyện kim Efthymios Balomenos thuộc Đại học Kỹ thuật Quốc gia Athens nhấn mạnh.
Nhôm là một trong những vật liệu tái chế phổ biến nhất với 75% tổng lượng nhôm sản xuất ra vẫn được sử dụng. Nhưng nhu cầu nhôm ngày càng tăng. Sản xuất nhôm bắt đầu bằng khai thác bauxit, tiếp đó là chiết xuất nhôm bằng việc kết hợp nhiều phương pháp xử lý, bao gồm hóa chất xút, nhiệt và điện. Thứ còn lại thường có màu đỏ do sắt nhưng cấu tạo chính xác của bùn sẽ khác nhau giữa các vùng, tùy vào quặng nên càng khó xử lý.
Brajendra Mishra, nhà khoa học vật liệu thuộc Viện nghiên cứu Bách khoa Worcester cho biết: “Thành phần của bùn đỏ đa dạng đến mức nếu áp dụng cùng một giải pháp xử lý thì sẽ không hiệu quả”.
Một cách tiếp cận có vẻ hiệu quả là khai thác scandium (một kim loại đất hiếm được sử dụng để tăng cường hợp kim kim loại) từ bùn đỏ. Các nhà nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng hợp kim nhôm-scandium bền hơn nhôm nguyên chất tới 40% khiến các nhà sản xuất để mắt đến hợp kim, chẳng hạn các nhà sản xuất máy bay có thể sử dụng hợp kim này để chế tạo máy bay có khung nhôm nhẹ hơn và tốn ít nhiên liệu hơn. Scandium hiện có giá 3.500 đô la/kg, vì vậy họ có nhiều động lực để tìm các nguồn mới rẻ hơn.
Các nhà khoa học đưa ra nhiều cách để tinh chế scandium từ bùn đỏ. Ví dụ, nhóm của Balomenos sử dụng cả axit sulfuric và các hợp chất được gọi là chất lỏng ion để chiết xuất đất hiếm.
Tối đa, bùn đỏ có thể đáp ứng 10% nhu cầu scandium của châu Âu, theo Balomenos.
Rusal – một trong những nhà sản xuất nhôm lớn nhất thế giới đang xây dựng một nhà máy thí điểm sử dụng các phương pháp liên quan để chiết xuất scandium từ bùn đỏ tại một trong những tổ hợp đặt tại dãy núi Ural ở Nga. Nhưng Pontikes lưu ý scandium chỉ chiếm khoảng 0,001% bùn đỏ, vì vậy vẫn còn lại “99,99% bùn thải”.
Các cách tiếp cận khác nhằm mục đích sử dụng nhiều bùn thải hơn là khai thác bùn đỏ (thường chứa từ 40% đến 70% oxit sắt) để tạo ra xi măng giàu sắt. Thế giới tiêu thụ hơn 4 tỷ tấn xi măng mỗi năm, chủ yếu để sản xuất bê tông. Phiên bản phổ biến nhất là xi măng Portland được làm từ silicat canxi phản ứng với nước để tạo ra khuôn cứng và bền.
Năm 2015, các nhà nghiên cứu New Zealand thêm một loại phụ gia xi măng phổ biến gọi là muội silic vào bùn đỏ, cùng với một lượng sắt không đáng kể và tạo ra một loại xi măng có độ bền tương đương với xi măng Portland. Nhóm của Pontikes đang làm việc để nhân rộng những phát hiện này bằng cách phát triển những công thức cho phép nhà sản xuất chế tạo xi măng từ nhiều loại bùn đỏ với nồng độ sắt khác nhau.
Nhóm nghiên cứu hy vọng bùn đỏ có thể trở thành nguồn cung cấp sắt bổ sung vào xi măng cũng như các hợp chất kiềm cần thiết để xúc tác phản ứng đông cứng.
Trong khi đó, phòng thí nghiệm của Pontikes sản xuất khoảng 1.000 kg xi măng giàu sắt mỗi ngày và thậm chí đã sử dụng sản phẩm này trong các dự án trình diễn, chẳng hạn như cầu thang nặng 2 tấn được làm bằng bê tông siêu cường lực. Pontikes tự tin: “Đây không còn là một nỗ lực ở quy mô phòng thí nghiệm nữa” và bắt đầu thảo luận với các công ty về việc sản xuất xi măng ở quy mô công nghiệp.
Bùn đỏ có thể tạo thành nền tảng cho các vật liệu xây dựng khác. Nhóm của Pontikes phát hiện ra rằng nếu thêm khoảng 10% đất sét và khoáng chất silicat vào bùn đỏ rồi nung trong lò thì có thể tạo ra những viên gạch có thể chịu được áp suất 80 MPA – gấp 40 lần gạch thông thường. Hiện nhóm đang tìm cách mở rộng quy mô cho kỹ thuật này với tiềm năng có thể sản xuất mọi thứ, từ ngói lợp cho đến gạch lát vỉa hè.
Do tính chất hóa học, bùn đỏ cũng có thể thu giữ và nhốt CO2. Tại Úc, công ty sản xuất nhôm Alcoa trộn bong bóng khí CO2 vào bùn đỏ, tạo ra một axit lành tính phản ứng với chất thải có tính kiềm tạo thành khoáng chất cacbonat biến bùn đỏ thành cát đỏ để san nền đường. Alcoa ước tính bùn đỏ từ mỗi nhà máy sản xuất nhôm có thể nhốt 70.000 tấn CO2/năm, tương đương với khí thải của 15.000 xe ô tô…
Balomenos cho rằng những bước tiến vụt sáng này có thể không hiệu quả, giống như những hy vọng trước đó. Kể từ năm 1964, các nhà nghiên cứu đã được cấp bằng sáng chế cho khoảng 700 cách sử dụng bùn đỏ, bao gồm làm đồ gốm trang trí, thuốc nhuộm và thậm chí cả phân bón. Tuy nhiên, cho đến nay chỉ 3% bùn đỏ được tái chế.
Lý do chính là nhiều kế hoạch hướng tới sử dụng bùn đỏ để làm ra các mặt hàng vốn rất rẻ và được sản xuất bằng những phương pháp đã được tối ưu hóa trong hơn một thế kỷ qua. Ngoài ra, bùn đỏ không dễ xử lý. Ví dụ, ngành luyện kim không chiết xuất kim loại từ bùn đỏ vì phế thải chứa xút phá hủy các thành phần quan trọng trong lò luyện. Mishra nói: “Ngành có sẵn quặng sắt với chất lượng tốt hơn nhiều”.
Balomenos cho rằng các quốc gia có thể thúc đẩy tiến độ bằng cách đặt ra quy định không bùn thải đối với những nhà sản xuất nhôm hoặc có biện pháp khuyến khích khác buộc các công ty phải tái chế bùn đỏ thay vì để chất thành đống. Ví dụ, Liên minh châu Âu đã xem xét đánh thuế đối với chất thải đưa tại các bãi chôn lấp nhưng rồi không thực hiện và dường như không mấy nơi có mong muốn thực hiện những ý tưởng tương tự.
Cũng theo Balomenos, một trở ngại khác là quốc tế vẫn phản đối việc cho phép các vật liệu nguy hiểm đi qua biên giới. Do đó, việc di chuyển bùn đỏ chứa lượng kim loại nặng hoặc phóng xạ rất phức tạp và tốn kém trong khi việc đưa chúng vào bãi thải rồi chôn lấp đơn giản và rẻ hơn nhiều.
Cuối cùng, câu hỏi nhức nhối nhất là sự chấp nhận của người tiêu dùng. Ngay cả khi giới khoa học và kỹ sư tìm ra một loạt các ứng dụng thực tế cho bùn đỏ, người tiêu dùng vẫn có tiếng nói cuối cùng về việc có mua các sản phẩm có xuất phát điểm độc hại như vậy hay không. “Bạn sẽ sử dụng ngói lợp bằng bùn đỏ chứ?” Pontikes hỏi. “Tùy thuộc vào thị trường để trả lời là “có””.
Nhật Anh (Theo Science)
