Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ hai, 21/06/2021 | 10:20

Thứ hai, 21/06/2021 | 10:20

Tin KHCN

Cập nhật lúc 14:47 ngày 10/06/2021

Khả năng ứng dụng của màng phun áp lực sử dụng chống thấm cho hồ thải quặng đuôi

1. Đặt vấn đề
Ở Việt Nam, theo kết quả nghiên cứu của Trung tâm Môi trường Công nghiệp (CIE) thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim, quặng đuôi ở nhiều cơ sở khai thác và chế biến khoáng sản đều có hàm lượng kim loại rất cao. Hàm lượng các kim loại nặng độc hại như Cd, Zn, As, Ni, Cu, Pb, Mn, Fe ở một số mỏ đều vượt xa quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng quặng đuôi nguy hại [1]. Trong môi trường hồ thải, quá trình thải và lắng đọng liên tục làm tăng diện tích tiếp xúc của quặng đuôi, do đó, tính linh hoạt của kim loại trong quặng đuôi thường tăng cao dẫn đến nguy cơ oxy hóa kim loại, hình thành dòng chảy axit. Các chất xúc tác được sử dụng trong quá trình chế biến khoáng sản cũng làm thay đổi đặc tính hóa học của hóa chất sau tuyển gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường [2].
Thông thường, hồ thải chứa quặng đuôi có tính chất nêu trên thường được lót chống thấm bằng đất sét, màng tổng hợp hoặc kết hợp giữa hai loại này theo sơ đồ một lớp, hai lớp hoặc phối hợp [3]. Tuy nhiên, việc chống thấm bằng đất sét có giá thành cao và không khả thi với các địa hình sườn dốc. Các loại màng tổng hợp đang được sử dụng như PVC, LLDPE, BGM, CGL và phổ biến nhất là HDPE lại có tuổi thọ thấp do tác động của nhiệt độ và nguy cơ rò rỉ qua vị trí các mối hàn.
Màng phun áp lực (Polyurea) là lớp màng được tạo ra từ hỗn hợp hai thành phần vật liệu phun trên một bề mặt đã được chuẩn bị theo yêu cầu kỹ thuật. Công nghệ này không chỉ tạo ra lớp màng phun đàn hồi, kháng hóa chất tốt, khả năng chống thấm tương tự HDPE mà còn liền mạch, không có mối hàn và khả năng chịu nhiệt, lão hóa, biến dạng do nhiệt tốt, thích hợp với mọi loại bề mặt địa hình [4].
Sau thời gian nghiên cứu về đặc điểm, tính chất của màng phun áp lực thử nghiệm (MS678), xét thấy các điều kiện có thể đáp ứng khi áp dụng tại Việt Nam, Nhóm nghiên cứu đã phối hợp với Công ty TNHH Khai thác Chế biến Khoáng sản Núi Pháo, trung tâm hóa chất BASF để lập quy trình công nghệ màng thi công màng phun áp lực và thử nghiệm tại Hồ chứa nước thải ROM SED#2 của mỏ Núi Pháo. Hiệu quả của màng phun áp lực phụ thuộc vào tính chất của màng phun và quy trình phun, hai thông số này được đặc trưng bởi các kết quả thí nghiệm trong phòng và quan trắc tại hiện trường.
2. Khái quát về màng phun áp lực (Polyurea) và thử nghiệm tại mỏ Núi Pháo
Các phản ứng Isocyanate khác nhau tạo ra các lớp phủ hóa chất với 3 phân đoạn: Polyurethane, Polyurea và lai Polyurethane/Polyurea [5].
Lớp phủ Polyurethane là kết quả phản ứng giữa Isocyanate (thành phần A) và Polyol (thành phần B). Lớp phủ Polyurea tinh khiết là kết quả phản ứng giữa Isocyanate (thành phần A) và Polyamine (thành phần B). Lớp phủ lai Polyurethane/Polyurea là sự kết hợp của hai hệ thống Polyurea và Polyurethane [5].
Sản phẩm phản ứng của Polyamine, Polyol/Isocyanate có cấu trúc kiểu chuỗi, bao gồm “n” phân tử được liên kết mạnh mẽ với nhau. Cấu trúc chuỗi này cùng xương sống Polyether đã tạo nên các tính chất vượt trội của Polyurea. Màng phun áp lực chống thấm thường được sử dụng là lớp phủ Polyurea tinh khiết hoặc lớp phủ lai Polyurethane/Polyurea [5].
Độ ẩm và nhiệt độ không ảnh hưởng quá lớn đến hiệu suất đóng rắn của Polyurea tinh khiết nhưng lại là vấn đề lớn với Polyurea lai. Phản ứng tạo màng xảy ra nhanh và không sử dụng chất xúc tác, do đó có thể gây ra các sự cố trong quá trình phun. Điều này được giải quyết bằng cách sử dụng một thiết bị phun áp suất cao. Với thiết bị áp suất cao, thời gian gia nhiệt giảm xuống 7 đến 8 giây, tốc độ và khối lượng vật liệu phun tới bề mặt tăng, do đó quá trình phun sẽ tương thích với phản ứng tạo màng. 
Thiết bị phun Polyurea phải đảm bảo các nguyên tắc: Thứ nhất, tạo ra áp suất tối thiểu 160 bar. Thứ hai, hai thành phần phải được làm nóng đến nhiệt độ khoảng 70oC. Ở nhiệt độ này, hiệu quả trộn trong buồng trộn súng phun tăng do vật liệu có độ nhớt thấp. Thứ ba, bề mặt phun phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, ví dụ, khi phun vào bê tông, phải lăn dung môi để đảm bảo độ ẩm bề mặt nhỏ hơn 85 %, tránh gây ra hiện tượng chảy màng phun do không đủ độ bám dính. Thứ tư là đảm bảo các điều kiện về môi trường, trong quá trình thi công, nhiệt độ cơ chất phải cao hơn ít nhất 3oC so với điểm sương [6]. 
Sau quá trình nghiên cứu và xây dựng công nghệ, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phun thử nghiệm tại hồ chứa nước thải ROM SED#2 của mỏ Núi Pháo, vật liệu sử dụng là Polyurea lai MS678, máy phun sử dụng là máy Titan Helix VR2.3. Màng phun được tạo thành bằng cách phun hai lớp, lớp thứ nhất phun trực tiếp lên bề mặt, lớp thứ hai phun trực tiếp lên lớp thứ nhất theo hướng vuông góc. Chi tiết xem bài báo “Công nghệ chống thấm sử dụng màng phun áp lực thay thế màng chống thấm HDPE ở hồ thải quặng đuôi các nhà máy tuyển khoáng” đã đăng trong Tạp chí Công nghiệp mỏ, số 5 năm 2019.
3. Kết quả thử nghiệm màng phun áp lực
3.1. Kết quả trong phòng thí nghiệm
Tính chất cơ lý, khả năng chịu nhiệt và kháng hóa chất của màng phun áp lực được đánh giá qua các thông số trong phòng thí nghiệm. Một số chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật giữa màng phun áp lực và màng HDPE trước khi sử dụng và sau 6 tháng sử dụng được so sánh trong các bảng 1 và 2.
Các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy, màng phun áp lực thử nghiệm có tính chất cơ lý tương tự như màng HDPE đang được sử dụng rộng rãi trong hồ thải quặng đuôi hiện nay, trong đó, màng phun áp lực có độ bền chọc thủng, độ bền chịu nhiệt và độ bền kéo tốt hơn màng HDPE.
3.2. Kết quả quan trắc thấm tại hiện trường
Hiệu quả phun màng áp lực được đánh giá dựa trên kết quả tính toán cân bằng nước của hồ ROM SED#2 và hệ số thấm tính toán từ kết quả quan trắc. Phương trình cân bằng nước hồ chứa có dòng chảy như sau [11]:
X'+Y1+W1-Z'-Y2-W2=DU'. (1)
Ở đây:
- K: Hệ số thấm, m/s;
- Q: Tổng lượng nước thấm qua mẫu, Q=0,19 m3;
- L: Chiều dầy mẫu, L=0,002 m;
- A: Diện tích màng phun áp lực nằm dưới mực nước của hồ, F= 2002,48 m2;
- h: chênh lệch giữa mực nước ngầm và mực nước trong hồ, h=8,9 m nước;
- t: thời gian thử nghiệm, t=13 ngày;
Như vậy, hệ số thấm của màng phun áp lực:
Kết quả tính toán cho thấy, lưu lượng thấm qua màng phun nhỏ, hệ số thấm của màng phun áp lực tính toán được là 5x10-14 cm/s tương đương hệ số thấm của màng HDPE, (k=10-12¸10-16 cm/s). Hệ số thấm tính toán từ lượng thấm nằm trong giới hạn thấm của vật liệu, như vậy, diện tích màng phun xấu nhỏ, không xuất hiện các bất thường lớn, quy trình phun đảm bảo.
4. Khả năng sử dụng màng phun áp lực cho các nhà máy tuyển khoáng
4.1. Ưu điểm
Đối với việc chống thấm cho hồ thải quặng đuôi, màng phun áp lực có nhiều ưu điểm: tốc độ thi công nhanh, công nghệ thi công đơn giản, có thể sử dụng ngay sau khi phun. Do đặc tính của phương pháp thi công, màng phun áp lực thích hợp với nhiều loại bề mặt phun và nhiều loại hồ thải quặng đuôi. Với các đặc tính: lớp màng liền mạch, liên kết tốt với nhiều loại bề mặt (bê tông, HDPE, sắt, thép...), khả năng sửa chữa dễ dàng, kháng hóa chất, chịu nhiệt tốt; chống thấm bằng màng phun áp lực sẽ giảm thiểu các sự cố về môi trường do thấm nước thải quặng đuôi và đảm bảo sự vận hành liên tục của hồ thải.
4.2. Nhược điểm
Màng phun áp lực là một công nghệ mới. Việc ứng dụng màng phun còn khó khăn do chưa có tính phổ biến. Thực tế cho thấy, màng phun áp lực yêu cầu máy móc phức tạp, chất lượng màng phun phụ thuộc rất lớn vào tay nghề của nhân viên phun. Tốc độ và chất lượng thi công màng bị chi phối bởi các yếu tố: điều kiện thời tiết, nhiệt độ môi trường, chất lượng lớp nền. Bên cạnh đó, chi phí thi công màng phun áp lực là không hề nhỏ, đây là một trong những thách thức lớn nhất của việc ứng dụng màng phun áp lực. Tuy nhiên, gần đây, trên thị trường đã có nhiều đơn vị cung cấp sản phẩm và cho thuê máy móc, thiết bị, nhân lực thi công. Điều này đã và đang góp phần giảm thiểu những thách thức khi sử dụng màng phun áp lực. 
4.3. Khả năng sử dụng màng phun áp lực
- Đối với các hồ thải đang sử dụng màng HDPE: màng phun áp lực có thể được sử dụng để xử lý các vết rách, thủng, rạn hoặc các khuyết tật tại các vị trí hàn của màng HDPE, hoặc thay thế một phần;
- Đối với các hồ thải mới: màng phun áp lực có thể sử dụng mới cho các hồ thải lưu giữ quặng đuôi có khả năng hình thành dòng chảy axit hoặc chứa các chất thải nguy hại (chứa các chất phóng xạ, kim loại nặng). Ví dụ điển hình của những hồ thải này là hồ chứa quặng đuôi của các mỏ khai thác và chế biến quặng vàng, quặng chì kẽm, đất hiếm, sắt, vonfram,... 
Với tính chất cơ lý và khả năng chống thấm tương đương, bền với các điều kiện thời tiết, tính đóng rắn nhanh, cường độ cao, khả năng bám dính cao, kháng hóa chất tốt và khắc phục gần như hoàn toàn các nhược điểm của màng HDPE, màng phun áp lực có thể thay thế màng HDPE và ứng dụng rộng rãi cho các hồ thải quặng đuôi ở Việt Nam, đảm bảo tuổi thọ cao, cách ly lâu dài quặng đuôi với môi trường, tương thích với các hóa chất trong quặng đuôi.
4.4. Giải pháp mở rộng công nghệ chống thấm cho hồ thải quặng đuôi
Kết quả so sánh hiệu quả kinh tế của màng phun áp lực với màng HDPE cho thấy, màng phun áp lực được bảo hành 10 năm, tuy nhiên giá thành của màng phun áp lực thử nghiệm gấp 3,6 lần so với màng HDPE, trong đó, giá thành vật liệu chiếm khoảng 43 % giá thành màng phun. Đối với các công trình có tuổi thọ thấp và có yêu cầu chống thấm thông thường, có thể giảm chiều dày phun màng áp lực xuống 1 mm. Đối với các công trình có tuổi thọ trung bình và yêu cầu chống chấm đặc biệt, có thể phun màng áp lực với độ dày 1,5 đến 2 mm. Để giảm giá thành khi đưa màng phun áp lực vào sử dụng, có thể cân nhắc việc ứng dụng công nghệ tùy thuộc vào khối lượng cần chống thấm. Đối với những hồ thải có phạm vi phun màng áp lực nhỏ, việc cung cấp thiết bị, phun màng áp lực và cung cấp vật liệu nên được giao cho đơn vị chuyên thi công Polyurea để giảm giá thành đầu tư máy móc và triển khai công nghệ phun màng áp lực. Đối với những mỏ có quy mô lớn, hồ thải được xây dựng trong nhiều giai đoạn, có thể mua sắm thiết bị và đào tạo nhân viên để chủ động trong sản xuất, kiểm tra và bảo dưỡng.
Ngoài ra, các doanh nghiệp cần mạnh dạn đầu tư để ứng dụng công nghệ vào thực tế sản xuất. Các đơn vị tư vấn thiết kế cần đưa ra được giải pháp phù hợp và phối hợp tốt với các đơn vị thi công để đảm bảo màng phun đạt hiệu quả tối ưu. Các Sở Công Thương, Sở Tài nguyên Môi trường cần phải phối hợp với các đơn vị liên quan nghiên cứu xây dựng đơn giá ca máy của máy phun và định mức lao động trong công tác phun để có cơ sở đưa vào sử dụng rộng rãi, đồng thời kiểm soát sát sao các đơn vị tư vấn thiết kế, đơn vị thi công, giám sát và nghiệm thu màng phun áp lực để đảm bảo hiệu quả thi công, hiệu quả chống thấm và bảo vệ môi trường.
5. Đánh giá và kết luận
Màng phun áp lực có những ưu điểm và nhược điểm trong quá trình thi công do tính chất đặc trưng của vật liệu và công nghệ tạo màng. Kết quả thí nghiệm cho thấy, màng phun áp lực có thể thay thế cũng như khắc phục các nhược điểm của màng HDPE. Các cơ quan quản lý nhà nước, chủ đầu tư, các đơn vị thiết kế-thi công cần phát huy triệt để vai trò của mình để có thể triển khai và mở rộng công nghệ, từ đó góp phần bảo vệ môi trường và xây dựng ngành khai khoáng phát triển bền vững.r 
Tài liệu tham khảo
1. CIE (2014) Đập thải quặng đuôi - Nguồn gây ô nhiễm Môi trường trong KT và CB khoáng sản ở Việt Nam.
2. Nguyễn Thị Hồng Gấm. Báo cáo “Các yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế hồ thải quặng đuôi”, 2018.
3. Pекомендации по проектированию и строительству шламонакопителей и хвостохранилищ металлургической промышленности. Москва. Стройиздат. 1986.
4. Amanda Klimchuk, Richard MacDonald, Wesley Ferris. Performance Analysis of Engineered Liner; Systems Used to Store Saline Fluids in the Canadian Oil and Gas Industry: Physical and Environmental Influences. April 15, 2016.
5. Dudley J. Primeaux II, Polyurea Elastomer Technology: History, Chemistry & Basic Formulating Techniques;
6. http://www.polychem-systems.com.pl/en/akademia/properties-and-application-of-the-polyureas/
7. J. Szafran, A. Matusiak (2016), Polyurea Coating Systems: Definition, Research, Applications, Monograph from Scientific seminar, International Association for Shell and Spatial Structure, Olszttyn, Poland;
8. G. Spagnoli, F. Clement, Bz. Dilnesa, FH. Cao, P. Feng (2019). A new waterproofing membrane for tailings ponds, PASTE 2019, Proceeding of the 22nd International Conference on Paste, Thickened and Filtered Tailings, Cape Town South Africa.
9. Viện Vật liệu Xây dựng. Kết quả thí nghiệm Màng phun áp lực chống thấm (Polyurea MS678), Mỏ đa kim Núi Pháo, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên, tháng 9 năm 2019.
10. Công ty cổ phần Khảo sát và Kiểm định xây dựng Hà Nội. Kết quả thí nghiệm Màng HDPE, mỏ đa kim Núi Pháo, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên, tháng 9 năm 2019;
11. Nguyễn Thanh Sơn. Tính toán thủy văn. NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003.
12. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Báo cáo chuyên đề Thủy văn nguồn nước_Phần Báo cáo thủy văn thuộc Dự án “Sử dụng tổng hợp nguồn nước lưu vực sông Hồng-sông Thái Bình”, 2007.
13. QCVN 02:2009/BXD về số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng.
14. Hoàng Thị Xuân, Lê Hữu Khương, Hoàng Viết Cương. Công nghệ chống thấm sử dụng màng phun áp lực thay thế màng chống thấm HDPE ở hồ thải quặng đuôi các nhà máy tuyển khoáng. Tuyển tập báo cáo Hội thảo KH “Bảo vệ môi trường trong khai thác, chế biến, sử dụng than, khoáng sản và dầu khí”, tháng 8/2019.
Tóm tắt: Việc chống thấm cho các hồ thải của các nhà máy tuyển khoáng thường sử dụng đất sét hoặc phối hợp giữa đất sét và các loại màng tổng hợp. Gần đây, Màng phun áp lực đang được nghiên cứu sử dụng cho hồ thải quặng đuôi và lần đầu tiên được thử nghiệm tại mỏ Núi Pháo. Tiếp nối báo cáo đã công bố [14], nội dung của bài báo trình bày kết quả thí nghiệm của màng phun thử nghiệm và khả năng ứng dụng của công nghệ chống thấm bằng màng phun áp lực cho các nhà máy tuyển khoáng ở Việt Nam.
HOÀNG THỊ XUÂN, LÊ HỮU KHƯƠNG
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim
HOÀNG VIẾT CƯƠNG
Công ty TNHH Thiết bị Bảo Kim
Nguồn: Tạp chí Công nghiệp Mỏ số 5 năm 2019
lên đầu trang