CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về bauxit 1. Bauxit Bauxit là loại quặng nhôm phổ biến nhất được tìm thấy trong lớp vỏ của trái đất, có màu hồng nâu, được hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàu nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trình xói mòn. Từ bauxit có thể tách ra alumin (Al2O3) – nguyên liệu chính để luyện nhôm trong các lò điện phân.
Khoảng 95% lượng bauxit được khai thác trên thế giới đều được dùng để luyện nhôm. Bauxit không những là quặng nhôm quan trọng cho ngành công nghiệp sản xuất nhôm và các hợp chất của nhôm, mà còn dùng để sản xuất corundum nhân tạo, xi măng alumin, gạch chịu lửa… Quá trình phong hóa hình thành quặng bauxit trên các loại đá thường trải qua các giai đoạn như sau: - Phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra oxit nhôm và sắt. - Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước ngầm. - Xói mòn và tái tích tụ bauxit Quá trình này chịu ảnh hưởng của một số yếu tố: - Đá mẹ chứa các khoáng vật dễ hòa tan và các khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và sắt.
- Ở nơi có lượng mưa cao xen kẽ các đợt khô hạn ngắn - Hệ thống thoát nước tốt - Khí hậu nhiệt đới ẩm - Có mặt lớp phủ thực vật với vi khuẩn Các khoáng vật của nhôm có trong quặng tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa trong nó và cấu trúc tinh thế gồm: Gibbsite Al(OH)3, Diaspore α- 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Gibbsite có hàm lượng alumin tối đa là 65,4%. Boehmite và diaspore có hàm lượng alumin tối đa là 85%. Ngoài ra bauxit còn có các khoáng vật của sắt như hematit, goethit đôi khi có cả pirit … của silic như thạch anh, opal… của titan như anatase, rutin,.
có hàm lượng đáng kể cùng một số các nguyên tố Ca, Mg, Co, Ni, Pb… với hàm lượng rất nhỏ. Mỗi dạng cấu trúc của bauxit có những đặc tính khác nhau nhằm phục vụ những mục đích khai thác và sử dụng khác nhau. Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên thế giới và tại Việt Nam 1. Tình hình khai thác và chế biến bauxit trên thế giới Bauxit là một trong những tài nguyên khoáng sản khá dồi dào trên trái đất.
Theo công bố của Cục khảo sát địa chất Mỹ vào tháng 1 năm 2009 thì nguồn quặng bauxit trên thế giới ước tính khoảng 55 – 75 tỷ tấn phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới, Địa Trung Hải và vành đai xung quanh xích đạo. Người ta tìm thấy quặng bauxit ở các vùng lãnh thổ của Úc, Nam và Trung Mỹ (Jamaica, Brazin, Surinam, Venezuela, Guyana), châu Phi (Guinea), châu Á (Ấn Độ, Việt Nam, Trung Quốc) và châu Âu (Nga, Hy Lạp, Hungari). Sự phân bố trữ lượng bauxit trên các châu lục STT Châu lục Tỷ lệ phân bố (%) 1 Châu Phi 33 2 Châu Đại Dương 24 3 Châu Mỹ và Carribe 22 4 Châu Á 15 5 Các nơi khác 6 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trên thế giới có khoảng 40 nước có bauxit, trong đó Guinea là nước có trữ lượng bauxit lớn nhất trên thế giới, sau đó là Australia và Việt Nam [13]. Các nước có trữ lượng bauxit đều khai thác để sử dụng trong nước và xuất khẩu.
Trong 15 năm qua sản lượng khai thác bauxit trên thế giới tăng bình quân hàng năm là 6,8%. Hiện nay, trên thế giới có 24 nước với 54 nhà máy sản xuất alumin và 40 ước với 121 nhà máy điện phân nhôm kim loại [20]. Trữ lượng bauxite và sản lượng khai thác trên thế giới [13] TT Nước Trữ Trữ Sản lượng khai thác (triệu tấn) lượng cơ lượng (tỷ sở (tỷ tấn) 2006 2007 2008 tấn) 1 Guinea 8,6 7,4 14500 18000 18000 2 Australia 7,9 5,8 62300 62400 63000 3 Việt Nam 5,4 2,1 - 0,03 0,03 4 Jamaica 2,5 2 14900 14600 15000 5 Brazil 2,5 1,9 21000 24800 25000 6 Trung Quốc 2,3 0,7 21000 30000 32000 7 Ấn Độ 1,4 0,77 12700 19200 20000 8 Guyana 0,9 0,7 1400 1600 1600 9 Hy Lạp 0,65 0,6 2450 2220 2200 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Suriname 0,6 0,58 4920 4900 4500 11 Kazakhstan 0,4 0,36 4800 4800 4800 12 Venezuela 0,35 0,32 5500 5900 5900 13 Nga 0,25 0,2 6600 6400 6400 14 Mỹ 0,04 0,02 - - - 15 Các nước 3,8 3,2 5460 7150 6800 khác Tổng 38 27 178000 202000 205000 1. Tình hình khai thác và chế biến bauxit tại Việt Nam Ở Việt Nam, bauxit phân bố phổ biến ở các tỉnh: Cao Bằng, Hà Giang, Lạng Sơn và Tây Nguyên.
Thị xã Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng là một trong những nơi có trữ lượng bauxit lớn ở Tây Nguyên, chiếm 20% tổng trữ lượng cả nước. Tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo khoảng 5,5 tỷ tấn, trong đó khu vực miền Bắc khoảng 91 triệu tấn, còn lại tập trung chủ yếu ở khu vực miền Nam khoảng 5,4 tỷ tấn (chiếm 98% tổng trữ lượng cả nước), trong đó gồm Đăk Nông khoảng 3,42 tỷ tấn (chiếm 62% tổng trữ lượng); Lâm Đồng khoảng 975 triệu tấn (chiếm 18%); Gia Lai - Kon Tum khoảng 806 triệu tấn (chiếm 15%) và Bình Phước khoảng 217 triệu tấn (chiếm 4%) và một số khu vực ven biển Quảng Ngãi và Phú Yên [3,8]. Đây là yếu tố quan trọng và quyết định việc phát triển ngành công nghiệp khai thác bauxit, sản xuất alumin và nhôm kim loại của Việt Nam. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Công nghệ sản xuất alumin Trong công nghiệp, có một số công nghệ sản xuất alumin tùy theo loại nguyên liệu và chất lượng nguyên liệu. Hiện tại và trong tương lai, 85% alumin trên thế giới được sản xuất từ quặng bauxit, 10% từ quặng nephelin và alunit chủ yếu ở Nga, Canada, Mỹ, 5% từ các nguyên liệu khác tập trung ở Nga, Mỹ, Nhật Bản [4]. Điều đó cho thấy bauxit vẫn là nguồn nguyên liệu quan trọng nhất trong sản xuất alumin nói riêng và sản xuất nhôm nói chung. Công nghệ Bayer được Karl Bayer phát minh vào năm 1887.
Sơ đồ nguyên lý công nghệ Bayer sản xuất Alumin [4] 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Quy trình Bayer có thể khái quát bao gồm bốn bước: hòa trộn, tách bùn, kết tủa, sấy khô [32] - Hòa trộn: Quặng bauxit thô được hòa trộn với NaOH trong lò áp lực đến nhiệt độ khoảng 150 – 200˚C. NaOH phản ứng với các khoáng chất nhôm của bauxit tạo thành hợp chất bão hòa natri aluminate và hợp chất không hòa tan (bùn đỏ): Al2O3 + 2OH- + 3 H2O → 2[Al(OH)4]- - Tách bùn: Sau khi hòa trộn, hỗn hợp được truyền qua một loạt các thùng giảm áp suất. Tại đây, áp suất không khí được tràn vào, cát được tách ra khỏi hỗn hợp qua các bẫy cát. Tiếp theo cặn mịn và các chất rắn còn lại được bổ sung các hợp chất tổng hợp và đưa qua bộ lọc vải.
Những tồn dư sau đó được rửa sạch và loại bỏ đi. - Kết tủa: Hợp chất bão hòa natri aluminat tiếp tục được làm mát bằng hệ thống trao đổi nhiệt. Vì bị làm lạnh đột ngột, các hydroxit nhôm bị kết tủa lại tạo thành các hạt tinh thể. Các tinh thể này lại kết hợp với các tinh thể khác tạo thành các hạt lớn hơn lắng xuống đáy.
Sau đó, các hạt hydroxit nhôm được lọc và rửa sạch để loại bỏ kiềm. Phản ứng diễn ra như sau: Na+ + Al(OH)4- → Al(OH)3 + NaOH - Nung: Các hạt hydroxit nhôm được nung trong lò ở nhiệt độ trên 960˚C tạo thành nhôm oxit: Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O Quy trình Bayer tạo ra một lượng lớn chất phụ phẩm trong quá trình xử lý quặng bauxit để sản xuất alumin (oxit nhôm). Chất thải bauxit này được gọi là bùn đỏ. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Giới thiệu về bùn đỏ 1. Đặc điểm, thành phần hóa học và tính chất vật lý Bùn đỏ là chất thải nguy hại sinh ra trong quy trình công nghệ Bayer sản xuất alumin từ quặng bauxit, chứa hàm lượng kiềm dư cao và nhiều kim loại nặng độc hại. Khối lượng bùn đỏ sinh ra ở các nhà máy sản xuất alumin tùy thuộc vào chất lượng quặng bauxit nguyên khai, có thể lớn hơn khối lượng sản phẩm alumin từ 1 – 1,5 lần [21]. Các nhà máy sản xuất alumin thường thải bùn đỏ dưới dạng lỏng vào các hồ chứa tạo ra nguy cơ ô nhiễm môi trường lớn đối với các vùng đất thấp.
Đặc điểm: Bùn đỏ ở dạng huyền phù có tỷ trọng khối trong khoảng 1,2 – 1,3g/m3, hàm lượng chất khô là 250 – 350g/l. Diện tích bề mặt riêng của bùn đỏ khoảng 7,3 – 34,5 m2/g [25,27] và có thể tăng lên đáng kể bằng các biện pháp xử lý khác nhau. Bùn đỏ mang điện tích âm do các nhóm hydroxyl trên bề mặt tạo ra. Bùn đỏ có màu đỏ cam, đỏ, đỏ nâu, nâu.
Độ pH nằm trong khoảng 11 – 13, kích thước hạt nhỏ, 90% khối lượng các hạt có kích thước dưới 75 µm. Do đó, bùn thải khi khô dễ phát tán bụi vào không khí gây ô nhiễm, tiếp xúc thường xuyên với bụi này gây ra các bệnh về da, mắt. Nước thải từ bùn đỏ tiếp xúc với da gây tác hại như ăn da, gây mất độ nhờn làm da khô ráp, sần sùi, chai cứng, nứt nẻ, đau rát, có thể sưng tấy, loét mủ ở vết rách xước trên da…Đặc biệt, khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm là rất cao khi lưu giữ bùn với khối lượng lớn trong thời gian dài. Lượng bùn này phát tán mùi hôi, hơi hóa chất làm ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu [4].
Thành phần hóa học Thành phần hóa học của bùn đỏ thay đổi tùy từng loại quặng bauxit và tùy vào phương pháp thu hồi nhôm oxit có trong quặng. Bùn đỏ là một hỗn hợp có độ kiềm cao chứa chủ yếu oxit của silic, nhôm, sắt, canxi, titan và một số thành phần phụ: Na, K, Cr, V, Ni, Ba, Cu, Mn, Pb, Zn. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Thành phần hóa học bùn đỏ [17,18] STT Thành phần hóa học % 1 Al2O3 5 – 25 2 SiO2 1 – 20 3 Fe2O3 25 – 60 4 TiO2 1 – 10 5 MKN (H2O liên kết) 5 – 15 6 CaO 2–8 7 Na2O 1 – 10 Thành phần khoáng vât của bùn đỏ: Các khoáng vật có trong thành phần bùn đỏ gồm khoáng vật còn lại của quặng Bauxite ban đầu như: Hematite, Gơtite, Thạch anh, Gibsip, Bơmite, Muscovite, Anatase; cùng các khoáng vật kết tinh trong quá trình công nghệ sản xuất Alumin (quy trình Bayer) như: Canxit, Sodalit, Aluminat Ca và Thạch cao.