Sản xuất nhôm từ quặng bauxite

Nhôm là vật liệu bền, nhẹ có thể tái chế cao, đã trở thành yếu tố thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày. Là vật liệu bền vững cho nhiều sự lực chọn khác nhau, các ứng dụng của nó rất đa dạng trong cuộc sống như: vật liệu gia dụng, thiết kế nội thất, bao bì, xe tiết kiệm năng lượng, điện thoại thông minh, hệ thống mạng lưới điện quốc gia,…Theo thống kê của hiệp hội nhôm thế giới, 75% các sản phẩm được sản xuất bằng nhôm từ nhiều năm trước vẫn đang được sử dụng. Và việc tái chế sản xuất nhôm chỉ tốn 8% năng lượng và tạo ra 8% lượng khí thải so với sản xuất nhôm ban đầu. Hiện nay nhôm được coi là một trong những vật liệu được ưu chuộng bởi các tính năng đặc biệt và được coi là kim loại của cuộc sống hiện đại.

Trang 1

Nhóm 10, Lớp 14CH111

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG

- -

BÁO CÁO

KỸ THUẬT BAO BÌ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI:

QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM

LỚP: 14CH111 SINH VIÊN:

NGUYỄN THỊ TUYẾT TRÂM

VỎ THỊ AN NGUYỄN NHẬT CƯỜNG GVHD: ThS NGUYỄN THÁI THANH TRÚC

BIÊN HÒA, THÁNG 4/2017

Trang 2

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 2

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2

2.1 LỊCH SỬ VỀ NHÔM VÀ BAUXITE 2

2.2 BAUXITE 3

2.3 TỔNG QUAN VỀ NHÔM 4

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM 6

3.1 GIỚI THIỆU 6

3.2 TINH CHẾ OXIT NHÔM TỪ QUẶNG BÔ XÍT 7

3.3 LUYỆN NHÔM TỪ OXIT NHÔM 10

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG 11

TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

DANH MỤC HÌNH Hình 2 1 – phân bố trữ lượng quặng bô xit trên một số quốc gia thế giới và Việt Nam 4

Hình 2 2 – Sản lượng nhôm trên thế giới (Nguồn: Hiệp hội nhôm thế giới) 6

Hình 3 1 – Sơ đồ quy trình chế tạo lá nhôm nguyên liệu 7

Hình 3 2 –Quy trình sản xuất Bayer 7

Hình 3 3 – Băng tải bô xít tới nhà máy tinh chế oxit nhôm 8

Hình 3 4 – Sơ đồ thùng điện phân nóng chảy Al2O3 10

Hình 3 5 – Phương pháp Hall-Héroult 10

Hình 4 1 – Các sản phẩm từ nhôm được in ấn đẹp mắt và đa dạng 11

Hình 4 2 – Ứng dụng của nhôm trong chế biến thực phẩm 11

Hình 4 3 – Lợi ích của bao bì nhôm 12

DANH MỤC BẢNG Bảng 2 1 – Thành phần hóa học chủ yếu của 3

Bảng 2 2 – Đặc điểm các dạng khoáng chính chứa nhôm trong quặng bauxite 3

Bảng 2 3 – Các tính chất chung và tính chất vật lý của nhôm 5

Trang 3

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhôm là vật liệu bền, nhẹ có thể tái chế cao, đã trở thành yếu tố thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày Là vật liệu bền vững cho nhiều sự lực chọn khác nhau, các ứng dụng của nó rất

đa dạng trong cuộc sống như: vật liệu gia dụng, thiết kế nội thất, bao bì, xe tiết kiệm năng lượng, điện thoại thông minh, hệ thống mạng lưới điện quốc gia,…Theo thống kê của hiệp hội nhôm thế giới, 75% các sản phẩm được sản xuất bằng nhôm từ nhiều năm trước vẫn đang được sử dụng Và việc tái chế sản xuất nhôm chỉ tốn 8% năng lượng và tạo ra 8% lượng khí thải so với sản xuất nhôm ban đầu Hiện nay nhôm được coi là một trong những vật liệu được

ưu chuộng bởi các tính năng đặc biệt và được coi là kim loại của cuộc sống hiện đại Và đó

là lý do mà nhóm tìm hiểu về đề tài “ Quy Trình Sản Xuất Nhôm”

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 LỊCH SỬ VỀ NHÔM VÀ BAUXITE

 Năm 1808: Humphrey Davy đã xác định được gốc kim loại phèn chua (alum) và đặt tên cho nhôm là aluminum

 Năm 1821: Piere Berthier phát hiện ra quặng bauxite đầu tiên gần ngôi làng les Baux, nước Pháp và đặt tên là bauxite

 Năm 1825: Hans Christian Oersted (Đan Mạch) đã tách được một lượng nhỏ nhôm từ bauxite

 Năm 1827 : Freidrich Wohler (Đức) đã phát triển một phương pháp sản xuất bột nhôm thông qua một phản ứng hóa học giữa kali và clorua khan

 Năm 1854 : Henri Sainte-Claire Deville (Pháp) đã sản xuất nhôm công nghiệp đầu tiên tại nhà máy javel ở paris

 Năm 1885: Hamilton Y Cassner (Mỹ) cải tiến quy trình sản xuất nhôm của Deville và

15 tấn nhôm đã được sản xuất trong năm đó

 Năm 1886 : Charles Hall (Mỹ) và Paul Heroult (Pháp) đồng phát minh ra quá trình điện phân alumina để sản xuất nhôm kim loại

 Năm 1889: Karl Bayer (Áo) giới thiệu quy trình Bayer nhằm tách một lượng lớn nhôm

từ quặng bauxite

Trang 4

2.2 BAUXITE

Bauxite là một loại quặng nhôm, được đặt tên theo ngôi làng Les Baux ở miền Nam nước Pháp, nơi nó được nhà địa chất Pierre Berthier tìm thấy lần đầu tiên vào năm 1821 Nó được hình thành trong điều kiện khí hậu nhiệt đới do nước mưa cuốn trôi chất silica trong đá có chứa nhôm Nó là một loại đá phún xuất (igneous rock) chứ không phải khoáng chất (mineral);

có thể rất cứng, nhưng thường thì mềm và giống như đất sét

Bauxite có thể chứa một hoặc nhiều khoáng chất gibbsite, bohmite, và diaspore Gibbsite là aluminum hydroxide có công thức hóa học là Al(OH)3, trong khi bohmite và diaspore là aluminum-oxide hydroxide có công thức hóa học là AlO(OH) Nó cũng có thể chứa một số tạp chất khác như ion oxide (Fe2O3), silicon oxide (SiO2), titanium (TiO2), và đất sét Bauxite

có thể có nhiều màu, nhưng thường thì có ít nhiều màu đỏ tùy theo số lượng của ion oxide Bauxite có thể hiện diện dưới dạng hạt (rời hoặc kết dính) hay dạng khối (tảng đá xốp)

Bảng 2 1 – Thành phần hóa học chủ yếu của

Bảng 2 2 – Đặc điểm các dạng khoáng chính chứa nhôm trong quặng bauxite

Trang 5

Quặng bauxite có thể tìm thấy dưới dạng thảm (blanket), túi (pocket), lớp (interlayered), và tích tụ (detrital) Thảm bauxite là các lớp liên tục và bằng phẳng, thường ở gần mặt đất, có bề dày thay đổi từ 1 đến 40 m (trung bình từ 4 đến 6 m) và có thể rộng hàng cây số Túi bauxite

là các túi nằm dưới mặt đất, có chiều sâu thay đổi từ dưới 1 cho đến 30 m, nằm cô lập hoặc liên kết với nhau Lớp bauxite là thảm hoặc túi bauxite bị phủ lấp và ép xuống, cho nên nó bị nén nhiều hơn thảm hoặc túi bauxite do trọng lượng của lớp đất bên trên Tích tụ bauxite rất hiếm thấy vì nó được cấu tạo do sự tích tụ của bauxite bị xói mòn từ thảm, túi, hay lớp bauxite

ở nơi khác

Hình 2 1 – phân bố trữ lượng quặng bô xit trên một số quốc gia thế giới và Việt Nam

(Nguồn: Hiệp hội nhôm thế giới và Bộ công thương việt nam)

2.3 TỔNG QUAN VỀ NHÔM

Nhôm (bắt nguồn từ tiếng Pháp: aluminium, phiên âm tiếng Việt: a-luy-mi-nhôm) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Al và số nguyên tử bằng 13 Nguyên tử khối bằng 27 đvC Khối lượng riêng là 2,7 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy là 660oC Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ 3 (sau ôxy và silic), và là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của Trái Đất Kim loại nhôm hiếm phản ứng hóa học mạnh với các mẫu quặng và có mặt hạn chế trong các môi trường khử cực mạnh Tuy vậy, nó vẫn được tìm thấy ở dạng hợp chất trong hơn 270 loại khoáng vật khác nhau Quặng chính chứa nhôm là bô xít

Nhôm có điểm đáng chú ý của một kim loại có tỷ trọng thấp và có khả năng chống ăn mòn hiện tượng thụ động Các thành phần cấu trúc được làm từ nhôm và hợp kim của nó là rất quan trọng cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và rất quan trọng trong các lĩnh vực

Trang 6

khác của giao thông vận tải và vật liệu cấu trúc Các hợp chất hữu ích nhất của nhôm là các ôxít và sunfat

Mặc dù nó có mặt phổ biến trong môi trường nhưng các muối nhôm không được bất kỳ dạng sống nào sử dụng Với sự phổ biến của nó, nhôm được dung nạp tốt bởi thực vật và động vật Nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu trắng bạc ánh kim mờ, vì có một lớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoài không khí Tỷ trọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm (chỉ sau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc; nó có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp ôxít bảo vệ Nó cũng không nhiễm từ và không cháy khi để ở ngoài không khí ở điều kiện thông thường Sức bền của nhôm tinh khiết là 7–11 MPa, trong khi hợp kim nhôm có độ bền từ 200 MPa đến 600 MPa Các nguyên tử nhôm sắp xếp thành một cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) Nhôm có năng lượng xếp lỗi vào khoảng 200 mJ/m2

Nhôm phản ứng với nước tạo ra hydro và năng lượng:

2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2

Tính chất này có thể dùng để sản xuất hydro, tuy nhiên phản ứng này mau chóng dừng lại vì tạo lớp kết tủa keo lắng xuống,ngăn cản phản ứng xảy ra

Khi ngâm trong dung dịch kiềm đặc, lớp màng này sẽ bị phá hủy theo phản ứng

Al(OH)3+NaOH → NaAlO2 + 2H2O

Tiếp tục Al lại tác dụng với nước như phản ứng trên Quá trình này lại diễn ra đến khi Al không bị hòa tan hết

Bảng 2 3 – Các tính chất chung và tính chất vật lý của nhôm

Trang 7

Hình 2 2 – Sản lượng nhôm trên thế giới (Nguồn: Hiệp hội nhôm thế giới)

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM 3.1 GIỚI THIỆU

 Quy trình sản xuất nhôm:

 Giai đoạn 1: Tinh chế oxit nhôm từ quặng bô xít

 Giai đoạn 2: Luyện nhôm từ oxit nhôm

 Dựa trên 2 phương pháp:

 Phương pháp Bayer: là phương pháp ít tốn kém nhất để chế biến được nhiều oxit nhôm nhất từ quặng bô xít

 Phương pháp Hall-Héroult: Là phương pháp điện phân oxit nhôm thành nhôm

và là phương pháp công nghiệp chính để luyện nhôm hiện nay

Trang 8

Hình 3 1 – Sơ đồ quy trình chế tạo lá nhôm nguyên liệu

3.2 TINH CHẾ OXIT NHÔM TỪ QUẶNG BÔ XÍT

Oxit nhôm hay còn gọi là Alumina được sản xuất

từ bauxite, một quặng được khai thác từ đất mặt

trong các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới khác

nhau Quá trình Bayer, được phát hiện năm 1887,

là quá trình chính mà alumina được chiết xuất từ

bauxite

Phương pháp Bayer: là phương pháp dùng NaOH

để hòa tách bô xít ở áp suất và nhiệt độ cao

Với 4 tấn bôxit 2 tấn oxit nhôm

Hình 3 2 –Quy trình sản xuất Bayer

Trang 9

 Khai thác bauxite

 Phá lớp phủ thực vật

 Bóc lớp đất phủ ( lưu giữ gần nơi khai thác)

 Bô xít được đào và xúc bằng máy xúc và sau đó được chuyển bằng xe tải và băng tải tới phân xưởng tuyển rửa

 Sau khi được tuyển rửa bô xít được vận chuyển bằng băng tải về nhà máy tinh luyện oxit nhôm

Hình 3 3 – Băng tải bô xít tới nhà máy tinh chế oxit nhôm

 Rửa và nghiền

Bô xít sau khi khai thác đưa đến nhà máy được sàng tuyển và rửa bằng nước, bùn sét hoàn tan trong nước và quặng có độ hạt nhỏ hơn khe hở của lưới sàng được thải ra một hồ chứa

Bô xít sau quá trình tuyển rửa sẽ lắng trong hồ chứa còn nước sẽ được thu hồi để tái chế

sử dụng lại

Theo kết quả nghiên cứu tính khả tuyển của bô xít ỏ Giai Nghĩa, với lưới sàng có đường kính lỗ 1 mm, độ thu hồi của quá trình tuyển rửa là 51,13%, hàm lượng oxit nhôm tăng từ 40,3% (của quặng nguyên khai) lên 50,51% (của quặng tinh)

Trang 10

Quá trình tuyển rửa là cần thiết vì nó giảm chi phí vật tư (đặc biệt là xút NAOH) và chi phí vận hành trong công đoạn hòa tiasch và đồng thời giảm lượng bùn đỏ thải ra ở công đoạn hòa tách

 Hòa tách

Quặng bô xít được nghiền nhỏ và trộn với xút ( NaOH) trong thùng chứa ở nhiệt độ và áp suất cao

Ở nhiệt độ và áp suất cao hydroxit nhôm hòa tan trong xút thành NaAl(OH)4 nổi lên trên còn các thành phần khác không bị hòa tan như oxit sắt, oxit silic, oxit tian và các tạp chất khác thì lắng xuống dưới và được thải qua đáy thùng

Chất thải rắng này được gọi là quặng bô xít thải hay bùn đỏ vì có chứa oxit sắt và có dạng sền sệt Bùn đỏ được rửa bằng nước để thu hồi xút trước khi được thải ra bãi Bùn đỏ được thải ở dạng lỏng thì được gọi là thải ướt và ở dạng cô đặc thì gọi là thải khô

Phản ứng hóa học của quá trình hòa tách:

 Gibbsite:

𝐴𝑙(𝑂𝐻)3+ 𝑁𝑎++ 𝑂𝐻− → 𝐴𝑙(𝑂𝐻)4−+ 𝑁𝑎+

 Bohmite và Diaspore:

𝐴𝑙𝑂(𝑂𝐻) + 𝑁𝑎++ 𝑂𝐻−+ 𝐻2𝑂 → 𝐴𝑙(𝑂𝐻)4− + 𝑁𝑎+

 Kết tủa

Dung dịch 𝑁𝑎𝐴𝑙𝑂2 được đưa qua bồn kết tủa, được làm nguội và thêm các mầm kết tủa oxit nhôm vào để giúp Al(OH)3 kết tủa và lắng xuống đáy khi dung dịch nguội đi

Công đoạn kết tủa thực chất là một quá trình ngược của quá trình hòa tách

Phản ứng hóa học của quá trình kết tủa:

Al (OH)

4

_

+ Na

+

→ Al (OH)

3 + Na

+

+ OH

_

 Nung

Al (OH) 3 từ công đoạn kết tủa được đưa sang một lò nung ở nhiệt độ lên đến 1100 ° C để tách nước và thu được oxit nhôm rắn

Phản ứng hóa học của quá trình nung:

2Al (OH)

3 → Al

2 O

3 + 3H

2 O

Trang 11

3.3 LUYỆN NHÔM TỪ OXIT NHÔM

Nhôm được tinh luyện từ oxit nhôm bằng phương pháp điện phân Hall-Héroult

Với 2 tấn oxit nhôm 1 tấn nhôm

Hình 3 4 – Sơ đồ thùng điện phân nóng chảy Al 2 O 3

 Oxit nhôm được hòa tan trong dung dịch

cryolite (Na

3AlF

6) và nhôm florua (𝐴𝑙𝐹3) nóng chảy trong nồi điện phân, duy trì ở nhiệt

độ khoảng 960 - 980𝑜𝐶

 Cung cấp dòng điện một chiều có cường độ rất

cao (200.000 – 350.000 Ampere) truyền qua

chất điện phân từ cực dương sang cực âm

 Nhôm trong dung dịch điện phân tiết ra, lắng

tụ ở đáy và trích ra, oxy bay về phía cực

dương, oxi hóa cực than tạo thành 𝐶𝑂2

Hình 3 5 – Phương pháp Hall-Héroult

Phương trình điện phân:

Trang 12

2Al

2 O

3 + 3C → 4Al + 3CO

2

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG

 Kết cấu bằng kim loại có màu trắng bạc ánh kim mờ của nhôm cộng với tính tương thích với tất cả các công nghệ in ấn giúp cho việc thiết kế tạo ra các sản phẩm như bao

bì, vật dụng, thiết bị… với những thiết kế đồ họa tuyệt vời, tạo nên những thương hiệu

ấn tượng, bắt mắt

Hình 4 1 – Các sản phẩm từ nhôm được in ấn đẹp mắt và đa dạng

 Nhôm truyền nhiệt nhanh 2,4 lần sơ với sắt, có thể được sản xuất thành những tấm rất mỏng và nhiệt mất đi và thu được thông qua nhôm rất nhanh Do đó, các dụng cụ nấu

ăn bằng nhôm rất được ưu chuộng, nó giúp giảm thiểu thời gian và năng lượng chế biến, làm lạnh và hâm nóng thực phẩm

Hình 4 2 – Ứng dụng của nhôm trong chế biến thực phẩm

Trang 13

 Bao bì nhôm là một trong những giải pháp đóng gói bền nhất vì nó bảo vệ sản phẩm bên trong, ngặn chặn ánh sáng, oxy, vi sinh vật, giảm thiểu chi phí vận chuyển và có thể được tái chế sau khi sử dụng

Hình 4 3 – Lợi ích của bao bì nhôm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Đống Thị Anh Đào (2012) Giái Trình Kỹ Thuật Bao Bì Thực Phẩm Nhà Xuất Bản Đại

Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

Nguyễn Minh Quang (2010, May 25) Khai Thác Bauxite và Luyện Nhôm ở Việt Nam

Được truy lục từ VietThaoNew: http://www.swsdevsite.com/vietthucnew/khai-thac-bauxite-va-luy%E1%BB%87n-nhom-%E1%BB%9F-vi%E1%BB%87t-nam/

The Aluminum Association (không ngày tháng) Bauxite Được truy lục từ The Aluminum

Association: http://www.aluminum.org/industries/production/bauxite

The Aluminum Associations (không ngày tháng) Alumina Refining Được truy lục từ The

Aluminum Associations: http://www.aluminum.org/industries/production/alumina-refining

Wikipedia (2017, February 8) Nhôm Được truy lục từ Bách khoa toàn thư mở Wikipedia:

https://vi.wikipedia.org/wiki/Nh%C3%B4m

Word Aluminum (không ngày tháng) Hall-Héroult process Được truy lục từ Aluminum

For Future Generations: http://primary.world-aluminium.org/index.php?id=286&L=0

Word Aluminum (không ngày tháng) The Bayer Process Được truy lục từ Aluminum

Future Generations: http://bauxite.world-aluminium.org/index.php?id=208&L=0

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	1,18 MB