1.1 .Tiềm năng khoáng sản bauxite trên thế giới và ở Việt Nam
1.1.3 .Tiềm năng khoáng sản bauxite ở Việt Nam
1.2. Hoạt động khai thác, chế biến bauxite Tây Nguyên và các vấn đề môi trường phát sinh
1.2.3. Công nghệ sản xuất alumin (Al2O3)
Quá trình sản xuất alumin thực chất là quá trình làm giàu Al2O3, nhằm tách lượng Al2O3 trong bauxite ra khỏi các tạp chất khác (các oxit…). Alumin nhận được phải đảm bảo chất lượng cho quá trình điện phân trong bể muối nóng chảy cryolite (Na3AlF6) để nhận được Al kim loại. Các phương pháp chính sản xuất alumin:
a. Sản xuất alumin bằng phương pháp hoả luyện
Trong số các phương pháp hỏa luyện thì phương pháp thiêu kết bauxite với
Na2CO3 có sự tham gia của CaCO3 (gọi là phương pháp sôđa - vôi) là phương pháp
kinh tế và được ứng dụng công nghiệp. Phương pháp thiêu kết dùng để xử lý quặng bauxite có chất lượng trung bình hoặc kém (hàm lượng SiO2 cao), nếu xử lý bằng cơng nghệ Bayer (cơng nghệ thủy luyện) thì khơng có hiệu quả kinh tế.
Ngun lý của phương pháp hỏa luyện là: Thiêu kết hỗn hợp bauxite +
Na2CO3 + CaCO3 trong lò ống quay ở nhiệt độ 1200oC để thực hiện các phản ứng
sau:
Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2
SiO2 + 2 CaCO3 = 2CaO.SiO2 + 2CO2
NaAlO2 rắn trong thiêu kết phẩm (sản phẩm sau khi thiêu) dễ tan trong
nước. Cịn 2CaO.SiO2 khơng tan trong nước và đi vào cặn thải (bùn thải).
Phương pháp thiêu kết có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phương pháp Bayer: Phương pháp kết hợp song song hoặc nối tiếp. Phương pháp thiêu kết
được ứng dụng nhiều ở các nước: Nga, Tiệp Khắc trước đây, Trung Quốc hiện đang sử dụng phương pháp này trong một số nhà máy sản xuất alumin để xử lý quặng bauxite có hàm lượng silic cao.
b. Sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer (phương pháp thuỷ luyện)
Công nghệ Bayer là công nghệ sản xuất alumin từ quặng bauxite bằng phương pháp kiềm hoá (phương pháp thuỷ luyện) với hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao và là cơng nghệ chính để sản xuất alumin. Cơng nghệ này địi hỏi nguồn ngun liệu bauxite có chất lượng tốt và đặc biệt là cho bauxite có hàm lượng silic thấp. Hiện nay và dự báo trong tương lai khoảng 95% alumin trên thế giới vẫn được sản xuất bằng công nghệ này [48]. Công nghệ Bayer được dựa trên cơ sở của phản ứng thuận nghịch sau:
Al(OH)3 + NaOH NaAlO2 + 2H2O
Để hòa tan được quặng, dung dịch cần đảm bảo điều kiện (nồng độ NaOH, nhiệt độ, áp suất) tùy theo đặc điểm của từng loại quặng. Nếu quặng chứa chủ yếu
là gibbsite thì nhiệt độ cần có là 140oC, nhưng nếu quặng có hàm lượng boehmite
cao thì cần hịa tan ở nhiệt độ từ 200 – 280oC, tùy vào nhiệt độ hịa tan sẽ có áp suất
tương ứng, ví dụ như ở 240oC thì áp suất là 3 MPa. Sau đó hạ nhiệt độ của hỗn hợp
này xuống 106oC, ở điều kiện áp suất khí quyển.
Quy trình cơng nghệ sản xuất alumin từ bauxite được trình bày trong Hình 1.3 [61, 50]:
Công nghệ Bayer chủ yếu gồm các cơng đoạn:
- Bauxite được hồ tách với dung dịch kiềm NaOH. Lượng Al2O3 được tách ra
trong dạng NaAlO2 hoà tan và được tách ra khỏi cặn khơng hồ tan (gọi là bùn đỏ do chủ yếu là các oxit sắt nên có màu đỏ, ngồi ra cịn có oxit titan, oxit silic…).
Hồ tách > 1000C Kết tủa < 1000C
- Dung dịch aluminate NaAlO2 được hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho mầm vào để kết tủa Al(OH)3.
Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành Al2O3 thành phẩm
Hình 1.3. Quy trình sản xuất alumin [61]
Giải thích quy trình:
Nghiền và trộn bauxite với dung dịch NaOH: Sau khi đập kích thước hạt
cịn thơ, do đó phải nghiền mịn. Tinh quặng nghiền ở dạng ướt đến cỡ hạt mịn để q trình hịa tách đạt hiệu quả cao.
Hòa tan: Quá trình này được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ là từ 220-
250oC. Dung dịch NaOH sẽ hịa tan nhơm oxit trong bauxite để tạo dung dịch natri
aluminate, còn các cấu tử khác như Fe2O3 còn lại ở dạng rắn.
Lọc: Hỗn hợp thu được từ khâu hòa tan được lọc để lấy dung dịch natri
aluminate NaAlO2. Phần cặn còn lại là bùn chứa Fe2O3, SiO3, TiO2…
Làm nguội rồi lọc: Ở nhiệt độ thấp dung dịch natri aluminate NaAlO2
chuyển hóa thành hydrat nhơm (Al2O3(H2O)3) kết tủa và dung dịch NaOH. Làm bay
hơi dung dịch NaOH, dung dịch NaOH đặc được tái tuần hồn.
NaOH Bauxite Hịa tan Nước Phần rắn Rửa Sấy khô Bùn đỏ khô Lọc Loại bỏ Silic Kết tủa Al(OH)3 Dung dịch NaAlO2 Al(OH)3 CO2 Mầm kết tủa
Nung hydroxit nhôm: Nung hydroxit nhôm ở nhiệt độ cao nhằm nhận được
các sản phẩm alumin phù hợp.
Rửa bùn đỏ: Bùn đỏ được lấy ra sau quá trình lọc chứa một lượng lớn natri
aluminat và kiềm. Khâu rửa bùn đỏ nhằm thu hồi triệt để natri aluminat và kiềm bằng cách rửa ngược dòng.
Thải bùn đỏ: Huyền phù bùn đỏ và cát được thu vào bể chứa bùn để thải. Từ
bể này nó được bơm ra hồ bùn đỏ. Ở hồ, bùn đỏ lắng xuống đáy, nước hồ được bơm trở lại trạm xử lý nước để quay vòng trở lại quy trình Bayer hoặc bơm vào trạm trung hòa để thải ra ngồi mơi trường.
Theo báo cáo đánh giá tác động môi trường của nhà máy Nhân Cơ thì để sản xuất ra 600.000 tấn alumin, mỗi năm nhà máy sử dụng 1.563.409 tấn quặng bauxite tinh và tiêu thụ 40.046,5 tấn NaOH. Cũng theo tính tốn và dự báo thì lượng bùn đỏ phát sinh từ khâu sản xuất alumin là 650.000 tấn/năm, lượng NaOH kèm theo bùn đỏ là 2.996 tấn/năm [19]. Như vậy mỗi năm nhà máy sẽ thất thoát 7,48% NaOH do dung dịch kiềm bám theo bùn đỏ. Kiềm chiếm 0,46% theo khối lượng trong hỗn hợp bùn đỏ. Đây là nguyên nhân khiến độ kiềm trong bùn đỏ rất cao (pH = 12,5- 13).