CHƯƠNG 2 LUẬN CHỨNG CHO SỰ CẦN THIẾT QUY HOẠCH MẠNG LƯỚI QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG
2.1. Tổng quan ngành khai thác, chế biến Bauxite và luyện nhôm
2.1.1. Lịch sử khai thác và sử dụng bauxite
Bauxite được sử dụng từ rất lâu trước khi được dùng để tinh luyện ra nhôm. Ở Guyana, quặng bauxite đã được sử dụng để làm vật liệu xây dựng nhà với tên gọi là
“bùn nâu” mà sau này được gọi là bauxite. Loại vật liệu này còn được sử dụng để làm bình đựng và các đồ gia dụng trong gia đình trước đây. Mãi đến năm 1825, khi nhà hóa học Đan Mạch, Hans Oerstad đã tách được một lượng nhỏ nhôm từ bauxite, từ đó về sau những quy trình tách nhôm từ bauxite bắt đầu được hình thành. Năm 1886, Charles Hall người Mỹ và Paul Heroult trong những nghiên cứu độc lập đã đề xuất quá trình điện phân alumin để sản xuất nhôm kim loại. Quy trình tách nhôm từ quặng bauxite nổi tiếng nhất và được ứng dụng cho đến ngày nay đó là quy trình Bayer, quy trình này được nhà khoa học Karl Bayer giới thiệu vào năm 1887. Đây được xem là quy trình có ảnh hưởng lớn nhất đối với ngành luyện kim. Ngày nay, quy trình này vẫn không thay đổi và nó tạo ra hầu hết alumina (Al2O3) trên thế giới.
2.1.2. Sự phân bố của bauxite
Các quặng bauxite phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới, Caribe, Địa Trung Hải và vành đai xung quanh xích đạo, người ta tìm thấy quặng bôxít ở các vùng lãnh thổ như Úc, Nam và Trung Mỹ (Jamaica, Brazil, Surinam, Venezuela, Guyana), châu Phi (Guinea), châu Á (Ấn Độ, Trung Quốc, Việt Nam), Nga, Kazakhstan và châu Âu (Hy Lạp).
Hình 2.1. Trữ lượng và trữ lượng có khả năng khai thác bauxite của các nước trên thế
giới
Ban đầu hoạt động khai thác bauxite, chế biến alumia và luyện nhôm phát triển mạnh ở vùng Địa Trung Hải nhưng về sau do chi phí khai thác ngày càng cao nên hoạt động này dần dần chuyển sang các nước vùng Nam Mỹ và châu Úc. Hiện nay, Úc được xem là nước có ngành công nghiệp khai thác bauxite, chế biến alumia và luyện nhôm phát triển nhất thế giới và cũng là nước xuất khẩu hàng đầu.
Bảng 2.1. Các nước có tài nguyên quặng bauxite hàng đầu thế giới
Các nước Sản xuất (ngàn tấn) Trữ lượng chắc
chắn (Tr tấn)
Tài nguyên dự báo (Tr. tấn)
Năm 2007 Năm 2008
Úc 62.400 63.000
(67.000)
5.800 (6.200) 7.900
Brasil 24.800 25.000
(31.000) 1.900 (3.600) 2.500
(không có số liệu)
Trung Quốc 30.000 32.000
(46.000) 700 (830) 23.000
Hy Lạp 2.220 2.200 600 650
Ghi nê 18.000 18.000 7.400 8.600
Guyana 1.600 1.600 700 900
Ấn độ 19.200 20.000 770 1.400
Jamaika 14.600 15.000 2.000 2.500
Kazastan 4.800 4.800 360 450
Nga 6.400 6.400 200 250
Suriname 4.900 4.500 580 600
Venezuela 5.900 5.900 320 350
Việt Nam 30
(80)
30
(80) 2.100 5.400
Các nước
khác 7.150 6.800 3.200 3.800
Tổng 202.000 205.000 27.000
(29.000) 38.000
Nguồn: U.S. Geological Survey. Mineral Commodity Summaries, 2007-2008 và 2011-
2012.)
Hình 2.2. Các nước sản xuất Bauxite trên thế giới
2.1.3. Quy trình sản xuất nhôm
Hiện nay quy trình sản xuất nhôm trên thế giới được thực hiện theo 3 giai đoạn
chính đó là: Khai thác bauxite, chế biến alumina và luyện nhôm, mỗi giai đoạn sử dụng một phương pháp khác nhau. Trong đó giai đoạn chế biến alumina và luyện nhôm được thực hiện theo 2 quy trình: quy trình Bayer-chế biến bauxite thành alumina và quy trình Hall-Heroult- điện phân alumina thành nhôm.
+ Phương pháp khai thác bauxite (bauxite mining) Khai thác và chế biến bauxite rất đơn giản và không cần đến kỹ thuật cao như các ngành khai khoáng khác. Thông thường, bauxite được khai thác từ các mỏ lộ thiên sau khi ủi đi lớp đất mặt (top soil) và cây cối ở bên trên. Số đất mặt này được gom lại đưa vào khu vực dự trữ để dùng vào việc hoàn thổ vùng mỏ sau khi hoàn tất việc khai thác. Thảm bauxite có chiều dày trung bình từ 4m đến 6m. Khai thác thường ít phải dùng khoan hay đặt thuốc nổ. Quặng bauxite sau khi được khai thác được vận chuyển về nhà máy để được đập vụn, xay, nghiền hoặc rửa để loại bỏ bùn, đất trước khi đem đi chế biến. Khác với các quặng kim loại, phần lớn quặng bauxite đều có đủ tiêu chuẩn.
2.1.4. Phương pháp chế biến alumin (alumina refining)
Alumin được chế biến từ bauxite bằng phương pháp Bayer. Phương pháp này được Karl Joseph Bayer phát minh vào năm 1887. Đây là phương pháp ít tốn kém nhất để chế biến alumina và vẫn còn thông dụng cho đến ngày hôm nay.
Trước tiên quặng bauxite được nghiền cho đều hạt, sau đó tiến hành trộn với sodium hydroxide (NaOH) trong bồn chuyển hóa (digester) dưới áp suất và nhiệt độ cao để tạo thành một dung dịch (solution) gồm sodium aluminate (NaAlO2) và cặn (residues) sắt (ion), silicon, và titanium, thường được gọi là bùn đỏ (red mud). Bùn đỏ được đưa sang bồn lọc (filter), ở đó, cặn sẽ lắng xuống đáy bồn và được thải ra ngoài.
Sau đó, dung dịch sodium aluminate (NaAlO2) được bơm qua bồn kết tủa (precipitator), ở đó hóa chất (vôi để tái sinh xút) được thêm vào, sodium alumina (NaAlO2) ngậm nước được kết tinh và tạo mầm dưới dạng các tinh thể trihydrat (Al(OH)3), các tinh thể này sẽ lắng xuống đáy bồn sau đó được rửa sạch trước khi đưa sang bồn sấy quay (rotary or fluidised calciner) ở nhiệt độ lên đến 1.100oC để sấy khô thành bột alumina nguyên chất màu trắng. Dung dịch sodium hydroxide được đưa qua bồn chuyển hóa để dùng lại. Phương pháp Bayer này cần từ 2 đến 3 tấn bauxite để chế biến 1 tấn alumina.
Hình 2.3. Quy trình chế biến Alumina(Al2O3) từ quặng bauxite
2.1.5. Phương pháp luyện nhôm
Nhôm được tinh luyện từ alumina bằng phương pháp Hall-Héroult. Ðây là phương pháp điện phân (electrolysis) do hai nhà khoa học Charles Hall (Hoa Kỳ) và Paul Héroult (Pháp) phát minh độc lập với nhau vào năm 1886. Alumina được hòa tan trong dung dịch cryolite (sodium aluminum fluoride, Na3AlF6) nóng chảy trong một nồi sắt lớn (pot) có tráng carbon hoặc graphite. Một dòng điện hạ thế (5.25 Volt) một chiều nhưng có cường độ rất cao (200.000 đến 350.000 Ampere) được cho chạy qua chất điện phân từ dương cực (làm bằng than coke) và âm cực (lớp carbon hoặc graphite tráng nồi). Oxy phản ứng với carbon trong alumina tạo ra carbon dioxide và nhôm nóng chảy. Nhôm nóng chảy lắng xuống ở đáy nồi và sẽ được lấy ra định kỳ.
Tiến trình luyện nhôm bằng phương pháp Hall-Héroult là một tiến trình liên tục vì việc ngừng và chạy lại nồi luyện nhôm rất khó khăn. Nếu việc sản xuất bị ngừng quá 4 tiếng đồng hồ do mất điện, nhôm trong nồi sẽ đặc cứng và phải tốn kém để sửa chữa nồi. Phương pháp Hall-Héroult có thể luyện 2 tấn alumina thành 1 tấn nhôm nhưng đòi hỏi rất nhiều điện năng (khoảng 15.7 kWh/kg hay 15.7 MWh/tấn nhôm).