LUAN AN nghiên cứu khả năng lắng bùn đỏ sau hòa tách bauxit gia nghĩa, tây nguyên

1

MỞ ĐẦU

Theo kết quả thăm dò địa chất, nước ta được xếp vào quốc gia có trữ lượng bauxit
lớn trên thế giới, chủ yếu tập trung tại Tây Nguyên. Đây là tiền đề quan trọng cho xây
dựng nền công nghiệp alumin - nhôm Việt Nam trong tương lai.
Đặc trưng nổi bật của bauxit Tây Nguyên là nhôm oxit tồn tại dạng khoáng vật
gipxit, còn sắt chủ yếu ở dạng gơtit. Theo các nhà khoa học trong và ngoài nước, bauxit
vùng này dễ hòa tách cho phép áp dụng công nghệ Bayer châu Mĩ để sản xuất alumin. Tuy
nhiên, hạn chế lớn là bùn đỏ hình thành sau hòa tách bauxit này rất khó lắng. Đây là đánh
giá đáng quan tâm đối với những người làm công nghệ sản xuất alumin.
Lắng bùn đỏ là công đoạn quan trọng trong sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer
với chức năng tách cặn đỏ ra khỏi dung dịch natri aluminat. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng
trực tiếp cũng như gián tiếp đến quá trình lắng bùn đỏ, trong đó phải kể đến như: thành
phần vật chất và kích thước hạt của bauxit, chế độ công nghệ hòa tách, chế độ lắng bùn đỏ
và đặc biệt là chất trợ lắng sử dụng.
Với tầm quan trọng, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của quá trình lắng trong công
nghệ alumin, đề tài nghiên cứu của luận án được chọn với tên gọi “Nghiên cứu khả năng
lắng bùn đỏ sau hòa tách bauxit Gia Nghĩa, Tây Nguyên”. Nội dung trọng tâm của đề tài
là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng và khả năng cường hóa quá trình
lắng bùn đỏ bauxit Gia Nghĩa bằng các chất trợ lắng là chất hữu cơ tự nhiên và chất hữu cơ
tổng hợp biến tính.
Mục tiêu của luận án:
- Xác định các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến khả năng lắng bùn đỏ.
- Xác định khả năng cường hóa quá trình lắng bùn đỏ bằng các chất trợ lắng hữu cơ
tự nhiên, hữu cơ tổng hợp biến tính ở dạng độc lập hoặc kết hợp, đồng thời làm rõ cơ chế
tương tác của chúng với bùn đỏ.
- Đề xuất phương án sử dụng chất trợ lắng với hàm lượng lựa chọn và chế độ tương ứng.

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu là bùn đỏ của bauxit Gia Nghĩa – một trong những nguồn
quặng có tính đại diện về trữ lượng và thành phần vật chất cho bauxit khu vực Tây Nguyên.
- Đã sử dụng phương pháp nghiên cứu sau đây để thực hiện nội dung của luận án:
phương pháp tổng hợp, phân tích đánh giá, phương pháp thực nghiệm và các phương pháp
xử lý kết quả thực nghiệm.


2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Đây là công trình nghiên cứu cơ bản, toàn diện đầu tiên ở nước ta về lắng bùn đỏ
trong công nghệ sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer châu Mỹ từ quặng tinh bauxit
Gia Nghĩa.
+ Làm rõ căn cứ khoa học của một số yếu tố ảnh hưởng đáng kể tới khả năng lắng
của bùn đỏ: thành phần vật chất (hàm lượng gơtit), kích thước hạt và lượng nạp bauxit cho
hòa tách, hệ số pha loãng huyền phù, nhiệt độ lắng.
+ Khảo sát khả năng trợ lắng bùn đỏ của các chất hữu cơ tự nhiên (tinh bột mỳ, tinh
bột DR), hữu cơ tổng hợp biến tính (HX400, HX600) và phương án kết hợp (tinh bột DR
với HX600).
 Đối với chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên, đã phát hiện ra tinh bột DR – nguồn
nguyên liệu sẵn có trong nước, có khả năng trợ lắng cao hơn tinh bột mỳ - chất trợ lắng
truyền thống. Đây là một phát hiện mới đóng góp đáng kể vào việc phát triển loại chất trợ
lắng hữu cơ tự nhiên. Còn với hai chất trợ lắng hữu cơ tổng hợp biến tính HX400 và
HX600 thì HX600 cho kết quả lắng cao hơn.
 Phương án kết hợp giữa chất hữu cơ tổng hợp biến tính (HX600) và hữu cơ tự
nhiên (tinh bột DR) với hàm lượng được chọn đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tốt. Sự kết
hợp này cũng là một đóng góp mới trong việc đa dạng hóa phương án sử dụng chất trợ lắng
hữu cơ tự nhiên và tổng hợp biến tính.
Kết quả lựa chọn phương án sử dụng độc lập chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên (tinh bột

DR) hay hữu cơ tổng hợp biến tính (HX600) hoặc phương án kết hợp cả hai loại trên không
chỉ có ý nghĩa lớn đối với thực tiễn lắng trong công nghệ sản xuất alumin mà còn giảm được
mức độ gây ô nhiễm môi trường.

Nội dung và bố cục của luận án:
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận chung, nội dung của luận án được trình bày
trong 4 chương.
Chương 1. Tổng quan về bùn đỏ và quá trình lắng bùn đỏ
Chương 2. Cơ sở lý thuyết quá trình lắng tách bùn đỏ
Chương 3. Chuẩn bị mẫu và các phương pháp nghiên cứu
Chương 4. Kết quả và thảo luận


3

Chương 1
TỔNG QUAN

1.1. Sự hình thành và những tính chất đặc trưng của bùn đỏ
Kể từ khi được phát minh vào năm 1888 và năm 1894 cho đến nay, công nghệ
Bayer (mang tên nhà phát minh Dr.Karl Josep Bayer) vẫn chiếm vị trí chủ đạo trong công
nghiệp sản xuất alumin - Al
2
O
3
của thế giới. Hiện nay và dự báo trong tương lai, khoảng
90% sản lượng alumin của thế giới vẫn được sản xuất bằng công nghệ này.
Nguồn nguyên liệu chính cho sản xuất alumin là bauxit. Thành phần của bauxit
thay đổi trong phạm vi rất rộng không chỉ giữa các mỏ mà ngay chính trong một địa điểm
khai thác. Theo độ sâu khác nhau, thành phần vật chất của bauxit đã có sự khác biệt rõ rệt.

Thành phần hoá học và khoáng vật cơ bản của bauxit ở một số nước được xử lý
bằng công nghệ Bayer nêu trong bảng 1.1 và bảng 1.2.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học và khoáng vật cơ bản của bauxit [76]
Thành phần hoá học, % Thành phần khoáng vật
Al
2
O
3
: 40

65 diaspo

- Al
2
O
3
.H
2
O
bơmit - Al
2
O
3
.H
2
O
gipxit -Al
2
O
3

.3H
2
O
SiO
2
: 0,5

10
kaolinit Al
4
(OH)
8
.SiO
2
.O
10
thạch anh SiO
2

Fe
2
O
3
:

3

30 hematit

- Fe

2
O
3
gơtit - Fe
2
O
3
.H
2
O
TiO
2
: 0,5

8
anatat TiO
2
rutin TiO
2

H
2
O: 10

34
hydrat trong diaspo, bơmit, gipxit, gơtit

Bảng 1.2. Thành phần hóa học cơ bản của bauxit ở một số nước [49]
Tên nước
Thành phần hóa học, %

Al
2
O
3
Fe
2
O
3
SiO
2
TiO
2
MKN
Liên Xô (cũ) 52 25 4,0 2,2 11
Guinea 41-43 23-28 1,9-2,3 1,5-3,0 23-25
Jamaica 49-50 20-24 1-3 2,3 24-28



4

Như vậy, Al
2
O
3
là hợp chất chính tồn tại trong bauxit. Quá trình sản xuất alumin
bằng công nghệ Bayer từ quặng bauxit thực chất là quá trình hòa tan Al
2
O
3

trong dung môi
kiềm - NaOH, nhằm tách thành phần Al
2
O
3
có trong bauxit ra khỏi các tạp chất khác không
bị hòa tan, tạp chất này chủ yếu là các ôxit.
Chất lượng của bauxit không chỉ được đánh giá qua hàm lượng thành phần có ích
Al
2
O
3
mà còn phải căn cứ vào cả tạp chất rất có hại là SiO
2
. Bauxit được coi là tốt nhất nếu
chúng có hàm lượng nhôm ôxit cao và silic ôxit thấp. Trong thực tế, chất lượng bauxit
được đánh giá bằng môđun silic – M
Si
.
M
Si
> 7: bauxit có chất lượng tốt, thích hợp với công nghệ Bayer.
3 < M
Si
< 7: bauxit có chất lượng trung bình, thích hợp với công nghệ thiêu kết
hoặc kết hợp hai công nghệ: Bayer và thiêu kết.
M
Si
< 3: bauxit có chất lượng kém, không phù hợp cho sản xuất alumin.
Hàm lượng hydrat - nước kết tinh quyết định cấu trúc tinh thể của nhôm ôxit. Về

phương diện này, có các khoáng vật chứa Al
2
O
3
tương ứng: gipxit - Al
2
O
3
.3H
2
O hay còn
gọi là hydragilit, bơmit và diaspo (Al
2
O
3
.H
2
O). Độ hòa tan của các khoáng vật này trong
dung dịch kiềm xếp theo thứ tự từ cao đến thấp. Mặt khác, các tính chất vật lý, hoá học
cũng khác nhau.

Tùy thuộc vào dạng tồn tại của khoáng vật chứa nhôm trong bauxit, người ta chia
công nghệ Bayer thành hai loại: công nghệ Bayer châu Âu và công nghệ Bayer châu Mỹ.
Công nghệ Bayer châu Mỹ: áp dụng cho loại bauxit chứa chủ yếu khoáng vật dạng
gipxit dễ hòa tách, nhiệt độ hòa tách cao nhất đạt 140145
o
C.
Công nghệ Bayer châu Âu: áp dụng cho loại bauxit chứa chủ yếu khoáng vật dạng
bơmit hoặc diaspor, nhiệt độ hòa tách >200
o

C có khi đạt tới ~300
o
C [85].
Tuy không ngừng được hoàn thiện về công nghệ, kỹ thuật và đã có nhiều bổ sung,
cải tiến, song về nguyên lý cơ bản của công nghệ này thì không thay đổi. Hình 1.1 giới
thiệu sơ đồ công nghệ Bayer sản xuất alumin

tổng quát và rút gọn.




Al
2
O
3
.3H
2
O
Gipxit

- Al
2
O
3
.H
2
O
Bơmit
α - Al

2
O
3
.H
2
O
Diaspo

-Al
2
O
3





-Al
2
O
3

Corindon


5

Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất alumin từ bauxit bằng phương pháp Bayer tổng quát và rút
gọn [4]


Bauxit

NaOH

Đập
Dung dịch cái

Nghiền/ (Tiền khử silic)
CaO
Hoà tách
Dung dịch luân lưu
Pha loãng/ (Hậu khử silic)
Lắng bùn đỏ
Dung dịch aluminat
Lọc kiểm tra
Trao đổi nhiệt
Phân huỷ
Lọc, Rửa
Al(OH)
3
Nung
Sản phẩm Alumin

Tâm mầm

Bùn đỏ
Rửa/Lọc
Nước
Nư
ớc rửa
Thải

6

Công nghệ Bayer gồm các công đoạn chủ yếu sau:
Gia công quặng tinh bauxit: quặng tinh bauxit được đập, nghiền đến cỡ hạt thỏa
mãn các công đoạn tiếp theo. Tùy thuộc vào hàm lượng silic có trong quặng mà công đoạn
khử silic được thực hiện trước công đoạn hòa tách - tiền khử silic. Thông thường, công
đoạn tiền khử silic được thực hiện cùng công đoạn nghiền ướt quặng trên một thiết bị
nghiền.
Hòa tách: quặng tinh bauxit sau khi nghiền và khử silic được hòa tách trong dung
dịch kiềm tạo thành hệ huyền phù gồm: pha lỏng là dung dịch natri aluminat – NaAlO
2
và
pha rắn – bùn đỏ.
Huyền phù được pha loãng nhằm tăng tỷ lệ lỏng/rắn, một mặt giúp cho xử lý những
công đoạn sau được dễ dàng hơn, mặt khác tránh hiện tượng nhôm hydroxit phân hủy sớm.
Tuy nhiên, nếu trong dung dịch natri aluminat vẫn chứa hàm lượng silic ôxit cao thì cần
phải thêm công đoạn khử silic sau hòa tách - hậu khử silic.
Phân chia pha rắn và lỏng hay còn gọi là lắng bùn đỏ nhằm tách bùn đỏ ra khỏi
dung dịch natri aluminat.
Phân hủy dung dịch: Dung dịch natri aluminat sạch được phân hủy ở nhiệt độ thích
hợp với việc cho thêm mầm nhôm hydroxit để kết tủa Al(OH)
3
.
Nung Al(OH)
3
: Sản phẩm Al(OH)
3
cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành

alumin.

Quá trình khử silic của bauxit
Trong công nghệ Bayer, khi hoà tan bauxit với dung dịch kiềm, các khoáng vật
chứa SiO
2
có trong bauxit như caolinit, haloysit, illit…sẽ tham gia phản ứng với kiềm và
tạo ra hợp chất mới 3(Na
2
O.Al
2
O
3
.2SiO
2
)Na
2
X.aH
2
O với X có thể là CO
3
2-
, SO
4
2
, 2OH
-
,
2AlO
2

-
….hợp chất này không tan, tích tụ thành bùn bám vào các đường ống, thiết bị trao
đổi nhiệt, các ôtôcla, thiết bị cô đặc và ở nhiều vị trí khác nhau trên dây chuyền dẫn đến
nhiều sự cố ách tắc hoạt động nhà máy sản xuất alumin. Để giảm bớt những sự cố này,
công đoạn tiền khử silic và hậu khử silic được đưa vào dây chuyền công nghệ Bayer.
Những phương pháp công nghiệp dùng để khử SiO
2
của dung dịch natri aluminat bao
gồm [3]:
Khử trong ôtôcla ở 150170
0
C
Khử trong ôtôcla có thêm vôi
Khử ở áp suất thường không có chất cho thêm
Khử ở áp suất thường có cho thêm vôi hoặc chất phụ gia khác


7

Trong quá trình khuấy trộn dung dịch, không phải toàn bộ SiO
2
đều tạo thành
alumosilicat không tan và không phải lắng ra ngay lập tức. Dung dịch càng đậm đặc thì SiO
2

còn lại trong dung dịch càng nhiều, còn khi dung dịch ở nhiệt độ càng cao và lắng càng lâu thì
SiO
2
trong dung dịch càng ít.

Quá trình hòa tách bauxit bằng phương pháp Bayer
Công nghệ Bayer được dựa trên cơ sở của phản ứng thuận nghịch sau [3]:

Lúc đầu phản ứng xảy ra nhanh, sau đó chậm dần và không thể hòa tách triệt để Al
2
O
3

từ bauxit kể cả khi kéo dài thời gian mà vẫn giữ nguyên nhiệt độ hòa tách.
Hiệu suất của quá trình hòa tách phụ thuộc nhiều vào yếu tố như: nhiệt độ, thời gian
hòa tách, nồng độ dung dịch, tỷ lệ rắn/lỏng, bản chất của bauxit….
Để tính hiệu suất hoà tách lý thuyết cần dựa trên cơ sở phân tích hoá và phân tích pha
(dạng tồn tại của khoáng vật chứa nhôm). Tuy nhiên, để đơn giản hóa, hiệu suất hoà tách lý
thuyết (
lt
) thường được tính theo công thức sau [3]:
,%100.
32
232
OAl
SiOOAl
lt



(1.1)
Trong đó:
Al
2
O

3
- hàm lượng nhôm ôxit trong tinh quặng bauxit
SiO
2
- hàm lượng silic ôxit trong tinh quặng bauxit
Còn hiệu suất hoà tách thực tế (
tt
) được tính theo công thức [3]:
%1001%100
32
32
32
32
32
32
32
3232











bd
bx

bx
bd
bx
bd
bx
bdbx
tt
OFe
OFe
x
OAl
OAl
OAl
OFe
OFe
xOAlOAl
n (1.2)
Trong đó:
Al
2
O
3
bx
, Al
2
O
3
bd
là hàm lượng Al
2

O
3
trong bauxit và trong bùn đỏ
Fe
2
O
3
bx
, Fe
2
O
3
bd
là hàm lượng Fe
2
O
3
trong bauxit và trong bùn đỏ

Quá trình lắng tách bùn đỏ ra khỏi dung dịch natri aluminat
Sau khi hòa tách bauxit, việc tách dung dịch natri aluminat ra khỏi bùn đỏ là một trong
các khâu rất quan trọng trong dây chuyền công nghệ Bayer, nó phụ thuộc chủ yếu vào thành

Hoà tách > 100

0
C


Phân hóa <

100

0
C

NaAl(OH)
4
(1) Al(OH)
3
+ NaOH


8

phần vật chất của bauxit và điều kiện hòa tách. Đối với những loại quặng chứa nhiều sắt ở
dạng gơtit thì việc lắng, lọc là rất khó khăn. Thông thường khi tiến hành quá trình này phải cho
thêm chất trợ lắng.

Phân hủy dung dịch natri aluminat
Sau khi lắng, lọc, dung dịch natri aluminat được phân hủy để kết tủa ra nhôm hydroxit
theo phản ứng sau:
NaAl(OH)
4


Al(OH)
3
 + NaOH (2)
Phân hủy là một trong những quá trình hóa học phức tạp. Hiện nay, tồn tại nhiều lý
thuyết với những cách giải thích khác nhau về cơ chế của quá trình này. Nói chung, quá trình

phân hủy gồm hai giai đoạn: Tạo mầm kết tinh và phát triển mầm.
Hiệu suất của quá trình phân hủy được tính bằng công thức [3]:
,%100.1100.









c
a
c
ac





(1.3)
Trong đó:

c
: tỷ số costic của dung dịch cái

a
: tỷ số costic của dung dịch aluminat trước khi phân hủy

Nung nhôm hydroxit
Nung là công đoạn cuối cùng trong sản xuất alumin. Mục tiêu của quá trình nung là
làm mất nước của nhôm hydroxit - Al(OH)
3
để nhận được alumin - Al
2
O
3
.
Quá trình nung có sự biến đổi trải qua từng giai đoạn nhiệt độ khác nhau [3]:
 Ở nhiệt độ 110120
0
C: nhôm hydroxit mất hết nước ẩm.
 Ở nhiệt độ 500550
0
C diaspor mất phân tử nước kết tinh và biến thành alumin
không ngậm nước dạng γ-Al
2
O
3
dễ hút ẩm.
 Ở nhiệt độ 850
0
C, γ-Al
2
O
3
bắt đầu chuyển pha thành α-Al
2
O

3
. Quá trình này
kết thúc ở nhiệt độ 11501200
0
C.
Như vậy, bùn đỏ được hình thành trong quá trình sản xuất alumin trực tiếp từ quặng
tinh bauxit. Bùn đỏ là hỗn hợp các oxit không hòa tan trong môi trường kiềm, bao gồm: sắt
oxit, silic oxit, titan oxit, nhôm oxit
Do thành phần vật chất của bauxit khác nhau và công nghệ sản xuất từ chúng cũng
có sự thay đổi nên thành phần hóa học của bùn đỏ thường có sự khác biệt (bảng 1.3).



9

Bảng 1.3. Thành phần hóa học của một số loại bùn đỏ [49]
Thành
phần, %
Trombetas (Brasil) Darling Range (Australia) South Manch (Jamaica)
Nhiệt độ hòa tách,
o
C
143 143 245
Al
2
O
3

SiO
2

Fe
2
O
3

TiO
2

MKN
Na
2
O
CaO
Khác
13,0
12,9
52,1
4,2
6,4
9,0
1,4
1,0
14,9
42,6
28,0
2,0
6,5
1,2
2,4

2,4
10,7
3,0
61,9
8,1
8,4
2,3
2,8
2,8

Về định tính, bùn đỏ có thành phần khoáng vật (bảng 1.4) tương tự như thành phần
khoáng vật của bauxit, nhưng có sự thay đổi về định lượng và có thêm hai pha mới:
 Na
2
O.Al
2
O
3
.2SiO
2
.nH
2
O tạo thành trong quá trình khử silic
 Hợp chất có thành phần dao động của CaO với các cấu tử Al
2
O
3
, Na
2
O và SiO

2
,
tạo thành khi trong công nghệ sản xuất alumin có bổ sung thêm vôi.
Bảng 1.4. Thành phần khoáng vật của các loại bùn đỏ khác nhau [49]
Hợp chất Trombetas Darling Range

South Manch
Gipxit
Bơmit
Diaspor
Hematit
Gơtit
Illit
Natrititanat
Quartz
Rutin
CaTiO
2

Canxit
Sodalit
-
0,6
1,2
38
19
-
-
2,2
0,8

1,5
1,4
-
5,6
3,5
2,5
14,5
14,5
4,7
0,6
37,1
-
-
2,3
-
33
2
2
3,5
10
2
-
6
6
-
0,5
-

10
Bùn đỏ có khối lượng riêng 3,3 (từ bauxit Kirkvine, Jamaica), 2,8 (từ bauxit
Arvida, Quebec) và 3,02 g/cm
3
(Kwinana). Li và Rutherford [43] nhận thấy, khối lượng
riêng của bùn đỏ dao động từ 3,6÷4,0 g/cm
3
và diện tích bề mặt riêng 30÷50 m
2
/g với các
loại bauxit khác nhau. Bùn đỏ có tính chất kiềm, pH từ 12÷13,5 (có khi tới 14).
Bauxit trước khi đưa vào hòa tách phải nghiền đến cỡ hạt nhỏ và do quá trình tự vỡ
vụn trong quá trình hòa tách nên bùn đỏ thường có cỡ hạt từ mịn đến rất mịn. Các hạt bùn
đỏ có kích thước lớn hơn 150 µm chiếm 0,1÷50%, phổ biến nhất là 5%. Đa phần bùn đỏ có
cấp hạt dưới sàng 100 µm, trong đó kích thước hạt nhỏ hơn 10 µm chiếm 80%. Bùn đỏ từ
bauxit Jamaica có cấp hạt dưới sàng 44 µm chiếm tới 90% [6, 10]. Bùn đỏ của nhà máy
chế biến bauxit thuộc NALCO có cấp hạt < 8 µm chiếm 80% trong đó cấp hạt < 5 µm chiếm
35% [47]. Theo Parekh và Goldberger [54], 50% bùn đỏ sau khi lắng có cỡ hạt nhỏ hơn 10 µm.
Còn Yong và Ludwig [90] nhận thấy, bùn đỏ Kirkvine chiếm 75% cỡ hạt 1 µm nhưng bùn đỏ từ
bauxit Arvida có cỡ hạt dưới 1 µm chiếm 25%. Glenister và Thornber [31] cho rằng, bùn đỏ
Kwinana có cỡ hạt dưới 2 µm chiếm 40%. Cấp hạt mịn và diện tích bề mặt riêng lớn là nguyên
nhân làm cho tốc độ lắng tự nhiên (lắng dưới tác động của trọng lực) của bùn đỏ diễn ra chậm.
Phân bố cỡ hạt đặc trưng của bùn đỏ được trình bày trên hình 1.2.


Hình 1.2. Phân bố kích thước hạt mịn và hạt thô đặc trưng của bùn đỏ [49]



11

1.2. Sự phân tách các pha rắn, lỏng của bùn đỏ
Để tách hai pha không phân tán vào nhau như: khí – lỏng, lỏng – lỏng, rắn – khí và
rắn – lỏng, người ta sử dụng phương pháp phân chia. Về cơ chế chung, từng hệ nêu trên
đều có thể phân tách bằng 1 trong 4 cách sau [67]:
 Lắng trọng lực
 Lắng ly tâm
 Lọc
 Lọc bụi tĩnh điện
Lắng là quá trình phân chia pha rắn ra khỏi pha lỏng. Quá trình này không kèm
theo phản ứng hóa học và chúng tuân theo các quy luật thủy động học tùy thuộc vào cấu
tạo và chế độ làm việc của thiết bị sử dụng. Thông thường, lắng dùng để phân tách hệ
huyền phù.
Huyền phù là một hệ gồm: pha rắn không hòa tan và pha lỏng. Tùy thuộc vào kích
thước của các hạt rắn, huyền phù được chia làm 3 loại:
Huyền phù thô chứa các hạt rắn có kích thước > 100 μm;
Huyền phù mịn chứa các hạt có kích thước từ 0,5÷100 μm;
Huyền phù vẩn đục chứa các hạt có kích thước 0,1÷0,5 μm.
Huyền phù của nhiều quá trình sản xuất thường chứa vật chất ở trạng thái keo (ví
dụ: các keo axit sillic, hydroxit sắt và hydroxit nhôm ). Kích thước các hạt keo thường <
0,1 μm, nhưng đối với các hạt keo có hình dạng khác thường thì kích thước lớn nhất có thể
đạt 1 μm.
Bùn đỏ là một dạng đặc trưng của hệ huyền phù vì chúng chứa nhiều hạt rắn. Dựa
vào đặc điểm kích thước hạt rắn nêu ở trên, bùn đỏ thuộc loại huyền phù mịn và vẩn đục.
Khi thực hiện quá trình lắng, điều kiện cần thiết để lắng các hạt trong chất lỏng là
trọng lượng của chúng phải lớn hơn lực đẩy Arsimet. Khi đó, tốc độ lắng phụ thuộc vào trở
lực của môi trường.

1.3. Tình hình nghiên cứu quá trình lắng bùn đỏ
1.3.1. Trên thế giới
Như trên đã trình bày, lắng tách bùn đỏ ra khỏi dung dịch natri aluminat là một

trong những bước quan trọng trong quy trình công nghệ Bayer sản xuất alumin từ bauxit.
Bùn đỏ lắng nhanh không những nhận được dung dịch natri aluminat có độ sạch cao mà
chu trình sản xuất alumin còn được rút ngắn.


12
Đối với một số nhà máy xử lý bauxit bằng công nghệ Bayer thì khâu cần quan tâm
nhất là khâu lắng tách bùn đỏ [93]. Tốc độ lắng bùn đỏ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố [96]:
Thành phần quặng, điều kiện hòa tách bauxit, kích thước hạt quặng và điều kiện lắng bùn,
hoặc theo Cytec [28], các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng bùn đỏ bao gồm: kích thước
hạt bauxit, SiO
2
hòa tan, gơtit, tỷ lệ hematit/gơtit, mật độ chất rắn trong huyền phù, độ nhớt
dung dịch aluminat, chất kết bông
Tốc độ lắng bùn đỏ và độ nén bùn đã được nghiên cứu với đối tượng là bauxit
Hungary. Trong suốt thời gian quá trình lắng bùn đỏ diễn ra, người ta đã xác định được tốc
độ lắng bùn đỏ ban đầu chính là điểm gấp khúc P của đường cong lắng (hình 1.3).
Thêi gian l¾ng
ChiÒu cao cét bïn, H
ChiÒu cao cét bïn, H
ChiÒu cao cét bïn, H
ChiÒu cao cét bïn, H
Thêi gian l¾ng Thêi gian l¾ng Thêi gian l¾ng

Hình 1.3. Đường cong lắng đặc trưng của các loại bùn đỏ [75]

Quá trình nghiên cứu lắng bùn đỏ với nồng độ chất rắn khác nhau, nồng độ chất rắn
lại phụ thuộc vào loại bauxit, chế độ hòa tách cũng như hàm lượng chất trợ lắng sử dụng.
Khả năng lắng phụ thuộc vào diện tích bề mặt riêng của pha rắn trong bùn đỏ [75].

Thông thường người ta cho rằng, độ nghiền mịn của bauxit ảnh hưởng đến tốc độ
lắng bùn đỏ. Nhưng khi khảo sát quá trình hòa tách quặng bauxit Hungary thấy rằng, độ
lớn của hạt bùn hầu như không phụ thuộc vào độ nghiền mịn của bauxit [93, 96]. Điều này
có thể giải thích là do các hạt bauxit sẽ bị phân hủy trong quá trình hòa tách. Sự hòa tan
của các hạt bauxit liên tục diễn ra trong quá trình hòa tách nhưng rõ ràng nhất là loại quặng
bauxit gipxit và bơmit. Cho nên, rất khó xác định quy luật phụ thuộc tốc độ lắng bùn đỏ
vào độ nghiền mịn bauxit.


13
Buravlev và cộng sự [20] nghiên cứu quá trình lắng bùn đỏ từ hai loại quặng tinh
bauxit khác nhau là Yugoslav và Greek thấy rằng, so với bùn đỏ Greek, bùn đỏ Yugoslav
chứa nhiều cỡ hạt mịn hơn và tốc độ lắng chậm hơn. Parekh và Goldberger [54] chỉ ra
rằng, hầu hết bùn đỏ chứa khoảng 50% cỡ hạt dưới 10 m và tốc độ lắng của chúng chậm.
Nghiên cứu thành phần độ hạt của bùn đỏ từ quá trình hòa tách các bauxit khác
nhau ở Bắc Uran cho thấy, phần lớn các hạt bùn nhỏ được tạo thành có kích thước 53 m,
bauxit có độ cứng cao hơn sẽ cho kích thước hạt bùn thô hơn làm cho quá trình lắng sẽ tốt
hơn [96]. Khi khối lượng riêng và kích thước hạt bùn tương đương với hạt keo thì các hạt
bùn sẽ lắng rất chậm dưới tác dụng của trọng lực nhưng chúng lại có khả năng kết bông
(khi có mặt chất trợ lắng) và nhanh chóng lắng xuống. Kích thước hạt càng nhỏ thì bề mặt
riêng và năng lượng bề mặt càng lớn do đó khả năng kết bông càng cao. Nguyên nhân này
làm cho một số trường hợp, các hạt nhỏ lại lắng nhanh hơn các hạt lớn.
Trong quá trình lắng, các hạt có kích thước lớn sẽ lắng nhanh hơn và sẽ va chạm
vào các hạt nhỏ. Khi tỷ lệ rắn/lỏng cao thì các hạt va vào nhau nhiều hơn và dễ kết bông,
có nghĩa là các hạt bùn đỏ có kích thước nhỏ thường có độ nén tốt hơn [93, 96].
Một nghiên cứu về ảnh hưởng của các hạt bùn có tính ưa nước và kỵ nước đến quá
trình lắng bùn đỏ thấy rằng, các hạt bùn ưa nước có kích thước lớn sẽ dễ kết bông hơn vì
khi đó khối lượng phân tử nước kết tinh trên một đơn vị khối lượng hạt bùn giảm đi.
Ngược lại, những hạt bùn kỵ nước có kích thước nhỏ sẽ lắng nhanh hơn vì chúng có năng
lượng bề mặt lớn [93].

Cùng với sự giảm kích thước hạt bauxit thì tốc độ lắng bùn đỏ sẽ giảm nhưng diện
tích bề mặt và năng lượng bề mặt hạt bùn tăng lên lại làm tăng khả năng kết bông giữa các
hạt bùn đỏ. Điều này giải thích cho các hạt bùn đỏ kích thước nhỏ mịn khi hòa tách ở nhiệt
độ cao vẫn lắng tốt khi hạt bùn đỏ thuộc dạng ưa nước.
Kompanhiet [93] đã xác định, ảnh hưởng lớn nhất đến tốc độ lắng và mức độ nén
của bùn là đặc tính ưa nước của các hạt bùn. Những bùn ưa nước sẽ giữ một lượng lớn pha
lỏng hay còn gọi là hiện tượng no nước. Điều này dẫn đến khả năng nén kém của bùn.
Những hạt bùn đỏ có kích thước nhỏ có ý nghĩa lớn đến quá trình lắng bùn đỏ kể cả
khi chúng chiếm một phần nhỏ phần trăm về trọng lượng trong bùn đỏ. Vì thông thường,
quá trình lắng bùn đỏ hoàn thành khi trong dung dịch aluminat còn lẫn một lượng chất rắn
lơ lửng xác định mà không thể tách được chứ không phải tổng khối lượng bùn đã bị lắng
xuống [43].
Nồng độ chất rắn cũng ảnh hưởng đến tốc độ lắng. Khi nồng độ chất rắn tăng, tốc
độ lắng giảm [16, 19, 29, 40, 54]. Hiện tượng này được giải thích là do tăng sự cản trở


14
trong quá trình lắng. Orban và cộng sự [51] cũng thấy rằng, quá trình lắng bùn đỏ liên quan
đến tổng diện tích bề mặt hạt, được xác định bởi kích thước hạt và nồng độ chất rắn.
Ảnh hưởng lớn đến quá trình lắng bùn đỏ phải kể tới sự tồn tại của một số khoáng
vật có trong thành phần bauxit. Đã xác định được rằng, khi hòa tách bauxit không triệt để,
bùn đỏ tạo thành rất khó lắng [96]. Nguyên nhân của nó một phần là do khối lượng riêng
của bùn đỏ chứa Al(OH)
3
chưa được hòa tách nhỏ hơn khối lượng riêng của bùn được hòa
tách hoàn toàn. Nhôm hydroxit chưa được hòa tách dạng hydragilit và bơmit trong dung
dịch có tính không bền nên đóng vai trò như một chất mồi làm cho dung dịch aluminat bị
phân hủy trong quá trình lắng bùn. Nhôm hydroxit kết tủa xuống làm cho khối lượng riêng
của bùn đỏ giảm do đó giảm khả năng lắng bùn.
Theo Kompanhiet [93], những bauxit chứa nhiều khoáng silic hòa tan sẽ làm giảm

khả năng lắng bùn vì nó sẽ tạo ra các kết tủa mịn trong quá trình hòa tách. Nghiên cứu đã
chỉ ra rằng, với những bauxit chứa lớn hơn 10% SiO
2
hòa tan thì độ nén bùn đỏ rất kém.
Kompanhiet cũng nghiên cứu hành vi của SiO
2
tồn tại ở các dạng khoáng khác
nhau đến quá trình lắng bùn đỏ. Cụ thể, nghiên cứu lắng bùn đỏ của một số loại bauxit
được hòa tách ở 275
o
C. Khi hòa tách bauxit chứa ít SiO
2
có cho thêm 12% SiO
2
dạng
kaolinit thì khả năng lắng bùn đỏ của bauxit này tương đương với bauxit chứa 12% SiO
2

hòa tan.
Trong một thí nghiệm khác, ông cho thêm vào quá trình hòa tách SiO
2
dạng thạch
anh thì bùn đỏ lắng tương đương với bùn đỏ khi không cho thêm gì vào mặc dù ở nhiệt độ
xử lý, phản ứng giữa SiO
2
với kiềm tạo ra kết tủa như nhau.
Điều này được giải thích như sau: Kaolinit phản ứng với dung dịch kiềm ngay khi
nhiệt độ thấp và kết tủa tạo thành siêu mịn. Thạch anh tác dụng với kiềm chậm hơn và chỉ
ở nhiệt độ cao nên tinh thể sẽ được lớn lên, điều này giúp quá trình lắng nhanh hơn so với
kết tủa dạng siêu mịn.

Khi thay đổi thời gian hòa tách một loại bauxit ở nhiệt độ 180÷230
o
C thì thấy rằng,
thời gian hòa tách không ảnh hưởng đến quá trình lắng và nén bùn đỏ. Tuy nhiên, khi nâng
nhiệt độ hòa tách lên 260
o
C thì quá trình lắng tốt hơn rất nhiều cho dù hàm lượng SiO
2

trong bauxit cao. Tăng nhiệt độ hòa tách đến 290
o
C bùn đỏ trở nên lắng tốt kể cả SiO
2

trong bauxit rất lớn [93].
Ảnh hưởng lớn đến quá trình lắng phải kể đến khoáng ôxit sắt dạng gơtit, limonit
[42, 43, 93, 96]. Khi hòa tách chúng mất nước và tạo thành ôxit sắt siêu mịn. Khi pha
loãng huyền phù và rửa bùn đỏ, chúng hút lại nước và trương phình lên làm cho quá trình


15
lắng kém [93, 96]. Bùn đỏ chứa sắt chủ yếu dạng hematit sẽ lắng nhanh hơn bùn đỏ chứa
sắt dạng gơtit [43].
Hematit - Fe
2
O
3
, gơtit - α-FeOOH, alumogơtit - α-(Al,Fe)OOH và alumohematit –
(Al,Fe)
2

O
3
là những khoáng vật của sắt thường thấy trong bauxit laterit. Cornell và
Schwertmann [25] đã tổng hợp các kết qủa nghiên cứu về đặc tính hóa lý của alumogơtit
và alumohematit nhân tạo cho thấy, thay thế đồng hình của Al có thể tới 33% mol Al trong
mạng alumogơtit và 16% mol Al trong mạng alumohematit. Trong điều kiện hòa tách ở
nhiệt độ thấp từ 100÷150
o
C, tất cả khoáng chất của sắt đều không hòa tan trong môi
trường kiềm. Tuy nhiên, khi hòa tách ở nhiệt độ cao từ 250
o
C trở lên thì khả năng sắt bị
hòa tan tăng lên và gơtit chuyển thành hematit theo phản ứng:
2α-FeOOH = Fe
2
O
3
+ H
2
O (3)
Quá trình hòa tan và kết tủa của hợp chất sắt bị ảnh hưởng bởi hình dạng, cỡ hạt và
hàm lượng của nó trong dung dịch aluminat [15]. Trong khi động học quá trình biến đổi từ
gơtit sang hematit lại phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt riêng của hematit, nồng độ
kiềm costic và đặc biệt là sự có mặt của TiO
2
ở dạng anatas. Anatas có ảnh hưởng đến cân
bằng giữa gơtit và hematit, làm giảm khả năng chuyển đổi từ gơtit sang hematit [48].
L.Y.Li [42] cho rằng, ở nhiệt độ cao (220÷250
o
C) các khoáng chứa sắt có thể bị

hòa tan 50 mg Fe
2
O
3
/lít Na
2
O
c
. Gơtit và alumogơtit có cấu trúc hạt mảnh hơn hematit nên
trong thời gian ngắn chúng cũng có thể hòa tan và kết tủa nhanh hơn hematit. Bauxit có
hàm lượng TiO
2
cao sẽ làm chậm thậm chí ngăn cản quá trình chuyển biến của alumogơtit
sang hematit. Trường hợp này, nếu trong quá trình hòa tách bauxit bổ sung một lượng CaO
hợp lý để nó có thể phản ứng với TiO
2
(dạng peroskit CaTiO
3
) nhằm nâng cao khả năng
thu hồi Al trong mạng alumogơtit.
Thành phần của sắt sẽ có sự biến đổi lớn khi hòa tách bauxit ở nhiệt độ 140250
o
C
[39, 73]. Alumogơtit bị biến đổi thành hematit theo phản ứng:
(Fe
x
,Al
1-x
)
2

O
3
.H
2
O
+
(2 - 2x)NaOH  xFe
2
O
3
+ (2 – 2x)NaAlO
2
+ (2 – x)H
2
O (4)

Vì thế, trong thành phần bùn đỏ chỉ thấy xuất hiện hematit.
Một nghiên cứu cho thấy, quá trình lắng bùn đỏ khi hòa tách bauxit ở nhiệt độ
180÷230
o
C cho tốc độ lắng chậm nhưng cũng bauxit này được hòa tách ở nhiệt độ 260
o
C
thì tốc độ lắng lại nhanh hơn đáng kể. Giải thích nguyên nhân bùn đỏ lắng nhanh khi hòa
tách ở nhiệt độ cao là do chuyển biến của sắt dạng gơtit sang hematit chỉ xảy ra một chiều,
có nghĩa là sẽ không xảy ra hiện tượng hút lại nước trong quá trình pha loãng và rửa bùn
đỏ sau này [93, 96].


16

Khi nghiên cứu một vài mẫu bùn đỏ của bauxit thuộc Jamaica, Strahn [83] nhận
thấy, tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa tỷ lệ hematit/gơtit với tốc độ lắng bùn đỏ. Tốc độ
lắng bùn đỏ của bauxit Jamaica chậm có liên quan trực tiếp đến cỡ hạt mịn, hạt coloid của
khoáng vật sắt sau quá trình hòa tách.
Các nghiên cứu về lắng bùn đỏ của Orban và cộng sự [52], Davis [26] đã chỉ ra
rằng, tốc độ lắng bùn đỏ liên quan đến diện tích bề mặt riêng của các hạt bùn đỏ. Bề mặt
riêng của khoáng chứa sắt lớn hơn sẽ cho tốc độ lắng chậm hơn. Theo thứ tự, khoáng chứa
sắt dạng alumogơtit, gơtit và hematit có diện tích bề mặt riêng giảm dần. Theo quan sát,
tốc độ lắng bùn đỏ chứa nhiều hematit sẽ nhanh hơn bùn đỏ chứa nhiều gơtit hoặc
alumogơtit.
Parekh và Goldberger [54] lại thấy rằng, tốc độ lắng bùn đỏ khác nhau liên quan
đến hàm lượng khoáng chất của sắt trong quặng bauxit. Họ cũng nhận thấy, một số yếu tố
như: độ pH môi trường lắng, các muối kim loại và kết tủa của Al
3+
, Fe
3+
và Mg
2+
có tác
động ít đến tốc độ lắng bùn đỏ.
Một số công trình nghiên cứu [29] thấy rằng, bùn đỏ chứa nhiều gơtit lắng kém hơn
bùn đỏ chứa nhiều hematit. Giải thích hiện tượng này dựa trên cơ sở so sánh giữa hematit
và gơtit về phương diện: đặc tính bề mặt, khối lượng riêng và hình dạng cấu trúc tinh thể.
Tùy thuộc vào hàm lượng tạp chất, hematit có khối lượng riêng dao động từ 4,2÷5,3 g/cm
3
,
trong khi đó khối lượng riêng của

gơtit (3,1÷4,4 g/cm
3

) do đó hematit lắng nhanh hơn gơtit.
Cấu trúc tinh thể của gơtit có dạng hình kim trong khi hematit có dạng hình thoi. Hình
dạng tinh thể cũng được cho là nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình lắng. Xét về phương
diện thủy động học, dạng hình kim lắng kém hơn dạng hình thoi [13]. Ngoài ra, trong quá
trình lắng có sử dụng chất trợ lắng (tinh bột) thì khả năng hấp phụ chất trợ lắng lên bề mặt
hematit tốt hơn gơtit [87].
Solymar và cộng sự [74, 77] cho rằng, hòa tách bauxit chứa gơtit ở nhiệt độ cao
hơn nhiệt độ xử lý bauxit gipxit sẽ cho tốc độ lắng bùn đỏ nhanh hơn. Nếu điều chỉnh nhiệt
độ hòa tách để gơtit biến đổi thành hematit thì tốc độ lắng cải thiện một cách đáng kể, bởi
vì diện tích bề mặt riêng của hematit nhỏ hơn diện tích bề mặt riêng của gơtit.
Grubbs và cộng sự [32] thấy rằng, tốc độ lắng bùn đỏ từ bauxit có màu vàng nói
chung là chậm vì trong đó chứa khoáng vật sắt chủ yếu ở dạng alumogơtit, ít khoáng
hematit. Các tác giả cũng đề cập đến mối tương quan giữa tốc độ lắng và thành phần
photpho trong bauxit, mặc dù hàm lượng của nó chỉ trong khoảng 0,2% hoặc ít hơn.
Ostap [53] kết luận rằng, tốc độ lắng bùn đỏ liên quan đến kích thước hạt tinh thể
alumogơtit. Khối lượng riêng của alumogơtit (khoảng 3,2 g/cm
3
) nhỏ hơn khối lượng riêng


17
của gơtit (khoảng 3,3÷4,3 g/cm
3
) và hematit (khoảng 4,9÷5,26 g/cm
3
) nên alumogơtit khó
lắng hơn khoáng sắt còn lại.
Vôi được biết đến như một chất xúc tác nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi alumin
trong quá trình hòa tách bauxit diaspo ở nhiệt độ cao [88, 93, 96]. Tuy nhiên, khi nghiên
cứu hòa tách bauxit Jamaica ở nhiệt độ 140

o
C ở một số điều kiện khác nhau thì cho kết
quả như trong bảng 1.5.

Bảng 1.5. Sự chuyển biến từ gơtit thành hematit khi hòa tách bauxit [88]
Bauxit CaO, % Nhiệt độ hòa tách,
o
C
Gơtit chuyển biến thành
hematit, %
Weipa/Boke
0 250 27
2 250 70
Jamaica
2 140 20
0 240 24
2 240 76

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, chuyển biến gơtit thành hematit với sự có mặt
của CaO chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao, còn khi xử lý bauxit bằng công nghệ Bayer châu Mỹ tác
dụng của vôi cho quá trình này là không đáng kể.
Buravlev và cộng sự [20] đã tiến hành thử nghiệm nung bùn đỏ ở nhiệt độ 200-
700
0
C để chuyển biến gơtit thành hematit nhằm cải thiện quá trình lắng. Kết quả thử
nghiệm cho thấy, sự chuyển biến từ gơtit sang hematit trong điều kiện thử nghiệm là không
rõ ràng.
Một nghiên cứu về hiệu quả của sự chuyển biến từ gơtit sang hematit cũng được
thực hiện bởi Basu [15] qua 2 cách, nung gơtit trong môi trường không khí và hòa tan gơtit
rồi kết tủa ở dạng hematit. Kết quả chỉ ra rằng, tốc độ lắng hematit nhận được từ quá trình

nung kém hơn từ quá trình kết tủa.
Solymar và cộng sự [78] cho rằng, quá trình chuyển biến từ gơtit sang hematit do
tác động của Ca(OH)
2
theo trình tự sau:
2Ca(OH)
2
+ 2FeOOH  2[CaO.Fe(OH)
3
] (5)

2[CaO.Fe(OH)
3
]  3[CaO.Fe
2
O
3
.2H
2
O] + 2H
2
O (6)

CaO.Fe
2
O
3
.2H
2
O  3Ca(OH)

2
+ Fe
2
O
3
(7)
Mal’ts [45] thấy rằng, cho CaO trong quá trình hòa tách bauxit ở 240
o
C thì tỷ lệ
alumogơtit biến đổi thành hematit sẽ cao hơn khi cho CaO trong quá trình tiền khử silic ở
nhiệt độ thấp.
Tóm lại, một số nhà nghiên cứu cho rằng, quá trình lắng phụ thuộc vào thành phần
hóa học và khoáng vật của cấu tử sắt có trong bauxit. Sự có mặt của khoáng sắt dạng gơtit


18
là vấn đề chính gây nên tốc độ lắng bùn đỏ chậm vì gơtit có khối lượng riêng nhỏ và diện
tích bề mặt riêng lớn.
Anatat (TiO
2
) tuy không phải là thành phần chính nhưng chúng cũng có mặt trong
nhiều loại bùn đỏ. Yamada và cộng sự [89] đã nghiên cứu lắng bùn đỏ tạo thành từ quá
trình hòa tách một vài nguồn quặng tinh bauxit khác nhau trên thế giới ở áp suất cao. Các
tác giả thấy rằng, ở điều kiện thực nghiệm không xét đến sự khác nhau về kích thước hạt,
dạng kết tinh hay khối lượng riêng, quá trình kết bông của các khoáng riêng lẻ như: anatat,
bơmit và hematit là tốt, trong khi gơtit, gipxit, quartz và kaolinit là kém. Họ cũng nhận
thấy rằng, bùn đỏ chứa nhiều gơtit khả năng kết bông bằng chất trợ lắng polyacrylat là kém
và sự chuyển biến từ gơtit sang hematit bị hạn chế. Tốc độ lắng của bùn đỏ cao gơtit tăng
đột ngột khi cả hai thành phần hematit và anatat tăng lên. Đã quan sát được, tốc độ lắng
càng cao khi hàm lượng anatat càng lớn hơn 7%. Trái với những nhận định vừa nêu, theo

Prakash và Horvath [64], cho thêm anatat sẽ làm giảm quá trình lắng bùn đỏ do có sự liên
quan đến việc tăng diện tích bề mặt.
Khoáng vật photphat được cho là cản trở sự kết bông của bùn đỏ. Grubbs và cộng
sự [32] tìm thấy mối liên hệ giữa hàm lượng photphat và tốc độ lắng mặc dù trong hầu hết
bauxit, hàm lượng này chỉ chiếm  0,2%. O’Donnell và Martin [50] nhận thấy, bản thân
photphat không cản trở sự kết bông của bùn đỏ nhưng chất kết tủa của canxi và photphat
giống như hợp chất apatit và vôi sẽ hỗ trợ quá trình lắng bùn đỏ.
Ảnh hưởng của tạp chất vô cơ như canxi và cacbonat đến quá trình lắng đã được
một vài công trình nghiên cứu công bố. Canxi có tác dụng hỗ trợ quá trình lắng trong khi
cacbonat thì lại không có tác dụng này.
Canxi có tác dụng tác động theo một vài cách. Basu và cộng sự [16] chỉ ra rằng, các
ion canxi làm giảm khả năng hòa tan của sắt trong dung dịch natri aluminat. Canxi cũng
thường được thêm vào để biến đổi gơtit thành hematit giúp quá trình lắng diễn ra dễ dàng
hơn với chất trợ lắng là polyacrylat [16, 50, 81, 89]. Canxi có thể khử photphat thành dạng
hợp chất giống như apatit [69, 89] hoặc nó có thể làm cầu nối trên bề mặt hạt để chất trợ
lắng hấp phụ lên [68]. Canxi cũng có thể kết tủa ở dạng tricanxi aluminat, CaCO
3
hoặc
Ca(OH)
2
là những hợp chất mà chất trợ lắng dễ hấp phụ [84, 88].
Cacbonat luôn tồn tại trong dung dịch natri aluminat. Người ta thường loại bỏ
cacbonat trong dung dịch bằng vôi - caustic hóa. Hunter và cộng sự [36] nhận thấy, vôi hỗ
trợ quá trình lắng bùn đỏ do vôi có tác dụng khử CO
3
2-
theo phương trình dưới đây. Cũng
có ý kiến rằng, cacbonat trong dung dịch natri aluminat hấp phụ lên bề mặt hạt rắn làm cản
trở quá trình hấp phụ của chất trợ lắng.

19
CO
3
2-

+ Ca(OH)
2
= CaCO
3
+ 2OH
-
(8)
Các chất hữu cơ hòa tan được coi là có hại trong quy trình công nghệ Bayer. Chúng
không những làm bẩn sản phẩm alumin mà còn làm giảm chất lượng mầm kết tinh trong
quá trình phân hóa dung dịch [37].
Nguồn tạp chất hữu cơ chủ yếu từ bauxit tồn tại ở dạng humin và bitum. Các chất
humic bao gồm axit humic – sản phẩm chuyển hóa của licnin, chúng dễ hòa tan trong dung
dịch kiềm NaOH tạo ra các hợp chất kiềm humat khác nhau, chuyển hóa thành natri oxalat
dễ hòa tan, và các chất nhựa khác cùng với xút tạo thành các dung dịch keo.
So với các humin thì bitum có đặc điểm là hàm lượng cacbon và hydro cao hơn.
Thực tế chúng không hòa tan trong dung dịch kiềm và không có tác hại như các humin.
Mặc dù hàm lượng của các chất hữu cơ trong bauxit chỉ tính bằng phần vạn và chỉ
có các chất humin đi vào dung dịch mà cũng chỉ ở phần nào nhưng chúng còn đi vào dung
dịch do kết quả tương tác giữa dung dịch với vải lọc và các chất kết bông hữu cơ cho thêm
vào để tăng khả năng lắng bùn đỏ. Cùng với mồi nhôm hydroxit và dung dịch kiềm sau khi
costic hóa natri cacbonat, các chất hữu cơ quay vòng lại quá trình.
Các chất hữu cơ là một trong những nguyên nhân làm chậm quá trình lắng cũng
như rửa bùn đỏ. Khi hàm lượng chất hữu cơ cao thì độ nhớt của dung dịch aluminat tăng
lên rõ rệt kéo theo khả năng lắng của các hạt bùn đỏ kém [80, 93, 96].

Các chất hữu cơ dạng humic và oxalat làm giảm tốc độ lắng của gơtit [16] và bùn
đỏ [89]. Sankey và Schwarz [69] cho rằng, lắng bùn đỏ từ hoà tách bauxit Jamaica trong
dung dịch nhân tạo không hợp chất hữu cơ nhanh hơn trong dung dịch tuần hoàn cao hợp
chất hữu cơ.
Trong khi hầu hết các nghiên cứu đề cập đến ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hòa
tách, thành phần vật chất của quặng tinh bauxit đến quá trình lắng thì việc nghiên cứu sử
dụng chất kết bông - chất trợ lắng cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ cũng được nhắc đến.
Hầu hết quá trình lắng bùn đỏ của các nhà máy luyện alumin từ bauxit bằng công
nghệ Bayer đều phải sử dụng chất kết bông. Các nghiên cứu về tác dụng của chất kết bông
trong quá trình lắng bùn đỏ chỉ ra rằng, khả năng kết bông là do năng lượng bề mặt của các
hạt bùn, mà giá trị này phụ thuộc trực tiếp vào diện tích bề mặt riêng của chúng. Khi có
mặt chất kết bông, các hạt bùn mịn thậm chí là các hạt coloid cũng dễ dàng tạo thành khối
bông lớn và lắng xuống [96].
Tuy các khối bông tạo thành từ những hạt mịn này lắng nhanh, nhưng bùn nén
không chặt. Khi có sự khuấy trộn trong thùng lắng, các khối bông vừa hình thành sẽ va


20
chạm với khối bông đã nén chặt nên bị phá vỡ, nhờ đó nước được giải phóng ra, khối bông
sẽ rơi xuống đáy và độ nén của nó sẽ tốt hơn.
Để cải thiện tính nén của bùn đỏ, một nghiên cứu đã thực hiện nhằm xác định mức
độ ảnh hưởng của tinh bột đến quá trình nén bùn đỏ. Có nhiều quan điểm khác nhau đã
được đưa ra để giải thích cơ chế lắng và nén chặt của bùn đỏ khi cho thêm tinh bột.
Theo Dvornhic và Kherman [96], do tinh bột tác dụng với kiềm tạo ra một loại hợp
chất hấp phụ lên bề mặt hạt bùn, tăng hoạt tính của hạt bùn, giúp các hạt bùn liên kết với
nhau tạo khối bông bùn lớn dễ lắng.
Modiaroxi [96] lại xác định rằng, trong quá trình hòa tách, các hạt bùn chứa ion
(OH)
-
sẽ mất điện tử và tạo ra oxy nguyên tử theo phản ứng:

2OH
-
- 2e = H
2
O + O (9)
Các oxy nguyên tử sinh ra sẽ hấp phụ lên bề mặt hạt bùn tạo thành một lớp màng
mỏng ngăn cản các hạt bùn kết nối với nhau, làm chậm quá trình lắng bùn đỏ. Kết quả
phân tích cho thấy, bùn đỏ lắng kém chứa tới 6,62 cm
3
O
2
/kg bùn đỏ so với bùn đỏ lắng tốt
chỉ có 4,23 cm
3
O
2
/kg bùn đỏ. Trong dung dịch kiềm, các hạt cơ bản của bùn đỏ mang điện
tích dương [93]. Sự đẩy nhau của các hạt bùn cùng điện tích làm cho sự lắng và nén chặt
của bùn kém đi. Khi có mặt tinh bột – chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên, các hạt bùn mất ngay
điện tích và trở nên trung tính. Chính nguyên nhân này giúp các hạt bùn dễ tiếp xúc để kết
bông hơn.
Một nghiên cứu khác tiến hành hòa tách kết hợp bauxit có khả năng lắng kém với
bauxit có khả năng lắng tốt. Kết quả cho thấy rằng, sự kết hợp này thúc đẩy khả năng lắng
của bauxit lắng kém và làm giảm khả năng lắng của bauxit lắng tốt [93].
Khi tiến hành lắng bùn đỏ của bauxit có khả năng lắng kém cho thêm 10% bùn đỏ
được hòa tách ở nhiệt độ cao. Kết quả chỉ ra rằng, khả năng lắng và nén chặt bùn đỏ tốt
hơn rất nhiều, kết quả này tương đương với cho thêm tinh bột [93].
Một nghiên cứu về ảnh hưởng của độ nhớt dung dịch aluminat cho thấy, khi nồng
độ dung dịch aluminat tăng từ 130 g/l Na
2

O lên 150 g/l Na
2
O thì khả năng lắng bùn đỏ
giảm xuống 15% mặc dù độ nhớt của dung dịch thay đổi không đáng kể khi quá trình lắng
được thực hiện ở nhiệt độ 95
o
C [96].
Để cường hóa quá trình lắng bùn đỏ, ở các nhà máy chế biến bauxit thường sử dụng
các chất có tác dụng làm tăng kích thước và khối lượng của khối bông tạo thành.
Khi sử dụng chất trợ lắng polisaccarit được chiết suất từ hạt đậu, đỗ (cây họ đậu)
thì làm tăng tốc độ lắng bùn đỏ lên 5 lần so với sử dụng chất trợ lắng polisaccarit chiết suất
từ bột mỳ [93].


21
Kupovic [93] thử nghiệm một số chất kết bông khác nhau như: bột ngô, bột gạo,
bột rong biển nâu, bã khoai tây, nước giấy cho thấy rằng, trong một số trường hợp các chất
cho thêm này đẩy nhanh quá trình lắng trong môi trường axit, trung tính hoặc kiềm nhẹ.
Tác giả cũng xác định, khi cho thêm chất kết bông vào không được khuấy mạnh tránh phá
vỡ khối bông tụ.
Dejan Smolovi [72] đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất kết bông đến quá trình lắng
bùn đỏ. Các chất kết bông được sử dụng để nghiên cứu gồm: tinh bột, A-185 HMW và
hydroxamated polyacrylamides (HXPAMs) HX 300 của hãng Cytec với liều lượng sử
dụng như sau: 1,5 kg tinh bột/tấn bùn đỏ; 0,08 kg A-185 HMW/tấn bùn đỏ; 0,45 kg
HX300/tấn bùn đỏ. Kết quả chỉ ra rằng, tốc độ lắng bùn đỏ sử dụng HX300 sau 1 giây đạt
0,96 mm/phút nhanh hơn khi sử dụng A-185 HMW sau 300 phút đạt 0,4 mm/phút và khi
sử dụng tinh bột sau 300 phút đạt 0,2 mm/phút, mức độ thu hồi dung dịch sau lắng nhiều
hơn, phân chia hai pha rắn, lỏng rõ nét hơn, pha rắn còn lại trong dung dịch cũng ít hơn,
nhờ đó làm tăng khả năng lọc của máy lọc Kelly. Ngoài ra, nồng độ pha rắn của bùn đỏ
cũng cao hơn, mất mát kiềm giảm.

ZHANG Kun-yu cùng cộng sự [92] đã nghiên cứu sự tương tác giữa chất kết bông
tổng hợp poliacrylate SPA (PAA), poliacrylamide PAM và các hạt bùn đỏ. Từ kết quả thực
nghiệm, tác giả đưa ra công thức tính tốc độ lắng:
v=[(h
1
−h
2
)/5]×60 (1.4)
trong đó: v - vận tốc lắng bùn đỏ, m/h
h
1
- chiều cao cột bùn đỏ ban đầu, m
h
2
- chiều cao cột bùn đỏ sau 5 phút lắng
5 - thời gian lắng đã trôi qua, phút
60 - số phút trong 1 giờ
Cũng theo tác giả, cơ chế tương tác giữa hạt bùn đỏ và SPA hoặc PAM là cơ chế
hấp phụ cầu nối. Tốc độ lắng bùn đỏ khi cho thêm SPA chậm hơn khi cho thêm PAM,
nhưng dung dịch aluminat thu được lại ít chất rắn lơ lửng hơn.
Phương pháp chuẩn bị môi trường chất kết bông cũng có ảnh hưởng đến quá trình
lắng. Nhóm nghiên cứu cho biết, cùng một lượng PAM như nhau, tốc độ lắng bùn đỏ khi
cho thêm PAM được hòa tan trong nước chứa 10 g/l NaOH chỉ đạt 0,61 m/h, nhưng nếu
PAM hòa tan trong nước tinh khiết thì tốc độ này có thể đạt 1,31 m/h. Nguyên nhân là do
PAM trong NaOH bị thủy phân không hoàn toàn tạo thành liên kết - CONH
2
- COO
-
-
CONH

2
như sau:


22

Nếu liên kết trên tạo ra nhiều, sẽ làm giảm khả năng hấp phụ của polime với các hạt
bùn đỏ.
M.Clifton [22] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của ion hoạt tính bề mặt đến quá
trình lắng bùn đỏ tạo thành theo công nghệ Bayer. Trong quá trình thí nghiệm lắng, tác giả
đã sử dụng 2 loại ion hoạt tính bề mặt là cation (cetyl trimethyl ammonium bromide
CH
3
(CH
2
)
15
N(CH
3
)
3
+
) và anion (axit lauric CH
3
(CH
2
)
10
COO
-

và sodium laureth sulphate
CH
3
(CH
2
)
10
CH
2
(OCH
2
CH
2
)
n
OSO
3
-
). Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi cho thêm chất
hoạt tính bề mặt anion và cation thì độ nhớt của bùn đỏ giảm ở mức độ vừa phải. Cần chú
ý rằng, sự hiện diện của ion natri trong dung dịch có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp
phụ bề mặt.
Có khá nhiều công trình nghiên cứu về sử dụng chất trợ lắng là polime hữu cơ để
khử hợp chất hữu cơ (chủ yếu là cacbon hữu cơ) có mặt trong huyền phù bùn đỏ [55, 56,
57, 58, 59, 60, 61, 62]. Các nghiên cứu đều đưa ra kết luận rằng, cacbon hữu cơ (chiếm
một lượng nhỏ trong bauxit) là một trong những nguyên nhân làm bùn đỏ lắng chậm. Để
loại bỏ chúng khỏi dung dịch cần sử dụng chất kết bông hữu cơ như: anion poliacrylamid,
polidadmac, homo hoặc copolime của axit acrylic.
Nhà máy sản xuất alumin Nalco (Ấn Độ) hòa tách quặng bauxit gipxit, cỡ hạt -
0,063 mm chiếm 47% đưa vào khâu hòa tách. Chất kết bông sử dụng khi lắng bùn đỏ là bột

mỳ với tiêu hao 45 kg/t alumin. Sau khi lọc kiểm tra, chất lơ lửng còn lại trong dung dịch
đạt < 0,4 mg/l [4].
Cách thức cho chất kết bông vào huyền phù hòa tách cũng được đề cập tới trong
quá trình nghiên cứu lắng. Pearse và Sartowski [63] cho chất kết bông thành hai giai đoạn,
giai đoạn thứ nhất cho 50-80% hàm lượng chất kết bông được sử dụng. Tác giả kết luận
rằng, bùn đỏ lắng nhanh hơn khi cho chất kết bông một giai đoạn. Mặc dù không đưa ra
những số liệu thực nghiệm cụ thể nhưng Connelly cùng cộng sự [24] cũng nhận thấy, tốc
độ lắng bùn đỏ khi cho chất kết bông nhiều giai đoạn sẽ diễn ra nhanh hơn khi cho một giai
đoạn. Trong khi đó, Spitzer cùng cộng sự [81] lại quan sát thấy, thêm chất kết bông nhiều
giai đoạn cho kết quả lắng nhanh hơn một giai đoạn với chất kết bông polyhydroxamat còn
với polyacrylat không xảy ra hiện tượng này.


23
Quá trình kết bông phụ thuộc vào điều kiện động học, do đó nhiệt độ là một yếu tố
quan trọng ảnh hưởng đến quá trình lắng bùn đỏ. Nhiệt độ tăng, tốc độ lắng bùn đỏ tăng
lên [16, 19] do tăng khả năng va chạm của hạt bùn đỏ. Ngoài ra, nhiệt độ cao không những
làm các phân tử chất kết bông duỗi thẳng tăng khả năng hấp phụ lên hạt bùn mà độ nhớt
của huyền phù cũng giảm xuống, giúp cho quá trình lắng diễn ra thuận lợi hơn.

1.3.2. Trong nước
Việt Nam là một trong những quốc gia có nguồn tài nguyên bauxit lớn trên thế giới
(Bảng 1.6). Xét về nguồn gốc thành tạo, bauxit Việt Nam gồm hai loại: trầm tích và phong
hóa từ đá bazan.
Các mỏ bauxit trầm tích có chứa khoáng vật chủ yếu là diaspor phân bố ở miền Bắc
thuộc các tỉnh (Hình 1.4): Cao Bằng, Lạng Sơn, Hà Giang
Các mỏ bauxit phong hóa từ đá bazan, còn gọi là bauxit laterit, chiếm trữ lượng lớn
và phân bố tại một số tỉnh phía Nam (Hình 1.4): Đắk Nông, Lâm Đồng, Gia Lai…, chứa
khoáng vật chính là gipxit.

Bảng 1.6. Các nước có tiềm năng lớn hàng đầu về bauxit
STT

Tên nước
Trữ lượng bauxit,
(10
9
tấn)
1 Guinea 8,6
2 Australia 7,8
3 Việt Nam 5,5
4 Brazil 2,5
5 Jamaica 2,5
6 Trung Quốc 2,3
7 Ấn Độ 1,4

Nguồn: Cục khảo sát địa chất Mỹ 2009


24

Hình 1.4. Phân bố bauxit ở Việt Nam theo vùng [5]

Quá trình nghiên cứu về bauxit của Việt Nam được phân chia thành các giai đoạn
như sau:
 Trước năm 1975, với sự giúp đỡ của Liên Xô và Hungary, đã tiến hành nghiên
cứu thăm dò trữ lượng và khả năng hòa tách bauxit miền Bắc, điển hình là hai
mỏ: Ma Mèo – Lạng Sơn và Táp Ná – Cao Bằng.
 Từ năm 1975, sau khi giải phóng miền Nam, tập trung nghiên cứu bauxit vùng
Tây Nguyên với sự giúp đỡ của khối SEV.

 Từ năm 1977-1986, Viện Luyện kim màu (nay là Viện Khoa học và Công nghệ
Mỏ luyện kim – Bộ Công thương) triển khai nhiều đề tài nghiên cứu nhằm đánh
giá chất lượng quặng và xem xét khả năng sử dụng đối với tất cả các mỏ bauxit
của các vùng chủ yếu thuộc miền Nam [11].
 Năm 1988-1990, nhóm chuyên gia Hungary trong Dự án xây dựng Trung tâm
nghiên cứu bauxit do UNIDO tài trợ đã lập Báo cáo cơ hội đầu tư xây dựng nhà
máy sản xuất alumin sử dụng quặng bauxit Tân Rai, Lâm Đồng với công suất
600.000 tấn/năm Al
2
O
3
.
Hiện nay, nhà máy Hóa chất Tân Bình thuộc Công ty Hóa chất cơ bản miền Nam
đang áp dụng công nghệ Bayer châu Mỹ để sản xuất nhôm hydroxit và phèn nhôm với
công suất khoảng 20.000 tấn Al(OH)
3
/năm từ quặng bauxit Bảo Lộc, Lâm Đồng.
Hiện tại, nhà máy sản xuất alumin Tân Rai, Lâm Đồng đã đi vào hoạt động và nhà máy
sản xuất alumin Nhân Cơ, Đắc Nông đang xây dựng. Cả hai nhà máy này đều có công suất


25
thiết kế 650.000 tấn alumin/năm do nước ngoài đầu tư thiết bị và nghiên cứu công nghệ. Hai
nhà máy này đều sử dụng công nghệ Bayer châu Mỹ. Thông số công nghệ các công đoạn
chính của nhà máy alumin Tân Rai như sau: cỡ hạt bauxit cho hòa tách < 0,3 mm; tiền khử
silic: 8 h ở nhiệt độ 102
0
C; hòa tách ở 145±2
0
C trong 45-60 phút với nồng độ kiềm caustic

165-170 g/l; lắng tách bùn đỏ bằng chất trợ lắng hữu cơ tổng hợp biến tính DW32 (Úc).
Trong những năm qua, một vài tập thể khoa học của nước ta đã tiến hành một số
đề tài nghiên cứu về sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer châu Âu từ bauxit diaspor ở
khu vực phía Bắc và bằng công nghệ Bayer châu Mỹ từ bauxit laterit khu vực Tây Nguyên
[4, 5]. Tuy nhiên, các công trình này tập trung chủ yếu vào vấn đề khử silic và hòa tách
quặng tinh, còn quá trình lắng chỉ được đề cập một cách rất sơ lược không thành nội dung
nghiên cứu tương ứng với tầm quan trọng của nó trong công nghệ Bayer. Vì vậy, nghiên
cứu quá trình lắng bùn đỏ sau hòa tách bauxit một cách cơ bản, toàn diện là nhiệm vụ cấp
thiết, không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn, đặc biệt đối với
nước ta đang trong giai đoạn xây dựng nền công nghiệp sản xuất alumin bằng công nghệ
Bayer châu Mỹ.

1.4. Định hướng nghiên cứu
Bauxit Gia Nghĩa Đắc Nông, một trong những nguồn quặng có tính đại diện cho
bauxit khu vực Tây Nguyên, Việt Nam. Bauxit này chứa khoáng vật nhôm chủ yếu ở dạng
gipxit, do đó, việc chuẩn bị bùn đỏ cho quá trình nghiên cứu lắng phải được thực hiện theo
quy trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer theo chế độ chọn trước.
Lắng bùn đỏ là quá trình phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố và chế độ công nghệ
của các công đoạn liên quan. Vì vậy, để có được những đánh giá khoa học, tổng thể, nội
dung nghiên cứu cần tập trung vào các vấn đề sau:
 Thành phần vật chất của quặng tinh bauxit
 Cỡ hạt quặng tinh bauxit cho hòa tách
 Một số thông số hòa tách bauxit có liên quan trực tiếp tới khả năng lắng bùn đỏ:
o Lượng nạp bauxit
o Hệ số pha loãng huyền phù thu được sau hòa tách
 Nhiệt độ lắng
 Lựa chọn phương án cường hóa quá trình lắng bằng các chất trợ lắng hữu cơ tự
nhiên và hữu cơ tổng hợp biến tính phù hợp với đặc điểm nguyên liệu bauxit
Tây Nguyên thuộc loại gipxit – gơtit.