nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

0


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN






Bùi Thị Huế





NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG
ĐẾN QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH HÓA RẮN BÙN ĐỎ SẢN XUẤT
VẬT LIỆU XÂY DỰNG





LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2013


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

1



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN






Bùi Thị Huế

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG
ĐẾN QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH HÓA RẮN BÙN ĐỎ SẢN XUẤT
VẬT LIỆU XÂY DỰNG


Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số: 60 85 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN MẠNH KHẢI







Hà Nội - 2013






Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

2

MỤC LỤC
Mở đầu 1
Chƣơng 1 - Tổng quan 3
1.1. Bauxite và tiềm năng bauxite 3
1.1.1. Bauxite 3
1.1.2. Quá trình hình thành bauxite 3
1.1.3. Thành phần khoáng vật của bauxite 3
1.1.4. Tiềm năng bauxite thế giới và Việt Nam 4
1.1.4.1. Tiềm năng bauxite thế giới 4
1.1.4.2. Tiềm năng bauxite ở Việt Nam 7
1.2. Công nghệ sản xuất alumin 10
1.2.1. Công nghệ làm giàu và chế biến quặng bauxite 10
1.2.2. Công nghệ sản xuất alumin 12
1.2.3. Công nghệ sản xuất nhôm khu vực Tây Nguyên 16
1.3. Thành phần và tính chất của Bùn đỏ 21
1.3.1. Vấn đề bùn thải – bùn đỏ 21
1.3.2. Thành phần bùn đỏ 22
1.4. Độc tính của bùn đỏ 26
1.5. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam 27
1.5.1. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ trên thế giới 27
1.5.1.1. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất vật liệu xây dựng 28
1.5.1.2. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất gốm thủy tinh 29
1.5.1.3. Sử dụng bùn đỏ trong xử lý nước 29
1.5.2. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ ở Việt Nam 31
1.6. Quá trình ổn định hóa rắn 32
1.6.1. Ổn định hóa rắn 32
1.6.2. Cơ chế của quá trình ổn đinh hóa rắn 33
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

3

Chƣơng 2 – Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu 36
2.1. Đối tượng nghiên cứu 36
2.2. Phương pháp nghiên cứu 37
2.2.1. Phương pháp sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng 37
2.2.2. Phương pháp ngâm chiết xác định độc tính của vật liệu 40
2.2.2.1. Xác định dung môi chiết 41
2.2.2.2. Quy trình chiết 42
2.2.2.3. Xác định hàm lượng kim loại nặng 42
2.2.3. Phương pháp xác định thành phần khoáng vật của vật liệu 43
2.2.4. Phương pháp thử nghiệm vật lý 43
2.2.5. Phương pháp xác định độ co ngót của gạch nung 44
2.2.6. Phương pháp phân tích đánh giá tổng hợp 44
2.2.7. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 44
Chƣơng 3 – Kết quả và thảo luận 45
3.1. Bùn đỏ Tây Nguyên và các vấn đề môi trường 45
3.1.1. Đặc điểm của bauxite khu vực Tây Nguyên 45
3.1.2. Thành phần tính chất bùn đỏ và các vấn đề môi trường 46
3.1.2.1. Hàm lượng các oxit 47
3.1.2.2. Các nguyên tố phóng xạ 48
3.1.2.3. Thành phần kim loại nặng trong mẫu bùn đỏ 50
3.1.2.4. Thành phần cơ giới của mẫu bùn đỏ 51
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình ổn định hóa rắn 51
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc của vật liệu 54
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dịch chiết mẫu 56
3.2.2.1. Kết quả xác định dung môi chiết 56
3.2.2.2. Giá trị pH của dịch chiết mẫu 57
3.2.2.3. Kết quả đo kim loại nặng dịch chiết mẫu 59

3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co ngót 61
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

4

3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ cứng vật liệu 63
Kết luận và kiến nghị 66
Tài liệu tham khảo 68




Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang
Hình 1.1. Các phương án sử dụng bauxite
11
Hình 1.2. Công nghệ Bayer chế biến alumin từ bauxite
13
Hình 1.3. Quy trình sản xuất alumin
14
Hình 1.4. Quy trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer ở Tây Nguyên
18
Hình 1.5. Một số phương án sử dụng bùn đỏ
28
Hình 2.1. Quy trình sử dụng bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng

37
Hình 3.1. Ủ vật liệu
52
Hình 3.2. Hình dạng gạch 50 x 50 x 10
52
Hình 3.3. Cho vật liệu vào dung môi chiết
52
Hình 3.4. Chiết dịch
52
Hình 3.5. Thao tác định hình gạch
53
Hình 3.6. Hình dạng của gạch 230 x 110 x 63
55
Hình 3.7. Biểu đồ biến đổi thành phần khoáng theo nhiệt độ
52
Hình 3.8. Sự thay đổi pH dịch lắc trước và sau khi thêm axit HCl
57
Hình 3.9. Sự phụ thuộc pH của dịch chiết mẫu vào nhiệt độ nung mẫu
58
Hình 3.10. Biến thiên nồng độ kim loại nặng trong dịch chiết theo nhiệt độ
nung
57
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co ngót của vật liệu

62


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

6

DANH MỤC CÁC BẢNG


Trang
Bảng 1.1. Tài nguyên bauxite ở các châu lục trên thế giới
4
Bảng 1.2. Trữ lượng và khai thác bauxite ở trên thế giới
5
Bảng 1.3. Sản xuất nhôm kim loại trên thế giới
6
Bảng 1.4. Thống kê các mỏ bauxite laterite chính ở miền nam Việt Nam
9
Bảng 1.5. Tiêu hao kiềm và bauxite cho sản xuất alumin
15
Bảng 1.6. Thành phần bùn đỏ của một số nhà máy alumin trên thế giới
22
Bảng 1.7. Thành phần của bùn đỏ
23
Bảng 1.8. Thành phần bùn đỏ và dung dịch bám theo bùn đỏ của dự án Lâm
Đồng
24
Bảng 1.9. Thành phần bùn đỏ và dung dịch bám theo bùn đỏ của dự án
Nhân Cơ
25
Bảng 3.1. Thành phần quặng bauxite nguyên khai ở các khu mỏ Tây
Nguyên
45
Bảng 3.2. Hàm lượng oxit trong bùn đỏ ở Tây Nguyên, Việt Nam
47

Bảng 3.3. Đồng vị phóng xạ và hàm lượng của U, Th, K trong các mẫu
quặng bauxite
48
Bảng 3.4. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên
trong mẫu bùn đỏ
49
Bảng 3.5. Hàm lượng U, Th, K trong các mẫu và liều hiệu dụng năm do
phông bức xạ gamma gây ra
49
Bảng 3.6. Hàm kim loại nặng trong bùn đỏ
50
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

7

Bảng 3.7. Thành phần cơ giới mẫu bùn đỏ
51
Bảng 3.8. Kết quả phân tích XRD cho gạch nung ở các nhiệt độ khác nhau
54
Bảng 3.9. pH của mẫu khi lắc với nước cất
56
Bảng 3.10. pH của dịch chiết sau 3 bậc chiết
58
Bảng 3.11. Kết quả phân tích kim loại nặng của mẫu
60
Bảng 3.12. Độ co ngót của gạch nung
61
Bảng 3.13. Kết quả phân tích các đặc tính vật lý của gạch
63
Bảng 3.14. Cường độ uốn và nén cho gạch đất sét nung

64
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

8

MỞ ĐẦU
Việt Nam là một trong ba nước có trữ lượng quặng bauxite đứng đầu trên thế
giới, đến nay bauxite đang trở thành một trong những nguồn tài nguyên quan trọng
của Việt Nam. Phần lớn trữ lượng bauxite của Việt Nam tập trung ở Tây Nguyên,
đặc biệt là các tỉnh phía Nam của Tây Nguyên như Lâm Đồng và Đắc Nông [6].
Hiện nay, Việt Nam đã bắt đầu triển khai xây dựng hai nhà máy sản xuất
alumin đầu tiên, công suất 600.000 tấn/năm: nhà máy alumin Tân Rai và nhà máy
alumin Nhân Cơ. Nhà máy đầu tiên đi vào hoạt động thử nghiệm cuối năm 2012 và
nhà máy thứ hai theo kế hoạch sẽ bắt đầu hoạt động sản xuất vào năm 2014. Tuy
nhiên, vấn đề bất cập lớn nhất khi triển khai các dự án nhôm ở Tây Nguyên là vấn
đề môi trường và sinh thái. Các chuyên gia của các nước thành viên Hội đồng tương
trợ kinh tế khi xem xét dự án nhôm ở Việt Nam trong khuôn khổ hợp tác đa
phương và song phương đều cho rằng dự án sẽ có ảnh hưởng tiêu cực đến môi
trường và sinh thái của khu vực trên một diện rộng [50].
Khi khai thác bauxite, trước mắt bắt buộc phải phá huỷ toàn bộ thảm thực vật
để bốc đi lớp đất phủ trên bề mặt và lớp khoáng vật chứa bauxite với độ sâu hết
chiều dày của thân quặng. Toàn bộ vùng đồi núi sẽ dần biến thành đất trống, không
có khả năng trồng trọt do không giữ được độ ẩm. Một vấn đề quan trọng hơn nữa
mà hiện nay tất cả các nước sản xuất alumin đều quan tâm là vấn đề bùn thải trong
quá trình chế biến quặng, còn gọi là bùn đỏ. Đặc trưng của bùn đỏ là có pH cao và
có kích thước hạt mịn, nhỏ hơn 1mm. Do đó, bùn thải khi khô dễ phát tán bụi vào
trong không khí gây ô nhiễm, tiếp xúc với bụi này gây ra các bệnh về da, mắt. Nước
thải từ bùn hoặc nước chảy tràn qua hồ bùn đỏ tiếp xúc với da gây các tác hại như
ăn mòn da, gây mất độ nhờn làm da khô ráp, có thể sưng tấy, loét mủ ở các vết
xước trên da [8]. Đặc biệt, nguy cơ 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 gây ô nhiễm, ăn mòn các loại vật liệu.
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

9

Một số thành phần hóa học chính trong bùn đỏ: Fe
2
O
3
, Al
2
O
3
, SiO
2
và TiO
2
,
Na
2
O, K
2
O, CaO và một số nguyên tố kim loại có giá trị như: V, Ga Bên cạnh
đó, bùn đỏ còn chứa một số nguyên tố phóng xạ, kim loại nặng, các chất thải nguy
hại, oxalate gây tác động xấu cho sức khỏe con người và môi trường [8].
Trước kia, để lưu trữ bùn đỏ, hầu hết các nhà máy sản xuất alumin đều chứa
bùn đỏ trong các ao mở để cho nước bay hơi và chiết xuất kiềm. Phải mất vài năm,
quá trình tự nhiên này mới kết thúc và khi đó bùn khô còn lại sẽ được chôn cất hoặc
trộn với đất. Tuy nhiên, sau sự cố vỡ bể chứa bùn đỏ của một nhà máy sản xuất

nhôm ở miền Tây Hungary và hậu quả của nó đã cho thấy việc chứa bùn đỏ chưa
phải đã là giải pháp tốt, mà phải tìm ra một giải pháp hữu hiệu hơn để có thể xử lý,
làm giảm các nguy cơ, rủi ro của bùn đỏ đến môi trường, hoặc có thể sử dụng chất
thải này như một loại nguyên vật liệu cho quá trình sản xuất tạo ra các sản phẩm
khác, mang lại lợi ích kinh tế nhưng không gây tác động xấu đến sức khỏe con
người và môi trường.
Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: ―Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ
nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng” là rất
cần thiết để có thể tận dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng. Đề tài luận văn tốt
nghiệp với nội dung gồm:
- Nghiên cứu quá trình sản xuất và thành phần bùn đỏ của hai nhà máy
Nhân Cơ và Tân Rai
- Xây dựng quy trình sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng
- Xác định đặc tính cơ lý, cấu trúc của vật liệu
- Thử độ an toàn của vật liệu.



Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

10

Chƣơng 1 - TỔNG QUAN
1.1. Bauxite và tiềm năng bauxite
1.1.1. Bauxite
Quặng bauxite là loạ i quặ ng ph ổ biến nhất trong lớp vỏ của trái đất, nó là
mộ t loạ i khoá ng sả n có chứa hơn 32% alumin (Al
2
O
3

) [51].
Bauxite là một loại quặng nhôm trầm tích có màu hồng hoặc nâu, được hình
thành trên các đá chứa hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôi trong quá trình phong
hóa nhưng giàu nhôm hoặc nhôm được tích tụ từ các quặng có trước do quá trình
xói mòn. Quặng bauxite phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo, đặc
biệt trong môi trường nhiệt đới. Bauxite được xem là nguyên liệu chính để sản xuất
alumin.
1.1.2. Quá trình hình thành bauxite
Quá trình hình thành bauxite trải qua các giai đoạn [51]:
- Phong hóa đá và nước thấm lọc vào trong đá tạo nên các oxit nhôm và oxit
sắt;
- Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước ngầm;
- Xói mòn và tái tích tụ bauxite.
Quá trình này lại chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như: đá mẹ chứa các
khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và sắt, độ hổng của đá cho phép nước
thấm qua, 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 và vi khuẩn. Theo một mô
hình mô phỏng quá trình này thì giá trị pH thích hợp đạt khoảng 3,5 - 4,0.
1.1.3. Thành phần khoáng vật của bauxite
Bauxite tồn tại ở 3 dạng cấu trúc chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước
chứa trong nó và cấu trúc tinh thể gồm: gibbsite Al(OH)
3
, boehmite γ-AlO(OH) và
diaspore α-AlO(OH):
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

11

- Gibbsite có hàm lượng alumin tối đa là 65,4%
- Boehmite và diaspore cả hai đều có hàm lượng alumin tối đa là 85%.

Trong số bauxite hiện đang được khai thác, phổ biến nhất là gibbsite, sau đó
là hỗn hợp của gibbsite và goehmite. Cùng với bauxite còn có các khoáng vật oxit
sắt goethite và hematite, các khoáng vật sét kaolinite và đôi khi có mặt cả anata
TiO
2
[45]. Mỗi dạng cấu trúc của bauxite có những đặc tính khác nhau tạo nên
những mục đích khai thác và sử dụng khác nhau. Gibbsite là hydroxit nhôm thực
sự, còn boehmite và diaspore tồn tại ở dạng hidroxit nhôm oxit. Sự khác biệt cơ bản
giữa boehmite và diaspore là ở cấu trúc tinh thể và boehmite cần nhiệt độ cao hơn
để thực hiện quá trình tách nước nhanh. Ba dạng cấu trúc khác nhau của bauxite có
thể phân loại thành hai nhóm dựa vào hàm lượng nước khác nhau, đó là:
monohydrates và trihydrates [6].
1.1.4. Tiềm năng bauxite thế giới và Việt Nam
1.1.4.1. Tiềm năng bauxite thế giới
Theo tài liệu (1/2009) của Cơ quan Địa chất Mỹ thì tài nguyên bauxite ở trên
thế giới là 55 - 75 tỷ tấn phân bố ở các châu lục như sau:
Bảng 1.1. Tài nguyên bauxite ở các châu lục trên thế giới [22]
Châu lục
Phần trăm trữ lƣợng
Châu Phi
33%
Châu Đại Dương
24%
Nam Mỹ và Caribbean
22%
Châu Á
15%

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

12

Bảng 1.2. Trữ lƣợng và khai thác bauxite ở trên thế giới [22]
TT
Nƣớc
Trữ
lƣợng cơ
sở (tỷ tấn)
Trữ lƣợng
(tỷ tấn)
Sản lƣợng khai thác (triệu tấn)
1992
1993
2006
2007
2008
1
Guinea
8,6
7,4
13,773
14
14,5
18
18
2
Australia
7,9

5,8
39,95
41
62,3
62,4
63
3
Việt Nam
5,4
2,1
-
-
-
0,03
0,03
4
Jamaica
2,5
2
11,302
10,8
14,9
14,6
15
5
Brazil
2,5
1,9
10,8
9,4

21
24,8
25
6
Trung Quốc
2,3
0,7
-
-
21
30
32
7
Ấn Độ
1,4
0,77
4,475
5,4
12,7
19,2
2
8
Guyana
0,9
0,7
2,3
2
1,4
1,6
1,6

9
Hy Lạp
0,65
0,6
2,1
1,7
2,45
2,22
2,2
10
Suriname
0,6
0,58
3,25
3,2
4,92
4,9
4,5
11
Kazakhstan
0,45
0,36
-
-
4,8
4,8
4,8
12
Venezuela
0,35

0,32
1,052
1
5,5
5,9
5,900
13
Nga
0,25
0,2
-
-
6,6
6,4
6,4
14
Mỹ
0,04
0,02
-
-
-
-
-
15
Các nước khác
3,8
3,2
14,623
11,38

5,46
7,15
6,8

Toàn cầu
38
27
104
101
178
202
205

Theo số liệu điều tra thăm dò trước năm 2000, trên thế giới có hơn 40 nước
có tài nguyên bauxite trong đó có 5 nước có trữ lượng trên 1 tỷ tấn là Guinea (7,4 tỷ
tấn), Australia (5,8 tỷ tấn), Việt Nam (2,1 tỷ tấn), Jamaica (2 tỷ tấn), Brazil (1,9 tỷ
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

13

tấn). Các nước có trữ lượng bauxite đều khai thác để sử dụng trong nước và xuất
khẩu.
Bảng 1.3. Sản xuất nhôm kim loại trên thế giới [22]
STT
Nƣớc
2006 (triệu tấn)
2007 (triệu tấn)
2008 (triệu tấn)
1
Trung Quốc

9,350
12,600
13,500
2
Nga
3,720
3,960
4,200
3
Canada
3,050
3,090
3,100
4
Mỹ
2,284
2,554
2,640
5
Australia
1,930
1,960
1,960
6
Brazil
1,498
1,660
1,660
7
Na Uy

1,330
1,300
1,100
8
Ấn Độ
1,100
1,220
1,300
9
Nam Phi
0,895
0,899
0,850
10
Bahrain
0,870
0,873
0,870
11
UAE
0,730
0,890
0,920
12
Venezuela
0,10
0,610
0,550
13
Mozambique

0,564
0,564
0,550
14
Germany
0,537
0,555
0,590
15
Tajikistan
0,414
0,419
0,420
16
Iceland
0,320
0,398
0,790
17
Các nước khác
4,510
4,460
4,700

Toàn cầu
33,700
38,000
39,700
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

14

Trong 15 năm qua sản lượng khai thác bauxite ở trên thế giới tăng bình quân
hàng năm là 6,8%. Riêng năm 2008, sản lượng khai thác bauxite là 205 triệu tấn
tăng 1,45% so với năm 2007. Với tài nguyên bauxite trên toàn thế giới đạt từ 55 đến
75 tỷ tấn, trong đó trữ lượng đã thăm dò đạt 27 - 38 tỷ, nó có thể thoả mãn nhu cầu
của nhân loại về kim loại nhôm khoảng vài trăm năm nữa [6].
Trên thế giới có 24 nước với 54 nhà máy sản xuất alumin và 40 nước với 121
nhà máy điện phân nhôm kim loại. Trong 15 năm qua, sản lượng nhôm kim loại
trên thế giới tăng bình quân hàng năm là 7,2%; năm 2008 chỉ tăng hơn năm 2007 là
0,45%. Thị trường bauxite và nhôm kim loại trên thế giới vài chục năm qua tương
đối ổn định ở các châu lục: châu Phi có Guinea với trữ lượng bauxite khổng lồ 7,9
tỷ tấn, châu Mỹ có Jamaica (2 - 2,5 tỷ tấn) và Brazil (1,9 - 2,5 tỷ tấn), Châu Đại
Dương có Australia (5,8 - 7,9 tỷ tấn)… đảm bảo cho các nước trong khu vực. Tuy
nhiên, với tham vọng đẩy mạnh các ngành hàng không và ô tô, trong mấy năm gần
đây, Trung Quốc đã tăng sản lượng khai thác bauxite đạt 13% sản lượng thế giới và
điện phân nhôm năm 2008 đạt đến 34% sản lượng nhôm trên thế giới. Như vậy, thị
trường nhôm thế giới chỉ có Trung Quốc là có nhu cầu lớn, sau đó đến Nga [22].
1.1.4.2. Tiềm năng bauxite ở Việt Nam
Ở miền Bắc Việt Nam, trên mặt bào mòn sườn núi đá vôi ở các tỉnh Cao
Bằng, Lạng Sơn, Hà Giang, Hải Dương, Nghệ An đã hình thành quặng bauxite (chủ
yếu là diaspore) với tuổi Permi muộn (260 triệu năm), tài nguyên đạt 200 triệu tấn
trong đó trữ lượng đã thăm dò đạt 91 triệu tấn.
Tài nguyên bauxite ở Việt Nam đã được biết đến từ những năm 30 thế kỷ
trước, vào khoảng năm 1936 – 1943, các nhà địa chất Pháp đã phát hiện và khai
thác mỏ bauxite Lỗ Sơn (Hải Dương) và các mỏ bauxite ở vùng Lạng Sơn. Cho đến
trước năm 1975 kết quả điều tra, thăm dò của ngành địa chất Việt Nam đã xác định
và sơ bộ đánh giá triển vọng các vùng quặng bauxite lớn ở miền Bắc Việt Nam
phân bố ở các tỉnh Lạng Sơn, Cao Bằng, Hà Giang, Nghệ An. Trữ lượng và tài
nguyên được điều tra, thăm dò với các độ tin cậy khác nhau ở các vùng quặng

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

15

bauxite này đạt 357,205 triệu tấn, trong đó trữ lượng chung ở các nhóm mỏ Lạng
Sơn và Cao Bằng (tính đến năm 1969) được 36,4 triệu tấn (chiếm 10,2% tổng trữ
lượng và tài nguyên) và đã đưa ra nhận định "Bauxit đang trở thành một khoáng sản
lớn ở nước ta" .
Quặng bauxite ở miền Bắc Việt Nam chủ yếu là loại bauxite trầm tích có tuổi
Permi muộn nằm trên mặt bào mòn của đá vôi Carbon - Permi, rất ít mỏ nằm trên
mặt bào mòn đá vôi tuổi Devon. Thành phần khoáng vật quặng bauxite trầm tích
chủ yếu là boehmite và diaspore. Ở miền Bắc Việt Nam cũng có một số ít quặng
bauxite laterite trong vỏ phong hóa các đá bazan tuổi Pliocen - Pleistocen nhưng tài
nguyên nhỏ, không có giá trị công nghiệp. Từ năm 1975 đến nay công tác điều tra,
thăm dò bauxite ở Việt Nam đã đưa lại những kết quả mới với những dự báo đến
"chóng mặt", chủ yếu liên quan đến loại bauxite laterite trong các vỏ phong hóa các
đá bazan tuổi Neogen và Pliocen - Pleistocen ở miền Nam Việt Nam [6]:
 1995: 5,4 tỷ tấn quặng nguyên khai,
 2000 - 2005: 6,75 tỷ tấn quặng nguyên khai,
 2007: 5,4 tỷ tấn quặng nguyên khai (2,298 tỷ tấn quặng tinh),
 2009: 6,75 tỷ tấn quặng nguyên khai (1,62 tỷ tấn quặng tinh),
 2010: 6,91 tỷ tấn quặng nguyên khai (3,088 tỷ tấn quặng tinh),
 Và 2011: 11 tỷ tấn quặng nguyên khai.
Gần đây (năm 2011), kết quả thống kê chuyển đổi trữ lượng và tài nguyên
bauxite laterite về "mặt bằng cấp trữ lượng và tài nguyên" theo quy định về thăm
dò, phân cấp trữ lượng và tài nguyên bauxite cho thấy tổng trữ lượng và tài nguyên
bauxite laterite của 23 mỏ ở Tây Nguyên được 2,522 tỷ tấn quặng tinh (+1mm),
giảm 566 triệu tấn quặng tinh (18,3%) so với dự kiến.
Trữ lượng quặng tinh có thể huy động vào nghiên cứu khả thi khai thác đạt
314,159 triệu tấn (15,64% so với tổng tài nguyên tinh quặng). Trữ lượng đã được

cấp phép khai thác 50,739 triệu tấn chiếm 16,15% trong tổng trữ lượng quặng tinh
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

16

và chỉ đạt 2,01% tổng trữ lượng và tài nguyên quặng tinh nêu trên. Cho đến nay
(tháng 2/2012), kết quả thăm dò 4 mỏ bauxite laterite ở Đăk Nông và Bình Phước
đạt tổng trữ lượng là 1.346,129 triệu tấn quặng nguyên khai, tương đương 520,901
triệu tấn tinh quặng (+1mm), giảm so với số dự kiến ở 4 mỏ tương ứng là 548,6
triệu tấn quặng nguyên khai (giảm 28,95% so với dự kiến), tương đương giảm 329,3
triệu tấn tinh quặng (giảm 38,73%).
Bảng 1.4. Thống kê các mỏ bauxite laterite chính ở miền Nam Việt Nam [19]
STT
Tên mỏ
Diện
tích
(Km
2
)
Mức
độ
thăm
dò
Trữ lƣợng quặng tinh đã
đƣợc phê duyệt hoặc dự
kiến đạt đƣợc (Triệu tấn)
Quặng
nguyên
khai
(Triệu

tấn)
Trữ
lượng
Tài
nguyên
Tổng
1
1-5
123
Đã
97,3
36,3
133,6
283,7
2
Gia Nghĩa
117,5
Đã
95,7
44
139,7
308,5
3
Tân Rai
70
Đã
37,7
79
116,7
236

4
Tây Tân Rai
43
Đã
53,3
6,5
59,8
148,8
5
Đồi Thắng Lợi
3
Đã
2,7

2,7
5,4

Tổng
356,5



452,5
982,4
6
Kon Nà Nừng
67,5
Đang

52,7

52,7
117,1
7
Bắc Gia Nghĩa
142,5
Đang

189,7
189,7
462,6
8
Đắk Song
228
Đang

326,2
326,2
795,5
9
Gia nghĩa 2
205,5
Đang

253,4
253,4
618,1
10
Đông Bắc và
Tây Nam 1-5
174,6

Đang

162,7
162,7
396,8
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

17

11
Nhân Cơ
286
Đang

269,4
269,4
660
12
Tân Rai (TKV)
94,5
Đang

341
341
643,7
13
Bảo Lộc (TKV)
67,8
Đang

162
162
306,1
14
Thống Nhất
341,3
Đang

291
291
582
15
Thọ Sơn
158,9
Đang

116,1
116,1
232
16
Quảng Sơn
83,6
Đang

115,4
115,4
281,5
17
Tuy Đức
240

Đang

310,4
310,4
757,7
18
TCTy Hóa Chất
36,7
Đang

38
38
66,1
19
Vân Hòa
5
Đang

8
8
16

Tổng
2131,9



2636
5935,2

Tổng cộng
2488,4



3088,5
6917,6

Như vậy, về tổng thể tiềm năng tài nguyên bauxite nói chung và bauxite
laterite ở Việt Nam là lớn, nhưng với những dẫn liệu nêu trên có thể thấy những số
liệu về tài nguyên bauxite ở Việt Nam rất cần được tổng hợp lại, cập nhật kịp thời
và cần đồng bộ hóa dữ liệu, đưa về một mặt bằng tin cậy để sử dụng cho nhiều mục
đích phát triển kinh tế - xã hội [21, 52].
1.2. Công nghệ sản xuất alumin
1.2.1. Công nghệ làm giàu và chế biến quặng bauxite
Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng nhiều loại quặng để sản xuất alumin,
nhưng loại quặng chiếm trữ lượng lớn và được sử dụng nhiều nhất là bauxite.
Khoảng 85% alumin của thế giới được sản xuất từ quặng bauxite và sản xuất ở
nhiều nước trên thế giới; khoảng 10% được sản xuất từ quặng nepheline và alunite
chủ yếu ở Nga, Canada, Mỹ; khoảng 5% từ các nguyên liệu khác tập trung ở Nga,
Mỹ, Nhật Bản
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

18

Hình 1.1. Các phƣơng án sử dụng Bauxite [6]
Công nghệ làm giàu quặng bauxite [6]:
Khoảng 90% sản lượng alumin của thế giới được sản xuất bằng công nghệ
Bayer, nhưng công nghệ này đòi hỏi bauxite có hàm lượng SiO
2
thấp. Bauxite có
hàm lượng SiO
2
hoạt tính (tác dụng với kiềm) >5% không thể xử lý kinh tế bằng
phương pháp Bayer vì gây mất mát kiềm theo bùn đỏ rất lớn [40]. Ngược lại, nếu
xử lý bằng công nghệ thiêu kết hoặc thiêu kết - Bayer (hỗn hợp) thì tiêu hao năng
lượng lớn. Vì vậy, bauxite cần phải được làm giàu để giảm hàm lượng SiO
2
, nâng tỷ
lệ Al
2
O
3
/SiO
2
>7 thì mới thích hợp cho công nghệ Bayer.
Trên thế giới, các phương pháp làm giàu đơn giản và phổ biến là:
- Đập, nghiền kết hợp sàng khô

- Đập, nghiền kết hợp sàng ướt (phổ biến hơn)
Gốm, sứ
Nhôm kim loại
Các hydroxit
nhôm
Alumin
hoạt tính
Alumin đã
nung
Vật liệu chịu lửa
Vật liệu mài, đánh bóng
Sản xuất alumin
Công nghệ Bayer
Alumin cấp luyện kim
Alumin đặc biệt
Bauxite
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

19

Bằng phương pháp tuyển rửa, phần lớn SiO
2
trong hạt mịn được loại bỏ theo
quặng đuôi. Ngoài ra, một số bauxite có hàm lượng sắt cao và có từ tính (như
bauxite laterite ở vùng thềm lục địa Đông Ấn Độ), người ta dùng phương pháp
tuyển ướt với từ trường mạnh.
1.2.2. Công nghệ sản xuất alumin
Quá trình sản xuất alumin thực chất là quá trình làm giàu Al
2
O

3
, nhằm tách
lượng Al
2
O
3
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
(Na
3
AlF
6
) để nhận được nhôm 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
Na
2
CO
3
có sự tham gia của CaCO
3
(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 SiO
2
cao), nếu xử lý bằng
công nghệ Bayer (công nghệ thủy luyện) thì không có hiệu quả kinh tế.
Nguyên lý của phương pháp hỏa luyện là: Thiêu kết hỗn hợp bauxite +
Na
2

CO
3
+ CaCO
3
trong lò ống quay ở nhiệt độ 1200
o
C để thực hiện các phản ứng
sau:
Al
2
O
3
+ Na
2
CO
3
= 2 NaAlO
2
+ CO
2

SiO
2
+ 2 CaCO
3
= 2CaO.SiO
2
+ 2CO
2

NaAlO
2
rắn trong thiêu kết phẩm (sản phẩm sau khi thiêu) dễ tan trong
nước. Còn 2CaO.SiO
2
không 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.
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

20

b. Sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer (phương pháp thuỷ luyện)
Quy trình công nghệ sản xuất alumin từ bauxite được trình bày trong Hình
1.2 [49, 38]:

Hình 1.2. Công nghệ Bayer chế biến alumin từ bauxite [49]
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
công nghệ chính để sản xuất alumin. Công nghệ này đòi hỏi nguồn nguyên 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 [46]. Công nghệ Bayer được dựa trên cơ sở của phản ứng thuận
nghịch sau:

NaOH
Mầm kết tủa
Huyền phù
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

21


Al(OH)
3
+ NaOH NaAlO
2
+ 2H
2
O

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 140
o

C, nhưng nếu quặng có hàm lượng boehmite
cao thì cần hòa tan ở nhiệt độ từ 200 – 280
o
C, tùy vào nhiệt độ hòa tan sẽ có áp suất
tương ứng, ví dụ như ở 240
o
C thì áp suất là 3 Mpa. Sau đó hạ nhiệt độ của hỗn hợp
này xuống 106
o
C, ở điều kiện áp suất khí quyển.















Hình 1.3. Quy trình sản xuất alumin [49]
Hoà tách > 100
0
C
Kết tủa < 100

0
C
Gibbsite rắn

NaOH
Bauxite
Hòa tan
Nước
c
Phần rắn
Rửa
Sấy khô
Bùn đỏ khô
Lọc
Loại bỏ Silic


Kết tủa Al(OH)
3

Dung dịch NaAlO
2
Al(OH)
3
CO
2
Mầm kết
tủa
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

22

Công nghệ Bayer chủ yếu gồm các công đoạn:
- Bauxite được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH: Lượng Al
2
O
3
được tách ra
trong dạng NaAlO
2
hoà tan và được tách ra khỏi cặn không tan (gọi là bùn
đỏ, do chủ yếu là các oxit sắt nên bùn có màu đỏ, ngoài ra còn có oxit titan,
oxit silic…).
- Dung dịch aluminate NaAlO
2
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 Al
2
O
3

thành phẩm.
Chi phí nguyên, nhiên liệu để sản xuất 1 tấn alumin bằng phương pháp Bayer
tuỳ thuộc vào loại và chất lượng bauxite. Giá trị công nghiệp của bauxite chủ yếu
được xác định bởi các chi phí tiêu hao kiềm và bauxite cho 1 tấn alumin.

Bảng 1.5. Tiêu hao kiềm và bauxite cho sản xuất alumin [22]
Loại
Chất lượng
Tiêu hao bauxite
(t/t Al
2
O
3
)
Tiêu hao kiềm
(kg NaOH/t Al
2
O
3
)
I
II
III
Tốt
Trung bình
Kém
< 2,2
2,2 - 2,9
> 2,9
< 40
40 - 80
>80

Trong quá trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer, tùy theo thành phần
khoáng vật của bauxite mà công nghệ Bayer được chia thành 2 giải pháp khác nhau:

* Công nghệ Bayer Châu Mỹ
Công nghệ Bayer Châu Mỹ được áp dụng nếu Al
2
O
3
của bauxite ở dạng
gibbsite (trihydrate Al
2
O
3
.3H
2
O), có thể được hoà tách dễ dàng. Bauxite này thường
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

23

được hòa tách ở nhiệt độ khoảng 140 – 145
o
C trong dung dịch hòa tách có nồng độ
kiềm thấp (120 - 170g/l Na
2
O).
Công nghệ này đang được áp dụng trong các nhà máy của ALCOA ở Tây
Úc, nhà máy alumin ở Jamaica, Brazil, Sơn Đông (Trung Quốc), Guinea và sẽ
được áp dụng cho các nhà máy alumin ở Tây Nguyên - Việt Nam.
*Công nghệ Bayer Châu Âu
Được áp dụng nếu Al
2
O

3
của bauxite ở dạng boehmit và diaspore
(monohydrate Al
2
O
3
.H
2
O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 200
0
C (240 - 250
0
C
trong các nhà máy hiện đại và có chất xúc tác đối với quặng diaspore) và trong dung
dịch hòa tách có nồng độ kiềm cao hơn (180 – 250 g/l Na
2
O). Công nghệ này đang
được áp dụng trong các nhà máy alumin của Nga, Iran, Bình Qủa (Trung Quốc) để
xử lý quặng bauxite diaspore; nhà máy alumin ở Hungary, Nam Tư, một vài nhà
máy ở Úc xử lý quặng bauxite boehmite và sẽ được áp dụng cho nhà máy alumin
xử lý quặng bauxite diaspore ở miền Bắc Việt Nam (Ma Mèo, Táp Ná ).
1.2.3. Công nghệ sản xuất nhôm khu vực Tây Nguyên
Các đề tài nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước về mẫu bauxite mỏ Tân
Rai, mẫu bauxite mỏ ―1 - 5‖ … được thực hiện: Viện Nghiên cứu Trịnh Châu -
Chalco (Trung Quốc) thực hiện với mẫu mỏ ―1 - 5‖ còn mẫu mỏ Tân Rai được
nghiên cứu ở Tập đoàn luyện kim Vân Nam – Trung Quốc đều khẳng định hoà tách
bauxite ở 140 – 145
o
C có nhiều ưu việt hơn ở 105 – 107
o

C. Các nghiên cứu trong và
ngoài nước đối với bauxite miền Nam đều đi đến kết luận: Bauxite dưới dạng
gibbsite - goethite, chất lượng thuộc loại trung bình, thường phải qua tuyển rửa mới
đảm bảo chất lượng để sử dụng cho công nghệ Bayer; bauxite thuộc loại gibbsite dễ
hoà tách nên có thể được xử lý bằng công nghệ Bayer châu Mỹ (nhiệt độ khoảng
140 – 150
o
C, với nồng độ kiềm khoảng 160 - 170g/l Na
2
O), tuy vậy bauxite có chứa
nhiều goethite nên khả năng lắng kém. Trong luận chứng cơ hội đầu tư
"Opportunity Study" do nhóm chuyên gia của UNIDO lập năm 1988 để xây dựng
nhà máy alumin công suất 600.000 t/năm xử lý quặng bauxite Tân Rai - Lâm Đồng
Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

24

cũng đã đề xuất giải pháp lựa chọn công nghệ hoà tách ở 140
o
C với nồng độ kiềm
hoà tách là 170g/l, chỉ có công đoạn tiền khử silic (khử silic trước khi hoà tách),
không có công đoạn hậu khử silic (khử silic sau khi hoà tách).
Quá trình công nghệ sản xuất alumin chính có thể tóm tắt như sau: tinh
quặng bauxite từ nhà máy tuyển được chuyển vào máy nghiền cùng với NaOH, sữa
vôi (CaOH) theo tỷ lệ R:L = 1:1 cho đến khi đạt kích thước < 0,5mm tạo thành
huyền phù, chuyển vào bồn chứa có cánh khuấy. Tại bồn chứa có cánh khuấy, dung
dịch huyền phù được pha loãng tới nồng độ chất rắn 400g/l, sau đó được chuyển
sang thiết bị hòa tách và gia nhiệt đến nhiệt độ 145
o
C, để thực hiện quá trình hòa

tách khoáng vật gibbsite Al(OH)
3
thành NaAlO
2
hòa tan trong dung dịch. Hệ thống
thiết bị hòa tách gồm 5 thiết bị nối tiếp nhau, trong đó hai thiết bị đầu nhận trực tiếp
hơi nước có áp suất 7 atm từ nhà máy cấp hơi để đảm bảo nhiệt độ chung của toàn
bộ hệ thống hòa tách đạt 145
o
C. Dòng huyền phù từ thiết bị hòa tách có nhiệt độ
140
o
C và áp suất 5 atm sẽ được hạ áp suất tại thiết bị xả hơi và bồn xả áp. Huyền
phù sau khi hòa tách và hạ áp sẽ được hòa loãng và chuyển tới thiết bị tách cát. Tại
thiết bị tách cát, các hạt chất rắn có kích thước lớn hơn 100 µm sẽ được tách ra bằng
hệ thống hydrocyclon, rửa bằng nước nóng để thu hồi xút, sau đó đổ ra bãi thải.
Dòng dung dịch chứa aluminate sẽ tiếp tục chuyển vào thiết bị lắng để tách bùn đỏ.
Quá trình lắng của bùn đỏ sẽ được thực hiện trong thiết bị lắng dưới tác động của
trọng lực và chất trợ lắng. Dòng bùn đỏ thu từ đáy các thiết bị lắng được chuyển
sang hệ thống 6 thiết bị rửa bùn với dòng nước rửa ngược chiều để thu hồi lại xút và
aluminate. Bùn đỏ dưới dạng huyền phù có nồng độ chất rắn 47% được bơm ra bãi
chứa bùn đỏ để chôn lấp. Dung dịch aluminate sau khi ra khỏi thiết bị lắng lọc tinh
và hạ nhiệt chuyển vào thiết bị tạo mầm và thiết bị kết tinh Al - hydrate (dung dịch
cấp cho thiết bị tạo mầm cần hạ nhiệt đến nhiệt độ ~76
o
C và dung dịch cấp cho thiết
bị kết tinh cần hạ nhiệt đến nhiệt độ ~63
o
C).