Nghiên cứu qui trình, kỹ thuật sản xuất kim loại nhôm

MỤC LỤC

1


LỜI MỞ ĐẦU
Hóa kỹ thuât là môn khoa học về kỹ thuật và quy trình sản xuất các loại
nguyên liệu và sản phẩm kỹ thuật cao trong ngành hóa học.Như vậy, hóa kỹ thuật
bao gồm cá phương pháp sản xuất, quy trình công nghệ, những biến đổi hóa học
trong quá trình sản xuất.
Hóa kỹ thuật là một ngành học rất quan trọng, nó đưa ra những qui trình, kỹ
thuật sản xuất, tổng hợp các hợp chất vô cơ, hữu cơ, hóa dược, chế biến nhiên
liệu…giúp cho chúng ta có thể nắm bắt và hiểu biết cũng như ứng dụng những qui
trình đó vào thực tiễn sản xuất và chế biến ra những sản phẩm đáp ứng cho nhu
cầu đời sống. Như chúng ta đã biết, bất kì một sản phẩm nào mà ta sử dụng đều có
một qui trình, kĩ thuật sản xuất nhất định, và thường ta áp dụng những qui trình
mang tính chất phổ biến, ứng dụng và mang lại tính hiệu quả kinh tế cao. Mỗi một
sản phẩm được sản xuất ra đều đựơc sử dụng với những mục đích khác nhau trong
từng lĩnh vực như kinh tế, y học, xây dựng, giáo dục,…trong đó, kim loại là một
trong những sản phẩm rất cần thiết, không thể thiếu trong bất kì lĩnh vực nào.
Trong bài tiểu luận này, chúng ta sẽ đựơc đi sâu vào nghiên cứu qui trình, kỹ thuật
sản xuất kim loại nhôm. Đây là kim loại có tính ứng dụng kinh tế rất cao … và
đây cũng là lí do tại sao em chọn đề tài này cho bài tiểu luận của mình. Trong bài
này sẽ giúp chúng ta hiểu hơn về nhôm, vai trò, ứng dụng của nó trong sinh hoạt
cũng như sản xuất, và hiểu rõ hơn kỹ thuật, cách thức, nguyên vật liệu để sản xuất
ra nhôm.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Kim Triết hướng dẫn em hiểu rõ hơn
về môn học này cũng như giúp em bổ sung thêm kiến thúc để hoàn thành tốt bài
tiểu luận này. Do kiến thức còn hạn hẹp nên còn nhiều thiếu sót trong bài tiểu
luận, em chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến của thầy và các bạn.
2

3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KIM LOẠI NHÔM
1. Khái

niệm
1.1

Các thuộc tính cơ bản

Nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu xám bạc ánh kim mờ, vì có một
lớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoàikhông khí.Tỷ
trọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm,
dễ uốn 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.

Hình

1.

Kim loại
nhôm
Nhôm đứng thứ
13

trong bảng

tuần

hoàn

các

nguyên tố, có ký
hiệu Al. Và có cấu hình electron [Ne]3s23p1
Nguyên tử khối bằng 27 đvC.
Khối lượng riêng là 2,7 g/cm3.
Nhiệt độ nóng chảy là 660oC.

4


Các đồng vị của nhôm

1.2

Nhôm có chín đồng vị, số Z của chúng từ 23 đến 30. Chỉ có Al-27 là đồng vị
ổn định và Al-26 là đồng vị phóng xạ, với chu kỳ bán hủy 7,2 × 10 5 năm được
tìm thấy trong tự nhiên, tuy nhiên Al-27 có sự phổ biến trong tự nhiên là
100%. Al-26 được sản xuất từ agon trong khí quyển do va chạm sinh ra bởi
các tia vũ trụ proton. Các đồng vị của nhôm có ứng dụng thực tế trong việc
tính tuổi của trầm tích dưới biển, các vết mangan, nước đóng băng, thạch anh
trong đá lộ thiên, và các thiên thạch.
Al-26 nguồn gốc vũ trụ đầu tiên được sử dụng để nghiên cứu Mặt Trăng và
các thiên thạch. Các thành phần của thiên thạch, sau khi thoát khỏi nguồn gốc
của chúng, trong khi chu du trong không gian bị tấn công bởi các tia vũ trụ,

sinh ra các nguyên tử Al-26. Sau khi rơi xuống Trái Đất, tấm chắn khí quyển
đã bảo vệ cho các phần tử này không sinh ra thêm Al-26, và sự phân rã của nó
có thể sử dụng để xác định tuổi trên trái đất của các thiên thạch này.Các
nghiên cứu về thiên thạch cho thấy Al-26 là tương đối phổ biến trong thời gian
hình thành hệ hành tinh của chúng ta. Có thể là năng lượng được giải phóng
bởi sự phân rã Al-26 có liên quan đến sự nấu chảy lại và sự sai biệt của một số
tiểu hành tinh sau khi chúng hình thành cách đây 4,6 tỷ năm.
1.3

Hợp kim nhôm

Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều
nguyên tố như đồng,kẽm,magiê,mangan và silic.
1.3.1

Tính chất của hợp kim nhôm

Khối lượng riêng nhỏ (~2,7g/cm³) nên nhôm và hợp kim nhôm chỉ nặng
bằng 1/3 thép.
Tính chống ăn mòn trong khí quyển: Do đặc tính ôxy hoá của nó đã biến lớp
bề mặt của nhôm thành ôxít nhôm (Al2O3) rất xít chặt và chống ăn mòn cao
5


trong khí quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơn
bảo vệTính dẫn điện: Tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng, nhưng do
nhôm nhẹ hơn nên chúng được sử dụng nhiều hơn, ít bị nung nóng hơn...
Tính dẻo: Rất dẻo, nên rất thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng,
màng, ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt.
Nhiệt độ nóng chảy: Tương đối thấp nên thuận tiện cho việc nấu chảy khi

đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng được ở nhiệt
độ cao hơn 300-400 độ C.
1.3.2
Phân loại hợp kim nhôm
Được chia làm hai loại chinh:
 Hợp kim nhôm biến dạng:
-

Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện.
Hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền được bằng nhiệt luyện.
 Hợp kim nhôm đúc:
Là các loại hợp kim với khoảng Si rộng (5-20%) và có thêm Mg (0,3-0,5%)
để tạo pha hoá bền Mg2Si nên các hệ Al-Si-Mg phải qua hoá bền.Cho thêm
Cu (3-5%) vào hệ Al-Si-Mg để cải thiện cơ tính và có tính đúc tốt do có các
thành phần gần với cùng tin Al-Si-Cu nên được sử dụng trong đúc piston,
nắp máy của động cơ đốt trong.
1.3.3 Ứng dụng
Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại
khác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới.Khi
được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tăng
lên đáng kể.
-

Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trong
các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng.

-

Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản
xạ cả ánh sáng và bức xạ nhiệt. Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp

mỏng của ôxít nhôm bảo vệ, nó không bị hư hỏng như các lớp bạc bao
6


phủ vẫn hay bị. Trên thực tế, gần như toàn bộ các loại gương hiện đại
được sản xuất sử dụng lớp phản xạ bằng nhôm trên mặt sau của thủy
tinh. Các gương của kính thiên văn cũng được phủ một lớp mỏng
nhôm, nhưng là ở mặt trước để tránh các phản xạ bên trong mặc dù
điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với các tổn thương.
-

Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của
phương tiện vận tải.

-

Chế tạo máy móc, các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ
nấu bếp…)

7


CHƯƠNG II: TÌNH HÌNH SẢN XUẤT NHÔM TẠI VIỆT NAM
1. Phân bố quặng nhôm

Kết quả thăm dò địa chất đã phát hiện trên lãnh thổ nước ta có trữ lượng quặng
boxit phong phú ở cả Miền Bắc và Miền Nam Việt Nam. Tổng trữ lượng quặng
boxit của Việt Nam ước tính khoảng 8 tỷ tấn, trong đó có 7,6 tỷ tấn ở các tỉnh Tây
Nguyên. Với trữ lượng như vậy, nước ta đứng trong số các nước có trữ lượng
boxit lớn trên thế giới.

Quặng boxit là nguồn tài nguyên lớn của nước ta, là cơ sở để hình thành ngành
công nghiệp luyện nhôm, là nguồn lực quan trọng trong quá trình công nghiệp
hóa, hiện đại hóa đất nước.
Mặc dù nhôm kim loại là sản phẩm quan trọng cho ngành kinh tế quốc dân và
nước ta có sẵn nguồn nguyên liệu cũng như các điều kiện khác để sản xuất nhôm
kim loại (thuỷ điện, nhân lực...) nhưng hiện nay chúng ta vẫn chưa sản xuất được
nhôm kim loại. Vì vậy, một trong mục tiêu mà chính phủ đã đề ra là xây dựng mới
ngành công nghiệp nhôm Việt Nam, đáp ứng nhu cầu nhôm trong nước, tranh thủ
xuất khẩu một phần sản phẩm sang các nước xung quanh, tạo cơ sở vật chất kỹ
thuật ban đầu và đội ngũ quản lý, kỹ thuật, đồng thời tích luỹ vốn để phát triển
công nghiệp nhôm lâu dài với quy mô lớn, nhằm khai thác nguồn boxit sẵn có để
xuất khẩu các sản phẩm alumin và nhôm.
Ở Việt Nam có hai loại hình quặng boxit:
 Loại quặng bơsmit và diaspo, tập trung chủ yếu ở Miền Bắc Việt Nam,
phân bố ở các tỉnh Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Bắc Giang). Tổng trữ lượng
dự đoán khoảng trên 350 triệu tấn, hàm lượng nhôm dao động trong khoảng 39-65
%.Modul silic (Al2O3 /SiO2) bằng 5-8. Cụ thể, quặng boxit phân bố như sau:
- Nhóm tụ khoáng Hà Giang: tài nguyên ước đoán khoảng 60 triệu tấn.
- Nhóm tụ khoáng Cao Bằng: tài nguyên ước đoán khoảng 240 triệu tấn.

8


- Nhóm tụ khoáng Lạng Sơn: tài nguyên đã được thăm dò và ước đoán khoảng
50 triệu tấn.
- Mỏ Lỗ Sơn (Hải Dương) có trữ lượng cấp B là 97.000 tấn, trữ lượng cấp
C1 là 24.000 tấn , với hàm lượng như sau:
Al2O3 52 %
SiO2 6,4 %
Fe2O3 26 %

TiO2 2 %
CaO 0,53 %
MgO 0,24 %
Hàm lượng bị mất khi nung khoảng 12 %.
Loại quặng gipsit, tập trung chủ yếu ở Tây Nguyên và Miền Nam Việt Nam,
với tổng trữ lượng ước tính khoảng7,6 tỷ tấn.
Trữ lượng quặng boxit đã được thăm dò và chứng minh ở Tây Nguyên và
Miền Nam Việt Nam là khoảng 2772 triệu tấn. Trong đó cụ thể các khu vực
như sau:
- Tài nguyên vùng Đắc Nông - Phước Long khoảng 1.570 triệu tấn
- Tài nguyên boxit vùng Lâm Đồng tập trung ở hai tụ khoáng là Tân Rai và
Bảo Lộc.
Hàm lượng:
Al2O3 44,69%
SiO2

2,61%

Fe2O3 23,35%
TiO2 3,52%
Hàm lượng bị mất khi nung khoảng 24,3%.
9


Nói chung, quặng boxit nguyên khai ở Lâm Đồng đều có chất lượng không
cao, hàm lượng Al2O3 chỉ khoảng 35 - 37%. Người ta phải tuyển rửa quặng
nguyên khai để thu được tinh quặng giàu nhôm hơn. Sau khi tuyển, tinh quặng
boxit ở các tụ khoáng Lâm Đồng cũng chỉ đạt hàm lượng 45 - 49% Al2O3.
Ngoài ra, quặng boxit miền Nam còn có ở các vùng Kon Plong, Phú Yên,
Quảng Ngãi, với trữ lượng khoảng 106 triệu tấn. Nhìn chung, boxit Việt Nam

ở hầu hết các vùng đều có thể khai thác lộ thiên.
Tuy nhiên, trừ những khu mỏ lớn ở Lâm Đồng, trữ lượng quặng còn lại được
phân bố dàn trải, vỉa quặng không dày và hầu hết đều nằm trong các vùng
canh tác nông, lâm nghiệp, nên sẽ có những khó khăn nhất định trong quá
trình khai thác để sản xuất nhôm quy mô lớn, do đụng chạm trực tiếp đến việc
sử dụng đất canh tác, vấn đề cân bằng nước mặt, vấn đề quặng thải, vấn đề
nước thải và nói chung là vấn đề sinh thái.

Hình 2.Biểu đồ phân bố hàm lượng quặng Boxit tại Việt Nam.

10


Việt Nam là quốc gia có nguồn năng lượng dồi dào với nhiều mỏ quặng
bauxite, là cơ hội rất tốt cho việc phát triển năng lượng mới và các dự án kim
loại, tạo ra một chu trình sản xuất từ bauxite đến sản phẩm nhôm và hợp kim.
Tuy nhiên hiện tại, Việt Nam chưa có ngành công nghiệp nhôm riêng với quy
mô lớn.
2. Một

số nhà máy sản xuất nhôm sản xuất thành phẩm nhôm tại Việt Nam
Nhà máy luyện nhôm Bảo Lâm-Lâm Đồng(trực thuộc Tổng công ty khoáng
sản Việt Nam thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam).
Công suất đạt 600.000 tấn/năm.Đưa vào hoạt động năm 2009.
Nhà máy nhôm Asia Vina – Taiwan (thuộc Công ty Thương mại tổng hợp
Quảng Bình). Nhà máy nhôm Asia Vina - Taiwan là một trong 5 doanh
nghiệp hàng đầu ở Việt Nam kể cả doanh nghiệp có hơn 100% vốn nước
ngoài và liên doanh về sản xuất các loại nhôm thanh định hình đạt tiêu chuẩn
chất lượng quốc tế, có sức cạnh tranh cao. Nhà máy hiện có 3 dây chuyền
công nghệ hiện đại sản xuất các loại nhôm thanh, 2 hệ thống mạ hoàn thiện

sản phẩm, hệ thống đúc nhôm để nấu lại toàn bộ dư liệu trong quá trình sản
xuất, vừa triệt để tiết kiệm nguyên liệu đắt tiền, vừa làm cho nhà máy giảm
thiểu phế thải đến mức cao nhất, cùng với các máy kiểm tra độ cứng của
thanh nhôm, độ dày lớp mạ sản phẩm và hệ thống kiểm tra cơ, lý hoá của sản
phẩm đạt yêu cầu chính xác cao.
Công suất : Từ 3.500 đến 3.700 tấn sản phẩm/ năm.

11


CHƯƠNG III: QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM
1. Nguyên liệu
1.1 Khái niệm

về Boxit

Boxit là một loại quặng nhôm (aluminium ore) có thành phần chính là
hydroxit nhôm Al(OH)3 hoặc oxit hydroxit nhôm AlO(OH) và các loại oxit
khác như oxit sắt (hematite Fe2O3 và goethite HFeO2), oxit silic SiO2, oxit
titan TiO2, caolinit Al2Si2O5(OH)4, sét và các tạp chất khác. Boxit được đặt
theo tên làng Le Baux nằm ở phía Nam nước Pháp, nơi mà boxit được tìm
thấy đầu tiên vào năm 1821 bởi nhà địa chất Piere Berthier.

Hình 3. Boxit với phần lõi còn nguyên mảnh đá mẹ chưa phong hóa
Boxit có màu hồng, nâu được hình thành từ quá trình phong hóa các đá giàu
nhôm hoặc tích tụ từ các quặng có trước bởi quá trình xói mòn. Quặng boxit
phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo đặc biệt trong môi
trường nhiệt đới. Từ boxit có thể tách ra alumina (Al203), nguyên liệu chính để
luyện nhôm trong các lò điện phân, chiếm 95% lượng bôxít được khai thác
trên thế giới.

12


1.2

Quá trình hình thành và phân quặng boxit

Bô xít hình thành trên các loại đá có hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôi
trong quá trình phong hóa. Quá trình hình thành trải qua các giai đoạn: đầu
tiên là phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra ôxít nhôm và sắt,
tiếp theo là làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi
của nước ngầm, và cuối cùng là giai đoạn xói mòn và tái tích tụ bô xít. Quá
trình này chịu ảnh hưởng của một vài yếu tố chính như đá mẹ chứa các
khoáng vật dễ hòa tan và các khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và
sắt, độ lổ hổng có hiệu của đá cho phép nước thấm qua, 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 với vi khuẩn. Theo một mô hình mô phỏng quá trình
này thì giá trị pH thích hợp đạt khoảng 3,5-4,0.
Ở Việt Nam, boxit phân bố phổ biến ở các tỉnh: Cao Bằng, Hà Giang, Lạng
Sơn và Tây nguyên. Ở các tỉnh phía Bắc, boxit là các ổ, các phễu và dạng cột
xuyên lên vào giao điểm các đứt gẫy địa chất (chủ yếu là giao điểm của 4 đứt
gãy, lấp đầy các hang động karsto, và phủ bất chỉnh hợp lên các đá cổ hơn
(người ta nhầm boxit trầm tích)dưới dạng các lớp dăm, cuội dung nham đã
phong hóa thành sét-kaolin chứa quặng boxit dạng bom núi lửa, dạng dăm cuội.
Ở Tây nguyên, boxit có thân quặng dăm, cuội dung nham chứa boxit dạng
cột, dạng phễu và dạng dòng chảy phủ lên đá bazan và các trầm tích cổ hơn.
Phần trên mặt lộ ra trên mặt đất và trên mực nước tĩnh, lớp dăm cuội dung
nham này bị laterit hóa rất rắn chắc; nhưng ngay dưới lớp laterit sẽ là đá cổ
hơn, hoặc nếu dưới mực nước tĩnh sẽ gặp "cuội, sỏi, cát, sét - kaolin chứa

bauxite và quặng đa khoáng" giống quặng sa khoáng.
13


Từ quan sát và phân tích thực tế, có thể kết luận: boxit Việt Nam, nói riêng,
thế giới nói chung, có nguồn gốc nội sinh kiểu á núi lửa. Quặng chỉ có ở
vùng họng núi lửa và vùng phụ cận do quy mô núi lửa và địa hình khi núi lửa
phun trào quặng boxit. Quy mô của boxit phụ thuộc vào quy mô của núi lửa
mang quặng. Thân quặng có dạng cột (khoáng trụ), dạng phễu và dạng lấp
đầy các hang, hốc, thung lũng. Chiều dày thân quặng phụ thuộc chủ yếu vào
khoảng cách tới họng núi lửa mà nó phun lên và địa hình mà lớp dung nham
mang quặng boxit lấp vào.Phần trên mặt đất, thân quặng luôn bị laterit hóa.
Hàm lượng quặng boxit Tây nguyên hiện thấy rất nghèo (<15%), chứng tỏ
người ta chỉ mới lấy được phần dăm cuội dung nham tràn lên mặt đất và bị
laterit hoá. Càng gần miệng núi lửa phun quặng thì hàm lượng nhôm càng
cao. Khi nhầm nguồn gốc của bauxite từ nội sinh sang ngoại sinh sẽ có
những kết quả tai hại.
1.3

Phân loại quặng boxit

Bôxít tồn tại ở 3 dạng chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa trong
nó và cấu trúc tinh thể gồm: gibbsit Al(OH)3, boehmit γ-AlO(OH), và diaspore
α-AlO(OH),cùng với các khoáng vật oxit sắt goethit và hematit, các khoáng
vật sét kaolinit và đôi khi có mặt cả anata TiO2. Gibbsit là hydroxit nhôm thực
sự còn boehmit và diaspore tồn tại ở dạng hidroxit nhôm ôxít. Sự khác biệt cơ
bản giữa boehmit và diaspore là diaspore có cấu trúc tinh thể khác với
boehmit, và cần nhiệt độ cao hơn để thực hiện quá trình tách nước nhanh.
Từ nguồn gốc hình thành dẫn đến việc tạo thành hai loại mỏ boxit:
-

Loại phong hóa được hình thành do quá trình Laterit hóa chỉ diễn ra
trong điều kiện nhiệt đới trên nền đá mẹ là các loại đá silicat: granit,
gneiss, badan và đá sét. Tại nước ta, boxit ở Tây Nguyên được hình
thành theo phương thức này trên nền đất badan.
14


-

Loại trầm tích có chất lượng tốt và có giá trị công nghiệp. Loại này được
hình thành bằng con đường phong hóa Laterit trên nền đá cacbonat như
đá vôi và dolomite xen kẽ các lớp kẹp sét tích tụ do phong hóa sót hay do

lắng đọng phần khoáng vật sét không tan khi đá vôi phong hóa hóa học.
1.4 Khái niệm Alumin
Alumin và alumina là tên gọi khác của oxit nhôm Al 2O3. Alumin xuất hiện
trong tự nhiên dưới dạng hợp chất với khoáng chất khác, ví dụ như: trong
quặng boxit, đất sét, mica… Oxit nhôm còn xuất hiện gần như nguyên chất
dưới dạng tinh thể.Alumin có công dụng quan trọng và rộng rãi trong đời
sống.
Ngoài công dụng lớn nhất là nguyên liệu để sản xuất nhôm kim loại, nó còn
được dùng để sản xuất vật liệu xây dựng và vật liệu chịu lửa như bột mài, đá
mài, gạch chịu lửa. gốm sứ, thủy tinh…
2. Quy trình sản xuất nhôm
2.1 Khai thác quặng Boxit

Các mỏ boxit ở Lâm Đồng, Đăk Nông có dạng vỉa gồm những thân quặng dầy
4-5 m phân bố chủ yếu ở khu vực đỉnh đồi và có chiều dầy lớp phủ từ 0 – 3 m.
Quy trình công nghệ khai thác bô-xit lộ thiên tương đối đơn giản. Sau khi cây

cối ào và xúc bằng máy xúc và sau đó được vận chuyển bằng ô tô và băng tải
tới phân xưởng tuyển rửa. Sau khi được tuyển rửa bô-xit được vận chuyển
bằng băng tải về nhà máy tinh luyện alumin.
Quặng boxit chưa qua tuyển rửa thì được gọi là quặng boxit nguyên khai hay
quặng trên bề mặt được cắt, lớp đất đá phủ được bóc và lưu giữ gần nơi khai
thác. Quặng bô-xit đã qua tuyển rửa được gọi là quặng tinh hay quặng cô đặc.
Để có thể hình dung được mức độ sử dụng đất trong khai thác boxit ta có thể
lấy ví dụ tính toán sau đây: trên diện tích 1 km² của mỏ Gia Nghĩa (đã được
thăm dò) ta có thể khai thác được bao nhiêu tấn quặng bô-xit nguyên khai?.
15


Để tính toán ta lấy hình vuông có cạnh 1000 m và diện tích 1 km².Với chiều
dầy thân quặng trung bình 4 m thì ta có thể đào được 4 triệu m³ (1000 m ×
1000 m × 4 m) boxit. Với trọng lượng riêng trung bình của boxit là 1,6 tấn/ m³
thì khối lượng boxit có thể khai thác trên 1 km² là khoảng 6,4 triệu tấn quặng
nguyên khai. Với độ thu hồi tinh quặng sau tuyển rửa là 42,54 % thì ta có tổng
lượng quặng tinh thu được trên 1 km² là 2,7 triệu tấn. Với hàm lượng oxit
nhôm trung bình là 49,74% thì với 2,7 triệu tấn quặng tinh này ta có thể sản
xuất được khoảng 1,3 triệu tấn alumin. Nói cách khác việc khai thác boxit trên
một diện tích 1 km² có thể đủ cung cấp cho hoạt động của một nhà máy sản
xuất alumin công suất 600.000 tấn/ năm trong hơn 2 năm.
Tuy nhiên việc khai thác boxit không được thực hiện ngay một lúc ngay trên
toàn bộ diện tích 1 km² mà được thực hiện dần dần trên từng ô nhỏ, đảm bảo
cung cấp đủ boxit cho hoạt động thường xuyên của nhà máy sản xuất alumin.
Để đủ boxit cho một nhà máy sản xuất alumin công suất 600.000 tấn/năm (giả
sử hoạt động 320 ngày/ năm) hoạt động trong 1 ngày người ta chỉ cần tới
khoảng 3750 tấn quặng tinh (1.200.000/ 320) hay 8771 tấn quặng nguyên khai
(tương đương với 5.482 m³ quặng) và với độ dầy trung bình thân quặng 4 m
người ta chỉ cần khai thác boxit trên một diện tích khoảng 1370 m², tức là một

hình chữ nhật có cạnh 45 m × 30 m (bằng khoảng 1/5 diện tích sân bóng đá
chuẩn có kích thước 105 m × 68 m).
Bên cạnh đó, việc khai thác quặng boxit phải đảm bảo phát triển bền vững. Để
thực hiện khai thác boxit đảm bảo phát triển bền vững người ta tiến hành như
sau: Trước khi khai thác một cuộc điều tra được tiến hành tại khu vực sẽ khai
thác để thu thập thông tin đầy đủ và chi tiết về nguồn nước, đất đai, môi
trường sinh thái bao gồm mọi loài động thực vật có trên khu vực. Các thông
tin này được sử dụng làm cơ sở dữ liệu cho báo cáo đánh giá tác động môi
trường. Các công ty khai thác boxit cần thảo luận với chủ đất hoặc chính
quyền địa phương các tiêu chí về phục hồi đất đai và môi trường sinh thái bao
16


gồm các yêu cầu của chủ đất hay chính quyền địa phương về các tiêu chuẩn
phục hồi đất đai, động thực vật sau khai thác. Những tiêu chí này cần phải đạt
được khi đơn vị khai thác bàn giao các khu vực đã được phục hồi cho chủ đất
(ví dụ cây phải cao bao nhiêu m, bao nhiêu phần trăm thảm động thực vật cần
được phục hồi). Khu vực khai thác được chia làm nhiều ô nhỏ như đã nói ở
trên.Việc hoàn thổ được thực hiện ngay sau khi hoàn thành việc khai thác bôxit trên từng ô bằng việc lấp lại lớp đất đá phủ, san phẳng bể mặt, phủ lớp đất
mầu lên trên cùng và cầy sới làm tơi xốp đất. Việc phục hồi sinh thái như
trồng cây, phát triển các loài động vật côn trùng tại khu vực đã khai thác sẽ
được tiến hành tiếp theo trong một thời gian dài theo thỏa thuận giữa công ty
khai thác boxit và chủ đất hay chính quyền địa phương. Như vậy công việc
hoàn thổ, phục hồi đất đai và môi trường được tiến hành song song với công
việc khai thác để đảm bảo diện tích đất trong trạng thái bị đào bới là nhỏ nhất.
2.2 Tuyển rửa boxit

Quá trình loại bỏ bớt tạp chất trong quặng để tăng hàm lượng khoáng chất được
gọi là quá trình làm giàu quặn. Một trong những biện pháp làm giàu quặng là
phương pháp tuyển rửa bằng nước). Phương pháp tuyển rửa áp dụng cho các loại

boxit có chứa nhiều tạp chất có thể tan trong nước như bùn sét. Boxit ở Tây
Nguyên có hàm lượng sét tương đối cao vì vậy cần được tuyển rửa trước khi đưa
vào quá trình tinh luyện để tách alumin. Trong quá trình tuyển rửa quặng được
sàng tuyển và rửa bằng nước, bùn sét hòa tan trong nước và quặng có độ hạt nhỏ
hơn khe hở của lưới sàng được thải ra một hồ chứa. Quặng thải sau quá trình
tuyển rửa được gọi là quặng đuôi. Quặng đuôi sẽ lắng trong hồ chứa quặng đuôi,
còn nước sẽ được thu hồi đề tái chế sử dụng lại. Theo kết quả nghiên cứu tính khả
tuyển của boxit mỏ Gia 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). Quá trình tuyển rửa là cần thiết
17


vì nó giảm chi phí vật tư (đặc biệt là xút NaOH) và chi phí vận hành trong công
đoạn hòa tách và đồng thời giảm lượng bùn đỏ thải ra ở công đoạn hòa tách.
Cần nhấn mạnh rằng nước thải chứa quặng đuôi cũng có màu đỏ nhưng không
phải là bùn đỏ. Do không chứa hóa chất nên nước bùn chứa quặng đuôi không
phải là chất thải độc hại. Với hệ số thu hồi 50 % thì cứ 2 tấn quặng nguyên khai
thì ta thu hồi được 1 tấn quặng tinh và thải ra 1 tấn quặng đuôi. Như vậy nếu
quặng đuôi được thải ra một hồ chứa có độ sâu trung bình 4 m (bằng chiều dầy
trung bình của thân quặng boxit) thì diện tích hồ chứa cần phải bằng 50 % diện
tích mỏ đã được khai thác.Vì vậy hồ chứa quặng đuôi phải có độ sâu tương đối
lớn để giảm diện tích chiếm đất của hồ chứa. Lượng nước cần có cho quá trình
tuyển rửa cũng là một vấn đề cần phải xem xét trong việc thu xếp nguồn cung cấp
nước cho sản xuất.
2.3 Các công đoạn của quá trình sản xuất Alumin

Bản chất của quá trình sản xuất alumin là việc tách oxit nhôm ra khỏi quặng boxit.
Quy trình công nghệ để tách oxit nhôm ra khỏi quặng boxit được phát minh bởi
Karl Bayer năm 1887 và do vậy quy trình này được đặt tên là quy trình Bayer.

Quy trình Bayer gồm 3 công đoạn: hòa tách, kết tủa và nung.

18


Quy trình sản xuất Alumin được diễn tả qua sơ đồ sau:

Hình 4.Sơ đồ quá trình tinh luyện Alumin
2.3.1 Công đoạn hòa tách
Quặng bô-xit 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 aluminat natri NaAl(OH) nổi lên trên còn các thành phần khác
không bị hòa tan như oxit sắt, oxit silic, oxit titan và các tạp chất khác thì lắng
xuống dưới và được thải qua đáy thùng. Chất thải này được gọi là quặng boxit
thải hay bùn đỏ 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 thải. Bùn đỏ được thải ở dạng
lỏng thì được gọi là thải ướt và ở dạng cô đặc thì gọi là thải khô.

19


Phản ứng hóa học của quá trình hòa tách là:
Đối với boxit loại gibbsite:
Al(OH)3+ Na+ + OH-Al(OH)4- + Na+
Hoặc dưới dạng: Al2O3.3H2O + 2NaOH 2NaAlO2 + 4H2O
Đối với bô-xit loại boehmite và diaspore:
AlO(OH) + Na+ + OH- + H2OAl(OH)4- + Na+
Hoặc dưới dạng: Al2O3.H2O + 2NaOH

2NaAlO2 + 2H2O

Công đoạn này còn có thể được gọi là công đoạn “tiêu hóa” vì nó giống
quá trình tiêu hóa thức ăn trong hệ tiêu hóa của con người (thức ăn được
nghiền bằng răng và dạ dầy và đưa vào ruột, ở đó các chất dinh dưỡng được
hấp thụ còn cặn bã thì được thải qua ruột già ra ngoài).
2.3.2 Công đoạn kết tủa
Dung dịch chứa aluminat natri NaAl(OH)4 được lọc sạch trước khi được đưa
sang công đoạn kết tủa. 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 là:
Al(OH)4- +NaAl(OH)3Na+ + OHVới các mầm kết tủa là các hạt oxit nhôm, hydoxit nhôm Al(OH)3 kết tinh và
lắng xuống đáy thùng.

20


2.3.3 Công đoạn nung
Hydroxit nhôm Al(OH)3 từ công đoạn kết tủa được đưa sang một lò nung để
tách nước và thu được oxit nhôm:
2Al(OH)3Al2O3 + 3H2O
Công đoạn kết tủa được đưa sang một lò nung để tách nước và thu được oxit
nhôm.Hoàn nguyên oxit nhôm
Cấu tạo thùng điện phân:

Hình 5.Sơ đồ cấu tạo thùng điện phân

Thùng được làm bằng vật liệu chịu nhiệt, bên trong được lót bằng một lớp
grafit dầy để làm catot.Anot được làm bằng các thỏi grafit và được đặt cách
đáy một khoảng thích hợp nhằm tạo ra sự phóng điện qua lớp muối nóng
chảy.Hỗn hợp muối nóng chảy và nhôm oxit được trộn đều và cấp vào bể điện

phân từ trên xuống.Trong suốt quá trình điện phân nhiệt độ trong long khối
chất lỏng được giữ khoảng 1000 0C. Thế phân huỷ ( đo trên điện cực trơ ở
nhiệt độ 9500C) của Al2O3 là 2,18 V, của của AlF 3 là 3,5 V, và của NaF là 4,5
V. Nhưng thực tế trên điện cực grafit thì Al 2O3 đã bị phân huỷ ở 1,00V và sinh
ra CO. CO ngay lập tức bị đốt cháy tạo thành CO2.
Các phản ứng xảy ra ở hai điện cực:
Al3++ 3eAl
Catot
(Al3+)

Al2O3
(nóng chảy)

21


Anot
(O2-)
4O2- -4e

O2

Phương trình điện phân:
2Al2Odpnc

4Al + 3O2

Phản ứng phụ ở anot:
Oxi tạo thành đốt cháy anot ở nhiệt độ cao:
C

+

O2

2C + O2

CO2
2CO

Trong thực tế, thế đặt vào điện cực là khoảng từ 5 đến 6V và mật độ dòng
khoảng từ 70 đến 90 A/dm2. Phần lớn năng lượng điện bị sử dụng vào việc tái
sinh nhiệt khi dòng điện phóng qua lớp dung dịch muối nóng chảy có điện trở
lớn. Việc này rất cần thiết trong việc duy trì trạng thái nóng chảy của muối.Một
phần nhỏ năng lượng điện là để điện phân hoàn nguyên nhôm.Khi thế không
quá cao và nồng độ Al2O3 nhỏ thì thực tế chỉ xảy ra sự điện phân của Al 2O3.Một
phần không đáng kể muối flourua bị phân huỷ thành CF4 trên catot. Khi nồng độ
Al2O3 giảm xuống, thế điện cực sẽ lập tức tăng lên, khi đó cần phải bổ sung
ngay nhôm oxit để tránh các phản ứng phụ khác điên cực có thể xảy ra. Trong
trường hợp bể nghiêm chỉnh thì không có xảy ra sự điện phân tạo natri kim loại.
Sản xuất nhôm yêu cầu tiêu hao một lượng điện năng khá lớn.Song đem so sánh
tỷ trọng của nó trong giá thành sản xuất thì chỉ vào khoảng 25%.Trong khi đó tỷ
trọng giá thành rơi vào công đoạn tinh chế nguyên liệu.Al 2O3 là khoảng 32%
vào cryolit là 4% và vào hao mòn điện cực khoảng 12%.

22


Nhôm sản xuất bằng con đường điện phân như đã nêu thường có độ tinh khiết
khoảng 99,5%. Các tạp chất chủ yếu trong đó là silic, sắt và đôi khi có cả

dồng.Muốn có nhôm tinh khiết hơn, người ta phải tinh chế lại từ nhôm điện
phân. Một trong các phương pháp đơn giản và hiệu quả nhất là phương pháp
tinh chế bằng clo và nito. Theo phương pháp này, trước hết người ta thổi khí clo
qua nhôm nóng chảy. Các kim loại nhẹ đi cùng với nhôm sẽ bị chuyển thành
clorua nổi lên bề mặt kim loại nóng chảy. Các oxit, nitrua và cabit phân tán nhờ
đó cũng ngưng tụ lại. Quá trình thổi clo kéo dài khoảng 10 phút sẽ gây ra hao
tổn nhôm do tạo thành AlCl3 chỉ vào khoảng từ 2 đến 3 %. Tiếp theo người ta
tiến hành thổi nito để đuổi hết khí clo ra khỏi không gian bể tinh chế.
Trên thế giới một lượng lớn nhôm đượ sản xuất ra từ nhôm phế liệu.Nhiều khi
lượng nhôm tái sinh chiếm tới khoảng 50% lượng nhôm khai thác từ mỏ.Việc
nấu lại nhôm phế liệu khác với sản xuất nhôm từ oxit.Thông thường người ta sử
dụng phương pháp điện phân ba lớp. Nhôm nóng chảy là lớp trên cùng được
cách lớp đáy lớp muối nóng chảy (dung dịch điện ly) nặng hơn do được bổ sung
them thành phần BaF2 hay BaCl2. Lớp đáy thường dùng là hợp kim nặng của
nhôm và đồng.

23


CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN
Với qui trình sản xuất nhôm trong công nghiệp ở trên, đó là phương pháp duy
nhất để luyện nhôm từ boxit bằng cách điện phân Al 2O3 sạch (sản xuất từ boxit
theo qui trình Baye) khan, tan trong cryolit Na 3AlF6 nóng chảy, ở nhiệt độ
9500C, với điện cực graphit. Chúng ta có thể tạo ra một số lượng lớn sản phẩm
cung cấp cho nhu cầu đời sống. Nhôm là một trong những kim loại đóng vai trò
quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Với những tính chất vật lí, hóa học đặc trưng
mà nó đựơc ứng dụng rất nhiều. Việc tinh luyện, điều chế nhôm, phần lớn dùng
để chế tạo hợp kim. Còn lại được dùng cho các lĩnh vực khác.
Dựa trên những đặc điểm và tính ứng dụng của nhôm cũng như qui trình sản
xuất của nó, chúng ta cần phải luôn trau dồi tìm hiểu, nghiên cứu và xây dựng,

củng cố nên nhiều qui trình sản xuất các kim loại, cũng như các hợp chất vô cơ,
hữu cơ, hóa dược …khác với mục đích mang lại tính nâng cao hiệu quả kinh tế
và tăng năng suất nhằm góp phần phát triển đất nước

24


CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM
Câu 1: Kết quả quá trình làm sạch nguyên liệu sản xuất nhôm?
A. Thu được Al nguyên chất
B. Thu được Al2O3 nguyên chất
C. Thu được Al(OH)3 nguyên chất
D. Tất cả đều đúng
Câu 2: Phương pháp nào sau đây được dùng để điều chế nhôm?
A. Cho Mg tác dụng dung dịch AlCl3
B. Điện phân dung dịch AlCl3
C. Điện phân hỗn hợp nóng chảy của Al2 O3 và criolit
D. Phương pháp khác
Câu 3: Quá trình sản xuất Alumin qua mấy công đoạn?
A.
B.
C.
D.

Ba công đoạn
Bốn công đoạn
Năm công đoạn
Hai công đoạn

Câu 4: Nhôm sản xuất bằng phương pháp điện phân có độ tinh khiết là bao nhiêu?

A.
B.
C.
D.

89,45%
98.45%
95.5%
99,5%

25