Tiểu luận Tính chất nhôm Bauxite

MỤC LỤC

1


DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

2


MỞ ĐẦU
Chúng ta đang sống trong thời đại của nhôm. Nhôm có vai trò vô cùng quan
trọng trong cuộc sống con người và được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: Hàng
không, thực phẩm, sinh hoạt, dược phẩm, ô tô, xây dựng, máy móc, vũ trụ…Chính vì
vậy, sản xuất nhôm là ngành sản xuất mà bất kì quốc gia nào cũng muốn phát triển.
Nhôm là kim loại có mặt nhiều trong vỏ trái đất (chiếm 8% khối lớp rắn của
chất rắn). Trong đó quặng Bauxite chính là quặng chứa nhiều kim loại nhôm nhất.
Bauxite là tài nguyên khoáng sản dồi dào trên trái đất. Việt Nam là một trong những
quốc gia có trữ lượng Bauxite lớn trên thế giới.
Từ Bauxite có thể thu hồi Al 2O3 rồi tiếp tục điện phân sẽ thu được nhôm kim
loại. Trong bài này chúng ta sẽ tìm hiểu các phương pháp sản xuất Al 2O3 từ bauxite và
đặc biệt là phương pháp đện phân nóng chảy Al2O3 để sản xuất nhôm kim loại.

3


1. TỔNG QUAN VỀ NHÔM
1.1 Giới thiệu chung về nhôm
Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của Trái Đất. Kim loại nhôm hiếm phản

ứng hóa học mạnh với các mẫu quặng và có mặt hạn chế trong các môi trường khử cực
mạnh. Tuy vậy, nó vẫn được tìm thấy ở dạng hợp chất trong hơn 270 loại khoáng vật
khác nhau bao gồm Corundum (Al2O3), diaspore và boehmite (Al2O3.H2O), gibbsite
(Al2O3.3H2O), caolinite (Al2O3.2SiO2.2H2O)…Quặng chính chứa nhôm là bauxite .
Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ 3 (sau oxy và silic), và là kim loại phổ biến
nhất trong vỏ Trái Đất. Nhôm có ký hiệu nguyên tử là Al, tên gọi quốc tế: Aluminium.
Trong bảng tuần hoàn, nhôm ở ô13, nhóm 3, chu kì 3. 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 ngoài không khí.

Hình 1.1.1 Nhôm
Bảng 1.1.1 Các tính chất chung và tính chất vật lý của kim loại nhôm

Tính chất chung
Khối lượng nguyên tử: 26,981538 đvC

Tính chất vật lý
Trạng thái vật chất: rắn

Bán kính nguyên tử (calc.): 125 pm

Khối lượng riêng : 2,700 kg/m3

Bán kính cộng hoá trị: 118 pm

Độ cứng: 2,75

2

1

Cấu hình electron: [Ne]3s 3p
Tính Chất chung
Trạng thái ôxi hóa: 3
Độ âm điện: 1,61 (thang Pauling)

Điểm nóng chảy: 933,47 K (1.220,6oF)
Tính chất vật lý
Điểm sôi: 2.792 K (4.566 °F)
Thể tích phân tử: 10 ×10-6 m³/mol
4


Trạng thái trật tự từ: Thuận từ
Độ dẫn điện: 3,774x107 /Ω•m
Độ dẫn nhiệt: 237 W/(m•K)
Nhiệt dung riêng : 897 J/(kg•K)
Cấu trúc tinh thể : hình lập phương tâm mặt
Năng lượng ion hóa: 1. 577,5 kJ/mol
2. 1.816,7 kJ/mol
3. 2.744,8 kJ/mol

Nhiệt bay hơi: 293,4 kJ/mol
Nhiệt nóng chảy: 10,79 kJ/mol
Áp suất hơi: 100.000 Pa tại 2.792 K
Vận tốc âm thanh: 5.100 m/s tại 933K

Khối lượng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm
(chỉ sau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc; nó
có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp oxit bảo vệ. Nó cũng không nhiễm từ

và không cháy khi để ở ngoài không khí ở điều kiện thông thường.
Sức bền của nhôm tinh khiết là 7–11 MPa, trong khi hợp kim nhôm có độ bền
từ 200 MPa đến 600 MPa. Các nguyên tử nhôm sắp xếp thành một cấu trúc lập
phương tâm mặt (fcc). Nhôm có năng lượng xếp lỗi vào khoảng 200 mJ/m2.
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. 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. Khi được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có
các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể.
Các ứng dụng của Nhôm:

-

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 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.
Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân

tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức xạ
điện từ của Mặt Trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp.
5


-

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

-

vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển, v.v…)
Đóng gói (can, giấy gói, v.v…)
Xử lý nước.
Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván, v.v…; tuy nhiên nó đã đánh mất vai trò chính
dùng làm dây dẫn phần cuối cùng của các mạng điện, trực tiếp đến người sử

-

dụng.)
Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v…)
Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của đồng, nó

-

nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng và rẻ tiền hơn.
Chế tạo máy móc.
Mặc dù tự bản thân nó là không nhiễm từ, nhôm được sử dụng trong thép

-

MKM và các nam châm Alnico.
Nhôm siêu tinh khiết (SPA) chứa 99,980 % - 99,999 % nhôm được sử dụng

-

trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD.
Nhôm dạng bột thông thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn. Các
bông nhôm có thể cho thêm vào trong sơn lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ - khi

-

khô đi, các bông nhôm sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt.
Nhôm dương cực hóa là ổn định hơn đối với sự ôxi hóa, và nó được sử dụng

-

trong các lĩnh vực khác nhau của xây dựng.
Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện đại được sản xuất từ

-

nhôm vì nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao.
Oxit nhôm, alumina, được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng corunđum, emery,
ruby và saphia và được sử dụng trong sản xuất thủy tinh. Ruby và saphia tổng
hợp được sử dụng trong các ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả năng

-

giao thoa.

Sự oxi hóa nhôm tỏa ra nhiều nhiệt, nó sử dụng để làm nguyên liệu rắn cho tên

-

lửa, nhiệt nhôm và các thành phần của pháo hoa.
Phản ứng nhiệt nhôm dùng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao
(như crôm - Cr, Vonfarm - W...)
Chính vì vậy, nhôm là một trong số bốn kim loại màu cơ bản mà bất kỳ quốc

gia nào muốn phát triển công nghiệp đều cần đến.

6


Hình 1.1.2 Các ứng dụng của kim loại nhôm

1.2 Sản xuất nhôm trên thế giới.
1.2.1 Lịch sử sản xuất nhôm
Mặc dù nhôm là nguyên tố phổ biến trong vỏ trái đất (8,1%), nó lại hiếm ở
dạng tự do và đã từng được cho là kim loại quí có giá trị hơn vàng.Vì thế nhôm là kim

7


loại tương đối mới trong công nghiệp và được sản xuất với số lượng công nghiệp chỉ
khoảng trên 100 năm.
Vào cuối thế kỷ thứ XIX, tổng lượng nhôm sản xuất ở Mỹ vào năm 1884 chỉ
có 125 pound (01 pound tương đương 450 gram). Đầu năm 1886, Charless Martin đã
ngiên cứu ra phương pháp điện phân oxit nhôm để thu được kim loại nhôm tinh khiết.
Nhà bác học Pháp là Paul Louis Toussaint Heroult một cách độc lập cũng đã hoàn

thiện phương pháp điện phân để sản xuất kim loại này từ đó quy trình điện phân
nhôm Hall-Heroult ra đời .
1.2.2 Tình hình sản xuất nhôm trên thế giới.
Nhôm được sản xuất với sản lượng thương mại từ năm 1886. Tổng sản lượng
nhôm còn thấp so với thép nhưng đứng đầu trong sổ các kim loại màu được sản xuất.
Lượng tiêu thụ nhôm thường bằng khoảng (3 – 5) % lượng tiêu thụ thép (tuỳ thuộc
mức độ phát triển công nghiệp của từng nước) và tỷ lệ ấy có xu hướng ngày càng tăng.
Theo dữ liệu nghiên cứu của Cơ quan Thống kê Kim loại Thế giới (WBMS) thì
sản xuất nhôm của thế giới năm 2007 đạt 38,02 triệu tấn, năm 2008 đạt 41,9 triệu tấn
và đến năm 2020 có thể đạt 78,5 triệu tấn. Từ năm 2008 đến 2011 thị trường nhôm sẽ
xảy ra dư thừa từ 0,1 - 1,8 triệu tấn/năm, nhưng đến giai đoạn từ 2012 đến 2020, nhôm
sẽ rơi vào tình trạng thiếu hụt khoảng từ 0,3 triệu tấn đến 2,6 triệu tấn/năm.
Tiêu thụ nhôm tăng kéo theo nhu cầu alumina cho điện phân nhôm cũng tăng:
Năm 2010 là 80,6 triệu tấn, năm 2012: 90,9 triệu tấn, năm 2013 khoảng 96,8 triệu tấn,
dự báo 2015 là 110,1 triệu tấn (trong 5 năm cũng tăng 1,37 lần). Đặc biệt là từ nhu
cầu của Trung Quốc và các quốc gia thuộc Mỹ La tinh. Khu vực Châu Á cũng đang
thiếu hụt alumina, phải nhập khẩu từ Úc hoặc Nam Mỹ, với khoảng cách rất xa, làm
tăng chi phí. Phần lớn alumina được giao dịch trên thị trường Thế giới thông qua
những hợp đồng dài hạn, chỉ có một phần nhỏ, khoảng 10% tham gia vào thị trường
trôi nổi. Giá alumina trên thị trường dao động bằng khoảng từ 11-15% so với giá
nhôm.
Nhóm Broc Hunt nghiên cứu thị trường alumina Thế giới và cho ra một dự báo
dài hạn về thị trường alumina đến năm 2020 theo bảng dưới đây:
Bảng 1.2.1 Dự báo về thị trường alumina đến năm 2020
8


Đơn vị: Triệu tấn
Năm
Sản lượng

Nhu cầu
Thừa/Thiếu

2008

2009

83,7

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2020

90,0

97,7 100,5

104,0

107,0

113,4 118,3

126,8

129,3

148,7

82,4

88,4

95,7

99,4

101,8

107,5

113,1 118,8

127,1

130,3

148,3

1,3

1,6

2,0

1,1

2,1

-0,5

-0,3

-1,0

0,4

0,3

-0,5

Nguồn “Broc Hunt”
Trong khi đó theo thống kê chính xác của “World Aluminium” thị trường
alumina và thị trường nhôm trên thế giới trong những năm gần đây có những diễn biến
như sau:
Bảng 1.2.2 Sản lượng alumina và nhôm trong những năm gần đây

Đơn vị: Triệu tấn
Năm
2008
Sản lượng
alumina 84,240
Sản lượng
nhôm

39,917

2009

2010

78,41
5

88,314

37,70
6

42,353

2011

2012

2013

2014

2015

97,508 100,505

105,86
9

107,88
2

94,285

45,817

51,195

53,127

48,217

48,774

Nguồn “Word Aluminium”

9

Tổng sản lượng nhôm năm 2015: 48,217 triệu tấn

Đông & Trung
Âu –3,174
Tây âu – 3,112
Bắc Mỹ - 3,729

Châu Á ( trừ
Trung Quốc)
-2,432

Châu Phi1,408

Nam Mỹ - 1,107

Trung quốc
báo cáo
-26,458
Trung Quốc
ước tính
không báo

GCC- 4,249

Châu Đại
Dương –
1,648

R
O

W

Hình 1.2.1 Sản lượng nhôm của các khu vực trên thế giới năm 2015, đơn vị (triệu tấn)

10


1.2.3 Tình hình giá cả nhôm
Trong những năm qua giá thị trường nhôm có nhiều biến động.Theo cơ quan
tình báo kinh tế EIU thì tình hình giá cả nhôm như sau:
(USD/Tấn)

(US
D/Tấ
n)

(USD/tấn)

Nguồn “EIU Economic and Commodity Forecast, Octorber 2014”
Hình 1.2.2 Dự báo giá nhôm đến năm 2018 của cơ quan tình báo kinh tế EIU, đơn vị
tính USD/tấn.

Trong năm 2015, theo đánh giá của Giám đốc chiến lược và phát triển của Công
ty Alumina Ltd., ông Andrew Wood, Trung Quốc có thể phải đối mặt với tình trạng
thiếu hụt từ 10 đến 15 triệu tấn bauxite trong năm 2015 do lượng bauxite dự trữ của
nước này cạn kiệt. Lượng dự trữ bauxite từ Indonesia được Trung Quốc tích trữ trước
khi Indonesia thực hiện lệnh cấm đang giảm xuống với mức giảm 1 triệu tấn/tháng và
có thể giảm xuống chỉ còn 20 triệu tấn trong năm 2014 và 8 triệu tấn vào cuối năm
2015.

11


2. TỔNG QUAN VỀ BAUXITE
2.1 Tài nguyên Bauxite và tình hình khai thác trên thế gới
Bauxite là một trong những tài nguyên khoáng sản khá dồi dào trên thế giới.
Với sản lượng khai thác và mức tăng trưởng bình quân hàng năm như hiện nay, trữ
lượng bauxite có thể đảm bảo cho nhân loại sử dụng trong 100 - 125 năm tới, nếu tính
cả tài nguyên thì thời gian có thể tăng lên gấp đôi.
Từ bauxite có thể thu hồi alumina (Al2O3), rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi kim
loại nhôm. Những khoáng vật chủ yếu của Bauxite là: gibbsite, diaspore, boehmite là
một biến dạng đa hình của diaspore. Khoảng 96% bauxite khai thác được sử dụng
trong ngành luyện kim, 4% còn lại được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác
như: Sản xuất vật liệu chịu lửa, gốm sứ, vật liệu mài-đánh bóng, đá trang sức nhân
tạo...
Hơn 90% sản lượng alumina (được gọi là alumin luyện kim) được sử dụng làm
nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% còn lại được sử
dụng trong công nghiệp hoá chất và các ngành công nghiệp khác.
Nguồn quặng bauxite toàn thế giới ước tính khoảng 55-75 tỷ tấn, trong đó châu
Phi chiếm 33%; châu Đại Dương 24%; Nam Mỹ và vùng Caribe 22%; châu Á 15%;
các nơi khác là 6%.

Hình 2.1.1 Biểu đồ phân bố trữ lượng bauxite theo từng khu vực
12


Hình 2.1.2 Bản đồ phân bố bauxite, các hoạt động sản xuất nhôm trên thế giới

Bauxite có thành phần hóa học và khoáng vật cơ bản như sau:
Bảng 2.1.1 Thành phần hóa học và khoáng vật cơ bản của Bauxite

Thành phần hóa học
Al2O3: 40-65%
SiO2: 0,5-10%
Fe2O3: 3 -30%
TiO2: 0,5 -8%
H2O: 10 -34%
Các nguyên tố đi kèm

Thành phần khoáng vật
Diaspore – Al2O3.H2O
Boehmite – Al2O3.H2O
Gibbsite – Al2O3.3H2O
Kaolinite – Al2O3.2SiO2.2H2O
Thạch anh – SiO2
Hematite – Fe2O3
Aluminian Goethite – Al2O3. Fe2O3.H2O
Anatase –TiO2, rutile – TiO2
Trong diaspore, boehmite, gibbsite, kaolimite, goethite
Mn, P, V, Cr, Ni, Ga, Ca, Mg, C...và các tạp chất

Để đánh giá chất lượng quặng bauxite, người ta đánh gia thông qua chỉ tiêu gọi
là mođun silic MSiO2 = tỷ số lượng Al2O3/SiO2 tỷ số này càng cao quặng càng tốt.
Theo nguồn gốc tạo thành địa chất, bauxite được chia làm hai loại: bauxite
lateritic và bauxite karstic. Bauxite lateritic được tạo thành từ quá trình phong hóa đa
bazan, chiếm khoảng 90 % trữ lượng bauxite của thế giới, thành phần chủ yếu là
gibbsite. Bauxite karstic được tạo thành trên nền đá vôi chiếm khoảng 10% trữ lượng.
Đối với mục đích công nghệ xử lý, người ta chia bauxite thành các loại sau:
13

-

Bauxite gibbsite (hàm lượng boehmite < 5%), tập trung ở các nước: Brasil,

Sierra , Lebanon, Suriname, Indônesia, Guinea, Jamaica, Australia, Venezuela,
Guyana, Việt Nam, Ấn Độ.
- Bauxite hỗn hợp gibbsite - boehmite (hàm lượng boehmite 5 - 20%), tập trung

-

ở các nước: Australia, Ghana, Guinea, Jamaica, Ấn Độ.
Bauxite boehmite (hàm lượng boehmite > 20%), tập trung ở các nước: Nam

-

Tư, Pháp, Hungary.
Bauxite diaspore (hàm lượng diaspore > 5%), tập trung ở các nước: HyLạp,
Iran, Trung Quốc (TQ), Nam Tư, Việt Nam, Rumani.
Phần lớn các mỏ bauxite đều là sản phẩm của quá trình phong hóa lateritic đã

chứa thành phần oxit nhôm (Al2O3) cao. Vì vậy, các mỏ bauxite trên thế giới thường
tập trung ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Trong đó, 10 nước có tổng tài nguyên,
trữ lượng hàng đầu thế giới là: Guinea, Australia, Venezuela, Brasil, Ấn Độ, Jamaica,
Indonesia, Việt Nam, Cameroon và Guyana với tổng tài nguyên và trữ lượng là 39,723
tỷ tấn, chiếm 80,37% toàn thế giới.
Các mỏ bauxite được phân thành các loại hình như sau:

-

Dạng lớp chùm phủ
Dạng túi
Dạng lớp xen kẹp
Dạng mảnh vụn
Các mỏ dạng lốp chùm phủ rất đặc trưng cho loại bauxite có nguồn gốc phong

hóa lateritic, là loại hình phổ biến trên thế giới và trữ lượng chiếm ưu thế. Các mỏ này
có nhiều ở Tây Phi, Australia và Ấn Độ. Do quá trình phong hóa diễn ra rất triệt để
trong điều kiện thuận lợi và thời gian dài nên dẫn đến việc thành tạo quặng bauxite
chất lượng rất tốt, hàm lượng Al 2O3 bằng 50-70%. Các mỏ bauxite ở Miền Nam nước
ta cũng thuộc loại hình này.
Các mỏ dạng túi thường gặp ở Jamaica và miền Nam âu, thân quặng có chiều
dày biến đổi lớn, từ 1m đến 30m, thành phần khoáng vật quặng thường gồm gibbsite,
diaspore và boehmite, hàm lượng Al2O3 > 45%, hàm lượng SiO 2 rất thấp (khoảng
1,5%). Các mỏ dạng lớp xen kẹp thường phát triển ở Liên Xô, Trung Quốc, Mỹ,
Brasil, Hungary v.v..., thành phần khoáng vật chủ yếu gồm diaspore và boehmite. Các
mỏ dạng mảnh vụn được thành tạo do quá trình tái trầm tích các vật liệu và quặng
bauxite bị phá hủy, xói mòn và vận chuyển từ mỏ khác tới. Các mỏ loại này ít phổ

14


biến. Mỏ Arkansas của Mỹ thuộc loại hình mỏ này. Ở nước ta, các mỏ bauxite Miền
Bắc thuộc cả 3 loại hình kể trên.
Bảng 2.1.1 Tình hình khai thác bauxite trên thế giới năm 2012

(× 1000 tấn , ước tính cho năm 2013 )
ST
T
1

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Quốc gia

Khối lượng khai thác
Trữ lượng
2012
2013
Hoa Kỳ
NA
NA
20,000
Australia
76,300
77,000
6000,000

Brasil
34,000
34,200
2,600,000
Trung Quốc
47,000
47,000
830,000
Greece
2,100
2,000
600,000
Guinea
17,800
17,000
7,400,000
Guyana
2,210
2,250
850,000
Ấn Độ
19,000
19,000
540,000
Indonesia
29,000
30,000
1,000,000
Jamaica
9,340

9,500
2,000,000
Kazakhstan
5,170
5,100
160,000
Nga
5,720
5,200
200,000
Venezuela
3,400
3,400
580,000
Suriname
2,000
2,500
320,000
Việt Nam
100
100
2,100,000
Other countries
5,020
5,000
2,400,000
World total (rounded)
258,000
259,000
28,000,0000

Nguồn: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, năm 2012

2.2 Tài nguyên bauxite của Việt Nam và tình hình khai thác
Việt Nam có trữ lượng bauxite lớn, tuy nhiên mức độ thăm dò còn hạn chế,
phần lớn mới chỉ được thăm dò sơ bộ, ở cấp C 2 và dự báo. Tổng trữ lượng bauxite của
Việt Nam khoảng 2,4 tỷ tấn quặng tinh (tương ứng với khoảng 5,6 tỷ tấn quặng
nguyên khai), trong đó trữ lượng ở cấp thăm dò, khảo sát (B + C 1 + C2) là 2,0 tỷ tấn,
trữ lượng ở cấp dự báo (P1) là 0,4 tỷ tấn.
Các mỏ bauxite ở phía Bắc nước ta có trữ lượng nhỏ, phân bố rải rác ở các tỉnh
Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Hải Dương. Tổng trữ lượng ước tính 91,0 triệu tấn.
Phần lớn quặng có nguồn gốc trầm tích, khoáng vật chứa ôxit nhôm chủ yếu là
diaspore (Al2O3.H2O), hàm lượng Al2O3 trong quặng nguyên khai khá cao: Từ 40 –
55%, nhưng hàm lượng SiO2 rất lớn: từ 5 – 20%, M

silic

: 5-8 nên thuộc loại quặng chất

lượng thấp.
15


Phần lớn trữ lượng bauxite nước ta tập trung ở Tây Nguyên (91,4% trữ lượng
cả nước: Vùng Đăk Nông: 1,44 tỷ tấn; vùng Bảo Lộc - Di Linh (tỉnh Lâm Đồng): 463
triệu tấn; vùng Konplong – Kănak (tỉnh Gia Lai và Kon Tum): 284,8 triệu tấn. Các mỏ
trong từng vùng đều có trữ lượng trung bình và lớn, khoảng cách gần nhau và liên kết
với nhau thành từng nhóm mỏ, thuận lợi để xây dựng khu liên hợp khai thác sản xuất
alumina với quy mô lớn. Lớp đất phủ trên các thân quặng mỏng (0,5-1,0 m), địa hình
cao nguyên khá bằng phẳng thuân lợi cho việc khai thác. Khoáng vật chứa oxit nhôm
trong quặng bauxite là Gibbsite ( Al 2O3.3H2O) mềm bở, hàm lượng oxit nhôm trong

quặng tinh (44,4-53,2)%, oxit silic chỉ (1,6-5,1)%, phù hợp với công nghệ sản xuất
alumina bừng phương pháp Bayer ở nhiệt độ thấp, đơn giản về kỹ thuật và công nghệ
tiêu tốn ít năng lượng, giá thành sản phẩm thấp.
Bảng 2.2.2: Chất lượng quặng tinh các mỏ Bauxite Đăk Nông

TT

1
2
3
4
5
6
7

Tên mỏ

“ 1 tháng 5”
Quảng Sơn
Nhân Cơ
Gia Nghĩa
Bắc Gia Nghĩa
Đắc Song
Tuy Đức

Chiều dày
trung bình
thân
quặng, m
5,2

5,0
4,6
4,3
5,2
4,5
5,0

Hàm
lượng
%Al2O3

Hàm
lượng %
SiO2

Môđun
silic Msilic

Tỷ lệ thu
hồi, %

49,36
50,00
48,30
47,99
46,10
48,74
48,74

2,14

2,52
3,45
2,58
2,23
2,20
2,20

23,1
19,8
14,0
18,6
20,8
22,2
22,2

50,0
45,4
46,0
49,9
47,1
50,6
45,2

Hàm lượng bauxite của mỏ Tân Rai- Lâm Đồng như sau:
Thành phần

Hàm
lượng
Al2O3:
44,69 %

SiO2:
2,61 %
Fe2O3:
23,35 %
TiO2:
3,52 %
Mất khi nung:
24,3 %
Rải rác ở các tỉnh Bình Dương, Phú Yên, Quảng Ngãi cũng có quặng bauxite
nhưng trữ lượng không nhiều, chỉ khoảng 115,5 triệu tấn, khoáng vật chứa nhôm cũng
là Gibbsite.

16


Hinh 2.2.1 Bản dồ phân bố Bauxtie của nước ta

Hình 2.2.2 Biểu đồ phân bố trữ lượng bauxite của nước ta

Nhìn chung, bauxite 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

17


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.
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 bauxite sẵn có để xuất khẩu các sản phẩm
alumina và nhôm.
Nước ta đã có nhà máy Hoá chất Tân Bình thuộc Tổng công ty Hóa chất Việt
Nam có dây chuyền sản xuất hydroxit nhôm – Al(OH) 3 từ quặng bauxite Lâm Đồng,
dung sản xuất phèn lọc nước – Al 2(SO4)3, mỗi năm tiêu thụ khoảng 35 ngàn tấn
bauxite. Theo dự kiến, nhà máy sẽ được chuyển lên huyện Bảo Lộc tỉnh Lâm Đồng để
tránh gây ô nhiễm môi trường cho thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời đầu tư công suất
lên 100.000 tấn hydroxit nhôm/năm.
Những định hướng của ngành công nghiệp chế biến nhôm từ Bauxite của nước
ta được dự kiến như sau:
Giai đoạn 2008 - 2010: dự kiến triển khai 3 dự án alumin, gồm Tân Rai (Lâm
Đồng), Nhân Cơ (Đăk Nông 1) và Kon Hà Nừng (Gia Lai); 1 dự án hydroxit
nhôm tại Bảo Lộc (Lâm Đồng). Các dự án này đều do Việt Nam tự đầu tư.
• Giai đoạn 2011-2015: Quy hoạch dự kiến triển khai đầu tư tiếp 3 dự án là Đăk
Nông 2, Đăk Nông 3 và Đăk Nông 4. Cả 3 dự án này đều đã có đối tác nước
ngoài mong muốn hợp tác đầu tư, bao gồm Chalco (Trung Quốc), Alcoa (Mỹ)
và BHPM (Anh) với tổng công suất dự kiến 4,5-6 triệu tấn alumina/năm.
• Giai đoạn 2016-2025: dự kiến duy trì và mở rộng 6 dự án alumina của giai đoạn
2008-2015; tùy theo khả năng thị trường, dự kiến mở rộng nâng công suất các
dự án này lên gấp đôi. Đầu tư thêm một dự án alumina Bình Phước với công
suất 1-1,5 triệu tấn/năm. Dự kiến tổng công suất của giai đoạn này đạt khoảng
13-18 triệu tấn alumina/năm.
•

Ngày 26/11/2012 Nhà máy sản xuất Alumina Tân Rai với công xuất 600 000
tấn/ năm thuộc tổ hợp Bauxite Nhôm Lâm Đồng bắt đầu chạy thử có tải toàn bộ và
tròn 1 năm sau nhà máy cho ra sản phẩm alumina đầu tiên. Hiện nay, nhà máy Tân Rai
đã đi vào hoạt động ổn định, đang dần làm chủ được công nghệ và đang nỗ lực để đạt
18


được 100% hiệu suất. Nhà máy alumin Nhân Cơ, tỉnh Đắc Nông dự kiến hoạt động
cuối năm nay với công suất 300 000 tấn.

Hình 2.2.3 Nhà máy sản xuất Alumina Tân Rai – Lâm Đồng.

Như vậy, quặng bauxite 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.

3. QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM
Hiện nay trên thế giới quy trình sản xuất nhôm được thực hiện theo 3 giai đoạn
chính đó là: Khai thác bauxite, chế biến alumina và luyện nhôm.
19


3.1 Quy trình khai tác bauxite
Hầu hết các mỏ bauxite đang được khai thác trên thế giới là mỏ lộ thiên, công
nghệ khai thác tương tự như công nghệ khai thác các mỏ than lộ thiên. Quặng bauxite
khai thác lên được đưa vào nhà máy tuyển để tuyển thành quặng tinh, công nghệ tuyển
dụng chủ yếu là tuyển rửa (đơn giản hơn so với tuyển than), các thiết bị tuyển bao
gồm: Thiết bị đánh tơi bằng nước áp lực, sang quay đánh tơi, máy đập hàm, máy phân
cấp xoắn, sàng rung.
Các bước tuyển rửa: 1) nghền quặng quá cỡ; 2) đưa qua sàng rửa để lấy quặng

hạt lớn, quặng hạt nhỏ lọt qua lưới sàng và chất cặn được đưa đến máy lắng ly tâm để
thu hồi các hạt bauxite cỡ lớn hơn 1mm; 3) bùn đỏ (sét và các chất hòa tan khác) được
dẫn đến hồ lắng để xử lý. Quặng sau khi sơ chế được đưa đến các nhà máy tinh chế
quặng. Têu hao nước để tuyển 1 tấn quặng tinh khoảng 6-8m 3 (đã sử dụng nước tuần
hoàn). Quặng tinh thường có cỡ hạt từ 1-40mm, bùn thải có cỡ hạt -1mm. Suất đầu tư
để khai thác, sàng tuyển 1 tấn quặng tinh bauxite khoảng 25-30 USD.
3.2 Quy trình sản xuất alumina từ bauxite
Quá trình sản xuất alumina thực chất là quá trình làm giàu Al 2O3, nhằm tách
lượng Al2O3 trong bauxite ra khỏi các tạp chất khác. Các phương pháp sản xuất
alumina bao gồm phương pháp kiềm (hòa tách Al 2O3 trong quặng bauxite ra bằng
kiềm NaOH); phương pháp axit (hòa tách Al 2O3 bằng các axit H2SO4; HCl; HNO3…);
phương pháp đện (nấu quặng bauxite trong lò điện với than hoàn nguyên). Phương
pháp kiềm được dùng nhiêu hơn cả vì nó đơn giản, cho alumina chất lượng cao, giá
thành hạ. Trong phương pháp kiềm chia thành 2 phương pháp: là phương pháp Bayer
và phương pháp hỏa luyện (thiêu kết).
3.2.1 Phương pháp Bayer
Hiện nay và dự báo trong tương lai, khoảng 90% alumina trên thế giới vẫn
được sản xuất bằng công nghệ Bayer do nhà hóa học người Áo Karl Josef Bayer phát
minh ra năm 1888 và 1894.
Công nghệ Bayer dựa trên cơ sở của phản ứng thuận nghịch sau:
Al2O3.xH2O + 2NaOH ⇆ 2NaAlO2 + (x+1) H2O
Công nghệ Bayer chủ yếu gồm các công đoạn sau:
- Bauxite được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH (trong nồi áp suất). Lượng Al 2O3
được tách ra trong dạng NaAlO2 tan và được tách ra khỏi cặn không tan gọi là bùn đỏ
20


mà chủ yếu là sắt oxit, titan oxit, silic oxit . Ngoài ra bùn đỏ còn chứa một lượng sút
dư và một số nguyên tố phóng xạ, là chất thải nguy hiểm đến con người và có khả
năng gây ô nhiễm môi trường.

- Dung dịch aluminnat NaAlO2 được làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết và cho mầm
Al(OH)3 để kết tủa.
- Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành Al 2O3 thành phẩm ở
1050oC.
- Kết quả thu được sản phẩm alumin siêu mịn có kích thước hạt ≤ 5 µm.
Bùn đỏ là tên gọi loại quặng đuôi được sinh ra đồng thời với alumina trong tiến
trình Bayer và quá trình sơ chế quặng là một chi phí ngoại sinh đối với những nhà kinh
doanh mỏ. Đây là một dạng chất thải có khả năng gây ô nhiễm môi trường và khó xử
lý. Thành phần bùn đỏ bao gồm: silic oxit, sắt oxit , titan oxit , nhôm oxit , kiềm, các
nguyên tố khác trong thành phần bauxite. Các phương pháp xử lý bùn đỏ hiện nay
đang được áp dụng như sau:

-

Xử lý phần chất lỏng đi kèm bùn đỏ hoặc phát sinh trong hồ bùn đỏ bằng cách
tái sử dụng dây chuyền sản xuất hoặc trung hòa bằng nước biển (trường hợp

-

nhà máy đặt cạnh biển) hoặc trung hòa bằng CO2.
Chon lấp bùn đỏ đã thải, tiến hành hoàn thổ, phục hồi môi trường.
Xử lý bùn đỏ từ bãi thải, dùng cho các ứng dụng như vật liệu xây dựng (gạch,
ngói, bê tông…), làm đường chế biến sơn, chế tạo các vật liệu khác…

21


Bauxite

Dung dịch

cái

Hình 3.2.1 Sơ đồ quy trình sản xuất alumina từ bauxite bằng phương pháp Bayer

22


Bauxite cấp từ mỏ

Máy nghiền

Thùng hòa tách

Thiết bị
lọc
Bã Bauxite – bùn đỏ
Thùng kết tủa
Lò nung quay

Alumina

Hình 3.2.2 hình ảnh minh họa cho quy trình Bayer

Hình 3.2.3 Alumina siêu mịn (độ phân giải 10.000)

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

23

a. Công nghệ Bayer Châu Mỹ
Được áp dụng nếu Al2O3 của bauxite ở dạng gibbxite (trihydrate Al2O3.3H2O),
có thể được hoà tách dễ dàng. Bauxite này thường được hòa tách ở nhiệt độ tối đa 140145oC trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm thấp (120-140g/l Na2O).
b. Công nghệ Bayer Châu âu
Được áp dụng nếu Al2O3 của bauxite ở dạng boehmite và diaspore
(monohydrate Al2O3.H2O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 200 oC (240-250oC 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 (180-250g/l Na2O).
3.2.2 Phương pháp hỏa luyện (thiêu kết)
Trong số các phương pháp hỏa luyện thì phương pháp thiêu kết bauxite với
Na2CO3 có sự tham gia của CaCO3 (gọi là phương pháp sođa-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) mà nếu xử lý bằng công
nghệ Bayer thì không có hiệu quả kinh tế.
Nguyên lý của phương pháp hỏa luyện là: Thiêu kết hỗn hợp bauxite + Na2CO3
+ CaCO3 trong lò quay ở nhiệt độ 1200oC để thực hiện các phản ứng sau:
Al2O3 + Na2CO3 2NaAlO2 + CO2
SiO2 + 2CaCO3 → 2CaO.SiO2 + 2CO2
NaAlO2 rắn trong thiêu kết phẩm dễ tan trong nước. Còn 2CaO.SiO 2 không tan
trong nước và đi vào cặn thải (bùn thải).
Sản phẩm thiêu kết được nghiền nhỏ, cho vào thiết bị hoà tách (dung môi là
nước hoặc dung dịch kiềm loãng) để chuyển natri aluminat ở thể rắn sang thể lỏng, lọc
tách bã thu được dung dịch natri aluminat thô. Sau khi khử silic sẽ thu được dung dịch
natri aluminat sạch. Cho khí CO 2 tác dụng với dung dịch natri aluminat sạch được
Al(OH)3 kết tinh. Nung Al(OH)3 trong lò nung ở nhiệt độ 1000 – 1200oC sẽ được
alumina – Al2O3.
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
Phương pháp thiêu kết có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phương
pháp Bayer: song song hoặc nối tiếp.

Phương pháp kết hợp nối tiếp: Xử lý bằng phương pháp Bayer quặng bauxite có
hàm lượng SiO2 cao và hàm lượng Fe2O3 thấp, sau đó xử lý bùn đỏ thu được, có hàm
24


lượng alumina và kiềm (liên kết) cao. Sau khi rửa, xử lý bằng công nghệ thiêu kết với
Na2CO3 và CaCO3, thu được thiêu kết phẩm và hoà tan thiêu kết phẩm.
Sản xuất alumina bằng phương pháp thiêu kết chỉ giới hạn ở một số nước có
nguồn bauxite với hàm lượng SiO2 cao như Tiệp Khắc (cũ), Nga, và hiện nay chủ yếu
là Trung Quốc.
Định mức tiêu hao để sản xuất 1 tấn alumina bằng phương pháp thiêu kết như
sau:
Bảng 3.2.2.1 Nguyên liệu cho phương pháp thiêu kết

Bau
xite
khô
(tấn)

Đá
vôiCaC
O3
(tấn)

Vôi
(Ca
O)
(tấn
)

Na2C
O3
(tấn)

3,43,5

1,31,35

0,02
0,03

0,180,185
tấn

Nhi
ên
Liệ
u
(tấn
)
1,11,2
tấn

Điệ
n
năn
g
800
KW
h

Nhìn chung, phương pháp thiêu kết đòi hỏi vốn đầu tư và chi phí năng lượng
cao hơn nhiều so với phương pháp Bayer đơn thuần, do đó thường chỉ được áp dụng ở
những nước có nguồn bauxite chất lượng kém (hoặc trung bình kém).
Như vậy, phương pháp Bayer được ưa chuộng hơn hẳn, tuy nhiên, phương pháp
này có hạn chế là tạo ra một lượng lớn bùn đỏ. Hơn nữa, trong bùn đỏ còn chứa một số
khoáng sản có ích như sắt, đất hiếm, titan… không thu hồi được, gây lãng phí tài
nguyên. Những số liệu tính toán cho thấy, trong giai đoạn 2015 - 2018, trên thế giới sẽ
tồn chứa khoảng 4 tỷ tấn bùn đỏ trên những quy mô và khu vực khác nhau.
Gần đây các nhà khoa học của Canada đã nghiên cứu và thử nghiệm thành công
phương pháp mới - phương pháp Orbite Aluminae. Công nghệ này tinh chế ra alumina
không tạo ra bùn đỏ, không những thế, công nghệ này còn có thể chiết tách được một
số sản phẩm khác như các kim loại đất hiếm từ bùn đỏ đang tồn đọng từ trước ở các
bãi thải.
3.2.3 Phương pháp Orbite Aluminae
Phương pháp Orbite Aluminae cũng là phương pháp thủy phân kim loại nhưng
sử dụng axit thay cho bazơ (chất kiềm). Loại axit được sử dụng là axit clohyđric
(HCl), loại axit có trong dạ dày con người. Dạ dày con người không tiêu hóa silic oxit
25