Luận văn 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------

Bùi Thị Huế

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

Hà Nội
1


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Bùi Thị Huế

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG 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

2


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

Lời Cảm Ơn
Để hoàn thành luận văn của mình, em xin gửi lời cảm ơn chân thành
đến:
PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà
Nội đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn cho em trong quá trình thực hiện luận
văn của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Khoa Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo,
truyền đạt nguồn kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời
gian em học tập tại trường.
Cảm ơn đề tài trọng điểm cấp ĐHQGHN QGTĐ.11.06 do PGS.TS. Lưu Đức Hải làm chủ trì
đã giúp em trong quá trình làm luận văn và kết quả ban đầu trong mục 3.1 của luận văn là của
nhóm nghiên cứu đã tạo tiền đề cho em phát triển nội dung nghiên cứu của mình.
Em xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Phân tích môi trường, khoa Môi trường,
trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội đã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu.

Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã
giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn của mình.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội
Học viên
Bùi Thị Huế

MỤC LỤC
Mở đầu.................................................................................................................
Chương 1 - Tổng quan........................................................................................

3


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

1.1. Bauxite và tiềm năng bauxite............................................................................
1.1.1. Bauxite............................................................................................................
1.1.2. Quá trình hình thành bauxite ........................................................................
1.1.3. Thành phần khoáng vật của bauxite

...................................................

1.1.4. Tiềm năng bauxite thế giới và Việt Nam.......................................................
1.1.4.1. Tiềm năng bauxite thế giới.........................................................................
1.1.4.2. Tiềm năng bauxite ở Việt Nam...................................................................
1.2. Công nghệ sản xuất alumin.............................................................................
1.2.1. Công nghệ làm giàu và chế biến quặng bauxite..........................................
1.2.2. Công nghệ sản xuất alumin..........................................................................
1.2.3. Công nghệ sản xuất nhôm khu vực Tây Nguyên........................................

1.3. Thành phần và tính chất của Bùn đỏ..............................................................
1.3.1. Vấn đề bùn thải – bùn đỏ.............................................................................
1.3.2. Thành phần bùn đỏ.......................................................................................
1.4. Độc tính của bùn đỏ........................................................................................
1.5. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam.....................
1.5.1. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ trên thế giới........................................
1.5.1.1. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất vật liệu xây dựng....................................
1.5.1.2. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất gốm thủy tinh.........................................
1.5.1.3. Sử dụng bùn đỏ trong xử lý nước.............................................................
1.5.2. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ ở Việt Nam.........................................
1.6. Quá trình ổn định hóa rắn...............................................................................
1.6.1.
Ổn
định
hóa
rắn
.........................................................................................................................................
32
1.6.2.
Cơ
chế
của
quá
trình
ổn
đinh
hóa
rắn
.........................................................................................................................................
33

Chương

2

–

Đối

tượng

và

4

phương

pháp

nghiên

cứu


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

.....................................................................................................................................
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

5

đánh

giá

tổng

hợp


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

.........................................................................................................................................
44
2.2.7.
Phương
pháp
thu
thập
số
liệu
thứ
cấp

.........................................................................................................................................
44
Chương
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

6


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

.........................................................................................................................................
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
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

7


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tran
g
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

57

nung
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co ngót của vật liệu

8

62


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

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

24

Đồng
Bảng 1.9. Thành phần bùn đỏ và dung dịch bám theo bùn đỏ của dự án

25

Nhân Cơ
Bảng 3.1. Thành phần quặng bauxite nguyên khai ở các khu mỏ Tây

45

Nguyên
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

48

quặng bauxite
Bảng 3.4. Hoạt độ phóng xạ riêng của một số đồng vị phóng xạ tự nhiên

49

trong mẫu bùn đỏ
Bảng 3.5. Hàm lượng U, Th, K trong các mẫu và liều hiệu dụng năm do

49

phông bức xạ gamma gây ra
Bảng 3.6. Hàm kim loại nặng trong bùn đỏ

50

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

9


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

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

10


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

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 .

Một số thành phần hóa học chính trong bùn đỏ: Fe 2O3, Al2O3, SiO2 và TiO2,
Na2O, K2O, 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

11


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

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 hưởng 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.

12


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. Bauxite và tiềm năng bauxite
1.1.1. Bauxite
Quặng bauxite là loại quặng phổ biến nhất trong lớp vỏ của trái đất, nó là
một loại khoáng sản có chứa hơn 32% alumin (Al2O3) [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):

13


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

-

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
TiO2 [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 lượng

Châu Phi

33%

Châu Đại Dương

24%

Nam Mỹ và Caribbean

22%

Châu Á

15%

Bảng 1.2. Trữ lượng và khai thác bauxite ở trên thế giới [22]

14


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

TT

Nước

Trữ

Trữ lượng

Sản lượng khai thác (triệu tấn)

lượng cơ

(tỷ tấn)

1992

1993

2006

2007

2008

sở (tỷ tấn)
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

5,46

7,15

6,8

38

27

178

202

205

Toàn cầu

-

14,623 11,38
104

101

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
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

Nước

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

15

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

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

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

16

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

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
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,

17


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

•

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
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]

Diện
STT

Tên mỏ

tích
(Km2)

1

1-5

2

Gia Nghĩa

Mức
độ
thăm
dò

Trữ lượng quặng tinh đã

Quặng

được phê duyệt hoặc dự

nguyên

kiến đạt được (Triệu tấn)

khai

Trữ

Tài

lượng

nguyên

Tổng

(Triệu
tấn)

123

Đã

97,3

36,3

133,6

283,7

117,5

Đã

95,7

44

139,7

308,5

18


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

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

452,5

982,4

Tổng

356,5

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

174,6

Đang

162,7

162,7

396,8

Đông

Bắc

và

10

Tây Nam 1-5

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

19


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

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 ...
Bauxite

Sản xuất alumin

Công nghệ Bayer

Alumin cấp luyện kim

Alumin đặc biệt

Nhôm kim loại

Alumin đã
nung

Gốm, sứ

Vật liệu chịu lửa

Alumin
hoạt tính

Các hydroxit
nhôm

Vật liệu mài, đánh bóng

Hình 1.1. Các phương 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 SiO2 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

20


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

lượng lớn. Vì vậy, bauxite cần phải được làm giàu để giảm hàm lượng SiO 2, nâng tỷ
lệ Al2O3/SiO2 >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)
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 2O3, nhằm tách
lượng Al2O3 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
(Na3AlF6) 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
Na2CO3 có sự tham gia của CaCO3 (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 +
Na2CO3 + CaCO3 trong lò ống quay ở nhiệt độ 1200oC để thực hiện các phản ứng
sau:
Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2
SiO2 + 2 CaCO3 = 2CaO.SiO2 + 2CO2
NaAlO2 rắn trong thiêu kết phẩm (sản phẩm sau khi thiêu) dễ tan trong

21

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

nước. Còn 2CaO.SiO2 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.
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]:

NaOH

Mầm kết tủa

Huyền phù

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

22


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

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:

Al(OH)3 + NaOH
Gibbsite rắn

Hoà tách > 1000C

NaAlO2 + 2H2O

Kết tủa < 1000C

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 140oC, nhưng nếu quặng có hàm lượng boehmite
cao thì cần hòa tan ở nhiệt độ từ 200 – 280 oC, tùy vào nhiệt độ hòa tan sẽ có áp suất
tương ứng, ví dụ như ở 240oC thì áp suất là 3 Mpa. Sau đó hạ nhiệt độ của hỗn hợp
này xuống 106oC, ở điềuBauxite
kiện áp suất khí quyển.
NaOH

Hòa tan

Lọc

Nước
c

Phần rắn

Dung dịch NaAlO2

Rửa

Loại bỏ Silic

Sấy khô

Kết tủa Al(OH)3
23

Bùn đỏ khô

Al(OH)3

CO2

Mầm
tủa

kết


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

Hình 1.3. Quy trình sản xuất alumin [49]
Công nghệ Bayer chủ yếu gồm các công đoạn:
-

Bauxite được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH: Lượng Al 2O3 được tách ra

trong dạng NaAlO2 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 NaAlO2 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 2O3 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]
Tiêu hao bauxite

Tiêu hao kiềm

(t/t Al2O3)

(kg NaOH/t Al2O3)

Loại

Chất lượng

I

Tốt

< 2,2

< 40

II

Trung bình

2,2 - 2,9

40 - 80

III

Kém

> 2,9

>80

24


Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường

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 2O3 của bauxite ở dạng
gibbsite (trihydrate Al2O3.3H2O), có thể được hoà tách dễ dàng. Bauxite này thường
được hòa tách ở nhiệt độ khoảng 140 – 145oC trong dung dịch hòa tách có nồng độ
kiềm thấp (120 - 170g/l Na2O).
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 Al2O3 của bauxite ở dạng boehmit và diaspore
(monohydrate Al2O3.H2O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 200 0C (240 - 2500C
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 2O). 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 – 145oC có nhiều ưu việt hơn ở 105 – 107oC. 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

25