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)

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

Bùi Thị Huế

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2013
0


MỤC LỤC
Mở đầu ................................................................................................................... 1
Chƣơng 1 - Tổng quan ......................................................................................... 3
1.1. Bauxite và tiềm năng bauxite .......................................................................... 3
1.1.1. Bauxite .......................................................................................................... 3
1.1.2. Quá trình hình thành bauxite ....................................................................... 3
1.1.3. Thành phần khoáng vật của bauxite

.................................................. 3

1.1.4. Tiềm năng bauxite thế giới và Việt Nam ..................................................... 4
1.1.4.1. Tiềm năng bauxite thế giới ........................................................................ 4
1.1.4.2. Tiềm năng bauxite ở Việt Nam ................................................................. 7
1.2. Công nghệ sản xuất alumin ........................................................................... 10
1.2.1. Công nghệ làm giàu và chế biến quặng bauxite ......................................... 10

1.2.2. Công nghệ sản xuất alumin ........................................................................ 12
1.2.3. Công nghệ sản xuất nhôm khu vực Tây Nguyên ....................................... 16
1.3. Thành phần và tính chất của Bùn đỏ ............................................................. 21
1.3.1. Vấn đề bùn thải – bùn đỏ............................................................................ 21
1.3.2. Thành phần bùn đỏ ..................................................................................... 22
1.4. Độc tính của bùn đỏ....................................................................................... 26
1.5. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ trên thế giới và Việt Nam .................... 27
1.5.1. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ trên thế giới ....................................... 27
1.5.1.1. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất vật liệu xây dựng ................................... 28
1.5.1.2. Sử dụng bùn đỏ trong sản xuất gốm thủy tinh ........................................ 29
1.5.1.3. Sử dụng bùn đỏ trong xử lý nước ............................................................ 29
1.5.2. Các phương hướng sử dụng bùn đỏ ở Việt Nam........................................ 31
1.6. Quá trình ổn định hóa rắn .............................................................................. 32
1.6.1. Ổn định hóa rắn .......................................................................................... 32
1.6.2. Cơ chế của quá trình ổn đinh hóa rắn ......................................................... 33
Chƣơng 2 – Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu ....................................... 36

1


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 mơi chiết ......................................................................... 41
2.2.2.2. Quy trình chiết ......................................................................................... 42
2.2.2.3. Xác định hàm lượng kim loại nặng ......................................................... 42
2.2.3. Phương pháp xác định thành phần khoáng vật của vật liệu ....................... 43
2.2.4. Phương pháp thử nghiệm vật lý ................................................................. 43
2.2.5. Phương pháp xác định độ co ngót của gạch nung ...................................... 44

2.2.6. Phương pháp phân tích đánh giá tổng hợp ................................................. 44
2.2.7. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp ........................................................ 44
Chƣơng 3 – Kết quả và thảo luận ..................................................................... 45
3.1. Bùn đỏ Tây Nguyên và các vấn đề môi trường ............................................. 45
3.1.1. Đặc điểm của bauxite khu vực Tây Nguyên .............................................. 45
3.1.2. Thành phần tính chất bùn đỏ và các vấn đề môi trường ............................ 46
3.1.2.1. Hàm lượng các oxit ................................................................................. 47
3.1.2.2. Các nguyên tố phóng xạ .......................................................................... 48
3.1.2.3. Thành phần kim loại nặng trong mẫu bùn đỏ.......................................... 50
3.1.2.4. Thành phần cơ giới của mẫu bùn đỏ ....................................................... 51
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình ổn định hóa rắn ................................ 51
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc của vật liệu ............................ 54
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dịch chiết mẫu ..................................... 56
3.2.2.1. Kết quả xác định dung môi chiết ............................................................. 56
3.2.2.2. Giá trị pH của dịch chiết mẫu .................................................................. 57
3.2.2.3. Kết quả đo kim loại nặng dịch chiết mẫu ................................................ 59
3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ co ngót ........................................... 61
3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ cứng vật liệu................................... 63

2


Kết luận và kiến nghị ......................................................................................... 66
Tài liệu tham khảo .............................................................................................. 68

3


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, khơng
có khả năng trồng trọt do khơng 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 khơ dễ phát tán bụi vào
trong khơng khí gây ơ 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 mịn da, gây mất độ nhờn làm da khơ 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 hơi, hơi
hóa chất gây ơ nhiễm, ăn mịn các loại vật liệu.

4


Một số thành phần hóa học chính trong bùn đỏ: Fe2O3, 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 cịn chứa một số ngun tố phóng xạ, kim loại nặng, các chất thải nguy
hại, oxalate gây tác động xấu cho sức khỏe con người và môi trường [8].
Trước kia, để lưu trữ bùn đỏ, hầu hết các nhà máy sản xuất alumin đều chứa
bùn đỏ trong các ao mở để cho nước bay hơi và chiết xuất kiềm. Phải mất vài năm,
quá trình tự nhiên này mới kết thúc và khi đó bùn khơ cịn 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 mơi trường, hoặc có thể sử dụng chất
thải này như một loại nguyên vật liệu cho quá trình sản xuất tạo ra các sản phẩm
khác, mang lại lợi ích kinh tế nhưng không gây tác động xấu đến sức khỏe con
người và môi trường.
Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: “Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ
nung đến quá trình ổn định hóa rắn bùn đỏ sản xuất vật liệu xây dựng” là rất
cần thiết để có thể tận dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng. Đề tài luận văn tốt
nghiệp với nội dung gồm:
-

Nghiên cứu quá trình sản xuất và thành phần bùn đỏ của hai nhà máy
Nhân Cơ và Tân Rai

-

Xây dựng quy trình sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng

-

Xác định đặc tính cơ lý, cấu trúc của vật liệu

-

Thử độ an toàn của vật liệu.

5


Chƣơng 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 khống sản có chứa hơn 32% alumin (Al2O3) [51].
Bauxite là một loại quặng nhơm trầm tích có màu hồng hoặc nâu, được hình
thành trên các đá chứa hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trơi trong q trình phong
hóa nhưng giàu nhơm hoặc nhơm được tích tụ từ các quặng có trước do q trình
xói mịn. Quặng bauxite phân bố chủ yếu trong vành đai xung quanh xích đạo, đặc
biệt trong mơi 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 nhơm và oxit
sắt;

-

Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trơi của nước ngầm;

-

Xói mịn và tái tích tụ bauxite.
Q trình này lại chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như: đá mẹ chứa các

khống vật này bị rửa trơi 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 khơ hạn ngắn, hệ thống thốt
nước tốt, khí hậu nhiệt đới ẩm, có mặt lớp phủ thực vật và vi khuẩn. Theo một mơ
hình mơ phỏng q 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):

6


-

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 cịn có các khống vật oxit
sắt goethite và hematite, các khoáng vật sét kaolinite và đơi 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 nhơm thực
sự, cịn boehmite và diaspore tồn tại ở dạng hidroxit nhôm oxit. Sự khác biệt cơ bản

giữa boehmite và diaspore là ở cấu trúc tinh thể và boehmite cần nhiệt độ cao hơn
để thực hiện quá trình tách nước nhanh. Ba dạng cấu trúc khác nhau của bauxite có
thể phân loại thành hai nhóm dựa vào hàm lượng nước khác nhau, đó là:
monohydrates và trihydrates [6].
1.1.4. Tiềm năng bauxite thế giới và Việt Nam
1.1.4.1. Tiềm năng bauxite thế giới
Theo tài liệu (1/2009) của Cơ quan Địa chất Mỹ thì tài nguyên bauxite ở trên
thế giới là 55 - 75 tỷ tấn phân bố ở các châu lục như sau:
Bảng 1.1. Tài nguyên bauxite ở các châu lục trên thế giới [22]
Châu lục

Phần trăm trữ lƣợng

Châu Phi

33%

Châu Đại Dương

24%

Nam Mỹ và Caribbean

22%

Châu Á

15%

7

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

Nƣớc

Trữ

Trữ lƣợng

lƣợng cơ

(tỷ tấn)

Sản lƣợng khai thác (triệu 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 dị 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

8


tấn). Các nước có trữ lượng bauxite đều khai thác để sử dụng trong nước và xuất
khẩu.
Bảng 1.3. Sản xuất nhôm kim loại trên thế giới [22]
STT

Nƣớc

2006 (triệu tấn)

2007 (triệu tấn) 2008 (triệu tấn)

1

Trung Quốc

9,350

12,600

13,500

2

Nga

3,720

3,960

4,200

3

Canada

3,050

3,090

3,100

4

Mỹ

2,284

2,554

2,640

5

Australia

1,930

1,960

1,960

6

Brazil

1,498

1,660

1,660

7

Na Uy

1,330

1,300

1,100

8

Ấn Độ

1,100

1,220

1,300

9

Nam Phi

0,895

0,899

0,850

10

Bahrain

0,870

0,873

0,870

11

UAE

0,730

0,890

0,920

12

Venezuela

0,10

0,610

0,550

13

Mozambique

0,564

0,564

0,550

14

Germany

0,537

0,555

0,590

15

Tajikistan

0,414

0,419

0,420

16

Iceland

0,320

0,398

0,790

17

Các nước khác

4,510

4,460

4,700

Toàn cầu

33,700

38,000

39,700

9


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 dị 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 nhơm kim loại
trên thế giới tăng bình qn hàng năm là 7,2%; năm 2008 chỉ tăng hơn năm 2007 là
0,45%. Thị trường bauxite và nhôm kim loại trên thế giới vài chục năm qua tương
đối ổn định ở các châu lục: châu Phi có Guinea với trữ lượng bauxite khổng lồ 7,9
tỷ tấn, châu Mỹ có Jamaica (2 - 2,5 tỷ tấn) và Brazil (1,9 - 2,5 tỷ tấn), Châu Đại
Dương có Australia (5,8 - 7,9 tỷ tấn)… đảm bảo cho các nước trong khu vực. Tuy
nhiên, với tham vọng đẩy mạnh các ngành hàng không và ô tô, trong mấy năm gần
đây, Trung Quốc đã tăng sản lượng khai thác bauxite đạt 13% sản lượng thế giới và
điện phân nhôm năm 2008 đạt đến 34% sản lượng nhôm trên thế giới. Như vậy, thị

trường nhơm 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 mịn sườn núi đá vơi 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 dị 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

10


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 mịn của đá vơi Carbon - Permi, rất ít mỏ nằm trên
mặt bào mịn đá vơi tuổi Devon. Thành phần khống 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
ngun nhỏ, khơng có giá trị công nghiệp. Từ năm 1975 đến nay công tác điều tra,
thăm dò bauxite ở Việt Nam đã đưa lại những kết quả mới với những dự báo đến
"chóng mặt", chủ yếu liên quan đến loại bauxite laterite trong các vỏ phong hóa các
đá bazan tuổi Neogen và Pliocen - Pleistocen ở miền Nam Việt Nam [6]:



1995: 5,4 tỷ tấn quặng nguyên khai,



2000 - 2005: 6,75 tỷ tấn quặng nguyên khai,



2007: 5,4 tỷ tấn quặng nguyên khai (2,298 tỷ tấn quặng tinh),



2009: 6,75 tỷ tấn quặng nguyên khai (1,62 tỷ tấn quặng tinh),



2010: 6,91 tỷ tấn quặng nguyên khai (3,088 tỷ tấn quặng tinh),



Và 2011: 11 tỷ tấn quặng nguyên khai.
Gần đây (năm 2011), kết quả thống kê chuyển đổi trữ lượng và tài nguyên

bauxite laterite về "mặt bằng cấp trữ lượng và tài nguyên" theo quy định về thăm
dò, phân cấp trữ lượng và tài nguyên bauxite cho thấy tổng trữ lượng và tài nguyên
bauxite laterite của 23 mỏ ở Tây Nguyên được 2,522 tỷ tấn quặng tinh (+1mm),
giảm 566 triệu tấn quặng tinh (18,3%) so với dự kiến.
Trữ lượng quặng tinh có thể huy động vào nghiên cứu khả thi khai thác đạt

314,159 triệu tấn (15,64% so với tổng tài nguyên tinh quặng). Trữ lượng đã được
cấp phép khai thác 50,739 triệu tấn chiếm 16,15% trong tổng trữ lượng quặng tinh

11


và chỉ đạt 2,01% tổng trữ lượng và tài nguyên quặng tinh nêu trên. Cho đến nay
(tháng 2/2012), kết quả thăm dị 4 mỏ bauxite laterite ở Đăk Nơng 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
Tên mỏ

STT

tích
(Km2)

Mức
độ

Trữ lƣợng quặng tinh đã

Quặng

đƣợc phê duyệt hoặc dự

nguyên

kiến đạt đƣợc (Triệu tấn)

khai

thăm
Trữ

Tài

lượng

nguyên

dò

(Triệu
Tổng

tấn)

123

Đã

97,3

36,3

133,6

283,7

117,5

Đã

95,7

44

139,7

308,5

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

1

1-5

2

Gia Nghĩa

3

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
10

Bắc

Tây Nam 1-5

và

12


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 Hịa

5

Đang

8

8

16

Tổng

2131,9

2636

5935,2

Tổng cộng

2488,4

3088,5

6917,6

Như vậy, về tổng thể tiềm năng tài nguyên bauxite nói chung và bauxite

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

13


Bauxite

Sản xuất alumin

Công nghệ Bayer

Alumin đặc biệt

Alumin cấp luyện kim

Nhôm kim loại

Alumin đã
nung

Gốm, sứ

Alumin
hoạt tính

Vật liệu chịu lửa

Các hydroxit
nhơm

Vật liệu mài, đánh bóng

Hình 1.1. Các phƣơng án sử dụng Bauxite [6]
Công nghệ làm giàu quặng bauxite [6]:
Khoảng 90% sản lượng alumin của thế giới được sản xuất bằng công nghệ
Bayer, nhưng cơng nghệ này địi hỏi bauxite có hàm lượng SiO2 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
lượng lớn. Vì vậy, bauxite cần phải được làm giàu để giảm hàm lượng SiO2, nâng tỷ
lệ Al2O3/SiO2 >7 thì mới thích hợp cho cơng 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)

14


Bằng phương pháp tuyển rửa, phần lớn SiO2 trong hạt mịn được loại bỏ theo

quặng đi. Ngồi 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. Cơng nghệ sản xuất alumin
Q trình sản xuất alumin thực chất là quá trình làm giàu Al2O3, 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 nhơm 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 SiO2 cao), nếu xử lý bằng
công nghệ Bayer (cơng nghệ thủy luyện) thì khơng 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
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.

15

b. Sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer (phương pháp thuỷ luyện)
Quy trình cơng 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
pháp kiềm hoá (phương pháp thuỷ luyện) với hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao và là
công nghệ chính để sản xuất alumin. Cơng nghệ này địi 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:

16


Al(OH)3 + NaOH
Gibbsite rắn

Hoà tách > 1000C

NaAlO2 + 2H2O

0

Kết tủa < 100 C

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 – 280oC, tùy vào nhiệt độ hịa 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 điều kiện áp suất khí quyển.
NaOH

Bauxite

Hịa tan

Lọc

Nước
c

Phần rắn

Dung dịch NaAlO2

Rửa

Loại bỏ Silic

Sấy khơ

Kết tủa Al(OH)3

Bùn đỏ khơ

Al(OH)3

Hình 1.3. Quy trình sản xuất alumin [49]

17

CO2

Mầm
tủa

kết


Công nghệ Bayer chủ yếu gồm các công đoạn:
-

Bauxite được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH: Lượng Al2O3 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, ngồi ra cịn 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 Al2O3
thành phẩm.
Chi phí nguyên, nhiên liệu để sản xuất 1 tấn alumin bằng phương pháp Bayer

tuỳ thuộc vào loại và chất lượng bauxite. Giá trị công nghiệp của bauxite chủ yếu
được xác định bởi các chi phí tiêu hao kiềm và bauxite cho 1 tấn alumin.
Bảng 1.5. Tiêu hao kiềm và bauxite cho sản xuất alumin [22]
Loại

Chất lượng

Tiêu hao bauxite

Tiêu hao kiềm

(t/t Al2O3)

(kg NaOH/t Al2O3)

I

Tốt

< 2,2

< 40

II

Trung bình

2,2 - 2,9

40 - 80

III

Kém

> 2,9

>80

Trong quá trình sản xuất alumin bằng cơng nghệ Bayer, tùy theo thành phần
khống vật của bauxite mà cơng nghệ Bayer được chia thành 2 giải pháp khác nhau:
* Công nghệ Bayer Châu Mỹ
Công nghệ Bayer Châu Mỹ được áp dụng nếu Al2O3 của bauxite ở dạng
gibbsite (trihydrate Al2O3.3H2O), có thể được hoà tách dễ dàng. Bauxite này thường

18


được hòa tách ở nhiệt độ khoảng 140 – 145oC trong dung dịch hịa 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 2000C (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 Na2O). 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 hồ 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
đảm bảo chất lượng để sử dụng cho công nghệ Bayer; bauxite thuộc loại gibbsite dễ
hồ tách nên có thể được xử lý bằng công nghệ Bayer châu Mỹ (nhiệt độ khoảng
140 – 150oC, với nồng độ kiềm khoảng 160 - 170g/l Na2O), tuy vậy bauxite có chứa
nhiều goethite nên khả năng lắng kém. Trong luận chứng cơ hội đầu tư
"Opportunity Study" do nhóm chuyên gia của UNIDO lập năm 1988 để xây dựng
nhà máy alumin công suất 600.000 t/năm xử lý quặng bauxite Tân Rai - Lâm Đồng

19


cũng đã đề xuất giải pháp lựa chọn công nghệ hoà tách ở 140oC với nồng độ kiềm
hoà tách là 170g/l, chỉ có cơng đoạn tiền khử silic (khử silic trước khi hồ tách),
khơng có cơng đoạn hậu khử silic (khử silic sau khi hồ tách).
Q trình cơng nghệ sản xuất alumin chính có thể tóm tắt như sau: tinh

quặng bauxite từ nhà máy tuyển được chuyển vào máy nghiền cùng với NaOH, sữa
vôi (CaOH) theo tỷ lệ R:L = 1:1 cho đến khi đạt kích thước < 0,5mm tạo thành
huyền phù, chuyển vào bồn chứa có cánh khuấy. Tại bồn chứa có cánh khuấy, dung
dịch huyền phù được pha lỗng tới nồng độ chất rắn 400g/l, sau đó được chuyển
sang thiết bị hòa tách và gia nhiệt đến nhiệt độ 145oC, để thực hiện q trình hịa
tách khống vật gibbsite Al(OH)3 thành NaAlO2 hòa tan trong dung dịch. Hệ thống
thiết bị hòa tách gồm 5 thiết bị nối tiếp nhau, trong đó hai thiết bị đầu nhận trực tiếp
hơi nước có áp suất 7 atm từ nhà máy cấp hơi để đảm bảo nhiệt độ chung của toàn
bộ hệ thống hòa tách đạt 145oC. Dòng huyền phù từ thiết bị hịa tách có nhiệt độ
140oC và áp suất 5 atm sẽ được hạ áp suất tại thiết bị xả hơi và bồn xả áp. Huyền
phù sau khi hòa tách và hạ áp sẽ được hịa lỗng và chuyển tới thiết bị tách cát. Tại
thiết bị tách cát, các hạt chất rắn có kích thước lớn hơn 100 µm sẽ được tách ra bằng
hệ thống hydrocyclon, rửa bằng nước nóng để thu hồi xút, sau đó đổ ra bãi thải.
Dịng dung dịch chứa aluminate sẽ tiếp tục chuyển vào thiết bị lắng để tách bùn đỏ.
Quá trình lắng của bùn đỏ sẽ được thực hiện trong thiết bị lắng dưới tác động của
trọng lực và chất trợ lắng. Dòng bùn đỏ thu từ đáy các thiết bị lắng được chuyển
sang hệ thống 6 thiết bị rửa bùn với dòng nước rửa ngược chiều để thu hồi lại xút và
aluminate. Bùn đỏ dưới dạng huyền phù có nồng độ chất rắn 47% được bơm ra bãi
chứa bùn đỏ để chôn lấp. Dung dịch aluminate sau khi ra khỏi thiết bị lắng lọc tinh
và hạ nhiệt chuyển vào thiết bị tạo mầm và thiết bị kết tinh Al - hydrate (dung dịch
cấp cho thiết bị tạo mầm cần hạ nhiệt đến nhiệt độ ~76oC và dung dịch cấp cho thiết
bị kết tinh cần hạ nhiệt đến nhiệt độ ~63oC).

20


Chất thải rắn, tiếng ồn
Nước chứa soda

Đập, vận

chuyển quặng
Nghiền ướt

Khí
thải, bụi

Tiền khử silic,
pha lỗng
Hịa tách

Nồi
hơi

Loại bỏ cát
Hậu khử silic
Kết bơng
Lắng
Rửa
Lọc tinh
Trao đổi nhiệt
Khử oxalate
Phân cấp hạt

Bùn
đỏ

Bùn
oxalate

Kết tủa

Rửa
Lọc sản phẩm
Al(OH)3
Nung 1170oC
Alumin

Khí thải, bụi

Vận chuyển vào
Khí thải, tiếng ồn
kho
bụi
Hình 1.4. Quy trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer ở Tây Nguyên

21


Từ thiết bị kết tinh, dòng huyền phù chứa các hạt Al - hydrate được bơm qua
các hydrocycle để tách thành 2 phần: 60% dung dịch huyền phù chứa các hạt Al hydrate kích thước lớn lấy từ đáy chuyển sang khu lọc, nung để trở thành alumin,
40% dung dịch chứa các hạt Al - hydrate kích thước bé chuyển sang khu chứa mầm,
lọc bỏ muối oxalate và quay trở lại thiết bị kết tinh. Các hạt Al - hydrate tiếp tục
được khử nước, sấy khơ và đưa vào lị nung để nung thành Al2O3 (alumin). Mô tả
sơ đồ quy trình sản xuất:
-

Đập và nghiền: Sau khi đưa vào nhà máy, bauxite có kích thước hạt lớn
(>25mm) phải được đập nhỏ. Sau khi đập, các tinh quặng cịn kích thước hạt
thô được nghiền mịn. Bauxite được rửa và nghiền để giảm kích cỡ hạt, tăng
diện tích tiếp xúc bề mặt cho giai đoạn hịa tan. Sau đó hịa tan NaOH vào
nước và cho chúng vào máy tạo thành dung hỗn hợp bùn đặc.

-

Tiền khử silic: Nếu bauxite có hàm lượng SiO2 cao, cần phải có q trình loại
bỏ phần tạp chất này, bởi silic gây mất mát NaOH, ảnh hưởng đến chất lượng
sản phẩm cuối cùng và nhằm tránh kết tủa siilic ở dạng hợp chất không tan
natri alumosilicate (Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O) ra khỏi dung dịch do caolinite
hòa tan đưa vào.

-

Hòa tan: Nhơm oxit chứa trong bauxite được hịa tan vào dung dịch kiềm để
tạo thành dung dịch natri aluminate. Còn các cấu tử khác của bauxite, nhất là
Fe2O3 còn lại ở dạng rắn. Để hòa tách tốt, huyền phù bauxite nghiền của
dung dịch natri aluminate được gia nhiệt và khuấy trong khoảng 2,5 giờ.
Dung dịch NaOH nóng ở 140oC với nồng độ kiềm hồ tách là 170g/l được sử
dụng để hịa tan nhơm trong khống của bauxite (Al2O3, gibbsite, boehmite
và diaspore) để hình thành dung dịch NaAlO2 q bão hịa.
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Al(OH)4- + 2Na+
Gibbsite:
Al(OH)3 + Na+ + OH- → Al(OH)4- + Na+

22


Boehmite và diaspore:
AlO(OH) + Na+ + OH- + H2O → Al(OH)4- + Na+
-

Tách lọc: Đầu tiên, tách phần rắn không tan khỏi hỗn hợp lỏng rắn, sau đó

đưa phần rắn này vào rửa để thu hồi lại NaOH còn bám dính. Phần NaOH
thu hồi này được tái sử dụng.
Đem phần chất lỏng tách khỏi hỗn hợp trên đi lọc tiếp, thu được sản phẩm
cuối cùng khơng có tạp chất có trong phần rắn.

-

Hậu khử siliic: Một số sản phẩm silic trong q trình tiền khử silic vẫn cịn ở
dạng hịa tan, nên chức năng của giai đoạn này là kết tủa phân silic hoạt tính
cịn lại thành natri alumosilicate, thời gian lưu trong 12 giờ.

-

Kết tủa: Alumina thu được từ quá trình tách lọc ở trên đã bị quá bão hòa
trong natri aluminate. Dung dịch aluminate NaAlO2 được hạ nhiệt đến nhiệt
độ cần thiết và cho mầm Al(OH)3 vào để kết tủa.
Khi làm lạnh dần dung dịch này, các tinh thể Al(OH)3 bắt đầu xuất hiện, sau
đó tăng dần lên tạo thành các tinh thể lớn hơn. Phản ứng tạo kết tủa này
chính là phản ứng nghịch của phản ứng hòa tan gibbsite:
Al(OH)4- + Na+ → Al(OH)3 + Na+ + OH-

-

Phân loại: các tinh thể gibbsite hình thành ở trên được phân loại theo cỡ hạt,
người ta sử dụng các cyclon hoặc các thiết bị phân loại. Các tinh thể dạng to
và thô được mang đi nung.
Các tinh thể dạng mịn được mang đi rửa để loại bỏ các tạp chất hữu cơ, sau
đó cho kết tinh trở lại.

-

Nung: Phần chất rắn này được đem nung ở 1100oC để loại bỏ hoàn toàn hơi
ẩm bên trong và khử nước trong các liên kết hóa học, tạo thành alumin rắn có
dạng bột trắng. Các phản ứng trong lị nung được mơ tả bằng các phương
trình sau:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O

23


-

Lắng bùn đỏ: Sau khi hịa nhơm oxit trong NaOH, phần khơng tan cịn lại
của bauxite được lắng tách ra khỏi aluminate, quá trình lắng được tiến hành
liên tục trong bể có đường kính lớn, đáy phẳng, có cánh khuấy. Các hạt bùn
lắng xuống đáy bể, bùn được trải đều trên mặt bể lắng bằng bộ phần khuấy
quay chậm, đến khi đạt đến độ lèn chặt theo quy định, bùn được hút sang
phân đoạn rửa.

-

Rửa bùn đỏ: Bùn đỏ lấy ra từ bể lắng chứa một lượng lớn natri aluminate và
kiềm. Vai trò của giai đoạn này là thu hồi triệt để aluminate và kiềm bằng
cách rửa ngược dòng.

-

Thải bùn đỏ: Phần huyền phù bùn đỏ từ giai đoạn rửa được thu vào bể chứa
bùn để thải. Từ bể này, nó được bơm ra hồ bùn đỏ. Ở hồ, bùn lắng xuống

đáy, nước hồ được bơm trở lại trạm xử lý nước để quay vịng trở lại quy trình
Bayer hoặc bơm vào trạm trung hịa để thải ra ngồi mơi trường.

1.3.

Thành phần và tính chất của bùn đỏ

1.3.1. Vấn đề bùn thải - bùn đỏ
Vấn đề môi trường lớn nhất trong quá trình sản xuất alumin (của thế giới
cũng như các dự án của TKV đang triển khai) là vấn đề bùn thải (bùn đỏ). Có hai
loại bùn thải phát sinh trong quá trình sản xuất alumin là bùn thải đi quặng phát
sinh trong q trình tuyển quặng bauxite (thường chiếm tỷ lệ tới 50 % trọng lượng
quặng nguyên khai đưa vào quy trình tuyển) và bùn thải cơng nghệ Bayer (bùn đỏ).
Loại thứ nhất có thành phần chủ yếu là khoáng vật sét, geothite, hematite và
gibbsite dưới dạng bùn lỏng ít gây tác động đến mơi trường. Loại thứ hai – bùn đỏ
do chứa hàm lượng Fe2O3 và kiềm dư cao (NaOH, KOH), có độ pH cao ~ 13, dễ
gây ra tác động ô nhiễm môi trường.
Công nghệ sản xuất alumin được lựa chọn trong các dự án Tân Rai - Lâm
Đồng và Nhân Cơ - Đăk Nông là công nghệ sản xuất alumin bằng phương pháp
Bayer (Công nghệ thuỷ luyện bằng kiềm).

24