SẢN XUẤT NHÔM TỪ QUẶNG BOXIT

SẢN XUẤT NHÔM TỪ
QUẶNG BOXIT
SV: CAO THỊ KIM SANG
MSSV: 60502347


I .Tổng quan về Quặng Bôxit:
1. Sự phân bố ở Việt Nam:

•
•
•

Trữ lượng quặng Boxit ở nước ta lên đến 8 tỉ tấn, tập trung chủ yếu ở khu vực Tây Nguyên, tại địa phận các tỉnh Lâm Đồng,
Gia Lai, Đắc Nông. 20% trữ lượng quặng Boxit trên thế giới ở Đắc Nông với trữ lượng là 5.48 tỉ tấn.
Trữ lượng Bôxit ở Tân Rai, Lâm Đồng trên 700 triệu tấn, có thể khai thác được 67 triệu tấn quặng tinh.
Hiện nay ở nước ta chỉ mới khai thác một lượng nhỏ boxit để sản xuất Al(OH)3 và phèn Nhôm.


I .Tổng quan về Quặng Bôxit:
2. Thành phần chủ yếu của quặng boxit:

•
•

Gồm có Hidragilit(gipxit), Bơmit, Diaspo, khoáng vật Sắt, Silic dạng thạch anh, Hydroxit và Alumosilicat, keo ngậm nước,
Titan oxyt dạng keo, Rutin, Canxi và Magie Cacbonat, tạp Crom, Vanadi và các nguyên tố khác…
Thành phần hóa học của Boxit dao động trong một giới hạn rộng, kể cả hàm lượng Al oxyt cũng như hàm lượng tạp và nước
hydrat. Trong Boxit có hàm lượng Nhôm oxyt càng lớn và module Silic càng cao thi Boxit càng tốt. Boxit thiên nhiên chứa
khoảng 40% - 60% oxyt Nhôm, 18-22% oxyt Sắt, oxyt Silic nhỏ hơn 5%, độ ẩm khoảng 12%.

II. Tính chất lý hóa của nhôm, Nhôm oxyt và
Nhôm hydroxyt:
1.Tính chất lý hóa của Nhôm:

•
•
•

o
o
Nhôm là kim loại màu trắng bạc, nhiệt độ nóng chảy là 660 C, nhiệt độ sôi là 2500 C, dẫn điện và nhiệt cao. Phổ biến thứ 3
trong vỏ trái đất sau Oxy và Silic và đứng hàng đầu trong các kim loại.
Là nguyên tố lưỡng tính điển hình, tan tốt trong dung dịch axit và kiềm nhưng không tan trong HNO3 và H2SO4 đặc nguội.
có tính khử rất mạnh và được dùng trong luyện kim để điều chế các kim loại như Sắt, Mangan:
3Fe3O4 + 8Al = 4 Al2O3 + 9Fe


II. Tính chất lý hóa của nhôm, Nhôm oxyt và
Nhôm hydroxyt:
2. Tính chất lý hóa của Nhôm oxyt:

•

Al2O3 là chất rắn tinh thể có nhiệt độ nóng chảy cao, chịu lửa rất tốt, rất cứng, không màu và không tan trong nước

Là một oxit lưỡng tính:

•
•

Al2O3 + 6NaOH +3H2O = 2Na3[Al(OH)6]
Al2O3 + 3H2SO4 +9H2O = [Al(H2O)6]2 (SO4)3


II. Tính chất lý hóa của nhôm, Nhôm oxyt và
Nhôm hydroxyt:
3. Tính chất lý hóa của Nhôm hydroxyt:

•

Thường kết tủa ở dạng keo có màu trắng.Là hợp chất lưỡng tính điển hình
Al(OH)3 + 3NaOH = Na3[Al(OH)6]
Al(OH)3 + 3HCl +3 H2O=[Al(OH)6]Cl3

•

o
Khi nung nóng ở 1200 C sẽ thu được Al2O3
o
2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O (1200 C)

•

Được dùng làm phèn lọc nước, thủy tinh, vật liệu chịu lửa…


III. Phương pháp sản xuất nhôm từ quặng
boxit:
1. Làm sạch và làm giàu nguyên liệu thô:

Trên thế giới có 3 công nghệ tinh chế:



Công nghệ kiềm:

Dựa trên nguyên lý tạo Aluminat, sau đó thủy phân tạo Nhôm Hyroxyt và sau khi sấy, nung tách nước thu được Nhôm oxyt. Có
hai quy trình:



Nấu quặng Boxit và dung dịch xút hoặc hỗn hợp CaO và Na2CO3 dưới áp suất cao, pha loãng và thủy phân thu được Nhôm
hydroxyt. Việc thủy phân dùng CO2 hoặc pha loãng và dùng Nhôm hydroxyt vào làm mầm để thúc đẩy quá trình phân hủy
Aluminat:

Al2O3.xH2O + 2NaOH = 2NaAlO2 + (x+1)H2O.
Al2O3 +2OH + 3H2O = 2 [Al(OH)4]
[Al(OH)4] = Al(OH)3 + OH
o
2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O(1200 C)


III. Phương pháp sản xuất nhôm từ quặng
Boxit:


Đơn giản hơn: cho dung dịch xút chảy qua các tầng Boxit được xếp trong tháp cao thay vì nấu dưới áp suất cao. Xút hòa tan
Nhôm oxyt, ở cuối tháp thu được dung dịch Aluminat. Quy trình 1 thu được dung dịch đậm đặc hơn nhưng tốn kém về đầu
tư và năng lượng.

Trong công nghệ này sản phẩm phụ là Na2CO3


III. Phương pháp sản xuất nhôm từ quặng
boxit:


Công nghệ axit:

Thường dùng HNO3, có thể thu hồi và tái sử dụng. Fe (III) và Silic ở lại bã, thu được Nhôm Nitrat và một ít tạp chất là muối
của kim loại kiềm và kiềm thổ. Sau khi kết tinh thu được Nhôm nitrat sạch, đem nhiệt phân thu được Nhôm oxyt và NO2, thu
hồi NO2 để tạo HNO3 đem tái sử dụng.



Công nghệ Sunfua:

Nấu hỗn hợp Al2O3 và Al2S3 với tỷ lệ nhất định thì hỗn hợp có nhiệt độ nóng chảy thấp và tỷ trọng nhẹ. Nấu Bôxit, than và
Sunfua sắt với tỷ lệ phù hợp, thu được hỗn hợp dễ nóng chảy Al2O3 và Al2S3 tạo dạng lỏng nổi lên trên tách khỏi lớp
Ferosilic nóng chảy ở phía dưới. Lấy lớp trên để nguội thu được khối vật chất có 80%Al2O3 và 20%Al2S3. Đem xử lý bằng
công nghệ axit hoặc kiềm sẽ thu được Al2O3 rất tinh khiết.


III. Phương pháp sản xuất nhôm từ quặng
boxit:
2. Phương pháp hiện đại sản xuất Nhôm theo phương pháp Baye (phương pháp thủy luyện):
(được sử dụng phổ biến nhất hiện nay):
Phương pháp này có đặc điểm là NaOH chuyển động thao chu trình khép kín,bao gồm các công đoạn chủ yếu sau:

 Nghiền

 Phản ứng hòa tách
 Pha loãng
 Lắng
 Kết tinh(phân hóa)
 Lọc hydrat thành phẩm.
 Nung
 Điện phân nóng chảy.


III. Phương pháp sản xuất nhôm từ quặng
boxit:
3. Các điều kiện ảnh hưởng đến hòa tách Boxit:

•
•
•
•
•
•

Độ nghiền mịn của Boxit
Sự khuấy trộn huyền phù
Nồng độ kiềm hoạt tính trong dung dịch tuần hoàn
Nhiệt độ hòa tách
Sự có mặt của vôi
Quá trình khuấy phân hóa…


III. Phương pháp sản xuất nhôm từ quặng
Boxit:

4. Sản xuất theo phương pháp hỏa luyện (phương pháp
thiêu kết):

•

Hiện nay phương pháp Baye chiếm ưu thế trong sản xuất Nhôm – chỉ tiện lợi với Boxit chứa ít Silic. Phương pháp thiêu kết
có thể sản xuất Nhôm từ bất kỳ loại Boxit nào, từ đất sét, cao lanh, các loại đất đá chứa Alumosilicat khác và trữ lượng của
chúng rất lớn. Phương pháp này có thể áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phương pháp Baye.
Hiện nay có 2 phương pháp thiêu kết: phối liệu khô và phối liệu ướt.


III. Phương pháp sản xuất nhôm từ quặng
Boxit:

•
•

Thiêu kết phối liệu khô:
Boxit, đá vôi đã nghiền nhỏ và Natricacbonat trộn kỹ với nhau rồi đem thiêu kết. Bôxit thường hút ẩm nên sau khi xay
thô phải sấy rồi mới nghiền.
o
Thông thường thiêu kết phối liệu trong lò ống quay với nhiệt độ khoảng 1100-1200 C để thực hiện các phản ứng sau
đây:
Al2O3 +Na2CO3 = 2NaAlO2 + CO2
SiO2 + 2CaCO3 = 2 CaO.SiO2 + 2CO2


•
•
•

NaAlO2 dễ tan trong nước, còn CaO.SiO2 không tan trong nước và đi vào cặn thải. Khi Natricacbonat tác dụng với một
phần Canxi sẽ tạo ra xút costic làm cho dung dịch aluminat vững bền hơn nên làm giảm mất mát Al2O3 do dung dịch bị
phân hóa.
Sau khi tách cặn đem dung dịch đi khử Silic dưới áp suất khoảng 5 at. Khi khuấy trộn khoảng 2 giờ phần lớn Silic lắng tách
ra khỏi dung dịch dưới dạng Natri alumosilicat. Nếu cho thêm 10g/l CaO việc khử Silic tiến hành hoàn toàn hơn.
Alumosilicat lắng tách ra (cặn trắng), thông thường lắng tách ra và rửa trên máy lọc, có công thức gần đúng như sau:
Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O
Vì cặn trắng chứa nhiều Na2O và Al2O3 nên phải đưa cặn trắng quay về phối liệu.


•

o
Đem phân hóa dung dịch aluminat bằng khí cacbonic ở nhiệt độ thấp hơn 70 C, khi đó kiềm costic bị CO2 trung hòa:
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O

•

Độ bền của dung dịch giảm xuống kết tủa ra Nhôm hydroxyt:
2NaAlO2 + 4H2O = 2Al(OH)3 + 2NaOH.

•
•

Phần lớn dung dịch cái đem cô để kết tinh ra Na2CO3 , phần còn lại và nước rửa hydrat dùng để hòa tan thiêu kết phẩm.
Na2CO3 đem khử nước và quay về phối liệu cùng Na2CO3 mới để bù vào tổn thất.
Lò quay đắt và hiệu suất sử dụng nhiệt nhỏ -khoảng 35% việc thay thế đá vôi bằng vôi sẽ tạo khả năng nâng cao năng suất
của lò thiêu kết vì không phải phân hóa CaCO3.


•
•
•

Thiêu kết phối liệu ướt:
Dung dịch Natri cacbonat nhận được khi cacbonat hóa không đem cô để tạo thành Natri cacbonat kết tinh, mà đưa trở
lại phối liệu. Boxit và đá vôi đã xay đem nghiền ướt cùng với dung dịch Natri cacbonat tuần hoàn và Natri cacbonat mới
để bù đắp tổn thất.
Sau khi nghiền trong máy nghiền ta sẽ được bùn , cho bùn vào bể chứa. Trong các bể chứa này phải khuấy trộn tốt để
đảm bảo tính đồng nhất của bùn đã nghiền nhỏ cũng như việc lấy mẫu tương đối đơn giản .
Khi có một số bể chứa đầy bùn có thành phần cùng thể loại khác nhau nhiều hoặc ít thì dễ dàng tính được thể tích bùn
từ mỗi bể chứa cần phải lấy để trộn với nhau trong 1 bể chứa để được thành phần cần thiết. Các bể chứa bùn như vậy
gọi là bể điều chỉnh.


•
•
•

Bùn đã điều chỉnh cho vào thiêu kết qua vòi phun dưới áp suất 10-15 at. Nhiệt độ khí thải trong phương pháp thiêu kết phối
o
liệu ướt thấp hơn trong phương pháp phối liệu khô khoảng 200 C, nghĩa là phương pháp phối liệu ướt sử dụng nhiệt tốt
hơn.
Khi thiêu kết phối liệu ướt cần giảm tối đa hàm lượng nước trong phối liệu, chỉ cần đảm bảo độ chảy loãng cần thiết để cung
cấp liệu qua vòi phun, nước dư thừa sẽ làm giảm năng suất lò và làm tiêu tốn phí nhiên liệu.
Khi thiêu kết muốn có hàm lượng nước thích hợp phải đem cô lượng nước dư từ dung dịch cái.Dung dịch hòa tan có hàm
lượng khoảng 250g/l Al2O3 sẽ dẫn tới cân bằng về nước trong bùn thích hợp mà không cần cô dung dịch cái.


•
•
•
•
•

So với phương pháp thiêu kết phối liệu khô thì phương pháp thiêu kết phối liệu ướt có những ưu điểm sau đây:
Đơn giản hóa việc phối liệu, không cần trộn.
Thay nghiền khô – có năng suất thấp hơn và phải sấy Boxit – bằng nghiền ướt.
Không cần cô dung dịch cái đến khi kết tinh Natri cacbonat và khử nước của Natri cacbonat.
Khử được nước ẩm của phối liệu khi thiêu kết , điều này giảm được tất cả hoặc một phần phụ tải cảu giai đoạn cô.
Nâng cao hiệu suất nhiệt có ích của lò và giảm bay bụi.


•
•
•
•
•

Cải thiện điều kiện lao động ở khâu nghiền ướt vì không có bụi, giảm tổn thất cơ học của phối liệu.
Đơn giản hóa việc vận chuyển vật liệu: thay băng tải và gầu nâng bằng bơm và ống dẫn bùn.
Khuyết điểm lớn nhất của phương pháp này là năng suất lò thiêu kết bị giảm đi khá nhiều vì phải làm bay hơi nước trong
phối liệu và tốn nhiệt lượng.
Vì vậy gần đây người ta sử dụng phương pháp phối liệu ướt.
Phương pháp thiêu kết có thể áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phương pháp Baye .

III. Phương pháp sản xuất nhôm từ quặng Boxit:
5. Điện phân nóng chảy:

•
•
•
•

o
Nhôm oxyt nóng chảy ở nhiệt độ cao gần 2000 C, dễ phân li trong dung dịch muối nóng chảy khác như Clorua hoặc Florua
của kim loại kiềm hoặc kiềm thổ nên có thể tạo dung dịch nóng chảy của Nhôm oxyt ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt
độ nóng chảy của nó.
Dung dịch muối nóng chảy thưòng dùng làCryolit.
Cryolyt được tổng hợp bằng cách hòa tan Nhôm Hidroxyt và Natricacbonat trong dung dich axit Flohidric
2Al(OH)3 + 2Na2CO3 + 12HF = 2Na3[AlF6] + 3CO2 + 9H2O
o
Quá trình điện phân thực hiện ở 950 C, điện áp bằng 5V, cường độ dòng điện khoảng 100000A


•
•

Thiết bị điện phân là một thùng vỏ bằng sắt bên trong lót gạch chịu nóng. Trên lớp này có bọc một lớp than dùng làm cực
âm, cực dương là những thỏi than cấm vào thùng điện phân.
Mỗi buồng có kích thước 4 m chiều rộng và 10 m chiều dài. Buồng được xây bằng gạch Cacbon và tạo điện cực âm ở đó Al
sẽ lắng đọng. Lơ lửng phía trên buồng và được nhúng vào hỗn hợp muối nóng chảy là 18 khối điện cực C (cực dương) sẽ bị
oxy hóa do điện phân từ ion của các oxyt.


•

•

Bề mặt chất lỏng trong lò được phủ một lớp rắn chất điện ly để cho khối nóng chảy khỏi bị nguội. quá trình điện phân có
Oxy bay ra ở anot, tác dụng với C tạo ra CO và CO2 đồng thời có một ít khí F2 tạo CF4, do đó cực dương bị ăn mòn dần, nên
trong quá trình điện phân phải hạ thấp dần cực duơng xuống.
Quá trình điện phân tiến hành liên tục sau một thời gian người ta cho thêm Nhôm oxyt và một ít Cryolyt một cách tuần
hoàn, Nhôm tụ lại ở catot và được tháo ra ngoài. Al nóng chảy sẽ đựoc tập hợp trên điện cực âm và được tháo ra với tốc độ
o
o
khoảng 1 tấn trên 1 ngày. Nhôm nóng chảy ở 660 C nhưng Nhôm oxyt nóng chảy ở 2050 C khi Nhôm oxyt tan trong Cryolyt
o
nóng chảy đã hạ nhiệt xuống 1000 C.


•
•
•
•
•

Năng lượng điện được sử dụng vào việc sinh nhiệt khi dòng điện phóng qua dung dịch muối nóng chảy có điện trở khá lớn.
Việc này cần thiết để duy trì trạng thái nóng chảy của muối, một phần nhỏ hơn năng lượng điện để điện phân hoàn nguyên
Nhôm. Khi nồng độ Nhôm oxyt giảm, thế điện cực tăng ngay lập tức, nên phải bổ sung ngay Nhôm oxyt để tránh các phản
ứng phụ khác điện cực xảy ra.
Các phản ứng xảy ra trong quá trình điện phân:
3+
2Al2O3 = 2Al + 3O
3+
2Al + 6e = 2Al
23O - 6e = 3O

6. Tinh chế Nhôm sau điện phân: bằng Clo và Nitơ :

•
•
•

Thổi Clo qua Nhôm nóng chảy, các kim loại nhẹ đi cùng Nhôm chuyển thành Clorua nổi lên bề mặt kim loại nóng chảy,
oxyt, Nitrua, Cacbit phân tán nhờ đó cũng ngưng tụ lại. Thổi Clo khoảng 10 phút, gây hao tổn Nhôm do tạo Nhôm Clorua từ
2-3%. Sau đó thổi khí Nitơ để đuổi hết Clo ra khỏi bể tinh chế.
Để sản xuất 1 tấn Nhôm cần 4 tấn Boxit(50% Nhôm oxyt) tức vào khoảng 1,9 tấn Nhôm oxyt, 70kg Cryolyt, 450kg graphit
3
làm anot, năng lượng là 56x109 J(15,5x10 Kwh).
Giá thành của công đoạn tinh chế nguyên liệu Nhôm oxyt là 32%, vào Cryolit là 4%, hao mòn điện cực 12%, điện phân 25%
tổng giá thành sản xuất.


7. Yêu cầu kỹ thuật của Nhôm:

•
•

Nhôm xuất xưởng không được chứa nước Hydrat và không được hút ẩm nhiều.
Cỡ hạt của Nhôm không quá thô cũng không được quá nhỏ.