Nghiên cứu khả năng lắng bùn đỏ sau hòa tách bauxit gia nghĩa, tây nguyên

i

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ..........................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ ......................................................... vii
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
Chương 1 ....................................................................................................................3
TỔNG QUAN .............................................................................................................3
1.1.

Sự hình thành và những tính chất đặc trưng của bùn đỏ..........................3

1.2.

Sự phân tách các pha rắn, lỏng của bùn đỏ ............................................. 11

1.3.

Tình hình nghiên cứu quá trình lắng bùn đỏ ........................................... 11

1.3.1.

Trên thế giới....................................................................................... 11

1.3.2.

Trong nước......................................................................................... 23

1.4.

Định hướng nghiên cứu ............................................................................ 25

Chương 2 .................................................................................................................. 26
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LẮNG TÁCH BÙN ĐỎ ................................ 26
2.1.

Quá trình lắng các hạt rắn ....................................................................... 26

2.2.

Lắng tự do ................................................................................................. 26

2.2.1.

Hạt hình cầu....................................................................................... 26

2.2.2.

Hạt không phải hình cầu ................................................................... 27

2.3.

Lắng vướng mắc ....................................................................................... 29

2.4.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng bùn đỏ ................................... 32

2.4.1.

Thành phần vật chất của bauxit........................................................ 32

2.4.1.1. Hàm lượng silic hòa tan .................................................................... 32
2.4.1.2. Hàm lượng phốt pho ......................................................................... 32
2.4.1.3. Hàm lượng gơtit ................................................................................ 33
2.4.1.4. Hợp chất hữu cơ................................................................................ 33
2.4.2.

Kích thước hạt bauxit ........................................................................ 34

2.4.3.

Các thông số công nghệ hòa tách ...................................................... 34

2.4.3.1. Lượng nạp bauxit .............................................................................. 34
2.4.3.2. Nồng độ dung dịch hòa tách .............................................................. 34
2.4.4.

Nhiệt độ lắng ...................................................................................... 34


ii
2.5.

Sự cần thiết phải cường hóa quá trình lắng bùn đỏ ................................ 34

2.6.

Cường hóa quá trình lắng bùn đỏ bằng các chất trợ lắng....................... 38

2.6.1.

Chất trợ lắng và quá trình phát triển ............................................... 38

2.6.1.1. Chất trợ lắng..................................................................................... 38
2.6.1.2. Quá trình phát triển chất trợ lắng ..................................................... 38
2.6.2.

Chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên - Tinh bột ......................................... 39

2.6.3.

Chất trợ lắng hữu cơ tổng hợp .......................................................... 40

2.6.4.

Chất trợ lắng hữu cơ tổng hợp biến tính .......................................... 42

2.6.5.

Các phương pháp tạo thành tập hợp hạt trong quá trình lắng........ 43

2.6.5.1. Phương pháp kết tụ ........................................................................... 43
2.6.5.2. Phương pháp kết bông ...................................................................... 44
2.7.

Cơ chế tương tác kết bông giữa chất trợ lắng và bùn đỏ ........................ 45

2.7.1.

Cơ chế bắc cầu ................................................................................... 45

2.7.2.

Cơ chế hoạt hóa bề mặt ..................................................................... 46

2.7.3.

Cơ chế liên kết tĩnh điện .................................................................... 47

2.8.

Quá trình hấp phụ .................................................................................... 47

Chương 3 .................................................................................................................. 49
CHUẨN BỊ MẪU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................. 49
3.1.

Chuẩn bị bùn đỏ theo công nghệ Bayer châu Mỹ .................................... 49

3.1.1.

Quặng tinh bauxit Gia Nghĩa ............................................................ 49

3.1.2.

Dung dịch hòa tách ............................................................................ 51

3.1.3.

Tính toán lượng nạp bauxit ............................................................... 51

3.1.4.

Quy trình chuẩn bị bùn đỏ ................................................................ 52

3.2.

Chất trợ lắng ............................................................................................. 53

3.3.

Thiết bị nghiên cứu ................................................................................... 54

3.3.1.

Thiết bị tiền khử silic và hoà tách bauxit .......................................... 54

3.3.2.

Thiết bị lắng ....................................................................................... 54

3.3.3.

Máy đo độ nhớt .................................................................................. 55

3.3.4.

Máy đo độ vẩn đục............................................................................. 55

3.4.

Các phương pháp nghiên cứu................................................................... 55

3.4.1.

Xác định kích thước hạt, thành phần vật chất của quặng tinh bauxit

và bùn đỏ Gia Nghĩa .............................................................................................. 55
3.4.2.

Xác định các thông số lắng đặc trưng ............................................... 56

3.4.2.1. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ ....................................................... 56


iii
3.4.2.2. Tốc độ lắng giai đoạn đầu ................................................................. 56
3.4.2.3. Độ nén trung bình của bùn đỏ ........................................................... 56
3.4.3.

Xác định độ nhớt của dung dịch natri aluminat ............................... 57

3.4.4.

Xác định độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat.......................... 57

Chương 4 .................................................................................................................. 58
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................................. 58

4.1.

Thành phần hoá học và khoáng vật của quặng tinh bauxit Gia Nghĩa... 58

4.1.1.

Thành phần hóa học .......................................................................... 58

4.1.2.

Thành phần khoáng vật..................................................................... 58

4.2.

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng bùn đỏ ..................... 61

4.2.1.

Sắt dạng gơtit ..................................................................................... 62

4.2.2.

Kích thước hạt quặng tinh bauxit ..................................................... 67

4.2.3.

Lượng nạp bauxit .............................................................................. 72

4.2.4.

Hệ số pha loãng huyền phù................................................................ 75

4.2.5. Nhiệt độ lắng........................................................................................... 79
4.3.

Cường hóa quá trình lắng bùn đỏ ............................................................ 83

4.3.1.

Lắng tự nhiên bùn đỏ ........................................................................ 83

4.3.2.

Chất hữu cơ tự nhiên ......................................................................... 85

4.3.3.

Chất hữu cơ tổng hợp biến tính (HX) ............................................... 90

4.3.4.

Khả năng kết hợp .............................................................................. 96

4.4.

Đề xuất phương án sử dụng chất trợ lắng cho quá trình lắng bùn đỏ sau

hòa tách bauxit Gia Nghĩa ....................................................................................... 102
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................. 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 106

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN................... 113
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 114


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Giải thích

Ký hiệu
g/cm3

gram/centimet khối

g/mol

gram/mol

kg/t

kilogram/tấn

g

gram (đơn vị đo khối lượng, 1 g = 10-3 kg)

g/kg

gram/kilogram

mg/l

miligram/lít

ml

mililít (đơn vị đo thể tích, 1 ml = 10-3 lít)

mV

milivôn (đơn vị đo điện thế, 1 mV = 10-3 vôn)

mm

milimet

cm

centimet

m

mét (đơn vị đo chiều dài)

m3

mét khối

km2

kilomet vuông

%

phần trăm

0

độ C

C

MKN

mất khi nung

MSi

môđun silic



hiệu suất phân hủy nhôm hydroxit

lt

hiệu suất hòa tách lý thuyết

tt

hiệu suất hòa tách thực tế

µm

micromet

h

giờ (đơn vị đo thời gian)

αc

tỷ số caustic

Na2Oc

kiềm caustic

HX

hydroxamated

PAA

Polyacrylate

PAM

Polyacrylamide

GN

Gia Nghĩa

ĐS

Đắc Song


v

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần hóa học và khoáng vật cơ bản của bauxit ....................................3
Bảng 1.2. Thành phần hóa học cơ bản của bauxit ở một số nước ....................................3
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của một số loại bùn đỏ ...................................................9
Bảng 1.4. Thành phần khoáng vật của các loại bùn đỏ khác nhau ...................................9
Bảng 1.5. Sự chuyển biến từ gơtit thành hematit khi hòa tách bauxit ............................ 17
Bảng 1.6. Các nước có tiềm năng lớn hàng đầu về bauxit ............................................ 23
Bảng 2.1. Giá trị hệ số 1 đối với các hạt có hình dạng khác nhau ................................ 28
Bảng 2.2. Giá trị hệ số 2 đối với các hạt có hình dạng khác nhau ................................ 29
Bảng 2.3. Sự liên hệ giữa kích thước hạt và thời gian lắng tự nhiên.............................. 35
Bảng 2.4. Sự ổn định của hệ keo và giá trị ................................................................. 36
Bảng 2.5. Một số hợp chất thường dùng làm chất trợ lắng ............................................ 38
Bảng 2.6. Đặc điểm của một số hệ thống tinh bột ......................................................... 40
Bảng 2.7. Một số hợp chất thường dùng làm chất kết tụ ............................................... 44
Bảng 4.1. Thành phần hóa học chính của quặng tinh bauxit Gia Nghĩa ........................ 58
Bảng 4.2. Thành phần khoáng vật của quặng tinh bauxit Gia Nghĩa ............................. 58
Bảng 4.3. Khoáng vật sắt và tổng hàm lượng sắt ôxit trong bauxit................................ 62
Bảng 4.4. Khoáng vật sắt và tổng hàm lượng sắt ôxit trong bùn đỏ............................... 62

Bảng 4.5. Diễn biến lắng bùn đỏ thông qua chiều cao cột bùn theo thời gian ................ 63
Bảng 4.6. Tốc độ lắng của bùn đỏ ở giai đoạn đầu ....................................................... 64
Bảng 4.7. Độ nén trung bình của lớp bùn đỏ ................................................................ 65
Bảng 4.8. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat ...................................................... 66
Bảng 4.9. Thành phần cấp hạt các mẫu nghiên cứu ...................................................... 67
Bảng 4.10. Diễn biến lắng của bùn đỏ thông qua chiều cao cột bùn theo thời gian........ 68
Bảng 4.11. Tốc độ lắng của bùn đỏ ở giai đoạn đầu...................................................... 69
Bảng 4.12. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat .................................................... 69
Bảng 4.13. Độ nén trung bình của lớp bùn đỏ............................................................... 70
Bảng 4.14. Phân bố kích thước hạt bùn đỏ sau lắng ...................................................... 71
Bảng 4.15. Thành phần hóa học của bùn đỏ ................................................................. 71
Bảng 4.16. Diễn biến lắng bùn đỏ thông qua chiều cao cột bùn theo thời gian .............. 73
Bảng 4.17. Tốc độ lắng của bùn đỏ ở giai đoạn đầu...................................................... 74
Bảng 4.18. Độ nén trung bình của lớp bùn đỏ............................................................... 74


vi
Bảng 4.19. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat .................................................... 74
Bảng 4.20. Diễn biến lắng bùn đỏ thông qua chiều cao cột bùn theo thời gian .............. 76
Bảng 4.21. Tốc độ lắng của bùn đỏ ở giai đoạn đầu...................................................... 77
Bảng 4.22. Độ nhớt của dung dịch natri aluminat với hệ số pha loãng khác nhau ......... 77
Bảng 4.23. Độ nén trung bình của lớp bùn đỏ............................................................... 78
Bảng 4.24. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat .................................................... 78
Bảng 4.25. Thành phần dung dịch natri aluminat sau khi lắng ...................................... 79
Bảng 4.26. Diễn biến lắng bùn đỏ thông qua chiều cao cột bùn theo thời gian .............. 80
Bảng 4.27. Tốc độ lắng của bùn đỏ ở giai đoạn đầu...................................................... 81
Bảng 4.28. Độ nhớt của dung dịch natri aluminat ở các nhiệt độ khác nhau.................. 81
Bảng 4.29. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat .................................................... 81
Bảng 4.30. Độ nén trung bình của lớp bùn đỏ............................................................... 82
Bảng 4.31. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ và độ vẩn đục của dung dịch

natri aluminat ............................................................................................................... 84
Bảng 4.32. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ sử dụng tinh bột mỳ ................................ 86
Bảng 4.33. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ sử dụng tinh bột DR................................ 87
Bảng 4.34. Tốc độ lắng của bùn đỏ ở giai đoạn đầu...................................................... 88
Bảng 4.35. Độ nén trung bình của lớp bùn đỏ............................................................... 88
Bảng 4.36. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat .................................................... 89
Bảng 4.37. Thành phần của tinh bột sử dụng ................................................................ 90
Bảng 4.38. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ sử dụng HX400 ...................................... 92
Bảng 4.39. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ sử dụng HX600 ...................................... 94
Bảng 4.40. Tốc độ lắng của bùn đỏ ở giai đoạn đầu sử dụng HX400 ............................ 94
Bảng 4.41. Tốc độ lắng của bùn đỏ ở giai đoạn đầu sử dụng HX600 ............................ 95
Bảng 4.42. Độ nén trung bình của lớp bùn đỏ............................................................... 95
Bảng 4.43. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat .................................................... 95
Bảng 4.44. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ theo thời gian .......................................... 98
Bảng 4.45. Tốc độ lắng của bùn đỏ ở giai đoạn đầu...................................................... 99
Bảng 4.46. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat .................................................. 100
Bảng 4.47. Độ nén trung bình của lớp bùn đỏ............................................................. 101
Bảng 4.48. So sánh các thông số đặc trưng lắng của tinh bột DR và HX400 ............... 102
Bảng 4.49. Chế độ lắng và kết quả ............................................................................. 103


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình ảnh
Ảnh 4.1. Gibxit dạng tấm, gơtit dạng que (phóng đại 75 lần, dưới 2 nicon) .................. 60
Ảnh 4.2. Gibxit dạng ổ (phóng đại 75 lần, dưới 2 nicon) .............................................. 60
Ảnh 4.3. Kích thước hạt bùn đỏ ................................................................................... 71

Đồ thị
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất alumin từ bauxit bằng phương pháp Bayer tổng
quát và rút gọn .............................................................................................................5
Hình 1.2. Phân bố kích thước hạt mịn và hạt thô đặc trưng của bùn đỏ ....................... 10
Hình 1.3. Đường cong lắng đặc trưng của các loại bùn đỏ .......................................... 12
Hình 1.4. Phân bố bauxit ở Việt Nam theo vùng ......................................................... 24
Hình 2.1. Sự phụ thuộc của chuẩn số Ly, Re vào chuẩn số Ar đối với quá trình lắng tự
do trong môi trường tĩnh............................................................................................. 28
Hình 2.2. Đường cong đặc trưng biểu diễn chiều cao cột bùn và thời gian .................. 31
Hình 2.3. Cấu tạo hạt keo ........................................................................................... 35
Hình 2.4. Năng lượng tương tác của hệ keo ................................................................ 37
Hình 2.5. Cấu trúc của amiloza ................................................................................... 39
Hình 2.6. Cấu trúc của amilopectin ............................................................................. 39
Hình 2.7. Cấu trúc của polyacrylamide …………………………………………......... 40
Hình 2.8. Cấu trúc của polyacrylate..................................…………………………….50
Hình 2.9. Copolyme của acrylamide và acrylate ......................................................... 41
Hình 2.10. Chất trợ lắng hydroxamated polyacrylamide chứa ba nhóm chính: amid,
carboxyl và hydroxamate............................................................................................ 42
Hình 2.11. Sơ đồ quá trình kết bông và ảnh hưởng của nó đến tốc độ lắng .................. 45
Hình 2.12. Liên kết hai hạt theo cơ chế bắc cầu .......................................................... 46
Hình 2.13. Hình dạng phân tử chất trợ lắng trên bề mặt bùn đỏ................................... 46
Hình 2.14. Liên kết hai hạt theo cơ chế hoạt hoá bề mặt ............................................. 47
Hình 2.15. Liên kết hai hạt theo cơ chế tĩnh điện ........................................................ 47
Hình 3.1. Quy trình chuẩn bị kích thước hạt bauxit ..................................................... 50
Hình 3.2. Quy trình chuẩn bị dung dịch luân lưu ........................................................ 51


viii
Hình 3.3. Thiết bị hoà tách ......................................................................................... 54
Hình 3.4. Thiết bị lắng bùn đỏ .................................................................................... 54

Hình 3.5. Máy đo độ nhớt ........................................................................................... 55
Hình 3.6. Máy đo độ vẩn đục...................................................................................... 55
Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của quặng tinh bauxit Gia Nghĩa ............................. 59
Hình 4.2. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ theo thời gian........................................... 64
Hình 4.3. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat..................................................... 66
Hình 4.4. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ theo thời gian........................................... 68
Hình 4.5. Tốc độ lắng bùn đỏ ở giai đoạn đầu với kích thước hạt khác nhau ............... 69
Hình 4.6. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat..................................................... 70
Hình 4.7. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ theo thời gian........................................... 73
Hình 4.8. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat..................................................... 75
Hình 4.9. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ theo thời gian........................................... 76
Hình 4.10. Độ nhớt của dung dịch ở điều kiện pha loãng huyền phù khác nhau .......... 77
Hình 4.11. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat................................................... 78
Hình 4.12. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ theo thời gian......................................... 80
Hình 4.13. Độ nhớt của dung dịch natri aluminat ........................................................ 81
Hình 4.14. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat................................................... 82
Hình 4.15. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ và độ vẩn đục của dung dịch
natri aluminat ............................................................................................................. 84
Hình 4.16. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ ............................................................... 85
Hình 4.17. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ ............................................................... 88
Hình 4.18. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat................................................... 89
Hình 4.19. Sự thay đổi chiều cao cột bùn khi sử dụng HX400 .................................... 93
Hình 4.20. Sự thay đổi chiều cao cột bùn khi sử dụng HX600 .................................... 93
Hình 4.21. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat................................................... 96
Hình 4.22. Sự thay đổi chiều cao cột bùn đỏ theo thời gian......................................... 99
Hình 4.23. Tốc độ lắng bùn đỏ giai đoạn đầu ............................................................ 100
Hình 4.24. Độ vẩn đục của dung dịch natri aluminat theo thời gian .......................... 100
Hình 4.25. Độ nén trung bình của bùn đỏ theo thời gian ........................................... 101

1

MỞ ĐẦU
Theo kết quả thăm dò địa chất, nước ta được xếp vào quốc gia có trữ lượng bauxit
lớn trên thế giới, chủ yếu tập trung tại Tây Nguyên. Đây là tiền đề quan trọng cho xây
dựng nền công nghiệp alumin - nhôm Việt Nam trong tương lai.
Đặc trưng nổi bật của bauxit Tây Nguyên là nhôm oxit tồn tại dạng khoáng vật
gipxit, còn sắt chủ yếu ở dạng gơtit. Theo các nhà khoa học trong và ngoài nước, bauxit
vùng này dễ hòa tách cho phép áp dụng công nghệ Bayer châu Mĩ để sản xuất alumin. Tuy
nhiên, hạn chế lớn là bùn đỏ hình thành sau hòa tách bauxit này rất khó lắng. Đây là đánh
giá đáng quan tâm đối với những người làm công nghệ sản xuất alumin.
Lắng bùn đỏ là công đoạn quan trọng trong sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer
với chức năng tách cặn đỏ ra khỏi dung dịch natri aluminat. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng
trực tiếp cũng như gián tiếp đến quá trình lắng bùn đỏ, trong đó phải kể đến như: thành
phần vật chất và kích thước hạt của bauxit, chế độ công nghệ hòa tách, chế độ lắng bùn đỏ
và đặc biệt là chất trợ lắng sử dụng.
Với tầm quan trọng, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của quá trình lắng trong công
nghệ alumin, đề tài nghiên cứu của luận án được chọn với tên gọi “Nghiên cứu khả năng
lắng bùn đỏ sau hòa tách bauxit Gia Nghĩa, Tây Nguyên”. Nội dung trọng tâm của đề tài
là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng và khả năng cường hóa quá trình
lắng bùn đỏ bauxit Gia Nghĩa bằng các chất trợ lắng là chất hữu cơ tự nhiên và chất hữu cơ
tổng hợp biến tính.
Mục tiêu của luận án:
- Xác định các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến khả năng lắng bùn đỏ.
- Xác định khả năng cường hóa quá trình lắng bùn đỏ bằng các chất trợ lắng hữu cơ
tự nhiên, hữu cơ tổng hợp biến tính ở dạng độc lập hoặc kết hợp, đồng thời làm rõ cơ chế
tương tác của chúng với bùn đỏ.
- Đề xuất phương án sử dụng chất trợ lắng với hàm lượng lựa chọn và chế độ tương ứng.
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu là bùn đỏ của bauxit Gia Nghĩa – một trong những nguồn

quặng có tính đại diện về trữ lượng và thành phần vật chất cho bauxit khu vực Tây Nguyên.
- Đã sử dụng phương pháp nghiên cứu sau đây để thực hiện nội dung của luận án:
phương pháp tổng hợp, phân tích đánh giá, phương pháp thực nghiệm và các phương pháp
xử lý kết quả thực nghiệm.


2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Đây là công trình nghiên cứu cơ bản, toàn diện đầu tiên ở nước ta về lắng bùn đỏ
trong công nghệ sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer châu Mỹ từ quặng tinh bauxit
Gia Nghĩa.
+ Làm rõ căn cứ khoa học của một số yếu tố ảnh hưởng đáng kể tới khả năng lắng
của bùn đỏ: thành phần vật chất (hàm lượng gơtit), kích thước hạt và lượng nạp bauxit cho
hòa tách, hệ số pha loãng huyền phù, nhiệt độ lắng.
+ Khảo sát khả năng trợ lắng bùn đỏ của các chất hữu cơ tự nhiên (tinh bột mỳ, tinh
bột DR), hữu cơ tổng hợp biến tính (HX400, HX600) và phương án kết hợp (tinh bột DR
với HX600).
 Đối với chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên, đã phát hiện ra tinh bột DR – nguồn
nguyên liệu sẵn có trong nước, có khả năng trợ lắng cao hơn tinh bột mỳ - chất trợ lắng
truyền thống. Đây là một phát hiện mới đóng góp đáng kể vào việc phát triển loại chất trợ
lắng hữu cơ tự nhiên. Còn với hai chất trợ lắng hữu cơ tổng hợp biến tính HX400 và
HX600 thì HX600 cho kết quả lắng cao hơn.
 Phương án kết hợp giữa chất hữu cơ tổng hợp biến tính (HX600) và hữu cơ tự
nhiên (tinh bột DR) với hàm lượng được chọn đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tốt. Sự kết
hợp này cũng là một đóng góp mới trong việc đa dạng hóa phương án sử dụng chất trợ lắng
hữu cơ tự nhiên và tổng hợp biến tính.
Kết quả lựa chọn phương án sử dụng độc lập chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên (tinh bột
DR) hay hữu cơ tổng hợp biến tính (HX600) hoặc phương án kết hợp cả hai loại trên không
chỉ có ý nghĩa lớn đối với thực tiễn lắng trong công nghệ sản xuất alumin mà còn giảm được
mức độ gây ô nhiễm môi trường.

Nội dung và bố cục của luận án:
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận chung, nội dung của luận án được trình bày
trong 4 chương.
Chương 1. Tổng quan về bùn đỏ và quá trình lắng bùn đỏ
Chương 2. Cơ sở lý thuyết quá trình lắng tách bùn đỏ
Chương 3. Chuẩn bị mẫu và các phương pháp nghiên cứu
Chương 4. Kết quả và thảo luận


3

Chương 1
TỔNG QUAN

1.1. Sự hình thành và những tính chất đặc trưng của bùn đỏ
Kể từ khi được phát minh vào năm 1888 và năm 1894 cho đến nay, công nghệ
Bayer (mang tên nhà phát minh Dr.Karl Josep Bayer) vẫn chiếm vị trí chủ đạo trong công
nghiệp sản xuất alumin - Al2O3 của thế giới. Hiện nay và dự báo trong tương lai, khoảng
90% sản lượng alumin của thế giới vẫn được sản xuất bằng công nghệ này.
Nguồn nguyên liệu chính cho sản xuất alumin là bauxit. Thành phần của bauxit
thay đổi trong phạm vi rất rộng không chỉ giữa các mỏ mà ngay chính trong một địa điểm
khai thác. Theo độ sâu khác nhau, thành phần vật chất của bauxit đã có sự khác biệt rõ rệt.
Thành phần hoá học và khoáng vật cơ bản của bauxit ở một số nước được xử lý
bằng công nghệ Bayer nêu trong bảng 1.1 và bảng 1.2.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học và khoáng vật cơ bản của bauxit [76]

Thành phần hoá học, %
Al2O3: 4065

Thành phần khoáng vật
diaspo
- Al2O3.H2O
bơmit
- Al2O3.H2O
gipxit
-Al2O3.3H2O
kaolinit
Al4(OH)8.SiO2.O10
thạch anh SiO2
hematit - Fe2O3
gơtit
- Fe2O3.H2O
anatat
TiO2
rutin
TiO2
hydrat trong diaspo, bơmit, gipxit, gơtit...

SiO2: 0,510
Fe2O3: 330
TiO2: 0,58
H2O: 1034

Bảng 1.2. Thành phần hóa học cơ bản của bauxit ở một số nước [49]

Tên nước

Thành phần hóa học, %
Al2O3

Fe2O3

SiO2

TiO2

MKN

Liên Xô (cũ)

52

25

4,0

2,2

11

Guinea

41-43

23-28

1,9-2,3

1,5-3,0

23-25

Jamaica

49-50

20-24

1-3

2,3

24-28


4
Như vậy, Al2O3 là hợp chất chính tồn tại trong bauxit. Quá trình sản xuất alumin
bằng công nghệ Bayer từ quặng bauxit thực chất là quá trình hòa tan Al2O3 trong dung môi
kiềm - NaOH, nhằm tách thành phần Al2O3 có trong bauxit ra khỏi các tạp chất khác không
bị hòa tan, tạp chất này chủ yếu là các ôxit.
Chất lượng của bauxit không chỉ được đánh giá qua hàm lượng thành phần có ích
Al2O3 mà còn phải căn cứ vào cả tạp chất rất có hại là SiO2. Bauxit được coi là tốt nhất nếu
chúng có hàm lượng nhôm ôxit cao và silic ôxit thấp. Trong thực tế, chất lượng bauxit
được đánh giá bằng môđun silic – MSi.
MSi > 7: bauxit có chất lượng tốt, thích hợp với công nghệ Bayer.
3 < MSi < 7: bauxit có chất lượng trung bình, thích hợp với công nghệ thiêu kết
hoặc kết hợp hai công nghệ: Bayer và thiêu kết.
MSi < 3: bauxit có chất lượng kém, không phù hợp cho sản xuất alumin.
Hàm lượng hydrat - nước kết tinh quyết định cấu trúc tinh thể của nhôm ôxit. Về

phương diện này, có các khoáng vật chứa Al2O3 tương ứng: gipxit - Al2O3.3H2O hay còn
gọi là hydragilit, bơmit và diaspo (Al2O3.H2O). Độ hòa tan của các khoáng vật này trong
dung dịch kiềm xếp theo thứ tự từ cao đến thấp. Mặt khác, các tính chất vật lý, hoá học
cũng khác nhau.
Al2O3.3H2O
Gipxit

 - Al2O3.H2O

α - Al2O3.H2O

Bơmit

Diaspo

-Al2O3

-Al2O3
Corindon

Tùy thuộc vào dạng tồn tại của khoáng vật chứa nhôm trong bauxit, người ta chia
công nghệ Bayer thành hai loại: công nghệ Bayer châu Âu và công nghệ Bayer châu Mỹ.
Công nghệ Bayer châu Mỹ: áp dụng cho loại bauxit chứa chủ yếu khoáng vật dạng
gipxit dễ hòa tách, nhiệt độ hòa tách cao nhất đạt 140145 oC.
Công nghệ Bayer châu Âu: áp dụng cho loại bauxit chứa chủ yếu khoáng vật dạng
bơmit hoặc diaspor, nhiệt độ hòa tách >200oC có khi đạt tới ~300oC [85].
Tuy không ngừng được hoàn thiện về công nghệ, kỹ thuật và đã có nhiều bổ sung,
cải tiến, song về nguyên lý cơ bản của công nghệ này thì không thay đổi. Hình 1.1 giới
thiệu sơ đồ công nghệ Bayer sản xuất alumin tổng quát đã được rút gọn.

5

Bauxit
NaOH
Đập
Dung dịch luân lưu

Nghiền/ (Tiền khử silic)

CaO

Hoà tách

Nước rửa

Dung dịch cái

Pha loãng/ (Hậu khử silic)

Lắng bùn đỏ
Dung dịch aluminat
Bùn đỏ
Lọc kiểm tra
Trao đổi nhiệt

Rửa/Lọc
Phân huỷ

Tâm mầm

Thải

Nước
Lọc, Rửa
Al(OH)3
Nung

Sản phẩm Alumin

Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất alumin từ bauxit bằng phương pháp Bayer tổng quát đã được
rút gọn [4]


6
Công nghệ Bayer gồm các công đoạn chủ yếu sau:
Gia công quặng tinh bauxit: quặng tinh bauxit được đập, nghiền đến cỡ hạt thỏa
mãn các công đoạn tiếp theo. Tùy thuộc vào hàm lượng silic có trong quặng mà công đoạn
khử silic được thực hiện trước công đoạn hòa tách - tiền khử silic. Thông thường, công
đoạn tiền khử silic được thực hiện cùng công đoạn nghiền ướt quặng trên một thiết bị
nghiền.
Hòa tách: quặng tinh bauxit sau khi nghiền và khử silic được hòa tách trong dung
dịch kiềm tạo thành hệ huyền phù gồm: pha lỏng là dung dịch natri aluminat – NaAlO2 và
pha rắn – bùn đỏ.
Huyền phù được pha loãng nhằm tăng tỷ lệ lỏng/rắn, một mặt giúp cho xử lý những
công đoạn sau được dễ dàng hơn, mặt khác tránh hiện tượng nhôm hydroxit phân hủy sớm.
Tuy nhiên, nếu trong dung dịch natri aluminat vẫn chứa hàm lượng silic ôxit cao thì cần
phải thêm công đoạn khử silic sau hòa tách - hậu khử silic.
Phân chia pha rắn và lỏng hay còn gọi là lắng bùn đỏ nhằm tách bùn đỏ ra khỏi
dung dịch natri aluminat.

Phân hủy dung dịch: Dung dịch natri aluminat sạch được phân hủy ở nhiệt độ thích
hợp với việc cho thêm mầm nhôm hydroxit để kết tủa Al(OH)3.
Nung Al(OH)3: Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành
alumin.

Quá trình khử silic của bauxit
Trong công nghệ Bayer, khi hoà tan bauxit với dung dịch kiềm, các khoáng vật
chứa SiO2 có trong bauxit như caolinit, haloysit, illit…sẽ tham gia phản ứng với kiềm và
tạo ra hợp chất mới 3(Na2O.Al2O3.2SiO2)Na2X.aH2O với X có thể là CO32-, SO42, 2OH-,
2AlO2 -….hợp chất này không tan, tích tụ thành bùn bám vào các đường ống, thiết bị trao
đổi nhiệt, các ôtôcla, thiết bị cô đặc và ở nhiều vị trí khác nhau trên dây chuyền dẫn đến
nhiều sự cố ách tắc hoạt động nhà máy sản xuất alumin. Để giảm bớt những sự cố này,
công đoạn tiền khử silic và hậu khử silic được đưa vào dây chuyền công nghệ Bayer.
Những phương pháp công nghiệp dùng để khử SiO2 của dung dịch natri aluminat bao
gồm [3]:
Khử trong ôtôcla ở 150170 0C
Khử trong ôtôcla có thêm vôi
Khử ở áp suất thường không có chất cho thêm
Khử ở áp suất thường có cho thêm vôi hoặc chất phụ gia khác


7
Trong quá trình khuấy trộn dung dịch, không phải toàn bộ SiO2 đều tạo thành
alumosilicat không tan và không phải lắng ra ngay lập tức. Dung dịch càng đậm đặc thì SiO2
còn lại trong dung dịch càng nhiều, còn khi dung dịch ở nhiệt độ càng cao và lắng càng lâu thì
SiO2 trong dung dịch càng ít.

Quá trình hòa tách bauxit bằng phương pháp Bayer
Công nghệ Bayer được dựa trên cơ sở của phản ứng thuận nghịch sau [3]:
Hoà tách > 100 0C

Al(OH)3 + NaOH

NaAl(OH)4

(1)

0

Phân hóa < 100 C
Lúc đầu phản ứng xảy ra nhanh, sau đó chậm dần và không thể hòa tách triệt để Al2O3
từ bauxit kể cả khi kéo dài thời gian mà vẫn giữ nguyên nhiệt độ hòa tách.
Hiệu suất của quá trình hòa tách phụ thuộc nhiều vào yếu tố như: nhiệt độ, thời gian
hòa tách, nồng độ dung dịch, tỷ lệ rắn/lỏng, bản chất của bauxit….
Để tính hiệu suất hoà tách lý thuyết cần dựa trên cơ sở phân tích hoá và phân tích pha
(dạng tồn tại của khoáng vật chứa nhôm). Tuy nhiên, để đơn giản hóa, hiệu suất hoà tách lý
thuyết (lt) thường được tính theo công thức sau [3]:

lt 

Al2O3  SiO2
.100,%
Al2O3

(1.1)

Trong đó:
Al2O3 - hàm lượng nhôm ôxit trong tinh quặng bauxit
SiO2 - hàm lượng silic ôxit trong tinh quặng bauxit
Còn hiệu suất hoà tách thực tế (tt) được tính theo công thức [3]:

bx

bx

bd

Al2O3  Al2O3 .
ntt 

Al2O3

bx

Fe2O3
bd
Fe2O3

bd
bx

Al O
Fe O
100%  1  2 3 bx . 2 3bd
Al2O3 Fe2O3



100%



(1.2)

Trong đó:
Al2O3bx, Al2O3bd là hàm lượng Al2O3 trong bauxit và trong bùn đỏ
Fe2O3bx, Fe2O3bd là hàm lượng Fe2O3 trong bauxit và trong bùn đỏ

Quá trình lắng tách bùn đỏ ra khỏi dung dịch natri aluminat
Sau khi hòa tách bauxit, việc tách dung dịch natri aluminat ra khỏi bùn đỏ là một trong
các khâu rất quan trọng trong dây chuyền công nghệ Bayer, nó phụ thuộc chủ yếu vào thành


8
phần vật chất của bauxit và điều kiện hòa tách. Đối với những loại quặng chứa nhiều sắt ở
dạng gơtit thì việc lắng, lọc là rất khó khăn. Thông thường khi tiến hành quá trình này phải cho
thêm chất trợ lắng.

Phân hủy dung dịch natri aluminat
Sau khi lắng, lọc, dung dịch natri aluminat được phân hủy để kết tủa ra nhôm hydroxit
theo phản ứng sau:
NaAl(OH)4  Al(OH)3 + NaOH

(2)

Phân hủy là một trong những quá trình hóa học phức tạp. Hiện nay, tồn tại nhiều lý
thuyết với những cách giải thích khác nhau về cơ chế của quá trình này. Nói chung, quá trình
phân hủy gồm hai giai đoạn: Tạo mầm kết tinh và phát triển mầm.
Hiệu suất của quá trình phân hủy được tính bằng công thức [3]:



  
c  a
.100  1  a .100,%
c
 c 

(1.3)

Trong đó:
c: tỷ số costic của dung dịch cái
a: tỷ số costic của dung dịch aluminat trước khi phân hủy

Nung nhôm hydroxit
Nung là công đoạn cuối cùng trong sản xuất alumin. Mục tiêu của quá trình nung là
làm mất nước của nhôm hydroxit - Al(OH)3 để nhận được alumin - Al2O3.
Quá trình nung có sự biến đổi trải qua từng giai đoạn nhiệt độ khác nhau [3]:


Ở nhiệt độ 110120 0C: nhôm hydroxit mất hết nước ẩm.



Ở nhiệt độ 500550 0C diaspor mất phân tử nước kết tinh và biến thành alumin
không ngậm nước dạng γ-Al2O3 dễ hút ẩm.



Ở nhiệt độ 850 0C, γ-Al2O3 bắt đầu chuyển pha thành α-Al2O3. Quá trình này
kết thúc ở nhiệt độ 11501200 0C.

Như vậy, bùn đỏ được hình thành trong quá trình sản xuất alumin trực tiếp từ quặng
tinh bauxit. Bùn đỏ là hỗn hợp các oxit không hòa tan trong môi trường kiềm, bao gồm: sắt
oxit, silic oxit, titan oxit, nhôm oxit...
Do thành phần vật chất của bauxit khác nhau và công nghệ sản xuất từ chúng cũng
có sự thay đổi nên thành phần hóa học của bùn đỏ thường có sự khác biệt (bảng 1.3).


9
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của một số loại bùn đỏ [49]

Trombetas (Brasil)

Darling Range (Australia)

Thành

South Manch (Jamaica)

Nhiệt độ hòa tách, oC

phần, %
143

143

245

Al2O3

13,0

14,9

10,7

SiO2

12,9

42,6

3,0

Fe2O3

52,1

28,0

61,9

TiO2

4,2

2,0

8,1

MKN

6,4

6,5

8,4

Na2O

9,0

1,2

2,3

CaO

1,4

2,4

2,8

Khác

1,0

2,4

2,8

Về định tính, bùn đỏ có thành phần khoáng vật (bảng 1.4) tương tự như thành phần
khoáng vật của bauxit, nhưng có sự thay đổi về định lượng và có thêm hai pha mới:


Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O tạo thành trong quá trình khử silic



Hợp chất có thành phần dao động của CaO với các cấu tử Al2O3, Na2O và SiO2,
tạo thành khi trong công nghệ sản xuất alumin có bổ sung thêm vôi.
Bảng 1.4. Thành phần khoáng vật của các loại bùn đỏ khác nhau [49]

Hợp chất

Trombetas

Darling Range

South Manch

Gipxit

-

5,6

33

Bơmit

0,6

3,5

2

Diaspor

1,2

2,5

2

Hematit

38

14,5

3,5

Gơtit

19

14,5

10

Illit

-

4,7

2

Natrititanat

-

0,6

-

Quartz

2,2

37,1

6

Rutin

0,8

-

6

CaTiO2

1,5

-

-

Canxit

1,4

2,3

0,5

Sodalit

-

-

-


10

Bùn đỏ có khối lượng riêng 3,3 (từ bauxit Kirkvine, Jamaica), 2,8 (từ bauxit
Arvida, Quebec) và 3,02 g/cm3 (Kwinana). Li và Rutherford [43] nhận thấy, khối lượng
riêng của bùn đỏ dao động từ 3,6÷4,0 g/cm3 và diện tích bề mặt riêng 30÷50 m2/g với các
loại bauxit khác nhau. Bùn đỏ có tính chất kiềm, pH từ 12÷13,5 (có khi tới 14).
Bauxit trước khi đưa vào hòa tách phải nghiền đến cỡ hạt nhỏ và do quá trình tự vỡ
vụn trong quá trình hòa tách nên bùn đỏ thường có cỡ hạt từ mịn đến rất mịn. Các hạt bùn
đỏ có kích thước lớn hơn 150 µm chiếm 0,1÷50%, phổ biến nhất là 5%. Đa phần bùn đỏ có
cấp hạt dưới sàng 100 µm, trong đó kích thước hạt nhỏ hơn 10 µm chiếm 80%. Bùn đỏ từ
bauxit Jamaica có cấp hạt dưới sàng 44 µm chiếm tới 90% [6, 10]. Bùn đỏ của nhà máy
chế biến bauxit thuộc NALCO có cấp hạt < 8 µm chiếm 80% trong đó cấp hạt < 5 µm chiếm
35% [47]. Theo Parekh và Goldberger [54], 50% bùn đỏ sau khi lắng có cỡ hạt nhỏ hơn 10 µm.
Còn Yong và Ludwig [90] nhận thấy, bùn đỏ Kirkvine chiếm 75% cỡ hạt 1 µm nhưng bùn đỏ từ
bauxit Arvida có cỡ hạt dưới 1 µm chiếm 25%. Glenister và Thornber [31] cho rằng, bùn đỏ
Kwinana có cỡ hạt dưới 2 µm chiếm 40%. Cấp hạt mịn và diện tích bề mặt riêng lớn là nguyên
nhân làm cho tốc độ lắng tự nhiên (lắng dưới tác động của trọng lực) của bùn đỏ diễn ra chậm.
Phân bố cỡ hạt đặc trưng của bùn đỏ được trình bày trên hình 1.2.

Hình 1.2. Phân bố kích thước hạt mịn và hạt thô đặc trưng của bùn đỏ [49]


11

1.2. Sự phân tách các pha rắn, lỏng của bùn đỏ
Để tách hai pha không phân tán vào nhau như: khí – lỏng, lỏng – lỏng, rắn – khí và
rắn – lỏng, người ta sử dụng phương pháp phân chia. Về cơ chế chung, từng hệ nêu trên
đều có thể phân tách bằng 1 trong 4 cách sau [67]:


Lắng trọng lực



Lắng ly tâm



Lọc



Lọc bụi tĩnh điện

Lắng là quá trình phân chia pha rắn ra khỏi pha lỏng. Quá trình này không kèm
theo phản ứng hóa học và chúng tuân theo các quy luật thủy động học tùy thuộc vào cấu
tạo và chế độ làm việc của thiết bị sử dụng. Thông thường, lắng dùng để phân tách hệ
huyền phù.
Huyền phù là một hệ gồm: pha rắn không hòa tan và pha lỏng. Tùy thuộc vào kích
thước của các hạt rắn, huyền phù được chia làm 3 loại:
Huyền phù thô chứa các hạt rắn có kích thước > 100 μm;
Huyền phù mịn chứa các hạt có kích thước từ 0,5÷100 μm;
Huyền phù vẩn đục chứa các hạt có kích thước 0,1÷0,5 μm.
Huyền phù của nhiều quá trình sản xuất thường chứa vật chất ở trạng thái keo (ví
dụ: các keo axit sillic, hydroxit sắt và hydroxit nhôm...). Kích thước các hạt keo thường <
0,1 μm, nhưng đối với các hạt keo có hình dạng khác thường thì kích thước lớn nhất có thể
đạt 1 μm.
Bùn đỏ là một dạng đặc trưng của hệ huyền phù vì chúng chứa nhiều hạt rắn. Dựa
vào đặc điểm kích thước hạt rắn nêu ở trên, bùn đỏ thuộc loại huyền phù mịn và vẩn đục.
Khi thực hiện quá trình lắng, điều kiện cần thiết để lắng các hạt trong chất lỏng là
trọng lượng của chúng phải lớn hơn lực đẩy Arsimet. Khi đó, tốc độ lắng phụ thuộc vào trở
lực của môi trường.

1.3. Tình hình nghiên cứu quá trình lắng bùn đỏ
1.3.1. Trên thế giới
Như trên đã trình bày, lắng tách bùn đỏ ra khỏi dung dịch natri aluminat là một
trong những bước quan trọng trong quy trình công nghệ Bayer sản xuất alumin từ bauxit.
Bùn đỏ lắng nhanh không những nhận được dung dịch natri aluminat có độ sạch cao mà
chu trình sản xuất alumin còn được rút ngắn.


12
Đối với một số nhà máy xử lý bauxit bằng công nghệ Bayer thì khâu cần quan tâm
nhất là khâu lắng tách bùn đỏ [93]. Tốc độ lắng bùn đỏ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố [96]:
Thành phần quặng, điều kiện hòa tách bauxit, kích thước hạt quặng và điều kiện lắng bùn,
hoặc theo Cytec [28], các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng bùn đỏ bao gồm: kích thước
hạt bauxit, SiO2 hòa tan, gơtit, tỷ lệ hematit/gơtit, mật độ chất rắn trong huyền phù, độ nhớt
dung dịch aluminat, chất kết bông...
Tốc độ lắng bùn đỏ và độ nén bùn đã được nghiên cứu với đối tượng là bauxit
Hungary. Trong suốt thời gian quá trình lắng bùn đỏ diễn ra, người ta đã xác định được tốc

Thêi gian l¾ng

Thêi gian l¾ng

ChiÒu cao cét bïn, H

ChiÒu cao cét bïn, H

ChiÒu cao cét bïn, H

ChiÒu cao cét bïn, H

độ lắng bùn đỏ ban đầu chính là điểm gấp khúc P của đường cong lắng (hình 1.3).

Thêi gian l¾ng

Thêi gian l¾ng

Hình 1.3. Đường cong lắng đặc trưng của các loại bùn đỏ [75]

Quá trình nghiên cứu lắng bùn đỏ với nồng độ chất rắn khác nhau, nồng độ chất rắn
lại phụ thuộc vào loại bauxit, chế độ hòa tách cũng như hàm lượng chất trợ lắng sử dụng.
Khả năng lắng phụ thuộc vào diện tích bề mặt riêng của pha rắn trong bùn đỏ [75].
Thông thường người ta cho rằng, độ nghiền mịn của bauxit ảnh hưởng đến tốc độ
lắng bùn đỏ. Nhưng khi khảo sát quá trình hòa tách quặng bauxit Hungary thấy rằng, độ
lớn của hạt bùn hầu như không phụ thuộc vào độ nghiền mịn của bauxit [93, 96]. Điều này
có thể giải thích là do các hạt bauxit sẽ bị phân hủy trong quá trình hòa tách. Sự hòa tan
của các hạt bauxit liên tục diễn ra trong quá trình hòa tách nhưng rõ ràng nhất là loại quặng
bauxit gipxit và bơmit. Cho nên, rất khó xác định quy luật phụ thuộc tốc độ lắng bùn đỏ
vào độ nghiền mịn bauxit.


13
Buravlev và cộng sự [20] nghiên cứu quá trình lắng bùn đỏ từ hai loại quặng tinh
bauxit khác nhau là Yugoslav và Greek thấy rằng, so với bùn đỏ Greek, bùn đỏ Yugoslav
chứa nhiều cỡ hạt mịn hơn và tốc độ lắng chậm hơn. Parekh và Goldberger [54] chỉ ra
rằng, hầu hết bùn đỏ chứa khoảng 50% cỡ hạt dưới 10 m và tốc độ lắng của chúng chậm.
Nghiên cứu thành phần độ hạt của bùn đỏ từ quá trình hòa tách các bauxit khác
nhau ở Bắc Uran cho thấy, phần lớn các hạt bùn nhỏ được tạo thành có kích thước 53 m,
bauxit có độ cứng cao hơn sẽ cho kích thước hạt bùn thô hơn làm cho quá trình lắng sẽ tốt
hơn [96]. Khi khối lượng riêng và kích thước hạt bùn tương đương với hạt keo thì các hạt

bùn sẽ lắng rất chậm dưới tác dụng của trọng lực nhưng chúng lại có khả năng kết bông
(khi có mặt chất trợ lắng) và nhanh chóng lắng xuống. Kích thước hạt càng nhỏ thì bề mặt
riêng và năng lượng bề mặt càng lớn do đó khả năng kết bông càng cao. Nguyên nhân này
làm cho một số trường hợp, các hạt nhỏ lại lắng nhanh hơn các hạt lớn.
Trong quá trình lắng, các hạt có kích thước lớn sẽ lắng nhanh hơn và sẽ va chạm
vào các hạt nhỏ. Khi tỷ lệ rắn/lỏng cao thì các hạt va vào nhau nhiều hơn và dễ kết bông,
có nghĩa là các hạt bùn đỏ có kích thước nhỏ thường có độ nén tốt hơn [93, 96].
Một nghiên cứu về ảnh hưởng của các hạt bùn có tính ưa nước và kỵ nước đến quá
trình lắng bùn đỏ thấy rằng, các hạt bùn ưa nước có kích thước lớn sẽ dễ kết bông hơn vì
khi đó khối lượng phân tử nước kết tinh trên một đơn vị khối lượng hạt bùn giảm đi.
Ngược lại, những hạt bùn kỵ nước có kích thước nhỏ sẽ lắng nhanh hơn vì chúng có năng
lượng bề mặt lớn [93].
Cùng với sự giảm kích thước hạt bauxit thì tốc độ lắng bùn đỏ sẽ giảm nhưng diện
tích bề mặt và năng lượng bề mặt hạt bùn tăng lên lại làm tăng khả năng kết bông giữa các
hạt bùn đỏ. Điều này giải thích cho các hạt bùn đỏ kích thước nhỏ mịn khi hòa tách ở nhiệt
độ cao vẫn lắng tốt khi hạt bùn đỏ thuộc dạng ưa nước.
Kompanhiet [93] đã xác định, ảnh hưởng lớn nhất đến tốc độ lắng và mức độ nén
của bùn là đặc tính ưa nước của các hạt bùn. Những bùn ưa nước sẽ giữ một lượng lớn pha
lỏng hay còn gọi là hiện tượng no nước. Điều này dẫn đến khả năng nén kém của bùn.
Những hạt bùn đỏ có kích thước nhỏ có ý nghĩa lớn đến quá trình lắng bùn đỏ kể cả
khi chúng chiếm một phần nhỏ phần trăm về trọng lượng trong bùn đỏ. Vì thông thường,
quá trình lắng bùn đỏ hoàn thành khi trong dung dịch aluminat còn lẫn một lượng chất rắn
lơ lửng xác định mà không thể tách được chứ không phải tổng khối lượng bùn đã bị lắng
xuống [43].
Nồng độ chất rắn cũng ảnh hưởng đến tốc độ lắng. Khi nồng độ chất rắn tăng, tốc
độ lắng giảm [16, 19, 29, 40, 54]. Hiện tượng này được giải thích là do tăng sự cản trở


14
trong quá trình lắng. Orban và cộng sự [51] cũng thấy rằng, quá trình lắng bùn đỏ liên quan

đến tổng diện tích bề mặt hạt, được xác định bởi kích thước hạt và nồng độ chất rắn.
Ảnh hưởng lớn đến quá trình lắng bùn đỏ phải kể tới sự tồn tại của một số khoáng
vật có trong thành phần bauxit. Đã xác định được rằng, khi hòa tách bauxit không triệt để,
bùn đỏ tạo thành rất khó lắng [96]. Nguyên nhân của nó một phần là do khối lượng riêng
của bùn đỏ chứa Al(OH)3 chưa được hòa tách nhỏ hơn khối lượng riêng của bùn được hòa
tách hoàn toàn. Nhôm hydroxit chưa được hòa tách dạng hydragilit và bơmit trong dung
dịch có tính không bền nên đóng vai trò như một chất mồi làm cho dung dịch aluminat bị
phân hủy trong quá trình lắng bùn. Nhôm hydroxit kết tủa xuống làm cho khối lượng riêng
của bùn đỏ giảm do đó giảm khả năng lắng bùn.
Theo Kompanhiet [93], những bauxit chứa nhiều khoáng silic hòa tan sẽ làm giảm
khả năng lắng bùn vì nó sẽ tạo ra các kết tủa mịn trong quá trình hòa tách. Nghiên cứu đã
chỉ ra rằng, với những bauxit chứa lớn hơn 10% SiO2 hòa tan thì độ nén bùn đỏ rất kém.
Kompanhiet cũng nghiên cứu hành vi của SiO2 tồn tại ở các dạng khoáng khác
nhau đến quá trình lắng bùn đỏ. Cụ thể, nghiên cứu lắng bùn đỏ của một số loại bauxit
được hòa tách ở 275 oC. Khi hòa tách bauxit chứa ít SiO2 có cho thêm 12% SiO2 dạng
kaolinit thì khả năng lắng bùn đỏ của bauxit này tương đương với bauxit chứa 12% SiO2
hòa tan.
Trong một thí nghiệm khác, ông cho thêm vào quá trình hòa tách SiO2 dạng thạch
anh thì bùn đỏ lắng tương đương với bùn đỏ khi không cho thêm gì vào mặc dù ở nhiệt độ
xử lý, phản ứng giữa SiO2 với kiềm tạo ra kết tủa như nhau.
Điều này được giải thích như sau: Kaolinit phản ứng với dung dịch kiềm ngay khi
nhiệt độ thấp và kết tủa tạo thành siêu mịn. Thạch anh tác dụng với kiềm chậm hơn và chỉ
ở nhiệt độ cao nên tinh thể sẽ được lớn lên, điều này giúp quá trình lắng nhanh hơn so với
kết tủa dạng siêu mịn.
Khi thay đổi thời gian hòa tách một loại bauxit ở nhiệt độ 180÷230 oC thì thấy rằng,
thời gian hòa tách không ảnh hưởng đến quá trình lắng và nén bùn đỏ. Tuy nhiên, khi nâng
nhiệt độ hòa tách lên 260 oC thì quá trình lắng tốt hơn rất nhiều cho dù hàm lượng SiO2
trong bauxit cao. Tăng nhiệt độ hòa tách đến 290 oC bùn đỏ trở nên lắng tốt kể cả SiO2
trong bauxit rất lớn [93].
Ảnh hưởng lớn đến quá trình lắng phải kể đến khoáng ôxit sắt dạng gơtit, limonit

[42, 43, 93, 96]. Khi hòa tách chúng mất nước và tạo thành ôxit sắt siêu mịn. Khi pha
loãng huyền phù và rửa bùn đỏ, chúng hút lại nước và trương phình lên làm cho quá trình


15
lắng kém [93, 96]. Bùn đỏ chứa sắt chủ yếu dạng hematit sẽ lắng nhanh hơn bùn đỏ chứa
sắt dạng gơtit [43].
Hematit - Fe2O3, gơtit - α-FeOOH, alumogơtit - α-(Al,Fe)OOH và alumohematit –
(Al,Fe)2O3 là những khoáng vật của sắt thường thấy trong bauxit laterit. Cornell và
Schwertmann [25] đã tổng hợp các kết qủa nghiên cứu về đặc tính hóa lý của alumogơtit
và alumohematit nhân tạo cho thấy, thay thế đồng hình của Al có thể tới 33% mol Al trong
mạng alumogơtit và 16% mol Al trong mạng alumohematit. Trong điều kiện hòa tách ở
nhiệt độ thấp từ 100÷150 oC, tất cả khoáng chất của sắt đều không hòa tan trong môi
trường kiềm. Tuy nhiên, khi hòa tách ở nhiệt độ cao từ 250 oC trở lên thì khả năng sắt bị
hòa tan tăng lên và gơtit chuyển thành hematit theo phản ứng:
2α-FeOOH = Fe2O3 + H2O
(3)
Quá trình hòa tan và kết tủa của hợp chất sắt bị ảnh hưởng bởi hình dạng, cỡ hạt và
hàm lượng của nó trong dung dịch aluminat [15]. Trong khi động học quá trình biến đổi từ
gơtit sang hematit lại phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt riêng của hematit, nồng độ
kiềm costic và đặc biệt là sự có mặt của TiO2 ở dạng anatas. Anatas có ảnh hưởng đến cân
bằng giữa gơtit và hematit, làm giảm khả năng chuyển đổi từ gơtit sang hematit [48].
L.Y.Li [42] cho rằng, ở nhiệt độ cao (220÷250 oC) các khoáng chứa sắt có thể bị
hòa tan 50 mg Fe2O3/lít Na2Oc. Gơtit và alumogơtit có cấu trúc hạt mảnh hơn hematit nên
trong thời gian ngắn chúng cũng có thể hòa tan và kết tủa nhanh hơn hematit. Bauxit có
hàm lượng TiO2 cao sẽ làm chậm thậm chí ngăn cản quá trình chuyển biến của alumogơtit
sang hematit. Trường hợp này, nếu trong quá trình hòa tách bauxit bổ sung một lượng CaO
hợp lý để nó có thể phản ứng với TiO2 (dạng peroskit CaTiO3) nhằm nâng cao khả năng
thu hồi Al trong mạng alumogơtit.
Thành phần của sắt sẽ có sự biến đổi lớn khi hòa tách bauxit ở nhiệt độ 140250 oC

[39, 73]. Alumogơtit bị biến đổi thành hematit theo phản ứng:
(Fex,Al1-x)2O3.H2O + (2 - 2x)NaOH  xFe2O3 + (2 – 2x)NaAlO2 + (2 – x)H2O

(4)

Vì thế, trong thành phần bùn đỏ chỉ thấy xuất hiện hematit.
Một nghiên cứu cho thấy, quá trình lắng bùn đỏ khi hòa tách bauxit ở nhiệt độ
180÷230 oC cho tốc độ lắng chậm nhưng cũng bauxit này được hòa tách ở nhiệt độ 260 oC
thì tốc độ lắng lại nhanh hơn đáng kể. Giải thích nguyên nhân bùn đỏ lắng nhanh khi hòa
tách ở nhiệt độ cao là do chuyển biến của sắt dạng gơtit sang hematit chỉ xảy ra một chiều,
có nghĩa là sẽ không xảy ra hiện tượng hút lại nước trong quá trình pha loãng và rửa bùn
đỏ sau này [93, 96].


16
Khi nghiên cứu một vài mẫu bùn đỏ của bauxit thuộc Jamaica, Strahn [83] nhận
thấy, tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa tỷ lệ hematit/gơtit với tốc độ lắng bùn đỏ. Tốc độ
lắng bùn đỏ của bauxit Jamaica chậm có liên quan trực tiếp đến cỡ hạt mịn, hạt coloid của
khoáng vật sắt sau quá trình hòa tách.
Các nghiên cứu về lắng bùn đỏ của Orban và cộng sự [52], Davis [26] đã chỉ ra
rằng, tốc độ lắng bùn đỏ liên quan đến diện tích bề mặt riêng của các hạt bùn đỏ. Bề mặt
riêng của khoáng chứa sắt lớn hơn sẽ cho tốc độ lắng chậm hơn. Theo thứ tự, khoáng chứa
sắt dạng alumogơtit, gơtit và hematit có diện tích bề mặt riêng giảm dần. Theo quan sát,
tốc độ lắng bùn đỏ chứa nhiều hematit sẽ nhanh hơn bùn đỏ chứa nhiều gơtit hoặc
alumogơtit.
Parekh và Goldberger [54] lại thấy rằng, tốc độ lắng bùn đỏ khác nhau liên quan
đến hàm lượng khoáng chất của sắt trong quặng bauxit. Họ cũng nhận thấy, một số yếu tố
như: độ pH môi trường lắng, các muối kim loại và kết tủa của Al 3+, Fe 3+ và Mg 2+ có tác
động ít đến tốc độ lắng bùn đỏ.
Một số công trình nghiên cứu [29] thấy rằng, bùn đỏ chứa nhiều gơtit lắng kém hơn

bùn đỏ chứa nhiều hematit. Giải thích hiện tượng này dựa trên cơ sở so sánh giữa hematit
và gơtit về phương diện: đặc tính bề mặt, khối lượng riêng và hình dạng cấu trúc tinh thể.
Tùy thuộc vào hàm lượng tạp chất, hematit có khối lượng riêng dao động từ 4,2÷5,3 g/cm3,
trong khi đó khối lượng riêng của gơtit (3,1÷4,4 g/cm3) do đó hematit lắng nhanh hơn gơtit.
Cấu trúc tinh thể của gơtit có dạng hình kim trong khi hematit có dạng hình thoi. Hình
dạng tinh thể cũng được cho là nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình lắng. Xét về phương
diện thủy động học, dạng hình kim lắng kém hơn dạng hình thoi [13]. Ngoài ra, trong quá
trình lắng có sử dụng chất trợ lắng (tinh bột) thì khả năng hấp phụ chất trợ lắng lên bề mặt
hematit tốt hơn gơtit [87].
Solymar và cộng sự [74, 77] cho rằng, hòa tách bauxit chứa gơtit ở nhiệt độ cao
hơn nhiệt độ xử lý bauxit gipxit sẽ cho tốc độ lắng bùn đỏ nhanh hơn. Nếu điều chỉnh nhiệt
độ hòa tách để gơtit biến đổi thành hematit thì tốc độ lắng cải thiện một cách đáng kể, bởi
vì diện tích bề mặt riêng của hematit nhỏ hơn diện tích bề mặt riêng của gơtit.
Grubbs và cộng sự [32] thấy rằng, tốc độ lắng bùn đỏ từ bauxit có màu vàng nói
chung là chậm vì trong đó chứa khoáng vật sắt chủ yếu ở dạng alumogơtit, ít khoáng
hematit. Các tác giả cũng đề cập đến mối tương quan giữa tốc độ lắng và thành phần
photpho trong bauxit, mặc dù hàm lượng của nó chỉ trong khoảng 0,2% hoặc ít hơn.
Ostap [53] kết luận rằng, tốc độ lắng bùn đỏ liên quan đến kích thước hạt tinh thể
alumogơtit. Khối lượng riêng của alumogơtit (khoảng 3,2 g/cm3) nhỏ hơn khối lượng riêng


17
của gơtit (khoảng 3,1÷4,4 g/cm3) và hematit (khoảng 4,2÷5,3 g/cm3) nên alumogơtit khó
lắng hơn khoáng sắt còn lại.
Vôi được biết đến như một chất xúc tác nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi alumin
trong quá trình hòa tách bauxit diaspo ở nhiệt độ cao [88, 93, 96]. Tuy nhiên, khi nghiên
cứu hòa tách bauxit Jamaica ở nhiệt độ 140 oC ở một số điều kiện khác nhau thì cho kết
quả như trong bảng 1.5.
Bảng 1.5. Sự chuyển biến từ gơtit thành hematit khi hòa tách bauxit [88]

Bauxit
Weipa/Boke
Jamaica

CaO, %

Nhiệt độ hòa tách, oC

0
2
2
0
2

250
250
140
240
240

Gơtit chuyển biến thành
hematit, %
27
70
20
24
76

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, chuyển biến gơtit thành hematit với sự có mặt
của CaO chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao, còn khi xử lý bauxit bằng công nghệ Bayer châu Mỹ tác

dụng của vôi cho quá trình này là không đáng kể.
Buravlev và cộng sự [20] đã tiến hành thử nghiệm nung bùn đỏ ở nhiệt độ 2000

700 C để chuyển biến gơtit thành hematit nhằm cải thiện quá trình lắng. Kết quả thử
nghiệm cho thấy, sự chuyển biến từ gơtit sang hematit trong điều kiện thử nghiệm là không
rõ ràng.
Một nghiên cứu về hiệu quả của sự chuyển biến từ gơtit sang hematit cũng được
thực hiện bởi Basu [15] qua 2 cách, nung gơtit trong môi trường không khí và hòa tan gơtit
rồi kết tủa ở dạng hematit. Kết quả chỉ ra rằng, tốc độ lắng hematit nhận được từ quá trình
nung kém hơn từ quá trình kết tủa.
Solymar và cộng sự [78] cho rằng, quá trình chuyển biến từ gơtit sang hematit do
tác động của Ca(OH)2 theo trình tự sau:
2Ca(OH)2 + 2FeOOH  2[CaO.Fe(OH)3]
2[CaO.Fe(OH)3]  3[CaO.Fe2O3.2H2O] + 2H2O
CaO.Fe2O3.2H2O  3Ca(OH)2 + Fe2O3
Mal’ts [45] thấy rằng, cho CaO trong quá trình hòa tách bauxit ở 240 oC thì

(5)
(6)
(7)
tỷ lệ

alumogơtit biến đổi thành hematit sẽ cao hơn khi cho CaO trong quá trình tiền khử silic ở
nhiệt độ thấp.
Tóm lại, một số nhà nghiên cứu cho rằng, quá trình lắng phụ thuộc vào thành phần
hóa học và khoáng vật của cấu tử sắt có trong bauxit. Sự có mặt của khoáng sắt dạng gơtit