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

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 và 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 và 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 bd Al2 O3  Al 2 O3 x ntt  Al 2 O3 bx Fe 2 O3 bx Fe 2 O3 bd bd bx  Al O Fe O 100%  1  2 3 bx x 2 3bd Al 2 O3 Fe 2 O3   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 3,3÷4,3 g/cm3) và hematit (khoảng 4,9÷5,26 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 18 là vấn đề chính gây nên tốc độ lắng bùn đỏ chậm vì gơtit có khối lượng riêng nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn. Anatat (TiO2) tuy không phải là thành phần chính nhưng chúng cũng có mặt trong nhiều loại bùn đỏ. Yamada và cộng sự [89] đã nghiên cứu lắng bùn đỏ tạo thành từ quá trình hòa tách một vài nguồn quặng tinh bauxit khác nhau trên thế giới ở áp suất cao. Các tác giả thấy rằng, ở điều kiện thực nghiệm không xét đến sự khác nhau về kích thước hạt, dạng kết tinh hay khối lượng riêng, quá trình kết bông của các khoáng riêng lẻ như: anatat, bơmit và hematit là tốt, trong khi gơtit, gipxit, quartz và kaolinit là kém. Họ cũng nhận thấy rằng, bùn đỏ chứa nhiều gơtit khả năng kết bông bằng chất trợ lắng polyacrylat là kém và sự chuyển biến từ gơtit sang hematit bị hạn chế. Tốc độ lắng của bùn đỏ cao gơtit tăng đột ngột khi cả hai thành phần hematit và anatat tăng lên. Đã quan sát được, tốc độ lắng càng cao khi hàm lượng anatat càng lớn hơn 7%. Trái với những nhận định vừa nêu, theo Prakash và Horvath [64], cho thêm anatat sẽ làm giảm quá trình lắng bùn đỏ do có sự liên quan đến việc tăng diện tích bề mặt. Khoáng vật photphat được cho là cản trở sự kết bông của bùn đỏ. Grubbs và cộng sự [32] tìm thấy mối liên hệ giữa hàm lượng photphat và tốc độ lắng mặc dù trong hầu hết bauxit, hàm lượng này chỉ chiếm  0,2%. O’Donnell và Martin [50] nhận thấy, bản thân photphat không cản trở sự kết bông của bùn đỏ nhưng chất kết tủa của canxi và photphat giống như hợp chất apatit và vôi sẽ hỗ trợ quá trình lắng bùn đỏ. Ảnh hưởng của tạp chất vô cơ như canxi và cacbonat đến quá trình lắng đã được một vài công trình nghiên cứu công bố. Canxi có tác dụng hỗ trợ quá trình lắng trong khi cacbonat thì lại không có tác dụng này. Canxi có tác dụng tác động theo một vài cách. Basu và cộng sự [16] chỉ ra rằng, các ion canxi làm giảm khả năng hòa tan của sắt trong dung dịch natri aluminat. Canxi cũng thường được thêm vào để biến đổi gơtit thành hematit giúp quá trình lắng diễn ra dễ dàng hơn với chất trợ lắng là polyacrylat [16, 50, 81, 89]. Canxi có thể khử photphat thành dạng hợp chất giống như apatit [69, 89] hoặc nó có thể làm cầu nối trên bề mặt hạt để chất trợ lắng hấp phụ lên [68]. Canxi cũng có thể kết tủa ở dạng tricanxi aluminat, CaCO3 hoặc Ca(OH)2 là những hợp chất mà chất trợ lắng dễ hấp phụ [84, 88]. Cacbonat luôn tồn tại trong dung dịch natri aluminat. Người ta thường loại bỏ cacbonat trong dung dịch bằng vôi - caustic hóa. Hunter và cộng sự [36] nhận thấy, vôi hỗ trợ quá trình lắng bùn đỏ do vôi có tác dụng khử CO32- theo phương trình dưới đây. Cũng có ý kiến rằng, cacbonat trong dung dịch natri aluminat hấp phụ lên bề mặt hạt rắn làm cản trở quá trình hấp phụ của chất trợ lắng. 19 CO32- + Ca(OH)2 = CaCO3 + 2OH- (8) Các chất hữu cơ hòa tan được coi là có hại trong quy trình công nghệ Bayer. Chúng không những làm bẩn sản phẩm alumin mà còn làm giảm chất lượng mầm kết tinh trong quá trình phân hóa dung dịch [37]. Nguồn tạp chất hữu cơ chủ yếu từ bauxit tồn tại ở dạng humin và bitum. Các chất humic bao gồm axit humic – sản phẩm chuyển hóa của licnin, chúng dễ hòa tan trong dung dịch kiềm NaOH tạo ra các hợp chất kiềm humat khác nhau, chuyển hóa thành natri oxalat dễ hòa tan, và các chất nhựa khác cùng với xút tạo thành các dung dịch keo. So với các humin thì bitum có đặc điểm là hàm lượng cacbon và hydro cao hơn. Thực tế chúng không hòa tan trong dung dịch kiềm và không có tác hại như các humin. Mặc dù hàm lượng của các chất hữu cơ trong bauxit chỉ tính bằng phần vạn và chỉ có các chất humin đi vào dung dịch mà cũng chỉ ở phần nào nhưng chúng còn đi vào dung dịch do kết quả tương tác giữa dung dịch với vải lọc và các chất kết bông hữu cơ cho thêm vào để tăng khả năng lắng bùn đỏ. Cùng với mồi nhôm hydroxit và dung dịch kiềm sau khi costic hóa natri cacbonat, các chất hữu cơ quay vòng lại quá trình. Các chất hữu cơ là một trong những nguyên nhân làm chậm quá trình lắng cũng như rửa bùn đỏ. Khi hàm lượng chất hữu cơ cao thì độ nhớt của dung dịch aluminat tăng lên rõ rệt kéo theo khả năng lắng của các hạt bùn đỏ kém [80, 93, 96]. Các chất hữu cơ dạng humic và oxalat làm giảm tốc độ lắng của gơtit [16] và bùn đỏ [89]. Sankey và Schwarz [69] cho rằng, lắng bùn đỏ từ hoà tách bauxit Jamaica trong dung dịch nhân tạo không hợp chất hữu cơ nhanh hơn trong dung dịch tuần hoàn cao hợp chất hữu cơ. Trong khi hầu hết các nghiên cứu đề cập đến ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hòa tách, thành phần vật chất của quặng tinh bauxit đến quá trình lắng thì việc nghiên cứu sử dụng chất kết bông - chất trợ lắng cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ cũng được nhắc đến. Hầu hết quá trình lắng bùn đỏ của các nhà máy luyện alumin từ bauxit bằng công nghệ Bayer đều phải sử dụng chất kết bông. Các nghiên cứu về tác dụng của chất kết bông trong quá trình lắng bùn đỏ chỉ ra rằng, khả năng kết bông là do năng lượng bề mặt của các hạt bùn, mà giá trị này phụ thuộc trực tiếp vào diện tích bề mặt riêng của chúng. Khi có mặt chất kết bông, các hạt bùn mịn thậm chí là các hạt coloid cũng dễ dàng tạo thành khối bông lớn và lắng xuống [96]. Tuy các khối bông tạo thành từ những hạt mịn này lắng nhanh, nhưng bùn nén không chặt. Khi có sự khuấy trộn trong thùng lắng, các khối bông vừa hình thành sẽ va 20 chạm với khối bông đã nén chặt nên bị phá vỡ, nhờ đó nước được giải phóng ra, khối bông sẽ rơi xuống đáy và độ nén của nó sẽ tốt hơn. Để cải thiện tính nén của bùn đỏ, một nghiên cứu đã thực hiện nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của tinh bột đến quá trình nén bùn đỏ. Có nhiều quan điểm khác nhau đã được đưa ra để giải thích cơ chế lắng và nén chặt của bùn đỏ khi cho thêm tinh bột. Theo Dvornhic và Kherman [96], do tinh bột tác dụng với kiềm tạo ra một loại hợp chất hấp phụ lên bề mặt hạt bùn, tăng hoạt tính của hạt bùn, giúp các hạt bùn liên kết với nhau tạo khối bông bùn lớn dễ lắng. Modiaroxi [96] lại xác định rằng, trong quá trình hòa tách, các hạt bùn chứa ion (OH)- sẽ mất điện tử và tạo ra oxy nguyên tử theo phản ứng: 2OH- - 2e = H2O + O (9) Các oxy nguyên tử sinh ra sẽ hấp phụ lên bề mặt hạt bùn tạo thành một lớp màng mỏng ngăn cản các hạt bùn kết nối với nhau, làm chậm quá trình lắng bùn đỏ. Kết quả phân tích cho thấy, bùn đỏ lắng kém chứa tới 6,62 cm3O2/kg bùn đỏ so với bùn đỏ lắng tốt chỉ có 4,23 cm3O2/kg bùn đỏ. Trong dung dịch kiềm, các hạt cơ bản của bùn đỏ mang điện tích dương [93]. Sự đẩy nhau của các hạt bùn cùng điện tích làm cho sự lắng và nén chặt của bùn kém đi. Khi có mặt tinh bột – chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên, các hạt bùn mất ngay điện tích và trở nên trung tính. Chính nguyên nhân này giúp các hạt bùn dễ tiếp xúc để kết bông hơn. Một nghiên cứu khác tiến hành hòa tách kết hợp bauxit có khả năng lắng kém với bauxit có khả năng lắng tốt. Kết quả cho thấy rằng, sự kết hợp này thúc đẩy khả năng lắng của bauxit lắng kém và làm giảm khả năng lắng của bauxit lắng tốt [93]. Khi tiến hành lắng bùn đỏ của bauxit có khả năng lắng kém cho thêm 10% bùn đỏ được hòa tách ở nhiệt độ cao. Kết quả chỉ ra rằng, khả năng lắng và nén chặt bùn đỏ tốt hơn rất nhiều, kết quả này tương đương với cho thêm tinh bột [93]. Một nghiên cứu về ảnh hưởng của độ nhớt dung dịch aluminat cho thấy, khi nồng độ dung dịch aluminat tăng từ 130 g/l Na2O lên 150 g/l Na2O thì khả năng lắng bùn đỏ giảm xuống 15% mặc dù độ nhớt của dung dịch thay đổi không đáng kể khi quá trình lắng được thực hiện ở nhiệt độ 95 oC [96]. Để cường hóa quá trình lắng bùn đỏ, ở các nhà máy chế biến bauxit thường sử dụng các chất có tác dụng làm tăng kích thước và khối lượng của khối bông tạo thành. Khi sử dụng chất trợ lắng polisaccarit được chiết suất từ hạt đậu, đỗ (cây họ đậu) thì làm tăng tốc độ lắng bùn đỏ lên 5 lần so với sử dụng chất trợ lắng polisaccarit chiết suất từ bột mỳ [93].