MỤC LỤC
1. TỔNG QUAN VỀ NHÔM ..........................................................................................4
1.1 Giới thiệu chung về nhôm......................................................................................4
1.2 Sản xuất nhôm trên thế giới. ..................................................................................8
1.2.1 Lịch sử sản xuất nhôm .....................................................................................8
1.2.2 Tình hình sản xuất nhôm trên thế giới............................................................8
1.2.3 Tình hình giá cả nhôm ...................................................................................11
2. TỔNG QUAN VỀ BAUXITE...................................................................................12
2.1 Tài nguyên Bauxite và tình hình khai thác trên thế gới .......................................12
2.2 Tài nguyên bauxite của Việt Nam và tình hình khai thác....................................15
3. QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM..........................................................................20
3.1 Quy trình khai tác bauxite ....................................................................................20
3.2 Quy trình sản xuất alumina từ bauxite .................................................................20
3.2.1 Phương pháp Bayer........................................................................................20
3.2.2 Phương pháp hỏa luyện (thiêu kết)................................................................24
3.2.3 Phương pháp Orbite Aluminae ......................................................................25
3.3 Quy trình chế biến nhôm kim loại từ alumina ....................................................27
3.3.1 Cấu tạo của bể điện phân ..............................................................................27
3.3.2 Phân loại bể điện phân ..................................................................................28
3.3.3. Anode............................................................................................................31
3.3.4 Chất điện phân ...............................................................................................33
3.3.5 Quy trình làm việc của bể điện phân .............................................................34
3.3.6 Các phản ứng ở điện cực ...............................................................................36
3.3.7 Một số điều lưu ý trong quá trình điện phân ................................................37
4. KẾT LUẬN ...............................................................................................................38
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................40
1
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1.1 Nhôm ............................................................................................................. 4
Hình 1.1.2 Các ứng dụng của kim loại nhôm.................................................................. 7
Hình 1.2.1 Thị trường sản xuất nhôm của các khu vực trên thế giới năm 2015 ........... 10
Hình 1.2.2 Dự báo giá nhôm đến năm 2018 của cơ quan tình báo kinh tế EIU, đơn vị
tính USD/tấn. .......................................................................................................... 11
Hình 2.1.1 Biểu đồ phân bố trữ lượng bauxite theo từng khu vực................................ 12
Hình 2.1.2 Bản đồ phân bố bauxite, các hoạt động sản xuất nhôm trên thế giới .......... 13
Hinh 2.2.1 Bản dồ phân bố Bauxtie của nước ta........................................................... 17
Hình 2.2.2 Biểu đồ phân bố trữ lượng bauxite của nước ta .......................................... 17
Hình 2.2.3 Nhà máy sản xuất Alumina Tân Rai – Lâm Đồng. ..................................... 19
Hình 3.2.1 Sơ đồ quy trình sản xuất alumina từ bauxite bằng phương pháp Bayer ..... 22
Hình 3.2.2 hình ảnh minh họa cho quy trình Bayer ...................................................... 23
Hình 3.2.3 Alumina siêu mịn (độ phân giải 10.000) ..................................................... 23
Hình 3.3.1.1 Cấu tạo của bể điện phân trong quy trình Hall- Heroult .......................... 28
Hình 3.3.2.1 Hình minh họa cho tế bào prebaked ......................................................... 30
Hình 3.3.3.1 Sơ đồ quy trình làm việc của bể điện phân .............................................. 36
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.1 Các tính chất chung và tính chất vật lý của kim loại nhôm .......................... 4
Bảng 1.2.1 Dự báo về thị trường alumina đến năm 2020 .............................................. 9
Bảng 1.2.2 Thị trường sản xuất alumina và nhôm trong những năm gần đây ............... 9
Bảng 2.1.1 Tình hình khai thác bauxite trên thế giới năm 2012 ................................. 15
Bảng 2.2.2: Chất lượng quặng tinh các mỏ Bauxite Đăk Nông .................................... 16
Bảng 3.2.2.1 Nguyên liệu cho phương pháp thiêu kết .................................................. 25
Bảng 3.3.3.1 Nguyên liệu trong quá trình sản xuất 1 tấn nhôm.................................... 34
2
MỞ ĐẦU
Chúng ta đang sống trong thời đại của nhôm. Nhôm có vai trò vô cùng quan
trọng trong cuộc sống con người và được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: Hàng
không, thực phẩm, sinh hoạt, dược phẩm, ô tô, xây dựng, máy móc, vũ trụ…Chính vì
vậy, sản xuất nhôm là ngành sản xuất mà bất kì quốc gia nào cũng muốn phát triển.
Nhôm là kim loại có mặt nhiều trong vỏ trái đất (chiếm 8% khối lớp rắn của
chất rắn). Trong đó quặng Bauxite chính là quặng chứa nhiều kim loại nhôm nhất.
Bauxite là tài nguyên khoáng sản dồi dào trên trái đất. Việt Nam là một trong những
quốc gia có trữ lượng Bauxite lớn trên thế giới.
Từ Bauxite có thể thu hồi Al2O3 rồi tiếp tục điện phân sẽ thu được nhôm kim
loại. Trong bài này chúng ta sẽ tìm hiểu các phương pháp sản xuất Al2O3 từ bauxite và
đặc biệt là phương pháp đện phân nóng chảy Al2O3 để sản xuất nhôm kim loại.
3
1. TỔNG QUAN VỀ NHÔM
1.1 Giới thiệu chung về nhôm
Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của Trái Đất. Kim loại nhôm hiếm phản
ứng hóa học mạnh với các mẫu quặng và có mặt hạn chế trong các môi trường khử cực
mạnh. Tuy vậy, nó vẫn được tìm thấy ở dạng hợp chất trong hơn 270 loại khoáng vật
khác nhau bao gồm Corundum (Al2O3), diaspore và boehmite (Al2O3.H2O), gibbsite
(Al2O3.3H2O), caolinite (Al2O3.2SiO2.2H2O)…Quặng chính chứa nhôm là bauxite .
Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ 3 (sau oxy và silic), và là kim loại phổ biến
nhất trong vỏ Trái Đất. Nhôm có ký hiệu nguyên tử là Al, tên gọi quốc tế: Aluminium.
Trong bảng tuần hoàn, nhôm ở ô13, nhóm 3, chu kì 3. Nhôm là một kim loại mềm, nhẹ
với màu xám bạc ánh kim mờ, vì có một lớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó
để trần ngoài không khí.
Hình 1.1.1 Nhôm
Bảng 1.1.1 Các tính chất chung và tính chất vật lý của kim loại nhôm
Tính chất chung
Tính chất vật lý
Khối lượng nguyên tử: 26,981538 đvC
Trạng thái vật chất: rắn
Bán kính nguyên tử (calc.): 125 pm
Khối lượng riêng : 2,700 kg/m3
Bán kính cộng hoá trị: 118 pm
Độ cứng: 2,75
Cấu hình electron: [Ne]3s23p1
Điểm nóng chảy: 933,47 K (1.220,6oF)
4
Tính Chất chung
Tính chất vật lý
Trạng thái ôxi hóa: 3
Điểm sôi: 2.792 K (4.566 °F)
Độ âm điện: 1,61 (thang Pauling)
Thể tích phân tử: 10 ×10-6 m³/mol
Trạng thái trật tự từ: Thuận từ
Nhiệt bay hơi: 293,4 kJ/mol
Độ dẫn điện: 3,774x107 /Ω•m
Nhiệt nóng chảy: 10,79 kJ/mol
Độ dẫn nhiệt: 237 W/(m•K)
Áp suất hơi: 100.000 Pa tại 2.792 K
Nhiệt dung riêng : 897 J/(kg•K)
Vận tốc âm thanh: 5.100 m/s tại 933K
Cấu trúc tinh thể : hình lập phương tâm mặt
Năng lượng ion hóa: 1. 577,5 kJ/mol
2. 1.816,7 kJ/mol
3. 2.744,8 kJ/mol
Khối lượng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm
(chỉ sau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc; nó
có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp oxit bảo vệ. Nó cũng không nhiễm từ
và không cháy khi để ở ngoài không khí ở điều kiện thông thường.
Sức bền của nhôm tinh khiết là 7–11 MPa, trong khi hợp kim nhôm có độ bền
từ 200 MPa đến 600 MPa. Các nguyên tử nhôm sắp xếp thành một cấu trúc lập
phương tâm mặt (fcc). Nhôm có năng lượng xếp lỗi vào khoảng 200 mJ/m2.
Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại
khác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới. Nhôm nguyên
chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên tố như đồng,
kẽm, magiê, mangan và silic. Khi được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có
các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể.
Các ứng dụng của Nhôm:
- Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trong các máy bay và
tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng.
- Khi nhôm được bay hơi trong chân không, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ cả
ánh sáng và bức xạ nhiệt. Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng của
ôxít nhôm bảo vệ, nó không bị hư hỏng như các lớp bạc bao phủ vẫn hay bị.
Trên thực tế, gần như toàn bộ các loại gương hiện đại được sản xuất sử dụng
lớp phản xạ bằng nhôm trên mặt sau của thủy tinh. Các gương của kính thiên
5
văn cũng được phủ một lớp mỏng nhôm, nhưng là ở mặt trước để tránh các
phản xạ bên trong mặc dù điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với các tổn
thương.
- Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân
tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức xạ
điện từ của Mặt Trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp.
- Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của phương tiện
vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển, v.v…)
- Đóng gói (can, giấy gói, v.v…)
- Xử lý nước.
- Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván, v.v…; tuy nhiên nó đã đánh mất vai trò chính
dùng làm dây dẫn phần cuối cùng của các mạng điện, trực tiếp đến người sử
dụng.)
- Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v…)
- Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của đồng, nó
nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng và rẻ tiền hơn.
- Chế tạo máy móc.
- Mặc dù tự bản thân nó là không nhiễm từ, nhôm được sử dụng trong thép
MKM và các nam châm Alnico.
- Nhôm siêu tinh khiết (SPA) chứa 99,980 % - 99,999 % nhôm được sử dụng
trong công nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD.
- Nhôm dạng bột thông thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn. Các
bông nhôm có thể cho thêm vào trong sơn lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ - khi
khô đi, các bông nhôm sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt.
- Nhôm dương cực hóa là ổn định hơn đối với sự ôxi hóa, và nó được sử dụng
trong các lĩnh vực khác nhau của xây dựng.
- Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện đại được sản xuất từ
nhôm vì nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao.
- Oxit nhôm, alumina, được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng corunđum, emery,
ruby và saphia và được sử dụng trong sản xuất thủy tinh. Ruby và saphia tổng
hợp được sử dụng trong các ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả năng
giao thoa.
6
- Sự oxi hóa nhôm tỏa ra nhiều nhiệt, nó sử dụng để làm nguyên liệu rắn cho tên
lửa, nhiệt nhôm và các thành phần của pháo hoa.
- Phản ứng nhiệt nhôm dùng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao
(như crôm - Cr, Vonfarm - W...)
Chính vì vậy, nhôm là một trong số bốn kim loại màu cơ bản mà bất kỳ quốc
gia nào muốn phát triển công nghiệp đều cần đến.
Hình 1.1.2 Các ứng dụng của kim loại nhôm
7
1.2 Sản xuất nhôm trên thế giới.
1.2.1 Lịch sử sản xuất nhôm
Mặc dù nhôm là nguyên tố phổ biến trong vỏ trái đất (8,1%), nó lại hiếm ở
dạng tự do và đã từng được cho là kim loại quí có giá trị hơn vàng.Vì thế nhôm là kim
loại tương đối mới trong công nghiệp và được sản xuất với số lượng công nghiệp chỉ
khoảng trên 100 năm.
Vào cuối thế kỷ thứ XIX, tổng lượng nhôm sản xuất ở Mỹ vào năm 1884 chỉ
có 125 pound (01 pound tương đương 450 gram). Đầu năm 1886, Charless Martin đã
ngiên cứu ra phương pháp điện phân oxit nhôm để thu được kim loại nhôm tinh khiết.
Nhà bác học Pháp là Paul Louis Toussaint Heroult một cách độc lập cũng đã hoàn
thiện phương pháp điện phân để sản xuất kim loại này từ đó quy trình điện phân
nhôm Hall-Heroult ra đời .
1.2.2 Tình hình sản xuất nhôm trên thế giới.
Nhôm được sản xuất với sản lượng thương mại từ năm 1886. Tổng sản lượng
nhôm còn thấp so với thép nhưng đứng đầu trong sổ các kim loại màu được sản xuất.
Lượng tiêu thụ nhôm thường bằng khoảng (3 – 5) % lượng tiêu thụ thép (tuỳ thuộc
mức độ phát triển công nghiệp của từng nước) và tỷ lệ ấy có xu hướng ngày càng tăng.
Theo dữ liệu nghiên cứu của Cơ quan Thống kê Kim loại Thế giới (WBMS) thì
sản xuất nhôm của thế giới năm 2007 đạt 38,02 triệu tấn, năm 2008 đạt 41,9 triệu tấn
và đến năm 2020 có thể đạt 78,5 triệu tấn. Từ năm 2008 đến 2011 thị trường nhôm sẽ
xảy ra dư thừa từ 0,1 - 1,8 triệu tấn/năm, nhưng đến giai đoạn từ 2012 đến 2020, nhôm
sẽ rơi vào tình trạng thiếu hụt khoảng từ 0,3 triệu tấn đến 2,6 triệu tấn/năm.
Tiêu thụ nhôm tăng kéo theo nhu cầu alumina cho điện phân nhôm cũng tăng:
Năm 2010 là 80,6 triệu tấn, năm 2012: 90,9 triệu tấn, năm 2013 khoảng 96,8 triệu tấn,
dự báo 2015 là 110,1 triệu tấn (trong 5 năm cũng tăng 1,37 lần). Đặc biệt là từ nhu
cầu của Trung Quốc và các quốc gia thuộc Mỹ La tinh. Khu vực Châu Á cũng đang
thiếu hụt alumina, phải nhập khẩu từ Úc hoặc Nam Mỹ, với khoảng cách rất xa, làm
tăng chi phí. Phần lớn alumina được giao dịch trên thị trường Thế giới thông qua
những hợp đồng dài hạn, chỉ có một phần nhỏ, khoảng 10% tham gia vào thị trường
trôi nổi. Giá alumina trên thị trường dao động bằng khoảng từ 11-15% so với giá
nhôm.
8
Nhóm Broc Hunt nghiên cứu thị trường alumina Thế giới và cho ra một dự báo
dài hạn về thị trường alumina đến năm 2020 theo bảng dưới đây:
Bảng 1.2.1 Dự báo về thị trường alumina đến năm 2020
Đơn vị: Triệu tấn
Năm
Sản lượng
Nhu cầu
Thừa/Thiếu
2008
2009
83,7
90,0
82,4
1,3
2010
2011
2012
2013
2015
2016
2017
2020
97,7 100,5 104,0 107,0
113,4 118,3
126,8
129,3
148,7
88,4
95,7
113,1 118,8
127,1
130,3
148,3
1,6
2,0
-0,3
-1,0
0,4
99,4 101,8 107,5
1,1
2,1
-0,5
2014
0,3
-0,5
Nguồn “Broc Hunt”
Trong khi đó theo thống kê chính xác của “World Aluminium” thị trường
alumina và thị trường nhôm trên thế giới trong những năm gần đây có những diễn biến
như sau:
Bảng 1.2.2 Sản lượng alumina và nhôm trong những năm gần đây
Đơn vị: Triệu tấn
Năm
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
Sản lượng
alumina 84,240 78,415 88,314 97,508 100,505 105,869 107,882 94,285
Sản lượng
nhôm
39,917 37,706 42,353 45,817
48,774
51,195
53,127
48,217
Nguồn “Word Aluminium”
9
Tổng sản lượng nhôm năm 2015: 48,217 triệu tấn
Đông & Trung
Âu –3,174
Tây âu – 3,112
Bắc Mỹ - 3,729
Châu Á ( trừ
Trung Quốc)
-2,432
Châu Phi1,408
Nam Mỹ - 1,107
Trung quốc
báo cáo 26,458 Trung
Quốc ước
tính không
báo cáo - 0
GCC- 4,249
Châu Đại
Dương –
1,648
ROW dự kiến không
báo cáo–0,900
Hình 1.2.1 Sản lượng nhôm của các khu vực trên thế giới năm 2015, đơn vị (triệu tấn)
10
1.2.3 Tình hình giá cả nhôm
Trong những năm qua giá thị trường nhôm có nhiều biến động.Theo cơ quan
tình báo kinh tế EIU thì tình hình giá cả nhôm như sau:
(USD/Tấn)
(USD/Tấn)
(USD/tấn)
Nguồn “EIU Economic and Commodity Forecast, Octorber 2014”
Hình 1.2.2 Dự báo giá nhôm đến năm 2018 của cơ quan tình báo kinh tế EIU, đơn vị
tính USD/tấn.
Trong năm 2015, theo đánh giá của Giám đốc chiến lược và phát triển của Công
ty Alumina Ltd., ông Andrew Wood, Trung Quốc có thể phải đối mặt với tình trạng
thiếu hụt từ 10 đến 15 triệu tấn bauxite trong năm 2015 do lượng bauxite dự trữ của
nước này cạn kiệt. Lượng dự trữ bauxite từ Indonesia được Trung Quốc tích trữ trước
khi Indonesia thực hiện lệnh cấm đang giảm xuống với mức giảm 1 triệu tấn/tháng và
có thể giảm xuống chỉ còn 20 triệu tấn trong năm 2014 và 8 triệu tấn vào cuối năm
2015.
11
2. TỔNG QUAN VỀ BAUXITE
2.1 Tài nguyên Bauxite và tình hình khai thác trên thế gới
Bauxite là một trong những tài nguyên khoáng sản khá dồi dào trên thế giới.
Với sản lượng khai thác và mức tăng trưởng bình quân hàng năm như hiện nay, trữ
lượng bauxite có thể đảm bảo cho nhân loại sử dụng trong 100 - 125 năm tới, nếu tính
cả tài nguyên thì thời gian có thể tăng lên gấp đôi.
Từ bauxite có thể thu hồi alumina (Al2O3), rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi kim
loại nhôm. Những khoáng vật chủ yếu của Bauxite là: gibbsite, diaspore, boehmite là
một biến dạng đa hình của diaspore. Khoảng 96% bauxite khai thác được sử dụng
trong ngành luyện kim, 4% còn lại được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác
như: Sản xuất vật liệu chịu lửa, gốm sứ, vật liệu mài-đánh bóng, đá trang sức nhân
tạo...
Hơn 90% sản lượng alumina (được gọi là alumin luyện kim) được sử dụng làm
nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% còn lại được sử
dụng trong công nghiệp hoá chất và các ngành công nghiệp khác.
Nguồn quặng bauxite toàn thế giới ước tính khoảng 55-75 tỷ tấn, trong đó châu
Phi chiếm 33%; châu Đại Dương 24%; Nam Mỹ và vùng Caribe 22%; châu Á 15%;
các nơi khác là 6%.
Hình 2.1.1 Biểu đồ phân bố trữ lượng bauxite theo từng khu vực
12
Hình 2.1.2 Bản đồ phân bố bauxite, các hoạt động sản xuất nhôm trên thế giới
Bauxite có thành phần hóa học và khoáng vật cơ bản như sau:
Bảng 2.1.1 Thành phần hóa học và khoáng vật cơ bản của Bauxite
Thành phần hóa học
Thành phần khoáng vật
Diaspore – Al2O3.H2O
Al2O3: 40-65%
Boehmite – Al2O3.H2O
Gibbsite – Al2O3.3H2O
Kaolinite – Al2O3.2SiO2.2H2O
SiO2: 0,5-10%
Thạch anh – SiO2
Hematite – Fe2O3
Fe2O3: 3 -30%
Aluminian Goethite – Al2O3. Fe2O3.H2O
TiO2: 0,5 -8%
Anatase –TiO2, rutile – TiO2
H2O: 10 -34%
Trong diaspore, boehmite, gibbsite, kaolimite, goethite
Các nguyên tố đi kèm
Mn, P, V, Cr, Ni, Ga, Ca, Mg, C...và các tạp chất
Để đánh giá chất lượng quặng bauxite, người ta đánh gia thông qua chỉ tiêu gọi
là mođun silic MSiO2 = tỷ số lượng Al2O3/SiO2 tỷ số này càng cao quặng càng tốt.
Theo nguồn gốc tạo thành địa chất, bauxite được chia làm hai loại: bauxite
lateritic và bauxite karstic. Bauxite lateritic được tạo thành từ quá trình phong hóa đa
13
bazan, chiếm khoảng 90 % trữ lượng bauxite của thế giới, thành phần chủ yếu là
gibbsite. Bauxite karstic được tạo thành trên nền đá vôi chiếm khoảng 10% trữ lượng.
Đối với mục đích công nghệ xử lý, người ta chia bauxite thành các loại sau:
- Bauxite gibbsite (hàm lượng boehmite < 5%), tập trung ở các nước: Brasil,
Sierra , Lebanon, Suriname, Indônesia, Guinea, Jamaica, Australia, Venezuela,
Guyana, Việt Nam, Ấn Độ.
- Bauxite hỗn hợp gibbsite - boehmite (hàm lượng boehmite 5 - 20%), tập trung
ở các nước: Australia, Ghana, Guinea, Jamaica, Ấn Độ.
- Bauxite boehmite (hàm lượng boehmite > 20%), tập trung ở các nước: Nam
Tư, Pháp, Hungary.
- Bauxite diaspore (hàm lượng diaspore > 5%), tập trung ở các nước: HyLạp,
Iran, Trung Quốc (TQ), Nam Tư, Việt Nam, Rumani.
Phần lớn các mỏ bauxite đều là sản phẩm của quá trình phong hóa lateritic đã
chứa thành phần oxit nhôm (Al2O3) cao. Vì vậy, các mỏ bauxite trên thế giới thường
tập trung ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Trong đó, 10 nước có tổng tài nguyên,
trữ lượng hàng đầu thế giới là: Guinea, Australia, Venezuela, Brasil, Ấn Độ, Jamaica,
Indonesia, Việt Nam, Cameroon và Guyana với tổng tài nguyên và trữ lượng là 39,723
tỷ tấn, chiếm 80,37% toàn thế giới.
Các mỏ bauxite được phân thành các loại hình như sau:
- Dạng lớp chùm phủ
- Dạng túi
- Dạng lớp xen kẹp
- Dạng mảnh vụn
Các mỏ dạng lốp chùm phủ rất đặc trưng cho loại bauxite có nguồn gốc phong
hóa lateritic, là loại hình phổ biến trên thế giới và trữ lượng chiếm ưu thế. Các mỏ này
có nhiều ở Tây Phi, Australia và Ấn Độ. Do quá trình phong hóa diễn ra rất triệt để
trong điều kiện thuận lợi và thời gian dài nên dẫn đến việc thành tạo quặng bauxite
chất lượng rất tốt, hàm lượng Al2O3 bằng 50-70%. Các mỏ bauxite ở Miền Nam nước
ta cũng thuộc loại hình này.
Các mỏ dạng túi thường gặp ở Jamaica và miền Nam âu, thân quặng có chiều
dày biến đổi lớn, từ 1m đến 30m, thành phần khoáng vật quặng thường gồm gibbsite,
diaspore và boehmite, hàm lượng Al2O3 > 45%, hàm lượng SiO2 rất thấp (khoảng
14
1,5%). Các mỏ dạng lớp xen kẹp thường phát triển ở Liên Xô, Trung Quốc, Mỹ,
Brasil, Hungary v.v..., thành phần khoáng vật chủ yếu gồm diaspore và boehmite. Các
mỏ dạng mảnh vụn được thành tạo do quá trình tái trầm tích các vật liệu và quặng
bauxite bị phá hủy, xói mòn và vận chuyển từ mỏ khác tới. Các mỏ loại này ít phổ
biến. Mỏ Arkansas của Mỹ thuộc loại hình mỏ này. Ở nước ta, các mỏ bauxite Miền
Bắc thuộc cả 3 loại hình kể trên.
Bảng 2.1.1 Tình hình khai thác bauxite trên thế giới năm 2012
(× 1000 tấn , ước tính cho năm 2013 )
STT Quốc gia
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Khối lượng khai thác
Trữ lượng
2012
2013
Hoa Kỳ
NA
NA
20,000
Australia
76,300
77,000
6000,000
Brasil
34,000
34,200
2,600,000
Trung Quốc
47,000
47,000
830,000
Greece
2,100
2,000
600,000
Guinea
17,800
17,000
7,400,000
Guyana
2,210
2,250
850,000
Ấn Độ
19,000
19,000
540,000
Indonesia
29,000
30,000
1,000,000
Jamaica
9,340
9,500
2,000,000
Kazakhstan
5,170
5,100
160,000
Nga
5,720
5,200
200,000
Venezuela
3,400
3,400
580,000
Suriname
2,000
2,500
320,000
Việt Nam
100
100
2,100,000
Other countries
5,020
5,000
2,400,000
World total (rounded)
258,000
259,000
28,000,0000
Nguồn: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, năm 2012
2.2 Tài nguyên bauxite của Việt Nam và tình hình khai thác
Việt Nam có trữ lượng bauxite lớn, tuy nhiên mức độ thăm dò còn hạn chế,
phần lớn mới chỉ được thăm dò sơ bộ, ở cấp C2 và dự báo. Tổng trữ lượng bauxite của
Việt Nam khoảng 2,4 tỷ tấn quặng tinh (tương ứng với khoảng 5,6 tỷ tấn quặng
nguyên khai), trong đó trữ lượng ở cấp thăm dò, khảo sát (B + C1 + C2) là 2,0 tỷ tấn,
trữ lượng ở cấp dự báo (P1) là 0,4 tỷ tấn.
Các mỏ bauxite ở phía Bắc nước ta có trữ lượng nhỏ, phân bố rải rác ở các tỉnh
Hà Giang, Cao Bằng, Lạng Sơn, Hải Dương. Tổng trữ lượng ước tính 91,0 triệu tấn.
15
Phần lớn quặng có nguồn gốc trầm tích, khoáng vật chứa ôxit nhôm chủ yếu là
diaspore (Al2O3.H2O), hàm lượng Al2O3 trong quặng nguyên khai khá cao: Từ 40 –
55%, nhưng hàm lượng SiO2 rất lớn: từ 5 – 20%, M silic: 5-8 nên thuộc loại quặng chất
lượng thấp.
Phần lớn trữ lượng bauxite nước ta tập trung ở Tây Nguyên (91,4% trữ lượng cả
nước: Vùng Đăk Nông: 1,44 tỷ tấn; vùng Bảo Lộc - Di Linh (tỉnh Lâm Đồng): 463
triệu tấn; vùng Konplong – Kănak (tỉnh Gia Lai và Kon Tum): 284,8 triệu tấn. Các mỏ
trong từng vùng đều có trữ lượng trung bình và lớn, khoảng cách gần nhau và liên kết
với nhau thành từng nhóm mỏ, thuận lợi để xây dựng khu liên hợp khai thác sản xuất
alumina với quy mô lớn. Lớp đất phủ trên các thân quặng mỏng (0,5-1,0 m), địa hình
cao nguyên khá bằng phẳng thuân lợi cho việc khai thác. Khoáng vật chứa oxit nhôm
trong quặng bauxite là Gibbsite ( Al2O3.3H2O) mềm bở, hàm lượng oxit nhôm trong
quặng tinh (44,4-53,2)%, oxit silic chỉ (1,6-5,1)%, phù hợp với công nghệ sản xuất
alumina bừng phương pháp Bayer ở nhiệt độ thấp, đơn giản về kỹ thuật và công nghệ
tiêu tốn ít năng lượng, giá thành sản phẩm thấp.
Bảng 2.2.2: Chất lượng quặng tinh các mỏ Bauxite Đăk Nông
TT
1
2
3
4
5
6
7
Tên mỏ
“ 1 tháng 5”
Quảng Sơn
Nhân Cơ
Gia Nghĩa
Bắc Gia Nghĩa
Đắc Song
Tuy Đức
Chiều dày
trung bình
thân
quặng, m
5,2
5,0
4,6
4,3
5,2
4,5
5,0
Hàm
lượng
%Al2O3
Hàm
lượng %
SiO2
Môđun
silic Msilic
Tỷ lệ thu
hồi, %
49,36
50,00
48,30
47,99
46,10
48,74
48,74
2,14
2,52
3,45
2,58
2,23
2,20
2,20
23,1
19,8
14,0
18,6
20,8
22,2
22,2
50,0
45,4
46,0
49,9
47,1
50,6
45,2
Hàm lượng bauxite của mỏ Tân Rai- Lâm Đồng như sau:
Thành phần
Hàm
lượng
Al2O3:
44,69 %
SiO2:
2,61 %
Fe2O3:
23,35 %
16
TiO2:
3,52 %
Mất khi nung:
24,3 %
Rải rác ở các tỉnh Bình Dương, Phú Yên, Quảng Ngãi cũng có quặng bauxite
nhưng trữ lượng không nhiều, chỉ khoảng 115,5 triệu tấn, khoáng vật chứa nhôm cũng
là Gibbsite.
Hinh 2.2.1 Bản dồ phân bố Bauxtie của nước ta
Hình 2.2.2 Biểu đồ phân bố trữ lượng bauxite của nước ta
17
Nhìn chung, bauxite Việt Nam ở hầu hết các vùng đều có thể khai thác lộ thiên.
Tuy nhiên, trừ những khu mỏ lớn ở Lâm Đồng, trữ lượng quặng còn lại được phân bố
dàn trải, vỉa quặng không dày và hầu hết đều nằm trong các vùng canh tác nông, lâm
nghiệp, nên sẽ có những khó khăn nhất định trong quá trình khai thác để sản xuất
nhôm quy mô lớn, do đụng chạm trực tiếp đến việc sử dụng đất canh tác, vấn đề cân
bằng nước mặt, vấn đề quặng thải, vấn đề nước thải và nói chung là vấn đề sinh thái.
Mặc dù nhôm kim loại là sản phẩm quan trọng cho ngành kinh tế quốc dân và
nước ta có sẵn nguồn nguyên liệu cũng như các điều kiện khác để sản xuất nhôm kim
loại (thuỷ điện, nhân lực...) nhưng hiện nay chúng ta vẫn chưa sản xuất được nhôm
kim loại. Vì vậy, một trong mục tiêu mà chính phủ đã đề ra là xây dựng mới ngành
công nghiệp nhôm Việt Nam, đáp ứng nhu cầu nhôm trong nước, tranh thủ xuất khẩu
một phần sản phẩm sang các nước xung quanh, tạo cơ sở vật chất kỹ thuật ban đầu và
đội ngũ quản lý, kỹ thuật, đồng thời tích luỹ vốn để phát triển công nghiệp nhôm lâu
dài với quy mô lớn, nhằm khai thác nguồn bauxite sẵn có để xuất khẩu các sản phẩm
alumina và nhôm.
Nước ta đã có nhà máy Hoá chất Tân Bình thuộc Tổng công ty Hóa chất Việt
Nam có dây chuyền sản xuất hydroxit nhôm – Al(OH)3 từ quặng bauxite Lâm Đồng,
dung sản xuất phèn lọc nước – Al2(SO4)3, mỗi năm tiêu thụ khoảng 35 ngàn tấn
bauxite. Theo dự kiến, nhà máy sẽ được chuyển lên huyện Bảo Lộc tỉnh Lâm Đồng để
tránh gây ô nhiễm môi trường cho thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời đầu tư công suất
lên 100.000 tấn hydroxit nhôm/năm.
Những định hướng của ngành công nghiệp chế biến nhôm từ Bauxite của nước
ta được dự kiến như sau:
Giai đoạn 2008 - 2010: dự kiến triển khai 3 dự án alumin, gồm Tân Rai (Lâm
Đồng), Nhân Cơ (Đăk Nông 1) và Kon Hà Nừng (Gia Lai); 1 dự án hydroxit
nhôm tại Bảo Lộc (Lâm Đồng). Các dự án này đều do Việt Nam tự đầu tư.
Giai đoạn 2011-2015: Quy hoạch dự kiến triển khai đầu tư tiếp 3 dự án là Đăk
Nông 2, Đăk Nông 3 và Đăk Nông 4. Cả 3 dự án này đều đã có đối tác nước
ngoài mong muốn hợp tác đầu tư, bao gồm Chalco (Trung Quốc), Alcoa (Mỹ)
và BHPM (Anh) với tổng công suất dự kiến 4,5-6 triệu tấn alumina/năm.
Giai đoạn 2016-2025: dự kiến duy trì và mở rộng 6 dự án alumina của giai đoạn
2008-2015; tùy theo khả năng thị trường, dự kiến mở rộng nâng công suất các
dự án này lên gấp đôi. Đầu tư thêm một dự án alumina Bình Phước với công
suất 1-1,5 triệu tấn/năm. Dự kiến tổng công suất của giai đoạn này đạt khoảng
13-18 triệu tấn alumina/năm.
18
Ngày 26/11/2012 Nhà máy sản xuất Alumina Tân Rai với công xuất 600 000
tấn/ năm thuộc tổ hợp Bauxite Nhôm Lâm Đồng bắt đầu chạy thử có tải toàn bộ và
tròn 1 năm sau nhà máy cho ra sản phẩm alumina đầu tiên. Hiện nay, nhà máy Tân Rai
đã đi vào hoạt động ổn định, đang dần làm chủ được công nghệ và đang nỗ lực để đạt
được 100% hiệu suất. Nhà máy alumin Nhân Cơ, tỉnh Đắc Nông dự kiến hoạt động
cuối năm nay với công suất 300 000 tấn.
Hình 2.2.3 Nhà máy sản xuất Alumina Tân Rai – Lâm Đồng.
Như vậy, quặng bauxite là nguồn tài nguyên lớn của nước ta, là cơ sở để hình
thành ngành công nghiệp luyện nhôm, là nguồn lực quan trọng trong quá trình công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
19
3. QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM
Hiện nay trên thế giới quy trình sản xuất nhôm được thực hiện theo 3 giai đoạn
chính đó là: Khai thác bauxite, chế biến alumina và luyện nhôm.
3.1 Quy trình khai tác bauxite
Hầu hết các mỏ bauxite đang được khai thác trên thế giới là mỏ lộ thiên, công
nghệ khai thác tương tự như công nghệ khai thác các mỏ than lộ thiên. Quặng bauxite
khai thác lên được đưa vào nhà máy tuyển để tuyển thành quặng tinh, công nghệ tuyển
dụng chủ yếu là tuyển rửa (đơn giản hơn so với tuyển than), các thiết bị tuyển bao
gồm: Thiết bị đánh tơi bằng nước áp lực, sang quay đánh tơi, máy đập hàm, máy phân
cấp xoắn, sàng rung.
Các bước tuyển rửa: 1) nghền quặng quá cỡ; 2) đưa qua sàng rửa để lấy quặng
hạt lớn, quặng hạt nhỏ lọt qua lưới sàng và chất cặn được đưa đến máy lắng ly tâm để
thu hồi các hạt bauxite cỡ lớn hơn 1mm; 3) bùn đỏ (sét và các chất hòa tan khác) được
dẫn đến hồ lắng để xử lý. Quặng sau khi sơ chế được đưa đến các nhà máy tinh chế
quặng. Têu hao nước để tuyển 1 tấn quặng tinh khoảng 6-8m3 (đã sử dụng nước tuần
hoàn). Quặng tinh thường có cỡ hạt từ 1-40mm, bùn thải có cỡ hạt -1mm. Suất đầu tư
để khai thác, sàng tuyển 1 tấn quặng tinh bauxite khoảng 25-30 USD.
3.2 Quy trình sản xuất alumina từ bauxite
Quá trình sản xuất alumina thực chất là quá trình làm giàu Al2O3, nhằm tách
lượng Al2O3 trong bauxite ra khỏi các tạp chất khác. Các phương pháp sản xuất
alumina bao gồm phương pháp kiềm (hòa tách Al2O3 trong quặng bauxite ra bằng
kiềm NaOH); phương pháp axit (hòa tách Al2O3 bằng các axit H2SO4; HCl; HNO3…);
phương pháp đện (nấu quặng bauxite trong lò điện với than hoàn nguyên). Phương
pháp kiềm được dùng nhiêu hơn cả vì nó đơn giản, cho alumina chất lượng cao, giá
thành hạ. Trong phương pháp kiềm chia thành 2 phương pháp: là phương pháp Bayer
và phương pháp hỏa luyện (thiêu kết).
3.2.1 Phương pháp Bayer
Hiện nay và dự báo trong tương lai, khoảng 90% alumina trên thế giới vẫn
được sản xuất bằng công nghệ Bayer do nhà hóa học người Áo Karl Josef Bayer phát
minh ra năm 1888 và 1894.
Công nghệ Bayer dựa trên cơ sở của phản ứng thuận nghịch sau:
Al2O3.xH2O + 2NaOH ⇆ 2NaAlO2 + (x+1) H2O
20
- Xem thêm -