Một số kiến thức cơ bản ABC về khai thác bauxite và sản xuất alumin

02/11/09
Đinh Xuân Hùng

Bauxite là  gì?

Bô-xit (phiên âm từ  tiếng Pháp của từ “bauxite”) hay booc-sait (phiên âm từ tiếng Anh của từ bauxite”) là một loại quặng nhôm (aluminium ore) có thành phần chính là hydroxyd nhôm Al(OH)3 hoặc oxyd hydroxyd nhôm AlO(OH) và các loại oxyd khác như oxyd sắt (hematite Fe2O3 và goethite HFeO2), oxyd silic SiO2, oxyd titan TiO2, caolinit  Al2Si2O5(OH)4, sét và các tạp chất khác. Bauxite được đặt theo tên làng Le Baux nằm ở phía Nam nước Pháp, nơi mà bauxite được tìm thấy đầu tiên vào năm 1821 bởi nhà địa chất Pierre Berthier.

Có 3 loại bauxite: Gibbsite (đọc là gip-xit theo tiếng Pháp hay gip-sait theo tiếng Anh), Boehmite (đọc là bơ-mit theo tiếng Pháp hoặc bây-mait theo tiếng Anh) và Diaspore (đọc là đi-as-po theo tiếng Pháp hay đai-ơ-spo theo tiếng Anh).

Gibbsite khác với boehmite và diaspore về:

  • Thành phần hóa học vì gibbsite chứa hydroxyd nhôm (aluminium hydroxide) Al(OH)3 còn boehmite và diaspore chứa oxyd hydroxyd nhôm (aluminium oxide hydroxide) AlO(OH)
  • Cấu trúc tinh thể
  • Nhiệt độ khử nước nhanh của gibbsite thấp hơn nhiều so với boehmite và diaspore.

Do đòi hỏi năng lượng lớn hơn trong quá trình tách oxyd nhôm từ quặng bô xít nên quặng bauxite loại boehmite và diaspore được coi là có chất lượng thấp hơn so với quặng bauxite loại gibbsite. Hầu hết bauxite được khai thác hiện nay trên thế giới là loại gibbsite. Bauxite ở miền Trung và Tây Nguyên của nước ta là loại gibbsite và bauxite ở các tỉnh phía Bắc như Lạng Sơn, Cao Bằng là diaspore. Trung Quốc chỉ có bauxite boehmite và diaspore mà không có bauxite gibbsite vì vậy các nhà máy sản xuất alumin của Trung Quốc phải nhập bauxite gibbsite từ Indonesia.

Alumin là  gì?

Alumin (phiên âm tiếng Pháp của từ “alumine”) và alumina (phiên âm tiếng Anh của từ “alumina”) là tên gọi khác của oxyd nhôm Al2O3. Alumin xuất hiện trong tự nhiên dưới dạng hợp chất với khoáng chất khác ví dụ như trong quặng bauxite, đất sét, mica… oxyd nhôm còn xuất hiện gần như nguyên chất dưới dạng tinh thể được gọi là co-răn-đơm ( phiên âm tiếng Anh của từ “corundum”). Corundum có độ trong suốt cao là đá quý. Corudum màu đỏ thì được gọi là ruby, corundum không màu và có các mầu khác thì được gọi là saphia (phiên âm tiếng Pháp của từ “saphir”)

Alumin có công dụng quan trọng và rộng rãi trong đời sống. Ngoài công dụng lớn nhất là nguyên liệu để sản xuất nhôm kim loại, nó còn được dùng để sản xuất vật liệu xây dựng và vật liệu chịu lửa như bột mài, đá mài, gạch chịu lửa. gốm sứ, thủy tinh…

Hydroxyd nhôm Al(OH)3sản phẩm họ hàng của alumin được sử dụng trong công nghệ lọc nước. Hiện nay Công ty Hóa Chất Cơ Bản Miền Nam đang sản xuất hydroxyd nhôm và alumin để xuất khẩu và cung cấp cho thị trường trong nước.

Đá quý như ruby và saphai có giá trị rất cao trong ngành chế tác trang sức và mỹ nghệ. Corundum không trong suốt có giá trị thấp thì được nghiền nhỏ làm bột mài hoặc sử dụng làm tranh đá quý như ở Việt Nam.

Khai thác bauxite

80 % lượng bauxite trên thế giới được khai thác lộ thiên từ các mỏ dạng vỉa (blanket deposits), còn lại từ khai thác hầm lò (chủ yếu từ các mỏ ở Nam châu Âu và Hungary). Chiều dầy lớp phủ có thể từ 0 cho tới 70 m, chiều dầy thân quặng dao động từ 1 m đến 40 m. Các mỏ bauxite ở Lâm Đồng, Đăk Nông có dạng vỉa gồm những thân quặng dầy 4-5 m phân bố chủ yếu ở khu vực đỉnh đồi và có chiều dầy lớp phủ từ 0 – 3 m.

Quy trình công nghệ  khai thác bauxite lộ thiên tương đối đơn giản. Sau khi cây cối trên bề mặt được cắt, lớp  đất đá phủ được bóc và lưu giữ gần nơi khai thác, bauxite được đào và xúc bằng máy xúc và sau đó được vận chuyển bằng ô-tô và băng tải tới phân xưởng tuyển rửa (washing plant). Sau khi được tuyển rửa bauxite được vận chuyển bằng băng tải về nhà máy tinh luyện alumin (alumina refinery).

Quặng bauxite chưa qua tuyển rửa thì được gọi là quặng bauxite nguyên khai hay quặng bauxite thô (crude bauxite). Quặng bauxite đã qua tuyển rửa được gọi là quặng tinh hay quặng cô đặc (concentrated bauxite).

Để có thể hình dung được mức độ sử dụng đất trong khai thác bauxite ta có thể lấy ví dụ tính toán sau đây: trên diện tích 1 km² của  mỏ Gia Nghĩa (đã được thăm dò) ta có thể khai thác được bao nhiêu tấn quặng bauxite nguyên khai?. Để tính toán ta lấy hình vuông có cạnh 1000 m và diện tích 1 km². Với chiều dầy thân quặng trung bình 4 m thì ta có thể đào được 4 triệu m³ (1000 m × 1000 m × 4 m) bauxite. Với trọng lượng riêng trung bình của bauxite là 1,6 tấn/ m³ thì khối lượng bauxite có thể khai thác trên 1 km² là khoảng 6,4 triệu tấn quặng nguyên khai. Với độ thu hồi tinh quặng sau tuyển rửa là 42,54 % thì ta có tổng lượng quặng tinh thu được trên 1 km² là 2,7 triệu tấn. Với hàm lượng oxyd nhôm trung bình là 49,74% thì với 2,7 triệu tấn quặng tinh này ta có thể sản xuất được khoảng 1,3 triệu tấn alumin. Nói cách khác việc khai thác bauxite trên một diện tích 1 km² có thể đủ cung cấp cho hoạt động của một nhà máy sản xuất alumin công suất 600.000 tấn/ năm trong hơn 2 năm.

Tuy nhiên việc khai thác bauxite không được thực hiện ngay một lúc ngay trên toàn bộ diện tích 1 km² mà được thực hiện dần dần trên từng ô nhỏ, đảm bảo cung cấp đủ bauxite cho hoạt động thường xuyên của nhà máy sản xuất alumin.  Để đủ bauxite cho một nhà máy sản xuất alumin công suất 600.000 tấn/năm (giả sử hoạt động 320 ngày/ năm) hoạt động trong 1 ngày người ta chỉ cần tới khoảng 3750 tấn quặng tinh (1.200.000/ 320) hay 8771 tấn quặng nguyên khai (tương đương với 5.482 m³ quặng) và với độ dầy trung bình thân quặng 4 m người ta chỉ cần khai thác bauxite trên một diện tích khoảng 1370 m², tức là một hình chữ nhật có cạnh 45 m × 30 m (bằng khoảng 1/5 diện tích sân bóng đá chuẩn có kích thước 105 m × 68 m).

Khai thác bauxite đảm bảo phát triển bền vững

Để thực hiện khai thác bauxite đảm bảo phát triển bền vững người ta tiến hành như sau: Trước khi khai thác một cuộc điều tra được tiến hành tại khu vực sẽ khai thác để thu thập thông tin đầy đủ và chi tiết về nguồn nước, đất đai, môi trường sinh thái bao gồm mọi loài động thực vật có trên khu vực. Các thông tin này được sử dụng làm cơ sở dữ liệu (base line) cho báo cáo đánh giá tác động môi trường. Các công ty khai thác bauxite cần thảo luận với chủ đất hoặc chính quyền địa phương các tiêu chí về phục hồi đất đai và môi trường sinh thái bao gồm các yêu cầu của chủ đất hay chính quyền địa phương về các tiêu chuẩn phục hồi đất đai, động thực vật sau khai thác. Những tiêu chí này cần phải đạt được khi đơn vị khai thác bàn giao các khu vực đã được phục hồi cho chủ đất (ví dụ cây phải cao bao nhiêu m, bao nhiêu phần trăm thảm động thực vật cần được phục hồi). Khu vực khai thác được chia làm nhiều ô nhỏ như đã nói ở trên. Việc hoàn thổ được thực hiện ngay sau khi hoàn thành việc khai thác bauxite trên từng ô bằng việc lấp lại lớp đất đá phủ, san phẳng bể mặt, phủ lớp đất mầu lên trên cùng và cầy sới làm tơi xốp đất. Việc phục hồi sinh thái như trồng cây, phát triển các loài động vật côn trùng tại khu vực đã khai thác sẽ được tiến hành tiếp theo trong một thời gian dài theo thỏa thuận giữa công ty khai thác bauxite và chủ đất hay chính quyền địa phương. Như vậy công việc hoàn thổ, phục hồi đất đai và môi trường được tiến hành song song với công việc khai thác để đảm bảo diện tích đất trong trạng thái bị đào bới là nhỏ nhất.

Tuyển rửa  bauxite

Quá trình loại bỏ  bớt tạp chất trong quặng để tăng hàm lượng khoáng chất  được gọi là quá trình làm giàu quặng (beneficiation process). Một trong những biện pháp làm giàu quặng là phương pháp tuyển rửa bằng nước (washing process). Phương pháp tuyển rửa áp dụng cho các loại bauxite có chứa nhiều tạp chất có thể tan trong nước như bùn sét. Bauxite ở Tây Nguyên có hàm lượng sét tương đối cao vì vậy cần được tuyển rửa trước khi đưa vào quá trình tinh luyện (refinery process) để tách alumin. Trong quá trình tuyển rửa quặng được sàng tuyển và rửa bằng nước, bùn sét hòa tan trong nước và quặng có độ hạt nhỏ hơn khe hở của lưới sàng được thải ra một hồ chứa. Quặng thải sau quá trình tuyển rửa được gọi là quặng đuôi (tailing). Quặng đuôi sẽ lắng trong hồ chứa quặng đuôi, còn nước sẽ được thu hồi đề tái chế sử dụng lại. Theo kết quả nghiên cứu tính khả tuyển của bauxite mỏ Gia Nghĩa, với lưới sàng có đường kính lỗ 1 mm, độ thu hồi của quá trình tuyển rửa là 51,13 %, hàm lượng oxyd nhôm tăng từ 40,3 % (của quặng nguyên khai) lên 50,51% (của quặng tinh). Quá trình tuyển rửa là cần thiết vì nó giảm chi phí vật tư (đặc biệt là xút NaOH) và chi phí vận hành trong công đoạn hòa tách và đồng thời giảm lượng bùn đỏ thải ra ở công đoạn hòa tách.

Cần nhấn mạnh rằng nước thải chứa quặng đuôi cũng có màu đỏ nhưng không phải là bùn đỏ (red mud). Do không chứa hóa chất nên nước bùn chứa quặng đuôi không phải là chất thải độc hại. Với hệ số thu hồi 50 % thì cứ 2 tấn quặng nguyên khai thì ta thu hồi được 1 tấn quặng tinh và thải ra 1 tấn quặng đuôi. Như vậy nếu quặng đuôi được thải ra một hồ chứa có độ sâu trung bình 4 m (bằng chiều dầy trung bình của thân quặng bauxite) thì diện tích hồ chứa cần phải bằng 50 % diện tích mỏ đã được khai thác. Vì vậy hồ chứa quặng đuôi phải có độ sâu tương đối lớn để giảm diện tích chiếm đất của hồ chứa. Lượng nước cần có cho quá trình tuyển rửa cũng là một vấn đề cần phải xem xét trong việc thu xếp nguồn cung cấp nước cho sản xuất.

Các công đoạn của quá trình sản xuất alumin

Bản chất của quá trình sản xuất alumin là việc tách oxyd nhôm ra khỏi quặng bauxite. Quy trình công nghệ để tách oxyd nhôm ra khỏi quặng bauxite được phát minh bởi Karl Bayer năm 1887 và do vậy quy trình này được đặt tên là quy trình Bayer. Quy trình Bayer gồm 3 công đoạn: 1/ Hòa tách (digestion); 2/ Kết tủa (precipitation) và 3/ Nung (calcinations).

Công đoạn hòa tách (digestion)

Quặng bauxite được nghiền  nhỏ và trộn với xút (NaOH) trong thùng chứa ở nhiệt độ và áp suất cao. Ở nhiệt độ và áp suất cao hydroxyd nhôm hòa tan trong xút thành aluminat natri (sodium aluminate) NaAl(OH)4 nổi lên trên còn các thành phần khác không bị hòa tan như oxyd sắt, oxyd silic, oxyd titan và các tạp chất khác thì lắng xuống dưới và được thải qua đáy thùng. Chất thải này được gọi là quặng bauxite thải (bauxite residue) hay bùn đỏ (red mud) vì có chứa oxyd sắt và có dạng sền sệt. Bùn đỏ được rửa bằng nước để thu hồi xút trước khi được thải ra bãi thải. Bùn đỏ được thải ở dạng lỏng thì được gọi là thải ướt và ở dạng cô đặc thì gọi là thải khô.

Phản ứng hóa học của quá trình hòa tách là:

Đối với bauxite loại gibbsite:

Al(OH)3 + Na+ + OH- —> Al(OH)4- + Na+   (*)

Đối với bauxite loại boehmite và diaspore:

AlO(OH) + Na+ + OH- + H2O —> Al(OH)4-  + Na+ (**)

Công đoạn này còn có  thể được gọi là công đoạn “tiêu hóa”  theo đúng nghĩa của từ “digestion” vì nó  giống quá trình tiêu hóa thức ăn trong hệ  tiêu hóa của con người (thức ăn được nghiền bằng răng và dạ dầy và đưa vào ruột, ở đó các chất dinh dưỡng được hấp thụ còn cặn bã thì được thải qua ruột già ra ngoài).

Công đoạn kết tủa (precipitation)

Dung dịch chứa aluminat natri NaAl(OH)4 được lọc sạch trước khi được đưa sang công đoạn kết tủa. Công đoạn kết tủa thực chất là một quá trình ngược của quá trình hòa tách.

Phản ứng hóa học của quá trình kết tủa là:

Al(OH)4- + Na+ —> Al(OH)3 + Na+ + OH-

Với các mầm kết tủa là các hạt oxyd nhôm, hydroxyd nhôm  Al(OH)3  kết tinh và lắng xuống đáy thùng.

Công đoạn nung (calcination)

Hydroxyd nhôm Al(OH)3 từ công đoạn kết tủa được đưa sang một lò nung để tách nước và thu được oxyd nhôm:

2Al(OH)3 —> Al2O3 + 3H2O

Quá trình sản xuất alumin được mô tả ở sơ đồ dưới đây.



 

Bùn  đỏ, lưu giữ và xử lý bùn đỏ

Như đã nói ở  trên bùn đỏ là quặng thải ở công đoạn hòa tách trong quá trình sản xuất alumin. Ngoài những thành phần vốn có trong quặng bauxite như oxyd săt, oxyd silic, oxyd titan và các tạp chất khác bùn đỏ còn có chứa một lượng nhỏ xút NaOH và dung dịch aluminat natri mà không thể thu hồi hết được. Số liệu dưới đây cho ta khái niệm chung về thành phần hóa học của bùn đỏ:

 

Fe2O3 30-60%
Al2O3 10-20%
SiO2 3-50%
Na2O 2-10%
CaO 2-8%
TiO2 Nguyên tố vết -10%

Những vấn  đề cần được quan tâm trong việc lưu giữ  và xử lý bùn đỏ

a. Việc lưu giữ  bùn đỏ chiếm một diện tích đất tương đối lớn

Lượng bùn đỏ thải ra trên một tấn alumin thành phẩm có thể dao động từ 0,3 tấn đối với bauxite chất lượng cao và 2,5 tấn đối với bauxite chất lượng thấp. Đối với bauxite của mỏ Gia Nghĩa (Đăk Nông) có hàm lượng oxyd nhôm trung bình là khoảng 50% thì cứ 1 tấn alumin được sản xuất thì có 1 tấn bùn đỏ được thải ra hồ chứa. Nói cách khác, cứ 4 tấn quặng nguyên khai được khai thác thì phải thải ra hồ chứa 1 tấn bùn đỏ. Từ đó suy ra là nếu hồ chứa bùn đỏ có chiều sâu trung bình 4 m (bằng chiều dầy trung bình của thân quặng bauxite) thì diện tích hồ chứa bùn đỏ bằng ¼ diện tích khu vực mỏ đã được khai thác. Để giảm diện tích chiếm đất hồ chứa bùn đỏ vì vậy cần phải có độ sâu lớn. Đối với phương pháp thải ướt (wet disposal), độ sâu tối đa của hồ chứa là 20 m. Đối với phương pháp thải khô nhiều lớp (dry stacking disposal), độ sâu tối đa có thể đạt tới 60 m.

b. Việc cô lập bùn đỏ ngăn không cho rò rỉ xuống đất hay khuếch tán ra môi trường xung quanh

Do có chứa xút NaOH nên bùn đỏ có độ kiềm cao (pH >12.5), vì vậy bùn đỏ cần phải được cô lập trong hồ chứa không cho rò rỉ hay khuếch tán ra môi trường xung quanh. Để cô lập bùn đỏ và ngăn bùn đỏ rò rỉ người ta xây dựng hồ chứa chống thấm hai lớp bao gồm một lớp đất sét dầy 0.5 m và một lớp vải nhựa PVC hoặc HDPE dầy 1.5 mm kết hợp với một hệ thống ống đặt trên lớp vải nhựa để thu hồi xút và dung dịch aluminat. Dưới đây là ảnh chụp cảnh thi công rải lớp vải nhựa chống thấm cho hồ bùn đỏ.



 

Do có nhiều hạt mịn nên khi khô bùn đỏ trên bề mặt dễ bị  khuếch tán vào không khí. Để ngăn các hạt bùn  đỏ khô khuếch tán vào không khí người ta bố  trí một hệ thống vòi phun nước quay (sprinklers system) để đảm bảo độ ẩm bề mặt của lớp bùn đỏ đã khô.
 


Sơ đồ phương pháp thải khô nhiều lớp của Alcoa of Australia
 

 

c. Tận dụng bùn đỏ

Bùn đỏ được trung hòa (khi giảm được độ pH) có thể được tận dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Đã có nhiều phương pháp trung hòa bùn đỏ được áp dụng bao gồm trung hòa bùn đỏ bằng nước biển hay khí cac-bo-nic CO2. Bùn đỏ sau khi được trung hòa có thể được sử dụng làm vật liệu xây dựng, phân bón. Người ta có thể trồng cây trên hồ chứa bùn đỏ đã được trung hòa.

Ghi chú:

    (*) Hoặc dưới dạng: Al2O3.3H2O + 2NaOH à 2NaAlO2 + 4H2O
    (**) Hoặc dưới dạng: Al2O3.H2O + 2NaOH à 2NaAlO2 + 2H2O

Tài liệu tham khảo

  1. The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition
  2. Website of International Aluminium Institute at http://www.world-aluminium.org
  3. Website of Red Mud Project at http://www.redmud.org/
  4. Website of Wikipedia at http://en.wikipedia.org/
  5. French-English Dictionary – Website at http://www.french-linguistics.co.uk/dictionary/
  6. Bauxite residue management – David Cooling, Alcoa World Alumina
  7. Processing of bauxite ores – Mylona, E., Kalamboki, T., Xenidis, A., National Technical University of Athens (NTUA) Laboratory of Metallurgy



Đinh Xuân Hùng

Master of Technology (IIT Bombay India, 1988)

Nguyên Quản lý  Cao cấp Phát triển Thương Mại, Cơ quan Thương Mại Chính      Phủ Australia – Đại sứ quán Australia

 Bauxite Việt Nam International http://bauvinal.info.free.fr  http://bauxitevietnam.free.fr