(Hóa học ngày nay-H2N2)-Bài viết được sưu tầm từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau trên mạng internet, với mục đích tạo ra một cái nhìn tổng quan từ quá trình hình thành, khai thác, chế biến và sử dụng quặng bauxite đến việc sản xuất nhôm. Những tác động của việc khai thác, sử dụng bauxite đến môi trường sống và tác động đến con người trên hành tinh.
Phần 1: Tổng quan về bauxite
Quặng bauxite là loại quặng phổ biến nhất được tìm thấy trong lớp vỏ của trái đất, thuật ngữ “bauxite” được sử dụng để gọi tên một loại khoáng sản có chứa hơn 32% alumina (Al2O3). Bauxite hình thành trên các loại đá có hàm lượng sắt thấp hoặc sắt bị rửa trôi trong quá trình phong hóa.
Quá trình hình thành trải qua các giai đoạn:
– Phong hóa và nước thấm lọc vào trong đá gốc tạo ra ôxít nhôm và sắt
– Làm giàu trầm tích hay đá đã bị phong hóa bởi sự rửa trôi của nước ngầm
– Xói mòn và tái tích tụ bauxite.
Quá trình này chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như a) đá mẹ chứa các khoáng vật dễ hòa tan và các khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và sắt, b)độ hổng có hiệu của đá cho phép nước thấm qua, c) ở có lượng mưa cao xen kẽ các đợt khô hạn ngắn, d) hệ thống thoát nước tốt, e)khí hậu nhiệt đới ẩm, f) có mặt lớp phủ thực vật với vi khuẩn. Theo một mô hình mô phỏng quá trình này thì giá trị pH thích hợp đạt khoảng 3,5-4,0 [1]
Thành phần khoáng vật
Bauxite tồn tại ở 3 dạng cấu trúc chính tùy thuộc vào số lượng phân tử nước chứa trong nó và cấu trúc tinh thể gồm: gibbsit Al(OH)3, boehmit γ-AlO(OH), và diaspore α-AlO(OH),
Gibbsite có hàm lượng alumina tối đa là 65,4%
Böhmite và diaspore cả hai đều có hàm lượng alumina tối đa là 85%.
Trong số bauxite hiện đang được khai thác, phổ biến nhất là gibbsite, sau đó là hỗn hợp của gibbsite và böhmite.
Cùng với bauxite còn có các khoáng vật oxit sắt goethit và hematit, các khoáng vật sét kaolinit và đôi khi có mặt cả anata TiO2. Mỗi dạng cấu trúc của bauxite có những đặc tính khác nhau tạo nên những mục đích khai thác và sử dụng khác nhau.
Gibbsit là hydroxit nhôm thực sự còn boehmit và diaspore tồn tại ở dạng hidroxit nhôm ôxít. Sự khác biệt cơ bản giữa boehmit và diaspore là diaspore có cấu trúc tinh thể khác với boehmit, và cần nhiệt độ cao hơn để thực hiện quá trình tách nước nhanh.[3]
Ba dạng cấu trúc khác nhau của bauxite có thể phân loại thành 2 nhóm dựa vào hàm lượng nước khác nhau đó là: monohydrates và trihydrates.
Trihydrates bao gồm gibbsite và böhmite được tìm thấy ở châu Mỹ Latinh và vùng Caribê
Thành phần hóa học của bauxite
Thành phần hóa học chủ yếu (quy ra ôxít) là Al2O3, SiO2, Fe2O3, CaO, TiO2, MgO… trong đó, hydroxit nhôm là thành phần chính của quặng. [5]
| Thành phần hóa học | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | SiO2 | TiO2 | MgO | Mất khi đốt |
| % theo khối lượng (%) | 55,6 | 4,5 | 4,4 | 2,4 | 2,8 | 0,3 | 30 |
Bauxite của Việt Nam có tỷ lệ giữa oxide nhôm và oxide silic (gọi là modun silic-ký hiệu là µsi) lớn hơn 2. [6]
Sự phân bố của bauxite
Các quặng bôxít phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới, Caribe, Địa Trung Hải và vành đai xung quanh xích đạo, người ta tìm thấy quặng bôxít ở các vùng lãnh thổ như Úc, Nam và Trung Mỹ (Jamaica, Brazil, Surinam, Venezuela, Guyana), châu Phi (Guinea), châu Á (Ấn Độ, Trung Quốc, Việt Nam), Nga, Kazakhstan và châu Âu (Hy Lạp). [4]
Từ nguồn gốc hình thành dẫn đến việc thành tạo hai loại mỏ bauxit:
– Loại phong hóa được hình thành do quá trình laterit hóa chỉ diễn ra trong điều kiện nhiệt đới trên nền đá mẹ là các loại đá silicat: granit, gneiss, bazan, syenite và đá sét. Khác với quá trình hình thành laterit sắt, sự hình thành bauxite đòi hỏi điều kiện phong hóa mạnh mẽ hơn và điều kiện thủy văn thoát nước rất tốt cho phép hòa tan và rửa trôi kaolinite và hình thành lắng đọng nên gibbsit. Đới giàu hàm lượng nhôm nhất thường nằm ngay dưới lớp mũ sắt. Dạng tồn tại chủ yếu của hydroxit nhôm trong bauxit laterit chủ yếu là gibbsit. Tại Việt Nam, bauxit Tây Nguyên được hình thành theo phương thức này trên nền đá bazan.
– Loại trầm tích có chất lượng tốt và có giá trị công nghiệp. Loại này được hình thành bằng con đường phong hóa laterit trên nền đá cacbonat như đá vôi và dolomit xen kẽ các lớp kẹp sét tích tụ do phong hóa sót hay do lắng đọng phần khoáng vật sét không tan khi đá vôi bị phong hóa hóa học.
Trữ lượng bauxite trên thế giới
Thân quặng bô xít tồn tại ở 4 dạng: lớp phủ, túi, xen kẹp và mảnh vụn [3]
- Các dạng lớp phủ lớn xuất hiện ở tây Phi, Úc, Nam Mỹ và Ấn Độ, bao gồm các lớp bằng phẳng nằm gần bề mặt và có thể trãi dài hàng km. Chiều dày có thể thay đổi từ ít hơn một mét đến 40m, trong các trường hợp chấp nhận được thì bề dày trung bình khoảng 4-6m.
- Dạngtúi được tìm thấy ở Jamaica và Hispaniola, cũng như miền nam châu Âu, bô xít phân bố ở độ sâu trong các võng này từ ít hơn 1m đến hơn 30m. Trong một số trường hợp, các túi này nằm riêng biệt, trong khi các khu vực khác các vùng võng chồng lấn nhau và tạo thành các mỏ lớn.
- Dạng xen kẹp được được tìm thấy ở Hoa Kỳ, Suriname, Brazil, Guyana, Russia, Trung Quốc, Hungary và khu vực Địa Trung Hải. Ban đầu chúng nằm trên bề mặt sau đó bị các đá hình thành sau phủ lên thường gặp ở dạng đá núi lửa. Loại quặng này thường có kết cấu chặt hơn các loại khác do nó bị nén bởi các lớp đá nằm trên.
- Dạng mảnh vụn chỉ các tích tụ quặng được tạo thành từ sự xói mòn bôxít (kiểu trầm tích ở trên) ví dụ như bôxít Arkansas ở Hoa Kỳ.
Bản đồ phân bố bauxite trên thế giới
Ở Việt Nam, bauxite phân bố phổ biến ở các tỉnh: Cao Bằng, Hà Giang, Lạng Sơn và Tây nguyên. Ở các tỉnh phía Bắc, bauxite là các ổ, các phễu và dạng cột xuyên lên vào giao điểm các đứt gẫy địa chất (chủ yếu là giao điểm của 4 đứt gẫy, lấp đầy các hang động karsto, và phủ bất chỉnh hợp lên các đá cổ hơn ( người ta nhầm bauxite trầm tích) dưới dạng các lớp dăm, cuội dung nham đã phong hóa thành sét-kaolin chứa quặng bauxits dạng bom núi lửa, dạng dăm – cuội.
Ở Tây nguyên, bauxite có thân quặng dăm, cuội dung nham chứa bauxit dạng cột, dạng phễu và dạng dòng chảy phủ lên đá bazan và các trầm tích cổ hơn. Phần trên mặt lộ ra trên mặt đất và trên mực nước tĩnh, lớp dăm cuội dung nham này bị laterit hóa rất rắn chắc; nhưng ngay dưới lớp laterit sẽ là đá cổ hơn, hoặc nếu dưới mực nước tĩnh sẽ gặp “cuội, sỏi, cát, sét – kaolin chứa bauxite và quặng đa khoáng” giống quặng sa khoáng.
Mặt cắt địa chất bauxite ở cao nguyên miền Trung [8]
Các tài liệu chưa nói đến là: trong laterit và trong quặng sa khoáng luôn có sulfua đa kim và các khoáng vật nặng, trong đó có vàng, thiếc, và có thể có vật liệu phóng xạ. Từ quan sát và phân tích thực tế, có thể kết luận: bauxite Việt Nam, nói riêng, thế giới nói chung, có nguồn gốc nội sinh kiểu á núi lửa. Quặng chỉ có ở vùng họng núi lửa và vùng phụ cận do quy mô núi lửa và địa hình khi núi lửa phun trào quặng bauxite. Quy mô của bauxite phụ thuộc vào quy mô của núi lửa mang quặng.
Các khu vực có bauxite ở Việt Nam [8]
Lịch sử khai thác và sử dụng bauxite
Bauxite được sử dụng từ rất lâu trước khi chúng được dùng để tinh luyện ra nhôm.
Ở Guyana nó được sử dụng để làm vật liệu xây dựng nhà với tên gọi là “bùn nâu” mà sau này được gọi là bauxite. Loại vật liệu này còn được sử dụng để làm bình đựng và các đồ gia dụng trong gia đình trước đây.
Cho mãi đến năm 1825 khi nhà hóa học Đan Mạch, Hans Oerstad đã tách được một lượng nhỏ nhôm từ bauxite, từ đó về sau những quy trình tách nhôm từ bauxite bắt đầu được hình thành.
Năm 1886 Charles Hall người Mỹ và Paul Heroult trong những nghiên cứu độc lập đã đề xuất quá trình điện phân alumina để sản xuất nhôm kim loại.
Năm 1889 Karl Bayer giới thiệu quy trình Bayer nhằm tách một lượng lớn nhôm từ quặng bauxite.
Với quy trình này cần bốn đến sáu tấn bauxite để sản xuất ra hai tấn alumina từ đó sản xuất ra một tấn nhôm.
Theo số liệu năm 1998 tổng diện tích khai thác bauxite là 1.591 ha (3.929,77 acres) trong đó 80% diên tích là khu vực sống của các loài động vật hoang dã, 175 ha (432,25 acres) là khu rừng nhiệt đới và 577 ha (1.425,19 acres) nằm trong vùng có hệ động vật quan trọng13.
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. Trong đó giai đoạn chế biến alumina và luyện nhôm được thực hiện theo 2 quy trình: quy trình Bayer-chế biến bauxite thành alumina và quy trình Hall-Heroult- điện phân alumina thành nhôm.
Quy trình Bayer
Công nghệ Bayer được Karl Bayer phát minh vào năm 1887. Khi làm việc ở Saint Petersburg, Nga ông đã phát triển từ một phương pháp ứng dụng alumina cho ngành công nghiệp dệt (nó được dùng làm chất ăn mòn trong việc nhuộm sợi bông), vào năm 1887 Bayer đã phát hiện rằng nhôm hydroxit kết tủa từ dung dịch kiềm ở dạng tinh thể và có thể tách lọc và rửa dễ dàng, trong khi nó kết tủa bởi sự trung hòa dung dịch trong môi trường axít thì ở dạng sệt và khó rửa sạch.
Một vài năm trước đó, Louis Le Chatelier ở Pháp đã phát triển phương pháp để tạo ra alumina khi nung bauxit trong natri cacbonat, Na2CO3, ở 1200°C, tạo ra natri aluminat (NaAlO2) và nước, sau đó tạo kết tủa nhôm hidroxit bằng carbon dioxide, CO2, tiếp theo nhôm hidroxit được đem đi lọc và làm khô. Quá trình này bị lãng quên khi phương pháp của Bayer ra đời.
Theo đó đầu tiên bauxite được nghiền và trộn lẫn với hóa chất (natri hydroxit/xô đa, vôi). Sau đó, nó được bơm vào bình chịu áp lực rất lớn và nước nóng, sau đó thêm hóa chất (vôi để tái sinh xút) được thêm vào, và alumina ngậm nước được kết tinh từ dung dịch sau khi được tạo mầm với các tinh thể trihydrat. Những tinh thể này sau đó được rửa sạch và nung nóng ở nhiệt độ rất cao để đuổi hết nước cho đến khi được dạng bột màu trắng. Đây là alumina hoặc nhôm oxide.
Sơ đồ quy trình Bayer [9]
Alumina phải được tinh chế trước khi có thể sử dụng để điện phân sản xuất ra nhôm kim loại.
Các thành phần hóa học khác trong bauxit không hòa tan theo phản ứng trên được lọc và loại bỏ ra khỏi dung dịch tạo thành bùn đỏ, quặng đuôi hay đuôi quặng của loại quặng bauxit. Chính thành phần bùn đỏ này gây nên vấn nạn môi trường về vấn đề đổ thải giống như các loại quặng đuôi của các khoáng sản kim loại màu nói chung. Tiếp theo, dung dịch hydroxit được làm lạnh và hydroxit nhôm ở dạng hòa tan phân lắng tạo thành một dạng chất rắn, bông, có màu trắng. Khi được nung nóng lên tới 1050°C (quá trình canxit hóa), hydroxit nhôm phân rã vì nhiệt trở thành alumina và giải phóng hơi nước
Công nghệ này trở nên rất quan trọng trong ngành luyện kim cùng với những phát minh về điện phân nhôm vào năm 1886. Cùng với phương pháp xử lý bằng xyanua được phát minh vào năm 1887, công nghệ Bayer khai sinh ra lĩnh vực luyện kim bằng nước hiện đại.
Ngày nay, công nghệ này vẫn không thay đổi và nó tạo ra hầu hết các sản phẩm nhôm trung gian trên thế giới.
Quy trình Hall-Heroult [10]
Công nghệ Hall – Héroult là quá trình tách nhôm theo phương pháp điện phân nóng chảy có sử dụng cryolit (sodium aluminum fluoride, Na3AlF6) là chất xúc tác để giảm độ nóng chảy của tinh quặng alumina.
Phương pháp Hall-Héroult có thể luyện 2 tấn alumina thành 1 tấn nhôm nhưng đòi hỏi rất nhiều điện năng (khoảng 15.7 kWh/kg hay 15.7 MWh/tấn nhôm). Ðó chính là lý do tại sao các nhà máy luyện nhôm trên thế giới được đặt gần các nguồn điện rẻ và dồi dào (thủy điện, khí đốt, than, hay nguyên tử).
Hỗn hợp dung dịch cryolit với tinh quăng alumina đã bị hòa tan được điện phân khiến nhôm ở thể lỏng chuyển dịch về phía cathode và tích tụ ở trên dương cực này trong khi đó cực âm anode bằng C bị oxi hóa thành carbon đioxit. Nguồn điện được sử dụng bởi rất nhiều lò luyện nhôm như trên thường có điện thế rất thấp (thường 3-5 V), nhưng đòi hỏi dòng phải lớn – trong mỗi một buồng điện phân cường độ dòng có thể từ 220kA lên đến 340kA.
Hàng trăm buồng điện phân được mắc nối tiếp và nối với điện năng nguồn từ một máy biến thế chuyển đổi điện thế từ 110kV hay từ nguồn điện nhà máy có điện thế cao hơn của nhà cung cấp xuống còn có điện thế 1-2 kV. Dòng điện có tải lớn được chạy qua các thanh nối lớn (các thanh này thường được mạ nhôm). Các buồng tự tăng nhiệt độ do chính dòng điện chạy qua để lên tới nhiệt độ điện phân, và hệ thống điều biến anode thay đổi dòng điện chạy qua bằng cách nâng lên hay hạ xuống thanh anode và do đó thay đổi trở kháng của buồng điện phân. Khi cần, một thanh nối được cho tiếp xúc để hình thành nên mạch rẽ (tức mắc sun).
Nhôm lỏng được tách ra nhờ một xi phông và một máy hút (để tránh phải sử dụng máy bơm và val chịu nhiệt độ cao). Nhôm lỏng được chuyển vào các thùng chứa hay được đưa ngay qua các đường ống dẫn liên tục và chịu nhiệt sang các cơ sở mạ. Nhôm kim loại sau đó hoặc được mạ thành hình dạng cuối cùng với các hợp kim khác hay được mạ vào các thỏi vật liệu tạp khác để sau đó bán cho các cơ sở luyện kim để tái luyện.
Lò điện phân alumin Hall-Heroult
Trong khi, cryolit dạng rắn có tỷ trọng cao hơn nhôm (dạng rắn) trong điều kiện nhiệt độ trong phòng, sản phẩm nhôm lỏng lại có tỷ trọng lớn hơn cryolit nóng chảy khi ở vào khoảng 1000°C, và vì thế lắng xuống đáy của thùng chứa, sau đó được định kỳ hút ra (điều này giúp cho nhôm lỏng khỏi bị oxy hóa bởi không khí do nằm bên dưới cryolit nóng chảy). Phần trên và thành của thùng chứa (tức chính là buồng điện phân) được phủ lớp vỏ bằng cryolit dạng rắn đóng vai trò làm lớp cách nhiệt. Trở kháng bên trong thùng chứa (cũng là buồng điện phân) đủ để giữ cryolit luôn nóng chảy.
Khi lượng alumina đã bị chuyển hóa trong dung môi cryolit thì một lượng alumina bổ sung được đưa vào qua một hệ thống phễu để luôn duy trì hàm lượng cần thiết của alumina trong dung dịch. Phần bên trên của thùng chứa không cho phép lượng alumina bổ sung được đưa vào và do vậy định kỳ phải phá phần trên nắp của thùng để bổ sung alumina vào hỗn hợp dung dịch điện phân.
Khí thoát ra từ quá trình điện phân được thu hồi bởi hệ thống phễu thu khí và thoát ra ngoài. Khí thải chủ yếu là CO2 do quá trình ăn mòn âm cực (anode) sinh ra và hydro florua (HF) được sinh ra từ dung dịch hỗn hợp cryolit. HF là một chất khí có tính ăn mòn cao nhất là đối với các bề mặt phủ kính nên cần cẩu và các thiết bị hạng nặng dùng trong khai mỏ hay trong nhà máy tuyển luyện nhôm cần được che phủ hết các cửa sổ và cửa chắn gió bằng các tấm phim nhựa. Khí HF thường được xử lý trong các nhà máy xử lý khí thải liền kề, trong đó khí HF được cho hòa tan vào trong nước làm trung hòa khả năng ăn mòn của khí. Các thành phần bụi trong khí thải (PM) cũng được thu và tái sử dụng thông qua các phương pháp tĩnh điện hay các túi lọc. Thành phần khí thải còn lại (chủ yếu là CO2) được thải vào không khí, tuy nhiên ngay cả khi xử lý khí thải đúng mực như trên vẫn sẽ góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính.
Dòng điện có cường độ lớn trong quá trình điện phân cũng tao ra từ trường mạnh và gây ra các lực từ thủy động lực học có thể xáo trộn nhôm ra khỏi vị trí đúng ra là phải ở đáy thùng. Quá trình xáo trộn nhôm này một mặt giúp các quá trình phản ứng với nhôm diễn ra hoàn toàn hơn nhưng mặt khác lại làm giảm độ tinh của sản phẩm nhôm (làm tăng các thành phần tạp chất trong sản phẩm nhôm thương phẩm) do các vật liệu khác nhau bị trộn lẫn hoàn toàn. Theo một kỹ thuật khác buồng điện phân được vận hành trong điều kiện được gọi tên là bồn aluminium thủy tĩnh trong đó các thành phần tạp chất hoặc nổi lên trên hoặc chìm xuống dưới và để nhôm tinh khiết dạng lỏng ở giữa.
Các lò luyện nhôm thường được đặt tại những khu vực có tiềm năng thủy điện, nhiệt điện, năng lượng tái tạo như gió lớn và có tính kinh tế cao. Các lò luyện nhôm sử dụng công nghệ điện phân đòi hỏi nguồn điện ổn định để hoạt động được tối đa công suất và giúp tăng tải lượng tối thiểu để yếu tố cầu của công tác kinh doanh điện trở nên ổn định hơn và ít biến động hơn; do vậy có thể giúp cho toàn bộ hệ thống phát dẫn và truyền tải điện tổng thể trở nên có tính kinh tế hơn đối với người dùng cuối.
Hoahocngaynay.com
Còn nữa…
Phần 2. Tác động xã hội liên quan đến khai thác bauxite
Tài liệu tham khảo
1. http://vi.wikipedia.org/wiki/Bô_xít
3. http://www.world-aluminium.org/About+Aluminium/Production/Bauxite+mining/Geology+of+Bauxite
4. Bauxite Mining and the Environment
5. “Biobeneficiation of bauxite using Bacillus polymyxa: calcium and iron removal”. International Journal of Mineral Processing. Elsevier Science B.V.. 11 1996. pp. tr.51-60.
6. http://www.ciren.gov.vn/index.php?option=com_vanbans&id=861&Itemid=54. Quyết định về việc ban hành Quy định về thăm dò, phân cấp trữ lượng và tài nguyên bauxit
7. http://www.hs.wisd.org/ddaughenbaugh/Pictures/alcoa_aluminum_smelter_and_mine.htm
8. Nguyễn Thanh Liêm. 22 tháng 10 năm 2008. “Tổng quan về tài nguyên quặng Bauxite và Quy hoạch phân vùng thăm dò, khai thác, chế biến, sử dụng quặng bauxite giai đoạn 2007-2015 có xét đến năm 2025.” Hội thảo Gia Nghĩa 22- 23/10/2008. Ðắk Nông, Việt Nam.
9. Wikipedia. The Free Encyclopedia. “Bayer Process.” http://en.wikipedia.org/wiki
10. Wikipedia. The Free Encyclopedia. “Hall-Héroult Process.” http://en.wikipedia.org/wiki
<
p style=”text-align: justify;”>
