Đôi nét về quá trình hình thành, khai thác, chế biến bô xít và sản xuất alumin-nhôm

Quá trình hình thành bô xít

Bô xít 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 oxit 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 bô xít.

Quá trình này lại chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như đá mẹ chứa các khoáng vật này bị rửa trôi chỉ để lại nhôm và sắt, độ hổng của đá cho phép nước thấm qua, ở nơi có lượng mưa cao xen kẽ các đợt khô hạn ngắn, hệ thống thoát nước tốt, khí hậu nhiệt đới ẩm, 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.

Bô xít 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). Gibbsit có hàm lượng alumin tối đa là 65,4% Boehmit và diaspore cả hai đều có hàm lượng alumin tối đa là 85%.

Trong số bô xít hiện đang được khai thác, phổ biến nhất là gibbsite, sau đó là hỗn hợp của gibbsite và boehmite. Cùng với bô xít còn có các khoáng vật oxit sắt goethit và hematit, các khoáng vật sét kaolinit và đôi khi có mặt cả anata TiO 2 .

Mỗi dạng cấu trúc của bô xít 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 ôxit.

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 thcj hiện quá trình tách nước nhanh. Ba dạng cấu trúc khác nhau của bô xit có thể phân loại thành 2 nhóm dựa vào hàm lượng nước khác nhau, đó là: monohydrates và trihydrates.

Trên thế giới, quặng bô xít phân bố chủ yếu ở khu vực nhiệt đới, Địa Trung Hải và vành đai xung quanh xích đạo. Người ta tìm thấy quặng bô xít 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) và châu Âu (Hy Lạp, Nga). Từ nguồn gốc hình thành dẫn đến việc tạo thành hai loại mỏ bô xít:

- 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 bô xít 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 bô xít laterit chủ yếu là gibbsit. Tại Việt Nam , bô xít Tây Nguyên được hình thành theo phương thức 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.

Thân quặng bô xít tồn tại ở 4 dạng: (1) 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 trải 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; (2) Dạng túi: 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; (3) Dạng xen kẹp: 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 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; (4) Dạng mảnh vụn chỉ các tích cụ quặng được tạo thành từ sự xói mòn bô xít (kiểu trầm tích ở trên) ví dụ như bô xít Arkansas ở Hoa Kỳ.

Tổ hợp Bô-xít Tân Rai tại Lâm Đồng Ảnh: Phạm Dung

Ở Việt Nam, bô xít phân bố phổ biến ở các tỉnh phía Bắc (Cao Bằng, Hà Giang, Lang Sơn…) và Tây Nguyên (Đắk Nông, Lâm Đồng, Kon Tum…). Ở các tỉnh phía Bắc, bô xít là các ổ, các phễu và dạng cột xuyên lên vào giao điểm các đứt gãy địa chất (chủ yếu là giao điểm của 4 đứt gãy, lấp đầy các hang động karsto, và phủ bất chỉnh hợp lên các đá cổ hơn (người ta nhầm bô xít trầm tích) dưới dạng các lớp dăm, cuội dung nham đã phong hóa thành sét-kaolin chứa quặng bô xít dạng bom núi lửa, dạng dăm cuội.

Ở Tây Nguyên, bô xít có thân quặng dăm, cuội dung nham chứa bô xít 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 bô xít và quặng đa khoáng” giống quặng sa khoáng.

Từ quan sát và phân tích thực tế, có thể kết luận: bô xít 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 bô xít. Quy mô của bô xít phụ thuộc vào quy mô của núi lửa mang quặng.

Khai thác và sử dụng bô xít

Bô xít được sử dụng từ rất lâu trước khi chúng được dùng để tinh luyện ra nhôm. Ở một nước vùng Nam Mỹ như Guyana, nó được sử dụng để làm vật liệu xây dựng nhà với tên gọi là “bùn nâu” mà sau này được gọi là bô xít.

Loại vật liệu này còn được sử dụng để làm bình đựng các đồ gia dụng trong gia đình.

Năm 1825, nhà hóa học Đan Mạch, Hans Oerstad đã tách được một lượng nhỏ nhôm từ bô xít, từ đó về sau, những quy trình tách nhôm từ bô xít 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 alumin để sản xuất nhôm kim loại.

Năm 1889, Karl Bayer nhằm tách một lượng lớn nhôm từ quặng bô xít. Với quy trình này cần bốn đến sáu tấn bô xít để sản xuất ra hai tấn alumin từ đó sản xuất ra một tấn nhôm.

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 bô xít, chế biến alumin và luyện nhôm.

Trong đó, giai đoạn chế biến alumin và luyện nhôm được thực hiện theo 2 quy trình: quy trình Bayer-chế biến bô xít thành alumin và quy trình Hall-Heroult-điện phân alumin thành nhôm.

Quy trình Bayer

Công nghệ Bayer được Karl Bayer sáng tạo vào năm 1887. Khi làm việc ở Saint Petersburg, Nga ông đã phát triển từ một phương pháp ứng dụng alumin 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 axit 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 alumin khi nung bô xít trong natri cacbonat, Na 2CO 3, ở 1200 0C, tạo ra natri alumint (NaAlO 2) và nước, sau đó tạo kết tủa nhôm hidroxit bằng cacbon dioxide, CO 2, tiếp theo nhôm hydroxit được đem đi lọc và làm khô. Quá trình này bị lãng quên khi phương pháp của Bayer ra đời.

Theo đó, đầu tiên bô xít 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 alumin 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 alumin hoặc nhôm oxide.

Alumin 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 bô xít 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 bô xít. Chính thành phần bùn đỏ này gây nên vấn nạn môi trường, 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 lắng tạo thành một dạng chất rắn, bông, có màu trắng. Khi được nung nóng lên tới 1050 oC (quá trình canxit hóa), hydroxit nhôm phân rã vì nhiệt trở thành alumin và giải phóng hơi nước.

Công nghệ này trở nên rất quan trọng trong ngành luyện kim cùng với 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

Công nghệ Hall-Heroult là quá trình tách nhôm theo phương pháp điện phân nóng chảy có sử dụng cryolit (sodium aluminum fluoride, Na 3AlF 3) là chất xúc tác để giảm độ nóng chảy của tinh quặng alumin.

Phương pháp Hall-Heroult có thể luyện 2 tấn alumin thành 1 tấn nhôm nhưng đòi hỏi rất nhiều điện năng (khoảng 15,7 kWh/kg hay 15,7 MWh/tấn nhôm). Đó 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 quặng alumin 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 carbon bị oxi hóa thành carbon dioxit.

Nguồn điện được sử dụng bởi rất nhiều lò luyện nhôm như trên thường có điện thế rất thấp (thường 3-5V), 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 1-2kV. Dòng điện có tải lớn được chay 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 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.

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 ở 1.000oC và lắng xuống đáy của thùng chứa, sau đó được định kỳ hút ra (điều này giúp cho nhôm lỏng khỏi bị ôxy hóa bởi không khí do nằm bên dưới cryolit nóng chảy).

Phần trên và thành của thùng chứa (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 alumin đã bị chuyển hóa trong dung môi cryolit thì một lượng alumin bổ sung được đưa vào qua một hệ thống phễu để luôn duy trì hàm lượng cần thiết của alumin trong dung dịch. Phần bên trên của thùng chứa không cho phép lượng alumin bổ sung được đưa vào và do vậy định kỳ phải phá phần trên nắp của thùng để bổ sung alumin 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 tâm 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 tạo 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 cá 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 thẻ 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.