Ảnh hưởng của một số yếu tố tới phân huỷ dung dịch natrialuminat từ hoà tách bauxit Bảo Lộc

Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, tỷ lệ mồi kết tủa Al(OH)₃ và thời gian tới mức độ phân huỷ của dung dịch natrialuminat từ hoà tách quặng tinh bauxit Bảo lộc ở điều kiện áp suất thấp.

Influence of some parameters on the decomposition of NaAl(OH)₄ solution obtained from digestion of Baoloc bauxite

Trương Ngọc Thận, Vũ Chất Phác Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tóm tắt

   Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, tỷ lệ mồi kết tủa Al(OH)₃ và thời gian tới mức độ phân huỷ của dung dịch natrialuminat từ hoà tách quặng tinh bauxit Bảo lộc ở điều kiện áp suất thấp. Mức độ phân huỷ đạt 54,63% và Al(0H)₃ thu được có độ sạch 98% với chế độ tối ưu được xác định qua nghiên cứu .

Abstract

   This article presents the influence of some technological parameters such as: temperature, ratio of seed alu- minium hydrate and holding time on the decomposition of NaAl(OH)₄ solution obtained from degestion of Baoloc bauxite under low pressure. The recovery of decomposition may reach 54,63% by optimal experimental conditions and the purity of obtained Al(OH)₃ is 98%.

1. Đặt vấn đề

   Dung dịch natrialuminat phân huỷ để tạo ra nhôm hyđrôxít kết tủa theo phản ứng

NaAl(OH)₄+ nH₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH+ nH₂O

   Đây là một quá trình phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trước hết là nồng độ dung dịch, nhiệt độ, thời gian phân huỷ và tỷ lệ mồi kết tủa Al(OH)₃ ... Khi xác định điều kiện tối ưu của phân huỷ cần xét đến ảnh hưởng của khâu này tới các khâu khác trong toàn bộ quy trình Bayer sản xuất alumin.

   Mức độ phân huỷ (η) hay còn gọi là thu hoạch nhôm hydroxit được tính bằng %. Đó là tỷ số khối lượng Al(OH)₃ kết tủa ra so với khối lượng Al(OH)₃ có trong dung dịch ban đầu. Cũng có thể xác định thu hoạch trên cơ sở môđun côstic của dung dịch ban đầu (α_cđ) và sau phân huỷ (α_cc) theo biểu thức:

η = (1-α_cc/α_cđ)x100% ( 1 )

   Nhiệt độ là yếu tố có ảnh hưởng lớn tới mức độ phân huỷ. Từ giản đồ trạng thái cân bằng hệ Al₂O₃ – Na₂O - H₂O suy ra độ quá bão hoà của Al₂O₃ sẽ giảm khi tăng nhiệt độ, do đó độ bền của dung dịch sẽ tăng, tốc độ phân huỷ giảm. Trong thực tế, quá trình phân huỷ được tiến hành qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1- tạo mầm, tích tụ mầm ở nhiệt độ cao hơn, giai đoạn 2 - phát triển mầm.

   Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch thể hiện như sau: dung dịch có nồng độ cao, thì tốc độ phân huỷ nhỏ, các dung dịch có nồng độ thấp hoặc loãng thì ngược lại, mức độ phân huỷ cao. Môđun costic (α_c) là chỉ tiêu đánh giá độ bền hay độ bão hoà của dung dịch. Khi α_c càng nhỏ thì dung dịch càng phân huỷ nhanh.Trong thực tế, nồng độ Al₂O₃ của dung dịch cho phân huỷ khoảng 120 ÷ 230 g/l Al₂O₃ và α_c =1,4 ÷ 1,8.

   Phụ thuộc vào thời gian theo quy luật: ở thời điểm đầu tốc độ phân huỷ tăng nhanh, sau đó giảm dần cho tới giá trị không đổi, có nghĩa quá trình đạt cân bằng.

   Để tăng tốc độ phân huỷ, cần sử dụng mồi kết tủa Al(OH)₃ từ chu trình phân huỷ trước. Tỷ lệ mồi được tính bằng lượng Al(OH)₃ đưa vào so với lượng Al(OH)₃ có trong dung dịch. Ngoài ra, khuấy trộn cũng có tác dụng tốt đối với phân huỷ.

2. Thực nghiệm

Dung dịch natrialuminat, mồi kết tủa và thiết bị phân huỷ

   Các dung dịch natrialuminat từ hoà tách ở nhiệt độ 140°C dùng cho nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, tỷ lệ mồi kết tủa và thời gian tới mức độ phân huỷ được ký hiệu lần lượt là: M1, M2, M3, M4, M5 với thể tích 2,5 lít và có thành phần như trong bảng 1.

Bảng 1. Thành phần các mẫu dung dịch cho phân huỷ

   Mồi kết tủa Al(OH)₃ có độ sạch 98%, độ ẩm 15%. Số lượng mồi (Mm) được tính theo công thức:

   trong đó:

A – nồng độ Al₂O₃ [g/l] ; a - Độ ẩm [%] ; V – Thể tích dung dịch [l] .

   Quá trình phân huỷ được tiến hành trong thiết bị hoà tách với dung tích 5 lít có cơ cấu khuấy trộn, hệ thống gia nhiệt bằng điện trở và ổn nhiệt tự động.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ảnh hưởng của nhiệt độ được xét với các mẫu M1, M2, M3.

   Theo [1,2,3], nhiệt độ được chọn cho khảo sát ảnh hưởng tới mức độ phân huỷ ở giai đoạn 1 là 75°C và ở giai đoạn 2 là 45-55-65°C. Việc không chọn nhiệt độ < 45°C vì lý do nhôm hydrôxit kết tủa ra rất mịn, gây khó khăn cho lắng lọc, tổn hao lớn khi nung và điện phân. Còn ở gần 100°C dung dịch sẽ rất bền, khả năng phân huỷ thấp. Như vậy, nhiệt độ và các thông số khác lựa chọn cho xét ảnh hưởng này như sau :

   * Giai đoạn 1: nhiệt độ 75°C, thời gian 6h, tốc độ khuấy 60v/ph, nạp 1/2 tổng mồi.

   * Giai đoạn 2: 45, 55, 65°C ; 50 h; tốc độ khuấy 60v/ph và nạp nốt mồi còn lại.

   * Tỷ lệ mồi :

   1. Theo công thức (2), lượng mồi cho phân huỷ các mẫu M1, M2, M3 ~ 586 g Al(OH)₃

   Trong quá trình phân huỷ, theo định kỳ cứ 5h lấy mẫu phân tích. Từ kết quả phân tích, xác định α_c và η theo công thức (1). Kết quả phân tích và tính toán mức độ phân huỷ của các mẫu M1, M2, M3 được thể hiện trên hình 1, 2.

Hình 1. Sự thay đổi môđun costic-α_c trong quá trình phân huỷ

Hình 2. ảnh hưởng của nhiệt độ tới mức độ phân huỷ

Bảng 2. Một số thông số phân huỷ đặc trưng ở thời điểm dung dịch đạt cân bằng

   Từ các hình này rút ra một số thông số cơ bản của phân huỷ ở thời điểm bắt đầu đạt cân bằng (bảng 2). Diễn biến quá trình phân huỷ của 3 mẫu và các số liệu thống kê ở bảng 2 hoàn toàn phù hợp với lý thuyết và thực tế.

   Khi các dung dịch có cùng nồng độ và α_c thì tốc độ phân huỷ càng cao, nếu nhiệt độ càng thấp. ở mọi nhiệt độ, nếu α_c tăng thì độ bền dung dịch tăng, mức độ phân huỷ giảm. Còn khi ở cùng nhiệt độ và nồng độ dung dịch, nếu hàm lượng Al₂O₃ giảm trong khi hàm lượng Na₂O_c không đổi thì độ bền của dung dịch tăng, mức độ phân huỷ giảm cho tới lúc cả α_c và η không đổi, tức là quá trình phân huỷ đạt trạng thái cân bằng. Trong số 3 mẫu, mức độ phân huỷ của M1 cao nhất đạt 50,69%.

   Tuy nhiên, nếu xét đến kích thước hạt của alumin cho điện phân được quyết định bởi thời gian phát triển mầm kết tinh, nên chọn nhiệt độ phân huỷ ở giai đoạn 2 là 55°C, mặc dù mức độ phân huỷ chỉ đạt 46,64%.

3.2. ảnh hưởng của tỷ lệ mồi kết tủa Al(OH)₃

   Lý thuyết phân huỷ cho thấy, tỷ lệ mồi Al(OH)₃ càng lớn và hoạt tính của nó càng cao thì phân huỷ xẩy ra càng mạnh. Theo tài liệu công bố [4], tỷ lệ mồi sử dụng có thể là (0,8 ÷ 3,0). Liên quan đến hiệu suất sử dụng thiết bị, tỷ lệ mồi được chọn để khảo sát ở phạm vi thí nghiệm là: 1 - 1,5 - 2,0 ứng với các mẫu M2, M4, M5. Như vậy, lượng mồi cần thiết cho phân huỷ 2,5 lít dung dịch theo tỷ lệ vừa nêu được tính theo công thức (2) ứng với 3 mẫu lần lượt là [g]: 587,5; 881,25; 1175,00.

   Các thông số phân huỷ khác tương tự như trường hợp trên, chỉ khác nhiệt độ phân huỷ ở giai đoạn 2 là 55°C.

   Kết quả phân tích và tính toán mức độ phân huỷ của các mẫu M2, M4, M5 được thể hiện trên hình 3 và 4.

Hình 3. ảnh hưởng của tỷ lệ mồi tới môđun côstic

Hình 4.  ảnh hưởng của tỷ lệ mồi tới hiệu suất phân huỷ

   Bảng 3 liệt kê các thông số cơ bản của phân huỷ ở thời điểm bắt đầu đạt cân bằng. Diễn biến của phân huỷ phụ thuộc vào tỷ lệ mồi và các số liệu thống kê ở bảng 3 hoàn toàn phù hợp với lý thuyết và thực tế, tức là hiệu suất phân huỷ tăng khi tỷ lệ mồi tăng.

Bảng 3. Một số thông số phân huỷ đặc trưng ở thời điểm dung dịch đạt cân bằng

   Theo [4], dung dịch sau khi phân huỷ nên có hàm lượng (65 ÷ 70)g/l Al₂O₃ và α_c > 3 và căn cứ vào mức độ phân huỷ, tỷ lệ mồi được chọn là 2.

3.3. Ảnh hưởng của thời gian

   Thời gian phân huỷ được xác định từ chế độ thí nghiệm đối với mẫu M5, tức là nhiệt độ ở giai đoạn hai 55°C và tỷ lệ mồi bằng 2. Từ hình 3 và 4 cho thấy, sau 36h cân bằng phân huỷ của dung dịch được thiết lập.

   Tuy nhiên, theo kinh nghiệm thực tế [2] quá trình phân huỷ nên kết thúc trước thời điểm cân bằng. Vì vậy, thời gian phân huỷ dung dịch với thành phần cho trước được chọn trong khoảng (31 ÷ 36)h.

4. Kết luận

   Từ các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, tỷ lệ mồi và thời gian tới mức độ phân huỷ dung dịch natrialuminat thu được từ hoà tách quặng tinh bauxit Bảo Lộc ở 140°C (áp suất thấp) có thể rút ra một số kết luận sau :

   - Dung dịch với thành phần [g/l] : 150,77 Al₂O₃, 130,20 Na₂O_C và α_c = 1,42 có khả năng phân huỷ tốt đạt 54,63% tương đương định mức cao nhất trong sản dungdịch với thành phần [g/l] : 150,77 Al₂O₃, 130,20 Na₂O_C và α_c = 1,42 có khả năng phân huỷ tốt đạt 54,63% tương đương định mức cao nhất trong sản suất và độ sạch của Al(OH)₃ 98%, cấp hạt ≥40μm chiếm 65%.

   - Phân huỷ tiến hành qua hai gian đoạn với điều kiện tối ưu được xác định là: Giai đoạn 1: thời gian 6h, nhiệt độ 75°C và giai đoạn 2: thời gian (31 ÷ 36)h; nhiệt độ 55°C; tỷ lệ mồi: 2; tốc độ khuấy : 60 v/ph.

[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]

1. UNIDO, Group training in production of alumina, Vol 6, Budapest, 1979
2. J.L.Ajner, M. L. Roberson, Precipitation Technology KAISER (USA), Light Metals, 1986
3. Lainer, Sản xuất alumin (Tiếng Việt), NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1980
4. K. Tomko, O. Sabo, Vyroba hlinika, Vydavatelstvo Bratislava, 1972

[/symple_box][symple_clear_floats]