Hoà tách quặng tinh bauxit Bảo Lộc ở điều kiện áp suất khí quyển

Để góp thêm căn cứ khoa học cho việc lựa chọn nhiệt độ hoà tách phù hợp, cần thiết khảo sát thêm khả năng hoà tách loại quặng này ở điều kiện áp suất khí quyển tương ứng với nhiệt độ 1070C theo cơ chế hoà tách sau.

Atmospheric pressure digestion of Baoloc bauxite concentrates

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

Tóm tắt

   Ở chế độ hoà tách thử nghiệm, hiệu suất thực tế thu hồi nhôm ôxit từ quặng tinh bauxit gipxit Bảo Lộc đạt 90%. Kết quả cho thấy, có thể sử dụng loại bauxit này cho sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer châu Mỹ với chế độ hoà tách ở điều kiện áp suất khí quyển tương ứng nhiệt độ hoà tách 107°C.

Abstract

   The actual recovery of Al₂O₃ from BaoLoc gibbsitic bauxite concentrate reached 90% at the experimental degestion conditions. Obtained results show that it is possible to use this kind of bauxite for alumin production by the american Bayer technology at degestion regimes under atmospheric pressure (equivalent to 107°C).

1. Đặt vấn đề

   Theo công nghệ Bayer châu Mỹ, có thể hoà tách bauxit gipxit ở nhiệt độ 107°C hoặc 140°C. Kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy, hiệu suất hoà tách thực tế của bauxit Bảo Lộc ở nhiệt độ 140°C đạt giá trị tương đương hiệu suất hoà tách lý thuyết [1]. Để góp thêm căn cứ khoa học cho việc lựa chọn nhiệt độ hoà tách phù hợp, cần thiết khảo sát thêm khả năng hoà tách loại quặng này ở điều kiện áp suất khí quyển tương ứng với nhiệt độ 107°C theo cơ chế hoà tách sau. Ở nhiệt độ 107°C, nhôm ôxit trong bơmit hoặc điaspo hoặc ở dạng thay thế đồng hình trong mạng alumogơtit không tan [2,3] mà chỉ có gipxit - Al₂O₃.3H₂O [hay 2Al(OH)₃] tác dụng với kiềm theo phản ứng:

Al(OH)₃+NaOH+nH₂O = NaAl(OH)₄+nH₂O (1)

   Silic ôxit từ caolinit hoà tan tạo thành natrisilicat theo phản ứng (2):

Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O + 6NaOH + nH₂O = 2NaAl(OH)₄ + 2Na₂SiO₃ + (n+1)H₂O (2)

    Natrisilicat tiếp tục phản ứng tạo ra kết tủa Bayersodalit đi vào bùn đỏ:

6NaAl(OH)₄ + 6Na₂SiO₃ + 3Na₂X + nH₂O → 3(Na₂O.Al₂O₃.2SiO₂.nH₂O).Na₂X +12NaOH + (n-6)H₂O (3)

- (Na₂O.Al₂O₃.2SiO₂.nH₂O).Na₂X là kết tủa Bayersodalit - X có thể là 2AlO₂^- , 2Cl^- , CO₃^2- ...

   Trong khi đó, SiO₂ ở dạng thạch anh chỉ có thể hoà tan theo cơ chế tương tự caolinit ở nhiệt độ cao hơn với điều kiện cỡ hạt mịn hơn. Các khoáng vật sắt (hêmatit, gơtit, alumogơtit) hoàn toàn không tan trong kiềm và đi vào bùn đỏ.

2. Thực nghiệm

2.1. Mẫu nghiên cứu

   Bauxit gipxit Bảo Lộc dùng cho nghiên cứu có thành phần hóa học [%]: 45,36 Al₂O₃; 24,17 Fe₂O₃; 2,44 SiO₂ và 3,81 TiO₂, còn lại là các tạp chất khác.

2.2. Thiết bị và quy trình hoà tách

a. Thiết bị hoà tách

   Với nhiệt độ 107°C, quá trình hoà tách chỉ cần tiến hành trong bình kín. Tuy nhiên, để hạn chế sự thay đổi thành phần của dung dịch luân lưu, dung dịch natrialuminat và đảm bảo vệ sinh môi trường trong quá trình hoà tách, có thể sử dụng ôtôcla đứng như trên hình 1. Bauxit và dung dịch luân lưu được cấp vào ôtôcla qua nắp đậy. Huyền phù sau hoà tách được tháo từ đáy ôtôcla và theo ống dẫn làm nguội bằng nước ra ngoài. Ôtôcla được gia nhiệt bằng dây điện trở. Nhiệt độ của thiết bị hoà tách được ổn định bằng hệ thống tự động. Vận hành thiết bị hoà tách được thực hiện theo trình tự các bước sau: - Nạp dung dịch luân lưu và bauxit theo khối lượng tính toán. - Cố định nắp đậy ôtôcla. Bắt đầu quá trình gia nhiệt và khuấy trộn. Thời gian hoà tách được tính từ khi nhiệt độ đạt 107°C - Kết thúc quá trình hoà tách, ngắt nguồn điện, mở van tháo huyền phù vào bình lắng.

Hình1. Ôtôcla

b. Quy trình hoà tách

   Qúa trình hoà tách quặng tinh bauxit Bảo Lộc ở điều kiện áp suất khí quyển được thực hiện theo sơ đồ như trên hình 2.

Hình 2. Sơ đồ hoà tách bauxit

2.3. Chuẩn bị thành phần phối liệu

a. Dung dịch luân lưu

   Dung môi cho thử nghiệm hoà tách với nồng độ 198,1g/l Na₂O_c ; 107,0g/l Al₂O₃ ; α_c = 3,04 được chuẩn bị bằng cách hoà tan nhôm có độ sạch 99,5% trong dung dịch kiềm pha chế từ nước cất và NaOH 96%.

b. Tính toán lượng nạp bauxit

   Lượng nạp bauxit thực tế –Q_a với 3% độ ẩm được tính theo công thức:

   Trong đó:

q_bx- Lượng nạp bauxit khô:

α - Tỷ số côstic của huyền phù sau hoà tách N_c- Nồng độ Na₂O_c của dung dịch luân lưu A- Nồng độ Al₂O₃ của dung dịch luân lưu A^bx - Hàm lượng Al₂O₃ trong bauxit η_k - Hiệu suất hoà tách lý thuyết:

   Trong đó Al₂O₃^bx và SiO₂^bx là hàm lượng nhôm ôxit và silic ôxit có trong quặng tinh, cụ thể [%] : 45,36 Al₂O₃; 2,44 SiO₂. Nếu lượng nạp dung dịch là 2,5lít và tỷ số α_c dự kiến sau hoà tách bằng 1,8; hiệu suất hoà tách lý thuyết η_lt = 94,62% thì lượng nạp bauxit thực tế Q_a qua tính toán là 397,8 g.

2.4. Chế độ hoà tách

   Chế độ hoà tách quặng tinh bauxit Bảo Lộc ở điều kiện áp suất khí quyển như sau:

   Lượng nạp dung dịch luân lưu là 2,5lít với nồng độ [g/l]:198,1Na₂O_c; 107,0 Al₂O₃ và α_c = 3,04

   Lượng nạp bauxit: 397,8 g (ứng với nồng độ chất rắn là 159,1 g/l dung dịch luân lưu).

Nhiệt độ hoà tách 107°C Thời gian hoà tách : 60 phút Tốc độ khuấy : 80 v/ph

   Kết thúc quá trình hoà tách, tiến hành lắng lọc huyền phù để lấy mẫu cho phân tích dung dịch natrialuminat và bùn đỏ. Nhằm tăng tốc độ lắng của bùn đỏ, huyền phù hoà tách được pha loãng bằng nước cất với hệ số 1,4 đồng thời duy trì ở nhiệt độ 95°C tương đương với nhiệt độ tiền khử silíc. Ngoài ra , còn sử dụng bột mì làm chất kết tụ các hạt mịn và rất mịn (từ 1÷10μm) thành những tập hợp hạt lớn dễ lắng hơn. Lượng bột mì sử dụng theo tỷ lệ 3g/1kg bùn khô.

   Quá trình lắng kéo dài trong thời gian 120 phút. Tốc độ lắng bùn đỏ trong ống lắng ≈ 0,15 m/h. Dung dịch lắng sau đó được lọc kiểm tra bằng máy lọc chân không. Toàn bộ thời gian lắng, lọc là 140 phút.

3. Kết quả và thảo luận

   Từ kết quả phân tích dung dịch natrialuminat và bùn đỏ tiến hành tính toán tỷ số costic α_ctt và hiệu suất hoà tách thực tế η_tt . Hiệu suất hoà tách thực tế được xác định theo công thức:

   Trong đó Al₂O₃^bx , Al₂O₃^bd là hàm lượng Al₂O₃ trong bauxit và trong bùn đỏ.

   Kết quả phân tích và tính toán α_ctt , η_tt của 4 lần thí nghiệm lặp lại được trình bầy trong bảng 1.

Bảng 1. Kết quả phân tích dung dịch, bùn đỏ và tính toán α_ctt , η_tt

   Các số liệu từ bảng 1 cho thấy, sau 60 phút ở chế độ hoà tách chọn trước thu được dung dịch natrialuminat có thành phần [g/l]: 163,86 Al₂O₃; 186,78 Na₂O_c; α_ctt ≈ 1,87 và bùn đỏ [%]: 10,12 Al₂O₃; 54,35 Fe₂O₃.

   Như đã trình bầy, tại nhiệt độ 107°C chỉ có nhôm ôxit từ gipxit hoà tan, còn ở các dạng khác thì không phản ứng với kiềm và bị loại cùng với bùn đỏ. Tuy thế, hiệu suất hoà tách thực tế vẫn đạt giá trị 90%. Như vậy, nếu quặng tinh bauxit Bảo Lộc được hoà tách ở chế độ tối ưu thì hiệu suất hoà tách gipxit thực tế có thể đạt xấp xỉ hiệu suất hoà tách lý thuyết. Điều này khảng định khả năng ứng dụng hiệu quả công nghệ Bayer châu Mỹ cho sản xuất alumin từ bauxit Bảo Lộc.

   Nếu so sánh với kết quả hoà tách ở điều kiện áp suất thấp [1] và xét từ phương diện động học dễ dàng nhận thấy rằng, ảnh hưởng của dung môi có nồng độ kiềm cao (Na₂O_c = 198,1g/l) tới hiệu suất hoà tách tương đương như nhiệt độ 140°C. Đây là thực tế rất có ý nghĩa về phương diện khoa học khi xem xét vai trò của nhiệt độ và nồng độ trong quá trình hoà tách bauxit theo công nghệ Bayer châu Mỹ.

   Tốc độ lắng bùn đỏ sau hoà tách ở nhiệt độ 107°C chỉ khoảng hơn một nửa so với tốc độ lắng bùn đỏ ở nhiệt độ hoà tách 140°C. Nguyên nhân của hạn chế này là do sử dụng dung dịch luân lưu có nồng độ kiềm cao, nên độ nhớt của huyền phù lớn, gây khó khăn cho quá trình lắng bùn đỏ. Một trong những biện pháp khắc phục tình trạng này là dùng các chất trợ lắng tổng hợp hiệu năng cao.

4. Kết luận

   Từ kết quả thực nghiệm hoà tách ở chế độ chọn trước, có thể rút ra một số nhận xét sau đây:

   - Quặng tinh bauxit gipxit Bảo lộc rất dễ hoà tách ngay ở nhiệt độ thấp 107°C.

   - Hạn chế của quá trình hoà tách ở nhiệt độ này đối với khâu xử lý tiếp theo là tốc độ lắng bùn đỏ rất chậm.

   - Nhiệt độ hoà tách 107°C cũng là một phương án cần được xem xét khi sử dụng công nghệ Bayer châu Mỹ để sản xuất alumin từ bauxit Bảo Lộc.

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

1. Trương Ngọc Thận, Vũ Chất Phác, Hoà tách quặng tinh bauxit Bảo Lộc ở điều kiện áp suất thấp, Tạp chí Khoa học & công nghệ, số 55/2006
2. UNIDO, Group training in production of alumina, Vol 6, Budapest, 1979
3. Lainer, Sản xuất alumin (Tiếng Việt), NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà nội, 1980

[/symple_box][symple_clear_floats]