Thành phần vật chất của quặng tinh bauxit Gia Nghĩa và nhận xét khái quát về tính chất công nghệ của nó

Bài báo đưa ra nhận xét sơ bộ về tính chất công nghệ của quặng tinh bauxit Gia Nghĩa trên cơ sở kết quả phân tích thành phần vật chất. Bauxit Gia Nghĩa là một trong số bauxit gipxit chất lượng cao, phù hợp với phương pháp Bayer châu Mỹ cho sản xuất alumin.

On the material composition of Gia Nghia bauxite concentrate and its technological properties

Trương Ngọc Thận Đại học Bách khoa Hà Nội Đỗ Hồng Nga Viện Khoa học và công nghệ Mỏ-Luyện kim

Tóm tắt

   Bài báo đưa ra nhận xét sơ bộ về tính chất công nghệ của quặng tinh bauxit Gia Nghĩa trên cơ sở kết quả phân tích thành phần vật chất. Bauxit Gia Nghĩa là một trong số bauxit gipxit chất lượng cao, phù hợp với phương pháp Bayer châu Mỹ cho sản xuất alumin. Với chế độ hòa tách chọn trước ở áp suất thấp, hiệu suất thực tế thu hồi alu- min đạt tương đương hiệu suất lý thuyết.

Abstract

   Based on its material composition the technological properties of the Gia Nghia bauxite - one of the best gibb- sitic bauxites and suitable for alumina production by American Bayer technique have been evaluated. With the selected digestion regime under low pressure the real recovery productivity may reach the theoretical value.

1. Đặt vấn đề

   Theo Dự thảo: “Quy hoạch phân vùng thăm dò, khai thác, chế biến và sử dụng quặng bauxit của Việt nam giai đoạn (2005-2015) có xét tới 2025” của Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim [1], bauxit thuộc khu mỏ Gia Nghĩa (Đắc Nông) sẽ là nguồn nguyên liệu cung cấp cho nhà máy alu- min Đắc Nông 2. Vì vậy, việc tiến hành phân tích thành phần vật chất (thành phần hóa học và thành phần khoáng vật) của bauxit Gia Nghĩa và từ đó đưa ra những nhận xét, đánh giá khái quát, kể cả thí nghiệm thăm dò về tính chất công nghệ cơ bản của bauxit này theo hướng sử dụng phương pháp Bayer để sản xuất alumin là rất cần thiết. Đây cũng là sự đóng góp thiết thực vào quá trình nghiên cứu đồng bộ bauxit Tây nguyên, kể cả về mặt đánh giá chất lượng nguồn tài nguyên lẫn phương án công nghệ xử lý có thể lựa chọn.

2. Thực nghiệm

2.1. Chuần bị mẫu phân tích và thí nghiệm thăm dò khả năng hòa tách

   Đối tượng phân tích và thí nghiệm thăm dò khả năng hòa tách là quặng tinh bauxit đại diện mỏ Gia Nghĩa đã qua tuyển rửa có cấp hạt +1 mm. Từ mẫu bauxit đại diện, các cỡ hạt theo yêu cầu của nhiệm vụ đặt ra được chuẩn bị trong máy nghiền bi, cụ thể:

- Cho xác định thành phần hóa học, cỡ hạt -0,1 mm. - Cho phân tích thành phần khoáng vật, cỡ hạt -0,06 mm. - Cho khảo sát khả năng hòa tách (hay còn gọi là mẫu công nghệ), cỡ hạt -0,3 mm.

2.2. Thành phần vật chất của quặng bauxit Gia Nghĩa

   Như đã biết, thành phần hóa học của bauxit bao gồm: trước hết là 4 cấu tử chính (Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂ và nước); tiếp đến là các ôxit khác (TiO₂, CaO, MnO, MgO, P₂O₅...) và các nguyên tố (F, S...) với hàm lượng có thể trên dưới 1% hoặc ở dạng vết; ngoài ra còn một lượng nhất định chất hữu cơ [2]. Tuy nhiên, do những hạn chế về mặt thiết bị và kinh nghiệm phân tích, nên thành phần hóa học của bauxit Gia Nghĩa mới chỉ được tập trung xác định trong phạm vi các cấu tử chính bằng phương pháp phân tích định lượng truyền thống. Kết quả phân tích được trình bày trong bảng 1 và để có thêm minh chứng về sự ba động thành phần hóa học giữa các mỏ bauxit ở Tây nguyên, trong bảng này còn trích thêm thành phần các cấu tử chính của bauxit Tân Rai [3]. Thành phần khoáng vật của mẫu nghiên cứu được xác định bằng phương pháp phân tích nhiệt trên máy NETZSCH STA 409 và nhiễu xạ tia X trên máy YPC-50 UM. Kết quả phân tích được trình bày trên các hình 1, 2 và bảng 2.

   Mặc dù các số liệu có được từ phân tích thành phần hóa học và thành phần khoáng vật còn rất hạn chế, nhưng thông qua các cấu tử chính cũng có thể đưa ra một số nhận xét sơ bộ về tính chất công nghệ của bauxit Gia Nghĩa.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Tính chất công nghệ của bauxit Gia Nghĩa

   Với hàm lượng 50,74% Al₂O₃, quặng tinh bauxit Gia Nghĩa thuộc loại giàu thành phần có ích so với bauxit khác trên thế giới (35-60%), nhưng lại thấp hơn so với bauxit gipxit được xử lý bằng công nghệ Bayer châu Mỹ (55-57%)[4]. ứng với hàm lượng 2,86% SiO₂, môđun silic-MSi có giá trị là 17,7. Như vậy, bauxit Gia Nghĩa là loại nguyên liệu có chất lượng tốt, thích hợp với việc sử dụng phương pháp Bayer để sản xuất alumin. Tuy nhiên, với hàm lượng 16,42% Fe₂O₃, bauxit này thuộc loại bauxit cao sắt so với bauxit của một số nước (thường trong khoảng 7-9% Fe₂O₃) đang sử dụng công nghệ Bayer châu Mỹ. Khoáng vật sắt trong bauxit càng nhiều thì lượng cặn đỏ sinh ra càng lớn, tiêu hao nước rửa, năng lượng cho cô bay hơi và tổn thất kiềm cùng với alumin cũng càng lớn. Đối với ôxit titan, hàm lượng này hiếm khi vượt quá 3% trong bauxit [5] và như vậy, bauxit Gia Nghĩa chứa 2,05% TiO₂ không thuộc trường hợp ngoại lệ. Ôxit titan sẽ gây nên sự mất mát kiềm trong quá trình hòa tách do tạo ra kết tủa natri metatitanat.

   Tiếp theo là một vài nhận xét về tính chất công nghệ của bauxit Gia Nghĩa từ phương diện thành phần các khoáng vật chính của nhôm, silic và sắt.

   Nước hyđrat trong bauxit liên kết chủ yếu với ôxit nhôm tạo ra các mạng tinh thể khác nhau và tương ứng với chúng là các tính chất vật lý, hóa học cũng khác nhau (bảng 3).

Bảng 3. Một số khoáng vật nhôm và tính chất của chúng

   Theo thống kê, hơn 90% sản lượng alumin thế giới được sản xuất bằng phương pháp kiềm, trong đó chủ yếu bằng phương pháp Bayer. Bản chất của phương pháp này là Al₂O₃ từ bauxit được hòa tách trong kiềm NaOH theo phản ứng:

Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO2 + H₂O

và sau đó là quá trình phân hủy dung dịch natrialuminat theo chiều ngược lại để tạo ra kết tủa nhôm hyđrôxit - Al₂O₃.3H₂O.

   Xử lý bauxit theo phương pháp Bayer bao gồm nhiều công đoạn, trong đó công đoạn có tầm quan trọng hàng đầu là hòa tách. Mức độ hòa tách Al₂O₃ phụ thuộc trước hết vào khoáng vật nhôm và kể cả dạng thù hình của nó theo thứ tự từ cao xuống thấp như sau:

   Với giá trị MKN cao (bảng 1) cùng với kết quả phân tích nhiệt và phân tích Rơnghen khá trùng hợp (bảng 2) thấy rõ ôxit nhôm trong bauxit Gia Nghĩa tồn tại chủ yếu ở dạng gipxit rất dễ hòa tách theo sơ đồ trên.

Bảng 1. Thành phần các cấu tử chính của quặng tinh bauxit Gia Nghĩa và Tân Rai

Bảng 2. Thành phần khoáng vật của quặng tinh bauxit Gia Nghĩa

   Điều đó cho phép sản xuất alumin từ loại bauxit này bằng công nghệ Bayer châu Mỹ, hòa tách ở áp suất khí quyển (ứng với nhiệt độ 105-107°C) hoặc ở áp suất thấp (ứng với nhiệt độ 140-145°C). Đây là lợi thế cơ bản của bauxit Gia Nghĩa nói riêng và bauxit Tây nguyên nói chung.

   Như đã biết, chất lượng của bauxit không chỉ được đánh giá qua hàm lượng Al₂O₃ mà còn căn cứ cả vào hàm lượng tạp chất SiO₂. Tác hại của silic là làm giảm độ sạch của nhôm điện phân, hạn chế khả năng trao đổi nhiệt trong thiết bị hòa tách và giảm thể tích làm việc của thiết bị này cũng như đường ống dẫn dung dịch do lắng đọng kết tủa natrialumosilicat (hay còn gọi là Bayer- Sodalit). Do vậy, trong quy trình công nghệ Bayer thường có thêm khâu tiền khử silic trong quá trình nghiền ướt trước khi hòa tách ở bất cứ nhiệt độ nào, hoặc phải thêm cả công đoạn hậu khử silic nếu như hàm lượng SiO₂ trong dung dịch alumi- nat chưa đạt yêu cầu bằng cách kéo dài thời gian hòa tách, thường là ở nhiệt độ thấp. Như vậy, đối với bauxit Gia Nghĩa có hàm lượng SiO₂ là 2,86% và nếu như so với bauxit Tân Rai có hàm lượng silic thấp hơn (2,5%) thì trong quy trình Bayer châu Mỹ không thể bỏ qua khâu tiền khử silic ở cả hai điều kiện hòa tách ở áp suất khí quyển và áp suất thấp. Nếu hòa tách ở áp suất khí quyển, cũng như đối với bauxit Tân Rai và bauxit Bảo Lộc cần tiến hành thêm khâu hậu khử silic.

   Tác hại của silic không chỉ giới hạn như những điều vừa nêu mà còn gây nên sự tiêu hao, mất mát kiềm và Al₂O₃ do tạo ra natri alumosilicat. Về phương diện khoáng vật thì mica, clorit (4FeO.Al₂O₃.3SiO₂.4H₂O), fenspat đều không tác dụng với dung dịch luân lưu và đi vào bùn đỏ. Tương tự như vậy đối với thạch anh (SiO₂) nếu ở nhiệt độ (105-107°C). Tuy nhiên, ở nhiệt độ (140-145°C), thạch anh có cỡ hạt mịn sẽ tác dụng với dung dịch luân lưu theo cơ chế như caolinit. Trong số các khoáng chứa silic, caolinit là tác nhân chủ yếu gây nên tiêu hao kiềm. Sự tiêu hao này có thể thấy rõ qua công thức tính lượng kiềm (Wmin) cho sản xuất 1T Al₂O₃.

Bảng 4. Kết quả phân tích dung dịch, bùn đỏ và hiệu suất hòa tách

   Như vậy, cứ mỗi kg SiO₂ trong bauxit sẽ làm mất mát 0,85kg Al₂O₃ và 0,516kg Na₂O (≈0,666kg NaOH) vào cặn đỏ. Kết quả phân tích thành phần khoáng vật cho thấy, ôxit silic trong bauxit Gia Nghĩa tồn tại chủ yếu ở dạng caolinit và do đó không thể tránh khỏi tình trạng tiêu hao kiềm, mất mát nhôm như vừa nêu.

   Cũng từ kết quả phân tích ở bảng 2 cho thấy, trong bauxit Gia Nghĩa sắt tồn tại ở hai dạng khoáng vật chính là hematit (Fe₂O₃) và gơtit (HFeO₂). Trong mạng tinh thể gơtit thường có một lượng Al₂O₃ thay thế đồng hình và không thể thu hồi được khi hòa tách ở nhiệt độ thấp. Hêmatit hoàn toàn không tác dụng với kiềm trong quá trình hòa tách và đi vào bùn đỏ. Gơtit, alumôgơtit (Fe1-xAl_xOOH) cũng không tác dụng với kiềm nhưng lại bị mất nước hyđrat. Tuy nhiên, sau đó trong quá trình lắng, đặc biệt khi rửa bùn đỏ, hai khoáng vật sắt trên ngậm lại nước và bị trương phình lên gây cản trở tốc độ lắng bùn đỏ. Như vậy, với bauxit cao sắt như Gia Nghĩa thì lượng bùn đỏ thải ra sẽ cao và do đặc điểm tồn tại của khoáng vật sắt, tất yếu sẽ gặp khó khăn trong quá trình lắng, lọc bùn đỏ và mất mát kiềm ở dạng hấp phụ cũng sẽ cao.

   Trên đây là một vài nhận xét về tính chất công nghệ của bauxit Gia Nghĩa trên cơ sở kết quả phân tích thành phần vật chất của nó. Tóm lại, với môđun silic bằng 17,7 và khoáng vật nhôm chủ yếu ở dạng gipxit, nên loại bauxit gipxit này rất phù hợp với phương pháp Bayer châu Mỹ.

   Tuy nhiên, cần tiến hành thêm khâu tiền khử silic ở mọi nhiệt độ hòa tách, kể cả hậu khử silic nếu hòa tách ở điều kiện áp suất khí quyển, đồng thời có giải pháp phù hợp để cải thiện tính lắng, lọc của huyền phù và rửa bùn đỏ.

3.2. Thực nghiệm hòa tách

   Với tầm quan trọng trong toàn bộ quá trình Bayer, hòa tách được chọn là khâu kiểm nghiệm sơ bộ tính chất công nghệ của bauxit Gia Nghĩa. Quá trình hòa tách được thực hiện trong thiết bị gồm 6 autoclave 200 ml, ổn nhiệt bằng dầu với chế độ được chọn qua tham khảo các tài liệu [3, 4, 5], cụ thể: - Lượng nạp dung dịch luân lưu là 150ml và nồng độ là [g/l]: 164,66 Na2Oc; 90,78 Al₂O₃; (c=2,98. - Lượng nạp bauxit: 31,9 g (tương đương với nồng độ chất rắn là 206 g/l dung dịch luân lưu). - Nhiệt độ hòa tách: 145°C. - Thời gian hòa tách: 3 h. - Tốc độ khuấy: 50 v/ph. Trong quá trình hòa tách, cứ sau 0,5 h lấy mẫu dung dịch và bùn đỏ phân tích. Kết quả được nêu trong bảng 4.

   Từ kết quả phân tích và tính toán cho thấy, sau 0,5 h hiệu suất hòa tách thực tế - η_tt đạt 90,20 % và sau 1 h η_tt đạt 90,93 %. Nếu tiếp tục quá trình cho tới 3 h thì hiệu suất hòa tách gần như không đổi. Điều này khẳng định, bauxit gipx- it Gia Nghĩa rất dễ hòa tách và quá trình xảy ra nhanh, có thể đạt hiệu suất hòa tách lý thuyết trong điều kiện tối ưu.

4. Kết luận

   Qua nghiên cứu thành phần vật chất của bauxit Gia Nghĩa có thể rút ra một số kết luận sau đây: - Thành phần vật chất của bauxit Gia Nghĩa có sự tương đồng về mặt định tính và định lượng với các mẫu bauxit khác ở khu vực Tây nguyên cũng như so với bauxit laterit ở một số nước trên thế giới. - Về phương diện công nghệ, bauxit gipxit Gia Nghĩa rất phù hợp với việc sử dụng phương pháp Bayer châu Mỹ cho sản xuất alumin. - Loại bauxit này rất dễ hòa tách và thực thu Al₂O₃ có thể đạt xấp xỉ hiệu suất hòa tách lý thuyết trong thời gian ngắn.

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

1. Dự thảo: “Quy hoạch phân vùng thăm dò, khai thác, chế biến và sử dụng quặng bauxit giai đoạn 2005-2015 có xét tới 2025”, Viện Khoa học và công nghệ Mỏ-Luyện kim, 4/2006
2. K. Tomko - Ondrei Sabo, Vyroba hlinika, SVTL, Bratislava, 1965
3. Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước, mã số KC.02.01 “Nghiên cứu công nghệ tiên tiến sản xuất alumin từ quặng tinh bauxit Tân Rai – Lâm Đồng và điện phân nhôm đạt chất lượng thương phẩm”, Viện Khoa học và công nghệ Mỏ - Luyện kim, 3/2003
4. Trương Ngọc Thận, Vũ Chất Phác, Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố tới quá trình hòa tách bauxit Bảo Lộc ở điều kiện áp suất thấp, Tạp chí Khoa học-Công nghệ, số 56, 2006
5. A. I. Lainer, Sản xuất alumin (tiếng Việt), NXB Khoa học và kỹ thuật, 1979

[/symple_box][symple_clear_floats]