Luận án : Nghiên cứu khả năng lắng bùn đỏ sau hòa tách bauxit gia nghĩa, tây nguyên

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng trực tiếp cũng như gián tiếp đến quá trình lắng bùn đỏ, trong đó phải kể đến như: thành phần vật chất và kích thước hạt của bauxit, chế độ công nghệ hòa tách, c

MỞ ĐẦU

Theo kết quả thăm dò địa chất, nước ta được xếp vào quốc gia có trữ lượng bauxit lớn trên thế giới, chủ yếu tập trung tại Tây Nguyên Đây là tiền đề quan trọng cho xây dựng nền công nghiệp alumin - nhôm Việt Nam trong tương lai

Đặc trưng nổi bật của bauxit Tây Nguyên là nhôm oxit tồn tại dạng khoáng vật gipxit, còn sắt chủ yếu ở dạng gơtit Theo các nhà khoa học trong và ngoài nước, bauxit vùng này dễ hòa tách cho phép áp dụng công nghệ Bayer châu Mĩ để sản xuất alumin Tuy nhiên, hạn chế lớn là bùn đỏ hình thành sau hòa tách bauxit này rất khó lắng Đây là đánh giá đáng quan tâm đối với những người làm công nghệ sản xuất alumin

Lắng bùn đỏ là công đoạn quan trọng trong sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer với chức năng tách cặn đỏ ra khỏi dung dịch natri aluminat Có nhiều yếu tố ảnh hưởng trực tiếp cũng như gián tiếp đến quá trình lắng bùn đỏ, trong đó phải kể đến như: thành phần vật chất và kích thước hạt của bauxit, chế độ công nghệ hòa tách, chế độ lắng bùn đỏ

và đặc biệt là chất trợ lắng sử dụng

Với tầm quan trọng, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của quá trình lắng trong công

nghệ alumin, đề tài nghiên cứu của luận án được chọn với tên gọi “Nghiên cứu khả năng lắng bùn đỏ sau hòa tách bauxit Gia Nghĩa, Tây Nguyên” Nội dung trọng tâm của đề tài

là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng và khả năng cường hóa quá trình lắng bùn đỏ bauxit Gia Nghĩa bằng các chất trợ lắng là chất hữu cơ tự nhiên và chất hữu cơ tổng hợp biến tính

Mục tiêu của luận án:

- Xác định các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến khả năng lắng bùn đỏ

- Xác định khả năng cường hóa quá trình lắng bùn đỏ bằng các chất trợ lắng hữu cơ

tự nhiên, hữu cơ tổng hợp biến tính ở dạng độc lập hoặc kết hợp, đồng thời làm rõ cơ chế tương tác của chúng với bùn đỏ

- Đề xuất phương án sử dụng chất trợ lắng với hàm lượng lựa chọn và chế độ tương ứng

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu là bùn đỏ của bauxit Gia Nghĩa – một trong những nguồn quặng có tính đại diện về trữ lượng và thành phần vật chất cho bauxit khu vực Tây Nguyên

- Đã sử dụng phương pháp nghiên cứu sau đây để thực hiện nội dung của luận án: phương pháp tổng hợp, phân tích đánh giá, phương pháp thực nghiệm và các phương pháp

xử lý kết quả thực nghiệm

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Đây là công trình nghiên cứu cơ bản, toàn diện đầu tiên ở nước ta về lắng bùn đỏ trong công nghệ sản xuất alumin bằng phương pháp Bayer châu Mỹ từ quặng tinh bauxit Gia Nghĩa

+ Làm rõ căn cứ khoa học của một số yếu tố ảnh hưởng đáng kể tới khả năng lắng của bùn đỏ: thành phần vật chất (hàm lượng gơtit), kích thước hạt và lượng nạp bauxit cho hòa tách, hệ số pha loãng huyền phù, nhiệt độ lắng

+ Khảo sát khả năng trợ lắng bùn đỏ của các chất hữu cơ tự nhiên (tinh bột mỳ, tinh bột DR), hữu cơ tổng hợp biến tính (HX400, HX600) và phương án kết hợp (tinh bột DR với HX600)

 Đối với chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên, đã phát hiện ra tinh bột DR – nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước, có khả năng trợ lắng cao hơn tinh bột mỳ - chất trợ lắng truyền thống Đây là một phát hiện mới đóng góp đáng kể vào việc phát triển loại chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên Còn với hai chất trợ lắng hữu cơ tổng hợp biến tính HX400 và HX600 thì HX600 cho kết quả lắng cao hơn

 Phương án kết hợp giữa chất hữu cơ tổng hợp biến tính (HX600) và hữu cơ tự nhiên (tinh bột DR) với hàm lượng được chọn đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tốt Sự kết hợp này cũng là một đóng góp mới trong việc đa dạng hóa phương án sử dụng chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên và tổng hợp biến tính

Kết quả lựa chọn phương án sử dụng độc lập chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên (tinh bột DR) hay hữu cơ tổng hợp biến tính (HX600) hoặc phương án kết hợp cả hai loại trên không chỉ có ý nghĩa lớn đối với thực tiễn lắng trong công nghệ sản xuất alumin mà còn giảm được mức độ gây ô nhiễm môi trường

Nội dung và bố cục của luận án:

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận chung, nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương

Chương 1 Tổng quan về bùn đỏ và quá trình lắng bùn đỏ

Chương 2 Cơ sở lý thuyết quá trình lắng tách bùn đỏ

Chương 3 Chuẩn bị mẫu và các phương pháp nghiên cứu

Chương 4 Kết quả và thảo luận

Nguồn nguyên liệu chính cho sản xuất alumin là bauxit Thành phần của bauxit thay đổi trong phạm vi rất rộng không chỉ giữa các mỏ mà ngay chính trong một địa điểm khai thác Theo độ sâu khác nhau, thành phần vật chất của bauxit đã có sự khác biệt rõ rệt

Thành phần hoá học và khoáng vật cơ bản của bauxit ở một số nước được xử lý bằng công nghệ Bayer nêu trong bảng 1.1 và bảng 1.2

Bảng 1.1 Thành phần hóa học và khoáng vật cơ bản của bauxit [76]

Al2O3: 4065 diaspo - Al2O3.H2O

bơmit - Al2O3.H2O gipxit -Al2O3.3H2O SiO2: 0,510 kaolinit Al4(OH)8.SiO2.O10

thạch anh SiO2

Fe2O3:330 hematit - Fe2O3

gơtit - Fe2O3.H2O TiO2: 0,58 anatat TiO2

rutin TiO2

H2O: 1034 hydrat trong diaspo, bơmit, gipxit, gơtit

Bảng 1.2 Thành phần hóa học cơ bản của bauxit ở một số nước [49]

Như vậy, Al2O3 là hợp chất chính tồn tại trong bauxit Quá trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer từ quặng bauxit thực chất là quá trình hòa tan Al2O3 trong dung môi kiềm - NaOH, nhằm tách thành phần Al2O3 có trong bauxit ra khỏi các tạp chất khác không

bị hòa tan, tạp chất này chủ yếu là các ôxit

Chất lượng của bauxit không chỉ được đánh giá qua hàm lượng thành phần có ích

Al2O3 mà còn phải căn cứ vào cả tạp chất rất có hại là SiO2 Bauxit được coi là tốt nhất nếu chúng có hàm lượng nhôm ôxit cao và silic ôxit thấp Trong thực tế, chất lượng bauxit được đánh giá bằng môđun silic – MSi

MSi > 7: bauxit có chất lượng tốt, thích hợp với công nghệ Bayer

3 < MSi < 7: bauxit có chất lượng trung bình, thích hợp với công nghệ thiêu kết hoặc kết hợp hai công nghệ: Bayer và thiêu kết

MSi < 3: bauxit có chất lượng kém, không phù hợp cho sản xuất alumin

Hàm lượng hydrat - nước kết tinh quyết định cấu trúc tinh thể của nhôm ôxit Về phương diện này, có các khoáng vật chứa Al2O3 tương ứng: gipxit - Al2O3.3H2O hay còn gọi là hydragilit, bơmit và diaspo (Al2O3.H2O) Độ hòa tan của các khoáng vật này trong dung dịch kiềm xếp theo thứ tự từ cao đến thấp Mặt khác, các tính chất vật lý, hoá học cũng khác nhau

Tùy thuộc vào dạng tồn tại của khoáng vật chứa nhôm trong bauxit, người ta chia công nghệ Bayer thành hai loại: công nghệ Bayer châu Âu và công nghệ Bayer châu Mỹ

Công nghệ Bayer châu Mỹ: áp dụng cho loại bauxit chứa chủ yếu khoáng vật dạng gipxit dễ hòa tách, nhiệt độ hòa tách cao nhất đạt 140145 oC

Công nghệ Bayer châu Âu: áp dụng cho loại bauxit chứa chủ yếu khoáng vật dạng bơmit hoặc diaspor, nhiệt độ hòa tách >200oC có khi đạt tới ~300oC [85]

Tuy không ngừng được hoàn thiện về công nghệ, kỹ thuật và đã có nhiều bổ sung, cải tiến, song về nguyên lý cơ bản của công nghệ này thì không thay đổi Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ công nghệ Bayer sản xuất alumintổng quát và rút gọn

Al2O3.3H2O

Gipxit

 - Al2O3.H2O Bơmit

α - Al2O3.H2O Diaspo

-Al2O3

-Al2O3

Corindon

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất alumin từ bauxit bằng phương pháp Bayer tổng quát và rút

gọn [4]

Bauxit NaOH

Pha loãng/ (Hậu khử silic)

Lắng bùn đỏ

Dung dịch aluminat Lọc kiểm tra Trao đổi nhiệt

Công nghệ Bayer gồm các công đoạn chủ yếu sau:

Gia công quặng tinh bauxit: quặng tinh bauxit được đập, nghiền đến cỡ hạt thỏa mãn các công đoạn tiếp theo Tùy thuộc vào hàm lượng silic có trong quặng mà công đoạn khử silic được thực hiện trước công đoạn hòa tách - tiền khử silic Thông thường, công đoạn tiền khử silic được thực hiện cùng công đoạn nghiền ướt quặng trên một thiết bị nghiền

Hòa tách: quặng tinh bauxit sau khi nghiền và khử silic được hòa tách trong dung dịch kiềm tạo thành hệ huyền phù gồm: pha lỏng là dung dịch natri aluminat – NaAlO2 và

pha rắn – bùn đỏ

Huyền phù được pha loãng nhằm tăng tỷ lệ lỏng/rắn, một mặt giúp cho xử lý những công đoạn sau được dễ dàng hơn, mặt khác tránh hiện tượng nhôm hydroxit phân hủy sớm Tuy nhiên, nếu trong dung dịch natri aluminat vẫn chứa hàm lượng silic ôxit cao thì cần phải thêm công đoạn khử silic sau hòa tách - hậu khử silic

Phân chia pha rắn và lỏng hay còn gọi là lắng bùn đỏ nhằm tách bùn đỏ ra khỏi dung dịch natri aluminat

Phân hủy dung dịch: Dung dịch natri aluminat sạch được phân hủy ở nhiệt độ thích hợp với việc cho thêm mầm nhôm hydroxit để kết tủa Al(OH)3

Nung Al(OH)3: Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành alumin

Quá trình khử silic của bauxit

Trong công nghệ Bayer, khi hoà tan bauxit với dung dịch kiềm, các khoáng vật chứa SiO2 có trong bauxit như caolinit, haloysit, illit…sẽ tham gia phản ứng với kiềm và tạo ra hợp chất mới 3(Na2O.Al2O3.2SiO2)Na2X.aH2O với X có thể là CO32-, SO42, 2OH-, 2AlO2-….hợp chất này không tan, tích tụ thành bùn bám vào các đường ống, thiết bị trao đổi nhiệt, các ôtôcla, thiết bị cô đặc và ở nhiều vị trí khác nhau trên dây chuyền dẫn đến nhiều sự cố ách tắc hoạt động nhà máy sản xuất alumin Để giảm bớt những sự cố này, công đoạn tiền khử silic và hậu khử silic được đưa vào dây chuyền công nghệ Bayer

Những phương pháp công nghiệp dùng để khử SiO2 của dung dịch natri aluminat bao gồm [3]:

Khử trong ôtôcla ở 150170 0C

Khử trong ôtôcla có thêm vôi

Khử ở áp suất thường không có chất cho thêm

Khử ở áp suất thường có cho thêm vôi hoặc chất phụ gia khác

Trong quá trình khuấy trộn dung dịch, không phải toàn bộ SiO2 đều tạo thành alumosilicat không tan và không phải lắng ra ngay lập tức Dung dịch càng đậm đặc thì SiO2

còn lại trong dung dịch càng nhiều, còn khi dung dịch ở nhiệt độ càng cao và lắng càng lâu thì SiO2 trong dung dịch càng ít

Quá trình hòa tách bauxit bằng phương pháp Bayer

Công nghệ Bayer được dựa trên cơ sở của phản ứng thuận nghịch sau [3]:

Lúc đầu phản ứng xảy ra nhanh, sau đó chậm dần và không thể hòa tách triệt để Al2O3

từ bauxit kể cả khi kéo dài thời gian mà vẫn giữ nguyên nhiệt độ hòa tách

Hiệu suất của quá trình hòa tách phụ thuộc nhiều vào yếu tố như: nhiệt độ, thời gian hòa tách, nồng độ dung dịch, tỷ lệ rắn/lỏng, bản chất của bauxit…

Để tính hiệu suất hoà tách lý thuyết cần dựa trên cơ sở phân tích hoá và phân tích pha (dạng tồn tại của khoáng vật chứa nhôm) Tuy nhiên, để đơn giản hóa, hiệu suất hoà tách lý thuyết (lt) thường được tính theo công thức sau [3]:

,%

100

3 2

2 3 2

O Al

SiO O Al

Al2O3 - hàm lượng nhôm ôxit trong tinh quặng bauxit

SiO2 - hàm lượng silic ôxit trong tinh quặng bauxit

Còn hiệu suất hoà tách thực tế (tt) được tính theo công thức [3]:

%1001

%100

3 2

3 2 3

2

3 2 3

2

3 2

3 2 3

2 3

bd bx

bd

bx bd

bx

tt

O Fe

O Fe x O Al

O Al O

Al

O Fe

O Fe x O Al O

Al

Trong đó:

Al2O3bx, Al2O3bd là hàm lượng Al2O3 trong bauxit và trong bùn đỏ

Fe2O3bx, Fe2O3bd là hàm lượng Fe2O3 trong bauxit và trong bùn đỏ

Quá trình lắng tách bùn đỏ ra khỏi dung dịch natri aluminat

Sau khi hòa tách bauxit, việc tách dung dịch natri aluminat ra khỏi bùn đỏ là một trong các khâu rất quan trọng trong dây chuyền công nghệ Bayer, nó phụ thuộc chủ yếu vào thành

Hoà tách > 100 0C Phân hóa < 100 0C

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

phần vật chất của bauxit và điều kiện hòa tách Đối với những loại quặng chứa nhiều sắt ở dạng gơtit thì việc lắng, lọc là rất khó khăn Thông thường khi tiến hành quá trình này phải cho thêm chất trợ lắng

Phân hủy dung dịch natri aluminat

Sau khi lắng, lọc, dung dịch natri aluminat được phân hủy để kết tủa ra nhôm hydroxit theo phản ứng sau:

NaAl(OH)4  Al(OH)3 + NaOH (2) Phân hủy là một trong những quá trình hóa học phức tạp Hiện nay, tồn tại nhiều lý thuyết với những cách giải thích khác nhau về cơ chế của quá trình này Nói chung, quá trình phân hủy gồm hai giai đoạn: Tạo mầm kết tinh và phát triển mầm

Hiệu suất của quá trình phân hủy được tính bằng công thức [3]:

,%

100.1100

a c

c: tỷ số costic của dung dịch cái

a: tỷ số costic của dung dịch aluminat trước khi phân hủy

Nung nhôm hydroxit

Nung là công đoạn cuối cùng trong sản xuất alumin Mục tiêu của quá trình nung là làm mất nước của nhôm hydroxit - Al(OH)3 để nhận được alumin - Al2O3

Quá trình nung có sự biến đổi trải qua từng giai đoạn nhiệt độ khác nhau [3]:

 Ở nhiệt độ 110120 0C: nhôm hydroxit mất hết nước ẩm

 Ở nhiệt độ 500550 0C diaspor mất phân tử nước kết tinh và biến thành alumin không ngậm nước dạng γ-Al2O3 dễ hút ẩm

 Ở nhiệt độ 850 0C, γ-Al2O3 bắt đầu chuyển pha thành α-Al2O3 Quá trình này kết thúc ở nhiệt độ 11501200 0C

Như vậy, bùn đỏ được hình thành trong quá trình sản xuất alumin trực tiếp từ quặng tinh bauxit Bùn đỏ là hỗn hợp các oxit không hòa tan trong môi trường kiềm, bao gồm: sắt oxit, silic oxit, titan oxit, nhôm oxit

Do thành phần vật chất của bauxit khác nhau và công nghệ sản xuất từ chúng cũng

có sự thay đổi nên thành phần hóa học của bùn đỏ thường có sự khác biệt (bảng 1.3)

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của một số loại bùn đỏ [49]

14,9 42,6 28,0 2,0 6,5 1,2 2,4 2,4

10,7 3,0 61,9 8,1 8,4 2,3 2,8 2,8

Về định tính, bùn đỏ có thành phần khoáng vật (bảng 1.4) tương tự như thành phần khoáng vật của bauxit, nhưng có sự thay đổi về định lượng và có thêm hai pha mới:

 Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O tạo thành trong quá trình khử silic

 Hợp chất có thành phần dao động của CaO với các cấu tử Al2O3, Na2O và SiO2, tạo thành khi trong công nghệ sản xuất alumin có bổ sung thêm vôi

Bảng 1.4 Thành phần khoáng vật của các loại bùn đỏ khác nhau [49]

Hợp chất Trombetas Darling Range South Manch

38

19

-

- 2,2 0,8 1,5 1,4

-

5,6 3,5 2,5 14,5 14,5 4,7 0,6 37,1

-

- 2,3

-

33

2

2 3,5

-

Bùn đỏ có khối lượng riêng 3,3 (từ bauxit Kirkvine, Jamaica), 2,8 (từ bauxit Arvida, Quebec) và 3,02 g/cm3 (Kwinana) Li và Rutherford [43] nhận thấy, khối lượng riêng của bùn đỏ dao động từ 3,6÷4,0 g/cm3 và diện tích bề mặt riêng 30÷50 m2/g với các loại bauxit khác nhau Bùn đỏ có tính chất kiềm, pH từ 12÷13,5 (có khi tới 14)

Bauxit trước khi đưa vào hòa tách phải nghiền đến cỡ hạt nhỏ và do quá trình tự vỡ vụn trong quá trình hòa tách nên bùn đỏ thường có cỡ hạt từ mịn đến rất mịn Các hạt bùn

đỏ có kích thước lớn hơn 150 µm chiếm 0,1÷50%, phổ biến nhất là 5% Đa phần bùn đỏ có cấp hạt dưới sàng 100 µm, trong đó kích thước hạt nhỏ hơn 10 µm chiếm 80% Bùn đỏ từ bauxit Jamaica có cấp hạt dưới sàng 44 µm chiếm tới 90% [6, 10] Bùn đỏ của nhà máy chế biến bauxit thuộc NALCO có cấp hạt < 8 µm chiếm 80% trong đó cấp hạt < 5 µm chiếm 35% [47] Theo Parekh và Goldberger [54], 50% bùn đỏ sau khi lắng có cỡ hạt nhỏ hơn 10 µm Còn Yong và Ludwig [90] nhận thấy, bùn đỏ Kirkvine chiếm 75% cỡ hạt 1 µm nhưng bùn đỏ từ bauxit Arvida có cỡ hạt dưới 1 µm chiếm 25% Glenister và Thornber [31] cho rằng, bùn đỏ Kwinana có cỡ hạt dưới 2 µm chiếm 40% Cấp hạt mịn và diện tích bề mặt riêng lớn là nguyên nhân làm cho tốc độ lắng tự nhiên (lắng dưới tác động của trọng lực) của bùn đỏ diễn ra chậm

Phân bố cỡ hạt đặc trưng của bùn đỏ được trình bày trên hình 1.2

Hình 1.2 Phân bố kích thước hạt mịn và hạt thô đặc trưng của bùn đỏ [49]

1.2 Sự phân tách các pha rắn, lỏng của bùn đỏ

Để tách hai pha không phân tán vào nhau như: khí – lỏng, lỏng – lỏng, rắn – khí và rắn – lỏng, người ta sử dụng phương pháp phân chia Về cơ chế chung, từng hệ nêu trên đều có thể phân tách bằng 1 trong 4 cách sau [67]:

Huyền phù là một hệ gồm: pha rắn không hòa tan và pha lỏng Tùy thuộc vào kích thước của các hạt rắn, huyền phù được chia làm 3 loại:

Huyền phù thô chứa các hạt rắn có kích thước > 100 μm;

Huyền phù mịn chứa các hạt có kích thước từ 0,5÷100 μm;

Huyền phù vẩn đục chứa các hạt có kích thước 0,1÷0,5 μm

Huyền phù của nhiều quá trình sản xuất thường chứa vật chất ở trạng thái keo (ví dụ: các keo axit sillic, hydroxit sắt và hydroxit nhôm ) Kích thước các hạt keo thường < 0,1 μm, nhưng đối với các hạt keo có hình dạng khác thường thì kích thước lớn nhất có thể đạt 1 μm

Bùn đỏ là một dạng đặc trưng của hệ huyền phù vì chúng chứa nhiều hạt rắn Dựa vào đặc điểm kích thước hạt rắn nêu ở trên, bùn đỏ thuộc loại huyền phù mịn và vẩn đục

Khi thực hiện quá trình lắng, điều kiện cần thiết để lắng các hạt trong chất lỏng là trọng lượng của chúng phải lớn hơn lực đẩy Arsimet Khi đó, tốc độ lắng phụ thuộc vào trở lực của môi trường

1.3 Tình hình nghiên cứu quá trình lắng bùn đỏ

1.3.1 Trên thế giới

Như trên đã trình bày, lắng tách bùn đỏ ra khỏi dung dịch natri aluminat là một trong những bước quan trọng trong quy trình công nghệ Bayer sản xuất alumin từ bauxit Bùn đỏ lắng nhanh không những nhận được dung dịch natri aluminat có độ sạch cao mà chu trình sản xuất alumin còn được rút ngắn

Đối với một số nhà máy xử lý bauxit bằng công nghệ Bayer thì khâu cần quan tâm nhất là khâu lắng tách bùn đỏ [93] Tốc độ lắng bùn đỏ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố [96]: Thành phần quặng, điều kiện hòa tách bauxit, kích thước hạt quặng và điều kiện lắng bùn, hoặc theo Cytec [28], các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng bùn đỏ bao gồm: kích thước hạt bauxit, SiO2 hòa tan, gơtit, tỷ lệ hematit/gơtit, mật độ chất rắn trong huyền phù, độ nhớt dung dịch aluminat, chất kết bông

Tốc độ lắng bùn đỏ và độ nén bùn đã được nghiên cứu với đối tượng là bauxit Hungary Trong suốt thời gian quá trình lắng bùn đỏ diễn ra, người ta đã xác định được tốc

độ lắng bùn đỏ ban đầu chính là điểm gấp khúc P của đường cong lắng (hình 1.3)

Hình 1.3 Đường cong lắng đặc trưng của các loại bùn đỏ [75]

Quá trình nghiên cứu lắng bùn đỏ với nồng độ chất rắn khác nhau, nồng độ chất rắn lại phụ thuộc vào loại bauxit, chế độ hòa tách cũng như hàm lượng chất trợ lắng sử dụng Khả năng lắng phụ thuộc vào diện tích bề mặt riêng của pha rắn trong bùn đỏ [75]

Thông thường người ta cho rằng, độ nghiền mịn của bauxit ảnh hưởng đến tốc độ lắng bùn đỏ Nhưng khi khảo sát quá trình hòa tách quặng bauxit Hungary thấy rằng, độ lớn của hạt bùn hầu như không phụ thuộc vào độ nghiền mịn của bauxit [93, 96] Điều này

có thể giải thích là do các hạt bauxit sẽ bị phân hủy trong quá trình hòa tách Sự hòa tan của các hạt bauxit liên tục diễn ra trong quá trình hòa tách nhưng rõ ràng nhất là loại quặng bauxit gipxit và bơmit Cho nên, rất khó xác định quy luật phụ thuộc tốc độ lắng bùn đỏ vào độ nghiền mịn bauxit

Buravlev và cộng sự [20] nghiên cứu quá trình lắng bùn đỏ từ hai loại quặng tinh bauxit khác nhau là Yugoslav và Greek thấy rằng, so với bùn đỏ Greek, bùn đỏ Yugoslav chứa nhiều cỡ hạt mịn hơn và tốc độ lắng chậm hơn Parekh và Goldberger [54] chỉ ra rằng, hầu hết bùn đỏ chứa khoảng 50% cỡ hạt dưới 10 m và tốc độ lắng của chúng chậm

Nghiên cứu thành phần độ hạt của bùn đỏ từ quá trình hòa tách các bauxit khác nhau ở Bắc Uran cho thấy, phần lớn các hạt bùn nhỏ được tạo thành có kích thước 53 m, bauxit có độ cứng cao hơn sẽ cho kích thước hạt bùn thô hơn làm cho quá trình lắng sẽ tốt hơn [96] Khi khối lượng riêng và kích thước hạt bùn tương đương với hạt keo thì các hạt bùn sẽ lắng rất chậm dưới tác dụng của trọng lực nhưng chúng lại có khả năng kết bông (khi có mặt chất trợ lắng) và nhanh chóng lắng xuống Kích thước hạt càng nhỏ thì bề mặt riêng và năng lượng bề mặt càng lớn do đó khả năng kết bông càng cao Nguyên nhân này làm cho một số trường hợp, các hạt nhỏ lại lắng nhanh hơn các hạt lớn

Trong quá trình lắng, các hạt có kích thước lớn sẽ lắng nhanh hơn và sẽ va chạm vào các hạt nhỏ Khi tỷ lệ rắn/lỏng cao thì các hạt va vào nhau nhiều hơn và dễ kết bông,

có nghĩa là các hạt bùn đỏ có kích thước nhỏ thường có độ nén tốt hơn [93, 96]

Một nghiên cứu về ảnh hưởng của các hạt bùn có tính ưa nước và kỵ nước đến quá trình lắng bùn đỏ thấy rằng, các hạt bùn ưa nước có kích thước lớn sẽ dễ kết bông hơn vì khi đó khối lượng phân tử nước kết tinh trên một đơn vị khối lượng hạt bùn giảm đi Ngược lại, những hạt bùn kỵ nước có kích thước nhỏ sẽ lắng nhanh hơn vì chúng có năng lượng bề mặt lớn [93]

Cùng với sự giảm kích thước hạt bauxit thì tốc độ lắng bùn đỏ sẽ giảm nhưng diện tích bề mặt và năng lượng bề mặt hạt bùn tăng lên lại làm tăng khả năng kết bông giữa các hạt bùn đỏ Điều này giải thích cho các hạt bùn đỏ kích thước nhỏ mịn khi hòa tách ở nhiệt

độ cao vẫn lắng tốt khi hạt bùn đỏ thuộc dạng ưa nước

Kompanhiet [93] đã xác định, ảnh hưởng lớn nhất đến tốc độ lắng và mức độ nén của bùn là đặc tính ưa nước của các hạt bùn Những bùn ưa nước sẽ giữ một lượng lớn pha lỏng hay còn gọi là hiện tượng no nước Điều này dẫn đến khả năng nén kém của bùn

Những hạt bùn đỏ có kích thước nhỏ có ý nghĩa lớn đến quá trình lắng bùn đỏ kể cả khi chúng chiếm một phần nhỏ phần trăm về trọng lượng trong bùn đỏ Vì thông thường, quá trình lắng bùn đỏ hoàn thành khi trong dung dịch aluminat còn lẫn một lượng chất rắn

lơ lửng xác định mà không thể tách được chứ không phải tổng khối lượng bùn đã bị lắng xuống [43]

Nồng độ chất rắn cũng ảnh hưởng đến tốc độ lắng Khi nồng độ chất rắn tăng, tốc

độ lắng giảm [16, 19, 29, 40, 54] Hiện tượng này được giải thích là do tăng sự cản trở

trong quá trình lắng Orban và cộng sự [51] cũng thấy rằng, quá trình lắng bùn đỏ liên quan đến tổng diện tích bề mặt hạt, được xác định bởi kích thước hạt và nồng độ chất rắn

Ảnh hưởng lớn đến quá trình lắng bùn đỏ phải kể tới sự tồn tại của một số khoáng vật có trong thành phần bauxit Đã xác định được rằng, khi hòa tách bauxit không triệt để, bùn đỏ tạo thành rất khó lắng [96] Nguyên nhân của nó một phần là do khối lượng riêng của bùn đỏ chứa Al(OH)3 chưa được hòa tách nhỏ hơn khối lượng riêng của bùn được hòa tách hoàn toàn Nhôm hydroxit chưa được hòa tách dạng hydragilit và bơmit trong dung dịch có tính không bền nên đóng vai trò như một chất mồi làm cho dung dịch aluminat bị phân hủy trong quá trình lắng bùn Nhôm hydroxit kết tủa xuống làm cho khối lượng riêng của bùn đỏ giảm do đó giảm khả năng lắng bùn

Theo Kompanhiet [93], những bauxit chứa nhiều khoáng silic hòa tan sẽ làm giảm khả năng lắng bùn vì nó sẽ tạo ra các kết tủa mịn trong quá trình hòa tách Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, với những bauxit chứa lớn hơn 10% SiO2 hòa tan thì độ nén bùn đỏ rất kém

Kompanhiet cũng nghiên cứu hành vi của SiO2 tồn tại ở các dạng khoáng khác nhau đến quá trình lắng bùn đỏ Cụ thể, nghiên cứu lắng bùn đỏ của một số loại bauxit được hòa tách ở 275 oC Khi hòa tách bauxit chứa ít SiO2 có cho thêm 12% SiO2 dạng kaolinit thì khả năng lắng bùn đỏ của bauxit này tương đương với bauxit chứa 12% SiO2

hòa tan

Trong một thí nghiệm khác, ông cho thêm vào quá trình hòa tách SiO2 dạng thạch anh thì bùn đỏ lắng tương đương với bùn đỏ khi không cho thêm gì vào mặc dù ở nhiệt độ

xử lý, phản ứng giữa SiO2 với kiềm tạo ra kết tủa như nhau

Điều này được giải thích như sau: Kaolinit phản ứng với dung dịch kiềm ngay khi nhiệt độ thấp và kết tủa tạo thành siêu mịn Thạch anh tác dụng với kiềm chậm hơn và chỉ

ở nhiệt độ cao nên tinh thể sẽ được lớn lên, điều này giúp quá trình lắng nhanh hơn so với kết tủa dạng siêu mịn

Khi thay đổi thời gian hòa tách một loại bauxit ở nhiệt độ 180÷230 oC thì thấy rằng, thời gian hòa tách không ảnh hưởng đến quá trình lắng và nén bùn đỏ Tuy nhiên, khi nâng nhiệt độ hòa tách lên 260 oC thì quá trình lắng tốt hơn rất nhiều cho dù hàm lượng SiO2

trong bauxit cao Tăng nhiệt độ hòa tách đến 290 oC bùn đỏ trở nên lắng tốt kể cả SiO2trong bauxit rất lớn [93]

Ảnh hưởng lớn đến quá trình lắng phải kể đến khoáng ôxit sắt dạng gơtit, limonit [42, 43, 93, 96] Khi hòa tách chúng mất nước và tạo thành ôxit sắt siêu mịn Khi pha loãng huyền phù và rửa bùn đỏ, chúng hút lại nước và trương phình lên làm cho quá trình

lắng kém [93, 96] Bùn đỏ chứa sắt chủ yếu dạng hematit sẽ lắng nhanh hơn bùn đỏ chứa sắt dạng gơtit [43]

Hematit - Fe2O3, gơtit - α-FeOOH, alumogơtit - α-(Al,Fe)OOH và alumohematit – (Al,Fe)2O3 là những khoáng vật của sắt thường thấy trong bauxit laterit Cornell và Schwertmann [25] đã tổng hợp các kết qủa nghiên cứu về đặc tính hóa lý của alumogơtit

và alumohematit nhân tạo cho thấy, thay thế đồng hình của Al có thể tới 33% mol Al trong mạng alumogơtit và 16% mol Al trong mạng alumohematit Trong điều kiện hòa tách ở nhiệt độ thấp từ 100÷150 oC, tất cả khoáng chất của sắt đều không hòa tan trong môi trường kiềm Tuy nhiên, khi hòa tách ở nhiệt độ cao từ 250 oC trở lên thì khả năng sắt bị hòa tan tăng lên và gơtit chuyển thành hematit theo phản ứng:

2α-FeOOH = Fe2O3 + H2O (3)

Quá trình hòa tan và kết tủa của hợp chất sắt bị ảnh hưởng bởi hình dạng, cỡ hạt và hàm lượng của nó trong dung dịch aluminat [15] Trong khi động học quá trình biến đổi từ gơtit sang hematit lại phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt riêng của hematit, nồng độ kiềm costic và đặc biệt là sự có mặt của TiO2 ở dạng anatas Anatas có ảnh hưởng đến cân bằng giữa gơtit và hematit, làm giảm khả năng chuyển đổi từ gơtit sang hematit [48]

L.Y.Li [42] cho rằng, ở nhiệt độ cao (220÷250 oC) các khoáng chứa sắt có thể bị hòa tan 50 mg Fe2O3/lít Na2Oc Gơtit và alumogơtit có cấu trúc hạt mảnh hơn hematit nên trong thời gian ngắn chúng cũng có thể hòa tan và kết tủa nhanh hơn hematit Bauxit có hàm lượng TiO2 cao sẽ làm chậm thậm chí ngăn cản quá trình chuyển biến của alumogơtit sang hematit Trường hợp này, nếu trong quá trình hòa tách bauxit bổ sung một lượng CaO hợp lý để nó có thể phản ứng với TiO2 (dạng peroskit CaTiO3) nhằm nâng cao khả năng thu hồi Al trong mạng alumogơtit

Thành phần của sắt sẽ có sự biến đổi lớn khi hòa tách bauxit ở nhiệt độ 140250 oC [39, 73] Alumogơtit bị biến đổi thành hematit theo phản ứng:

(Fex,Al1-x)2O3.H2O + (2 - 2x)NaOH  xFe2O3 + (2 – 2x)NaAlO2 + (2 – x)H2O (4)

Vì thế, trong thành phần bùn đỏ chỉ thấy xuất hiện hematit

Một nghiên cứu cho thấy, quá trình lắng bùn đỏ khi hòa tách bauxit ở nhiệt độ 180÷230 oC cho tốc độ lắng chậm nhưng cũng bauxit này được hòa tách ở nhiệt độ 260 oC thì tốc độ lắng lại nhanh hơn đáng kể Giải thích nguyên nhân bùn đỏ lắng nhanh khi hòa tách ở nhiệt độ cao là do chuyển biến của sắt dạng gơtit sang hematit chỉ xảy ra một chiều,

có nghĩa là sẽ không xảy ra hiện tượng hút lại nước trong quá trình pha loãng và rửa bùn

đỏ sau này [93, 96]

Khi nghiên cứu một vài mẫu bùn đỏ của bauxit thuộc Jamaica, Strahn [83] nhận thấy, tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa tỷ lệ hematit/gơtit với tốc độ lắng bùn đỏ Tốc độ lắng bùn đỏ của bauxit Jamaica chậm có liên quan trực tiếp đến cỡ hạt mịn, hạt coloid của khoáng vật sắt sau quá trình hòa tách

Các nghiên cứu về lắng bùn đỏ của Orban và cộng sự [52], Davis [26] đã chỉ ra rằng, tốc độ lắng bùn đỏ liên quan đến diện tích bề mặt riêng của các hạt bùn đỏ Bề mặt riêng của khoáng chứa sắt lớn hơn sẽ cho tốc độ lắng chậm hơn Theo thứ tự, khoáng chứa sắt dạng alumogơtit, gơtit và hematit có diện tích bề mặt riêng giảm dần Theo quan sát, tốc độ lắng bùn đỏ chứa nhiều hematit sẽ nhanh hơn bùn đỏ chứa nhiều gơtit hoặc alumogơtit

Parekh và Goldberger [54] lại thấy rằng, tốc độ lắng bùn đỏ khác nhau liên quan đến hàm lượng khoáng chất của sắt trong quặng bauxit Họ cũng nhận thấy, một số yếu tố như: độ pH môi trường lắng, các muối kim loại và kết tủa của Al 3+, Fe 3+ và Mg 2+ có tác động ít đến tốc độ lắng bùn đỏ

Một số công trình nghiên cứu [29] thấy rằng, bùn đỏ chứa nhiều gơtit lắng kém hơn bùn đỏ chứa nhiều hematit Giải thích hiện tượng này dựa trên cơ sở so sánh giữa hematit

và gơtit về phương diện: đặc tính bề mặt, khối lượng riêng và hình dạng cấu trúc tinh thể Tùy thuộc vào hàm lượng tạp chất, hematit có khối lượng riêng dao động từ 4,2÷5,3 g/cm3, trong khi đó khối lượng riêng củagơtit (3,1÷4,4 g/cm3) do đó hematit lắng nhanh hơn gơtit Cấu trúc tinh thể của gơtit có dạng hình kim trong khi hematit có dạng hình thoi Hình dạng tinh thể cũng được cho là nguyên nhân ảnh hưởng đến quá trình lắng Xét về phương diện thủy động học, dạng hình kim lắng kém hơn dạng hình thoi [13] Ngoài ra, trong quá trình lắng có sử dụng chất trợ lắng (tinh bột) thì khả năng hấp phụ chất trợ lắng lên bề mặt hematit tốt hơn gơtit [87]

Solymar và cộng sự [74, 77] cho rằng, hòa tách bauxit chứa gơtit ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ xử lý bauxit gipxit sẽ cho tốc độ lắng bùn đỏ nhanh hơn Nếu điều chỉnh nhiệt

độ hòa tách để gơtit biến đổi thành hematit thì tốc độ lắng cải thiện một cách đáng kể, bởi

vì diện tích bề mặt riêng của hematit nhỏ hơn diện tích bề mặt riêng của gơtit

Grubbs và cộng sự [32] thấy rằng, tốc độ lắng bùn đỏ từ bauxit có màu vàng nói chung là chậm vì trong đó chứa khoáng vật sắt chủ yếu ở dạng alumogơtit, ít khoáng hematit Các tác giả cũng đề cập đến mối tương quan giữa tốc độ lắng và thành phần photpho trong bauxit, mặc dù hàm lượng của nó chỉ trong khoảng 0,2% hoặc ít hơn

Ostap [53] kết luận rằng, tốc độ lắng bùn đỏ liên quan đến kích thước hạt tinh thể alumogơtit Khối lượng riêng của alumogơtit (khoảng 3,2 g/cm3) nhỏ hơn khối lượng riêng

của gơtit (khoảng 3,3÷4,3 g/cm3) và hematit (khoảng 4,9÷5,26 g/cm3) nên alumogơtit khó lắng hơn khoáng sắt còn lại

Vôi được biết đến như một chất xúc tác nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi alumin trong quá trình hòa tách bauxit diaspo ở nhiệt độ cao [88, 93, 96] Tuy nhiên, khi nghiên cứu hòa tách bauxit Jamaica ở nhiệt độ 140 oC ở một số điều kiện khác nhau thì cho kết quả như trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Sự chuyển biến từ gơtit thành hematit khi hòa tách bauxit [88]

Bauxit CaO, % Nhiệt độ hòa tách, oC Gơtit chuyển biến thành

Buravlev và cộng sự [20] đã tiến hành thử nghiệm nung bùn đỏ ở nhiệt độ

200-7000C để chuyển biến gơtit thành hematit nhằm cải thiện quá trình lắng Kết quả thử nghiệm cho thấy, sự chuyển biến từ gơtit sang hematit trong điều kiện thử nghiệm là không

rõ ràng

Một nghiên cứu về hiệu quả của sự chuyển biến từ gơtit sang hematit cũng được thực hiện bởi Basu [15] qua 2 cách, nung gơtit trong môi trường không khí và hòa tan gơtit rồi kết tủa ở dạng hematit Kết quả chỉ ra rằng, tốc độ lắng hematit nhận được từ quá trình nung kém hơn từ quá trình kết tủa

Solymar và cộng sự [78] cho rằng, quá trình chuyển biến từ gơtit sang hematit do tác động của Ca(OH)2 theo trình tự sau:

2Ca(OH)2 + 2FeOOH  2[CaO.Fe(OH)3] (5) 2[CaO.Fe(OH)3]  3[CaO.Fe2O3.2H2O] + 2H2O (6) CaO.Fe2O3.2H2O  3Ca(OH)2 + Fe2O3 (7) Mal’ts [45] thấy rằng, cho CaO trong quá trình hòa tách bauxit ở 240 oC thì tỷ lệ alumogơtit biến đổi thành hematit sẽ cao hơn khi cho CaO trong quá trình tiền khử silic ở nhiệt độ thấp

Tóm lại, một số nhà nghiên cứu cho rằng, quá trình lắng phụ thuộc vào thành phần hóa học và khoáng vật của cấu tử sắt có trong bauxit Sự có mặt của khoáng sắt dạng gơtit

là vấn đề chính gây nên tốc độ lắng bùn đỏ chậm vì gơtit có khối lượng riêng nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn

Anatat (TiO2) tuy không phải là thành phần chính nhưng chúng cũng có mặt trong nhiều loại bùn đỏ Yamada và cộng sự [89] đã nghiên cứu lắng bùn đỏ tạo thành từ quá trình hòa tách một vài nguồn quặng tinh bauxit khác nhau trên thế giới ở áp suất cao Các tác giả thấy rằng, ở điều kiện thực nghiệm không xét đến sự khác nhau về kích thước hạt, dạng kết tinh hay khối lượng riêng, quá trình kết bông của các khoáng riêng lẻ như: anatat, bơmit và hematit là tốt, trong khi gơtit, gipxit, quartz và kaolinit là kém Họ cũng nhận thấy rằng, bùn đỏ chứa nhiều gơtit khả năng kết bông bằng chất trợ lắng polyacrylat là kém

và sự chuyển biến từ gơtit sang hematit bị hạn chế Tốc độ lắng của bùn đỏ cao gơtit tăng đột ngột khi cả hai thành phần hematit và anatat tăng lên Đã quan sát được, tốc độ lắng càng cao khi hàm lượng anatat càng lớn hơn 7% Trái với những nhận định vừa nêu, theo Prakash và Horvath [64], cho thêm anatat sẽ làm giảm quá trình lắng bùn đỏ do có sự liên quan đến việc tăng diện tích bề mặt

Khoáng vật photphat được cho là cản trở sự kết bông của bùn đỏ Grubbs và cộng

sự [32] tìm thấy mối liên hệ giữa hàm lượng photphat và tốc độ lắng mặc dù trong hầu hết bauxit, hàm lượng này chỉ chiếm  0,2% O’Donnell và Martin [50] nhận thấy, bản thân photphat không cản trở sự kết bông của bùn đỏ nhưng chất kết tủa của canxi và photphat giống như hợp chất apatit và vôi sẽ hỗ trợ quá trình lắng bùn đỏ

Ảnh hưởng của tạp chất vô cơ như canxi và cacbonat đến quá trình lắng đã được một vài công trình nghiên cứu công bố Canxi có tác dụng hỗ trợ quá trình lắng trong khi cacbonat thì lại không có tác dụng này

Canxi có tác dụng tác động theo một vài cách Basu và cộng sự [16] chỉ ra rằng, các ion canxi làm giảm khả năng hòa tan của sắt trong dung dịch natri aluminat Canxi cũng thường được thêm vào để biến đổi gơtit thành hematit giúp quá trình lắng diễn ra dễ dàng hơn với chất trợ lắng là polyacrylat [16, 50, 81, 89] Canxi có thể khử photphat thành dạng hợp chất giống như apatit [69, 89] hoặc nó có thể làm cầu nối trên bề mặt hạt để chất trợ lắng hấp phụ lên [68] Canxi cũng có thể kết tủa ở dạng tricanxi aluminat, CaCO3 hoặc Ca(OH)2 là những hợp chất mà chất trợ lắng dễ hấp phụ [84, 88]

Cacbonat luôn tồn tại trong dung dịch natri aluminat Người ta thường loại bỏ cacbonat trong dung dịch bằng vôi - caustic hóa Hunter và cộng sự [36] nhận thấy, vôi hỗ trợ quá trình lắng bùn đỏ do vôi có tác dụng khử CO32- theo phương trình dưới đây Cũng

có ý kiến rằng, cacbonat trong dung dịch natri aluminat hấp phụ lên bề mặt hạt rắn làm cản trở quá trình hấp phụ của chất trợ lắng

CO32-+ Ca(OH)2 = CaCO3 + 2OH- (8) Các chất hữu cơ hòa tan được coi là có hại trong quy trình công nghệ Bayer Chúng không những làm bẩn sản phẩm alumin mà còn làm giảm chất lượng mầm kết tinh trong quá trình phân hóa dung dịch [37]

Nguồn tạp chất hữu cơ chủ yếu từ bauxit tồn tại ở dạng humin và bitum Các chất humic bao gồm axit humic – sản phẩm chuyển hóa của licnin, chúng dễ hòa tan trong dung dịch kiềm NaOH tạo ra các hợp chất kiềm humat khác nhau, chuyển hóa thành natri oxalat

dễ hòa tan, và các chất nhựa khác cùng với xút tạo thành các dung dịch keo

So với các humin thì bitum có đặc điểm là hàm lượng cacbon và hydro cao hơn Thực tế chúng không hòa tan trong dung dịch kiềm và không có tác hại như các humin

Mặc dù hàm lượng của các chất hữu cơ trong bauxit chỉ tính bằng phần vạn và chỉ

có các chất humin đi vào dung dịch mà cũng chỉ ở phần nào nhưng chúng còn đi vào dung dịch do kết quả tương tác giữa dung dịch với vải lọc và các chất kết bông hữu cơ cho thêm vào để tăng khả năng lắng bùn đỏ Cùng với mồi nhôm hydroxit và dung dịch kiềm sau khi costic hóa natri cacbonat, các chất hữu cơ quay vòng lại quá trình

Các chất hữu cơ là một trong những nguyên nhân làm chậm quá trình lắng cũng như rửa bùn đỏ Khi hàm lượng chất hữu cơ cao thì độ nhớt của dung dịch aluminat tăng lên rõ rệt kéo theo khả năng lắng của các hạt bùn đỏ kém [80, 93, 96]

Các chất hữu cơ dạng humic và oxalat làm giảm tốc độ lắng của gơtit [16] và bùn

đỏ [89] Sankey và Schwarz [69] cho rằng, lắng bùn đỏ từ hoà tách bauxit Jamaica trong dung dịch nhân tạo không hợp chất hữu cơ nhanh hơn trong dung dịch tuần hoàn cao hợp chất hữu cơ

Trong khi hầu hết các nghiên cứu đề cập đến ảnh hưởng của nồng độ dung dịch hòa tách, thành phần vật chất của quặng tinh bauxit đến quá trình lắng thì việc nghiên cứu sử dụng chất kết bông - chất trợ lắng cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ cũng được nhắc đến

Hầu hết quá trình lắng bùn đỏ của các nhà máy luyện alumin từ bauxit bằng công nghệ Bayer đều phải sử dụng chất kết bông Các nghiên cứu về tác dụng của chất kết bông trong quá trình lắng bùn đỏ chỉ ra rằng, khả năng kết bông là do năng lượng bề mặt của các hạt bùn, mà giá trị này phụ thuộc trực tiếp vào diện tích bề mặt riêng của chúng Khi có mặt chất kết bông, các hạt bùn mịn thậm chí là các hạt coloid cũng dễ dàng tạo thành khối bông lớn và lắng xuống [96]

Tuy các khối bông tạo thành từ những hạt mịn này lắng nhanh, nhưng bùn nén không chặt Khi có sự khuấy trộn trong thùng lắng, các khối bông vừa hình thành sẽ va

chạm với khối bông đã nén chặt nên bị phá vỡ, nhờ đó nước được giải phóng ra, khối bông

sẽ rơi xuống đáy và độ nén của nó sẽ tốt hơn

Để cải thiện tính nén của bùn đỏ, một nghiên cứu đã thực hiện nhằm xác định mức

độ ảnh hưởng của tinh bột đến quá trình nén bùn đỏ Có nhiều quan điểm khác nhau đã được đưa ra để giải thích cơ chế lắng và nén chặt của bùn đỏ khi cho thêm tinh bột

Theo Dvornhic và Kherman [96], do tinh bột tác dụng với kiềm tạo ra một loại hợp chất hấp phụ lên bề mặt hạt bùn, tăng hoạt tính của hạt bùn, giúp các hạt bùn liên kết với nhau tạo khối bông bùn lớn dễ lắng

Modiaroxi [96] lại xác định rằng, trong quá trình hòa tách, các hạt bùn chứa ion (OH)- sẽ mất điện tử và tạo ra oxy nguyên tử theo phản ứng:

2OH- - 2e = H2O + O (9)

Các oxy nguyên tử sinh ra sẽ hấp phụ lên bề mặt hạt bùn tạo thành một lớp màng mỏng ngăn cản các hạt bùn kết nối với nhau, làm chậm quá trình lắng bùn đỏ Kết quả phân tích cho thấy, bùn đỏ lắng kém chứa tới 6,62 cm3O2/kg bùn đỏ so với bùn đỏ lắng tốt chỉ có 4,23 cm3O2/kg bùn đỏ Trong dung dịch kiềm, các hạt cơ bản của bùn đỏ mang điện tích dương [93] Sự đẩy nhau của các hạt bùn cùng điện tích làm cho sự lắng và nén chặt của bùn kém đi Khi có mặt tinh bột – chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên, các hạt bùn mất ngay điện tích và trở nên trung tính Chính nguyên nhân này giúp các hạt bùn dễ tiếp xúc để kết bông hơn

Một nghiên cứu khác tiến hành hòa tách kết hợp bauxit có khả năng lắng kém với bauxit có khả năng lắng tốt Kết quả cho thấy rằng, sự kết hợp này thúc đẩy khả năng lắng của bauxit lắng kém và làm giảm khả năng lắng của bauxit lắng tốt [93]

Khi tiến hành lắng bùn đỏ của bauxit có khả năng lắng kém cho thêm 10% bùn đỏ được hòa tách ở nhiệt độ cao Kết quả chỉ ra rằng, khả năng lắng và nén chặt bùn đỏ tốt hơn rất nhiều, kết quả này tương đương với cho thêm tinh bột [93]

Một nghiên cứu về ảnh hưởng của độ nhớt dung dịch aluminat cho thấy, khi nồng

độ dung dịch aluminat tăng từ 130 g/l Na2O lên 150 g/l Na2O thì khả năng lắng bùn đỏ giảm xuống 15% mặc dù độ nhớt của dung dịch thay đổi không đáng kể khi quá trình lắng được thực hiện ở nhiệt độ 95 oC [96]

Để cường hóa quá trình lắng bùn đỏ, ở các nhà máy chế biến bauxit thường sử dụng các chất có tác dụng làm tăng kích thước và khối lượng của khối bông tạo thành

Khi sử dụng chất trợ lắng polisaccarit được chiết suất từ hạt đậu, đỗ (cây họ đậu) thì làm tăng tốc độ lắng bùn đỏ lên 5 lần so với sử dụng chất trợ lắng polisaccarit chiết suất

từ bột mỳ [93]

Kupovic [93] thử nghiệm một số chất kết bông khác nhau như: bột ngô, bột gạo, bột rong biển nâu, bã khoai tây, nước giấy cho thấy rằng, trong một số trường hợp các chất cho thêm này đẩy nhanh quá trình lắng trong môi trường axit, trung tính hoặc kiềm nhẹ Tác giả cũng xác định, khi cho thêm chất kết bông vào không được khuấy mạnh tránh phá

vỡ khối bông tụ

Dejan Smolovi [72] đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất kết bông đến quá trình lắng bùn đỏ Các chất kết bông được sử dụng để nghiên cứu gồm: tinh bột, A-185 HMW và hydroxamated polyacrylamides (HXPAMs) HX 300 của hãng Cytec với liều lượng sử dụng như sau: 1,5 kg tinh bột/tấn bùn đỏ; 0,08 kg A-185 HMW/tấn bùn đỏ; 0,45 kg HX300/tấn bùn đỏ Kết quả chỉ ra rằng, tốc độ lắng bùn đỏ sử dụng HX300 sau 1 giây đạt 0,96 mm/phút nhanh hơn khi sử dụng A-185 HMW sau 300 phút đạt 0,4 mm/phút và khi

sử dụng tinh bột sau 300 phút đạt 0,2 mm/phút, mức độ thu hồi dung dịch sau lắng nhiều hơn, phân chia hai pha rắn, lỏng rõ nét hơn, pha rắn còn lại trong dung dịch cũng ít hơn, nhờ đó làm tăng khả năng lọc của máy lọc Kelly Ngoài ra, nồng độ pha rắn của bùn đỏ cũng cao hơn, mất mát kiềm giảm

ZHANG Kun-yu cùng cộng sự [92] đã nghiên cứu sự tương tác giữa chất kết bông tổng hợp poliacrylate SPA (PAA), poliacrylamide PAM và các hạt bùn đỏ Từ kết quả thực nghiệm, tác giả đưa ra công thức tính tốc độ lắng:

v=[(h1−h2)/5]×60 (1.4) trong đó: v - vận tốc lắng bùn đỏ, m/h

h1 - chiều cao cột bùn đỏ ban đầu, m

h2 - chiều cao cột bùn đỏ sau 5 phút lắng

5 - thời gian lắng đã trôi qua, phút

60 - số phút trong 1 giờ Cũng theo tác giả, cơ chế tương tác giữa hạt bùn đỏ và SPA hoặc PAM là cơ chế hấp phụ cầu nối Tốc độ lắng bùn đỏ khi cho thêm SPA chậm hơn khi cho thêm PAM, nhưng dung dịch aluminat thu được lại ít chất rắn lơ lửng hơn

Phương pháp chuẩn bị môi trường chất kết bông cũng có ảnh hưởng đến quá trình lắng Nhóm nghiên cứu cho biết, cùng một lượng PAM như nhau, tốc độ lắng bùn đỏ khi cho thêm PAM được hòa tan trong nước chứa 10 g/l NaOH chỉ đạt 0,61 m/h, nhưng nếu PAM hòa tan trong nước tinh khiết thì tốc độ này có thể đạt 1,31 m/h Nguyên nhân là do PAM trong NaOH bị thủy phân không hoàn toàn tạo thành liên kết - CONH2 - COO- - CONH2 như sau:

Nếu liên kết trên tạo ra nhiều, sẽ làm giảm khả năng hấp phụ của polime với các hạt bùn đỏ

M.Clifton [22] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của ion hoạt tính bề mặt đến quá trình lắng bùn đỏ tạo thành theo công nghệ Bayer Trong quá trình thí nghiệm lắng, tác giả

đã sử dụng 2 loại ion hoạt tính bề mặt là cation (cetyl trimethyl ammonium bromide

CH3(CH2)15N(CH3)3+) và anion (axit lauric CH3(CH2)10COO- và sodium laureth sulphate

CH3(CH2)10CH2(OCH2CH2)nOSO3-) Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi cho thêm chất hoạt tính bề mặt anion và cation thì độ nhớt của bùn đỏ giảm ở mức độ vừa phải Cần chú

ý rằng, sự hiện diện của ion natri trong dung dịch có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp phụ bề mặt

Có khá nhiều công trình nghiên cứu về sử dụng chất trợ lắng là polime hữu cơ để khử hợp chất hữu cơ (chủ yếu là cacbon hữu cơ) có mặt trong huyền phù bùn đỏ [55, 56,

57, 58, 59, 60, 61, 62] Các nghiên cứu đều đưa ra kết luận rằng, cacbon hữu cơ (chiếm một lượng nhỏ trong bauxit) là một trong những nguyên nhân làm bùn đỏ lắng chậm Để loại bỏ chúng khỏi dung dịch cần sử dụng chất kết bông hữu cơ như: anion poliacrylamid, polidadmac, homo hoặc copolime của axit acrylic

Nhà máy sản xuất alumin Nalco (Ấn Độ) hòa tách quặng bauxit gipxit, cỡ hạt - 0,063 mm chiếm 47% đưa vào khâu hòa tách Chất kết bông sử dụng khi lắng bùn đỏ là bột

mỳ với tiêu hao 45 kg/t alumin Sau khi lọc kiểm tra, chất lơ lửng còn lại trong dung dịch đạt < 0,4 mg/l [4]

Cách thức cho chất kết bông vào huyền phù hòa tách cũng được đề cập tới trong quá trình nghiên cứu lắng Pearse và Sartowski [63] cho chất kết bông thành hai giai đoạn, giai đoạn thứ nhất cho 50-80% hàm lượng chất kết bông được sử dụng Tác giả kết luận rằng, bùn đỏ lắng nhanh hơn khi cho chất kết bông một giai đoạn Mặc dù không đưa ra những số liệu thực nghiệm cụ thể nhưng Connelly cùng cộng sự [24] cũng nhận thấy, tốc

độ lắng bùn đỏ khi cho chất kết bông nhiều giai đoạn sẽ diễn ra nhanh hơn khi cho một giai đoạn Trong khi đó, Spitzer cùng cộng sự [81] lại quan sát thấy, thêm chất kết bông nhiều giai đoạn cho kết quả lắng nhanh hơn một giai đoạn với chất kết bông polyhydroxamat còn với polyacrylat không xảy ra hiện tượng này

Quá trình kết bông phụ thuộc vào điều kiện động học, do đó nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình lắng bùn đỏ Nhiệt độ tăng, tốc độ lắng bùn đỏ tăng lên [16, 19] do tăng khả năng va chạm của hạt bùn đỏ Ngoài ra, nhiệt độ cao không những làm các phân tử chất kết bông duỗi thẳng tăng khả năng hấp phụ lên hạt bùn mà độ nhớt của huyền phù cũng giảm xuống, giúp cho quá trình lắng diễn ra thuận lợi hơn

1.3.2 Trong nước

Việt Nam là một trong những quốc gia có nguồn tài nguyên bauxit lớn trên thế giới (Bảng 1.6) Xét về nguồn gốc thành tạo, bauxit Việt Nam gồm hai loại: trầm tích và phong hóa từ đá bazan

Các mỏ bauxit trầm tích có chứa khoáng vật chủ yếu là diaspor phân bố ở miền Bắc thuộc các tỉnh (Hình 1.4): Cao Bằng, Lạng Sơn, Hà Giang

Các mỏ bauxit phong hóa từ đá bazan, còn gọi là bauxit laterit, chiếm trữ lượng lớn

và phân bố tại một số tỉnh phía Nam (Hình 1.4): Đắk Nông, Lâm Đồng, Gia Lai…, chứa khoáng vật chính là gipxit

Bảng 1.6 Các nước có tiềm năng lớn hàng đầu về bauxit

Hình 1.4 Phân bố bauxit ở Việt Nam theo vùng [5]

Quá trình nghiên cứu về bauxit của Việt Nam được phân chia thành các giai đoạn như sau:

 Trước năm 1975, với sự giúp đỡ của Liên Xô và Hungary, đã tiến hành nghiên cứu thăm dò trữ lượng và khả năng hòa tách bauxit miền Bắc, điển hình là hai mỏ: Ma Mèo – Lạng Sơn và Táp Ná – Cao Bằng

 Từ năm 1975, sau khi giải phóng miền Nam, tập trung nghiên cứu bauxit vùng Tây Nguyên với sự giúp đỡ của khối SEV

 Từ năm 1977-1986, Viện Luyện kim màu (nay là Viện Khoa học và Công nghệ

Mỏ luyện kim – Bộ Công thương) triển khai nhiều đề tài nghiên cứu nhằm đánh giá chất lượng quặng và xem xét khả năng sử dụng đối với tất cả các mỏ bauxit của các vùng chủ yếu thuộc miền Nam [11]

 Năm 1988-1990, nhóm chuyên gia Hungary trong Dự án xây dựng Trung tâm nghiên cứu bauxit do UNIDO tài trợ đã lập Báo cáo cơ hội đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất alumin sử dụng quặng bauxit Tân Rai, Lâm Đồng với công suất 600.000 tấn/năm Al2O3

Hiện nay, nhà máy Hóa chất Tân Bình thuộc Công ty Hóa chất cơ bản miền Nam đang áp dụng công nghệ Bayer châu Mỹ để sản xuất nhôm hydroxit và phèn nhôm với công suất khoảng 20.000 tấn Al(OH)3/năm từ quặng bauxit Bảo Lộc, Lâm Đồng

Hiện tại, nhà máy sản xuất alumin Tân Rai, Lâm Đồng đã đi vào hoạt động và nhà máy sản xuất alumin Nhân Cơ, Đắc Nông đang xây dựng Cả hai nhà máy này đều có công suất

thiết kế 650.000 tấn alumin/năm do nước ngoài đầu tư thiết bị và nghiên cứu công nghệ Hai nhà máy này đều sử dụng công nghệ Bayer châu Mỹ Thông số công nghệ các công đoạn chính của nhà máy alumin Tân Rai như sau: cỡ hạt bauxit cho hòa tách < 0,3 mm; tiền khử silic: 8 h ở nhiệt độ 102 0C; hòa tách ở 145±2 0C trong 45-60 phút với nồng độ kiềm caustic 165-170 g/l; lắng tách bùn đỏ bằng chất trợ lắng hữu cơ tổng hợp biến tính DW32 (Úc)

Trong những năm qua, một vài tập thể khoa học của nước ta đã tiến hành một số

đề tài nghiên cứu về sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer châu Âu từ bauxit diaspor ở khu vực phía Bắc và bằng công nghệ Bayer châu Mỹ từ bauxit laterit khu vực Tây Nguyên [4, 5] Tuy nhiên, các công trình này tập trung chủ yếu vào vấn đề khử silic và hòa tách quặng tinh, còn quá trình lắng chỉ được đề cập một cách rất sơ lược không thành nội dung nghiên cứu tương ứng với tầm quan trọng của nó trong công nghệ Bayer Vì vậy, nghiên cứu quá trình lắng bùn đỏ sau hòa tách bauxit một cách cơ bản, toàn diện là nhiệm vụ cấp thiết, không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn, đặc biệt đối với nước ta đang trong giai đoạn xây dựng nền công nghiệp sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer châu Mỹ

Bauxit Gia Nghĩa Đắc Nông, một trong những nguồn quặng có tính đại diện cho bauxit khu vực Tây Nguyên, Việt Nam Bauxit này chứa khoáng vật nhôm chủ yếu ở dạng gipxit, do đó, việc chuẩn bị bùn đỏ cho quá trình nghiên cứu lắng phải được thực hiện theo quy trình sản xuất alumin bằng công nghệ Bayer theo chế độ chọn trước

Lắng bùn đỏ là quá trình phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố và chế độ công nghệ của các công đoạn liên quan Vì vậy, để có được những đánh giá khoa học, tổng thể, nội dung nghiên cứu cần tập trung vào các vấn đề sau:

 Thành phần vật chất của quặng tinh bauxit

 Cỡ hạt quặng tinh bauxit cho hòa tách

 Một số thông số hòa tách bauxit có liên quan trực tiếp tới khả năng lắng bùn đỏ:

Trong quá trình lắng huyền phù, nồng độ các hạt bùn tăng dần theo hướng từ trên xuống dưới, khi đó, lắng tự do dần dần chuyển thành lắng vướng mắc

Lắng tự do hay lắng vướng mắc được phản ánh qua tốc độ lắng: tốc độ lắng tự do luôn luôn lớn hơn tốc độ lắng vướng mắc Tốc độ lắng tự do không thay đổi theo thời gian

và có giá trị lớn nhất, còn lắng vướng mắc tốc độ giảm dần cho đến khi đạt giá trị bằng không (vùng bùn đặc) Điều đó cũng có nghĩa quá trình lắng đã kết thúc

Sau thời gian lắng nhất định, xảy ra sự phân vùng có thể quan sát được theo chiều cao cột bùn đỏ, bao gồm:

• Vùng dung dịch trong trên bề mặt cột lắng Tuy nhiên, vẫn còn những hạt siêu mịn tương đương hạt keo không có khả năng lắng vì khối lượng không đủ để thắng lực nâng Arsimet

• Vùng đục, thực chất là vùng đang xảy ra quá trình lắng mà chủ yếu là lắng vướng mắc

• Vùng bùn đặc, trong vùng này huyền phù của các hạt thô tạo thành lớp bùn đặc chắc Trong quá trình lắng, chiều cao các vùng có sự thay đổi, cụ thể: vùng trong và vùng bùn đặc tăng lên, còn vùng lắng giảm xuống

2.2 Lắng tự do

2.2.1 Hạt hình cầu

Đối với hạt rắn có dạng hình cầu ở điều kiện cân bằng trọng lực với trở lực của môi trường (Ar < 3,6 hay Ly < 0,0022 hay Re < 0,2), tốc độ lắng tự do được xác định theo công thức Stốc [2]:

o h

d w

2 0



Trong đó: wo – vận tốc lắng của hạt hình cầu, m/s

dh – đường kính hạt cầu, m

h, o – khối lượng riêng của hạt rắn và của môi trường, kg/m3

o – độ nhớt động học của môi trường, Pa.s

g – gia tốc trọng trường, m/s2Khi Ar > 3,6 hay Ly > 0,0022 hay Re > 0,2 có thể dùng biểu đồ thực nghiệm (hình 2.1) - biểu thị quan hệ giữa các chuẩn số để xác định tốc độ lắng:

ArLy = Re3 (2.2) Trong đó:

3 2

)(

.Re

o

o o h h o

Ly

o h o

o o

)(

o d w

w Fr

h o

2

2.2.2 Hạt không phải hình cầu

Vận tốc lắng của một hạt rắn không phải hình cầu luôn luôn nhỏ hơn vận tốc lắng của hạt hình cầu Cho đến nay, vẫn chưa có công thức chính xác để tính ảnh hưởng của hình dạng hạt lên quá trình lắng Vì vậy, vận tốc lắng của các hạt không phải hình cầu thường được xác định bằng thực nghiệm

Để tính gần đúng quá trình lắng của hạt không phải hình cầu người ta sử dụng phương pháp sau đây:

Khi tìm vận tốc lắng thì trước hết cần xác định đường kính tương đương của hạt có thể tích V (m3) đã cho trước [2]

h tđ

m V

Trong đó: m - khối lượng của hạt

h – khối lượng riêng của hạt

o o h

d Ar

Theo đồ thị hình 2.1 và căn cứ vào trị số Ar, có thể xác định được giá trị chuẩn số

Ly theo đường cong cho hạt hình cầu Vận tốc lắng của hạt không phải hình cầu tính theo công thức [2]:

3

2 1

)(

o

o h o o

g Ly

0,68 0,678 0,672 0,65 0,647 0,635

0,61 0,595 0,59 0,564 0,562 0,56

0,45 0,441 0,433 0,420 0,408 0,392 Khi tính gần đúng có thể lấy 1 = 0,75

Kích thước của hạt không phải hình cầu có thể xác định thông qua vận tốc lắng wo Chuẩn số Ly được tính theo công thức (2.3), sau đó dùng đồ thị hình 2.1 xác định chuẩn số

Ar cho hạt hình cầu, từ đó tính đường kính tương đương của hạt theo công thức [2]:

3

2 2

.)

Ar d

o o h

o tđ

- 1.495 1.64 1.7 1.96

-

- 1.865 2.03 2.18 2.5

-

2.09 2.92 3.34 3.68

Vận tốc lắng vướng mắc của hạt hình cầu có thể xác định theo công thức [2]:

123,

l V V

V





 - phần thể tích pha lỏng trong huyền phù

Vl – thể tích pha lỏng trong huyền phù, m3

Vh – thể tích pha rắn trong huyền phù, m3 Đối với huyền phù, có thể xác định  theo công thức:

Trong đó: x – phần khối lượng pha rắn trong huyền phù, kg pha rắn / kg huyền phù

h – khối lượng riêng của pha rắn, kg/m3

 – khối lượng riêng của huyền phù, kg/m3 Khối lượng riêng của huyền phù được tính bằng công thức sau [2]:

o h

x x

Trong đó: o - khối lượng riêng của pha lỏng, kg/m3

Lắng bùn đỏ là quá trình lắng vướng mắc của các hạt rắn và tuân theo cơ chế chung của các hạt rắn chuyển động vướng mắc

Trong quá trình lắng vướng mắc, hình thành lớp chuyển tiếp rất mỏng (có thể quan sát được) giữa vùng dung dịch trong phía trên và vùng bùn đỏ phía dưới có hàm lượng chất rắn > 30 g/l [75]

Công thức (2.1) chỉ đúng cho các hạt hình cầu rơi tự do Đối với hạt có hình dạng khác và rơi vướng mắc, tốc độ rơi được xác định bằng thực nghiệm

Năm 1916, Coe và Clevenger [23] đã nghiên cứu lắng các hạt có kích thước thay đổi trong phạm vi rộng Đối với quá trình lắng bùn hạt thô, tốc độ lắng ban đầu thường không thay đổi Ngược lại, đối với bùn hạt mịn, tốc độ lắng thay đổi theo quy luật: ban đầu lớn, sau đó chậm dần và cuối cùng không đổi tức là quá trình lắng kết thúc

Năm 1926, trên cơ sở công thức Stốc, Robinson [66] đưa ra công thức tính tốc độ lắng cho huyền phù chứa các hạt có kích thước đồng dạng như sau:

c

c h

d K w

và đưa ra công thức tính vận tốc lắng như sau:

)(

2

g d

Trong đó: ws – tốc độ lắng của các hạt

Hawksley [33] đưa ra biểu thức tính tốc độ lắng của các hạt theo giả định là chúng sắp xếp ổn định, cân bằng thành một khối hạt trong suốt quá trình lắng Tốc độ lắng của khối hạt này được tính như tốc độ rơi của một hạt theo công thức Stốc:

c

c s c

s

g d

V V

2





Trong đó: c và c là độ nhớt và khối lượng riêng của huyền phù

Richardson và Zaki [65] cho rằng, công thức (2.1) cũng đúng với các hạt mịn đã tạo thành một hạt bông lớn Tốc độ lắng tỉ lệ với đường kính hạt bông và được xác định theo công thức:

 4 , 65

1

U ST

U (2.18) Trong đó: U – tốc độ rơi vướng mắc

UST – tốc độ rơi tính theo Stốc

 - khối lượng hạt Nhiều tác giả đã mô tả đặc điểm quá trình lắng của các hạt (tốc độ lắng và độ vẩn đục của dung dịch) qua các giai đoạn bằng toán học và được thể hiện trên hình 2.2 [18, 21,

35, 46, 70, 79]

Hình 2.2 Đường cong đặc trưng biểu diễn quan hệ giữa chiều cao cột bùn và thời gian lắng

Độ nén của pha rắn được xác định ở giai đoạn cuối quá trình lắng (hình 2.2) Các hạt nằm ở đáy thiết bị lắng sẽ bị một lực nén gây ra bởi những hạt đang lắng phía trên làm cho chúng nén xuống Ở trạng thái cân bằng, lực này tương đương với ứng suất nén của hạt [37]

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng bùn đỏ

2.4.1 Thành phần vật chất của bauxit

2.4.1.1 Hàm lượng silic hòa tan

Trong bauxit, silic thường tồn tại ở những dạng hợp chất sau:

 Quartz (SiO2)

 Kaolinit (Al2O3.2SiO2.2H2O)

 Haloysit (Al2O3.2SiO2.3H2O)

 Kyanit (Al2O3.SiO2, khoáng này được tìm thấy ở trong bauxit Brazil)

Trong số các hợp chất của silic nêu trên thì khoáng kyanit không phản ứng với kiềm NaOH, khoáng kaolinit và haloysit dễ dàng phản ứng với kiềm ngay cả nhiệt độ thấp trong khi khoáng quartz chỉ hòa tan trong kiềm ở nhiệt độ trên 200 oC

Silic hòa tan trong dung dịch kiềm theo phản ứng:

SiO2 + NaOH = Na2SiO3 + H2O (10) Trong dung dịch, Na2SiO3 tác dụng với Na2O.Al2O3 để tạo ra kết tủa natrialumosilicat theo phản ứng:

2(Na2O.SiO2) +Na2O.Al2O3 + 4H2O = Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O +4NaOH +aq (11) Sản phẩm của phản ứng còn được gọi là Bayer Sodalit (BS) Đây là một chất rắn không tan và sẽ bị loại bỏ cùng với bùn đỏ Với bauxit chứa nhiều silic hòa tan thì bùn đỏ của nó chứa nhiều BS

Kích thước hạt của BS mịn và độ nén chặt không tốt Bùn đỏ chứa nhiều BS sẽ yêu cầu phải tăng liều lượng chất trợ lắng

P2O5 + 6NaOH  2Na3PO4 + 3H2O (12) Khi có mặt vôi:

5Ca(OH)2 + 3Na3PO4 + Na2CO3 + Na(OH,F,Cl ) + 2H2O  (CaNa)5(PO4.CO3.OH)3(OH,F,Cl ) + 12NaOH (13) Khi có mặt đá vôi:

2Na3PO4 + 3CaCO3  Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3 (14) Tuy nhiên, không nên sử dụng đá vôi vì có thể xảy ra phản ứng tạo thành cacbonat trong dung dịch

2.4.1.4 Hợp chất hữu cơ

Tạp chất hữu cơ của bauxit chủ yếu ở dạng humin và bitum Các chất humic bao gồm axit humic – sản phẩm chuyển hóa của licnin, dễ hòa tan trong dung dịch kiềm NaOH tạo ra các hợp chất kiềm humat khác nhau Trong kiềm các hợp chất này dễ hoà tan và cùng với các chất nhựa khác tạo thành dung dịch keo

So với humin thì bitum có hàm lượng cacbon và hydro cao hơn Thực tế bitum không hòa tan trong dung dịch kiềm và không có tác hại như humin

Các chất hữu cơ là một trong những nguyên nhân làm chậm quá trình lắng và rửa bùn đỏ Khi hàm lượng chất hữu cơ cao thì độ nhớt của dung dịch aluminat tăng lên rõ rệt kéo theo khả năng lắng của các hạt bùn đỏ kém

2.4.2 Kích thước hạt bauxit

Kích thước hạt bauxit khi đưa vào hòa tách có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng lắng của bùn đỏ Tùy thuộc vào độ xâm nhiễm của các khoáng vật, bauxit sẽ được nghiền theo các cỡ hạt khác nhau Khi kích thước hạt bauxit nhỏ thì diện tích bề mặt hạt bùn tăng Diện tích bề mặt hạt bùn đỏ lớn, làm giảm độ nén chặt của cột bùn đỏ

Trong quá trình lắng, các hạt bùn đỏ chịu tác dụng của nhiều lực khác nhau trong

đó có trọng lực Trọng lực phụ thuộc vào khối lượng riêng theo quy luật: khối lượng riêng càng lớn thì trọng lực hạt càng cao và như vậy khả năng lắng càng tốt

Sau quá trình đập, nghiền và hòa tách, các hạt bùn đỏ có hình dạng khác nhau: đẳng thước (cầu, hộp), không đẳng thước (bầu dục, tấm, đa diện nhiều góc cạnh) Các hạt bùn

đỏ cùng thể tích và khối lượng riêng, nhưng hình dạng khác nhau thì sẽ lắng với tốc độ khác nhau Hạt hình cầu có bề mặt riêng lớn nhất, nên sẽ thuận lợi về khả năng lắng

2.4.3 Các thông số công nghệ hòa tách

2.4.3.1 Lượng nạp bauxit

Huyền phù sau quá trình hòa tách bauxit bằng dung dịch kiềm có nồng độ pha rắn cao Lượng nạp bauxit càng lớn, mật độ chất rắn càng tăng, làm cho huyền phù giảm tính lưu động do độ sệt, cản trở quá trình lắng

2.4.3.2 Nồng độ dung dịch hòa tách

Dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm cao sẽ có độ nhớt cao Tốc độ rơi của hạt trong môi trường lỏng (tính theo công thức Stốc) là hàm số của vận tốc phụ thuộc vào độ nhớt động học của môi trường lắng Độ nhớt của dung dịch natri aluminat tăng sẽ làm tốc

độ lắng giảm và ngược lại

2.4.4 Nhiệt độ lắng

Nhiệt độ của môi trường lắng liên quan đến độ nhớt của nó Khi nhiệt độ tăng thì

độ nhớt giảm và ngược lại Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình lắng của hạt rắn trong môi trường lỏng

2.5 Sự cần thiết phải cường hóa quá trình lắng bùn đỏ

Các hạt bùn đỏ đa dạng về thành phần vật chất và kích thước Với kích thước hạt bùn dao động từ vài phần triệu milimet đến vài milimet Bằng các phương pháp lắng, lọc

chỉ có thể loại bỏ được các hạt có kích thước lớn hơn 10-4 mm Với các hạt có kích thước nhỏ hơn 10-4 mm, nếu dùng phương pháp lắng tự nhiên (không sử dụng chất trợ lắng) thì phải mất rất nhiều thời gian (bảng 2.3) và khó có thể lắng triệt để

Bảng 2.3 Sự liên hệ giữa kích thước hạt và thời gian lắng tự nhiên [7]

Kích thước hạt,

Thời gian lắng (độ sâu 1 m)

Sau quá trình gia công (đập, nghiền) và hòa tách bauxit, các hạt bùn đỏ đều mang

điện tích Khi thế điện động cân bằng zeta () bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích sẽ

kết dính với nhau nhờ lực liên kết phân tử và lực điện từ, tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc các ion tự do, các tổ hợp tạo thành thường được gọi là hệ keo

Hình 2.3 Cấu tạo hạt keo [7]

Do có diện tích bề mặt lớn, các hạt keo có khả năng hấp phụ chọn lọc một loại ion nào đó, hoặc có trong thành phần các ion của khối kết hoặc gần giống một trong các ion trong khối kết về tính chất và kích thước, tạo thành lớp vỏ bọc ion

Lớp vỏ ion này cùng với khối kết phân tử bên trong tạo thành các hạt keo Bề mặt nhân keo mang điện tích của lớp ion gắn chặt trên đó, có khả năng hút một số ion tự do mang điện tích trái dấu

Như vậy, quanh khối liên kết phân tử ban đầu có hai lớp ion mang điện tích trái dấu bao bọc, gọi là lớp điện tích kép của hạt keo Lớp ion ngoài cùng do lực liên kết yếu nên thường không đủ điện tích trung hòa với lớp điện tích bên trong và do vậy hạt keo luôn mang một điện tích nhất định Để cân bằng điện tích trong môi trường, hạt keo lại thu hút quanh mình một số ion trái dấu ở trạng thái khuếch tán

Tùy thuộc vào thành phần cấu tạo, các hạt keo mang những đặc tính khác nhau

- Khả năng lắng rất chậm (chuyển động Brown gây cản trở quá trình lắng do trọng lực);

- Là nguyên nhân gây đục cho môi trường lỏng;

- Đặc tính bề mặt (thế điện động zeta ,…) là yếu tố quan trọng nhất vì bề mặt hạt keo luôn có xu hướng kết hợp với các chất từ môi trường xung quanh và có xu hướng tăng điện tích

Hạt keo thường được chia thành 2 loại:

- Keo kỵ nước: Loại này không có ái lực với môi trường nước, dễ kết bông

- Keo ưa nước: Loại này thể hiện ái lực với nước, hấp thụ nước và làm chậm quá trình kết bông

Bảng 2.4 Sự ổn định của hệ keo và giá trị  [7]

Hình 2.4 Năng lượng tương tác của hệ keo [7]

Lực giữa các hạt keo gồm lực hút và lực đẩy tĩnh điện hoặc lực Van de Waals Khả năng làm các hạt keo ổn định là kết quả tổng hợp của lực hút Fh và lực đẩy Fđ Khi thế điện động zeta  < 0,03 V thì Fh sẽ thắng Fđ và khi   0 thì quá trình kết tụ càng đạt hiệu quả

Giá trị  được xác định bằng công thức:

44

Vx – thế năng trên một đơn vị chiều dài

EM – điện thế biến đổi

Bằng cách sử dụng chất trợ lắng cùng các phương pháp xử lý hóa học khác nhau như phương pháp kết tụ hoặc phương pháp kết bông, người ta có thể tách hoặc làm giảm các chất rắn lơ lửng, các hạt coloid… và có thể cải thiện được độ vẩn đục của dung dịch

2.6 Cường hóa quá trình lắng bùn đỏ bằng các chất trợ lắng 2.6.1 Chất trợ lắng và quá trình phát triển

2.6.1.1 Chất trợ lắng

Các chất trợ lắng bùn đỏ của quá trình hòa tách bằng phương pháp Bayer thường là các hợp chất polime (tự nhiên và tổng hợp) chứa các nhóm phân cực khác nhau như: amid, hydroxyl, aldehyd, carboxylic [30] Các polime thường có trọng lượng phân tử lớn với phân tử lượng từ 103107 g/mol, đường kính phân tử trong dung dịch vào khoảng 0,1÷1µm Một số hợp chất thường sử dụng làm chất trợ lắng được trình bày trong bảng 2.5

Giữa những năm 1950, chất trợ lắng tổng hợp được công bố sử dụng trong ngành

mỏ Những chất trợ lắng này được tổng hợp trên cơ sở acrylamide và/hoặc acrylate So với tinh bột mỳ các chất trợ lắng tổng hợp này có ưu điểm hơn: liều lượng sử dụng thấp hơn đáng kể, vận tốc lắng cao hơn, lọc tốt hơn và mật độ nén bùn đỏ cao hơn Năm 1970 tại Jamaica, lần đầu tiên chất trợ lắng tổng hợp được sử dụng ở quy mô công nghiệp trong sản xuất alumin Các chất trợ lắng tổng hợp này có thể giảm đáng kể liều lượng sử dụng hoặc thay thế hoàn toàn tinh bột mỳ

Trong những năm tiếp theo chất trợ lắng tổng hợp đã có những tiến bộ đáng kể về dạng sử dụng (dung dịch, gel, bột khô và nhũ tương), khối lượng phân tử, gốc anion, cấu trúc phân tử và thành phần Tuy nhiên, tiến bộ quan trọng nhất là phát triển polime tổng hợp biến tính hydroxamated polyacrylamide (HXPAMs) Loại polime này lần đầu tiên

được công bố vào năm 1988 và hơn 20 năm qua nó đã trở thành chất trợ lắng chính sử dụng trên khắp thế giới trong công nghiệp alumin

2.6.2 Chất trợ lắng hữu cơ tự nhiên - Tinh bột

Tinh bột là hỗn hợp các polysaccarit có công thức chung là (C6H10O5)n Chúng khác nhau về số n và cấu trúc của chuỗi polime Thành phần cấu tạo của tinh bột là amiloza và amilopectin Phần ngoài hạt tinh bột là amilopectin còn phần trong là amiloza

Amiloza được cấu tạo từ chuỗi polime không phân nhánh gồm các mắt xích glucozơ mạch vòng (hình 2.5) với n khoảng 200-400 thậm chí tới 1.000 Giữa hai mắt xích

α-là một cầu ôxi nối nguyên tử C1 của gốc thứ nhất với nguyên tử C4 của gốc thứ 2 Cầu ôxi này thuộc loại liên kết α-1,4 glicozit

Hình 2.5 Cấu trúc của amiloza [14]

Amilopectin là chuỗi polime có phân nhánh (hình 2.6), tức là ngoài mạch chính (như hình 2.5) tương đối ngắn còn có các mạch nhánh chứa khoảng 20 gốc glucozơ và liên kết với mạch chính bằng liên kết α-1,6 glucozit [1] Hệ số n từ 600-6.000

Hình 2.6 Cấu trúc của amilopectin [14]

Hàm lượng amiloza và amilopectin thay đổi tùy thuộc loại tinh bột Nhìn chung tỷ

lệ amiloza/amilopectin trong đa số tinh bột là ~ 1/4

Các hạt tinh bột không tan trong nước lạnh Trong nước nóng hạt bị phồng lên vỡ thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột Tinh bột hòa tan trong môi trường kiềm do kiềm có tác dụng ion hóa từng phần làm cho phân tử polisaccarit hydrat hóa tốt hơn [1]

Đặc điểm của một số hệ thống tinh bột được trình bày trong bảng 2.6

Bảng 2.6 Đặc điểm của một số hệ thống tinh bột [1]

Hàm lượng aminoza, %

Hàm lượng amilopectin, %

Trong các chất trợ lắng cấu trúc tinh bột có chứa nhóm hoạt tính hydroxyl - OH, chính nhóm này có tác dụng kết bông khi cho thêm vào quá trình lắng bùn Cũng là nhóm hydroxyl nhưng của quá trình este hóa, ête hóa hay ôxy hóa tạo thành liên kết thẳng hoặc liên kết nhánh, thậm chí biến đổi tính chất hóa học thì nhóm hoạt động này sẽ tăng lên một cách đáng kể Các loại polime thường có cấu trúc nhánh cây, dễ thu hút các hạt bùn đỏ và đẩy mạnh quá trình kết bông

2.6.3 Chất trợ lắng hữu cơ tổng hợp

Phần lớn chất trợ lắng hữu cơ tổng hợp dùng trong sản xuất alumin hiện nay có nguồn gốc từ mono acrylamide và/hoặc mono acrylate Cấu trúc cơ bản của polyacrylamide và polyacrylate được thể hiện trong hình 2.7 và hình 2.8

Hình 2.7 Cấu trúc của polyacrylamide Hình 2.8 Cấu trúc của polyacrylate [14]