DSpace at VNU: Nghiên cứu thu hồi nhôm và sắt từ bùn đỏ của quá trình sản xuất alumin Tây Nguyên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- NGUYỄN THỊ LÀI NGHIÊN CỨU THU HỒI NHÔM VÀ SẮT TỪ BÙN ĐỎ CỦA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ALUMIN TÂY NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ LÀI

NGHIÊN CỨU THU HỒI NHÔM VÀ SẮT TỪ BÙN ĐỎ CỦA

QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ALUMIN TÂY NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội -2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc Các số liệu sử dụng, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan, phù hợp với thực tiễn của địa bàn nghiên cứu và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Nguyễn Thị Lài

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình ho ̣c tâ ̣p và hoàn thành luâ ̣n văn này , tôi đã nhâ ̣n được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô , các anh chị và các bạn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lới cảm ơn chân thành tới :

PGS.TS Đồng Kim Loanđã hết lòng giúp đỡ , dạy bảo và tạo mọi điều kiê ̣n thuâ ̣n lợi cho tôi trong suốt quá trình ho ̣c tâ ̣p và hoàn thành luâ ̣n văn tốt

nghiê ̣p

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, cán bộ của Bộ Môn Công nghệ Môi trường nói riêng và Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên nói chung đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong quá trình học tập tại Bộ môn, cũng như gia đình, bạn bè đã khuyến khích, động viên tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ viên chức Trung tâm Môi trường Công nghiệp, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn./

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thị Lài

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1.QUẶNG BÔXIT VÀ CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN QUẶNG BÔXIT 3

1.2.QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM TỪ QUẶNG BÔXIT 6

1.3.BÙN ĐỎ VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG LIÊN QUAN ĐẾN BÙN ĐỎ 7 1.3.1.Bùn đỏ 7

1.3.2.Các vấn đề môi trường liên quan đến bùn đỏ 11

1.3.3.Tình hình nghiên cứu xử lý và tái sử dụng bùn đỏ trên thế giới và ở VN 13 CHƯƠNG 2.đỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17

2.1.ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 17

2.2.CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17

2.2.1.Phương pháp thu thập tài liệu 17

2.2.2.Phương pháp điều tra khảo sát thực địa 17

2.2.3.Phương pháp lấy mẫu hiện trường 18

2.2.4.Các phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm 18

2.2.5.Phân tích mẫu, xử lý và tính toán số liệu 26

2.3.THIẾT BỊ VÀ VẬT TƯ NGHIÊN CỨU 26

2.3.1.Thiết bị nghiên cứu 26

2.3.2.Vật tư, hóa chất phục vụ nghiên cứu 27

CHƯƠNG 3.KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 29

3.1.KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH LÝ HÓA CỦA MẪU NGHIÊN CỨU 29

3.2.KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÁCH NHÔM BẰNG KIỀM 32

3.3.KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH THIÊU NHIỆT ĐỘ CAO 33

3.3.1.Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ Na2CO3 trong phối liệu khi thiêu 33

3.3.2.Kêt quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ CaO trong phối liệu khi thiêu 34

3.3.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình thiêu 35

3.3.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian quá trình thiêu 37

3.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÕA TÁCH 38

3.4.1.Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình hòa tách 38

3.4.2.Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian quá trình hòa tách 39

3.5.Đề xuất sơ đồ quy trình thu hồi nhôm từ bùn đỏ 43

3.6.ĐỀ XUẤT QUÁ TRÌNH THU HỒI SẮT TỪ BÃ CẶN SAU HÕA TÁCH 41

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1 Phân bố trữ lượng Bôxit ở các châu lục 3

Bảng 1-2 Những nước có tài nguyên bôxit lớn hàng đầu thế giới 3

Bảng 1-3 Sản lượng khai thác, chế biến bôxit hàng năm trên thế giới (triệu tấn/năm) 4

Bảng 1-4 Khai thác bôxit, sản xuất alumin và nhôm trên thế giới 5

Bảng 1-5 Thành phần khoáng vật chính của quặng bôxit 5

Bảng 1-6 Diện tích bề mặt riêng của một số loại bùn đỏ 9

Bảng 1-7 Thành phần hoá học bùn đỏ 10

Bảng 2-1: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định tỷ lệ Na2CO3 21

Bảng 2-2 Các phương án nghiên cứu xác định tỷ lệ Na2CO3 tối ưu 21

Bảng 2-3: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định tỷ lệ CaO 22

Bảng 2-4 Các phương án nghiên cứu xác định tỷ lệ CaO tối ưu 22

Bảng 2-5: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định nhiệt độ thiêu tối ưu 23

Bảng 2-6: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định thời gián thiêu tối ưu 24

Bảng 2-7: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định nhiệt độ hòa tách tối ưu 25

Bảng 2-8: Điều kiện thí nghiệm nghiên cứu xác định thời gian hòa tách tối ưu 25

Bảng 3-1 Thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ 29

Bảng 3-2 Thành phần cấp hạt của mẫu bùn đỏ Nhà máy Hóa chất Tân Bình 30

Bảng 3-3 Kết quả đo thông số vật lý pha lỏng của bùn đỏ 30

Bảng 3-4 Thành phần hoá học pha rắn của bùn đỏ 31

Bảng 3-5 Kết quả phân tích thành phần khoáng vật của bùn đỏ 32

Bảng 3-6 Ảnh hưởng của tỷ lệ Na2CO3 đến hiệu suất hòa tan nhôm 33

Bảng 3-7 Ảnh hưởng của tỷ lệ CaO đến hiệu suất hòa tan nhôm 35

Bảng 3-8 Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu đến hiệu suất hòa tan nhôm 36

Bảng 3-10 Ảnh hưởng của nhiệt độ hòa tách đến hiệu suất hòa tan nhôm 39

Bảng 3-11 Ảnh hưởng của nồng độ chất rắn đến hiệu suất hòa tan nhôm 40

Bảng 3-12: Thành phần khoáng vật mẫu bùn đỏ sau khi thu hồi nhôm 41

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý sản xuất alumin bằng phương pháp bayer 7

Hình 1-2 Thành phần hoá học bùn đỏ của một số nhà máy alumin trên thế giới 10

Hình 0-1 Sơ đồ nguyên lý thu hồi nhôm bằng phương pháp thiêu kết 19

Hình 3-1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bùn đỏ Nhà máy Hóa chất Tân Bình 32

Hình 3-2 Ảnh hưởng của tỷ lệ Na2CO3 đến hiệu suất hòa tan nhôm 34

Hình 3-3 Ảnh hưởng của tỷ lệ CaO đến hiệu suất hòa tan nhôm 35

Hình 3-4 Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu đến hiệu suất hòa tan nhôm 36

Hình 3-5 Ảnh hưởng của thời gian thiêu đến hiệu suất hòa tan nhôm 37

Hình 3-6 Ảnh hưởng của nhiệt độ hòa tách đến hiệu suất hòa tan nhôm 39

Hình 3-7 Sự phụ thuộc của hiệu suất hòa tan nhôm vào nồng độ chất rắn 40

Hình 3-8 Sơ đồ công nghệ tuyển từ thu hồi sắt từ bã bùn đỏ 42

Hình 3-9 Sơ đồ công nghệ thu hồi nhôm từ bùn đỏ 43

CTNH Chất thải nguy hại

MỞ ĐẦU

Bảo vệ môi trường đang trở thành vấn đề cấp bách đối với bất cứ quốc gia nào trên thế giới nhằm bảo đảm sự phát triển bền vững Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của cuộc cách mạng khoa học - kỹ thuật, vấn đề tốc độ, khả năng ứng dụng công nghệ để giải quyết các nội dung của tăng trưởng kinh tế không còn là vấn đề quan tâm hàng đầu đối với mỗi nền kinh tế Mối quan tâm lớn nhất hiện nay đó là xử lý những hậu quả do yếu tố kỹ thuật của nền kinh tế đó mang lại, đồng thời sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên Trong đó, việc xử lý các bã thải công nghiệp là một vấn đề có tính cấp thiết Với công nghệ và năng lực cũng như thói quen sản xuất hiện tại, hoạt động của các ngành công nghiệp thường phát sinh một lượng chất thải rất lớn mà việc xử lý chúng là một trong những vấn đề cần được quan tâm hàng đầu Tuy nhiên, vì lý do kinh tế và công nghệ nên trong một số ngành công nghiệp, các bã thải vẫn được lưu trữ tại các bãi chứa Điều này ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sinh thái, đặc biệt là các bã thải có tính độc hại cao Một trong các trường hợp điển hình là bùn đỏ - bã thải của ngành công nghiệp sản xuất nhôm oxyt từ bôxit Lượng bùn đỏ thải ra từ ngành công nghiệp này là rất lớn, theo thống kê thì hàng năm trên thế giới, lượng bùn đỏ phát sinh khoảng 50 triệu tấn ÷ 80 triệu tấn Cứ sản xuất một tấn nhôm oxyt thì phải thải ra khoảng 0,3 tấn ÷ 2,5 tấn bùn đỏ, tùy thuộc vào chất lượng quặng bôxit và đặc điểm dây chuyền công nghệ Bùn đỏ thải ra chủ yếu được chứa trong các hồ thải quặng đuôi Việc lưu trữ chúng vừa lãng phí, vừa đe dọa đến môi trường sinh thái Hơn nữa, bùn đỏ chứa một lượng lớn các hạt có kích thước nhỏ, nên vấn đề tách nước ra khỏi chúng là khó khăn Mỗi cơ sở sản xuất nhôm oxyt đều phải duy trì những hồ thải rất lớn, chiếm nhiều diện tích đất để chứa bùn đỏ Những hồ chứa này luôn luôn tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường sinh thái xung quanh

Vấn đề đặt ra hiện nay là phải xử lý lượng bùn đỏ do sản xuất nhôm oxyt đểgiảm thiểu tác hại đến môi trường Quan trọng hơn, việc xử lý đó vừa triệt tiêu yếu tố nguy hiểm, đồng thời sử dụng nó để đưa lại các lợi ích kinh tế phục vụ đời

sống dân sinh Qua quá trình tìm hiểu và khảo sát, chúng tôi nhận thấy rằng thu hồi sắt và nhôm từ bùn đỏ vừa đảm bảo yếu tố bảo vệ môi trường vừa có khả năng mang lại lợi ích kinh tế

Xuất phát từ các đề cập trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu thu hồi

nhôm và sắt từ bùn đỏ của quá trình sản xuất alumin Tây Nguyên”nhằm xử lý bã

thải bùn đỏ theo hướng thu hồi sắt và nhôm phục vụ ngành công nghiệp luyện kim với mục tiêu nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm thiểu tác hại môi trường

do ngành công nghiệp sản xuất alumin gây ra Các nội dung chính của đề tài bao gồm:

Nội dung 1: Nghiên cứu đặc tính hóa - lý và thành phần khoáng vật bùn đỏ của quá trình sản xuất alumin Tây Nguyên

Nội dung 2: Nghiên cứu khả năng thu hồi nhôm từ bùn đỏ

Hoạt động 1: Lựa chọn phương pháp thu hồi;

Hoạt động 2: Nghiên cứu điều kiện tối ưu thu hồi nhôm từ bùn đỏ;

Nội dung 3: Nghiên cứu khả năng thu hồi sắt từ bùn đỏ;

Nội dung 4: Đề xuất quy trình thu hồi nhôm và sắt từ bùn đỏ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 QUẶNG BÔXIT VÀ CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN QUẶNG BÔXIT

1.1.1 Tài nguyên bôxit trên thế giới

 Phân bố quặng bôxit

Theo công bố vào tháng 1/2009 của Cục Khảo sát Địa chất Mỹ (U.S Geological Survey) thì tiềm năng tài nguyên bôxit toàn Thế giới vào khoảng 55-57

tỷ tấn, phân bố trên các châu lục như trong bảng 1-1

Bảng 1-1 Phân bố trữ lượng Bôxit ở các châu lục

Nguồn: U.S Geological Survey, 2009

Theo tính toán trên cơ sở hiện trạng và triển vọng phát triển công nghiệp nhôm thế giới thì tài nguyên bôxit toàn cầu có khả năng bảo đảm nguyên liệu cho ngành công nghiệp này 150-200 năm nữa, đươc tổng hợp trong bảng 1-2:

Bảng 1-2 Những nước có tài nguyên bôxit lớn hàng đầu thế giới

TT Nước Tài nguyên bôxit (tỷ tấn)

Nguồn: “Raw Materials Data Copyright: Raw Materials Group, 2009

 Sản lượng khai thác và chế biến quặng bôxit

Sản lượng bôxit, alumin và nhôm trên thế giới luôn ở xu thế gia tăng trong mối quan hệ cung cầu chặt chẽ Tổng hợp trên thế giới và được trình bày tại bảng 1-3

Bảng 1-3 Sản lượng khai thác, chế biến bôxit hàng năm trên thế giới (triệu

tấn/năm)

Năm 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Bôxit 120 125 125 126 131 138 140 141 155 Alumin 43,0 44,6 44,4 48,1 48,9 52,7 54,0 65,2 59,5 Nhôm 19,7 20,9 21,9 22,7 23,9 24,7 24,7 26,1 28,1

Nguồn: “Raw Materials Data Copyright, 2014”

 Sản phẩm bôxit, sản xuất alumin và nhôm trên thế giới

Trên thế giới hiện có khoảng 20 nước khai thác bôxit, 30 nước sản xuất alumin và 40 nước sản xuất nhôm Trong đó:

 11 nước có cả khai thác bôxit, sản xuất alumin và nhôm

 4 nước chỉ khai thác bôxit và sản xuất alumin

 8 nước chỉ sản xuất alumin và nhôm

 2 nước chỉ khai thác bôxit và sản xuất nhôm

 2 nước chỉ khai thác bôxit

 1 nước chỉ sản xuất alumin

 18 nước chỉ sản xuất nhôm

Những nước khai thác và chế biến bôxit được tổng hợp trong bảng 1.4

Bảng 1-4 Khai thác bôxit, sản xuất alumin và nhôm trên thế giới

Triệu tấn/năm %

Nguồn: Mineral Commodity Summaries, 2014

1.1.2 Thành phần khoáng vật chính của quặng bôxit

Các khoáng vật chính của quặng bôxit là gipxit, bơmit và diaspor và công thức hóa học của các khoáng vật này được trình bày trong bảng 1-5

Bảng 1-5 Thành phần khoáng vật chính của quặng bôxit

Tên gọi Công thức hóa học

Hàm lươ ̣ng theo lý thuyết (%)

Nguồn: “Raw Materials Data Copyright, 2009

1.1.3 Ứng dụng của bôxit

Khoảng 96% bôxit khai thác được sử dụng cho ngành luyện kim, 4% còn lại được sử dụng cho các ngành công nghiệp khác như: vật liệu chịu lửa, gốm sứ, vật liệu mài - đánh bóng…

Bôxit được sử dụng trong sản xuất sơn, chất hấp phụ các tạp chất khác nhau cho tinh chế các sản phẩm dầu khí

Hơn 90% sản lượng alumin (gọi là alumin cấp luyện kim) trên thế giới được

sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, còn lại khoảng 10% sử dụng cho công nghiệp hóa chất và các ngành công nghiệp khác

1.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM TỪ QUẶNG BÔ XÍT

Công nghệ sản xuất nhôm từ quặng bôxit chủ yếu được tiến hành theo phương pháp Bayer và phương pháp thiêu kết Tuy nhiên theo thống kê có hơn 90% alumin trên thế giới được sản xuất ra bằng phương pháp Bayer, chỉ khoảng 10% bằng phương pháp thiêu kết từ bôxit và các nguyên liệu khác Ở Việt Nam quá trình sản xuất nhôm cũng được tiến hành bằng phương pháp Bayer nên dưới đây chỉ đề cập phương pháp Bayer, sơ đồ quy trình công nghệ như được trình bày tại hình 1-1:

Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý sản xuất alumin bằng phương pháp bayer

Bản chất của phương pháp công nghệ Bayer là khi xử lý bôxit bằng dung dịch kiềm costit dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, Al2O3 hoà tách vào dung dịch kiềm tạo thành dung dịch aluminat, sau khi tách hết bã bôxit (bùn đỏ), dung dịch aluminat được thủy phân aluminat thu Al(OH)3kết tủa, Sản phẩm này, sau đó

sẽ được nungtạo ra sản phẩm là alumin Al2O3 có độ sạch tới 98,8% Bùn đỏ được

xử lý sau đó thải ra bãi, nó có chứa một lượng đáng kể kiềm liên kết, nhất là kiềm

tự do nên có khả năng gây ô nhiễm môi trường, đòi hỏi phải được bảo quản tốt

1.3 BÙN ĐỎ VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG LIÊN QUAN ĐẾN BÙN ĐỎ 1.3.1 Bùn đỏ

Bùn đỏ là chất thải của quá trình sản xuất alumin hoặc hydroxyt nhôm từtinh quặng bôxit Trong công nghệ Bayer, bùn đỏ được tạo ra ở công đoạn hòa tách Trong công nghệ thiêu kết, bùn đỏ được tạo ra ở công đoạn thiêu-hoà tách Khối lượng bùn đỏ tạo ra nhiều hay ít phụ thuộc vào chất lượng quặng bôxit và công nghệ chế biến quặng bôxit cũng như công nghệ xử lý bùn đỏ trước khi thải Lượng

tạo thành bùn đỏ (khô) dao động trong khoảng 0,8-2,0 tấn/tấn alumin hay hydroxyt nhôm tùy thuộc vào chất lượng quặng bôxit ở từng vùng khác nhau trên thế giới Một số mẫu công nghệ của các mỏ bôxit ở khu vực Tây Nguyên của Việt Nam cho kết quả trung bình 1 tấn alumin sẽ hình thành khoảng 1,5 tấn bùn đỏ (khô) [2].Thành phần hoá học và thành phần khoáng vật của bùn đỏ cũng phụ thuộc vào nguyên liệu bôxit, công nghệ chế biến bôxit cũng như công nghệ xử lý bùn đỏ trước khi thải

Đối với công nghệ Bayer thành phần hoá học của bùn đỏ như sau: Fe2O3: 25-60 %; TiO2:1-10 %; Na2O:1-10 %; Al2O3: 5-25 %; SiO2:1-20 %; MKN: 5-15

% và CaO: 2-8 % [3] Thành phần bùn đỏ trong sản xuất alumin củadự án Tân Rai (Lâm Đồng) và dự án Nhân Cơ (Đắk Nông), bao gồm: Fe2O3 (46,32 %), Al2O3 (17,56 %), SiO2 (6,7 %), TiO2 (7,2 %), Na2O (3,43 %), CaO (5,29 %), Khác (13,5 %) và một lượng xút (NaOH) dư.Độ pH của bùn đỏ thường dao động trong khoảng pH từ 10 đến 13 và là thành phần gây ra tác động tiêu cực đến môi trường [3]

Các khoáng vật của bùn đỏ bao gồm các pha có trong bôxit nhưng không bị phá huỷ và các pha mới tạo thành trong quá trình chế biến Đối với công nghệ Bayer, thành phần của pha natrialuminosilicat thường có công thức như sau:

3(Na2O.Al2O3.2SiO2).Na2X.nH2O

Ở đây, X- có thể là CO32-, SO42- , Cl- , OH- , AlO2- ,

Ở các điều kiện nhất định, TiO2 có trong bôxit cũng tạo nên natri titanat với các thành phần khác nhau Trong quặng bôxit, Fe2O3 chủ yếu nằm trong pha gơtít hầu như không bị hoà tan trong quá trình Bayer và thường tạo ra bùn đỏ rất khó lắng, lọc Trong các điều kiện có kiểm soát, gơtit có thể chuyển thành hêmatit do đó

sẽ cải thiện quá trình lắng, lọc và giảm chi phí vận hành Dưới đây là đặc tính của một số loại bùn đỏ trên thế giới: