Hơn 90% sản lượng alumina (được gọi là alumina luyện kim) được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% còn lại được sử dụng trong công nghiệp hoá chất và các ngành công nghiệp khác.
1. Công nghệ sản xuất alumina
Quá trình sản xuất alumina thực chất là quá trình làm giàu Al2O3, nhằm tách lượng Al2O3 trong bô xít ra khỏi các tạp chất khác (các ô xít…). Alumina luyện kim được chuyển hoá trong quá trình điện phân trong bể muối cryolite nóng chảy (Na3AlF6) để thành nhôm kim loại.
1.1 Sản xuất alumina bằng phương pháp hoả luyện
Trong số các phương pháp hỏa luyện thì phương pháp thiêu kết bô xít với Na2CO3 có sự tham gia của CaCO3 (gọi là phương pháp soda-vôi) là phương pháp kinh tế và được ứng dụng công nghiệp. Phương pháp thiêu kết dùng để xử lý quặng bô xít có chất lượng trung bình hoặc kém (hàm lượng SiO2 cao) mà nếu xử lý bằng công nghệ Bayer (công nghệ thủy luyện) thì không có hiệu quả kinh tế.
Nguyên lý của phương pháp hỏa luyện là: Thiêu kết hỗn hợp bô xít + Na2CO3 + CaCO3 trong lò quay ở nhiệt độ 1200oC để thực hiện các phản ứng sau:
Al2O3 + Na2CO3 = 2 NaAlO2 + CO2;
SiO2 + 2 CaCO3 = 2 CaO.SiO2 + 2CO2;
NaAlO2 rắn là kết phẩm từ thiêu kết, dễ tan trong nước. Còn 2CaO. SiO2 không tan trong nước và đi vào cặn thải (bùn thải).
Phương pháp thiêu kết có thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp với phương pháp Bayer: song song hoặc nối tiếp.
1.2 Sản xuất alumina bằng phương pháp Bayer (phương pháp thuỷ luyện)
Hiện nay và trong tương lai, khoảng 90% alumina trên thế giới vẫn được sản xuất bằng công nghệ Bayer. Để chuyển từ bô xít thành alumina, người ta nghiền quặng và trộn với đá vôi và soda cốt tích, rồi bơm hỗn hợp này vào bình chứa áp lực cao, rồi nung lên. Ô xít nhôm bị phân giải bằng soda cốt tích, rồi kết tủa, rửa, và nung để tách nước ra. Thành phẩm là bột màu trắng mịn hơn muối ăn mà ta gọi là alumina.
Công nghệ Bayer được dựa trên cơ sở của phản ứng thuận nghịch sau:
Hòa tan>100oC
Al(OH)3 + NaOH
Gipxit rắn Kết tủa<100oC
AlO2 + 2H2O
Công nghệ Bayer chủ yếu gồm các công đoạn sau:
- Bôxit được hoà tách với dung dịch kiềm NaOH. Lượng Al2O3 được tách ra trong dạng NaAlO2 hoà tan và được tách ra khỏi cặn không hoà tan (gọi là bùn đỏ mà chủ yếu là các ô xít sắt, ô xít titan, ô xít silic…).
- Dung dịch aluminate NaAlO2 được hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho mầm Al(OH)3 để kết tủa.
- Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung để tạo thành Al2O3 thành phẩm.
Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ Bayer được giới thiệu trong hình dưới đây.
Trong quá trình sản xuất alumina bằng phương pháp Bayer, tùy theo thành phần khoáng vật của bô xít mà công nghệ Bayer được chia thành 2 giải pháp khác nhau:
a. Công nghệ Bayer châu Mỹ
Được áp dụng nếu Al2O3 của bô xit ở dạng gippsite (trihydrate Al2O3. 3H2O), có thể được hoà tách dễ dàng. Bô xít này thường được hòa tách ở nhiệt độ tối đa 140-1450C trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm thấp (120-140g/l Na2O).
b. Công nghệ Bayer châu Âu
Được áp dụng nếu Al2O3 của bô xít ở dạng boehmite và diaspore (monohydrate Al2O3.H2O), phải hòa tách ở nhiệt độ cao hơn 200oC (240-250oC trong các nhà máy hiện đại và có chất xúc tác đối với quặng diaspore) và trong dung dịch hòa tách có nồng độ kiềm cao hơn (180-250g/l Na2O).
2. Công nghệ nào cho chế biến quặng bô xít ở Việt Nam
Bô xít ở Tây Nguyên là loại bô xít gippsite, mỏ lộ thiên dễ khai thác. Bô xít này thuộc loại gippsite-goethite, chất lượng trung bình, thường phải qua tuyển rửa mới đảm bảo chất lượng để sử dụng công nghệ Bayer Bắc Mỹ (nhiệt độ, nồng độ kiềm hoà tách thấp). Tuy nhiên bô xít này có chứa nhiều goethite nên khả năng lắng kém..
Cho tới nay đã có hai nghiên cứu sản xuất alumina từ mỏ Tân Rai, tỉnh Lâm Đồng, và mỏ “1/5”, tỉnh Đắk Nông để phục vụ cho việc lập Nghiên cứu khả thi phát triển 2 mỏ này.
a) Tinh quặng bô xít mỏ “1/5” thuộc loại bô xít tốt (Al2O3~ 50,23%; SiO2~ 2,09%), thành phần khoáng vật chủ yếu là gippsite dễ hoà tách, do đó có thể áp dụng công nghệ Bayer để sản xuất alumina từ bô xít gippsite của Tây Nguyên, cụ thể:
- Bùn quặng được khử silic sơ bộ trước khi hoà tách để cải thiện việc khử silic và khả năng lắng tách bùn đỏ với hàm lượng chất rắn 1.000-1.050 g/l. nồng độ kiềm hoạt tính là 160±3 g/l, lượng vôi thêm vào 2-2,2 % (quặng bô xít khô), nhiệt độ 95-1000C, thời gian 5-6 phút.
- Hoà tách với bùn quặng sau khi tiền khử silic ở nhiệt độ 145oC, thời gian 60-75 phút, áp suất 12-14 ata, bùn hoà tách ra có ỏc = 1,36.
b) Trong khi đó, một nghiên cứu khác đối với bô xít Tân Rai cho kết luận như sau:
- Bùn quặng qua tiền khử silic trước khi hoà tách để cải thiện việc khử silic và khả năng lắng tách bùn với hàm lượng chất rắn 900-1.100g/l, trong dung dịch đã qua sử dụng, nhiệt độ 95-100oC , thời gian từ bay hơi cô đặc 6-10 giờ; hậu khử silic ở nhiệt độ 100oC, thời gian tối ưu là 6 giờ.
- Hoà tách với bùn quặng sau khi tiền khử silic ở nhiệt độ 1050C đến 107oC, trong dung dịch có nồng độ kiềm cốt tích 210 g/l (hoặc cao hơn) với RP cần đạt 1,10-1,12, thời gian: 2,5 giờ, áp suất khí quyển, bùn hoà tách ra có ỏc = 1,45 – 1,50.
Năm 1989, trong khuôn khổ Dự án “Xây dựng Trung tâm nghiên cứu bô xít” do UNIDO tài trợ, các chuyên gia Hungary và Việt Nam đã lập báo cáo “Lựa chọn công nghệ tối ưu xử lý quặng bô xít laterite của Việt Nam” và báo cáo “Luận chứng kinh tế kỹ thuật ở giai đoạn tiền đầu tư-Luận chứng tình huống để xử lý quặng bô xít Tân Rai, Lâm Đồng”. Theo đó, thì bô xít được hoà tách ở áp suất thấp, nhiệt độ 140oC với nồng độ kiềm trung bình khoảng 170 g/l Na2O, không có công đoạn khử silic cuối cùng như hai nghiên cứu trên.
Tóm lại, công nghệ Bayer chế biến bô xít gippsitic thuộc loại công nghệ phổ biến nhưng cũng có một số công đoạn của công nghệ này cần có những chuyên gia có kinh nghiệm về thiết kế, vận hành và chế biến thì mới sản xuất ra được alumina. Trong tất cả mọi trường hợp liên quan đến bô xít gippsitic và alumina cát, điều cần chú trọng đầu tiên là phải dựa vào kết quả phân tích của phòng thí nghiệm, mô hình toán học, tiếp cận được những kinh nghiệm vận hành nhà máy và có một đội ngũ kỹ thuật và công nhân lành nghề.