Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] http://vietsciences.free.fr/timhieu/khoahoc/quadiacau/con gnghiepkhaithacmo.htm Bauxite và công nghiệp nhôm Những gì chúng tôi viết ở những phần trên về ngành khai thác mỏ nói chung đều có thể áp dụng cho ngành khai thác mỏ bauxite và công nghiệp nhôm. Chế biến bauxite thành nhôm Nguyên tử nhôm (Al) chiếm 8,1% vỏ quả đất, nhiều hạng ba trên địa cầu sau nguyên tử oxy (O) và silic (Si). Đất đá có quặng nhôm gọi là bauxite, sinh ra từ sự phân hoá đất đá khi khí hậu luân phiên khô và ẩm. Một tụ quặng bauxite đáng được khai thác chứa 40 đến 60% alumin, nghĩa là oxyd aluminium Al 2 O 3 . Những khoáng vật khác chứa trong quặng bauxite là oxyd sắt, oxyd silic và oxyd titan[25]. Nhôm tự nhiên trong quặng ở ba dạng khoáng vật: • boehmite, mono hydrat alumin Al 2 O 3 (H 2 O), ở các nước có khí hậu kiểu Địa Trung Hải như Pháp, Hy Lạp, Thổ Nhĩ Kỳ,… • gibbstite, tri hydrat alumin Al 2 O 3 (H 2 O) 3 , ở các nước nhiệt đới như Guinea, Nam Mỹ, Ấn Độ, Australia, • và diaspore, một dạng mono hydrat và tri hydrat, ở các nước vùng Caribbean. Đa số những mỏ bauxite ở gần mặt đất và được khai thác lộ thiên. Sau khi được hiệu chỉnh trong suốt thế kỷ thứ XIX, công nghệ chế biến nhôm từ bauxite thành nhôm bây giờ đã ổn định (hình 6). Sinh viên thực hiện:Khúc Thị Tươi-Hóa dược –K52 Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] Hình 6 Quy trình chế biến nhôm từ bauxite So với những phương pháp biến chế quặng thành kim loại khác, những khâu khai thác mỏ, xử lý đất đá và tinh luyện kim loại không có gì đặc biệt về kỹ thuật cũng như về bảo vệ an toàn vệ sinh, y tế và môi trường thiên nhiên. Phân loại khoáng vật theo quy trình Bayer, tên người sáng chế quy trình này. Quy trình diễn biến như sau: (a) hoà tan hydrat alumin của bauxite trong một dung dịch hydroxyd natri NaOH ở nhiệt độ 200/250 C để tạo ra aluminat natri NaAlO 2, Sinh viên thực hiện:Khúc Thị Tươi-Hóa dược –K52 Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] (b) lọc những dung dịch để loại bùn đỏ chứa những chất bẩn, chủ yếu gồm bởi những oxyd chứa trong quặng bauxite, (c) chờ cho dung dịch nguội để cho aluminat natri trở lại dạng hydrat alumin và kết tủa, (d) lọc một lần nữa để hoàn nguyên hydroxyd natri, (e) nung hydrat alumin để có alumin Al 2 O 3 . Hình 7 Quy trình Bayer chế biến alumin từ bauxite Sinh viên thực hiện:Khúc Thị Tươi-Hóa dược –K52 Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] Phần lớn alumin, khoảng 90%, dùng để sản xuất nhôm. Nhưng vì alumin là một vật liệu rắn và chịu lửa nên cũng được dùng để sản xuất vật chịu lửa và chất mài. Một phần nhỏ dùng để sản xuất kem đánh răng và đèn huỳnh quang. Oxyd sắt và oxyd silic là phế liệu của quy trình Bayer thải ra dưới dạng bùn nổi tiếng được gọi là bùn đỏ. Bùn đỏ đặt vấn đề môi trường vì hydrat natri vẫn còn bám vào những hạt oxyd sắt oxyd silic. Nếu không thì hai khoáng vật này chỉ đặt vấn đề thẩm mỹ rất ấn tượng. Người ta có thể sấy bùn cho khô để làm phụ gia béton cho ngành cầu đường. Nhưng phương pháp này tiêu thụ rất nhiều năng lượng tốn kém hơn là giá trị những chất phụ gia béton khác. Ngoài ra tiêu thụ năng lượng thì sinh ra bụi và khí có hiệu ứng nhà kính. Đâu vào đó và với trình độ công nghệ hiện nay, phương pháp loại bùn đỏ là bơm xuống một hố sâu dưới đáy biển hay đổ vào một hồ nhân tạo hay một chỗ trũng. Người ta khử oxy của alumin bằng phương pháp điện phân Heroult Hall, tên hai người sáng chế ra phương pháp này. Alumin chảy lỏng ở nhiệt độ 2.200 C. Để giảm nhiệt độ chảy lỏng xuống còn 950/1.000 C người ta trộn alumin với cryolith Na 3 AlF 6 và một phần fluorid nhôm AlF 3 . Dưới điện thế 4 volt và 350.000 ampere, alumin được khử oxy và nhôm chảy lỏng được hút ra ngoài thùng điện phân và đúc thành thỏi thương phẩm (hình 8). Hình 8 Thùng điện phân nhôm (dựa theo Wikipedia) Cryolith có nguyên tử fluor và những điện cực làm bằng carbon. Ở nhiệt độ cao trong lò điện phân hai vật này bốc hơi. Người ta dùng một mũ chụp thu hồi chúng và dùng lại. Nhưng cũng có một phần thoát ra khí quyển gây ô nhiễm môi trường thiên nhiên. Fluorit rất độc hại cho Sinh viên thực hiện:Khúc Thị Tươi-Hóa dược –K52 Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] con người và những sinh vật khác. Carbon và khí oxy trong khí quyển biến thành oxyd carbon, một khí có hiệu ứng nhà kính. Kinh tế ngành công nghiệp nhôm Nhôm dùng riêng là một kim loại nhẹ, mềm và dễ gẫy. Nhưng hợp kim với những kim loại khác làm tăng đặc tính cơ học của nhôm: • đồng làm tăng độ rắn nhưng làm giảm tính chống rỉ, • magnésium, mangan hay hỗn hợp mangan silic làm tăng sức bền, • silic làm giảm nhiệt độ nóng chảy và làm tăng tính lỏng. Hợp kim nhôm kẽm là một vật liệu siêu bền. Ngoài ra nhôm dẫn điện và dẫn nhiệt rất tốt. Nhờ những đặc tính vật lý đó nhôm là kim loại thông dụng nhất sau sắt. Nhôm và hợp kim nhôm dùng để chế tạo động cơ, thiết bị vận tải, bao bì, khung nhà cửa, thiết bị gia dụng,… Những sợ cáp nhôm đang thay thế đồng làm dây tải điện. Nhôm tinh khiết ở độ 99,998% hay hơn nữa được dùng trong ngành điện tử thay thế mỏ hàn bằng bạc và để sản xuất đĩa CD và DVD. Nhôm lại có một đặc tính quan trọng nữa là dễ hoàn nguyên. Trung bình 20% nhôm dùng trên thế giới là nhôm thứ sinh. Ở Âu Châu tỷ lệ nhôm thứ sinh dùng trong công nghiệp là 50% vào năm 1980 và bây giờ là hơn 70%. Sản xuất nhôm thứ sinh tiêu thụ có một phần mười năng lượng so với sản xuất nhôm sơ đẳng từ bauxite. Để sản xuất một tấn alumin cần đến 3 tấn bauxite. Để bù thất thoát hydroxyd natri trong quy trình hoàn nguyên, phải có một nhà máy sản xuất vật liệu này từ muối. Để sản xuất một tấn nhôm cần đến hai tấn alumin, một nửa tấn carbon và 15.000 kWh điện. Vì nhu cầu điện rất lớn mà điện thì khó tải được đi xa, nếu nơi sản xuất alumin không có đủ điện thì phải xây thêm một nhà máy điện hay chở alumin đến những nơi có điện. Với những thông số kỹ thuật nêu ở phần trên: • hiển nhiên là phải sản xuất nhôm tại khu mỏ để giảm chi phí vận chuyển phế liệu, • vì giá cước vận tải bây giời rất rẻ xu hướng là nếu nơi sản xuất alumin không có đủ điện thì chở alumin đến những nơi có nguồn điện dồi dào và rẻ, • nếu phải sản xuất nhôm ở nơi khác thì ít ra cũng phải chế biến tại chỗ bauxite thành ra alumin và gửi alumin thay vì gửi bauxite. Những điều này thể hiện trên bảng 6. Bảng 6 Sản lượng bauxite, alumin và nhôm Sinh viên thực hiện:Khúc Thị Tươi-Hóa dược –K52 Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] Sản lượng năm 2007 (1.000 t) Bauxite Alumin Nhôm Trung Quốc 30.000 19.500 12.600 Nga 6.400 3.300 3.955 Canada 1.220 3.083 Hoa Kỳ ? 3.900 2.554 Australia 62.428 18.844 1.960 Brazil 22.100 6.890 1.610 Na Uy 1.304 Ấn Độ 19.221 2.900 1.223 Nam Phi 899 Tiểu Vương Quốc Á Rập Thống Nhất 890 (Tính từ số liệu của USGS) Trong số mười nước sản xuất nhiều nhôm nhất thì có: • ba nước dẫn đầu, Trung Quốc, Nga và Canada, đều nhập siêu về bauxite và alumin, • bốn nước, Canada, Na Uy, Nam Phi và các Tiểu Vương Quốc Ả Rập Thống Nhất, không có bauxite (Hoa Kỳ không công bố sản lượng bauxite nhưng chúng tôi nghĩ nước này cũng có một chút), • trừ Trung Quốc, tất cả những nước nêu trên đều là những nước công nghiệp, giầu và có nguồn điện rẻ, • hai nước, Australia và Brazil, chế biến tại nước họ gần hết sản lượng bauxite thành alumin trước khi xuất khẩu alumin (hai nước này không phải là hai nước nghèo, nếu họ xuất khẩu alumin chỉ là tại vì họ ít dân nên thiếu nhân lực). Trên phương diện kinh tế, sản lượng nhôm tăng trung bình 6% mỗi năm từ 2003 đến 2007. Trung Quốc là nước sản xuất nhiều nhôm nhất thế giới và sản lượng tăng gần 17% mỗi năm, gần ba lần tăng trưởng trung bình của thế giới. Nhiều người giảng nghĩa tăng trưởng này của Trung Quốc là nước này muốn trở thành một quốc gia công xưởng của thế giới nên cần đến nhiều nguyên liệu kim loại, trong số đó có nhôm (bảng 7). Nhưng điều khó hiểu là thay vì nhập khẩu alumin để giảm chi phí vận tải thì Trung Quốc lại nhập bauxite. Điều đáng lo ngại cho ngành công nghiệp nhôm thế giới là sản lượng alumin Trung Quốc tăng đến 23% mỗi năm và sản lượng bauxite thì chỉ tăng có 17%, chứng tỏ Trung Quốc tìm cách vơ vét tất cả bauxite chào bán trên thị trường quốc tế. Phải chăng đây là một chiến lược thống trị thị trường của mọi sản vật mà nhiều nước công nghiệp cáo buộc Trung Quốc? Bảng 7. Sản lượng bauxite, alumin và nhôm của thế giới và của Trung Quốc (1.000 t/năm) Sinh viên thực hiện:Khúc Thị Tươi-Hóa dược –K52 Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] 2003 2004 2005 2006 2007 (%/năm) Thế giới Bauxite 153 000 164 000 179 000 190 000 199 000 5,3 Alumin 58 100 61 300 64 000 70 900 76 100 5,4 Nhôm 28 000 29 900 31 900 33 900 37 900 6,1 Trung Quốc Bauxite 13.000 17.000 22.000 27.000 30.000 16,7 Alumin 6.110 6.990 8.610 13.700 19.500 23,2 Nhôm 5.450 6.670 7.800 9.360 12.600 16,8 (Tính từ số liệu của USGS) Một vấn đề có thể được giải đáp bằng nhiều cách lợi ích ngang nhau và giải đáp sẽ được chọn là giải đáp sinh ra ít bất tiện nhất. Một người chỉ có một giải pháp cho một vấn đề là một người đã tìm được một giải pháp lười không muốn nghiên cứu những giải pháp khác, hay là một người đã học được một giải pháp nhưng không có đủ kiến thức để nhận thấy những giải pháp khác. Do đó, một quyết định là kết quả của sự so sánh giữa nhiều khả năng: quyết định đầu tư vào ngành này hay ngành khác, đầu tư vào dự án này hay dự án khác. Nếu không muốn thiên vị khi chọn thì phải có một phương pháp duy nhất để nghiên cứu mỗi đối tượng và phải so sánh những chỉ tiêu chung cho tất cả những đối tượng. Chỉ tiêu để quyết định đó là tỷ số lợi nhuận tiềm tàng. Cũng như thế, những phương pháp khai thác mỏ bauxite, phân loại alumin và tinh chế tinh luyện nhôm chỉ khác những phương pháp khai thác mỏ quặng khác, khoáng vật khác và kim loại khác ở một vài chi tiết do phải làm cho những phương pháp đó thích ứng với cấu tạo hóa học vật lý của quặng. Kết luận Mọi nghề đều có vinh quang và khó khăn của nó. Khó khăn của nghề kỹ sư mỏ là phải có tầm nhìn xa vượt hẳn đời nghề của mình, có khi còn vượt hẳn đời sống của cá nhân mình. Khó khăn nữa là không những phải lo cho xí nghiệp, mà còn phải lo cho người dân địa phương và môi trường thiên nhiên. Những khó khăn đó cũng là vinh quang của nghề kỹ sư mỏ vì nghề đó giữ vai trò định hướng tương lai kinh tế xã hội của một nước. Trên phương diện khoa học kỹ thuật, ngành mỏ vẫn còn tiêu thụ nhiều năng lượng so với năng lượng liên kết của những phân tử cấu tạo đất Sinh viên thực hiện:Khúc Thị Tươi-Hóa dược –K52 Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] đá và quặng. Đây là một đất vẫn còn trống với nhiều cơ hội để một kỹ sư có hoài bảo khám phá một đột phá công nghệ. Xin nêu thí dụ công nghiệp nhôm. Lúc khởi đầu sản xuất nhôm cần đến rất nhiều năng lượng nên kim loại nhôm đắt và được coi là báu vật. Sau yến tiệc, Hoàng đế Pháp Napoleon III quen biếu quan khách bộ dao nĩa bằng nhôm họ đã dùng để ăn. Năm 1884, người ta dùng nhôm thay vì vàng để bọc ngói Tòa Tưởng Niệm Washington. Nhờ những những Karl Josef Bayer (1847 1904), Paul Louis Toussaint Héroult (1863 1914), Charles Martin Hall (1836 1914),… mà sản xuất nhôm tiêu thụ năng lượng ít hơn và ngày nay nhôm là một kim loại thông dụng rẻ tiền. Hãng Bayer thì ai cũng biết đến. Héroult đã thành lập hãng Pechiney một thời đã là số một thế giới về nhôm. Hall đã thành lập Alcoa, bây giời là số một thế giới về nhôm. Điều đáng chú ý là những vị này đã vào lịch sử công nghiệp khi còn là nghiên cứu sinh trẻ chưa tới 25 tuổi đời. Đặng Đình Cung Kỹ sư tư vấn Sinh viên thực hiện:Khúc Thị Tươi-Hóa dược –K52 . viên thực hiện:Khúc Thị Tươi-Hóa dược –K52 Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] con người và những sinh vật khác. Carbon và khí oxy trong khí quyển biến thành oxyd. (hình 6). Sinh viên thực hiện:Khúc Thị Tươi-Hóa dược –K52 Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] Hình 6 Quy trình chế biến nhôm từ bauxite So với những phương pháp. Tươi-Hóa dược –K52 Đồ án quá trình và thiết bi GVHD: TS Trần Trung Kiên [Pick the date] Phần lớn alumin, khoảng 90%, dùng để sản xuất nhôm. Nhưng vì alumin là một vật liệu rắn và chịu lửa nên cũng