Đang tải... (xem toàn văn)
Tiểu luận với đề tài Tính chất nhôm Bauxite trình bày 3 nội dung chính: Tổng quan về nhôm, tổng quan về Bauxite, quy trình sản xuất nhôm. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài để hiểu rõ hơn về các nội dung trên.
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU Chúng ta đang sống trong thời đại của nhơm. Nhơm có vai trò vơ cùng quan trọng trong cuộc sống con người và được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: Hàng khơng, thực phẩm, sinh hoạt, dược phẩm, ơ tơ, xây dựng, máy móc, vũ trụ… Chính vì vậy, sản xuất nhơm là ngành sản xuất mà bất kì quốc gia nào cũng muốn phát triển. Nhơm là kim loại có mặt nhiều trong vỏ trái đất (chiếm 8% khối lớp rắn của chất rắn). Trong đó quặng Bauxite chính là quặng chứa nhiều kim loại nhơm nhất Bauxite là tài ngun khống sản dồi dào trên trái đất. Việt Nam là một trong những quốc gia có trữ lượng Bauxite lớn trên thế giới Từ Bauxite có thể thu hồi Al2O3 rồi tiếp tục điện phân sẽ thu được nhơm kim loại. Trong bài này chúng ta sẽ tìm hiểu các phương pháp sản xuất Al2O3 từ bauxite và đặc biệt là phương pháp đện phân nóng chảy Al2O3 để sản xuất nhơm kim loại 1. TỔNG QUAN VỀ NHƠM 1.1 Giới thiệu chung về nhơm Nhơm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn của Trái Đất. Kim loại nhơm hiếm phản ứng hóa học mạnh với các mẫu quặng và có mặt hạn chế trong các mơi trường khử cực mạnh. Tuy vậy, nó vẫn được tìm thấy ở dạng hợp chất trong hơn 270 loại khoáng vật khác nhau bao gồm Corundum (Al2O3), diaspore và boehmite (Al2O3.H2O), gibbsite (Al2O3.3H2O), caolinite (Al2O3.2SiO2.2H2O)…Quặng chính chứa nhơm là bauxite Nhơm là ngun tố phổ biến thứ 3 (sau oxy và silic), và là kim loại phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất Nhơm có ký hiệu ngun tử là Al, tên gọi quốc tế: Aluminium. Trong bảng tuần hồn, nhơm ở ơ13, nhóm 3, chu kì 3. Nhơm là một kim loại mềm, nhẹ với màu xám bạc ánh kim mờ, vì có một lớp mỏng ơxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngồi khơng khí Hình 1.1.1 Nhơm Bảng 1.1.1 Các tính chất chung và tính chất vật lý của kim loại nhơm Tính chất chung Tính chất vật lý Khối lượng ngun tử: 26,981538 đvC Trạng thái vật chất: rắn Bán kính ngun tử (calc.): 125 pm Khối lượng riêng : 2,700 kg/m3 Bán kính cộng hố trị: 118 pm Độ cứng: 2,75 Cấu hình electron: [Ne]3s23p1 Điểm nóng chảy: 933,47 K (1.220,6oF) Tính Chất chung Tính chất vật lý Trạng thái ơxi hóa: 3 Điểm sơi: 2.792 K (4.566 °F) Độ âm điện: 1,61 (thang Pauling) Thể tích phân tử: 10 ×106 m³/mol Trạng thái trật tự từ: Thuận từ Nhiệt bay hơi: 293,4 kJ/mol Độ dẫn điện: 3,774x107 /Ω•m Nhiệt nóng chảy: 10,79 kJ/mol Độ dẫn nhiệt: 237 W/(m•K) Áp suất hơi: 100.000 Pa tại 2.792 K Nhiệt dung riêng : 897 J/(kg•K) Vận tốc âm thanh: 5.100 m/s tại 933K Cấu trúc tinh thể : hình lập phương tâm mặt Năng lượng ion hóa: 1. 577,5 kJ/mol 2. 1.816,7 kJ/mol 3. 2.744,8 kJ/mol Khối lượng riêng của nhơm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm (chỉ sau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) và dễ dàng gia cơng trên máy móc hay đúc; nó có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp oxit bảo vệ. Nó cũng khơng nhiễm từ và khơng cháy khi để ở ngồi khơng khí ở điều kiện thơng thường Sức bền của nhơm tinh khiết là 7–11 MPa, trong khi hợp kim nhơm có độ bền từ 200 MPa đến 600 MPa. Các ngun tử nhơm sắp xếp thành một cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc). Nhơm có năng lượng xếp lỗi vào khoảng 200 mJ/m2 Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhơm vượt tất cả các kim loại khác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới. Nhơm ngun chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều ngun tố đồng, kẽm, magiê, mangan và silic. Khi được gia cơng cơnhiệt, các hợp kim nhơm này có các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể Các ứng dụng của Nhơm: - Các hợp kim nhơm tạo thành một thành phần quan trọng trong các máy bay và tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng - Khi nhơm được bay hơi trong chân khơng, nó tạo ra lớp bao phủ phản xạ cả ánh sáng và bức xạ nhiệt. Các lớp bao phủ này tạo thành một lớp mỏng của ơxít nhơm bảo vệ, nó khơng bị hư hỏng như các lớp bạc bao phủ vẫn hay bị. Trên thực tế, gần như tồn bộ các loại gương hiện đại được sản xuất sử dụng lớp phản xạ bằng nhơm trên mặt sau của thủy tinh. Các gương của kính thiên văn cũng được phủ một lớp mỏng nhơm, nhưng là ở mặt trước để tránh các phản xạ bên trong mặc dù điều này làm cho bề mặt nhạy cảm hơn với các tổn thương - Các loại vỏ phủ nhơm đơi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức xạ điện từ của Mặt Trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp - Hợp kim nhơm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của phương tiện vận tải (ơ tơ, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển, v.v…) - Đóng gói (can, giấy gói, v.v…) - Xử lý nước - Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván, v.v…; tuy nhiên nó đã đánh mất vai trò chính dùng làm dây dẫn phần cuối cùng của các mạng điện, trực tiếp đến người sử dụng.) - Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v…) - Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của đồng, nó nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng và rẻ tiền hơn - Chế tạo máy móc - Mặc dù tự bản thân nó là khơng nhiễm từ, nhơm được sử dụng trong thép MKM và các nam châm Alnico - Nhơm siêu tinh khiết (SPA) chứa 99,980 % 99,999 % nhơm được sử dụng trong cơng nghiệp điện tử và sản xuất đĩa CD - Nhơm dạng bột thơng thường được sử dụng để tạo màu bạc trong sơn. Các bơng nhơm có thể cho thêm vào trong sơn lót, chủ yếu là trong xử lý gỗ khi khơ đi, các bơng nhơm sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt - Nhơm dương cực hóa là ổn định hơn đối với sự ơxi hóa, và nó được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau của xây dựng - Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện đại được sản xuất từ nhơm vì nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao - Oxit nhơm, alumina, tìm thấy trong tự nhiên dạng corunđum, emery, ruby và saphia và được sử dụng trong sản xuất thủy tinh. Ruby và saphia tổng hợp được sử dụng trong các ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa - Sự oxi hóa nhơm tỏa ra nhiều nhiệt, nó sử dụng để làm ngun liệu rắn cho tên lửa, nhiệt nhơm và các thành phần của pháo hoa - Phản ứng nhiệt nhơm dùng để điều chế các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crơm Cr, Vonfarm W ) Chính vì vậy, nhơm là một trong số bốn kim loại màu cơ bản mà bất kỳ quốc gia nào muốn phát triển cơng nghiệp đều cần đến. Hình 1.1.2 Các ứng dụng của kim loại nhơm 1.2 Sản xuất nhơm trên thế giới 1.2.1 Lịch sử sản xuất nhơm Mặc dù nhơm là ngun tố phổ biến trong vỏ trái đất (8,1%), nó lại hiếm ở dạng tự do và đã từng được cho là kim loại q có giá trị hơn vàng.Vì thế nhơm là kim loại tương đối mới trong cơng nghiệp và được sản xuất với số lượng cơng nghiệp chỉ khoảng trên 100 năm Vào cuối thế kỷ thứ XIX, tổng lượng nhơm sản xuất ở Mỹ vào năm 1884 có 125 pound (01 pound tương đương 450 gram) Đầu năm 1886, Charless Martin đã ngiên cứu ra phương pháp điện phân oxit nhôm để thu được kim loại nhơm tinh khiết. Nhà bác học Pháp là Paul Louis Toussaint Heroult một cách độc lập cũng đã hồn thiện phương pháp điện phân để sản xuất kim loại này từ đó quy trình điện phân nhơm HallHeroult ra đời 1.2.2 Tình hình sản xuất nhơm trên thế giới Nhơm được sản xuất với sản lượng thương mại từ năm 1886. Tổng sản lượng nhơm còn thấp so với thép nhưng đứng đầu trong sổ các kim loại màu được sản xuất. Lượng tiêu thụ nhơm thường bằng khoảng (3 – 5) % lượng tiêu thụ thép (tuỳ thuộc mức độ phát triển cơng nghiệp của từng nước) và tỷ lệ ấy có xu hướng ngày càng tăng Theo dữ liệu nghiên cứu của Cơ quan Thống kê Kim loại Thế giới (WBMS) thì sản xuất nhơm của thế giới năm 2007 đạt 38,02 triệu tấn, năm 2008 đạt 41,9 triệu tấn và đến năm 2020 có thể đạt 78,5 triệu tấn. Từ năm 2008 đến 2011 thị trường nhơm sẽ xảy ra dư thừa từ 0,1 1,8 triệu tấn/năm, nhưng đến giai đoạn từ 2012 đến 2020, nhơm sẽ rơi vào tình trạng thiếu hụt khoảng từ 0,3 triệu tấn đến 2,6 triệu tấn/năm Tiêu thụ nhơm tăng kéo theo nhu cầu alumin a cho điện phân nhơm cũng tăng: Năm 2010 là 80,6 triệu tấn, năm 2012: 90,9 triệu tấn, năm 2013 khoảng 96,8 triệu tấn, dự báo 2015 là 110,1 triệu tấn (trong 5 năm cũng tăng 1,37 lần). Đặc biệt là từ nhu cầu của Trung Quốc và các quốc gia thuộc Mỹ La tinh. Khu vực Châu Á cũng đang thiếu hụt alumina, phải nhập khẩu từ Úc hoặc Nam Mỹ, với khoảng cách rất xa, làm tăng chi phí. Phần lớn alumina được giao dịch trên thị trường Thế giới thơng qua những hợp đồng dài hạn, chỉ có một phần nhỏ, khoảng 10% tham gia vào thị trường trơi nổi. Giá alumina trên thị trường dao động bằng khoảng từ 1115% so với giá nhơm. Nhóm Broc Hunt nghiên cứu thị trường alumina Thế giới và cho ra một dự báo dài hạn về thị trường alumina đến năm 2020 theo bảng dưới đây: Bảng 1.2.1 Dự báo về thị trường alumina đến năm 2020 Đơn vị: Triệu tấn Năm Sản lượng Nhu cầu 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2020 83,7 90,0 97,7 100,5 104,0 107,0 113,4 118,3 126,8 129,3 148,7 82,4 88,4 95,7 99,4 101,8 107,5 113,1 118,8 127,1 130,3 148,3 Thừa/Thiế u 1,3 1,6 2,0 1,1 2,1 0,5 0,3 0,5 0,3 1,0 0,4 Nguồn “Broc Hunt” Trong khi đó theo thống kê chính xác của “World Aluminium” thị trường alumina và thị trường nhơm trên thế giới trong những năm gần đây có những diễn biến như sau: Bảng 1.2.2 Sản lượng alumina và nhơm trong những năm gần đây Đơn vị: Triệu tấn Năm Sản lượng alumina Sản lượng nhôm 2008 2009 84,240 78,415 2010 88,314 39,917 37,706 42,353 2011 2012 2013 2014 2015 97,508 100,505 105,869 107,882 94,285 45,817 48,774 51,195 53,127 48,217 Nguồn “Word Aluminium” 10 Như vậy, sản xuất alumina bằng phương pháp Bayer là phương pháp đơn giản về kỹ thuật, sản xuất ở nhiệt độ thấp, đơn giản về kỹ thuật, tiêu tốn ít năng lượng, giá thành sản phẩm thấp. Do đó ở hiện tại và tương lai tới trên thế giới sẽ vẫn áp dụng phương pháp Bayer 3.3 Quy trình chế biến nhơm kim loại từ alumina Khác với sản xuất nhơm oxit (alumina), trong sản xuất nhơm kim loại từ khoảng hơn 100 năm nay chỉ có một phương pháp cơng nghệ duy nhất, đó là điện phân alumina trong dung dịch criolite nóng chảy. Phương pháp này thường được gọi là phương pháp Hall – Heroult Q trình Hall Heroult là một q trình điện phân nóng chảy chảy nhơm và được sử dụng trong cơng nghiệp. Như vậy, nhơm lỏng được sản xuất bằng phản ứng điện phân nóng chảy alumina (Al2O3) hòa tan trong chất điện phân chứa chủ yếu là Criolite (Na3AlF6). Phản ứng hóa học tổng thể có thể được viết là: 2 Al2O3 (dissolved) +3C (s) 4 Al (l) +3 CO2 (g) Quy trình luyện cần thiết để sản xuất nhơm từ alumina là liên tục, bể điện phân thường được giữ sản xuất liên tục 24 giờ trong một ngày quanh năm. Một lò luyện có thể khơng thể dễ dàng dừng lại và khởi động lại. Nếu sản xuất bị gián đoạn bởi một sự cố mất điện khoảng hơn bốn giờ, các kim loại trong bình điện phân sẽ đơng đặc, thường đòi hỏi một q trình xây dựng lại từ đầu tốn kém 3.3.1 Cấu tạo của bể điện phân Bể điện phân nhơm là thiết bị trung tâm của nhà máy điện phân nhơm. Trên thực tế, kết cấu các bể điện phân đều có thể được chia thành bốn bộ phận: Catode, anoed, hệ thống làm sạch khí và dây dẫn chính Cathode (cực âm) làm bằng carbon graphite. Anode (cực dương) là một khối carbon làm bằng than cốc dầu mỏ và nhựa đường 29 Hình 3.3.1.1 Cấu tạo của bể điện phân trong quy trình Hall Heroult 30 3.3.2 Phân loại bể điện phân Có nhiều cách phân loại bể điện phân: theo loại hình cực dương, theo quy mơ cơng suất (nhỏ, trung bình, lớn), theo đáy bể (có đáy, khơng có đáy). Nhưng việc phân loại theo loại hình cực dương phổ biến hơn, vì nó phản ánh tiến trình phát triển của phương pháp điện phân. Theo cách phân loại này cóthể chia thành hai loại cực dương (cực dương Perbaked thiêu trước và cực dương sobergerd tự thiêu) Trong các tế bào điện phân alumina các anode là một khối carbon làm bằng than cốc dầu mỏ pitch (nhựa đường) Công nghệ Prebaked công nghệ Sobergerd là hai công nghệ cơ bản để sản xuất khối carbon anode này. Những điểm khác biệt của hai công nghệ này trong việc sản xuất khối carbon anode là: Trong công nghệ prebaked các cực dương được sử dụng được gọi là cực dương prebaked được làm từ một hỗn hợp của than dầu mỏ, tổng hợp với chất kết dính nhựa than đá và hắc ín được đúc thành khối và nung trong lò nung anode riêng biệt khoảng 1120°C. Một thanh nhơm với đinh sắt sau đó được đúc hoặc nện vào rãnh phía trên cùng của khối anode để hỗ trợ các anode và dẫn các dòng điện đến cực dương khi nó đã được đặt vào vị trí trong cell. Các khối carbon hình thành sau đó được nướng vào lò để được chuyển đổi thành một khối carbon rắn. Các dòng điện đến các khối carbon thơng qua một thanh liên kết với nó thơng qua nippels. Một nồi prebaked chứa nhiều cực dương (thường là 14 ÷ 40, chủ yếu phụ thuộc vào hiệu suất dòng , thời gian tồn tại của cực dương thường 2630 ngày. Sau đó, trước khi được tiêu thụ hết ( còn một phần ba hoặc một phần tư kích thước ban đầu), chúng được loại bỏ cùng với cây gậy, và carbon còn lại tái sử dụng để sản xuất cực dương mới Ưu điểm của bể điện phân nhơm cực dương thiêu trước: Bể điện phân nhơm cực dương thiêu trước có những ưu điểm chính sau: - Cho phép vận hành cơng suất lớn. Hiện nay, trong cơng nghiệp người ta đã vận hành các bể điện phân cơng suất lớn, với cường độ dòng điện có thể lên đến 350 kA. Cơng ty Alcoa đang thử nghiệm bể điện phân có cường độ dòng điện trên 400 Ka 31 - Cho phép thay đổi kết cấu bể để áp dụng cường độ và mật độ dòng điện kinh tế tuỳ theo giá điện. Mật độ dòng điện sử dụng trong cơng nghiệp dao động trong phạm vi 0,70,95 A/cm2 - Đạt các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao của q trình điện phân : hiệu suất dòng điện 9395%, tiêu hao điện năng thấp (13.000 KWh/t Al), cho phép tiết kiệm 2500 3000 KWh/t Al, tức khoảng 20% điện lượng cần thiết - Khi sử dụng bể điện phân cực dương thiêu trước, có thể giải quyết được vấn đề mơi trường vì hấp phụ flo trong khí thải, khơng thải các chất dầu - Cho phép cơ giới hóa q trình điện phân và giảm chi phí lao động. Các thao tác cơng nghệ được cơ giới hóa, tự động hóa tối đa nhờ cầu trục đặc biệt và kỹ thuật nạp liệu Trong cơng nghệ Soderberg ý tưởng cơ bản là hình thành, nung và gia nhập khối carbon với các thanh. Một tế bào Soderberg chỉ có một anode lớn, đặt trong một hộp chứa bằng thép, trong đó cung cấp cho các anode hình dạng của nó. Từ phần trên của thùng chứa này nó được mở đầu là lớp bột nhão màu xanh lá cây. Trong thời gian chuyển động của nó từ trên xuống dưới cùng thùng chứa khối bột nhão màu xanh lá cây là để nung. Thật khơng may, chất lượng của các anode Soderberg nung là thấp hơn so với chất lượng của anode prebaked, do đó các tế bào Soderberg ln đặc trưng bởi một hiệu quả dòng điện thấp hơn và điện áp nồi cao hơn, và cũng tốn nhiệt nhiều hơn cho việc nung anode Hiện tất nhà máy luyện xây dựng áp dụng công nghệ prebaked, vì tính hiệu quả cao hơn hiện tại, mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn cụ thể và phát thải thấp hơn (đặc biệt là PAH Polycyclic Aromatic Hydrocarbons). Tuy nhiên, có một vài nhà máy Soderberg vẫn đang hoạt động, đơi khi trang bị thêm cơng nghệ bổ sung nhằm tăng cường hiệu quả hiện nay và giảm lượng khí thải Trong suốt phần còn lại của bài báo này, chúng tơi sẽ chỉ nói tới những cơng nghệ prebaked, mặc dù hầu hết các chủ đề áp dụng cả prebaked và cơng nghệ Soderberg Một tế bào prebaked điển hình được hiển thị dưới đây: 32 Hình 3.3.2.1 Hình minh họa cho tế bào prebaked 3.3.3. Anode Trong sản xuất điện phân nhơm sự tiêu thụ của carbon là đứng thứ 2 đứng sau sự tiêu thụ alumina 415 KG carbon được sử dụng cho sản xuất mỗi tấn kim loại Chất lượng Carbon là mối quan tâm lớn cho Potroom ( buồng điện phân) khơng chỉ vì nó là cung cấp một nguồn điều hành tốn kém, nhưng vì chất lượng của nó kém có thể ảnh hưởng đến sự hoạt động của pot ( bình điện phân) Cực dương làm bằng carbon có chứa tạp chất càng ít càng tốt. Nung than cốc dầu mỏ và hắc ín như một chất kết dính được sử dụng cho ngun liệu 3.3.3.1 Ngun liệu để tạo thành anode 1) Than cốc Than cốc là một sản phẩm phụ của lọc dầu, các sản phẩm khí và chất lỏng khác được tối ưu hóa tại khảng thời gian của than cốc > 50% sản lượng của thế giới từ Mỹ Tổng số u cầu của ngành cơng nghiệp nhơm là 811.000.000 tấn Hướng dần dần tăng lưu huỳnh và các tạp chất khác vào than cốc 2) Dầu hắc ín 33 Được sử dụng như một chất kết dính Nhựa, hắc ín là một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất hữu cơ thơm và dị vòng, mà đốt thành than khi xử lý nhiệt Nốt nhựa than đá được sử dụng phổ biến nhất, do tính bền vững của nó như là một chất kết dính và có ý nghĩa kinh tế Chức năng của pitch như một chất kết dính Tính thấm nước tốt của hạt than cốc và tính trộn. Giải phóng dần dần các chất dễ bay hơi trong q trình nung anode Giá trị luyện than cốc cao Liên kết mạnh mẽ giữa than cốc & hắc ín được cacbon hóa Tính chất cơ học tốt của hắc ín được cacbon hóa Ít tro và lưu huỳnh độ phản ứng thấp Độ dẫn điện cao 3) Tàn cực dương Cực dương tái chế được làm sạch tại bể nhớt có thể đạt được 35% (thường là hơn 20%) của các anode mới Có trong thành phần thơ của cơng thức Tàn cứng giống như than cốc Tàn mềm xốp hơn, thường đã trải qua đốt khơng khí hoặc đốt Carboxy, có tác động tiêu cực đến chất lượng anode 3.3.3.2 Sản xuất anode 1)Tổng hợp Nung than cốc dầu khí được nhận là một hỗn hợp của các hạt than cốc khác nhau, từ bụi mịn đến miếng có đường kính 23 cm. Than cốc này được sàng lọc và sắp xếp thành 34 kích cỡ khác nhau. Các kích thước trên được đưa qua một máy nghiền tác động, sàng lọc một lần nữa và được phân loại thành các kích cỡ hạt Lượng đo được với mỗi kích cỡ hạt bây giờ được lấy ra cho vào hỗn hợp khơ Số lượng hạt được lấy từ một cơng thức được thiết kế để cung cấp các khoảng trống dày đặc trộn lẫn giữa các hạt thơ phải được lấp đầy với các hạt có kích 34 thước trung bình và các khoảng trống giữa các hạt trung bình đó được lấp đầy bởi các hạt có kích thước nhỏ, v.v… Bảng 3.3.3.2 Một cơng thức trung bình cho hỗn hợp khơ Kích thước hạt Số lượng Thơ 30% Trung bình 20% Mịn 50% 2) Trộn lẫn Dầu hắc ín được thêm vào hỗn hợp khơ và mọi thứ được pha trộn tốt trong một máy trộn tại 160180 độ C. Ở nhiệt độ này dầu hắc ín hóa lỏng và trở thành lớp áo chồng (lớp phủ) cho các hạt than cốc. Số lượng dầu thêm vào nên chỉ cần đạt được điều đó. Nếu khơng đủ dầu hắc ín được thêm vào sẽ dẫn đến “dry pockets” (túi khơ), q nhiều dầu sẽ gây ra các vấn đề khác trong các giai đoạn tiếp theo của việc chế tạo anode kết quả là hình thành một cực dương kém. Số lượng chính xác cần thiết có liên quan đến là cơng thức pha trộn khơ. Các hạt nhỏ hơn có diện tích bề mặt lớn hơn để được phủ bởi pitch do đó nhiều dầu là cần thiết cho cùng một khối lượng than cốc. Số lượng trung bình là 1620% dầu hắc ín 3. Hình thành khối Bột nhão nóng màu xanh lên máy trộn phải làm lạnh về khoảng 110120o C trước khi nó được nạp vào q trình ép khối. Điều này là để các khối hình thành lấy được hình dạng của chúng. Bằng quy trình hình thành khối mật độ khối của hỗn hợp sản phẩm thường được nâng lên từ 1,01,1 g.cm3 đến 1,55 1,65 g.cm3. Các khối ép bên trong được hình thành bằng một mình áp xuất hoặc bằng sự rung động và áp xuất. Các khối màu xanh lá cây được làm mát hơn nữa và đưa vào lưu trữ tạm thời cho đến khi chúng được đưa vào lò nung 4.Xử lý nhiệt Trong lò cực dương xanh làm nóng chậm lên tới khoảng 1100 1120 0C và làm mát từ từ xuống một lần nữa. Tổng chu kỳ nóng có thể kéo dài 16 35 28 ngày. Mục tiêu của baking anode xanh là để chuyển hóa chất kết dính pitch của nó vào than cốc để sản xuất cực dương nung với các đặc điểm sau: Độ bền cơ học đủ để chịu được các tác động xử lý và sốc nhiệt Độ dẫn điện cao cho sự hạ điện áp và năng lượng tổn thất thấp hơn Hoạt tính hóa học thấp chống lại sự tấn cơng của carbon dioxide và khí xung quanh Để tách ra các chất dễ bay hơi cụ thể bằng chương trình kiểm sốt nhiệt độ được gọi là nung. Nó đòi hỏi nung các cực dương xanh trên 1000oC vì nhiệt độ hoạt động của tế bào điện phân là khoảng 1000oC. Dưới nhiệt độ này có thể dẫn đến độ bền và độ cứng kém, điện trở cao hơn và mất cân bằng hóa học. Nung đều đặn để lên đến nhiệt độ đủ cao để sự tiêu thụ carbon thấp cho mỗi tấn kim loại được sản xuất. Các anode đã được nung được gửi đến (trình đâm/ sọc) để sản xuất anode từ nơi nó được gửi đến buồng điện phân để được sử dụng trong các bình điện phân 3.3.4 Chất điện phân Criolite là thành phần chính của chất điện phân được sử dụng trong điện phân nhơm. Cơng thức Hóa học đó là Na3AlF6, một đơi florua của natri và nhơm. Nó là một loại bột màu trắng dạng hạt. Một số tạp chất có thể làm nó đổi màu xám hoặc màu hồng. Điểm đóng băng của crolite là 1009 ° C Criolite được tổng hợp từ fluorspar (CaF2), được tìm thấy ở dạng khống vật tự nhiên. Fluorspar được xử lý bằng acid sulfuric để sản xuất axit flohydric HF.HF sau đó phản ứng với natri oxit Na2O và alumina để sản xuất băng thạch Tỷ lệ criolite = Ngồi Criolite, chất điện phân còn có một số phụ gia từ khống vật fluoride như AlF3, CaF2, LiF, MgF2, và NaCO3 Các tính chất của chất điện phân: Tồn tại dạng nóng chảy ở nhiệt độ cao, điều có thể đạt được mà khơng q nhiều khó khăn trong q trình điện phân Có mật độ đủ thấp mà nó vẫn nổi trên đỉnh của kim loại nhơm trong tế bào để ngăn chặn q trình oxy hóa nhơm Được sử dụng như một dung mơi cho alumina 36 Ion hóa và dẫn điện do đó có thể truyền dòng điện Tính bay hơi thấp do đó mất khơng q nhiều 3.3.5 Quy trình làm việc của bể điện phân Ngun liệu trong q trình điện phân Các ngun liệu chính cần thiết để sản xuất nhơm là alumina, carbon, điện, nhơm florua và băng thạch (criolite) Bảng 3.3.3.1 Ngun liệu trong q trình sản xuất 1 tấn nhơm Ngun liệu Tiêu thụ lý thuyết (Kg /mỗi Tơn nhơm) Alumina Carbon Criolite Aluminium Fluoride Điện 1930 415 20 13460KWH/t Al Theo “Global Advanced Manufacturing Institute” Một tế bào khử nhơm hiện đại, thường được gọi là một bể điện phân, được làm bằng vỏ thép hình chữ nhật. Tại Balco (Bay Area Laboratory CoOperative)bể điện phân dài 15.780m ; rộng – 4.180 m, cao 1.372m), lót bằng vật liệu cách nhiệt chịu lửa. Khối carbon ở phía trên là cực dương, giữa 2 điện cực là chất điện phân, đó là hỗn hợp criolite – alumina nóng chảy (alumina chiếm dưới 10%). Điện áp sử dụng để điện phân từ 4 – 5V, cường độ dòng điện đối với các bể hiện đại từ 200 – 300 kA (bể cũ chỉ khoảng 60 – 100 kA). Dòng điện đi vào tế bào thơng qua 40 cực dương carbon prebaked. Một lớp vỏ kết đơng của dung dịch điện phân và alumina bao phủ dung dịch điện phân nóng chảy. Alumina trong bể điện phân được cung cấp thơng qua các điểm cung cấp nhiên liệu. Sự cách nhiệt được thiết kế để cung cấp đủ nhiệt mất để duy trì bảo vệ lớp chất điện phân đơng cứng trên thành của tế bào, nhưng khơng phải là ở phía dưới các cực dương. Các lớp giúp ổn định nhiệt độ chất điện phân bằng q trình đóng băng có chiều dày lớn hơn khi sự phát nhiệt thấp và mỏng đi khi tăng sự phát nhiệt Khoảng cách giữa anodenhơm nóng chảy, khoảng cách anodecathode,trong phạm vi từ 4,55 cm.Dòng thép và các thanh thu, tham gia vào lớp lót carbon, mang dòng điện từ các tế bào. Nhơm được điện phân từ alumina hòa tan được lắng đọng thành bể nhơm nóng chảy. Oxy của alumina hòa tan được thải lên trên và được cực dương carbon của tế bào tiêu thụ 37 Tất cả các bể điện phân được kết nối thành chuỗi. Criolite (Na3AlF6), có khả năng hòa tan cao cho oxit nhơm, thành phần chính chất điện phân Hall Heroult. Vận hành q trình nhiêt độ thấp nâng cao hiệu suất; do đó, nhiệt độ đường pha lỏng (nơi đóng băng bắt đầu) được hạ xuống bởi các chất phụ gia khác nhau từ 1011°C (cho criolite tinh khiết) xuống 930960°C. Alumina, nhơm florua và canxi florua là các chất phụ gia phổ biến nhất. Canxi vào chất điện phân khi canxi oxit tạp chất có trong alumina và phản ứng với nhơm florua để đạt được một trạng thái ổn định với nồng độ 46% CaF2 từ đó nó được đồng gửi vào nhơm và mất với tốc độ bằng với tốc độ đưa vào của nó DC Fluorite Al2O3 Al2O3 Làm giàu Anode mới 38 Al2O3 Anode đã sử dụng Hình 3.3.3.1 Sơ đồ quy trình làm việc của bể điện phân 3.3.6 Các phản ứng ở điện cực Trong các phản ứng điện phân thường tạo ra khí CO2. Carbon được cung cấp bởi các vật liệu anode, oxy được vận chuyển đến anode trong các hình thức của phức anion AlOF. Ở nồng độ alumina cao các lồi Al2O2F42 và Al2O2F64 có thể được thải ra theo đề nghị của các phản ứng: Al2O2F42+4F+C CO2 + 4e + 2AlF4 (5) Al2O2F64 + 2F+ C CO2+4 e + 2AlF4 (6) Những phản ứng này giải thích tại sao các chất điện phân được làm giàu bởi AlF3 thực tế AlF4 gần với trình điện phân anode Ở nồng độ thấp alumina, lồi Al2OFx(4x) có thể chiếm ưu thế, các phản ứng có thể được viết như sau: 2Al2OF84 + C CO2+ 4e+ 4AlF4 (7) 4F + 2Al2OF6 2 +C CO2+ 4e+ 4AlF4 (8) Nó đã được gợi ý rằng sự xuất hiện của hiệu ứng anode trong điện phân có thể liên quan đến bản chất của các phức AlOF. Vì vậy hiệu ứng anode có thể được gây ra bởi sự suy giảm ion Al 2O2Fx(2x) trong dung dịch nóng chảy nồng độ alumina thấp. Điều này ngụ ý rằng các phản ứng (7) và (8) có động học chậm so với các phản ứng (5) và (6) Phản ứng Cathode chỉ có cation có mặt trong criolitealumina nóng chảy là Na+. Mặc dù Na + trở thành chất mang dòng điện chính, nó đã cho thấy rằng sự hình thành của nhơm được ưa chuộng hơn natri trong các hỗn hợp chất điện phân được sử dụng trong cơng nghiệp, vì sức điện động tiêu chuẩn của nhơm dương hơn natri. Do đó nhơm là sản phẩm được ưu tiên về mặt nhiệt động học. Vì khơng có bằng chứng rằng các ion Al3 + tồn tại, tất cả các nhơm nóng chảy bị ràng buộc bởi các 39 anion tạo phức khác nhau. AlOF tham gia vào các phản ứng anode nên các phản ứng có thể xảy ra cathode nhất liên quan đến nhơm còn lại có chứa các ion AlF63 và AlF4. Phản ứng tổng thể có thể được viết như AlF63+ 3eAl + 6F (9) AlF4 +3e Al + 4F (10) Phản ứng (9) có thể ít được ưa chuộng vì lực đẩy tĩnh điện lên các ion AlF63 mạnh mẽ hơn từ cathode.Trong mọi trường hợp, các phản ứng này giải thích tại sao các chất điện phân gần với cathode chứa một nồng độ cao của ion F Điện phân nhơm tiêu tốn một lượng điện rất lớn, chi phí điện đã chiếm 25% giá thành; để làm chảy 1 tấn nhơm cần khoảng 13,5 18,5 MWh để tách nhơm ra khỏi oxi trong alumina; mức tiêu thụ thấp nhất là 13.500 KWh/tấn nhơm ởnhà máy điện phân nhơm Moral của BHP Mozambic, cao là 16.292 KWh/tấn nhơm nhà máy Bratsk ở Nga. Vì vậy, sản xuất nhơm chỉ đem lại hiệu quả khi giá điện thấp < 3 US cent/KWh. Để có được giá thành hạ, các cơng ty thường có nhà máy điện riêng, hầu hết là thuỷ điện như Alcan có tới 11 nhà máy thuỷ điện với tổng cơng suất 4.156 MW, Alcoa tự sản xuất được 25% lượng điện cho sản xuất 3.3.7 Một số điều lưu ý trong q trình điện phân - Trong q trình điện phân, nhơm oxit là ngun liệu được tiêu hao chủ yếu để thu được Al ở cực âm và thốt khí ra ở cực dương. Vì vậy phải cung cấp nhơm oxit vào bể để q trình điện phân được liên tục. Cứ một thời gian nhất định lại cho nhơm oxit vào bể, bằng cách đập vỡ lớp vỏ điện phân hình thành trên bề mặt bể, sau đó lại rải nhơm oxit lên trên lớp vỏ đó. - Q trình điện phân tiến hành ở 950oC, cực dương bị ăn mòn dần dần trong q trình điện phân nên định kì phải cho cực dương xuống hoặc cho thêm hồ vào cực dương - Thực tế, do bị cực than hấp phụ, do bị bay h ơi, bị các tạp chất khác phân li, tỷ lệ thành phần chất điện phân khơng ổn định vì vậy cần phải điều chỉnh thành phần chất điện phân Khi mới cho chạy bể điện phân, NaF trong Criolite bị cực than hấp phụ, nhưng sau một thời gian không bị hấp phụ nữa, lúc đó AlF3 bị mất đi do bay hơi và phân ly bởi phản ứng: 40 2Na3AlF6 + 3Na2O Al2O3 + 12NaF 2Na3AlF6 + 3H2O Al2O3 + 6NaF + 6HF Vì vậy, cần cho thêm AlF3 để giữ ổn định tỷ số Criolite - Al lỏng tích lũy dần ở đáy bể trong q trình điện phân. Cứ 34 ngày tháo Al một lần. Để đảm bảo cân bằng nhiệt, khơng nên tháo hết nhơm ở bể ra và thường để lại một lượng nhơm lỏng ứng với chiều cao nước nhơm khoảng 15cm. Nhơm đện phân ra gọi là nhơm ngun khai (để phân biệt với nhơm tái chế), có độ sạch từ 99,50 – 99,85% Al Như vậy, quy trình điện phân Hall heroult là quy trình tuy tiêu tốn nhiều năng lượng cho q trình điên phân, nhưng quy trình này có cơng nghệ đơn giản và sản xuất ra được một số lượng nhơm rất lớn, sản phẩm nhơm có chất lượng cao Sau hơn một thế kỷ hoạt động quy trình HallHeroult ngày càng phát triển và có được nhiều cải tiến tích cực 4. KẾT LUẬN Nhơm là một kim loại vơ cùng giá trị và hữu ích trong cuộc sống của con người bởi những đặc tính q giá của nhơm. Trong tương lai ứng dụng của nhơm sẽ còn được phát hiện nhiều hơn nữa, và ngành cơng nghiệp nhơm là ngành mà bất kì quốc gia nào cũng muốn phát triển Bauxite là một trong những loại quặng có trữ lượng nhiều nhất trên thế giới, tiềm năng của Bauxite là vơ cùng lớn trong cơng nghiệp sản xuất nhơm kể cả trong tương lai xa. Việt Nam là một trong những nước có trữ lượng Bauxite trên thế giới đó đó là tiềm năng lớn của đát nước chúng ta Quy trình Bayer trong sản xuất alumina là một quy trình được hơn 90% nhà máy sản xuất alumina trên thế giới áp dụng với kỹ thuật đơn giản, cần lượng nhiệt thấp, tiêu tốn ít năng lượng, hạ giá thành, chất lượng sản phẩm tốt. Tuy nhiên phương pháp này lại thải ra một số lượng lớn bùn đỏ, trong những năm gần đây lượng bùn đỏ này khơng ngừng tăng cao, gây ơ nhiễm mơi trương và tác động đến sức khỏe con người, nó là một vấn đề đáng báo động. Chính vì vậy, cần có những giải pháp trong việc xử lý bùn đỏ và những cải tiến cơng nghệ phù hợp để giảm bớt được bùn đỏ Q trình điện phân Hall heroult là quy trình điện phân duy nhất để sản xuất nhơm, mặc dù tốn kém nguồn điện năng, nguồn ngun liệu là bauxite lớn. Vì 41 vậy mơt nhà máy luyện nhơm muốn hoạt động với cơng suất cao, cho chất lượng kim loại nhơm tốt, có lợi nhuận cần chọn những điều kiện phù hợp về điều kiện ngun liệu, điều kiện năng lượng, điều kiện mơi trường và kinh tế xã hội, và khơng ngừng cỉa tiến cơng nghệ sao cho tiết kiệm được nguồn năng lượng. Trong khi đó ta cần phát triển ngành cơng nhiệp tái chế nhơm để tiết kiệm nguồn năng lượng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. “Aluminium production Technology” [2]. M.AuthierMartin, G. Forté, S. Ostap, and J. See, The Mineralogy of Bauxite for Producing Smeltergrade Alumina 42 [3]. H. Pyter, G.Tom, Extraction of Aluminium, (2010), 1214 [4]. http://vi.wikipedia.org/wiki/Bơ_xít [5].http://www.World aluminium.org/About+Aluminium Production/Bauxit e+ mining /Geology+of+Bauxite [6]. Bauxite Mining and the Environment [7]. “Biobeneficiation of bauxite using Bacillus polymyxa: calcium and iron removal”, International Journal of Mineral Processing. Elsevier Science B.V, 11 1996, pp. tr.51 60 [8].http://www.ciren.gov.vn/index.php?option=com_vanbans&id=861&Itemid=54. Quyết định về việc ban hành Quy định về thăm dò, phân cấp trữ lượng và tài nguyên bauxite [9].http://www.hs.wisd.org/ddaughenbaugh/Picture/alcoa_aluminum_smelter_and_mi ne.htm [10]. Nguyễn Thanh Liêm, 22 tháng 10 năm 2008. “ Tổng quan về tài nguyên quặng Bauxite và Quy hoạch phân vùng thăm dò, khai thác, chế biến, sử dụng quặng bauxite giai đoạn 20072015 có xét đến năm 2025.” Hội thảo Gia Nghĩa 22 23/10/2008. Ðắk Nông, Việt Nam [11].Wikipedia.ThFreeEncyclopedia.“Bayer Process.” http://en.wikipedia.org /wiki [12] Wikipedia.TheFree Encyclopedia.“HallHéroult Process.” http://en.wikipedia.oR g/wiki 43 ... Hình 1.1.1 Nhơm Bảng 1.1.1 Các tính chất chung và tính chất vật lý của kim loại nhơm Tính chất chung Tính chất vật lý Khối lượng ngun tử: 26,981538 đvC Trạng thái vật chất: rắn Bán kính ngun tử (calc.): 125 pm... Theo nguồn gốc tạo thành địa chất, bauxite được chia làm hai loại: bauxite lateritic và bauxite karstic. Bauxite lateritic được tạo thành từ q trình phong hóa đa bazan, chiếm khoảng 90 % trữ lượng bauxite của thế... ơi quy trinh san xuât nhôm đ ́ ̀ ̉ ́ ược thực hiên theo 3 giai đoan ̣ ̣ chinh đo la: Khai thac bauxite, chê biên alumina va luyên nhôm ́ ́ ̀ ́ ́ ́ ̀ ̣ 3.1 Quy trình khai tác bauxite Hầu hết các mỏ bauxite đang được khai thác trên thế