Trong hoạt động khai thác và tinh luyện bauxite để sản xuất ra alumin trên thế giới, người ta vẫn sử dụng phương pháp Bayer truyền thống. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là tạo ra một lượng lớn bùn đỏ. Hơn nữa, trong bùn đỏ còn chứa một số khoáng sản có ích như sắt, đất hiếm, titan… không thu hồi được, gây lãng phí tài nguyên. Các nhà khoa học của Canada đã nghiên cứu và thử nghiệm thành công phương pháp Orbite Aluminae.
Nhà máy tinh luyện alumin chất lượng cao HPA tại Cap-Chat, Quebec, Canada
Những số liệu tính toán cho thấy, trong giai đoạn 2015 – 2018, trên thế giới sẽ tồn chứa khoảng 4 tỷ tấn bùn đỏ trên những quy mô và khu vực khác nhau. Tới nay, phương pháp Bayer được sử dụng để tinh chế bauxite sản xuất ra alumin (oxit nhôm) đã tạo ra một lượng lớn chất thải bùn đỏ. Kể từ khi phương pháp này được áp dụng vào cuối những năm 1800, biện pháp xử lý duy nhất đối với lượng bùn đỏ mang tính kiềm này là cất giữ trong bể chứa. Do vậy, khi lượng bùn đỏ này thoát ra, sẽ tạo nên những nguy hại về môi trường, tương tự như sự cố tràn bùn tại Ajka, miền Tây Hungary năm 2010.
Trung bình, quặng bauxite chứa khoảng 40% – 50% alumin. Phương pháp Bayer sử dụng một dung dịch natri hidroxit nóng để thủy phân quặng. Khi chuyển đổi alumin thành natri aluminat, những tạp chất rắn khác không hòa tan và được lọc bỏ. Khi dung dịch kiềm được làm mát, nhôm hiđroxit (Al(OH)3) sẽ kết tủa. Các tạp chất rắn hầu hết là hỗn hợp gồm silic oxit, oxit sắt (màu đỏ) và titan dioxit.
Lượng silic có trong quặng bauxite có thể dao động từ vài % đến 10%. Tỷ lệ giữa alumin và silic oxit quyết định chất lượng quặng bauxite. Quặng bauxite có chất lượng tốt nhất khi tỷ lệ này đạt giá trị cao nhất và ngược lại. Thông thường, chế biến được một tấn alumin từ quặng bauxite có chất lượng tốt nhất tạo ra 2 tấn bùn đỏ. Tỷ lệ silic oxit tăng thì lượng bùn đỏ cũng tăng theo. Với tỷ lệ 10% silic oxit, phương pháp Bayer trở lên không kinh tế do lượng bùn đỏ lớn.
Công ty Orbite Aluminae Inc. của Canada vừa đưa ra một giải pháp không những tinh chế ra alumin không tạo ra bùn đỏ mà còn có thể chiết tách được một số sản phẩm khác như các kim loại đất hiếm từ các khu vực chứa bùn đỏ hiện có. Vào đầu tháng Hai năm 2013, Công ty Orbite Aluminae đã thông báo về việc Công ty hiện đang hợp tác với Công ty Dịch vụ Môi trường Veolia, một công ty quản lý chất thải có kinh nghiệm trong công nghệ xử lý nước thải tiến hành xử lý và tái chế bùn đỏ. Bên cạnh đó, họ sẽ tiến hành xây dựng nhà máy xử lý bùn đỏ đầu tiên sử dụng phương pháp Orbite Aluminae.
Phương pháp Orbite Aluminae
Theo đánh giá của Chủ tịch kiêm CEO Công ty Orbite Aluminae Inc., ông Richard Boudreault, phương pháp Bayer là một phương pháp không hiệu quả. Hệ thống thủy phân chỉ có thể thu được một nửa lượng alumin, phần alumin còn lại kết hợp cùng với sắt tạo thành hỗn hợp bùn đỏ. Khi đó, hầu như tất cả quặng sắt liên kết chặt chẽ với silic oxit. Như vậy, một lượng lớn kim loại bị tổn thất trong bùn đỏ. Trong khi đó, với phương pháp Orbite Aluminae, người ta có khả năng thu hồi hầu như toàn bộ những gì có trong quặng bauxite.
Phương pháp Orbite Aluminae cũng là phương pháp thủy phân kim loại nhưng sử dụng axit thay cho bazơ (chất kiềm). Loại axit được sử dụng là axit clohyđric (HCl), loại axit có trong dạ dày con người. Dạ dày con người không tiêu hóa silic oxit có trong thức ăn, tương tự như vậy, trong phương pháp này, silic oxit không có trong dung dịch nên bùn đỏ không thể hình thành.
Trong phương pháp Orbite Aluminae, axit được sử dụng để thủy phân quặng bauxite, tuy nhiên, ban đầu áp dụng đã gặp không ít khó khăn. Axit HCl có khả năng ăn mòn mọi thứ, kể cả bể chứa. Bởi vậy, người ta đã tiến hành phun một lớp lót thủy tinh lên thành các bể chứa (hay bể thủy phân). Đây là một công nghệ mới mà chỉ vài năm gần đây mới được ứng dụng. Lớp lót thủy tinh cho phép sử dụng axit mà không gây ảnh hưởng đến thiết bị.
Trung bình, quặng bauxite chứa khoảng 40% – 50% alumin. Phương pháp Bayer sử dụng một dung dịch natri hidroxit nóng để thủy phân quặng. Khi chuyển đổi alumin thành natri aluminat, những tạp chất rắn khác không hòa tan và được lọc bỏ. Khi dung dịch kiềm được làm mát, nhôm hiđroxit (Al(OH)3) sẽ kết tủa. Các tạp chất rắn hầu hết là hỗn hợp gồm silic oxit, oxit sắt (màu đỏ) và titan dioxit.
Lượng silic có trong quặng bauxite có thể dao động từ vài % đến 10%. Tỷ lệ giữa alumin và silic oxit quyết định chất lượng quặng bauxite. Quặng bauxite có chất lượng tốt nhất khi tỷ lệ này đạt giá trị cao nhất và ngược lại. Thông thường, chế biến được một tấn alumin từ quặng bauxite có chất lượng tốt nhất tạo ra 2 tấn bùn đỏ. Tỷ lệ silic oxit tăng thì lượng bùn đỏ cũng tăng theo. Với tỷ lệ 10% silic oxit, phương pháp Bayer trở lên không kinh tế do lượng bùn đỏ lớn.
Công ty Orbite Aluminae Inc. của Canada vừa đưa ra một giải pháp không những tinh chế ra alumin không tạo ra bùn đỏ mà còn có thể chiết tách được một số sản phẩm khác như các kim loại đất hiếm từ các khu vực chứa bùn đỏ hiện có. Vào đầu tháng Hai năm 2013, Công ty Orbite Aluminae đã thông báo về việc Công ty hiện đang hợp tác với Công ty Dịch vụ Môi trường Veolia, một công ty quản lý chất thải có kinh nghiệm trong công nghệ xử lý nước thải tiến hành xử lý và tái chế bùn đỏ. Bên cạnh đó, họ sẽ tiến hành xây dựng nhà máy xử lý bùn đỏ đầu tiên sử dụng phương pháp Orbite Aluminae.
Phương pháp Orbite Aluminae
Theo đánh giá của Chủ tịch kiêm CEO Công ty Orbite Aluminae Inc., ông Richard Boudreault, phương pháp Bayer là một phương pháp không hiệu quả. Hệ thống thủy phân chỉ có thể thu được một nửa lượng alumin, phần alumin còn lại kết hợp cùng với sắt tạo thành hỗn hợp bùn đỏ. Khi đó, hầu như tất cả quặng sắt liên kết chặt chẽ với silic oxit. Như vậy, một lượng lớn kim loại bị tổn thất trong bùn đỏ. Trong khi đó, với phương pháp Orbite Aluminae, người ta có khả năng thu hồi hầu như toàn bộ những gì có trong quặng bauxite.
Phương pháp Orbite Aluminae cũng là phương pháp thủy phân kim loại nhưng sử dụng axit thay cho bazơ (chất kiềm). Loại axit được sử dụng là axit clohyđric (HCl), loại axit có trong dạ dày con người. Dạ dày con người không tiêu hóa silic oxit có trong thức ăn, tương tự như vậy, trong phương pháp này, silic oxit không có trong dung dịch nên bùn đỏ không thể hình thành.
Trong phương pháp Orbite Aluminae, axit được sử dụng để thủy phân quặng bauxite, tuy nhiên, ban đầu áp dụng đã gặp không ít khó khăn. Axit HCl có khả năng ăn mòn mọi thứ, kể cả bể chứa. Bởi vậy, người ta đã tiến hành phun một lớp lót thủy tinh lên thành các bể chứa (hay bể thủy phân). Đây là một công nghệ mới mà chỉ vài năm gần đây mới được ứng dụng. Lớp lót thủy tinh cho phép sử dụng axit mà không gây ảnh hưởng đến thiết bị.
Sơ đồ phương pháp Orbite Aluminae
Theo tính toán, với phương pháp Bayer, chi phí sản xuất trung bình của ngành alumin có thể đạt 275 USD/tấn vào năm 2013 và 320 USD/tấn vào năm 2022. Với phương pháp Orbite Aluminae, chi phí sản xuất được ước tính vào khoảng 208 USD/tấn alumin. Như vậy, với giá hiện hành, cộng thêm khoản thu từ việc bán các sản phẩm phụ, chỉ trong vòng một đến hai năm, bằng phương pháp này, Công ty sẽ thu hồi được vốn đầu tư ban đầu. Cũng theo ông Richard Boudreault, điều này không có nghĩa là Công ty bỏ qua nguồn thu từ phí đổ thải do các doanh nghiệp đổ thải bùn đỏ phải trả. Hiện các doanh nghiệp khai thác bauxite đang phải trả khoản chi phí này khá cao, từ 5 USD đến 50 USD/tấn bùn đỏ lưu giữ. Như vậy, phương pháp Orbite Aluminae sẽ giúp cho các doanh nghiệp khai thác và chế biến bauxite tiết kiệm được một khoản chi phí đáng kể thông qua việc cắt giảm phí bảo vệ môi trường.
Theo kế hoạch, phương pháp Orbite Aluminae sẽ được áp dụng thử nghiệm tại châu Âu, nơi các hộ khai thác và chế biến bauxite hiện đang phải chịu chi phí cao trên một mét vuông đất sử dụng. Tiếp theo, Công ty sẽ hợp tác với một số công ty của Trung Quốc áp dụng thử nghiệm tại nước này. Hiện nay, Trung Quốc đang đưa ra những điều luật đầu tiên về bảo vệ môi trường trong khai thác và chế biến bauxite với mục tiêu thu hồi và xử lý 20% tổng lượng bùn đỏ vào năm 2015. Theo kế hoạch, nhà máy đầu tiên sẽ được xây dựng trong vòng một năm tới tại các khu vực này.
Hiện Công ty Orbite Aluminae đã cung cấp bằng sáng chế tại Trung Quốc và Nga để bảo vệ quyền sáng chế phương pháp hiện đang được trình diễn tại nhà máy sản xuất alumin chất lượng cao HPA (high purity alumina) tại Cap Chat, bang Quebec, Canada cũng như các phương pháp sẽ được sử dụng tại nhà máy luyện cấp alumin SGA (smelter – grade alumina) đầu tiên của Công ty hiện đang giai đoạn nghiên cứu khả thi. Trung Quốc và Nga hiện được xem là hai quốc gia sản xuất alumin lớn nhất trên thế giới.
Nội dung phương pháp
Phương pháp Orbite Aluminae sử dụng công nghệ ngâm chiết bán liên tục trong axit HCl để tạo ra alumin. Phương pháp này đạt được tỷ lệ thu hồi cao đối với alumin, các nguyên tố đất hiếm (REEs) và các kim loại hiếm, gồm cả 93% Al2O3 từ khoáng sàng sét nhôm oxit trong khu vực và với các nguyên tố khác với tỷ lệ thu hồi trung bình đạt khoảng 90%.
Quá trình diễn ra trong hai giai đoạn. Đầu tiên, tiến hành ngâm chiết chất nền trong axit clohiđric nhằm giải phóng các aluminat dưới dạng các sản phẩm clo hóa (clorat), sau đó là bước tái tạo lại axit nhằm thu hồi axit clohyđric từ dịch cái (mother liquor) trong khi chuyển hóa những thành phần kim loại khác thành các oxit. Trong giai đoạn tái tạo lại axit vẫn cho phép chiết tách các sản phẩm phụ trong khi vẫn thu hồi axit clohyđric.
Phương pháp Orbite Aluminae có thể được chia thành những bước như: chuẩn bị đất sét, ngâm chiết (thủy phân), lọc các thành phần không hòa tan, chiết tách alumin, chiết tách sắt và thiêu kết. Trong thời gian đó, vẫn tiến hành song song việc thu hồi các sản phẩm phụ và axit được tái tạo từ dịch cái.
Sét nhôm oxit được nghiền nhỏ nhằm tăng tối đa diện tích bề mặt cho quá trình ngâm chiết axit. Các hạt được ngâm chiết trong axit HCl ở nhiệt độ cao. Tất cả các kim loại, kể cả REEs (trừ titan), hòa tan như các dung dịch clorua (chloride solutions). Đặc biệt, alumin và sắt hòa tan để hình thành alumin triclorua (AlCl3) và sắt clorua (FeCl3). Silic oxit và một lượng nhỏ titan không hòa tan được lọc bỏ. Chất thải gồm silic oxit có chứa một lượng nhỏ titan. Đây là chất không độc hại có thể sử dụng cho những mục đích khác nhau trong công nghiệp.
Đầu tiên, dung dịch ngâm chiết được xử lý bằng cách kết tủa AlCl3 và tách nó dưới dạng nhôm clorua. Sau đó, lượng nhôm clorua này được thiêu kết và chuyển hóa thành alumin. Hợp chất sắt clorua vẫn còn trong dung dịch ngâm chiết được xử lý bằng phương pháp thủy phân ở nhiệt độ thấp tạo ra oxit sắt nguyên chất kết tủa trong quá trình tái tạo axit clohyđric. Oxit sắt (hematite) này rất tinh chất và có thể sử dụng như một sản phẩm phụ đặc chủng. Ngoài ra, trong dung dịch ngâm chiết còn lại một số kim loại khác như magiê, gali, kiềm và đất hiếm có thể thu hồi bằng các phương pháp tách chiết tiêu chuẩn.
Như vậy, có thể thấy, bằng cách áp dụng phương pháp Orbite Aluminae đã không tồn dư các sản phẩm axit và không tạo ra bùn đỏ như trong phương pháp Bayer. Các oxit sắt và kim loại được đổ vào các hồ chứa bùn đỏ như trong phương pháp Bayer thì nay được thu hồi và sử dụng như các sản phẩm phụ hữu ích.
Kiểm tra thử nghiệm tại Cap – Chat
Quá trình thử nghiệm và tối ưu hóa phương pháp Orbite Aluminae đã được tiến hành tại nhà máy tinh luyện alumin chất lượng cao HPA (high purity alumina) đầu tiên của Orbite. Nhà máy được thiết kế để xử lý sét nhôm oxit từ khoáng sàng tại Grande – Vallée, Quebec của Orbite. Khu vực khoáng sàng rộng 34km2, chứa một trữ lượng sét nhôm oxit trên 1 tỷ tấn. Trong tháng Ba năm 2013, đã tiến hành vận chuyển các mẫu sản phẩm thương mại đầu tiên của nhà máy với độ tinh khiết tối thiểu 99,99% đến các khách hàng tại châu Âu, châu Á và Bắc Mỹ. Các mẫu có khối lượng từ 1kg đến 100kg và thời gian thử nghiệm mẫu của khách hàng có thể diễn ra trong vài tháng. Hiện nhà máy cũng đã nhận được trên 25 đơn đặt hàng từ khắp nơi trên thế giới đối với các mẫu sản phẩm của nhà máy với chất lượng đạt 99,99% hoặc 99,999%.
Nhờ việc lắp đặt bổ sung các thiết bị thiêu kết alumin, năng suất của các nhà máy HPA hy vọng sẽ dần được nâng lên từ dưới 1 tấn/ngày lên 3 tấn/ngày và cuối cùng là 5 tấn/ngày.
Công ty Orbite Aluminae hiện đang hướng tới mục tiêu cung cấp các sản phẩm bột và hạt HPA có chất lượng cao, độ tinh khiết từ 99,99% đến 99,9999%. Ngoài ra, Công ty còn hướng tới thu hồi sản phẩm phụ là các oxit gali và scanđi sau khi công nghệ thu hồi các kim loại hiếm được hoàn thiện. Nhà máy HPA cũng là nơi trình diễn thử nghiệm các công nghệ sẽ được sử dụng tại nhà máy SGA của Công ty.
Trong tháng 2/2013, Bộ Kinh tế và Tài chính bang Quebec (MFE) đã trao tặng Công ty Orbite Aluminae giải thưởng PerformAS Award, ghi nhận những thành tích của Công ty trong việc triển khai và đổi mới công nghệ trong ngành công nghiệp hóa chất tại Quebec.
Hiện nay, trên thế giới, có ít nhất 50 vị trí lưu giữ bùn đỏ đang hoạt động và trên 100 bãi thải bùn đỏ đã đóng cửa. Như vậy, việc xử lý và phục hồi những khu vực nói trên đang là vấn đề cấp thiết đặt ra đối với ngành công nghiệp alumin, nhằm giải quyết những quan ngại về môi trường và tận thu tài nguyên.
Theo đánh giá của các chuyên gia Công ty Orbite Aluminae, công nghệ Orbite còn có khả năng được áp dụng để xử lý và thu hồi các chất thải công nghiệp khác như tro bay trong quá trình đốt than./.
TÁC GIẢ BÀI VIẾT: THEO MINING JOURNAL.COM (CÓ THAM KHẢO BẢN DỊCH CỦA VIỆN KHCN MỎ)
[odex-source url=”https://www.vinacomin.vn/tin-quoc-te/san-xuat-alumin-tu-quang-bauxite-khong-tao-ra-bun-do-201506291120171924.htm” button=”Theo vinacomin”]
