Kỳ 1: Tiềm năng khoáng sản Bauxite Việt Nam

Thứ ba, 25 tháng 2, 2020

Trong loạt bài viết lần này, Tạp chí Kinh tế Môi trường xin được cùng trao đổi về chuyên đề khoáng sản Bauxite Tây Nguyên với mong muốn có những ý kiến đánh giá khách quan vì sự phát triển bền vững đất nước.

Lời tòa soạn: Nghiên cứu, tìm kiếm, thăm dò nguồn tài nguyên khoáng sản có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với mỗi quốc gia. Và thật hồng phúc lớn khi nguồn khoáng sản có được ấy lại có trữ lượng lớn, có thể khai thác cung cấp nguyên liệu sản xuất cho các ngành kinh tế của đất nước và cho xuất khẩu. Trong loạt bài viết lần này, Tạp chí Kinh tế Môi trường xin được cùng trao đổi về chuyên đề khoáng sản Bauxite Tây Nguyên với mong muốn có những ý kiến đánh giá khách quan trong bối cảnh mới mang Tầm nhìn thời đại, vì sự phát triển bền vững đất nước cho các thế hệ hiện tại và muôn đời con cháu mai sau.

Hiện nay các Tiểu ban chuẩn bị văn kiện Đại hội XIII của Đảng, trong đó có Tiểu ban Kinh tế đang gấp rút hoàn thành các báo cáo. Với quan điểm phát triển kinh tế-xã hội bền vững thì không thể không dựa vào nguồn vốn tự nhiên, trong đó khoáng sản cần được tính đến để khai thác và sử dụng hợp lý đóng góp thiết thực vào tiến trình phát triển kinh tế đất nước. Chúng tôi thấy rằng, tài nguyên khoáng sản bauxite cần được đặt đúng vị thế của nó để đánh giá thực chất.

Việt Nam là quốc gia có tiềm năng lớn về tài nguyên khoáng sản Bauxite – đây là điều chắc chắn, được khẳng định qua nghiên cứu và khảo sát, tìm kiếm, thăm dò thực địa trong nhiều thập kỷ qua.

Vấn đề khai thác Bauxite phục vụ phát triển kinh tế đất nước đã có nhiều ý kiến tranh luận mạnh mẽ trong dư luận Việt Nam vào những năm 2008-2010, khi hai dự án sản xuất Alumin theo công nghệ Bayer do nhà thầu Trung Quốc thực hiện tại Tân Rai, Bảo Lộc, Lâm Đồng và Nhân Cơ, Gia Nghĩa, Đắk Nông được quyết định đầu tư. Đây đều là những ý kiến đầy tâm huyết, rất trách nhiệm với đất nước, thực sự đáng trân trọng bởi trong bối cảnh cách đây một thập kỷ thì thực tế có nhiều điểm khác biệt so với hiện nay nên cần cân nhắc thận trọng. Có thể nói những băn khoăn, nghi vấn, khó khăn đặt ra khi đó thì giờ đây đã được giải tỏa, làm sáng tỏ và khả thi về tất cả các khía cạnh: Kinh tế, xã hội, công nghệ, môi trường.

Cho đến nay, thông tin về tình hình hoạt động của hai nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ, có công suất mỗi nhà máy 650.000 tấn alumin/ năm đến với các cơ quan quản lý và cộng đồng dân cư còn hạn chế, chưa khách quan, không toàn diên và đầy đủ; nhất là từ năm 2017 khi hoạt động sản xuất của hai nhà máy đi vào ổn định và mang lại hiệu quả kinh tế cao. Sự thiếu hụt các thông tin mang tính chất hệ thống dẫn đến nhận thức và quan điểm còn khác biệt của các tầng lớp nhân dân đối với những định hướng phát triển ngành công nghiệp Nhôm của Việt Nam hiện tại và trong tương lai. Với vai trò là người phản biện các chính sách phát triển đất nước, trực thuộc Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam, Hội Kinh tế Môi trường Việt Nam đã rất chú trọng triển khai nghiên cứu sâu về vấn đề này. Các chuyên gia, nhà khoa học đã tiến hành lấy mẫu tại hiện trường các mỏ và phân tích trong phòng thí nghiệm để có được những số liệu cụ thể. Hội đã giao cho PGS.TS. Lưu Đức Hải, Phó Chủ tịch Hội Kinh tế Môi trường Việt Nam, nguyên là Chủ nhiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN (người có hơn 40 năm kinh nghiệm và đã trực tiếp tham gia vào việc tìm kiếm bauxite Tây Nguyên, thành viên của Hội đồng thẩm định các dự án Alumin nói trên, đồng thời là tác giả của giải pháp xử lý bùn đỏ) viết các bài tổng quan mang tính chất hệ thống về vấn đề này.

Thay mặt Hội Kinh tế Môi trường Việt Nam, Ban biên tập Tạp chí và tác giả rất mong được sự quan tâm của quý Bạn đọc để sớm nhận được góp ý trao đổi thẳng thắn, xây dựng sau khi đọc các bài viết này.

Bauxite và quá trình hình thành Bauxite laterit trên đá bazan Tây Nguyên

Bauxite là loại khoáng sản Al (Nhôm) có thành phần hóa học chủ yếu là các ô xit và hydroxit Al và Fe. Có hai loại hình khoáng sản Bauxite có khả năng khai thác quy mô công nghiệp là Bauxite laterit và Bauxite biến chất. Quá trình hình thành hai loại hình này khác biệt nhau, dẫn đến tính chất và vấn đề môi trường khác biệt nhau.

Bauxite laterit là sản phẩm của quá trình phong hóa dưới tác động của các yếu tố nhiệt độ, lượng nước mưa và oxy khí quyển các đá macma, chủ yếu là đá phun trào bazan. Loại hình này tạo nên các các mỏ bauxite ở vùng Tây Nguyên nước ta. Quá trình phong hóa ở đây diễn ra theo 3 giai đoạn chính:

– Giai đoạn phong hóa vật lý: ở giai đoạn này, các đá macma bazan từ dạng khối đặc bị vỡ vụn thành các mảnh nhỏ, tạo điều kiện cho nước, CO2 và ô xi thâm nhập vào các khoáng vật chứa trong đá. Kết quả giai đoạn này của quá trình phong hóa tạo nên một đới trong vỏ phong hóa là đới vỡ vụn cơ học hay đới bazan phong hóa.

– Giai đoạn sét hóa: Ở giai đoạn này các khoáng vật chưa trong đá bazan như Olivin (Mg,Fe)2SiO4, Piroxen (Mg,Fe,Ca)2Si2O6, Plazocla (Na-Ca)2[(Al,Si)AlSi2O8] bị phong hóa biến thành các khoáng vật sét: Kaolinit Al4[Si4O10](OH)8, Monmorilonit Al2[Si4O10](OH)2.nH2O, Illit (K,H2O)Al2[(Al,Si)Si3O10](OH)2. Trong giai đoạn này, các nguyên tố kiềm (Na, K, Ca, Mg) trong đá bazan ban đầu bị tách ra khỏi các khoáng vật và chuyển vào nước ngầm, các phân tử nước từ nước ngầm thâm nhập vào cấu trúc các khoáng vật sét mới hình thành. Kết quả của giai đoạn này tạo nên đới sét trong vỏ phong hóa.

– Giai đoạn laterit: Giai đoạn này thường chỉ tồn tại trong vỏ phong hóa đá bazan và một số đá macma bazơ. Ở giai đoạn này các khoáng vật sét tiếp tục bị biến đổi thành các khoáng vật ô xit và hydroxit như: Gipxit Al(OH)3, Limonit Fe(OH)3, Hematit Fe2O3, Gơtit FeO(OH). Trong giai đoạn này, Si và một số nguyên tố kiềm còn lại bị rửa trôi khỏi cấu trúc các khoáng vật sét đi vào nước ngầm thấm qua vỏ phong hóa. Khoáng vật Gipxit Al(OH)3 chính là thành phần chủ yếu để lấy Al từ quặng Bauxite. Nói một cách khác, hàm lượng của Gipxit trong quặng quyết định chất lượng của quặng Bauxite laterit.

Sự tiếp nối liên tục của các giai đoạn phong hóa là nguyên nhân tạo nên tính phân đới của vỏ phong hóa đá bazan Tây nguyên.

Sơ đồ tính phân đới của vỏ phong hóa đá bazan Tây Nguyên.

Yếu tố môi trường phong hóa có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng quặng và chiều dày thân quặng bauxit laterit theo cơ chế của quá trình phong hóa chính là lượng nước ngầm thấm qua vỏ phong hóa. Nhưng chính lượng nước ngầm thấm qua vỏ phong hóa lại phụ thuộc vào độ dốc địa hình bề mặt và lượng mưa hàng năm. Do vậy, mặc dù tầng quặng bauxit laterit có ở tất cả mọi nơi trong vùng phân bố đá bazan Tây Nguyên, nhưng nơi xác định là mỏ có giá trị khai thác thường chỉ tập trung ở vùng có lượng mưa lớn và độ dốc địa hình bề mặt dao động trong khoảng 20O đến 45O như: Gia Nghĩa, Đắc Nông (lượng mưa hàng năm > 3.000mm), Bảo Lộc, Lâm Đồng (lượng mưa hàng năm >2.500mm), Măng Đen, Kon Tum (lượng mưa hàng năm >2.400mm). Đá bazan Tây Nguyên có tuổi địa chất N2-Q1 và Q1 (khoảng 6 triệu năm trở lại đây) không chứa các nguyên tố phóng xạ, do đó bauxit laterit do phong hóa nằm trên các đỉnh đồi như Tây Nguyên nước ta không chứa các nguyên tố phóng xạ.

Bauxite biến chất là sản phẩm của quá trình biến đổi bauxite laterit cổ xảy ra dưới tác động của tác nhân biến chất (nhiệt độ, áp suất và dung dịch biến chất) khi quặng bị nhấn chìm vào lòng đất hàng trăm triệu năm. Dưới tác động của các tác nhân biến chất, quặng bauxite laterit bị biến đổi về mặt thành phần hóa học và khoáng vật. Khoáng vật Gipxit Al(OH)3 sẽ kết tinh thành khoáng vật có cấu trúc tinh thể bền vững hơn như Diaspo HAlO2, Bơmit AlO(OH). Một phần các khoáng vật Fe sẽ hòa tan trong dung dịch biến chất và mang đi khỏi bauxite ban đầu. Do đó, hàm lượng Al trong quặng sẽ tăng lên còn hàm lượng Fe sẽ giảm đi. Cùng với quá trình thay đổi về thành phần hóa học và khoáng vật của quặng bauxite ban đầu, các nguyên tố phóng xạ hòa tan trong môi trường biến chất như U và Th sẽ thâm nhập và hấp thụ vào quặng bauxite bị biến chất. Kết quả của quá trình biến chất như trên sẽ tạo loại quặng bauxit biến chất có modul Al (tỷ lệ Al/Fe) cao hơn bauxite laterit, nhưng chứa các nguyên tố phóng xạ và khó hòa tan trong quá trình bayer.

Loại bauxite biến chất đã được các nhà địa chất Pháp và Việt Nam tìm thấy trong các tầng đá vôi có tuổi 200 – 350 triệu năm từ Cao Bằng, Lạng Sơn và Hải Dương, với trữ lượng ước tính khoảng 50 triệu tấn. Nhà máy đá mài Hải Dương đã và đang khai thác một điểm lộ quặng bauxit biến chất trên đá vôi gần với nhà máy xi măng Hoàng Thạch, huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương.

Sự khác biệt về về loại hình khoáng sản bauxite như đã nói trên là nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt về thiết kế công nghệ bayer của quá trình sản xuất alumin, cũng như các các vấn đề môi trường cần khắc phục ở các quốc gia trên Thế giới.

Tiềm năng kinh tế của khoáng sản Bauxite Việt Nam

Bauxite là nguồn nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp nhôm của Thế giới. Quá trình sản xuất Al từ quặng bauxite trải qua hai công đoạn quan trọng: Sản xuất alumin (Al2O3) theo công nghệ bayer và điện phân alumin thành Al. Hiện Việt Nam như đã nói trên đã có hai nhà máy sản xuất alumin thuộc Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin) với sản lượng thiết kế tổng cộng là 1.300.000 tấn/năm. Đồng thời, một nhà máy điện phân nhôm của chủ đầu tư là Công ty TNHH luyện kim Trần Hồng Quân, công suất thiết kế đến năm 2020 dự kiến là 450.000 tấn nhôm/năm đang được xây dựng tại khu công nghiệp Nhân Cơ, huyện Dak R’lap, tỉnh Đắk Nông. Do đó, lượng alumin sản xuất tại nhà Alumin Nhân Cơ chưa đủ đáp ứng nhu cầu nguyên liệu của nhà máy điện phân nhôm sẽ vận hành trong tương lai.

Như vậy, về cơ bản Việt Nam đã có đủ công nghệ để khai thác tiềm năng rất lớn về quặng bauxite laterit Tây Nguyên, nhưng nhu cầu alumin trong và ngoài nước đang vượt khả năng cung cấp.

Theo số liệu tổng hợp của TS. Nguyễn Khắc Vinh, nguyên Chủ tịch Tổng hội Địa chất Việt Nam, trữ lượng công nghiệp của bauxite của Việt Nam là trên 7 tỷ tấn, đứng vào hàng thứ 3 về trữ lượng bauxit của thế giới. Trong đó, trữ lượng quặng bauxite laterit ở Nhân Cơ khoảng 4 tỷ tấn, còn trữ lượng tại Bảo Lộc khoảng 500 triệu tấn.

Theo số liệu sản xuất thực tế năm 2018 của hai nhà máy alumin Tân Rai, Lâm Đồng và Nhân Cơ, Đắc Nông, với lượng quặng thô khai thác là 2,6-2,7 triệu tấn, sau khi tuyển quặng sẽ tạo ra được 1,3 triệu tấn tinh quặng bauxite và sản xuất được 650.000 tấn alumin có hàm lượng Al2O3 đạt trên 99%. Nói một cách khác, theo công nghệ sản xuất bayer đang vận hành tại hai nhà máy của Vinacomin thì hiệu suất thu hồi alumin tính trên quặng thô là 24-25% trọng lượng. Ước tính, với tổng trữ lượng khoáng sản 7 tỉ tấn quặng thô có thể tạo ra 1,68-1,89 tỉ tấn alumin; mức thấp nhất trong dự tính khai thác toàn bộ quăng bauxit có thể tạo ra 1,5 tỉ tấn alumin.

Hiệu quả kinh tế rất rõ ràng:

– Với giá thị trường hiện tại khoảng 600 USD/tấn alumin (so với giá dự báo trong luận chứng kinh tế – kỹ thuật (KTKT) của các dự án alumin nói trên là 300 USD/tấn alumin) thì:

– Giá trị kinh tế nếu chế biến toàn bộ quặng bauxit thành alumin theo thời giá hiện tại là 900 tỉ USD, lãi ròng so với giá dự báo trong luận chứng KTKT là 450 tỉ USD.

– Với quy mô sản xuất alumin tại nhà máy Nhân Cơ, Đắk Nông hiện nay, lượng quặng tại địa phương có thể đủ dùng cho thời gian trên 1.480 năm; với quy mô sản xuất alumin của nhà máy Tân Rai, Lâm Đồng, lượng quặng tại Bảo Lộc có thể đủ dùng trong hơn 190 năm.

Nếu tính thêm giá trị gia tăng của công nghệ điện phân nhôm từ alumin thì nguồn thu từ công nghiệp nhôm của Việt Nam dựa trên tiềm năng bauxite Tây Nguyên là rất lớn.

Hiện tại, nền kinh tế Việt Nam đang còn ở trình độ phát triển trung bình thấp, tổng thu nhập quốc dân còn nhỏ hơn nhiều nước khu vực ASEAN như Indonesia, Malaysia, Thái Lan, Philippin, Singapore. Bởi vậy, tiềm năng rất lớn từ khai thác và chế biến bauxite và phát triển ngành công nghiệp nhôm của Việt Nam cần được các nhà lãnh đạo, các ngành kinh tế và các tập đoàn kinh tế nhà nước và tư nhân nước ta quan tâm khai thác, sử dụng hiệu quả sớm nhất có thể. Việc nhận thức và đánh giá đầy đủ các khía cạnh kinh tế – môi trường – xã hội phục vụ phát triển bền vững dựa trên thực tế sản xuất tại các các nhà máy alumin và điện phân nhôm là trách nhiệm, nghĩa vụ của các cơ quan quản lý, các nhà khoa học và mỗi người dân Việt Nam.

PGS.TS. Lưu Đức Hải

Kỳ 2: Công nghệ sản xuất Alumin và các vấn đề cấp bách về môi trường

Thứ tư, 26 tháng 2, 2020

>Có rất nhiều vấn đề môi trường phát sinh trong quá trình khai thác quặng bauxite và sản xuất alumin tại hai tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ.

LTS: Trong kỳ 1 đã đăng tải trên Tạp chí Kinh tế Môi trường, chúng tôi đã trình bày đặc điểm nguồn gốc, tính chất, thành phần và tiềm năng to lớn của khoáng sản bauxite của Việt Nam, tập trung chủ yếu trong vỏ phong hóa đá bazan Tây Nguyên, thuộc các tỉnh Đắk Nông, Lâm Đồng, Gia Lai và Kon Tum. Bài viết này tập trung vào việc trình bày tổng quan thực trạng công nghệ sản xuất alumin tại hai nhà máy đầu tiên của Việt Nam là Alumin Tân Rai tại huyện Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng và Alumin Nhân Cơ tại huyện Dak R’Lap, tỉnh Đắk Nông và các vấn đề môi trường chính phát sinh từ công nghệ sản xuất alumin tại hai nhà máy này.

Công nghệ sản xuất alumin từ bauxite laterit tại các nhà máy Alumin Tân Rai và Nhân Cơ

Nhà máy alumin Tân Rai.

Công nghệ sản xuất alumin đang được sử dụng tại hai nhà máy alumin Tân Rai (Lâm Đồng) và Nhân Cơ (Đắk Nông) là công nghệ Bayer Châu Mỹ. Trong đó, việc hoà tách Nhôm (Al) ra khỏi thành phần bauxite laterit xảy ra ở nhiệt độ 140-145 độ C, với nồng độ kiềm của dung dịch hòa tách 160-170g/l và là công nghệ chung của Thế giới đang được vận hành tại các nhà máy alumin xử lý quặng bauxite laterit. Quy trình sản xuất alumin tại hai nhà máy nói trên của Việt Nam được thực hiện qua hai giai đoạn chính: Giai đoạn tuyển quặng và giai đoạn sản xuất alumin.

Quy trình sản xuất tại hai nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ.

Giai đoạn tuyển quặng: Quặng nguyên khai từ đới laterit của vỏ phong hóa tại các moong khai thác được vận chuyển bằng ô tô tải tới nhà máy tuyển quặng bauxite. Tại đây, quặng nguyên khai được đập nhỏ và rửa sạch các thành phần sét và vật liệu mịn để tạo ra tinh quặng. Quy trình công nghệ của giai đoạn này được mô tả chi tiết trên sơ đồ bên dưới.

Sơ đồ quy trình công nghệ tại nhà máy tuyển quặng bauxite laterit.

Theo sơ đồ trên, quặng nguyên khai được sàng, đập nhỏ đến kích thước 20mm và rửa sạch khoáng sét, cũng như vật liệu mịn thành quặng tinh. Khoáng sét và vật liệu mịn (bao gồm cả các hạt bauxite laterit) tạo ra bùn thải được lắng tại bể cô đặc, sau đó chuyển ra hồ bùn thải quặng đuôi. Để tăng hiệu quả thu hồi nước sản xuất và khả năng lắng của khoáng sét và vật liệu mịn, trong quy trình có bổ sung thêm các chất trợ lắng như PAC vào bể cô đặc. Phần lớn lượng nước trong quy trình được tái tuần hoàn; Phần nước chảy tràn qua hồ bùn thải quặng đuôi sẽ được bổ sung bằng lượng nước cấp mới. Hiệu suất thu hồi tinh quặng có kích thước 1-20mm so với quặng nguyên khai của giai đoạn tuyển quặng dao động phụ thuộc vào chất lượng quặng nguyên khai của các moong. Tại hai nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ, hiệu suất thu hồi tinh quặng hiện nay nằm trong khoảng 48-50% lượng quặng nguyên khai.

Giai đoạn sản xuất alumin: Tinh quặng từ kho chứa của nhà máy tuyển bauxite được chuyển tới kho chứa của nhà máy alumin bằng băng tải. Giai đoạn này được thực hiện theo nguyên lý công nghệ Bayer dựa trên tính chất á kim của kim loại nhôm (Al) khi tương tác với kiềm. Tại các nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ, giai đoạn sản xuất alumin được thực hiện thông qua một số công đoạn chính: Nghiền bauxite, khử silic, hoà tách, tách cát, lắng và rửa bùn đỏ, lọc dung dịch aluminat, kết tinh, lọc hyđrat, nung hydrat. Sơ đồ công nghệ của giai đoạn sản xuất alumin được trình bày trong sơ đồ.

Sơ đồ quy trình công nghệ giai đoạn sản xuất alumin.

Theo sơ đồ trên, công đoạn chính của quy trình sản xuất alumin theo công nghệ Bayer được triển khai bắt đầu từ việc nghiền quặng tinh trong môi trường nước để tạo ra huyền phù, tiếp đó bổ sung sữa vôi Ca(OH)2 để tách các hợp phần chứa Si. Dung dịch sau đó được nâng nhiệt lên nhiệt độ 145-150 độ C và bổ sung NaOH đạt nồng độ 160-170 g/lít. Trong điều kiện đó, thành phần chứa nhôm trong quặng bauxite laterit là khoáng vật gipxit sẽ hòa tan vào dụng dịch aluminat, các khoáng vật còn lại không hòa tan sẽ chuyển thành bùn đỏ. Dung dịch aluminat sau khi tinh lọc, hạ nhiệt độ sẽ được chuyển sang các tháp kết tinh. Tại tháp kết tinh, dung dịch aluminat sẽ được làm lạnh và bổ sung các mầm tinh thể Al(OH)3 để kết tinh thành hydrat nhôm. Tiếp đó, bùn hydrat nhôm sẽ được chuyển sang lò nung làm mất nước để thành sản phẩm alumin (Al2O3). Bùn đỏ chứa các khoáng vật sắt, khoáng vật sét không hòa tan trong dung dịch kiềm cùng với một lượng nhỏ kiềm dư (khoảng 6% trọng lượng) sẽ được chuyển sang hồ bùn đỏ. Bổ trợ cho công đoạn chính của quá trình sản xuất alumin nói trên còn có các nhà máy phụ trợ như: Nhà máy điện cung cấp điện, nhà máy khí hóa cung cấp khí cho lò nung alumin, phân xưởng sản xuất vôi và sữa vôi.

Các thiết bị được nhà thầu Chalienco Trung Quốc sử dụng để lắp đặt tại hai tổ hợp nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ ngoài một số thiết bị do chính Trung Quốc sản xuất thì còn có những thiết bị đã được mua từ nhiều nước kể cả Việt Nam như: Hệ thống lọc dung dịch của Pháp, các thiết bị đo của Cộng hòa Liên bang Đức, hệ thống điều khiển của Hoa Kỳ, các máy bơm công nghệ quan trọng của các nước nhóm G7, đặc biệt là toàn bộ nhà máy tuyển quặng của tổ hợp alumin Nhân Cơ do các doanh nghiệp Việt Nam chế tạo và lắp đặt. Trong các thiết bị nói trên, có nhiều thiết bị tiên tiến của Thế giới hiện nay, như: Thiết bị kết tinh 2 giai đoạn để tạo ra alumin dạng cát; Lò nung tầng sôi để tiết kiệm năng lượng và sản phẩm nung không bị quá nhiệt (hạn chế hàm lượng α-Al2O3); hệ thống cô đặc (cô bay hơi) màng rơi nhiều cấp; Thiết bị lọc lá đứng để tinh lọc dung dịch aluminat; máy lọc bàn để lọc sản phẩm hydrat,…

Hiệu suất thu hồi sản phẩm alumin, tiêu hao nguyên liệu, nước, điện năng của hai dự án alumin Tân Rai và Nhân Cơ cụ thể như sau: Hiệu suất thu hồi sản phẩm Alumin >83%; Tiêu hao nước cho thiết bị sản xuất alumin là 3,84m3/tấn alumin; Tiêu hao điện cho nhà máy alumin là 250 Kwh/tấn alumin; Tỉ lệ thu hồi sản phẩm alumin so với lượng quặng tinh sử dụng trong hai tổ hợp nhà máy alumin dao động 48-50%; Lượng bùn đỏ phát sinh từ hai nhà máy alumin dao động 50-52% tổng trọng lượng quặng tinh đưa vào chế biến. Các sản phẩm alumin của hai nhà máy có chất lượng tốt, hàm lượng Al2O3 đạt 99%, được xuất khẩu ra nhiều nước trên Thế giới, như: Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Thái Lan, Ấn Độ, Các Tiểu vương quốc Ả rập Thống nhất, Malaysia và Thụy Sĩ. Sản lượng sản phẩm đã đạt và thậm chí vượt công suất thiết kế ban đầu là 650.000 tấn/ năm cho mỗi tổ hợp.

Từ những thông tin đã trình bày trên và thực tiễn sản xuất tại hai tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ có thể đưa ra nhận định:

– Công nghệ sản xuất alumin tại hai tổ hợp Tân Rai và Nhân Cơ phù hợp với loại quặng bauxite của Tây Nguyên có thành phần khoáng vật chứa Al chính là Gipxit; Đạt trình độ quốc tế với nhiều thiết bị công nghệ có nguồn gốc từ các nước phát triển trình độ cao ngoài các thiết bị do nhà thầu được sản xuất tại Trung Quốc. Do đó, chất lượng sản phẩm đạt chất lượng xuất khẩu ra các thị trường của các nước phát triển, sản lượng đạt và vượt công suất thiết kế.

– Cán bộ kỹ thuật và công nhân Việt Nam đã làm chủ hoàn toàn công nghệ sản xuất alumin, có khả năng sửa chữa và thay thế những thiết bị hư hỏng trong quá trình sản xuất bằng vật liệu và thiết bị được sản xuất tại Việt Nam. Do đó, về cơ bản thiết kế công nghệ tổ hợp alumin Nhân Cơ có những cải tiến mang tính ưu việt hơn tổ hợp alumin Tân Rai.

– Nếu tập hợp được lực lượng khoa học công nghệ trong nước, Việt Nam có thể chủ động về thiết kế và lắp đặt các nhà máy alumin công suất tương tự và lớn hơn bằng thiết bị nhập nội kết hợp với các trang thiết bị được các nhà máy cơ khí trong nước sản xuất. Thực tế việc Việt Nam đã tự thiết kế và lắp đặt hoàn toàn nhà máy tuyển quặng công suất tương đương tại tổ hợp alumin Nhân Cơ là một minh chứng rõ ràng cho nhận định này.

– Tuy nhiên, vẫn còn nhiều bất hợp lý trong quy trình sản xuất và thiết kế công nghệ chưa tối ưu tại hai tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ. Ví dụ, việc tồn tại hai loại hồ chứa (hồ chứa quặng đuôi của nhà máy tuyển, hồ bùn đỏ của nhà máy alumin) trong các khu vực có lượng mưa tập trung và lớn nhất ở Tây Nguyên có thể đe dọa vùng đất hạ lưu thuộc lưu vực sông Đồng Nai. Việc chưa tận dụng hết các nguồn thải để tạo nên một mô hình khu công nghiệp sinh thái cho các tổ hợp alumin đòi hỏi cải tiến thiết kế công nghệ các nhà máy alumin trong tương lai.

Hồ bùn đỏ số 1 Nhà máy alumin Tân Rai, Lâm Ðồng.

Các vấn đề môi trường chủ yếu phát sinh trong công nghệ sản xuất alumin từ bauxite laterit tại các tổ hợp Alumin Tân Rai, Lâm Đồng và Nhân Cơ, Đắk Nông

Có rất nhiều vấn đề môi trường phát sinh trong quá trình khai thác quặng bauxite và sản xuất alumin tại hai tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ. Bài viết này chỉ đề cập và phân tích thực trạng các vấn đề môi trường chính có tác động tiêu cực liên quan đến công nghệ sản xuất. Đó là mất đất và phục hồi đất canh tác do khai thác bauxite, nhu cầu sử dụng nước và cân bằng nước tự nhiên, bùn đuôi quặng và hồ chứa bùn đuôi quặng, bùn đỏ và hồ chứa bùn đỏ, tro bay và xỉ thải của nhà máy nhiệt điện, ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước.

Mất đất canh tác và phục hồi đất canh tác do khai thác bauxite: Các thân quặng bauxite trong mặt cắt vỏ phong hóa đá bazan tại Bảo Lộc, Lâm Đồng (tổ hợp alumin Tân Rai) và Đắk Nông (tổ hợp alumin Nhân Cơ) đều nằm ở độ sâu từ 1-3 m; do đó việc khai thác quặng bauxite được thực hiện bằng phương pháp lộ thiên. Quá trình khai thác được thực hiện theo quy trình sau: Phát quang khu vực khai thác bóc xúc dồn lớp đất thổ nhưỡng, bốc xúc quặng bauxite thô lên xe tải chuyển về kho nhà máy tuyển. Khai trường sau khi kết thúc từng phần khai thác sẽ được phủ lại lớp đất thổ nhưỡng để trồng cây.

Thực tế, tại các khai trường sau khi phủ lại lớp thổ nhưỡng, các cây trồng sống và phát triển khá nhanh. Tuy nhiên, nếu trước khi phủ lớp đất thổ nhưỡng, toàn bộ lượng bùn đuôi quặng được đưa lại các moong khai thác, thì đất canh tác được phục hồi nhanh chóng và hiệu quả hơn. Một số thử nghiệm trồng cây trên phần moong có đổ bùn đuôi quặng trước khi phủ lớp đất thổ nhưỡng, cây trồng phát triển tốt hơn. Tiếc rằng đây chỉ là các thử nghiệm quy mô nhỏ vì phần lớn bùn đuôi quặng đang nằm trong các hồ chứa bùn đuôi quặng ở các thung lũng sâu. Trong điều kiện mưa nhiều và tập trung, quá trình xói mòn và rửa trôi các chất dinh dưỡng đang làm cho đất bazan thoái hóa và hoang hóa thì việc khai thác và phục hồi đất một cách khoa học như trên là một biện pháp cải tạo đất bazan vùng giàu bauxite hiệu quả. Nói một cách khác, nếu quy trình khai thác và phục hồi đất trên các khai trường được thực hiện bài bản và khoa học, thì việc khai thác bauxite không làm mất đất canh tác.

Nhu cầu nước và cân bằng nước khu vực sản xuất alumin tại Tây Nguyên: Trong sản xuất alumin, nước được sử dụng trong hai công đoạn chính là nhà máy tuyển quặng và nhà máy alumin. Tại nhà máy tuyển quặng, phần lớn nước được quay vòng từ nhà máy tuyển ra hồ chứa và từ hồ chứa vào nhà máy tuyển. Do đó, tiêu hao nước cho việc tuyển quặng là không lớn khi hồ chứa bùn đuôi quặng được thiết kế hợp lý để quay vòng nước tuyển quặng. Tại nhà máy alumin, nước sử dụng trong quá trình hòa tách và rửa hydrat được tuần hoàn quay lại quy trình để tận thu NaOH dư. Lượng nước mất mát chính thuộc công đoạn nung hydrat và đi kèm bùn đỏ. Do đó, tiêu hao nước cho sản xuất alumin nhìn chung là thấp so với các quy trình công nghiệp sản xuất các kim loại khác. Hai vùng quặng bauxite lớn nhất ở Tây Nguyên là Đắk Nông và Di Linh – Bảo Lộc, Lâm Đồng, nơi đang có các nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ của nước ta là hai tâm mưa quan trọng của Tây Nguyên. Với lượng mưa có lưu lượng >2.500 mm/năm, tập trung chủ yếu trong các tháng từ 5-10; Lượng nước mặt ước tính có thể thu giữ và lưu trữ hàng năm trên một m2 là 1,25 m3. Với mức tiêu hao 3,84 m3 nước cho 1 tấn alumin thì để đáp ứng cho 1 triệu tấn sản phẩm alumin, cần có diện tích thu gom và lưu trữ nước là 3,072 triệu m2, tương đương 3 km2 hoặc 300 ha lưu vực. Do mật độ dân cư thấp, nhu cầu nước cho sản xuất alumin tại hai tổ hợp Tân Rai và Nhân Cơ hiện nay không gây ra ảnh hưởng đối với nhu cầu sử dụng nước tưới của người dân trong khu vực. Thậm chí, trong mùa mưa các năm 2018 và 2019, các hồ chứa nước sản xuất của hai tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ nhiều lúc phải xả bớt nước để bảo vệ đập chắn.

Bùn đuôi quặng và hồ chứa bùn đuôi quặng: Các số liệu phân tích cho thấy, thành phần hóa học so với quặng nguyên khai nghèo các nguyên tố Al, Fe và các kim loại nặng; Thành phần cơ học gồm các hợp phần sét và quặng bauxite có kích thước < 1mm; Thành phần khoáng vật gồm các khoáng vật sét (Kaolinit, Monmorilonit, Hematit, Gipxit, Limonit). Loại bùn này có hàm lượng nguyên tố phóng xạ rất thấp so với phông phóng xạ tự nhiên. Có thể nói bùn đuôi quặng có giá trị như là loại đất bazan chất lượng tốt nếu được sử dụng trong phục hồi các moong khai thác bauxite. Hiện nay, quặng đuôi của nhà máy tuyển được lưu giữ trong các hồ bùn được xây dựng theo thiết kế và thẩm định của Bộ Xây dựng. Khi hồ bùn đuôi quặng đã tích đầy, người ta sẽ tiến hành trồng cây xanh. Việc lưu giữ bùn đuôi quặng trong các hồ không chỉ tạo ra chi phí và mặt bằng xây hồ mà còn tiểm ẩn nguy cơ vỡ và tràn bùn đuôi quặng ra sông, suối; Ảnh hưởng tới hoạt động kinh tế của người dân địa phương sống ở dưới các đập chắn hồ. Một số sự cố tràn bùn đuôi quặng đã từng xảy ra tại hai tổ hợp alumin ảnh hưởng đến người dân (việc này đã được các phương tiện thông tin đại chúng phản ánh). Có thể nói bùn đuôi quặng là chất thải có ít tiềm năng tạo ra tác động có hại đối với dân cư địa phương. Tuy nhiên, cách sử dụng và thiết kế hồ bùn đuôi quặng tại hai tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ nhìn chung chưa hợp lý.

Bùn đỏ và hồ bùn đỏ: Bùn đỏ là thành phần chất thải nguy hại nhất trong sản xuất alumin. Trong thành phần bùn đỏ, ngoài nguyên tố Fe, Al, Si, Ti còn chứa nhiều loại kim loại nặng có hại (Cr, Mn, V, Co, v.v.). Đặc biệt, trong bùn đỏ thường xuyên chứa một lượng kiềm dư (NaOH) khoảng 4-6% trọng lượng tính theo Na, tạo nên độ pH khá cao (10-12). Một số loại bùn đỏ còn có khả năng chứa hàm lượng cao các nguyên tố phóng xạ (U, Th) làm gia tăng tính độc hại của bùn đỏ. Bùn đỏ của các tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ theo số liệu phân tích của nhiều tổ chức khoa học trong và ngoài nước có hàm lượng nguyên tố phóng xạ thấp hơn phông tự nhiên nhiều lần, khác với bùn đỏ của các quốc gia khác như Hungari, Trung Quốc, Úc và nhiều nước khác. Bùn đỏ tại hai tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ được lưu trữ và chôn lấp như chất thải nguy hại trong các hồ chứa có thiết kế chống thấm. Hồ chứa bùn đỏ đã được các tổ chức khoa học của Bộ Xây dựng thiết kế và thẩm định. Ngoài chi phí xây dựng hồ bùn đỏ khá cao (chi phí xây dựng một hồ bùn đỏ được ước tính hàng năm khoảng 200 tỉ đồng), nguy cơ vỡ hồ bùn đỏ cho dù xác xuất thấp và việc di chuyển Na+ linh động vào nước mặt và nước ngầm khu vực luôn tồn tại đòi hỏi phải có giải pháp cơ bản và hiệu quả hơn. Các phân tích chi tiết về bùn đỏ và giải pháp xử lý bùn đỏ sẽ được trình bày trong bài viết tiếp theo.

Tro bay và xỉ thải của nhà máy nhiệt điện: Trong tổ hợp sản xuất alumin Tân Rai và Nhân Cơ thường phát sinh một lượng lớn chất thải rắn khác như: Xỉ than và tro bay từ nhà máy nhiệt điện, xỉ và cặn than của nhà máy khí hóa, tro xỉ của phân xưởng sản xuất vôi, cùng các chất thải nguy hại như: Thùng chứa hóa chất sau khi sử dụng, dầu nhớt và giẻ lau,… Các chất này đang được kiểm soát theo quy định của cơ quan quản lý, một phần được tận dụng làm sản phẩm phụ như gạch xi măng, san đổ nền,…

Ô nhiễm không khí: Hoạt động sản xuất tại các tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ tạo ra nhiều tác nhân gây ô nhiễm không khí như: Bụi từ khai trường, nhà máy tuyển, băng tải, lò nung hydrat thành alumin, lò sản xuất vôi,…; Các khí độc từ nhà máy điện, nhà máy khí hóa, hơi NaOH từ hồ bùn đỏ, bụi và khí từ lò nung vôi. Các tác nhân ô nhiễm không khí trên có khả năng ảnh hưởng đến môi trường khu vực trong phạm vi bán kính trong vòng 1km. Do đó, việc đảm bảo quy định xử lý nguồn thải tại chỗ; Đầu tư lắp đặt các trạm quan trắc tại các nguồn ô nhiễm lớn; cũng như quy hoạch và kiểm soát tốt di dân địa phương có thể hạn chế được các tác động ô nhiễm không khí do hoạt động sản xuất tại các nhà máy trong hai tổ hợp nêu trên.

Ô nhiễm nước: Phần lớn ô nhiễm nước của các tổ hợp alumin gây ra bởi việc rò rỉ hóa chất từ đường ống và trên mặt bằng công nghiệp của nhà máy alumin, cũng như nước thải hồ bùn đỏ, hay các sự cố tràn hồ bùn đuôi quặng. Việc kiểm soát ô nhiễm nước có thể thực hiện được khi quy trình bảo quản hóa chất của từng nhà máy có mức an toàn cao, các hồ bùn đỏ và hồ bùn đuôi quặng được đầu tư xây dựng có chất lượng và hợp lý; Hệ thống quan trắc các điểm xả nước từ nhà máy được xây dựng và quản lý chặt chẽ.

Có rất nhiều vấn đề môi trường phát sinh trong quá trình khai thác quặng bauxite và sản xuất alumin tại hai tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ.

Từ những phân tích đã trình bày trên, có thể rút ra một số nhận xét về thực trạng các vấn đề môi trường tại các tổ hợp sản xuất alumin Tân Rai và Nhân Cơ sau:

– Thực tế sản xuất tại hai tổ hợp alumin Tân Rai và Nhân Cơ cho thấy: Các tác động môi trường đang xảy ra có mức độ thấp hơn các dự báo đánh giá tác động môi trường. Một số vấn đề môi trường (quy trình khai thác và phục hồi đất canh tác, sử dụng bùn đuôi quặng, tận dụng các chất thải nhà máy nhiệt điện,…) có thể từ tác động tiêu cực trở thành tác động tích cực nếu cơ quan quản lý là TKV đầu tư nghiên cứu bổ sung.

– Các tác động tiêu cực đến cân bằng nước, môi trường không khí, môi trường nước khu vực do hoạt động của các tổ hợp sản xuất alumin Tân Rai và Nhân Cơ là nhỏ và có thể kiểm soát an toàn.

– Bùn đỏ là chất thải nguy hại nhất mà việc kiểm soát nguy cơ ô nhiễm môi trường do bùn đỏ hiện nay không chỉ tốn kém về tiền mà còn lãng phí tài nguyên. Do đó, bùn đỏ đã và đang là rào cản cho việc mở rộng quy mô khai thác bauxite và sản xuất alumin của nước ta hiện tại và trong tương lai, tuy nhiên hoàn toàn có thể xử lý được.

Kỳ 1: Tiềm năng khoáng sản Bauxite Việt NamTrong loạt bài viết lần này, Tạp chí Kinh tế Môi trường xin được cùng trao đổi về chuyên đề khoáng sản Bauxite Tây Nguyên …

PGS.TS. Lưu Đức Hải

Kỳ 3: Giải pháp nào cho việc xử lý bùn đỏ phát sinh tại các nhà máy alumin Tây Nguyên?

Thứ Năm, 27/02/2020

Trong bài viết này chúng tôi sẽ trình bày chi tiết về bản chất của bùn đỏ và các giải pháp xử lý bùn đỏ phát sinh từ các nhà máy alumin Tây Nguyên.

BBT: Trong kỳ 2 đăng trên tạp chí Kinh tế Môi trường, chúng tôi đã đưa ra nhận xét: Rào cản cho việc mở rộng quy mô khai thác bauxite và sản xuất alumin ở Tây Nguyên duy nhất hiện nay là nguy cơ ô nhiễm chất thải nguy hại “bùn đỏ”. Để làm rõ lý do trên hướng tới mục tiêu mở rộng quy mô sản xuất alumin, trong bài viết này chúng tôi sẽ trình bày chi tiết về bản chất của bùn đỏ và các giải pháp xử lý bùn đỏ phát sinh từ các nhà máy alumin Tây Nguyên.

Khu thải bùn đỏ tại nhà máy sản xuất alumin.

Bản chất bùn đỏ của các nhà máy alumin Tây Nguyên

Thành phần hóa học chính của bùn đỏ của hai nhà máy alumin Tân Rai, Lâm Đồng và Nhân Cơ, Đắc Nông gồm hợp chất ô-xít các nguyên tố Fe, Al, Si, Ti, Na, Ca.

Thành phần hóa học chính của bùn đỏ hai nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ (Nguồn: Báo cáo tổng hợp đề tài khoa học QGTĐ 11-06 do nhóm tác giả thực hiện).

Kết quả phân tích đầy đủ thành phần hóa học của các mẫu bùn đỏ nhà máy Tân Rai và Nhân Cơ bằng phương pháp kích hoạt Notron tại Viện Hạt nhân Đà Lạt cho thấy: có sự khác biệt tương đối lớn về thành phần các nguyên tố vi lượng. Trong đó, đáng chú ý là hàm lượng các nguyên tố có khả năng phóng xạ (Th, U, Ce) ở bùn đỏ nhà máy alumin Nhân Cơ cao hơn nhiều lần hàm lượng các nguyên tố đó ở bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai. Trong khi đó, hàm lượng nguyên tố quý hiếm có giá trị thu hồi như : Ti, V, Cr, Hf cũng rất khác nhau.

Kết quả phân tích thành phần hóa học các mẫu bùn đỏ hai nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ bằng phương pháp kích hoạt Notron.

Như vậy, so sánh với bùn đỏ của các nhà máy ở nước ngoài, bùn đỏ của hai nhà máy alumin của Việt Nam có hàm lượng Fe cao hơn, nhưng nghèo Al và Si, cũng như có thành phần nguyên tố vi lượng khác biệt hơn. Bùn đỏ của các nhà máy alumin Tân Rai và Nhân Cơ có phông phóng xạ rất thấp, được xem là không bị nhiễm phóng xạ; Khác biệt hoàn toàn với bùn đỏ của Hungari và các nước khác; Phát sinh từ nguyên liệu khoáng là bauxite biến chất: Dạng Bơmit (AlOOH) hay Diaspo (HAlO2). Ðây chính là lý do dẫn đến khả năng chúng ta có khả năng tận dụng bùn đỏ cho các ứng dụng thực tiễn khác, thay cho việc chôn lấp thường xuyên được thực hiện ở Hungari, Trung Quốc hay Ấn Ðộ.

Thành phần khoáng vật của các mẫu bùn đỏ theo số liệu phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X không có sự khác nhau nhiều, trong đó các khoáng vật chính là: Hematit, Gipxit, Gơtit, Monmorilonit, Kaolinit, Thạch anh.

Thành phần độ hạt bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai được chia thành 3 nhóm theo tỉ lệ % như sau: Cấp hạt 1 mm – 0,05 mm chiếm 57,%, cấp hạt 0,001 mm đến < 0,05 mm chiếm 33,8%, cấp hạt <0,001 mm chiếm 9,13%.

Xét về tính chất, bùn đỏ còn chứa một lượng kiềm dư (NaOH) lớn từ quá trình Bayer, nên độ pH thường khá cao, dao động trong khoảng pH từ 10-13. Bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai lấy tại hồ bùn đỏ số 1 có pH là 11,12-11,23. Bùn đỏ lấy từ hồ bùn đỏ số 1 nhà máy alumin Nhân Cơ có giá trị pH thấp hơn là 10,5, có lẽ do quá trình tuần hoàn nước từ hồ chứa bùn đỏ được thực hiện nhiều lần nên một lượng kiềm dư đã được tận dụng trở lại dây chuyền sản xuất. Do thành phần cấp hạt tương đối thô, bùn đỏ thường có diện tích bề mặt thấp, dao động từ 9 – 24 m2 g-1, trong đó mẫu bùn đỏ Tân Rai có diện tích bề mặt là 11,3 m2 g-1.

Thế Zeta của bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai, cấp hạt <0,002 mm.

Các hạt keo Fe và khoáng vật sét là thành phần chính của bùn đỏ trong môi trường nước có chứa một lượng kiềm dư lớn thường mang điện tích âm khá lớn. Hình ảnh trên trình bày biến động thế điện động Zeta của bùn đỏ Tân Rai cấp hạt mịn < 0,002 mm. Theo đó, các hạt keo bùn đỏ Tân Rai cấp hạt mịn có điện tích âm khá cao từ 400 mV ở pH = 6, có thể đạt 900 mV ở khoảng pH từ 8,5-11. Ðây chính là lý do dẫn đến phần trung tâm của các hồ bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai dù đã ngừng đổ bùn từ 3 năm trước đến nay vẫn chưa đông cứng. Trong trường hợp này, lưới điện tích âm tăng lên sẽ làm gia tăng lực đẩy giữa các hạt keo, giữa các hạt keo hình thành các màng nước, nên bùn đỏ có xu hướng phân tán mạnh hơn.

Biến đổi bùn đỏ trong các quá trình môi trường

Trong quá trình chôn lấp, các chất ô nhiễm từ bùn đỏ có thể lan truyền vào môi trường, đặc biệt các chất ô nhiễm, đó là các ion kim loại linh động như Na+, U4+, Th4+. Do đó, nước ngầm và đất xung quanh các hồ chôn lấp bùn đỏ có thể bị ô nhiễm thể hiện bởi việc gia tăng pH của nước ngầm, gia tăng nồng độ các kim loại nặng và phông phóng xạ. Các hồ chôn bùn đỏ, đặc biệt phần trung tâm hồ do chứa các hạt mịn hơn nên rất khó đông cứng. Trong điều kiện nắng nóng và bốc hơi lớn, bề mặt hố bùn đỏ có thể xuất hiện lớp xút (NaOH) màu trắng; Ðiều này đã từng xuất hiện ở hồ chôn bùn đỏ số 1 của nhà máy alumin Tân Rai về mùa khô. Phần rìa các hồ bùn đỏ do chứa các hạt kích thước lớn và độ sâu nhỏ nên có thể đóng cứng do các hạt keo sắt mất nước trở thành các khối khoáng vật Hematit. Trong trường hợp hồ chôn bùn đỏ hoàn toàn kín, lượng kiềm dư trong khối bùn đỏ sẽ luôn tồn tại và có khả năng gây ô nhiễm khi có sự cố vỡ hồ; Trường hợp hồ bùn đỏ không kín hoàn toàn, thì lượng NaOH này sẽ hòa tan dần vào nước mưa có độ pH thường là 6 – 6,5 và di chuyển vào môi trường nước mặt xung quanh.

Trong quá trình nung bùn đỏ, các khoáng vật Fe chứa nước như Gơtit (FeOOH) sẽ mất nước để chuyển đổi thành Hematit (Fe2O3), kiềm dư sẽ tác động với Al(OH)3 và SiO2 có trong bùn đỏ để chuyển thành khoáng vật silicat như Albite (NaAlSi3O8) làm mất dạng linh động của ion Na+. Sự thay đổi thành phần và đặc biệt là sự biến mất của thành phần NaOH trong bùn đỏ đã được phân tích và lý giải trong các bài báo. Bùn đỏ còn có khả năng hấp thụ CO2, nên có thể được xem là phương án giảm nhẹ biến đổi khí hậu. Bùn đỏ khi thực hiện quá trình biến tính bằng nhiệt hay các hóa chất khác nhau có thể trở thành vật liệu hấp thụ kim loại nặng, phân hủy các khí độc hại.

Hồ chứa bùn đỏ tại Nhà máy Alumin Tân Rai.

Giải pháp xử lý và ứng dụng bùn đỏ

Các giải pháp xử lý và ứng dụng bùn đỏ trên Thế giới:

Ngoài phương pháp chôn lấp đối với bùn đỏ có chứa hàm lượng cao các nguyên tố phóng xạ; Khá nhiều phương án xử lý và ứng dụng bùn đỏ phát sinh từ các nhà máy sản xuất alumin được các nhà nghiên cứu nước ngoài đề xuất. Các tác giả Harekrushna Sutar, Subash Chandra Mishra, Santosh Kumar Sahoo, Ananta Prasad Chakraverthy and Himanshu Sekhar Maharana (2014) đã có bài báo tổng quan về các phương án sử dụng bùn đỏ cho các mục tiêu khác nhau trên thế giới như sau:

Tận thu các kim loại quý hiếm trong bùn đỏ

Bùn đỏ chủ yếu chứa các thành phần nguyên tố như: Fe2O3, Al2O3, SiO2, CaO, Na2O và K2O. Bên cạnh đó, nó cũng chứa các nguyên tố có giá trị để làm ra các chế phẩm khác, chẳng hạn như: Ga, Sc, Nb, Li, V, Rb, Ti và Zr.Ví dụ, hàm lượng TiO trong bùn đỏ được sản xuất ở Ấn Ðộ có thể lên tới 24%. Do đó, bùn đỏ có ý nghĩa rất lớn để thu hồi kim loại, đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm từ bùn đỏ. Việc thu hồi sắt từ bùn đỏ phát sinh từ quy trình công nghệ Bayer đã được các nhà khoa học trên thế giới thực hiện trong hàng chục năm. Các nhà nghiên cứu ở Nga, Hungary, Mỹ và Nhật Bản đã thực hiện các thí nghiệm sản xuất sắt từ bùn đỏ. Các nhà nghiên cứu từ Ðại học Trung Nam, Trung Quốc đã chế tạo thép trực tiếp bằng sắt thu hồi từ bùn đỏ. Theo Zhong et al., đã thu hồi Al2O3 và Na2O trong bùn đỏ bằng phương pháp muối nóng chảy phụ, với tỷ lệ thu hồi Al2O3 là 88%.

Sản xuất vật liệu xây dựng từ bùn đỏ

Sử dụng bùn đỏ để sản xuất vật liệu xây dựng như xi măng, gạch, ngói lợp và gốm sứ thủy tinh là hướng đi khả thi và có giá trị thực tiễn nhất. Một số sản phẩm cụ thể của quá trình gồm:

– Silicat tổng hợp (Geopolymer) là vật liệu aluminosilicate tổng hợp có tiềm năng sử dụng thay thế cho xi măng Portland và cho các vật liệu tổng hợp và gốm sứ công nghệ cao tiên tiến. Vật liệu này được chế tạo bằng phản ứng hóa học giữa bùn đỏ và dung dịch silicat kim loại kiềm trong điều kiện môi trường có tính kiềm cao. Sản phẩm của phản ứng này là một polime vô định hình dạng bán tinh thể liên kết các hạt bùn đỏ riêng lẻ biến đổi vật liệu dạng hạt ban đầu thành dạng nhỏ gọn và mạnh mẽ. Bùn đỏ phản ứng với tro bay, thủy tinh lỏng tạo ra vật liệu xi măng sử dụng trong các công trình đường bộ.

– Viện Nghiên cứu Xây dựng Trung ương, Roorkee, Ấn Ðộ đã nghiên cứu tiềm năng sử dụng bùn đỏ để điều chế vật liệu ổn định. Kết quả thử nghiệm cho thấy các mẫu đất sét nén có chứa bùn đỏ và phụ gia bùn đỏ xi măng có cường độ nén cao, giảm độ dẫn thủy lực và tỉ lệ phồng so với mẫu đất sét tự nhiên. Do đó, người ta đã kết luận rằng bùn đỏ và xi măng vật liệu bùn đỏ có thể được sử dụng thành công để ổn định lớp lót đất sét trong các ứng dụng địa kỹ thuật.

– Các nhà khoa học đã tiến hành một loạt các nghiên cứu về sản xuất xi măng sử dụng bùn đỏ, tro bay, vôi và thạch cao làm nguyên liệu. Sử dụng xi măng bùn đỏ không chỉ làm giảm mức tiêu thụ năng lượng của sản xuất xi măng, mà còn cải thiện cường độ đóng rắn của xi măng, cũng như khả năng chống lại sự tấn công của muối Sunfat. Ở Trung Quốc, người ta đã hoàn thành nghiên cứu về việc sản xuất xi măng Sulfo-Aluminate từ bùn đỏ vào năm 1955.

– Sản xuất gạch xây dựng: Bùn đỏ được dùng thay thế cho nguyên liệu thô truyền thống là đất sét được sử dụng trong sản xuất gạch, việc sử dụng bùn đỏ không chỉ có thể giảm chi phí nguyên liệu mà còn có ý nghĩa môi trường lớn.

– Yang JK và cộng sự đã tiến hành một thí nghiệm đối với thủy tinh tro bay – bùn đỏ, trong đó hàm lượng tối đa của bùn đỏ và tro bay là hơn 90%. Họ đã thu được quá trình xử lý nhiệt tối ưu thông qua điều tra sự kết tinh và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo mầm và phát triển tinh thể.

– Bê tông khí là một vật liệu xây dựng xốp nhẹ mới có hiệu suất tuyệt vời như cách nhiệt, chống cháy và chống địa chấn, và được làm từ đá vôi và vật liệu silic. Bê tông khí bùn đỏ, được phát triển bằng cách sử dụng xi măng (15%), vôi (12% – 15%), bùn đỏ (35% – 40%) và cát silic (33% – 35%), có cường độ nén và mật độ khối tuân thủ các tiêu chuẩn về độ bền của khối bê tông.

Sử dụng bùn đỏ như một loại vật liệu xây dựng:

Vật liệu nền đường cao cấp sử dụng bùn đỏ từ quá trình thiêu kết có triển vọng, điều này có thể dẫn đến việc tiêu thụ bùn đỏ quy mô lớn. Người ta trộn bùn đỏ, tro bay, vôi và nước theo tỉ lệ 2: 1: 0,5: 2,43, sau đó bơm hỗn hợp vào mỏ để ngăn sụt lún mặt đất trong quá trình khai thác bauxite. Nhựa PVC (polyvinyl clorua), bùn đỏ không chỉ là chất độn có tác dụng tăng cường, mà còn là chất ổn định nhiệt hiệu quả và rẻ tiền, cung cấp cho các sản phẩm PVC chất chống lão hóa rất tốt. Tuổi thọ của nó gấp 2 đến 3 lần so với các sản phẩm PVC thông thường. Ðồng thời, nhựa composite PVC bùn đỏ có đặc tính chống cháy và có thể được chế tạo thành máy nước nóng năng lượng mặt trời bằng nhựa bùn đỏ và hồ sơ xây dựng bằng nhựa.

Ứng dụng bùn đỏ trong kiểm soát ô nhiễm

Các ứng dụng này bao gồm:

– Xử lý nước thải: Bùn đỏ là một ứng dụng đầy hứa hẹn trong xử lý nước để loại bỏ các ion kim loại nặng và kim loại nặng, các anion vô cơ như nitrat, florua và phốt phát, cũng như các chất hữu cơ bao gồm thuốc nhuộm, hợp chất phenolic và vi khuẩn. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng bùn đỏ thô được xử lý bằng axit vì axit là để phát triển các chất hấp phụ hiệu quả để loại bỏ phosphate khỏi dung dịch nước. Nghiên cứu về việc sử dụng bùn đỏ để loại bỏ thuốc nhuộm từ nước thải dệt may cũng đã được tiến hành. Một số nghiên cứu đã được thực hiện để sử dụng bùn đỏ để loại bỏ chlorophenol khỏi nước thải. Bùn đỏ trung hòa trong kỹ thuật hấp phụ hàng loạt đã được sử dụng để loại bỏ phenol khỏi pha nước, sử dụng bùn đỏ dạng hạt để loại bỏ florua khỏi nước. Bùn đỏ đã được chuyển đổi thành một chất hấp phụ rẻ tiền và hiệu quả để loại bỏ cadmium, kẽm, chì và crom khỏi dung dịch nước. Việc loại bỏ arsenate khỏi dung dịch nước cũng đã được nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu khác nhau trên thế giới.

– Cải thiện đất bằng bùn đỏ: Bùn đỏ có tác dụng cải thiện môi trường đất đã bị ô nhiễm bởi các nguyên tố kim loại nặng. Một trong những giải thích cho cơ chế quá trình cải thiện đất là bùn đỏ có thể hấp thụ các ion kim loại nặng như Cu2+, Ni2+, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Cr6+, Mn4+, Co3+ và Hg2+ trong đất; Dạng ion kim loại nặng thay đổi từ các ion trao đổi thành các oxit liên kết. Một cơ chế khác là phản ứng kết tủa cacbonat trong bùn đỏ với các ion kim loại nặng và điều đó khiến các ion này lắng đọng.

– Xử lý khí thải chứa lưu huỳnh bằng bùn đỏ: Bùn đỏ của các quá trình Bayer là chất hấp thụ tuyệt vời cho SO2. Các phản ứng hóa học chính sử dụng trong xử lý SO2 gồm:

SO2 (g) + Na2O → Na2SO3

4SO2 (g) + 4Na2O → 3Na2SO4 + Na2S

4,5SO2 (g) + Al2O3 → Al2 (SO4)3 + 1.5S

4SO2 (g) + 4CaO → 3CaSO4 + CaS

Bùn đỏ là chất hấp thụ và cũng là chất xúc tác

– Bùn đỏ cũng có thể được sử dụng làm chất xúc tác cho quá trình hydro hóa, hydro hóa và oxy hóa hydrocarbon. Nó cũng đã được nghiên cứu như là một hỗ trợ trong quá trình oxy hóa ướt xúc tác của các chất hữu cơ có trong nước thải công nghiệp.

– Các tính chất của bùn đỏ như hàm lượng sắt dưới dạng oxit sắt (Fe2O3), diện tích bề mặt lớn, khả năng chống thiêu kết, khả năng chống độc và chi phí thấp khiến nó trở thành chất xúc tác tiềm năng hấp dẫn cho nhiều phản ứng. Bằng sáng chế Hoa Kỳ 4017425 mô tả một phương pháp sử dụng bùn đỏ làm chất hấp phụ, chất xúc tác, chất trao đổi ion và chất làm rõ đặc biệt liên quan đến quá trình cracking xúc tác, khử màu hydrocarbon, làm rõ khí thải và quá trình hấp phụ.

Các ứng dụng khác

– Bùn đỏ có để được phun sơn vì bùn đỏ bao gồm các oxit kim loại của sắt, titan, silicon, nhôm.

– Tác giả Michael Johnson đề xuất phương án sử dụng bùn đỏ để chế tạo các bộ lưu điện dựa trên tính chất của Fe dùng cho các thiết bị năng lượng mặt trời và gió nhỏ lẻ.

– Bùn đỏ có thể sử dụng làm chất hấp thụ CO2 làm giảm nhẹ biến đổi khí hậu (BÐKH) khi chôn vào các lỗ khoan trong lòng đất.

Như vậy, bùn đỏ khi hàm lượng các nguyên tố phóng xạ không cao có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và đời sống con người. Trong đó, ba phương hướng có hiệu quả vì giá thành rẻ và có khả năng triển khai quy mô rộng lớn để giải quyết hàng trăm triệu tấn bùn đỏ phát sinh trong sản xuất alumin ở các quốc gia trên thế giới, đó là: Sản xuất gạch xây dựng, sản xuất xi măng và làm bê tông. Phần lớn các giải pháp và phương án công nghệ tận dụng bùn đỏ nêu trên đang trong quá trình nghiên cứu hoặc mới bắt đầu thử nghiệm quy mô bán công nghiệp. Trong khi đó, giải pháp chủ yếu của Thế giới trong quản lý bùn đỏ hiện nay vẫn là chôn lấp bùn đỏ. Lý do có lẽ bắt nguồn từ thành phần chứa phóng xạ của bùn đỏ hay hiệu quả kinh tế chưa thật cao của các giải pháp kỹ thuật công nghệ.

Các nghiên cứu xử lý và ứng dụng bùn đỏ ở Việt Nam

Các nghiên cứu xử lý và ứng dụng bùn đỏ ở Việt Nam chủ yếu được triển khai ở quy mô phòng thí nghiệm, một số đã bắt đầu có thí nghiệm quy mô pilot. Phần viết này chỉ điểm qua một số công trình của các tác giả Việt Nam thực hiện trong nước và có công bố khoa học.

Phương hướng tận thu kim loại

Công trình duy nhất đã được nghiên cứu và triển khai quy mô pilot là sản xuất sắt xốp và thép từ bùn đỏ của nhà máy alumin Tân Rai. Công trình do nhóm nhà khoa học Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự chủ trì của tác giả Vũ Ðức Lợi thực hiện. Công trình đã được Bộ Công thương và Chương trình Tây Nguyên tài trợ kinh phí khoảng 30 tỉ, sử dụng 20 tấn bùn đỏ nhà máy alumin Tân Rai, thu được 1,8 tấn thép tại nhà máy thép Thái Hưng, Hải Dương. Tuy kết quả của công trình đã được Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam tặng giải thưởng Trần Ðại Nghĩa và Cục Sở hữu trí tuệ, Bộ KH&CN cấp bằng sáng chế, nhưng có lẽ do phương án không có hiệu quả kinh tế và công nghệ sản xuất chưa khả thi nên chưa triển khai trong thực tế. Các nghiên cứu khác về thu hồi kim loại quý hiếm khác chưa được các nhà khoa học và công nghệ quan tâm.

Phương hướng sử dụng bùn đỏ làm gạch

Các tác giả bài báo này và loạt bài đăng trên Tạp chí Kinh tế Môi trường từ tháng 7/2019 đã triển khai đề tài nghiên cứu trọng điểm cấp ÐHQGHN mã số QGTÐ 11.06 trong giai đoạn 2011-2013. Bên cạnh các kết quả nghiên cứu và đào tạo đã triển khai lấy 1 tấn bùn đỏ từ hồ bùn đỏ số 1 của nhà máy alumin Tân Rai và chế thử 200 viên gạch xây dựng trên dây truyền sản xuất gạch đất sét nung của nhà gạch Tuynel Hiệp Hòa. Phối liệu sử dụng để chế tạo gạch là bùn đỏ 60% và phụ gia là đất sét và cát, nhiệt độ nung 950OC. Kết quả thử nghiệm sản phẩm cho thấy: Gạch có chất lượng tốt và an toàn về môi trường.

Kết quả phân tích các thông số kỹ thuật vật liệu của gạch.

Kết quả phân tích cho thấy, mặc dù quá trình gia công các viên gạch triển khai thủ công nhưng sản phẩm gạch sản xuất từ bùn đỏ cao hơn gạch đất sét nung Mac 75 và 50. Kết quả phân tích dung dịch chiết từ gạch ngâm trong môi trường nước pH=5 trong thời gian 18 – 56 giờ đều cho số liệu về lượng kim loại hòa tan ở mức rất thấp, nhỏ hơn nhiều tiêu chuẩn QCVN 07-2009 về ngưỡng chất thải nguy hại. Hiệu quả kinh tế của phương án theo tính toán khá cao, kể cả khi không có sự hỗ trợ từ kinh phí xử lý chất thải bùn đỏ. Tuy nhiên, chưa có sự hỗ trợ kinh phí triển khai pilot để nâng cao chất lượng sản phẩm và thăm dò thị trường sản phẩm.

Phương hướng sử dụng bùn đỏ làm vật liệu xây dựng

Các nhà khoa học thuộc Ðại học Bách khoa TP.HCM do PGS.TS Nguyễn Văn Chánh làm trưởng nhóm phối hợp với Ðại học Kumamoto, Nhật Bản và một số cơ quan quản lý giao thông đã triển khai đề tài “Nghiên cứu vật liệu tổng hợp từ bauxite và phế liệu tro bay, bùn đỏ để xây dựng đường vùng cao nguyên tỉnh Lâm Ðồng”. Tuy các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm khá đầy đủ, nhưng chưa có kết quả công bố và đánh giá về triển khai thực tế.

Phương hướng sử dụng bã thải sinh học và than bùn để trung hòa bùn đỏ thành đất trồng

Phương hướng này được các nhóm nhà khoa học thuộc trường Ðại học Ðà Lạt và Sở Khoa học và Công nghệ Lâm Ðồng tiến hành. Kết quả đang trong giai đoạn thử nghiệm quy mô nhỏ, chưa có công bố số liệu triển khai. Mặt khác, với khối lượng bùn đỏ hàng năm của hai nhà máy là 1,3 triệu tấn, khu vực Tây Nguyên không có đủ lượng than bùn cần thiết.

Sử dụng bã thải sinh học và than bùn để trung hòa bùn đỏ thành đất trồng. (Ảnh minh họa)

Các phương hướng sử dụng bùn đỏ trong kiểm soát ô nhiễm

Hiện nay có nhiều đề tài nghiên cứu ở các cấp Bộ và tỉnh triển khai nghiên cứu thử nghiệm sử dụng bùn đỏ để chế tạo các chất hấp thụ kim loại nặng (Pb, Cu, Zn, As, v.v.) trong nước thải; Chế tạo bùn đỏ hoạt tính để xử lý một số khí độc hại vô cơ và hữu cơ. Tuy nhiên, các nghiên cứu này đang dừng lại ở mức chế tạo thử nghiệm vật liệu nhưng chưa triển khai quy mô pilot.

Các tổng quan đã trình bày trên đây cho thấy: Trước tính cấp bách của vấn đề xử lý bùn đỏ có khối lượng rất lớn, nguy cơ cao gây ô nhiễm môi trường; Các nhà khoa học Việt Nam đã có nhiều cố gắng để triển khai nhiều hướng nghiên cứu rất đa dạng. Tuy nhiên, trừ nghiên cứu sản xuất sắt xốp từ bùn đỏ được triển khai ở quy mô pilot, nhưng chưa thành công về kinh tế và công nghệ; Các nghiên cứu khác chưa có điều kiện triển khai pilot để đánh giá đúng tính khả thi về kinh tế và phù hợp về công nghệ. Việc lựa chọn một giải pháp tận dụng bùn đỏ có quy mô lớn, sản phẩm có nhu cầu thị trường đang đặt ra với Bộ Công Thương và cơ quan chủ quản hai nhà máy alumin là Tập đoàn than và khoáng sản Việt Nam về chính sách và kinh phí để tiến tới việc phát triển hoạt động sản xuất alumin và ngành công nghiệp Nhôm tiềm năng của đất nước.

Kỳ 2: Công nghệ sản xuất Alumin và các vấn đề cấp bách về môi trường

Kỳ 1: Tiềm năng khoáng sản Bauxite Việt Nam

Nhóm PV KTMT

Kỳ 4: Công nghệ điện phân nhôm và các vấn đề môi trường đặt ra tại Việt Nam

Thứ sáu, 28/02/2020

Việc phát triển các nhà máy luyện nhôm tạo ra các nguồn ô nhiễm đối với môi trường xung quanh cho dù việc đầu tư được kiểm soát bằng các biện pháp chính sách, kỹ thuật công nghệ.

Nhôm (Al) là nguyên tố hóa học phổ biến của Trái đất, chiếm trên 7% trọng lượng vỏ Trái đất, nhưng thường tồn tại dưới dạng hợp chất với Si và O. Tuy nhiên, thực tế hiện nay nhôm là kim loại có khối lượng và giá trị ứng dụng lớn nhất sau kim loại Fe trong cuộc sống loài người. Nhôm kim loại được ứng dụng làm chất phản chiếu trong gương, thiết bị vệ tinh và làm nhiên liệu rắn cho tên lửa; hợp kim nhôm được sử dụng trong chế tạo thiết bị, máy móc, máy bay, tên lửa, vật liệu xây dựng, dây dẫn điện.

Trước khi phát minh ra công nghệ sản xuất Al bằng phương pháp điện phân Hall – Heroult ôxít Al dưới dạng alumin vào năm 1886; kim loại nhôm còn đắt hơn vàng. Trong phương pháp điện phân Hall – Heroult, quá trình điện phân được thực hiện trong ô xít Al (alumin) nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn bình thường (950OC-980OC) nhờ chất trợ dung là khoáng chất Kriolite (Na3AlF6). Việc chuyển sản phẩm đầu ra từ alumin thành kim loại nhôm có ứng dụng rộng rãi trong đời sống kinh tế xã hội không chỉ có ý nghĩa kinh tế, mà còn mang ý nghĩa chính trị và xã hội. Ðây là công đoạn chế biến sâu của ngành sản xuất nhôm ở tất cả các quốc gia trên thế giới. Với giá mua bán alumin bằng 12,5-13% giá mua bán nhôm kim loại, việc đầu tư sản xuất nhôm bằng công nghệ điện phân đã được Chính phủ Việt Nam quan tâm kèm theo cả cơ chế chính sách tạo điều kiện cho việc ra đời nhà máy điện phân nhôm đầu tiên tại Việt Nam – Nhà máy nhôm Trần Hồng Quân tại Nhân Cơ, Gia Nghĩa, tỉnh Ðắk Nông.

Dự án Tổ hợp Bauxite – Nhôm Lâm Đồng.

Công nghệ điện phân nhôm được áp dụng tại Nhà máy nhôm Trần Hồng Quân với công suất hàng năm lên đến 450.000 tấn kim loại khi hoàn thành đầu tư; có thể tạo ra hàng hóa quy mô và giá trị lớn, đáp ứng phần lớn nhu cầu Al trong nước; nhưng cũng đặt ta nhiều vấn đề môi trường và kinh tế cần quan tâm. Việc xây dựng định hướng phát triển bền vững ngành công nghiệp alumin – nhôm ở Việt Nam không thể tách rời khỏi việc phân tích và đánh giá khía cạnh kinh tế và môi trường của hoạt động sản xuất nhôm kim loại bằng công nghệ điện phân nhôm sẽ được áp dụng tại nhà máy Trần Hồng Quân và các nhà máy khác trong tương lai. Giá mua bán kim loại nhôm theo số liệu của Công ty InforMine.Com trong 5 năm gần đây được trình bày trong hình bên dưới.

Giá bán kim loại nhôm theo số liệu của công ty InfoMine.com trong 5 năm từ tháng 1/2014 đến tháng 4 /2019.

Theo biểu đồ, giá bán kim loại nhôm trên thị trường dao động, thấp nhất vào năm 2014 vào khoảng 1.500 USD/1 tấn, cao nhất vào năm 2018 là 2.400 USD/tấn. Sự dao động của giá bán nhôm kim loại cũng tuyến tính với sự dao động của giá alumin trên thị trường thế giới. Do đó, quy hoạch phát triển ngành khai thác và chế biến bauxite phụ thuộc rất nhiều vào giá thị trường alumin và nhôm kim loại thế giới.

Công nghệ điện phân nhôm

Công nghệ điện phân nhôm hiện nay chủ yếu thực hiện theo quy trình Hall – Heroult với các nguyên liệu ban đầu là alumin (Al2O3) và chất trợ dung Kriolite (Na3AlF6). Theo công nghệ này, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp chỉ còn khoảng 950-980 °C. Phương trình để điều chế nhôm là:

2Al2O3 – 4Al + 3O2

Cryôlit nguyên thủy được tìm thấy như một khoáng chất tự nhiên trong các mỏ nguồn gốc pecmatit, nhưng sau đó được thay thế bằng cryôlit tổng hợp.

Các điện cực trong điện phân ôxít nhôm làm từ carbon (C). Khi quặng bị nóng chảy, các ion Al3+ và ion O2- của nó chuyển động tự do.

Phản ứng tại cực âm (catot) mang điện âm là:

Al3+ + 3e- → Al

Ở đây các ion nhôm bị biến đổi (nhận thêm điện tử). Nhôm kim loại sau đó chìm xuống và được đưa ra khỏi lò điện phân.

Tại cực dương (anot), oxy dạng khí được tạo thành:

2O2- → O2 + 4e-

Cực dương carbon bị oxy hóa bởi oxy, do đó cực dương bị hao mòn dần và phải được thay thế thường xuyên vì bị tiêu hao do phản ứng:

C + O2 → CO2

Ngược lại với anot, các catot gần như không bị tiêu hao trong quá trình điện phân do không có ôxy ở gần nó. Catot carbon được bảo vệ bởi nhôm lỏng trong lò. Các catot bị ăn mòn chủ yếu là do các phản ứng điện hóa. Sau 5-10 năm, phụ thuộc vào dòng điện sử dụng trong quá trình điện phân, các lò điện phân cần phải sửa chữa toàn bộ do các catot đã bị ăn mòn hoàn toàn.

Ðiện phân nhôm bằng công nghệ Hall-Heroult tiêu hao nhiều điện năng, nhưng các công nghệ điện phân nhôm khác có nhược điểm về mặt kinh tế và môi trường hơn công nghệ này. Tiêu chuẩn tiêu hao năng lượng của điện phân nhôm bằng công nghệ Hall-Heroult phổ biến là khoảng 14,5-15,5 kWh/kg nhôm thành phẩm. Các lò hiện đại có mức tiêu thụ điện năng khoảng 12,8 kWh/kg. Dòng điện để thực hiện công việc điện phân này đối với các công nghệ cũ là 100.000-200.000 ampe. Các lò hiện nay làm việc với cường độ dòng điện khoảng 350.000 ampe. Các lò thử nghiệm làm việc với dòng điện khoảng 500.000 ampe.

Sơ đồ thiết bị điện phân nhôm theo phương pháp công nghệ Hall-Heroult.

Sơ đồ lò điện phân nhôm được trình bày trong hình 2. Theo đó, hỗn hợp alumin và chất trợ dung Kriolite được gia nhiệt bằng lò gas đạt đến nhiệt độ 950OC-980OC tạo thành dung thể lỏng được chuyển vào lò điện phân. Tại đây quá trình điện phân theo các phản ứng đã nêu trên sẽ tạo ra kim loại nhôm ở đáy lò và chảy vào các khuôn sản phẩm, còn oxy sinh ra tại các cực catot sẽ thoát ra không khí.

Sơ đồ cân bằng vật chất trong quy trình điện phân nhôm từ nguyên liệu alumin. (Nguồn: European Aluminium Association).

Theo kết quả đánh giá vòng đời quy trình điện phân nhôm theo công nghệ Hall-Heroult của Hiệp hội nhôm Châu Âu, sơ đồ cân bằng vật chất trong quá trình điện phân nhôm từ nguyên liệu alumin được trình bày trong hình 3 và số liệu chi tiết thể hiện trong bảng dưới đây..

Số liệu đầu vật liệu đầu vào và đầu ra của quy trình sản xuất 1 tấn nhôm kim loại bằng phương pháp điện phân theo đánh giá vòng đời của Hiệp hội nhôm Châu Âu. (Nguồn: European Aluminium Association)

Như vậy, quá trình sản xuất nhôm kim loại từ alumin tạo ra sự tốn kém rất lớn các chi phí năng lượng điện, than coke, nước, fluorite; đồng thời tạo ra lượng lớn chất ô nhiễm như CO2, SO2, bụi kim loại, bụi F và hơi khí F cùng hợp chất F. Các chi phí đầu vào nguyên vật liệu, năng lượng và chi phí đầu ra của hệ thống xử lý các chất ô nhiễm phát sinh cần được tính toán đầy đủ trong luận chứng kinh tế kỹ thuật nhà máy điện phân nhôm; đặc biệt là các chi phí năng lượng điện ở Việt Nam trong kịch bản Nhà nước xóa bỏ các trợ thuế tài nguyên môi trường hoạt động sản xuất tại các nhà máy nhiệt điện và thủy điện. Thí dụ, nếu công suất của Nhà máy luyện nhôm Trần Hồng Quân là 450.000 tấn/năm thì lượng điện tiêu thụ hàng năm 6.750.000.000.000 KWh. Với giá mua điện ưu đãi theo quyết định 822/QÐ-TTg của Chính phủ [8] là 5 USD-cents/KWh với mức giá bán điện bình quân hiện nay của EVN là 7,5 USD-cents/KWh thì mức trợ giá về điện cho Nhà máy luyện nhôm Trần Hồng Quân hàng năm 168.750.000 USD. Dự kiến khi giá điện tăng do xóa bỏ dần trợ thuế của Nhà nước cho các nhà máy nhiệt điện và thủy điện thì mức trợ giá điện đối với nhà máy luyện nhôm sẽ tăng rất nhanh.

Ước lượng mức trợ giá của Nhà nước cho nhà máy luyện nhôm khi giảm dần trợ thuế cho các nhà máy nhiệt điện và thủy điện.

Như vậy, nếu giá bán điện của Nhà nước được hạch toán theo hướng bỏ dần các trợ thuế tài nguyên và môi trường trong sản xuất điện thì mức trợ cấp cho các nhà máy luyện nhôm từ alumin trong trường hợp giữ nguyên giá bán điện theo quyết định của Chính phủ sẽ lớn dần theo ước lượng. Trong trường hợp tính đầy đủ các chi phí giao thông, bảo vệ môi trường và các loại tài nguyên khác sử dụng trong công nghệ điện phân nhôm cùng với các trợ giá năng lượng ước lượng trên sẽ làm cho hiệu quả kinh tế của các nhà máy luyện nhôm giảm, thậm chí có thể rất thấp so với vốn đầu tư. Ðiều này cần cân nhắc trong các quy hoạch phát triển ngành công nghiệp nhôm Việt Nam trong tương lai.

Tác động môi trường của nhà máy điện phân nhôm

Các tác động môi trường trực tiếp: Việc phát triển các nhà máy luyện nhôm tạo ra các nguồn ô nhiễm đối với môi trường xung quanh cho dù việc đầu tư được kiểm soát bằng các biện pháp chính sách, kỹ thuật công nghệ. Dựa vào bảng trên có thể dự báo một số tác động tiêu cực trực tiếp của các nhà máy tới môi trường tự nhiên và xã hội khu vực trong quá trình xây dựng và vận hành như sau:

Tác động tới môi trường không khí: Các chất ô nhiễm không khí gây tác động gồm bụi kim loại, bụi F, SO2, NO2, CO2, hợp chất F, tiếng ồn, mùi.

Tác động tới môi trường nước: Tiêu hao một lượng nước lớn, phát sinh nước thải chứa kim loại nặng và hợp chất F.

Tác động tới môi trường đất: Mất đất canh tác, ô nhiễm đất bởi kim loại nặng, gia tăng cường độ phông phóng xạ do sử dụng sản phẩm Criolite hoặc Fluorite.

Tác động khác: tác động tới môi trường sống của sinh vật cạn và sinh vật nước, làm thay đổi cảnh quan.

Tác động tới môi trường xã hội: Cơ sở hạ tầng kỹ thuật khu vực, gia tăng sự chênh lệch giàu nghèo giữa các nhóm xã hội và giữa lao động người kinh với người dân tộc địa phương.

Các tác động gián tiếp: Phát triển các nhà máy luyện nhôm tại khu vực Tây Nguyên có thể tạo ra các tác động tích cực trong chuyển dịch kinh tế địa phương, nhưng cũng có thể tạo ra các tác động tiêu cực gián tiếp tới kinh tế xã hội của cả nước. Các tác động này bao gồm:

Tăng nhu cầu năng lượng điện của cả nước, dẫn đến việc xây thêm các nhà điện (nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân, điện từ các nguồn năng lượng tái tạo khác) trong lúc đất nước thiếu than, gặp khó khăn trong cung cấp nguồn điện cho phát triển công nghiệp và điện sinh hoạt.

Sức ép về giao thông vận tải để đáp ứng nhu cầu vận chuyển nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra của các nhà máy luyện nhôm.

Sức ép về nguồn nước đối với cây công nghiệp và các ngành kinh tế khác của các tỉnh Tây Nguyên, đặc biệt trong bối cảnh cả nước đang đối mặt với các tác động biến đổi khí hậu ngày càng mạnh mẽ.

Các nguồn nguyên liệu phụ gia khác: Than coke, Criolite chủ yếu phải nhập khẩu từ nước ngoài có thể gặp phải các biến động về giá và nguồn cung cấp.

Các rủi ro và biến động thị trường alumin và nhôm kim loại thế giới có thể làm thay đổi lợi nhuận của các nhà máy sản xuất alumin và luyện nhôm. Khi giá alumin và giá nhôm xuống thấp có thể gây ra tác động nhiều mặt tới kinh tế xã hội và Ngân sách Nhà nước.

Công nghệ điện phân nhôm được áp dụng tại Việt Nam đặt ra nhiều vấn đề môi trường cần quan tâm. (Ảnh minh họa)

Từ những điều trình bày ở trên có thể đưa ra một số kết luận sơ bộ sau:

Công nghệ điện phân alumin để sản xuất nhôm kim loại thuộc loại công nghệ truyền thống, trong đó phương pháp điện phân Hall – Heroult được phát minh vào năm 1886 là nền tảng cơ bản của các nhà máy luyện nhôm từ alumin. Ðây là công nghệ lần đầu tiên được áp dụng ở Việt Nam tại Nhà máy luyện nhôm Trần Hồng Quân. Ngoài các chi phí thiết bị hiện, việc tiêu tốn rất nhiều điện năng trong hoàn cảnh tập đoàn EVN có nhu cầu cao trong phát triển nguồn điện để đáp ứng sự phát triển kinh tế xã hội đất nước là rào cản chính cho sự phát triển các nhà máy luyện nhôm.

Các nhà máy luyện nhôm sau khi ra đời có thể tạo ra các tác động tiêu cực trực tiếp và gián tiếp tới môi trường địa phương. Ðó là ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước, đất; cũng như gia tăng nhu cầu sử dụng nước cho sản xuất. Các tác động trên tới môi trường tự nhiên và môi trường kinh tế xã hội của các tỉnh Tây Nguyên.

Cần phân tích và tính toán đầy đủ các tác động và chi phí tài nguyên môi trường trong việc đầu tư các nhà máy luyện nhôm trên địa bàn các tỉnh Tây Nguyên trước khi quyết định phát triển mở rộng.

Kỳ 3: Giải pháp nào cho việc xử lý bùn đỏ phát sinh tại các nhà máy alumin Tây Nguyên?

Kỳ 2: Công nghệ sản xuất Alumin và các vấn đề cấp bách về môi trường

Kỳ 1: Tiềm năng khoáng sản Bauxite Việt Nam

Nhóm PV