Bô-xít Tây Nguyên và nhà máy alumin Tân Rai, Nhân Cơ ở Lâm Đồng

Bô-xít Tây Nguyên là lớp đất đá đỏ giàu nhôm hình thành do đá bazan phong hoá lâu dài, và hai nhà máy alumin Tân Rai (vùng Bảo Lộc) và Nhân Cơ (vùng Đắk Nông cũ) — nay đều thuộc tỉnh Lâm Đồng — biến lớp đất ấy thành bột alumin trắng (nhôm ôxít, Al₂O₃). Alumin chưa phải nhôm: muốn có nhôm kim loại còn phải điện phân alumin hoà tan trong criolit nóng chảy ở khoảng 950 °C, một công đoạn ngốn điện khổng lồ. Mặt trái lớn nhất của chuỗi này là bùn đỏ — bã thải kiềm sinh ra với khối lượng rất lớn.

Bô-xít là gì và vì sao Tây Nguyên có nhiều?

Bô-xít không phải một khoáng vật mà là một loại đá trầm tích – phong hoá, gồm chủ yếu các khoáng vật nhôm hiđrôxít (gibbsit, boehmit), lẫn ôxít sắt, sét và thạch anh. Ôxít sắt tạo ra màu đỏ nâu đặc trưng.

Tây Nguyên có lớp phủ bazan rộng lớn từ các đợt núi lửa phun trào trong quá khứ địa chất. Dưới khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, mưa nhiều, các khoáng vật trong bazan bị nước hoà tan dần. Silic, canxi, natri, magie bị rửa trôi; nhôm và sắt ít tan nên ở lại và tích tụ. Sau hàng triệu năm, phần trên của đất bazan biến thành bô-xít laterit. Cũng chính lớp đất đỏ bazan ấy nuôi cà phê, chè, hồ tiêu — nên khai thác bô-xít ở Tây Nguyên luôn phải tính bài toán đất nông nghiệp và rừng.

Các đánh giá địa chất cho thấy Việt Nam có tiềm năng bô-xít lớn, tập trung ở Tây Nguyên. Số liệu trữ lượng được nhiều tổ chức công bố khác nhau theo thời gian và theo cách tính, nên ở đây không nêu con số cụ thể.

Quặng bô-xít được tuyển rửa như thế nào?

Bô-xít đào lên lẫn nhiều sét mịn và đất. Trước khi vào nhà máy alumin, quặng được tuyển rửa: đập, cho qua sàng rửa bằng nước để đánh tơi và loại phần sét mịn ít nhôm, giữ lại phần cục và hạt thô giàu nhôm hơn. Bước này cần nhiều nước và sinh ra bùn sét, phải chứa trong hồ lắng. Khai thác bô-xít ở Tây Nguyên thường là mỏ lộ thiên nông: bóc lớp đất mặt, xúc lớp quặng dày vài mét, sau đó hoàn thổ và trồng lại cây.

Quy trình Bayer biến đất đỏ thành bột alumin trắng ra sao?

Gần như mọi nhà máy alumin trên thế giới đều dùng quy trình Bayer, do nhà hoá học Áo Carl Josef Bayer phát triển cuối thế kỷ 19. Nguyên lý: nhôm hiđrôxít tan trong xút nóng, còn ôxít sắt thì không.

1. Nghiền và hoà tách: bô-xít nghiền mịn, trộn với dung dịch xút (NaOH) đặc, đun nóng trong nồi chịu áp lực. Nhôm tan thành natri aluminat.
2. Lắng tách bùn đỏ: phần không tan — chủ yếu ôxít sắt, ôxít titan, silic — lắng xuống, đó là bùn đỏ. Dung dịch trong được lọc sang công đoạn sau.
3. Kết tủa: làm nguội dung dịch, thêm "mầm" tinh thể nhôm hiđrôxít. Nhôm hiđrôxít kết tinh dần thành hạt trắng.
4. Nung: nhôm hiđrôxít nung ở khoảng 1.000 °C trở lên, mất nước thành alumin (Al₂O₃) — bột trắng như cát mịn.
5. Thu hồi xút: dung dịch sau kết tủa được cô đặc, quay lại đầu quy trình. Xút là hoá chất đắt và độc, thất thoát càng ít càng tốt.

Theo các tài liệu ngành nhôm, thường cần khoảng 2–3 tấn bô-xít (tuỳ chất lượng) cho một tấn alumin, và khoảng 2 tấn alumin cho một tấn nhôm. Tân Rai cho ra sản phẩm alumin đầu tiên vào khoảng năm 2013, Nhân Cơ vài năm sau.

Bùn đỏ là gì và vì sao gây lo ngại?

Bùn đỏ là bã thải của quy trình Bayer, gồm ôxít sắt, ôxít titan, silic, nhôm chưa tách hết và dư lượng xút. Mỗi tấn alumin sinh ra một lượng bùn đỏ cùng cỡ hoặc nhiều hơn khối lượng alumin. Ba đặc điểm khiến bùn đỏ cần quản lý kỹ:

• Tính kiềm cao: bùn đỏ chưa xử lý có độ pH rất cao, có thể gây bỏng hoá chất da và mắt, làm chết thực vật, thuỷ sinh nếu tràn ra.
• Khối lượng rất lớn và tích luỹ: hồ bùn đỏ đầy dần theo năm, phải nâng đê hoặc xây hồ mới.
• Vị trí: hồ chứa ở vùng cao, đầu nguồn sông suối thì sự cố vỡ đê có thể ảnh hưởng xuống hạ lưu.

Thế giới đã có bài học: năm 2010, đê hồ bùn đỏ của một nhà máy alumin ở Ajka (Hungary) bị vỡ, bùn kiềm tràn qua nhiều làng, gây thiệt hại người và môi trường nghiêm trọng. Sau sự cố đó, nhiều nước siết chặt quy chuẩn hồ chứa và chuyển sang công nghệ thải khô — ép bớt nước khỏi bùn rồi chất đống chặt — an toàn hơn so với chứa bùn lỏng.

Ở Tây Nguyên, câu chuyện bùn đỏ là một trong những lý do khiến dự án bô-xít từng được giới khoa học và dư luận tranh luận rất nhiều trước khi triển khai. Các nhà máy áp dụng giải pháp hồ chứa có lót chống thấm, thu hồi nước và nghiên cứu thải khô. Hướng nghiên cứu lâu dài là tận dụng bùn đỏ — thu hồi sắt, làm vật liệu xây dựng, cải tạo đất — nhưng trên thế giới tỷ lệ tận dụng vẫn còn thấp.

Vì sao có alumin rồi mà làm ra nhôm còn cần rất nhiều điện?

Nhôm liên kết với ôxi rất bền, không thể khử bằng than như sắt trong lò cao. Cách duy nhất ở quy mô công nghiệp là điện phân Hall – Héroult (tìm ra năm 1886):

• Alumin nóng chảy ở khoảng 2.072 °C — quá cao để điện phân. Người ta hoà nó vào criolit nóng chảy, hạ nhiệt độ bể xuống khoảng 950–960 °C.
• Dòng điện một chiều cường độ rất lớn chạy qua bể. Nhôm lỏng tụ ở đáy bể (catốt), ôxi kết hợp với anốt cacbon thành CO₂.
• Nhôm nóng chảy ở khoảng 660 °C, nên ở nhiệt độ bể nó luôn lỏng và được hút ra định kỳ.

Theo số liệu ngành nhôm, mỗi tấn nhôm điện phân tiêu tốn khoảng 13–15 nghìn kWh điện — đủ cho một hộ gia đình dùng nhiều năm. Vì thế các nhà máy điện phân nhôm trên thế giới thường đặt gần nguồn điện rẻ và ổn định như thuỷ điện lớn. Đây là lý do Việt Nam có alumin nhưng chuỗi bô-xít – alumin – nhôm trong nước vẫn còn là câu chuyện đang được tính toán. Cũng vì tốn điện như vậy, nhôm tái chế — chỉ cần nấu lại ở khoảng 700 °C — tiết kiệm được phần lớn năng lượng.

Có thể tìm hiểu thêm về bô-xít ở đâu?

Bảo tàng Địa chất (Hà Nội) có mẫu bô-xít và laterit Tây Nguyên. Bảo tàng Lâm Đồng giới thiệu địa chất và văn hoá cao nguyên. Đi đường quanh Bảo Lộc, Gia Nghĩa có thể thấy rõ đất đỏ bazan trên taluy đường — đó chính là "họ hàng" của bô-xít. Muốn đọc kỹ, các báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và các hội thảo khoa học về bô-xít Tây Nguyên là nguồn tốt, có cả quan điểm ủng hộ lẫn phản biện.