Thu hồi thạch anh trong đuôi thải sa khoáng ven biển vùng Vĩnh Thái – Vĩnh Tú làm cát đúc

Nghiên cứu khả năng tuyển thu hồi quặng Bauxit trong quặng đuôi thải cấp hạt 1mm Nhà máy tuyển Bauxit Tân Rai bằng phân cấp ruột xoắn

Cát thạch anh được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp.

1. Mở đầu

Thạch anh có thành phần hóa học SiO₂, độ cứng 7 (theo thang độ cứng Mohs) và tỷ trọng 2,65 g/cm³ là khoáng vật phổ biến thứ hai trong vỏ Trái đất sau fenspat. Thành phần hóa học chính của thạch anh (Si) được nhà hóa học Thụy Điển Jöns Jakob Berzelius tìm ra vào năm 1823, oxit silic được biết đến với tên gọi phổ biến là silicat. Thạch anh có tính chất áp điện.

Cát thạch anh được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp như: sản xuất thủy tinh, pha lê cao cấp, thủy tinh lỏng, đồ gốm sứ, bột mài, làm khuôn đúc, gạch chịu lửa, bê tông thủy kỹ thuật, dầu khí, xử lý nước, … Ngoài ra, với công nghệ cao, cát thạch anh còn được sử dụng để sản xuất thạch anh đa tinh thể - nguyên liệu quan trọng để sản xuất pin mặt trời. Ứng dụng này hứa hẹn sẽ phát triển và cần một lượng cát thạch anh tinh khiết lớn trong tương lai cùng với sự đẩy mạnh phát triển ngành công nghiệp năng lượng sạch.

Nguồn nguyên liệu cát thạch anh:

- Thạch anh có nhiều nguồn gốc khác nhau. Trong granit, thạch anh thường có dạng hạt không đều. Trong granit và pegmatit, thạch anh cùng với fenspat và mica là khoáng vật tạo đá. Trong các thành tạo nhiệt dịch, thạch anh là khoáng vật dạng mạch phổ biến nhất.

- Thạch anh là khoáng vật bền vững trong quá trình phong hoá, không bị phá huỷ hoá học. Thạch anh trong đá chịu tác dụng phá hủy cơ học sẽ được lắng đọng lại trong mỏ sa khoáng, tạo nên cát thạch anh. Trong quá trình biến chất, cát thạch anh chuyển thành quarzit. Thạch anh được thành tạo cùng với nhiều khoáng vật, nhưng không cộng sinh với nephelin, olivin, chromit và một số khoáng vật khác nghèo oxit silic của đá magma.

- Thạch anh được thu hồi từ quá trình khai thác, chế biến quặng titan sa khoáng ven biển: Khai thác thủy lực → tuyển thô → tuyển tinh thu được quặng tinh ilmenit, rutil, zircon, leucoxen, monazit và sản phẩm đuôi thải chứa cát thạch anh.

Mỏ sa khoáng titan ven biển vùng Vĩnh Thái – Vĩnh Tú, huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị sau nhiều năm khai thác để thu hồi các khoáng vật nặng có ích như ilmenit, zircon, rutil, leucoxen monazit… đã thải ra hàng chục triệu tấn quặng đuôi có thành phần chính là khoáng vật thạch anh. Việc nghiên cứu đưa quy trình công nghệ thu hồi cát thạch anh làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp là rất cần thiết góp phần xử lý môi trường, giải phóng mặt bằng, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động.

Công nghệ tuyển thu hồi cát thạch anh trên thế giới chủ yếu sử dụng các phương pháp chính như: Tuyển rửa, đánh tơi, phân cấp, tuyển trọng lực, tuyển từ và hòa tách bằng axit. Tùy theo yêu cầu của thị trường tiêu thụ mà áp dụng các phương pháp tuyển phù hợp.

Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu chế độ công nghệ tuyển, từ đó đề xuất quy trình công nghệ tuyển hợp lý để thu hồi cát thạch anh trong đuôi thải sa khoáng titan ven biển vùng Vĩnh Thái-Vĩnh Tú huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị đáp ứng yêu cầu chất lượng như Bảng 1.

Bảng 1. Yêu cầu chất lượng sản phẩm

Thành phần hóa học và hàm lượng (%)
SiO2	TiO2	TFe2O3	Al2O3	MgO	CaO	MKN	Sét	Tan trong HCl
≥98	≤0,06	≤0,95	≤1,53	≤0,24	≤0,09	≤0,45	0÷0,2	≤0,4

2. Kết quả nghiên cứu thành phần vật chất mẫu

Mẫu nghiên cứu được Công ty cổ phần Khoáng sản Quảng Trị QMC lấy tại bãi thải mỏ sa khoáng titan Vĩnh Thái – Vĩnh Tú. Quặng đuôi thải cát thạch anh có chất lượng khá đồng đều nên để lấy mẫu tiến hành đào hào, rãnh trong khu vực bãi thải quặng sa khoáng. Loại bỏ khoảng 30-50 cm lớp mặt, đào sâu xuống hết chiều sâu bãi thải để lấy mẫu. Mẫu được lấy, trộn đều giản lược để lấy được 3000 kg mẫu nghiên cứu, mẫu được đóng bao 40kg/bao.

Mẫu nghiên cứu được tiến hành phân tích thành phần khoáng vật và thành phần hóa học. Kết quả phân tích được trình bày ở Bảng 2 và Bảng 3.

Bảng 2. Kết quả phân tích trọng sa quặng đầu

Thành phần khoáng vật	Khoảng hàm lượng (~%)
Thạch anh - SiO2	95 - 96
Sét	2 - 3
Tổng khoáng vật nặng: - Ilmenit - FeTiO3 - Rutil - Anataz - Leucoxen - Zircon	0,277 0,180 0,003 0,040 0,051 0,003
Khoáng vật khác	1 - 2

Kết quả nghiên cứu thành phần vật chất mẫu cho thấy: Khoáng vật chính trong mẫu gồm thạch anh, ilmenit, rutil, anataz, leucoxen, zircon, phi quặng chủ yếu là sét và một số các khoáng đá nặng có tỉ trọng > 3g/cm³ như granat, tuamalin, staurolit, silimanit … chúng có cỡ hạt tương đương cát thạch anh, một số có từ tính.

Mẫu nghiên cứu có hàm lượng SiO₂ = 97,33%; các tạp chất đi kèm TiO₂ = 0,11%; TFe₂O₃ = 0,25%; MgO = 0,12%; CaO = 0,45%; MKN = 0,43%; tan trong HCl = 0,42%

Bảng 3. Thành phần hóa học mẫu nghiên cứu

Thành phần hóa học và hàm lượng (%)
SiO2	TiO2	TFe2O3	Al2O3	MgO	CaO	MnO	P2O5	K2O	MKN	Tan trong HCl
97,33	0,11	0,25	0,39	0,12	0,45	0,02	0,01	0,15	0,43	0,42

3. Kết quả nghiên cứu

3.1. Nghiên cứu tách rác và slam

Từ thực tế tuyển quặng sa khoáng ven biển và tham khảo các tài liệu có liên quan cho thấy để khử slam mịn trong mẫu cát thạch anh ta sử dụng thiết bị phân cấp ruột xoắn cho hiệu quả kinh tế cao hơn so với thiết bị phân cấp xyclon. Mẫu nghiên cứu có thành phần chính là thạch anh, cỡ hạt tương đối thô,ít bùn sét nên dễ dàng lắng tách ra khỏi bùn sét và nước khi cho vào thùng khuấy để bơm lên phân cấp xyclon làm cho quá trình phân cấp không hiệu quả, hơn nữa cát thạch anh còn làm mòn bơm và ống tháo cát của xyclon rất nhanh. Do vậy chọn thiết bị phân cấp ruột xoắn để tách slam mịn của mẫu nghiên cứu.

Đuôi thải tuyển titan được bơm qua sàng tách rác 1 mm để loại bỏ các rễ, cành, lá cây, gạch, đá và một số loại rác khác. Sản phẩm dưới sàng được bơm cấp liệu cho phân cấp ruột xoắn nhằm loại bỏ phần lớn slam, sơ đồ thí nghiệm như Hình 2, kết quả thí nghiệm thể hiện ở Bảng 4.

Hình 2. Sơ đồ thí nghiệm tách rác và slam

Bảng 4. Kết quả thí nghiệm tách rác và slam

Sản phẩm	Thu hoạch, %	Hàm lượng SiO2, %	Thực thu SiO2, %
Rác và slam	4,12	89,75	3,80
Cát phân cấp	95,88	97,62	96,20
Quặng cấp	100,00	97,30	100,00

3.2. Nghiên cứu chế độ phân cấp ruột xoắn

Máy phân cấp ruột xoắn là thiết bị phân cấp có nhiều ưu điểm trong sản xuất công nghiệp mỏ. Trong quá trình hoạt động, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất làm việc của máy phân cấp ruột xoắn như: góc nghiêng đặt máy, nồng độ cấp liệu, chiều cao ngưỡng tràn … Thí nghiệm này chỉ tập trung khảo sát nồng độ cấp liệu, các yếu tố ảnh hưởng khác góc nghiêng đặt máy, chiều cao ngưỡng tràn lấy theo các giá trị tối ưu của thiết bị khi làm việc với các đối tượng quặng tương tự. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tác động tới hiệu suất phân cấp ruột xoắn được thực hiện như Hình 2, kết quả thí nghiệm được trình bày trong Bảng 5.

Bảng 5. Kết quả xác định nồng độ cấp liệu

Nồng độ (%)	Sản phẩm	Thu hoạch (%)	Hàm lượng SiO2 (%)	Thực thu SiO2 (%)
20	Rác và slam	4,08	90,28	3,78
	Sản phẩm cát	95,92	97,63	96,22
	Quặng cấp	100,00	97,33	100,00
25	Rác và slam	4,12	89,75	3,80
	Sản phẩm cát	95,88	97,62	96,20
	Quặng cấp	100,00	97,30	100,00
30	Rác và slam	4,07	89,52	3,74
	Sản phẩm cát	95,93	97,64	96,26
	Quặng cấp	100,00	97,31	100,00
35	Rác và slam	4,19	90,42	3,89
	Sản phẩm cát	95,81	97,59	96,11
	Quặng cấp	100,00	97,29	100,00

3.3. Kết quả thí nghiệm tuyển thu sản phẩm

Từ các kết quả nghiên cứu nhóm đề tài đã tiến hành thí nghiệm thu hồi sản phẩm theo sơ đồ hình 3 nhằm một lần nữa khẳng định công nghệ tuyển đã chọn, để thu hồi sản phẩm cát thạch anh.

Thí nghiệm được thực hiện theo sơ đồ Hình 3, kết quả được thể hiện trong Bảng 6

Bảng 6. Kết quả tuyển thu hồi sản phẩn cát thạch anh

Sản phẩm	Thu hoạch, %	Hàm lượng SiO2, %	Thực thu SiO2, %
SP cát đúc	85,97	98,39	86,91
SP nặng	9,770	91,37	9,17
Rác và slam	4,26	89,55	3,92
Quặng đầu tính lại	100,00	97,33	100,00

Kết quả tuyển thu hồi được sản phẩm giàu khoáng vật nặng, sản phẩm cát thạch anh đạt hàm lượng SiO₂=98,39 %. Kết quả phân tích đa nguyên tố sản phẩm thạch anh được thể hiện trong Bảng 7

Bảng 7. Kết quả phân tích đa nguyên tố quặng tinh cát thạch anh

Thành phần hóa học và hàm lượng (%)
SiO2	TiO2	TFe2O3	K2O	Al2O3	MgO	CaO	MKN	Sét	Tan trong HCl
98,39	0,06	0,09	0,18	0,35	0,03	0,08	0,29	0,0	0,1

Để kiểm tra chất lượng sản phẩm cát thạch anh lấy 50 kg đem đi thử nghiệm làm khuôn đúc hợp kim đồng.

Đơn vị thử nghiệm: Phòng Vật liệu kim loại – Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Triển khai công nghệ, Hà Nội.

Kết quả thử nghiệm nhận thấy: Khuôn sấy khô nhanh, không bị nứt trong quá trình sấy. Sản phẩm đúc không bị rỗ khí, chất lượng bề mặt đẹp, không bị cháy dính cát. Đặc biệt giảm được hàm lượng nước thủy tinh kéo theo giảm lượng khí đóng rắn CO₂ , đồng thời công việc phá dỡ khuôn sau đúc được dễ dàng hơn, trong quá trình làm việc giảm đáng kể sự phát sinh bụi. Sản phẩm cát thạch anh đáp ứng yêu cầu cát làm khuôn đúc.

Hình.3. Sơ đồ tuyển thu hồi cát thạch anh từ đuôi thải sa khoáng titan Vĩnh Thái-Vĩnh Tú.

3.4. Nghiên cứu khả năng sử dụng nước tuần hoàn

Nhằm định hướng cho công tác xử lý bùn thải, khả năng sử dụng nước tuần hoàn và công tác xử lý môi trường, đã tiến hành nghiên cứu lắng quặng đuôi thải, rác và slam mịn khi tuyển thu hồi sản phẩm Bùn thải được để lắng tự nhiên. Thí nghiệm đã tiến hành với các ống đong loại 500 ml, ứng với chiều cao 28 cm, thời gian lắng thay đổi từ 0 phút đến 90 phút.

Sau từng khoảng thời gian lắng, nước lắng tự nhiên được xác định độ đục tương ứng bằng thiết bị đo độ đục theo thang độ NTU. Kết quả được trình bày trong Bảng 8

Bảng 8. Kết quả phân tích độ đục theo thời gian

Thời gian (phút)	0	15	30	60	90
Độ đục (NTU)	125,0	68,7	55,1	51,1	45,1

Nhận xét: Kết quả trình bày ở Bảng 8 cho thấy: Ban đầu mẫu có độ đục 125 NTU, sau 15 phút cặn lắng rất nhanh chỉ có lớp nước phía trên hơi đục có độ đục 68,7 NTU. Sau 1 giờ 30 phút nước lắng trong, độ đục nước lắng đã giảm xuống dưới 50 NTU. Cặn lắng ổn định rất nhanh, theo TCVN 6184 - 2008 nước lắng có thể sử dụng làm nước tuần hoàn trong quá trình tuyển.

3.5. Ứng dụng kết quả nghiên cứu

Mỏ sa khoáng titan Vĩnh Thái Vĩnh Tú sau hơn 10 năm khai thác đã thải ra một lượng sản phẩm chứa khoáng vật thạch anh rất lớn. Mặt khác, địa hình tại mỏ có độ cao tương đối khoảng 20m so với địa hình khu vực và khoảng 25 m so với mực nước biển. Việc khai thác ở độ sâu trung bình 10 m đã làm tăng độ cao tại các bãi thải đang được lưu trữ tại mỏ. Do vậy, việc hoàn thổ cũng phải đòi hỏi vận chuyển một khối lượng cát lớn ra khỏi bãi thải. Nhân dân địa phương và UBND xã Vĩnh Thái, Vĩnh Tú mong muốn Công ty hạ thấp độ cao của khu vực bãi thải trước khi trồng cây và có nguyện vọng được hạ cốt bãi thải bằng với diện tích canh tác của vùng lân cận để địa phương có thêm diện tích canh tác hoa màu. Để giải quyết vấn đề trên Công ty đã xây dựng xưởng sản xuất tuyển cát thạch anh.

Công ty Cổ Phần Khoáng sản Quảng Trị đã xây dựng xưởng chế biến cát thải mỏ Vĩnh Thái-Vĩnh Tú đề thu hồi thạch anh đề thu hồi thạch anh với điểm khác biệt là máy phân cấp xiclon ở sơ đồ Hình 3 được thay thế bằng thiết bị hydrosizer như sơ đồ Hình 4 - Sơ đồ tuyển thu hồi cát thạch anh tại mỏ Vĩnh Thái-Vĩnh Tú.

Năng suất sản phẩm cát đúc: 350.000 tấn sản phẩm/năm

Hàm lượng đầu vào: SiO₂ = 96%

Sản phẩm cát thạch anh: SiO₂ 98 ÷ 98,5%

Sản phẩm cát thạch anh có hàm lượng SiO₂ = 98 ÷ 98,5% đáp ứng yêu cầu chất lượng cát làm khuôn đúc được xử dụng ở trong nước và xuất khẩu.

4. Kết luận

Ở quy mô phòng thí nghiệm đã tiến hành nghiên cứu xác định thành phần vật chất mẫu, nghiên cứu tách rác và slam, nghiên cứu chế độ phân cấp ruột xoắn, khả năng sử dụng nước tuần hoàn, chế độ tuyển vít để thu sản phẩm cát thạch anh đáp ứng yêu cầu chất lượng cát làm khuôn đúc. Đề xuất được quy trình công nghệ tuyển thu hồi cát thạch anh trong đuôi thải sa khoáng titan ven biển vùng Vĩnh Thái - Vĩnh Tú, huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị.

Mẫu nghiên cứu có hàm lượng SiO₂ đạt 97,33%; hàm lượng các tạp chất CaO: 0,45%; TiO₂: 0,11%; Fe₂O₃: 0,25%; Al₂O₃: 0,39%; MgO: 0,12%. Từ quặng đầu có hàm lượng SiO­₂=97,33 % bằng các phương pháp tuyển đã thu được sản phẩm cát thạch anh đạt hàm lượng SiO­₂ 98,39 % với thực thu khoảng 86,91 %. Nước lắng đáp ứng theo TCVN 6184 - 2008, nước lắng có thể sử dụng làm nước tuần hoàn.

Đề tài hoàn thành mở ra triển vọng xử lý nguồn tài nguyên cát thạch anh trong bãi thải sa khoáng titan vùng Vĩnh Thái-Vĩnh Tú huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị và các bãi thải sa khoáng titan tương tự, giải quyết công ăn việc làm cho lao động địa phương, trả lại diện tích đất canh tác cho dân, góp phần bảo vệ môi trường, tận thu tài nguyên khoáng sản./.

ThS.Nguyễn Bảo Linh - Viện KH&CN Mỏ-Luyện kim

(Tài liệu hội thảo “Bảo vệ môi trường trong khai thác, chế biến, sử dụng than, khoáng sản và dầu khí”)