Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Amirkabir ở Tehran (Iran) đã phát triển phương pháp kết hợp thí nghiệm tuyển nổi với mô hình ra quyết định đa tiêu chí để tìm ra tổ hợp hóa chất tuyển nổi phù hợp nhất cho quặng apatit. Phương pháp này không chỉ xem xét khả năng thu hồi khoáng vật mà còn tính đến giá thành và mức độ sẵn có của hóa chất trên thị trường.

Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu quặng đuôi tại mỏ Chadormalu, Iran, và công bố trên tạp chí Scientific Reports.

Từ bài toán quặng nghèo đến lựa chọn hóa chất

Apatit là khoáng vật chứa phốt pho, nguyên liệu quan trọng để sản xuất phân bón. Tuy nhiên, nhiều nguồn quặng apatit hiện có chứa hàm lượng khoáng vật có giá trị thấp và lẫn nhiều tạp chất như silicat, đá vôi và các oxit sắt.

Trong những trường hợp này, sử dụng một loại chất tuyển nổi (collector) đơn lẻ thường khó đạt hiệu quả mong muốn. Các nhà máy phải phối trộn nhiều loại hóa chất để tăng khả năng thu hồi apatite và nâng hàm lượng phốt pho trong tinh quặng.

Tuy nhiên, việc lựa chọn công thức phối trộn không đơn giản. Mỗi loại hóa chất có ưu, nhược điểm khác nhau về hiệu quả tuyển nổi, giá thành và khả năng cung ứng. Trên thực tế, lựa chọn này thường dựa nhiều vào kinh nghiệm và kết quả thử nghiệm.

Nhóm nghiên cứu đề xuất một cách tiếp cận định lượng hơn, kết hợp thử nghiệm tuyển nổi trong phòng thí nghiệm với TOPSIS, một phương pháp ra quyết định đa tiêu chí được sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và quản lý.

Sàng lọc hàng loạt hóa chất

Mẫu quặng được lấy từ bãi thải quặng sắt manhetit-hematit tại mỏ Chadormalu, với hàm lượng P₂O₅ khoảng 8,5%.

Các nhà khoa học tiến hành hai giai đoạn thử nghiệm.

Ở giai đoạn đầu, sáu loại hóa chất thuộc nhóm axit béo và hydroxamic được thử nghiệm trên mẫu apatit tương đối tinh khiết bằng ống Hallimond, một thiết bị tuyển nổi quy mô nhỏ dùng trong phòng thí nghiệm. Các thí nghiệm được thực hiện trong khoảng pH từ 4 đến 11.

Kết quả cho thấy hỗn hợp giữa axit béo dầu thông (TOFA) và một dẫn xuất của axit oleic có gắn chuỗi ethylene glycol, được gọi tắt là TO6, cho hiệu quả cao nhất. Tỷ lệ thu hồi đạt tới 92%, đặc biệt trong môi trường kiềm với pH khoảng 9,5.

Ngược lại, trong môi trường axit, từ pH 4-6, phần lớn hóa chất hoạt động kém. Một ngoại lệ là một loại axit hydroxamic vẫn có khả năng bám lên bề mặt khoáng vật ở pH thấp.

TO6 kết hợp với diesel cho kết quả nổi bật

Ở giai đoạn hai, nhóm nghiên cứu chuyển sang thử nghiệm trên mẫu quặng thực tế ở quy mô phòng thí nghiệm lớn hơn.

TO6 được giữ làm thành phần chính, chiếm 70% khối lượng hỗn hợp, sau đó phối hợp với tám loại hóa chất khác nhau, chiếm 30% còn lại. Các chất được thử nghiệm bao gồm dầu diesel, dầu hỏa, các hợp chất ethoxylat và một số chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc sorbitan.

Kết quả cho thấy hiệu quả giữa các công thức có sự khác biệt đáng kể.

Nổi bật nhất là công thức TO6 kết hợp với dầu diesel, đạt tỷ lệ thu hồi 91,1%. Hàm lượng P₂O₅ trong tinh quặng đạt 22,2%, trong khi hiệu suất phân tách đạt 69,9%.

Công thức sử dụng dầu hỏa cho kết quả gần tương đương nhưng thấp hơn một chút.

Một số công thức sử dụng các hợp chất ethoxylat nonylphenol như ENP6 và ENP10 cũng đạt tỷ lệ thu hồi tương đối cao. Tuy nhiên, hàm lượng P₂O₅ trong tinh quặng thấp hơn. Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu lưu ý các hợp chất này từng được ghi nhận có những tác động bất lợi đối với môi trường, do đó cần cân nhắc việc thay thế trong các ứng dụng thực tế.

Trong khi đó, các công thức sử dụng Tween 80, Span 80 và một số hóa chất khác cho hiệu quả phân tách thấp hơn đáng kể. Có trường hợp hiệu suất chỉ đạt dưới 2%.

Khi lựa chọn hóa chất trở thành bài toán toán học

Thay vì chỉ dựa vào một chỉ số như tỷ lệ thu hồi để xác định công thức tốt nhất, nhóm nghiên cứu đưa toàn bộ tám tổ hợp hóa chất vào mô hình TOPSIS.
Phương pháp này cho phép đánh giá đồng thời năm tiêu chí gồm:

• Hàm lượng P₂O₅ trong tinh quặng;
• Tỷ lệ thu hồi;
• Hiệu suất phân tách;
• Giá thành hóa chất;
• Mức độ sẵn có trên thị trường.

Trong đó, khả năng cung ứng được chấm theo thang điểm từ 1 đến 5, tương ứng với mức độ từ rất khó tìm đến rất dễ tìm.

Để xác định mức độ quan trọng của từng tiêu chí, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp entropy Shannon. Đây là một phương pháp thống kê cho phép xác định tiêu chí nào có sự khác biệt lớn hơn giữa các phương án và từ đó có khả năng đóng vai trò lớn hơn trong quá trình xếp hạng.

Kết quả cho thấy mức độ sẵn có của hóa chất, với trọng số 0,462, và giá thành, với trọng số 0,298, là hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả lựa chọn. Hai yếu tố này thậm chí có trọng số cao hơn các chỉ tiêu kỹ thuật như hàm lượng tinh quặng và tỷ lệ thu hồi.

Sau khi so sánh khoảng cách của từng phương án với giải pháp lý tưởng và giải pháp kém nhất, mô hình xác định thứ hạng như sau:

1. TO6 – dầu diesel: 0,998, đứng đầu;
2. TO6 – ENP6: 0,885;
3. TO6 – ENP10: 0,857;
4. TO6 – dầu hỏa: 0,800;
5. TO6 – Tween 80 và TO6 – Span 80: khoảng 0,69-0,71;
6. TO6 – N-oleoyl sarcosine: 0,306;
7. TO6 – ethoxylated isotridecanol: đứng cuối do hiệu suất phân tách thấp và khả năng cung ứng hạn chế.

Kết quả của mô hình TOPSIS tương đối phù hợp với các chỉ số thu được từ thí nghiệm tuyển nổi. Đặc biệt, dầu diesel cho thấy lợi thế nhờ giá thành tương đối thấp và khả năng dễ dàng tìm mua trên thị trường.

Không chỉ tìm “hóa chất tốt nhất”

Theo nhóm nghiên cứu, giá trị chính của công trình không nằm ở việc phát hiện một hóa chất tuyển nổi hoàn toàn mới, mà ở cách tiếp cận để lựa chọn công thức phối trộn.

Thay vì chỉ hỏi hóa chất nào cho tỷ lệ thu hồi cao nhất, phương pháp mới cho phép đặt nhiều câu hỏi cùng lúc: hiệu quả đến đâu, chi phí bao nhiêu, có dễ mua hay không và tổng thể phương án nào hợp lý nhất?

Cách tiếp cận này có thể giúp các nhà máy tuyển khoáng đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm hoặc một chỉ tiêu kỹ thuật đơn lẻ.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho rằng vẫn cần tiếp tục đánh giá trước khi áp dụng ở quy mô thực tế. Những vấn đề cần nghiên cứu thêm gồm hiệu quả kinh tế tổng thể, tác động môi trường và vòng đời của các hóa chất, cũng như khả năng tái lập kết quả khi thử nghiệm ở quy mô thí điểm hoặc công nghiệp.

Nếu được kiểm chứng trong điều kiện vận hành thực tế, việc kết hợp thí nghiệm tuyển nổi với các công cụ ra quyết định đa tiêu chí có thể trở thành một phương pháp hữu ích để tối ưu hóa “công thức” hóa chất trong các dây chuyền tuyển khoáng, đặc biệt với những loại quặng nghèo và có thành phần phức tạp.

Nguồn: Abdollahi, S., Afraei, S., Irannajad, M. (2026). “A technical–economic framework for selection of optimal collector combinations in apatite flotation via TOPSIS multi-criteria decision-making”. Scientific Reports, 16, 19420.