Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Quặng sắt chứa photphat là nguồn nguyên liệu kép tiềm năng cho cả ngành luyện kim và sản xuất phân bón. Tuy nhiên, việc tách chiết đồng thời hai khoáng vật có giá trị này từ cùng một nguồn quặng vẫn còn nhiều thách thức do thành phần khoáng vật phức tạp và sự liên kết chặt chẽ giữa các pha khoáng. Một nghiên cứu mới đã áp dụng kết hợp phương pháp phân tuyển từ cường độ thấp và tuyển nổi để thu hồi cả magnetit và apatit từ quặng Bingöl, Thổ Nhĩ Kỳ.

Với sự phát triển của công nghiệp và công nghệ trên toàn cầu, nhu cầu về sắt thép ngày càng tăng cao. Trữ lượng quặng sắt hàm lượng cao có thể sử dụng trực tiếp trong công nghiệp sản xuất sắt thép đang bị cạn kiệt nhanh chóng. Bên cạnh đó, việc chuẩn bị tinh quặng sắt đạt tiêu chuẩn kỹ thuật của ngành công nghiệp thép đã trở thành điều cần thiết. Các phương pháp vật lý như tuyển trọng lực, phân tuyển từ và tuyển nổi là những kỹ thuật tiêu chuẩn để tách các khoáng vật tạp khỏi quặng sắt.

Thách thức của photpho trong quặng sắt

Photpho là tạp chất quan trọng trong quặng sắt và hầu như toàn bộ photpho trong quặng sắt được chuyển trực tiếp vào gang thô trong quá trình luyện kim. Thép có hàm lượng photpho cao thường giòn và dễ gãy, do đó việc loại bỏ photpho khỏi quặng sắt là một đề tài nghiên cứu quan trọng. Lựa chọn duy nhất để kiểm soát photpho trong kim loại là hạn chế lượng photpho trong quặng. Các quốc gia sản xuất thép thường khuyến nghị hàm lượng photpho trong quặng sắt nên thấp hơn 0,1%, mặc dù giới hạn này có thể thay đổi tùy theo từng nước.

Việc loại bỏ photpho khỏi một số loại quặng sắt tỏ ra rất khó khăn, đặc biệt khi các pha chứa photpho liên kết với các pha sắt theo cách rất phức tạp. Tuy nhiên, photpho có thể được loại bỏ khỏi quặng sắt bằng các quá trình vật lý như phân tuyển từ, tuyển nổi và kết khối chọn lọc, hoặc các quá trình hóa học như ngâm chiết, xử lý nhiệt và sinh học.

Mặt khác, photpho là nguyên tố phổ biến trong vỏ Trái Đất và được tìm thấy trong tất cả các sinh vật sống. Có hơn 200 khoáng vật photphat trong vỏ Trái Đất, và về mặt cấu trúc tất cả đều có đơn vị tứ diện (PO4). Khoảng 95% sản lượng đá photphat thế giới được tiêu thụ trong sản xuất phân bón. Khoáng vật photphat chính là apatit với công thức Ca5(PO4)3(F, Cl, OH, CO3), bao gồm fluorapatit, clorapatit, hydroxylapatit và carbonat-hydroxyl-apatit.

Đặc điểm quặng nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng mẫu quặng sắt chứa apatit từ vùng Bingöl, Thổ Nhĩ Kỳ. Các mỏ photphat magma và biến chất như Bingöl-Genç (Avnik) và Bitlis-Ünaldı rất phức tạp và chứa chủ yếu magnetit và apatit, cùng với các silicat như amphibol, epidot, diopsit và clorit, carbonat như canxit, dolomit, siderit và ankerit. Vấn đề chính của các quặng Bingöl-Bitlis là hàm lượng photpho cao.
Phân tích hóa học cho thấy quặng thô chứa 35,75% Fe và 5,36% P2O5. Kết quả cho thấy mẫu quặng giàu sắt với photphat và silicat là các khoáng vật tạp chính. Quặng thô không thể sử dụng trực tiếp trong các ngành công nghiệp sắt-thép hoặc phân bón và phải được làm giàu bằng các phương pháp phù hợp.

Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) xác định các pha khoáng vật chính trong quặng là apatit, magnetit, thạch anh, fenpat, canxit, dolomit, ilmenit, barit, rectorit và muscovit. Đây là những khoáng vật phổ biến của các mỏ sắt chứa photphat.

Quy trình làm giàu quặng

Nghiên cứu đã áp dụng quy trình kết hợp phân tuyển từ và tuyển nổi để thu hồi cả magnetit và apatit. Quặng thô được nghiền đến cỡ hạt dưới 106 micromet, sau đó tiến hành phân tuyển từ với hai giai đoạn làm sạch và một giai đoạn thu gom. Sản phẩm không từ tính tiếp tục được đưa vào tuyển nổi với ba giai đoạn làm sạch và một giai đoạn thu gom.

Phân tuyển từ sử dụng máy tuyển từ cường độ thấp kiểu trống ướt với tốc độ quay 25 vòng/phút và nồng độ bùn 10% chất rắn theo trọng lượng. Quá trình này đã nâng hàm lượng Fe từ 35,75% lên 63,55% với hiệu suất thu hồi 80,40%. Tuy nhiên, tinh quặng magnetit vẫn còn chứa 1,65% P2O5 - một hàm lượng photpho vượt quá giới hạn cho phép đối với ngành công nghiệp sắt thép.
Kết quả XRD và SEM-EDS cho thấy cường độ đỉnh của magnetit tăng mạnh trong sản phẩm từ tính, nhưng các khoáng vật khác như apatit vẫn hiện diện. Phân tích EDS cho thấy Fe chiếm tới 95,95% theo trọng lượng trong sản phẩm từ tính. Tuy nhiên, quan sát SEM cho thấy các hạt tự do chỉ chứa một pha khoáng vật đơn rất hiếm, cho thấy sự giải phóng khoáng vật kém do mối quan hệ liên sinh giữa magnetit và các pha khoáng photphat.

Tuyển nổi apatit

Sản phẩm không từ tính (đuôi thải từ phân tuyển từ) được đưa vào quy trình tuyển nổi để thu hồi apatit. Phân tích cỡ hạt cho thấy d50 khoảng 80 micromet với phân bố cỡ hạt tương đối hẹp - một yếu tố có thể có tác động tích cực đến quá trình tuyển nổi.

Quy trình tuyển nổi anion trực tiếp sử dụng axit béo loại tall oil công nghiệp làm chất thu gom với liều lượng 800 g/tấn. Natri metasilicat được dùng làm chất phân tán để phân tán các khoáng vật silicat tạp. Tinh bột ngô được sử dụng làm chất ức chế cho các khoáng vật sắt với liều lượng 1.000 g/tấn. MIBC được dùng làm chất tạo bọt với liều lượng cố định 30 g/tấn. NaOH được sử dụng để điều chỉnh pH bùn ở mức 9,5.\

Kết quả tuyển nổi cho thấy có sự cải thiện rõ rệt về hàm lượng P2O5 trong tinh quặng photphat. Tinh quặng photphat có hàm lượng 25,33% P2O5 được thu được với hiệu suất 64,89%. Tuy nhiên, hàm lượng sắt tương đối cao (6,45% Fe) cho thấy các khoáng vật chứa sắt vẫn có mặt trong tinh quặng.

Phân tích XRD xác nhận rằng các khoáng vật apatit đã được làm giàu trong tinh quặng tuyển nổi. Cường độ XRD của apatit tăng mạnh sau tuyển nổi. Tuy nhiên, quá trình tuyển nổi apatit làm giảm cường độ phản xạ của magnetit đáng kể nhưng không bao giờ biến mất hoàn toàn.

Phân tích EDS của tinh quặng tuyển nổi cho thấy tổng phân bố của các nguyên tố Ca và P là 83,89% theo trọng lượng, cao hơn nhiều so với các nguyên tố khác. Điều này cho thấy pha khoáng vật phong phú trong tinh quặng tuyển nổi là các khoáng vật photphat như apatit, nhưng cũng mang theo một lượng nhỏ silica và các pha khoáng vật khác như oxit sắt.

Những hạn chế cần khắc phục

Mặc dù nghiên cứu đã đạt được một số kết quả tích cực, vẫn còn những khó khăn cần giải quyết. Tinh quặng magnetit có hàm lượng photpho (1,65% P2O5) vẫn còn cao đối với ngành công nghiệp sắt thép. Tinh quặng photphat có hàm lượng P2O5 (25,33%) vẫn thấp cho sản phẩm photphat thương mại, và hàm lượng Fe (6,45%) vẫn cao đối với ngành công nghiệp phân bón.
Nguyên nhân chính của những hạn chế này là thành phần khoáng vật phức tạp của quặng, đặc biệt là sự liên kết chặt chẽ giữa các oxit Fe với các khoáng vật photphat và sự giải phóng khoáng vật kém. Trong trường hợp magnetit liên sinh chặt chẽ với các khoáng vật photphat như apatit, các hạt này có xu hướng nổi lên (vào tinh quặng hoặc sản phẩm trung gian) hoặc chìm xuống (ở lại đuôi thải) tùy thuộc vào điều kiện tuyển nổi. Các hạt khoáng vật liên kết là trở ngại quan trọng nhất đối với tuyển nổi chọn lọc, và rất khó dự đoán hành vi của chúng trong quá trình tuyển nổi.

Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã chứng minh khả năng làm giàu đồng thời cả sắt và photphat từ quặng sắt chứa apatit bằng cách kết hợp phân tuyển từ cường độ thấp và tuyển nổi. Phương pháp này cho phép thu hồi hai sản phẩm có giá trị từ cùng một nguồn quặng, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên khoáng sản.

Kết quả cho thấy magnetit trong quặng có thể được làm giàu bằng máy tuyển từ cường độ thấp, và apatit có thể được làm giàu từ sản phẩm không từ tính bằng tuyển nổi. Tuy nhiên, để đạt được tinh quặng sắt và photphat chất lượng cao hơn, cần có các nghiên cứu sâu hơn về đặc tính khoáng vật học của quặng, cải thiện độ giải phóng khoáng vật thông qua tối ưu hóa quy trình nghiền, và điều chỉnh các thông số kỹ thuật trong phân tuyển từ và tuyển nổi.

Việc thu hồi thành công cả sắt và photphat từ các mỏ này sẽ đóng góp đáng kể vào việc tận dụng tối đa giá trị của nguồn quặng, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững và kinh tế tuần hoàn trong ngành khai thác chế biến khoáng sản. Đây cũng là hướng nghiên cứu tiềm năng cho các nguồn quặng phức tạp tương tự ở Việt Nam và khu vực.

Nguồn: Birinci, M. (2021). Enrichment of Apatite-Bearing Iron Ore by Magnetic Separation and Flotation. European Journal of Technique, 11(1), 1-6.