ĐIỀU CHẾ TiO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP AXIT SUNFURIC CÓ ÁP SUẤT TỪ TINH QUẶNG ILMENIT

ĐIỀU CHẾ TiO 2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP AXIT SUNFURIC CÓ ÁP SUẤT TỪ TINH QUẶNG ILMENIT VÕ QUANG MAI * TÓM TẮT Hiện nay các công nghệ thu hồi TiO 2 từ tinh quặng ilmenit luôn được các nhà khoa

ĐIỀU CHẾ TiO 2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP AXIT SUNFURIC

CÓ ÁP SUẤT TỪ TINH QUẶNG ILMENIT

VÕ QUANG MAI (*)

TÓM TẮT

Hiện nay các công nghệ thu hồi TiO 2 từ tinh quặng ilmenit luôn được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu cải tiến nhằm mục đích đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu nào áp dụng điều kiện áp suất vào quá trình phân huỷ quặng Thực hiện được điều này sẽ giảm đáng kể thời gian phân huỷ, giảm được chi phí về nhiên liệu và không bị thất thoát hoá chất do bay hơi trong quá trình nung Ngoài ra qui trình này cũng góp phần chống ô nhiễm môi trường đồng thời giảm chi phí sản xuất do hạn chế được việc xử lí khí thải

Xuất phát từ những vấn đề trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp thu hồi TiO 2 có hiệu quả kinh tế, góp phần vào việc khai thác và sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên sa khoáng của đất nước

ABSTRACT

Today scientists are often interested in researching synthetic technologies TiO2 from pure ilmenite ore

to improve and bring the best economic efficiency However, there is no research work applying pressure condition into ore disintegrating process Implementing this will decrease significantly disintegrating time, fuel cost and less chemical loss due to evaporating in the firing process Moreover,

it also prevents environment pollution and reduces production cost because of limiting waste gas treatment

From the above benefits, we make the research to find out the TiO 2 synthetic method which brings the best economic efficiency and contributes to exploit and use the mineral sand source of the country efficiently.

1 MỞ ĐẦU

vực như sơn, mỹ phẩm, vật liệu xúc tác, v.v Nước ta có nguồn tài nguyên sa khoáng titan đáng

kể Trữ lượng đã được thăm dò và đánh giá khoảng hàng chục triệu tấn ilmenit, nằm dọc ven

xuất ở dạng thô và tinh quặng nên giá bán rất thấp Điều nghịch lí là hàng năm nước ta phải nhập

Trung Quốc và Australia Do đó hiện nay nhà nước đang kêu gọi khắc phục nhược điểm này Trong các khoáng chất chứa titan chỉ có ilmenit và rutil là có giá trị kinh tế cao Khoảng 95% sản phẩm

Ilmenit là khoáng chất của titan và sắt Ilmenit được tìm thấy ở hai dạng quặng gốc và quặng sa khoáng

Rutil được tạo ra chủ yếu bởi sự kết tinh macma với lượng Ti thấp nhưng Fe cao, hàm lượng rutil trong đá là không đáng kể Rutil vững bền trong điều kiện phong hóa nên có mặt trong sa khoáng

khả năng chịu được sự thay đổi khắc nghiệt của khí hậu, không có độc tính, rất bền màu và bền

tạo sợi, chất dẻo, săm lốp ôtô, công nghiệp giấy, nhuộm in màu, ngành dược, gốm sứ, vật liệu chịu lửa, thủy tinh, công nghiệp điện tử, v.v

cứu cải tiến nhằm mục đích đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu nào áp dụng điều kiện áp suất vào quá trình phân huỷ quặng Thực hiện được điều này

sẽ giảm đáng kể thời gian phân huỷ, giảm được chi phí về nhiên liệu và không bị thất thoát hoá chất do bay hơi trong quá trình nung Ngoài ra qui trình này cũng góp phần chống ô nhiễm môi trường đồng thời giảm chi phí sản xuất do hạn chế được việc xử lí khí thải

Xuất phát từ những vấn đề trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp thu

nguyên sa khoáng của đất nước

Các kết quả nghiên cứu trong bài báo này nhằm góp phần tìm ra phương pháp xử lí quặng và thu

của nước ta, đề tài này đã chọn tinh quặng ilmenit Thừa Thiên - Huế làm đối tượng nghiên cứu

2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu

có áp suất Tiến hành so sánh phương pháp này với phương pháp không có áp suất để đánh giá hiệu quả của phương pháp Mặt khác, chúng tôi cũng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân

sunfuric (thay đổi từ 55% đến 98%), tỷ lệ tinh quặng/axit (thay đổi từ 10 ml axit đến 30 ml trên 5 gam tinh quặng) và thực nghiệm với tinh quặng có kích thước hạt từ 0,076 đến 0,2 mm để tìm ra điều kiện tối ưu cho phương pháp

2 2 Phương pháp nghiên cứu

Để kiểm tra các sản phẩm thu được và đánh giá kết quả nghiên cứu chúng tôi dùng:

- Phương pháp phân tích trọng lượng và thể tích

- Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

2 3 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm

Hóa chất

- Tinh quặng ilmenit của Công ty khoáng sản Thừa Thiên - Huế

- Dung dịch axit sunfuric đậm đặc (98%) của Shantou Xilong Chemical Factory Guangdong,

Trung Quốc

- Các hóa chất khác

Dụng cụ thí nghiệm

- Thiết bị áp suất: tự thiết kế

- Cân phân tích điện: AND HR200, Anh Quốc

- Lò nung: Lenton PO Box 2031, Anh Quốc

- Bộ rây có các kích cỡ (mm): 0,076; 0,088; 0,097; 0,113; 0,125; 0,2

- Dụng cụ thuỷ tinh: bình định mức, cốc, phễu, đũa, pipet, v.v

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1.1 Đặc điểm tinh quặng ilmenit Thừa Thiên - Huế

Tinh quặng ilmenit Thừa Thiên - Huế sau khi được tuyển tách từ sa khoáng titan có dạng hạt màu đen Sau đó tinh quặng này được nghiền trong máy nghiền bi để có kích thước hạt d < 0,2

mm Thành phần các cỡ hạt và các chất được trình bày trong các bảng sau:

Thành phần cỡ hạt trong tinh quặng ilmenit Thừa Thiên - Huế

Thành phần các chất trong tinh quặng ilmenit Thừa Thiên - Huế

3.1.2 Các bước tiến hành

Cân chính xác 5,00g tinh quặng ilmenit có kích thước hạt xác định cho vào thiết bị áp suất Cho

gian nhất định

phân trong nước ở nhiệt độ sôi Axit metatitanic lắng xuống Lọc lấy kết tủa, đem sấy khô và nung ở

86 2

1

1  

,

H

5

3

2 m 

H %

3.1.3 So sánh kết quả phân huỷ tinh quặng Ilmenit Thừa Thiên - Huế bằng phương pháp có và không có áp suất

Để so sánh sự phân huỷ tinh quặng ilmenit trong điều kiện cĩ và khơng cĩ áp suất, chúng tơi tiến hành phân huỷ 5 g tinh quặng cĩ kích thước hạt d < 0,2 mm bằng axit sunfuric đậm đặc (98%) ở

phương pháp sau:

 Phương pháp thứ nhất (PP1) tinh quặng

được phân huỷ trong điều kiện khơng cĩ áp

suất: quặng được phân huỷ trong bình cầu

 Phương pháp thứ hai (PP2) tinh quặng

được phân huỷ trong điều kiện cĩ áp suất

bằng thiết bị áp suất tự làm Thiết bị áp suất

này bao gồm một bình phản ứng bằng teflon

cĩ nắp đậy chặt Bình này lại được kẹp chặt

trong một vỏ kim loại bằng đồng vặn kĩ như

hình bên

Bình Teflon cĩ nắp đậy

Vỏ thiết bị bằng đồng

Dung dịch axit H 2 SO 4 đđ

Tinh quặng Ilmenit

Kết quả So sánh hiệu suất phân huỷ (%) tinh quặng ilmenit Thừa Thiên - Huế theo phương pháp

cĩ và khơng cĩ áp suất được trình bày ở bảng và hình sau:

40 45 50 55 60 65 70 75 80

Thời gian (giờ)

Có áp suất Không có áp suất

Từ kết quả so sánh ở trên, nhận thấy khi phân huỷ tinh quặng trong điều kiện cĩ áp suất thì hiệu suất phân huỷ đạt giá trị cao hơn, thời gian phản ứng ít hơn Khi hiệu suất phân hủy của phương pháp cĩ áp suất đạt đến giá trị cực đại (7 giờ) thì phương pháp khơng cĩ áp suất vẫn chưa đạt đến giá trị này Điều đĩ cĩ thể khẳng định dùng phương pháp cĩ áp suất ưu việt hơn đồng thời cho phép rút ngắn được thời gian phân hủy quặng

khơng cĩ áp suất

Tiến hành phân hủy 5g tinh quặng cĩ kích thước hạt d < 0,2 mm bằng axit sunfuric đậm đặc

theo 2 phương pháp khơng cĩ áp suất (PP1) và cĩ áp suất (PP2) Kết quả so sánh hiệu suất thu

được trình bày ở bảng và hình sau:

Thời gian(giờ) 4 7 10

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

Thời gian (giờ)

Có áp suất Không có áp suất

Từ kết quả so sánh của bảng và hình ở trên, chúng tơi thấy hiệu suất thu hồi của phương pháp cĩ

áp suất cũng cao hơn phương pháp khơng cĩ áp suất

3.1.5 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân huỷ tinh quặng và hiệu suất thu hồi

a) Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

Các thí nghiệm được tiến hành trong điều

kiện phản ứng như sau: phân huỷ trong thiết

bị áp suất 5 g tinh quặng cĩ kích thước hạt d

< 0,2 mm bằng axit sunfuric đậm đặc (98%)

thời gian phân huỷ thay đổi từ 4 đến 12 giờ

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian

phản ứng đến hiệu suất phân huỷ tinh

(lệ tinh quặng/axit: 5/15) được trình bày ở

bảng và hình sau:

35 40 45 50 55 60 65 70 75

Thời gian (giờ)

Hiệu suất phân huỷ Hiệu suất thu hồi

vào thời gian phản ứng Nhìn chung khi kích thước hạt d < 0,2 mm và tỷ lệ quặng/axit (g/ml) là

Giữ nguyên điều kiện thí nghiệm như trên và

thay đổi tỷ lệ tinh quặng/axit là 5/30 (g/ml)

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian

phản ứng đến hiệu suất phân huỷ tinh quặng

tinh quặng/axit: 5/30) được trình bày ở bảng

và hình sau:

45 50 55 60 65 70 75 80

Thời gian (giờ)

Hiệu suất phân huỷ Hiệu suất thu hồi

Từ bảng và hình ở trên cho thấy khi tỷ lệ tinh quặng/axit là 5/30 (g/ml) thì hiệu suất phân huỷ

đáng kể

Từ kết quả khảo sát này cho thấy thời gian phản ứng cĩ ảnh hưởng đến quá trình hồ tan tinh quặng ilmenit Thời gian phù hợp để phân huỷ quặng là 7 giờ

b) Ảnh hưởng của nồng độ axit sunfuric

Các thí nghiệm được tiến hành trong điều

kiện phản ứng như sau: phân hủy trong thiết

bị áp suất 5 g tinh quặng cĩ kích thước hạt d

(g/ml) là 5/30, thời gian phân huỷ 7 giờ, nồng

độ axit sunfuric thay đổi từ 55% đến 98%

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ

axit (C%) đến hiệu suất phân huỷ tinh

được trình bày ở bảng và sau:

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 30

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Nồng độ axit (%)

Hiệu suất phân huỷ Hiệu suất thu hồi

Từ các kết quả trên cho thấy khi nồng độ axit tăng thì hiệu suất phân huỷ quặng và hiệu suất thu

dùng axit sunfuric đậm đặc là thuận lợi nhất

c) Ảnh hưởng của tỷ lệ tinh quặng/axit

Các thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện phản ứng như sau: phân huỷ trong thiết bị áp suất 5 g

lệ tinh quặng/axit (g/ml) khảo sát là: 5/10; 5/15; 5/20; 5/25; 5/30

Tỷ lệ

q/a

(g/ml)

5/10 5/15 5/20 5/25 5/30

50 55 60 65 70 75 80

Lượng axit (ml)/5g tinh quặng

Hiệu suất phân huỷ Hiệu suất thu hồi

Giữ nguyên điều kiện như trên và thay đổi kích thước hạt d < 0,076 mm Kết quả khảo sát ảnh

Tỷ lệ

q/a

(g/ml)

5/10 5/15 5/20 5/25 5/30

0

0

55 60 65 70 75 80 85

Lượng axit (ml)/5g tinh quặng

Hiệu suất phân huỷ Hiệu suất thu hồi

Từ các kết quả ở 2 bảng và hình trên, cho thấy tỷ lệ tinh quặng/axit cĩ ảnh hưởng đến hiệu suất

Tỷ lệ tinh quặng/axit phù hợp để phân huỷ quặng là 5/25 (g/ml)

d) Ảnh hưởng của kích thước hạt

Các thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện phản ứng như sau: phân huỷ trong thiết bị áp suất 5g tinh quặng bằng axit sunfuric đậm đặc (98%), tỷ lệ tinh quặng/axit (g/ml) là 5/30, thời gian phân huỷ là 7 giờ, kích thước hạt thay đổi từ 0,076 mm đến 0,2 mm

d (mm) m1(g) H1(%) m3(g) H2(%)

0,200

0,125

0,113

0,097

0,088

0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200 0.225 55

60 65 70 75 80 85

Kích thước hạt (mm)

Hiệu suất phân huỷ Hiệu suất thu hồi

Từ bảng và hình trên cho thấy hiệu suất phân huỷ quặng và hiệu suất thu hồi TiO2 tăng khi kích thước hạt giảm nhưng khơng nhiều Như vậy, tinh quặng càng mịn thì hiệu suất phân huỷ quặng và hiệu suất thu hồi càng cao

nhiễu xạ tia X trên máy SIEMENS D5000 ở Viện Khoa học Vật liệu -Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam cho kết quả như sau:

Từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) chúng tôi khẳng định đã thu hồi được TiO2 dạng rutil tương đối tinh khiết

4 KẾT LUẬN

bằng phương pháp axit sunfuric, chúng tôi đã thu được một số kết quả sau:

phương pháp có áp suất cao hơn nhiều Ngoài ra nếu sử dụng phương pháp phân huỷ quặng bằng phương pháp có áp suất sẽ tránh được thất thoát hoá chất, và ít gây ảnh hưởng đến môi trường

4.2 Đã khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất phân huỷ quặng và hiệu suất

4.3 Đã khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit sunfuric đến hiệu suất phân huỷ quặng và hiệu suất

thích hợp là từ 85% trở lên

4.4 Đã khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ tinh quặng/axit đến hiệu suất phân huỷ quặng và hiệu suất

4.5 Đã khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt đến hiệu suất phân huỷ quặng và hiệu suất thu hồi

Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn, thiết bị thí nghiệm còn hạn chế nên chúng tôi chưa thể khảo sát được ảnh hưởng của áp suất đến sự phân huỷ quặng cũng như chưa tìm ra được khoảng áp

định đây là phương pháp đem lại hiệu quả kinh tế, đồng thời góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường

Với những hạn chế nêu trên, chúng tôi mong muốn được tiếp tục nghiên cứu để góp phần làm rõ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Văn Ban (2004), “Công nghệ sản xuất chất màu titan đioxit”, Tạp chí công nghệ hoá

chất (số 11)

2 Nguyễn Văn Dũng, Hoàng Hải Phong, Phạm Thị Thúy Loan, Cao Thế Hà, Đào Văn Lượng

(2005), “Nghiên cứu điều chế vật liệu xúc tác quang hóa titan dioxit từ sa khoáng ilmenit”, Tạp

chí phát triển khoa học và công nghệ, tập 8, 9

3 Hồng Liên (2004), “Tiềm năng và hướng khai thác, chế biến quặng titan ở Việt Nam”, Tạp chí

công nghệ hoá chất (số 2)

4 Thế Nghĩa (2004), “Tình hình khai thác sa khoáng titan và ziricon ở Việt Nam”, Tạp chí công

nghệ hoá chất (số 2)

5 R.W.Cahn, P.Haasen, E.J.Kramer (1999), Materials science and technology, Proussing of

ceramics Vol.17A Part 1 Oxford Shire, UK

applications, Tokyo: BKC, Inc