mở đầu, kết luận và kiến nghị, danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của NCS, tài liệu tham khảo (không kể phụ lục), được trình bày trong 137 trang đánh máy khổ A4, kèm theo 85 hình minh họa và 31 bảng biểu. luan an 5 TỔNG QUAN VỀ KHAI THÁC TITAN SA KHOÁNG VEN BIỂN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM TITAN SA KHOÁNG VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA NÓ Khái quát chung về titan sa khoáng Titan sa khoáng được phát hiện từ đầu thế cuối thể kỷ 18 bởi nhà địa chất học William Gregor, Vương Quốc Anh, khi ông phân tích thành phần cát đen tại dòng suối và xác định được sự hiện diện của 2 ôxít sắt và 45% một oxít kim loại mà ông chưa thể xác định, kim loại trong oxít này không giống với bất kỳ nguyên tố nào đã biết. Cũng trong thời gian này, nhà khoa học Đức Martin Heinrich Klaproth tìm thấy oxít kim loại trong quặng rutil. Hai nhà khoa học này phân tích độc lập tuy nhiên thành phần phân tích là giống nhau.
Khi đó nhà hoa học Martin Heinrich Klaproth đặt tên nó là Titan, Titan được lấy từ tên từ một vị thần Titan [43]. Rất khó để tách kim loại titan ra từ quặng của nó, tới năm 1910, titan tinh khiết (99,9%) được tách ra bởi Matthrew A.Hunter bằng cách nung TiCl4 với natri trong bom thép ở nhiệt độ 700÷800 Co [26, 27]. Tuy nhiên chỉ dừng lại trong phòng thí nghiệm. Đến năm 1946, khi William Juistin chứng minh titan là có thể sản xuất thương mại bằng quy trình Kroll và phương pháp này còn được ứng dụng cho tới ngày nay [70].
Thành phần khoáng vật nặng cơ bản của titan sa khoáng bào gồm: ilmenit (Fe.TiO3), rutil (TiO2), zircon (ZrSiO4), leucocen (Fe.nH2O), monazit (Ce, la, Th, Nd, Y)PO3,. Có nhiều quan điểm về thuật ngữ titan sa khoáng, theo tài liệu của các nhà khoa học Nga những năm 1970 đã quan niệm, titan sa khoáng ven bờ biển chứa các khoáng vật nặng có tỷ trọng 4,3÷5,2 và độ hạt 0,05÷0,25 được G. Những tài liệu hiện nay của Cục khảo sát Địa chất Hoa kỳ (USGS), hay các tài liệu sử dụng trong các tập đoàn khai thác titan sa khoáng lớn trên thế giới như Iluka luan an 6 (Australia), Sierra Rutile Limited (Nam Phi),. cho rằng titan sa khoáng là những khoáng vật có tỷ trọng lớn hơn 2,85 [67].
Các khoáng vật được hình thành bởi sự phong hóa, xói mòn đá gốc và được dòng nước đưa đến các vị trí khác nhau, tích tụ lại ở ven biển, các đụn cát ven biển, châu thổ, cửa sông,. Khoáng vật nặng ven biển được nhắc tới chủ yếu là ilmenit, rutil, leucoxen, zircon, monazit,. Liên quan tới titan sa khoáng ven biển có thể dùng với các thuật ngữ sau: khoáng vật cát nặng (heavy mineral sand), sa khoáng (placer), trầm tích khoáng vật nặng sa khoáng (placer heavy minerals deposits), trầm tích cát đen (black sand deposits),. Tại Việt Nam, thuật ngữ "mỏ titan sa khoáng ven biển" được sử dụng rất rộng rãi trong các tài liệu nghiên cứu địa chất Việt Nam từ những năm 1960 đến nay và trở thành một tên gọi quen dùng [15].
Tầm quan trọng của titan sa khoáng Titan sa khoáng là nguyên liệu chính để tao ra sản phẩm titan kim loại và pigment. - Titan kim loại có đặc tính mà khó các kim loại khác có được, là kim loại gần như duy nhất hoàn toàn không độc hại với cơ thể con người, vì thế nó được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị y tế khi cấy ghép vào cơ thể con người mà không bị đào thải. Titan kim loại có trọng lượng nhẹ như nhôm nhưng đặc tính lại cứng như thép, titan không bị gỉ, ăn mòn bởi các tác nhân bên ngoài kể cả axít, nhiệt độ nóng chảy của titan rất cao vì vậy nó có thể chịu được nhiệt độ rất cao trong thời gian dài, nhiệt độ thấp nó cũng không bị giòn, nứt vỡ. - Pigment là các sản phẩm bột màu trắng dùng trong các ngành: sơn, nhựa, giấy, quần áo và rất nhiều ngành công nghiệp khác.
Chính các đặc tính này mà các sản phẩm của titan càng ngày càng được khám phá và ứng dụng nhiều trong công nghiệp công nghệ cao và phục vụ dân sinh. Trong thập niên 1950-1960, Liên Xô đã tìm cách mua hết titan trên thị trường nhằm ngăn cản quân đội Mỹ sử dụng. Các máy bay hiện đại của Airbus có thể dùng tới 77 tấn titan. Còn rất nhiều ngành khác được kể tới như: ngành bột mầu, ngành sơn, ngành công nghiệp giấy, ngành chế tạo linh kiện điện tử, ngành nhựa, ngành chất luan an 7 dẻo và cao su tổng hợp, ngành sứ và thủy tinh, ngành y tế và dược liệu, ngành mỹ phẩm, quân sự, môi trường,… đều có nhu cầu sử dụng titan rất lớn [22].
Một ngành công nghiệp mới hiện nay đang nghiên cứu ứng dụng những đặc tính của titan kim loại làm điện cực quang để tách hydro và ôxi trong nước, tạo nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường. Tổng hợp số liệu trong những năm gần đây, từ năm 2014 đến năm 2018, sản lượng trung bình của khoáng vật nặng ilmenit và rutil trên toàn thế giới cơ bản dao động ở mức trên dưới 6 triệu tấn và tương đối ổn định (Bảng 1. Sản lượng khai thác titan tại một số nước [28, 37, 63, 64] Năm 2016, Năm 2017, Năm 2018, TT Tên nước 103 tấn 103 tấn 103 tấn Ilmenit Rutil Ilmenit Rutil Ilmenit Rutil 1 Mỹ 100* - 100* - 100* - 2 Australia 780 380 730 290 700 250 3 Braxin 48 - 50 - 50 - 4 Canada 595 - 880 - 850 - 5 Trung Quốc 840 - 840 - 850 - 6 Ấn Độ 180 19 300 10 300 10 7 Kenya 280 84 280 87 280 90 8 Madagascar 92 - 110 - 100 - 9 Mozambic 540 7 600 9 600 8 10 Na Uy 260 220 - 200 11 Senegal 250 9 300 10 250 8 12 Nam Phi 1020 67 550 95 500 100 13 Ukraina 210 95 230 90 230 100 14 Việt Nam 240 - 200 - 200 - 15 Sierra Leone - 130 - 160 - 170 16 Các nước khác 71 8 150 13 150 10 Cộng 5.300 6300 5700 * Sản lượng bao gồm cả rutil. luan an 8 Các sản phẩm chính từ titan sa khoáng Để chế biến titan kim loại hay pigment người ta phải làm giàu khoáng vật nặng (KVN) và tách các tạp chất đi cùng.
Hiện tại có 2 phương pháp làm giàu chính là chế biến thành xỉ titan và chế biến thành rutil tổng hợp. - Xỉ titan (titanium slag): luyện tinh quặng ilmenit trong lò hồ quang điện. Sản phẩm thu hồi được là xỉ titan (75÷90% TiO2) và gang hợp kim. - Chế biến rutil tổng hợp (synthetic rutile - SR): sản phẩm thu hồi thường có hàm lượng trên 90% TiO2.
Các sản phẩm từ titan bao gồm: - Titan kim loại: để sản xuất titan kim loại người ta phải sản xuất từ một sản phẩm trung gian như tetraclorua titan (TiCl4), titan xốp (Titanium sponge), rồi luyện thành thỏi titan kim loại. - Sản xuất pigment TiO2: sản phẩm bột của titan. TỔNG QUAN VỀ TITAN SA KHOÁNG TRÊN THẾ GIỚI Titan sa khoáng trên thế giới Theo Cục khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) năm 2016-2017 thì trữ lượng titan sa khoáng thế giới có khoảng 930 triệu tấn quy ra TiO2, thu được từ 2 loại KVN là ilmenit và rutil (Bảng 1. Thống kê trữ lượng quặng titan trên thế giới [37] Trữ lượng, triệu tấn TiO2 TT Quốc gia Ilmenit Rutil 1 Mỹ 2 * 2 Australia 250 29 3 Braxin 43 - 4 Canada 31 - 5 Trung Quốc 230 - 6 Ấn Độ 85 7,4 7 Kenya 54 13 8 Madagascar 40 - 9 Mozambic 14 0,88 luan an 9 Trữ lượng, triệu tấn TiO2 TT Quốc gia Ilmenit Rutil 10 Na Uy 37 - 11 Senegal - - 12 Nam Phi 63 8,3 13 Ukraina 5,9 2,5 14 Việt Nam 1,6 - 15 Sierra Leone - 0,49 16 Các nước khác 26 0,4 Để có cái nhìn tổng quan về đặc điểm quặng titan sa khoáng trên thế giới, NCS khái quát một số vùng quặng với đặc điểm chung về hình thái thân khoáng và hàm lượng KVN của chúng như sau: 1.
Titan sa khoáng nước Australia Australia được xem là nước có trữ lượng KVN lớn nhất trên thế giới. Khối lượng lớn tài nguyên titan sa khoáng của Australia được hình thành bởi các bãi biển cổ và các trầm tích được tạo thành dọc theo bờ biển từ kỷ giữa Eocene tới kỷ Pleistocen, gồm 4 vùng quặng chính: Ecula, Muray, Perth và Canning (Hình 1.1), hiện tại đều do Tập đoàn Iluka khai thác [67]. Bản đồ khu vực khai thác titan sa khoáng tại Australia [67] a. Vùng Eucla, Nam Australia: - Kích thước khu vực khai thác: chiều rộng 900 m, chiều dài khoảng 5000 m; luan an 10 thân quặng có chiều dày từ 20÷40 m và lớp đất phủ khoảng 8 m.
- Khu vực Đông Bắc của mỏ Jacinth - Ambrosia có khoảng 29,2 triệu tấn cát quặng với hàm lượng biên 5% (theo Geoscience Australia, 2012), KVN chiếm 11,3%, bao gồm ilmenit 75%, ziccon 15 %, rutil 2 % và còn lại là khoáng vật khác. - Thêm vào đó phía Đông Nam khu vực này được thăm dò thêm với ước tính có khoảng 132,1 triệu tấn, trong đó KVN chiếm 2,33%, bao gồm 980.000 tấn rutil và 551. Khu vực mỏ Jacinth - Ambrosia, Australia [67] b. Vùng Muray, Victoria and New South Wales KVN chủ yếu tuổi Pliocene ven biển với trữ lượng hơn 80 triệu tấn.
Chiều dài lớn nhất của mỏ đang hoạt động xấp xỉ 14,5 km và một khu vực khai thác khác có chiều rộng khoảng 130 m và chiều dày thân quặng từ 3÷6 m. Trong năm 2010, sản lượng đạt 198.000 tấn ilmenit và 156. Perth, Tây Australia Là những bãi biển cổ với các đụn cát trong kỷ Kainozoi (Đại Tân Sinh), phía Tây Australia, đã được khai thác từ cuối những năm 1970. Các bãi cát quặng này được hình thành dọc bờ biển trong suốt thời kỳ Pliocene tới kỷ Pleistocen sớm.
Khu vực này còn đang tiến hành thăm dò mở rộng với nhiều khu vực khác nhau, điển hình là khu vực gần Coburn phía Tây - Tây Australia với chiều dài hơn 35 km, chiều rộng 3 km và chiều dày quặng từ 10-50 m, trữ lượng dự báo tới 308 triệu tấn với hàm lượng KVN là 1,2% [67]. Khu vực Canning, Phía Đông Bắc - Tây Australia Do công ty Sheffield Resources Limited khai thác với trữ lượng có thể đạt 1.374 triệu tấn cát quặng, trong đó KVN nặng là 6,1% [67]. Titan sa khoáng ven biển Trung Quốc Trung Quốc là nước có tiềm năng titan sa khoáng đứng đầu thế giới về trữ lượng. Tuy nhiên, các số liệu thống kê về khai thác những năm gần đây còn hạn chế, các công bố chỉ tập trung về trữ lượng và sản lượng.