Tổng quan luận án
Quặng graphit tại Việt Nam có tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo khoảng 26,327 triệu tấn, tập trung chủ yếu ở hai tỉnh Yên Bái và Lào Cai. Trong đó, trữ lượng và tài nguyên dự báo của mỏ Bảo Hà (tỉnh Lào Cai) đạt khoảng 3,171 triệu tấn. Quặng graphit nguyên khai tại các mỏ của Việt Nam nhìn chung có hàm lượng cacbon không cao và chứa nhiều khoáng tạp, không thể sử dụng trực tiếp mà bắt buộc phải qua công đoạn tuyển làm giàu để đạt tiêu chuẩn thương phẩm. Trong số các mỏ đã được thăm dò, mỏ Bảo Hà sở hữu đặc điểm nổi bật khi tỷ lệ quặng graphit có cấu trúc dạng vảy chiếm trên 90%. Graphit dạng vảy là nguồn nguyên liệu có giá trị thương phẩm cao nhất trên thị trường (giá dao động từ 750 đến 1.600 USD/tấn, so với mức khoảng 500 USD/tấn của graphit vô định hình hạt mịn) và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo pin Lithium-ion, vật liệu chịu lửa, năng lượng và công nghệ cao.
Khoảng trống nghiên cứu thực tế cho thấy các công trình trước đây tại Việt Nam chủ yếu áp dụng sơ đồ nghiền mịn toàn phần quặng đầu và tuyển nổi nhiều giai đoạn. Phương pháp này khiến các hạt graphit dạng vảy bị phá vỡ cấu trúc cơ học, giảm kích thước hạt, tiêu hao nhiều năng lượng nghiền, quặng tinh thu được có hàm lượng cacbon chưa cao (< 90% C) và không thu hồi riêng biệt được sản phẩm graphit vảy thô có giá trị cao. Bên cạnh đó, các nghiên cứu trước đây đối với mỏ Bảo Hà chưa được kiểm chứng trên quy mô dây chuyền pilot. Đề tài luận án tiến sĩ "Nghiên cứu công nghệ tuyển quặng graphit mỏ Bảo Hà, Lào Cai nhằm thu hồi tối đa graphit dạng vảy" của tác giả Trần Thị Hiến được thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề kỹ thuật này.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm:
- Luận giải cơ sở khoa học về ảnh hưởng của đặc điểm thành phần vật chất, xác định dạng tồn tại của khoáng vật graphit cấu trúc vảy trong quặng mỏ Bảo Hà, Lào Cai.
- Xác định ảnh hưởng của phương pháp gia công chuẩn bị quặng trong quá trình chế biến.
- Xác định ảnh hưởng của phương pháp và quy trình tuyển nhằm thiết lập quy trình công nghệ, các điều kiện và chế độ tuyển phù hợp thu hồi tối đa graphit dạng vảy mỏ Bảo Hà.
- Thu được quặng tinh graphit tổng hợp đạt chất lượng: hàm lượng cacbon từ 80 ÷ 92% C, thực thu tổng hợp $\ge 90%$; trong đó sản phẩm quặng tinh graphit vảy cấp hạt +100 mesh (+0,149 mm) đạt hàm lượng C $\ge 94%$.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Mẫu quặng graphit nguyên khai mỏ Bảo Hà, tỉnh Lào Cai (gồm quặng phong hóa và quặng gốc).
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đặc điểm thành phần vật chất, cấu trúc xâm nhiễm; khảo sát các thông số công nghệ của quá trình nghiền thô, tuyển nổi sơ bộ; phân tích tỷ trọng chìm nổi trong dung dịch nặng bằng thiết bị ly tâm; áp dụng và tối ưu hóa quá trình nghiền chà xát quặng tinh sơ bộ; thử nghiệm sơ đồ công nghệ vòng kín trong phòng thí nghiệm và trên hệ thống dây chuyền pilot công suất 100 kg/h.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Theo số liệu của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), tổng trữ lượng graphit tự nhiên trên thế giới năm 2021 đạt khoảng 320 triệu tấn (tăng 100 triệu tấn so với mức 220 triệu tấn năm 2009). Các quốc gia có trữ lượng và sản lượng khai thác lớn gồm Trung Quốc (sản lượng năm 2021 đạt 820.000 tấn), Brazil (86.000 tấn), Mozambique (30.000 tấn), Nga, Canada, Ukraina, Madagascar. Về cơ cấu tiêu thụ năm 2019 (theo Roskill), graphit tự nhiên được sử dụng cho vật liệu chịu lửa (46%), pin (24%), khuôn đúc luyện kim (10%), chất bôi trơn (5%), vật liệu chống ma sát (2%), graphit hình cầu (2%) và các ngành khác (10%).
| Loại graphit |
Dạng tinh thể |
Kích thước ($\mu\text{m}$) |
Tỷ trọng ($\text{g/cm}^3$) |
Hàm lượng C trong quặng (%) |
Độ tinh khiết sản phẩm (%) |
Giá bán (USD/tấn) |
Tỷ lệ trữ lượng (%) |
| Vô định hình |
Vi tinh thể |
> 37 |
2,31 |
20 ÷ 40 |
70 ÷ 85 |
600 ÷ 800 |
50 |
| Vảy |
Vảy, tấm |
50 ÷ 177 |
2,29 |
10 ÷ 12 |
85 ÷ 95 |
950 ÷ 3.500 |
49 |
| Mạch |
Tấm, kim |
> 177 |
2,26 |
> 90 |
95 ÷ 99 |
Cao |
1 |
Về công nghệ tuyển graphit trên thế giới, các mỏ lớn đều áp dụng sơ đồ nghiền tuyển nhiều giai đoạn kết hợp các loại thiết bị nghiền khác nhau. Tại mỏ Nanshu (Ấn Độ/Trung Quốc trích dẫn trong văn bản), quy trình xử lý quặng graphit vảy sử dụng kết hợp nghiền bi, nghiền chà xát và tuyển tinh 6 đến 7 lần để đạt hàm lượng quặng tinh đến 95% C. Đối với nghiên cứu tại mỏ Pingdu (Trung Quốc), thí nghiệm so sánh thiết bị nghiền lại quặng tinh thô (hàm lượng cấp liệu 84,59% C) cho thấy:
| Thiết bị nghiền |
Thu hoạch C (%) |
Hàm lượng C quặng tinh (%) |
Thực thu C (%) |
| Nghiền chà xát |
80,75 |
98,62 |
94,15 |
| Nghiền thanh |
82,55 |
93,21 |
91,17 |
| Nghiền bi |
87,77 |
87,67 |
90,99 |
Tại Việt Nam, tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo đạt khoảng 26,327 triệu tấn, tập trung ở vùng Tây Bắc (22,057 triệu tấn: Yên Bái, Lào Cai) và Trung Bộ (4,270 triệu tấn: Hưng Nhượng, Tiên An). Lịch sử nghiên cứu công nghệ tuyển graphit trong nước ghi nhận:
- Năm 1985, Viện Luyện kim Màu nghiên cứu quặng graphit mỏ Mậu A (Yên Bái), thu được quặng tinh đạt 80% C nhưng quặng thải còn hàm lượng cacbon cao.
- Năm 1996, Viện Nghiên cứu Mỏ - Luyện kim nghiên cứu mỏ Hưng Nhượng (Quảng Ngãi) với quặng đầu 30 ÷ 35% C, nghiền mịn đến 80% cấp -0,074 mm, tuyển thu được quặng tinh 80 ÷ 82% C, thực thu 67 ÷ 74,58%.
- Năm 2008, đề tài cấp Bộ Công Thương số 109.RD/HDKHCN do Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim thực hiện trên quặng graphit mỏ Nậm Thi (Lào Cai) có hàm lượng 9 ÷ 11% C; sơ đồ gồm 3 giai đoạn nghiền và 10 khâu tuyển, thu được quặng tinh đạt 85,72% C, thực thu 91,43%.
- Năm 2012, Bộ môn Tuyển khoáng - Trường Đại học Mỏ - Địa chất nghiên cứu quặng graphit Yên Thái (Yên Bái) có hàm lượng 13,06% C; quặng nghiền đến 77% cấp -0,074 mm, qua 2 khâu nghiền và 6 khâu tuyển, thu được quặng tinh đạt 90,11% C, thực thu 71,74%.
- Năm 2013, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim nghiên cứu sơ bộ quặng graphit mỏ Bảo Hà phục vụ báo cáo thăm dò, quặng đầu 10,35 ÷ 14,51% C được nghiền đến 78% cấp -0,074 mm, qua 2 giai đoạn nghiền và 9 khâu tuyển, thu được quặng tinh 1 đạt $\ge 88%$ C và quặng tinh 2 đạt $\ge 80%$ C, thực thu 89 ÷ 90%.
Vị trí của luận án: Luận án khắc phục hạn chế của các nghiên cứu trước bằng việc xác lập quy trình tuyển nổi sơ bộ ở chế độ nghiền thô (-0,5 mm) nhằm sớm loại bỏ phần lớn đất đá thải, sau đó áp dụng thiết bị nghiền chà xát chọn lọc đối với sản phẩm quặng tinh sơ bộ để bóc tách tạp chất silicat mà không làm vỡ vụn vảy graphit thô, đồng thời thử nghiệm hoàn thiện trên dây chuyền pilot công suất 100 kg/h.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết về cấu trúc mạng tinh thể lục phương của khoáng vật graphit. Trong mạng tinh thể, mỗi nguyên tử cacbon liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử cacbon lân cận tạo thành các lớp mạng phẳng ô lục giác, còn lại một electron chuyển động tự do. Các lớp mạng phẳng liên kết với nhau bằng lực Van der Waals yếu. Cấu trúc này tạo nên các đặc tính phân phiến, dễ trượt, dễ tách lớp, độ bền nhiệt cao và tính kỵ nước tự nhiên rất mạnh của graphit.
Khung phân tích công nghệ của luận án dựa trên nguyên lý tuyển nổi kết hợp nghiền chà xát chọn lọc. Tuyển nổi sử dụng chất tập hợp không phân cực (dầu hỏa/kerosen) để tăng cường tính kỵ nước của bề mặt graphit, chất tạo bọt để ổn định bọt khoáng, chất đè chìm thủy tinh lỏng ($\text{Na}_2\text{SiO}_3$) để ức chế các khoáng vật silicat và chất điều chỉnh môi trường ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) duy trì môi trường kiềm nhẹ. Quá trình nghiền chà xát (attrition scrubbing) sử dụng lực ma sát trượt và mài xiết giữa các hạt khoáng và hạt bi để bóc tách các khoáng tạp bám trên bề mặt vảy mà không tạo ra lực va đập phá vỡ diện tích bề mặt hạt graphit vảy thô.
Phương pháp luận đánh giá mức độ giải phóng khoáng vật: Tác giả sử dụng phương pháp phân tích tỷ trọng chìm nổi trong dung dịch nặng kết hợp lực ly tâm nhằm phân chia các cấp hạt mịn của quặng tinh sơ bộ. Dựa trên kết quả phân tích tỷ trọng và phân tích rây, luận án xây dựng hệ thống chỉ tiêu đánh giá hiệu quả nghiền chà xát: hệ số giữ cấp hạt thô $K_P$, hệ số giải phóng khoáng vật $K_L$, và hệ số tối ưu nghiền chà xát $K_O$ để tìm chế độ vận hành tối ưu.
Phương pháp thực nghiệm và trang thiết bị sử dụng:
- Phân tích khoáng tướng và lát mỏng thạch học (độ dày 0,03 mm) trên kính hiển vi quang học phân cực Leica DM750P.
- Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị Siemens D5005 (ống phát Cu, bức xạ $K_{\alpha 1,2}$, điện áp 40 kV, dòng điện 30 mA).
- Phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) trên thiết bị JEOL JSM-6310 (điện thế 15 kV, dòng điện 6 nA, độ chính xác 0,10% khối lượng).
- Phân tích thành phần hóa học cacbon và lưu huỳnh trên thiết bị Horiba EMIA-320V2 và phương pháp ICP.
- Thí nghiệm tuyển nổi, nghiền bi, nghiền chà xát trong phòng thí nghiệm và hệ thống pilot công suất 100 kg/h. Dữ liệu thực nghiệm được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel và Word.
Nguồn tư liệu và mẫu nghiên cứu:
Mẫu nghiên cứu được lấy từ mỏ graphit Bảo Hà (Lào Cai), gồm 6 đơn mẫu cỡ hạt $d \le 300\text{ mm}$. Các đơn mẫu được đập, sàng và giảm lược qua các cấp hạt -50 mm, -30 mm, -10 mm và -2 mm. Mẫu gộp công nghệ đại diện được phối trộn theo tỷ lệ trữ lượng thực tế của mỏ: 35% khối lượng quặng phong hóa (hàm lượng 10,78% C) và 65% khối lượng quặng gốc (hàm lượng 11,85% C). Tổng khối lượng mẫu gộp nghiên cứu là 5.000 kg với hàm lượng cacbon trung bình đạt 11,15% C.
| Nhóm mẫu |
Tỷ lệ khối lượng (%) |
Khối lượng (kg) |
Hàm lượng C (%) |
| Quặng phong hóa |
35 |
1.250 |
10,78 |
| Quặng gốc |
65 |
3.750 |
11,85 |
| Mẫu gộp nghiên cứu |
100 |
5.000 |
11,15 |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về graphit: Tài nguyên, khai thác, chế biến và sử dụng
Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức lý thuyết về đặc tính lý hóa của graphit, phân loại 3 dạng graphit tự nhiên (vô định hình, vảy, mạch) và ứng dụng thực tiễn trong các ngành công nghiệp. Tác giả phân tích thị trường tiêu thụ toàn cầu, tiêu chuẩn chất lượng và giá trị thương phẩm dựa trên kích thước vảy và độ tinh khiết cacbon: graphit vảy lớn (+100 ÷ 50 mesh, 149 ÷ 297 $\mu\text{m}$) hàm lượng C > 99% có giá lên tới 1.600 USD/tấn; graphit vảy (140 ÷ 100 mesh, 105 ÷ 149 $\mu\text{m}$) hàm lượng C > 99% đạt 1.250 USD/tấn; trong khi graphit vô định hình mịn (< 200 mesh, < 74 $\mu\text{m}$) hàm lượng 70 ÷ 80% C chỉ có giá khoảng 350 USD/tấn.
Chương này cũng tổng kết hiện trạng phân bố tài nguyên graphit tại Việt Nam và phân tích chi tiết các kết quả nghiên cứu công nghệ tuyển quặng graphit mỏ Mậu A, Hưng Nhượng, Nậm Thi, Yên Thái và Bảo Hà giai đoạn trước. Tác giả nhận định mỏ Bảo Hà có cấu tạo địa chất thuộc hệ tầng Núi Con Voi ($\text{PR}_1 cv$) và Ngòi Chi ($\text{PR}_1 nc$), gồm 21 thân quặng với trữ lượng và tài nguyên dự báo 3,171 triệu tấn, cấu trúc graphit dạng vảy chiếm ưu thế lớn, là tiền đề thuận lợi để nghiên cứu thu hồi graphit vảy thô chất lượng cao.
Chương 2: Thành phần vật chất mẫu quặng, định hướng nghiên cứu
Chương 2 trình bày kết quả phân tích thành phần độ hạt, hóa học, khoáng vật và cấu trúc xâm nhiễm của mẫu quặng gộp mỏ Bảo Hà.
Phân tích thành phần độ hạt của mẫu quặng nguyên khai cho thấy cacbon phân bố không đồng đều giữa các cấp hạt:
| Cấp hạt (mm) |
Thu hoạch bộ phận (%) |
Thu hoạch lũy tích (%) |
Hàm lượng C bộ phận (%) |
Hàm lượng C lũy tích (%) |
Phân bố C bộ phận (%) |
Phân bố C lũy tích (%) |
| -2 + 1 |
29,60 |
29,60 |
8,75 |
8,75 |
22,59 |
22,59 |
| -1 + 0,5 |
21,21 |
50,81 |
11,14 |
9,75 |
20,60 |
43,19 |
| -0,5 + 0,25 |
16,18 |
66,99 |
15,73 |
11,19 |
22,20 |
65,38 |
| -0,25 + 0,177 |
3,46 |
70,45 |
21,60 |
11,70 |
6,51 |
71,89 |
| -0,177 + 0,149 |
5,96 |
76,40 |
15,96 |
12,03 |
8,29 |
80,18 |
| -0,149 + 0,125 |
2,46 |
78,87 |
16,46 |
12,17 |
3,53 |
83,71 |
| -0,125 + 0,074 |
6,74 |
85,61 |
11,73 |
12,14 |
6,89 |
90,61 |
| -0,074 + 0,045 |
4,61 |
90,22 |
8,85 |
11,97 |
3,56 |
94,17 |
| -0,045 + 0 |
9,78 |
100,00 |
6,84 |
11,47 |
5,83 |
100,00 |
| Cộng |
100,00 |
- |
11,47 |
- |
100,00 |
- |
Kết quả phân tích thành phần hóa học đa nguyên tố mẫu tổng hợp xác định: C = 11,80%; $\text{SiO}_2$ = 57,10%; $\text{Al}_2\text{O}_3$ = 10,72%; $\text{Fe}_2\text{O}_3$ = 7,50%; S = 2,02%; độ tro $A^k$ = 85,20%; chất bốc $V^{pt}$ = 1,00%.
Kết quả phân tích nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD) xác định thành phần khoáng vật trong quặng gồm:
| Thành phần khoáng vật |
Công thức hóa học |
Khoảng hàm lượng (~%) |
| Thạch anh |
$\text{SiO}_2$ |
42 ÷ 44 |
| Graphit |
$\text{C}$ |
17 ÷ 19 |
| Felspat |
$\text{K}_{0.5}[\text{AlSi}_3\text{O}_8]$ |
9 ÷ 11 |
| Illit |
$\text{KAl}_2\text{AlSi}3\text{O}{10}_2$ |
16 ÷ 18 |
| Clorit |
$\text{Mg}_2\text{Al}_3\text{AlSi}3\text{O}{10}_8$ |
4 ÷ 6 |
| Canxit |
$\text{CaCO}_3$ |
1 ÷ 3 |
| Amphibol |
- |
$\le 1$ |
| Lepidocrocit |
$\text{FeO.OH}$ |
$\le 1$ |
Phân tích thạch học và SEM chỉ ra graphit trong quặng mỏ Bảo Hà tồn tại chủ yếu ở dạng tấm kéo dài, dạng vảy hoặc dạng sợi (chiếm 90 ÷ 95%), kích thước dao động từ $(0,05 \times 0,2)\text{ mm}$ đến $(0,15 \times 0,5)\text{ mm}$, phân bố xen kẹp và xâm tán dày trong nền đá phiến thạch anh - biotit; graphit dạng vi tinh thể vô định hình chỉ chiếm 5 ÷ 10%. Các khoáng tạp như thạch anh, biotit, sericit, pyrit, pyrotin bám dính trên bề mặt hoặc xen kẹp giữa các lớp vảy graphit. Từ đó, tác giả định hướng sơ đồ tuyển: nghiền thô quặng đầu để tuyển nổi sơ bộ thu quặng tinh thô, sau đó áp dụng nghiền chà xát chọn lọc để bóc tách tạp chất silicat mà không làm gãy nát vảy graphit.
Chương 3: Nghiên cứu tuyển nổi sơ bộ mẫu quặng
Chương 3 tập trung xác lập các thông số công nghệ tối ưu cho khâu nghiền thô và tuyển nổi sơ bộ nhằm thu hồi tối đa graphit vào sản phẩm bọt sơ bộ và thải bỏ sớm đất đá:
- Xác định đặc tính nghiền và độ mịn nghiền thô tối ưu: Mức nghiền đạt cỡ hạt -0,5 mm cho phép giải phóng sơ bộ các kết hạch graphit mà vẫn bảo tồn tối đa kích thước vảy thô.
- Khảo sát các điều kiện chế độ tuyển nổi sơ bộ: Xác định nồng độ bùn quặng tuyển nổi thích hợp; chi phí thuốc điều chỉnh môi trường soda ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) để duy trì môi trường kiềm nhẹ; chi phí thuốc đè chìm thủy tinh lỏng ($\text{Na}_2\text{SiO}_3$) để ức chế khoáng vật silicat; chủng loại và chi phí thuốc tập hợp dầu hỏa (kerosen); chi phí thuốc tạo bọt.
- Thí nghiệm tuyển vét sản phẩm ngăn máy và tuyển tinh sơ bộ: Sản phẩm quặng tinh sơ bộ được phân tích XRD và EDX theo từng cấp hạt (+0,149 mm; -0,149 + 0,074 mm; -0,074 mm) để đánh giá mức độ bám dính của tạp chất khoáng vật thạch anh, felspat, mica trên bề mặt vảy graphit thô.
Chương 4: Nghiên cứu thu hồi quặng tinh graphit vảy thô bằng nghiền chà xát và tuyển nổi
Chương 4 đi sâu giải quyết vấn đề kỹ thuật cốt lõi là làm sạch quặng tinh graphit vảy thô (+0,149 mm) bằng công nghệ nghiền chà xát:
- Thiết lập phương pháp luận phân tích tỷ trọng quặng tinh sơ bộ cấp +0,149 mm trong dung dịch nặng bằng máy ly tâm để xác định chính xác hàm lượng cacbon và mức độ giải phóng khoáng vật ở các phân đoạn tỷ trọng.
- Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ nghiền chà xát: khảo sát nồng độ bùn quặng (% rắn), tốc độ quay cánh khuấy của thiết bị chà xát, tỷ lệ bi/quặng (B/q) và thời gian nghiền chà xát.
- Xác lập đồ thị tương quan và tính toán các hệ số: hệ số bảo tồn cấp hạt thô $K_P$, hệ số giải phóng khoáng vật $K_L$, và hệ số tối ưu nghiền chà xát $K_O$. Điểm tối ưu $K_O$ đạt được tại chế độ công nghệ đảm bảo bóc sạch các hạt silicat bám dính trên bề mặt vảy mà độ dày vảy chỉ mỏng đi chút ít, diện tích vảy không bị phá vỡ vụn.
- Kết hợp nghiền chà xát và tuyển nổi quặng tinh thô cho thấy hàm lượng cacbon trong quặng tinh vảy thô tăng lên rõ rệt mà vẫn duy trì được tỷ lệ thu hồi cấp hạt +0,149 mm.
Chương 5: Nghiên cứu sơ đồ tuyển nổi nhằm thu hồi tối đa tinh quặng graphit dạng vảy
Chương 5 nghiên cứu hoàn thiện sơ đồ công nghệ tổng thể và kiểm chứng thực nghiệm:
- Khảo sát các phương án tuyển tinh thu hồi graphit hạt mịn (-0,149 mm) và tuyển lại các dòng sản phẩm trung gian.
- Thử nghiệm 5 sơ đồ tuyển nổi vòng kín trong phòng thí nghiệm (từ Sơ đồ 1 đến Sơ đồ 5) với các cấu hình 2 lần nghiền chà xát, 3 lần nghiền chà xát và các phương án xử lý tuần hoàn sản phẩm trung gian sang khâu tuyển tinh thích hợp.
- Thiết kế, lắp đặt và vận hành chạy thử nghiệm hệ thống dây chuyền pilot với công suất 100 kg/h tại hiện trường. Kết quả chạy pilot khẳng định tính ổn định của sơ đồ công nghệ và chế độ thuốc tuyển đã đề xuất.
- Kết quả phân tích thành phần quặng tinh và quặng thải trên dây chuyền pilot xác nhận:
- Quặng tinh graphit vảy thô (cấp hạt +0,149 mm / +100 mesh): Hàm lượng C > 94%, mức thực thu tương ứng > 33%.
- Quặng tinh graphit vảy mịn (cấp hạt -0,149 mm): Hàm lượng C > 82%, mức thực thu tương ứng > 60%.
- Tổng mức thực thu cacbon của toàn quy trình đạt trên 93%.
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới về mặt khoa học:
- Đã xác định rõ đặc điểm dạng tồn tại của khoáng vật graphit mỏ Bảo Hà (Lào Cai) với 90 ÷ 95% là graphit dạng vảy và 5 ÷ 10% là graphit vi tinh thể vô định hình; đồng thời làm sáng tỏ đặc điểm xâm nhiễm của các khoáng tạp silicat (thạch anh, illit, felspat, clorit) và sunphua (pyrotin, pyrit) bám dính mịn trên nền vảy graphit.
- Đã đề xuất phương pháp luận nghiên cứu và hệ số tối ưu nghiền chà xát $K_O$ dựa trên phân tích rây kết hợp phân tích tỷ trọng trong dung dịch nặng bằng máy ly tâm. Tiêu chí này cho phép đánh giá định lượng và tối ưu hóa quá trình nghiền chà xát, vừa giải phóng triệt để khoáng tạp vừa bảo tồn được kích thước vảy thô.
- Làm rõ cơ sở khoa học của sơ đồ tuyển nổi sơ bộ ở độ mịn nghiền thô (-0,5 mm) kết hợp với khâu nghiền chà xát quặng tinh sơ bộ để thu hồi tối đa graphit dạng vảy.
Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp công nghệ:
- Lần đầu tiên tại Việt Nam, tác giả đã nghiên cứu, đề xuất và áp dụng thành công quy trình công nghệ nghiền thô tuyển nổi sơ bộ kết hợp nghiền chà xát quặng tinh graphit, được kiểm chứng trên dây chuyền pilot công suất 100 kg/h.
- Quy trình công nghệ đề xuất cho phép thu hồi đồng thời 2 dòng sản phẩm thương phẩm có giá trị kinh tế cao: quặng tinh graphit vảy thô (+0,149 mm) đạt hàm lượng C > 94% với thực thu > 33%; quặng tinh graphit vảy mịn (-0,149 mm) đạt hàm lượng C > 82% với thực thu > 60%; tổng thực thu cacbon đạt trên 93%.
- Sơ đồ công nghệ giúp giảm chi phí năng lượng nghiền quặng nguyên khai do tuyển sơ bộ ở độ mịn nghiền thô, đồng thời cung cấp bộ số liệu kỹ thuật hoàn chỉnh phục vụ thiết kế và vận hành các nhà máy tuyển graphit quy mô công nghiệp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu:
- Mẫu thí nghiệm công nghệ được gộp theo tỷ lệ cố định (35% quặng phong hóa và 65% quặng gốc) dựa trên trữ lượng trung bình toàn mỏ; chưa khảo sát chi tiết sự biến động chỉ tiêu công nghệ khi tỷ lệ này thay đổi lớn trong từng giai đoạn khai thác mỏ thực tế.
- Nghiên cứu dừng lại ở khâu tuyển khoáng vật lý (tuyển nổi và nghiền chà xát) để thu sản phẩm quặng tinh hàm lượng từ 82 ÷ 94% C, chưa thực hiện các khâu tinh chế sâu bằng phương pháp hóa học hoặc hóa - nhiệt để tạo ra sản phẩm graphit siêu sạch (> 99% C).
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Tiếp tục nghiên cứu công nghệ chế biến sâu (tẩy tạp chất bằng axit/kiềm hoặc xử lý nhiệt) trên nền quặng tinh graphit vảy mỏ Bảo Hà để đạt độ tinh khiết > 99,9% C, phục vụ chế tạo graphit hình cầu và vật liệu điện cực pin Lithium-ion.
- Mở rộng áp dụng phương pháp luận nghiền chà xát chọn lọc và sơ đồ tuyển nổi kết hợp cho các đối tượng quặng graphit dạng vảy khác tại Việt Nam như mỏ Yên Thái, Mậu A (Yên Bái) và Nậm Thi (Lào Cai).
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng và tham khảo cho các đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Tuyển khoáng, Khoa học Vật liệu, Địa chất công nghệ tại các trường đại học và viện nghiên cứu chuyên ngành.
- Kỹ sư công nghệ, chuyên gia tuyển khoáng và các đơn vị tư vấn thiết kế mỏ trong việc lựa chọn thiết bị nghiền chọn lọc (nghiền chà xát) và thiết lập sơ đồ tuyển quặng graphit vảy.
- Các doanh nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản graphit tại Lào Cai, Yên Bái trong công tác điều chỉnh, nâng cấp dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao hàm lượng cacbon và thu hồi sản phẩm graphit vảy thô giá trị cao.
- Phần có giá trị tham khảo chuyên môn sâu gồm: Phương pháp luận xác định hệ số tối ưu nghiền chà xát $K_O$ bằng phân tích tỷ trọng ly tâm; bộ thông số chế độ thuốc tuyển nổi quặng graphit Bảo Hà; và dữ liệu vận hành thực tế của hệ thống pilot công suất 100 kg/h.
Câu hỏi thường gặp
1. Cấu trúc và dạng tồn tại của khoáng vật graphit trong quặng mỏ Bảo Hà có đặc điểm gì nổi bật?
Quặng graphit mỏ Bảo Hà chứa 90 ÷ 95% graphit ở dạng vảy, dạng tấm kéo dài hoặc dạng sợi với kích thước dao động từ $(0,05 \times 0,2)\text{ mm}$ đến $(0,15 \times 0,5)\text{ mm}$; graphit dạng vi tinh thể vô định hình chỉ chiếm 5 ÷ 10%. Các khoáng tạp silicat (thạch anh, illit, felspat, clorit) và sunphua xâm tán mịn xen kẹp trong các lớp vảy graphit.
2. Tại sao luận án lại áp dụng thiết bị nghiền chà xát thay vì máy nghiền bi hoặc nghiền thanh truyền thống để xử lý quặng tinh sơ bộ?
Nghiên cứu so sánh và phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy máy nghiền bi và nghiền thanh tạo lực va đập làm vỡ nát diện tích hạt vảy graphit thô. Ngược lại, máy nghiền chà xát tác động lực ma sát mài xiết chủ yếu làm giảm độ dày và bóc tách các khoáng tạp silicat bám dính trên bề mặt vảy mà hầu như không làm giảm diện tích vảy graphit, giúp nâng cao hàm lượng cacbon mà vẫn bảo tồn cấp hạt thô +0,149 mm.
3. Chỉ tiêu công nghệ cuối cùng đạt được của quy trình tuyển quặng graphit mỏ Bảo Hà là bao nhiêu?
Quy trình công nghệ thu được quặng tinh graphit vảy thô (cỡ hạt +0,149 mm) có hàm lượng C > 94% với mức thực thu tương ứng > 33%; quặng tinh graphit vảy mịn (cỡ hạt -0,149 mm) có hàm lượng C > 82% với thực thu > 60%; tổng mức thực thu cacbon của toàn quy trình đạt trên 93%.
4. Mẫu quặng nghiên cứu công nghệ của luận án được phối lập theo tỷ lệ nào và có hàm lượng cacbon ban đầu là bao nhiêu?
Mẫu gộp công nghệ có tổng khối lượng 5.000 kg, được phối lập đại diện toàn mỏ gồm 35% quặng phong hóa (hàm lượng 10,78% C) và 65% quặng gốc (hàm lượng 11,85% C), cho hàm lượng cacbon trung bình của mẫu nghiên cứu là 11,15% C.
5. Thử nghiệm trên quy mô pilot của luận án được thực hiện với năng suất bao nhiêu và nhằm mục đích gì?
Hệ thống thiết bị pilot được thiết kế, lắp đặt và vận hành với năng suất 100 kg/h nhằm kiểm chứng tính ổn định của sơ đồ công nghệ vòng kín và chế độ thuốc tuyển đã xác lập trong phòng thí nghiệm, cung cấp cơ sở tin cậy cho việc triển khai quy mô công nghiệp.
Kết luận
Luận án đã giải quyết thành công bài toán công nghệ tuyển làm giàu quặng graphit mỏ Bảo Hà (Lào Cai) theo hướng thu hồi tối đa sản phẩm graphit cấu trúc dạng vảy có giá trị thương phẩm cao. Bằng việc làm sáng tỏ đặc điểm khoáng vật và xác lập phương pháp luận tối ưu hóa quá trình nghiền chà xát kết hợp phân tích tỷ trọng ly tâm, tác giả đã xây dựng sơ đồ tuyển nổi sơ bộ ở độ mịn nghiền thô (-0,5 mm) và nghiền chà xát quặng tinh sơ bộ. Kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng trên dây chuyền pilot 100 kg/h, thu được quặng tinh vảy thô (+0,149 mm) hàm lượng C > 94% và quặng tinh vảy mịn hàm lượng C > 82% với tổng thực thu trên 93%, đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn quan trọng cho ngành kỹ thuật tuyển khoáng tại Việt Nam.
