Nghiên cứu ứng dụng nguyên liệu fenspat bán phong hóa kinh môn hải dương vào sản xuất gốm sứ nhằm sử dụng hợp lý và hiệu quả nguồn tài nguyên của địa phương

c Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả - Nghiên cứu các tính chất sử dụng của fenspat Kinh Môn, Hải Dương: thành phần hóa, thành phần khoáng, khoảng nhiệt độ c

SỬ DỤNG HỢP LÝ VÀ HIỆU QUẢ NGUỒN TÀI NGUYÊN

CỦA ĐỊA PHƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU PHI KIM

-

PHAN DUY DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGUYÊN LIỆU FENSPAT BÁN PHONG

HÓA KINH MÔN HẢI DƯƠNG VÀO SẢN XUẤT GỐM SỨ NHẰM

SỬ DỤNG HỢP LÝ VÀ HIỆU QUẢ NGUỒN TÀI NGUYÊN

CỦA ĐỊA PHƯƠNG

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng nguyên liệu fenspat bán phong hóa Kinh Môn, Hải

Dương vào sản xuất gốm sứ nhằm sử dụng hợp lý và hiệu quả nguồn tài nguyên của địa phương

Tác giả luận văn: Phan Duy Dũng Khóa: 2009

Người hướng dẫn: PGS TS Huỳnh Đức Minh

Nội dung tóm tắt:

a) Lý do chọn đề tài

Trong ngành công nghiệp gốm sứ, nhu cầu sử dụng nguyên liệu fenspat đang ngày một tăng lên, hiện tại hàng năm các công ty trong nước vẫn đang phải nhập khẩu rất nhiều fenspat để phục vụ cho sản xuất từ một số nước như Trung Quốc, Ấn Độ… Một nguyên nhân quan trọng của hiện tượng trên xuất phát từ việc khai thác, sử dụng kém hiệu quả, không hợp lý các nguồn fenspat trong nước Do vậy nhu cầu cấp thiết đặt ra hiện nay không chỉ là tìm ra nguồn fenspat mới mà còn phải khảo sát các tính chất sử dụng của fenspat và tìm ra phạm vi cũng như phương phức sử dụng hợp lý nguồn nguyên liệu đó

Mỏ Fenspat ở Kinh Môn, Hải Dương có trữ lượng khá lớn, tuy nhiên chưa có nghiên cứu cụ thể nào về tính chất cũng như phạm vi sử dụng hiệu quả của nguồn nguyên liệu đó

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu, khảo sát các tính chất của fenspat Kinh Môn, Hải Dương Trên cơ sở

đó xác định phạm vi, biện pháp sử dụng loại fenspat trên trong lĩnh vực sản xuất các sản phẩm gốm sứ

c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

- Nghiên cứu các tính chất sử dụng của fenspat Kinh Môn, Hải Dương: thành phần hóa, thành phần khoáng, khoảng nhiệt độ chảy, trạng thái mẫu sau khi nung

- Sử dụng fenspat Kinh Môn làm nguyên liệu sản xuất gạch lát ceramic

chủng loại sản phẩm trên

d) Phương pháp nghiên cứu

- Chế tạo các mẫu có sử dụng fenspat Kinh Môn – Hải Dương tùy theo từng nội dung nghiên cứu

- Nung các mẫu trong điều kiện phòng thí nghiệm và tại nhà máy sản xuất thực tế

- Khảo sát các tính chất của các mẫu sau khi nung

e) Kết luận

Qua quá trình thực nghiệm, luận văn rút ra các kết luận sau:

- Luận văn đã khảo sát được các tính chất của fenspat Kinh Môn (FKM) cụ thể như sau:

+ FKM là loại fenspat có chất lượng trung bình

+ Tổng hàm lượng oxit kiềm đạt 7,47%, tỷ lệ K2O/Na2O > 1 (1,44)

+ Hàm lượng tạp gây màu lớn (% Fe2O3 = 1,47%), sau nung FKM có màu xám

+ Nhiệt độ bắt đầu chảy khá cao (12200C), khoảng nhiệt độ chảy rộng

- FKM có thể sử dụng trong phối liệu gạch lát ceramic dưới dạng sử dụng toàn

bộ fenspat trong phối liệu là FKM hoặc kết hợp giữa FKM với các loại fenspat khác

- Có thể dùng FKM trong phối liệu xương đáy của gạch granit sản xuất theo phương pháp dải liệu hai lần dưới dạng riêng rẽ hoặc kết hợp với loại fenspat khác, nên dùng loại có tỷ lệ K2O/Na2O < 1

Hà Nội ngày 08 tháng 6 năm 2011

Cán bộ hướng dẫn

PGS TS Huỳnh Đức Minh

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 6

Chương 1 – TỔNG QUAN 8

1.1 Tổng quan về fenspat 8

1.1.1 Thành phần 8

1.1.2 Cấu trúc 9

1.1.3 Phân loại 10

1.1.4 Các tính chất cơ bản của fenspat 13

1.1.4.1 Tính chất vật lý 13

1.1.4.2 Tính chất hóa học 14

1.1.5 Khai thác và gia công fenspat 14

1.2 Diễn biến của fenspat theo nhiệt độ 15

1.2.1 Giản đồ pha 15

1.2.2 Độ nhớt của pha lỏng nóng chảy 18

1.3 Vai trò của fenspat 19

1.3.1 Vai trò của fenspat trong sản xuất gốm sứ 19

1.3.2 Yêu c ầu của fenspat trong các bài phối liệu gốm 22

1.4 Tình hình sử dụng nguyên liệu fenspat ở Việt Nam và trên thế giới 24

1.4.1 Tình hình sử dụng fenspat trên thế giới 24

1.4.2 Sản lượng khai thác fenspat trên thế giới 25

1.4.3 Nguồn nguyên liệu fenspat ở Việt Nam 26

I.5 Định hướng nghiên cứu của đề tài 26

Chương 2 – THỰC NGHIỆM 28

2.1 Khảo sát các tính chất của FKM 28

2.1.1 Các tính chất và phương pháp khảo sát 28

2.1.1.2 Kho ảng nhiệt độ chảy, tính chất của mẫu sau khi nung 28

2.1.2 Kết quả và thảo luận 29

2.1.2.1 Thành phần hóa và thành phần khoáng 29

2.1.2.2 Khoảng nhiệt độ chảy, màu sắc của mẫu sau khi nung 30

2.2 Sử dụng FKM làm nguyên liệu sản xuất gạch lát ceramic 33

2.2.1 Xây dựng bài phối liệu 33

2.2.2 Quy trình thực nghiệm 36

2.2.3 Kết quả và thảo luận 38

2.3 Sử dụng nguyên liệu FKM làm nguyên liệu sản xuất gạch granit 44

2.3.1 Xây dựng bài phối liệu 44

2.3.2 Quy trình thực nghiệm 47

2.3.2.1 Quy trình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm 47

2.3.2.2 Quy trình thực nghiệm tại nhà máy 48

2.3.3 Kết quả và thảo luận 48

2.3.3.1 Kết quả các mẫu nung tại phòng thí nghiệm 48

2.3.3.2 Kết quả các mẫu nung tại nhà máy 54

2.3.3.3 Độ co và hệ số giãn nở nhiệt 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 61

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Thành phần hóa của các loại khoáng fenspat ở trạng thái tinh khiết 8

Bảng 2 Một số thông số vật lý của một số loại fenspat 14

Bảng 3 Sản lượng khai thác fenspat trên thế giới 25

Bảng 4 Thành phần hóa của FKM 29

Bảng 5 Bài phối liệu sản xuất gạch lát ceramic tại nhà máy 34

Bảng 6 Thành phần hóa của các nguyên liệu 34

Bảng 7 Các bài phối liệu sử dụng 35

Bảng 8 Thành phần hóa của các bài phối liệu 36

Bảng 9 Tính chất các mẫu nung ở các nhiệt độ khác nhau 38

Bảng 10 Tính chất của từng mẫu nung ở các nhiệt độ khác nhau 39

Bảng 11 Thành phần hóa của các nguyên liệu sử dụng 45

Bảng 12 Các bài phối liệu sử dụng 46

Bảng 13 Thành phần hóa của các bài phối liệu 46

Bảng 14 Tính chất các mẫu theo nhiệt độ nung 48

Bảng 15 Sự thay đổi tích chất của từng mẫu theo nhiệt độ nung 49

Bảng 16 Tính chất các mẫu nung tại nhà máy 55

Bảng 17 Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu IV và mẫu Đ 57

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 Cấu trúc của Orthoclase, mặt phẳng (010) 10

Hình 2 Giản đồ pha, thể hiện sự hình thành dung dịch rắn và các thuật ngữ của các loại fenspat 11

Hình 3 Giản đồ pha thể hiện sự biến đổi của các fenspat kiềm 12

Hình 4 Giản đổ pha thể hiện quá trình kết tinh từ pha lỏng của hệ KAlSi 3 O 8 – NaAlSi 3 O 8 17

Hình 5 Giản đổ pha của dãy plagioclase 18

Hình 6 Giản đồ cân bằng pha của fenspat kiềm (a) và fenspat plagioclase (b) (The Journal of Geology vol 58 p 582 1950) 20

Hình 7 Các mẫu FKM hình trụ sau khi nung ở các nhiệt độ khác nhau 30

Hình 8 Biểu đồ X-ray của fenspat Kinh Môn – Hải Dương 31

Hình 9 Các mẫu fenspat hình trụ sau khi nung ở nhiệt độ 1260 0 C 32

Hình 10 Đường cong nâng nhiệt trong lò điện cực SiC 37

Hình 11 Sự thay đổi cường độ của các mẫu theo nhiệt độ nung 40

Hình 12 Sự thay đổi độ hút nước của các mẫu theo nhiệt độ nung 40

Hình 13 Sự thay đổi khối lượng thể tích của các mẫu theo nhiệt độ nung 41

Hình 14 Sự thay đổi độ xốp biểu kiến của các mẫu theo nhiệt độ nung 41

Hình 15 Sự thay đổi độ co của các mẫu theo nhiệt độ nung 42

Hình 16 Sự thay đổi cường độ uốn của các mẫu theo nhiệt độ nung 50

Hình 17 Sự thay đổi độ hút nước của các mẫu theo nhiệt độ nung 51

Hình 18 Sự thay đổi khối lượng thể tích các mẫu theo nhiệt độ nung 51

Hình 19 Sự thay đổi độ xốp biểu kiến của các mẫu theo nhiệt độ nung 52

MỞ ĐẦU

Tài nguyên thiên nhiên là nguồn nguyên liệu không tái sinh, do vậy việc khai thác và sử dụng hợp lý tài nguyên là vấn đề không chỉ được đặt ra ở nước ta mà đã được đặt ra ở tất cả các nước trên thế giới

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp gốm sứ và thủy tinh…nhu cầu sử dụng nguyên liệu fenspat cũng tăng lên rất nhanh, ước tính tổng lượng fenspat khai thác trên thế giới năm 2008 tăng gấp 3 lần lượng khai thác năm

1994 (18,3 triệu tấn so với 6,94 triệu tấn)

Ở nước ta, nguồn nguyên liệu fenspat không phân bố tập trung mà rải rác ở các địa phương từ Bắc và Nam Chất lượng các mỏ fenspat thường không đồng đều Trong khi đó, nhu cầu sử dụng nguyên liệu fenspat ở nước ta rất lớn, từ các loại fenspat có chất lượng trung bình đến các loại có chất lượng cao Hiện nay, rất nhiều nhà máy đang phải sử dụng các nguồn fenspat nhập từ nước ngoài, chủ yếu là các loại có chất lượng tốt Do vậy nhu c ầu cấp thiết đặt ra hiện nay không chỉ là khảo sát, tìm kiếm để đưa vào khai thác các mỏ fenspat mới mà còn phải nghiên cứu kỹ

về đặc điểm, tính chất và phải tìm ra phạm vi, biện pháp sử dụng phù hợp của nguồn nguyên liệu đó Trên cơ sở đó, các nhà sản xuất sẽ sử dụng các nguyên liệu theo cách hiệu quả hơn, qua đó tiết kiệm được các nguồn nguyên liệu fenspat chất lượng tốt để sử dụng vào các nhóm sản phẩm chất lượng cao qua đó giảm lượng nguyên liệu fenspat nhập khẩu

Mỏ fenspat ở Kinh Môn – Hải Dương được đánh giá có trữ lượng khá lớn, tuy nhiên c ho đến nay vẫn chưa có nghiên c ứu cụ thể nào về nguồ n nguyên liệu đó Do vậy việc khảo sát đánh giá chất lượng loại fenspat trên cũng như tìm ra chủng loại sản phẩm phù hợp với nó có ý nghĩa quan trọng

Có rất nhiều các chủng loại sản phẩm gốm sứ sử dụng fenspat trong phối liệu, như, sứ dân dụng, sứ điện, sứ vệ sinh, gạch ốp lát ceramic, gạch granit…Fenspat là nguồn cung cấp chính các oxit kiềm (Na2O và K2O) trong các bài phối liệu, nó là nguyên liệu gầy giúp giảm co sản phẩm trong giai đoạn sấy, trong giai đoạn nung

nó đóng vai trò là chất trợ chảy, giảm nhiệt độ nung sản phẩm Tuy nhiên, các nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng hoạt tính trợ chảy và tính chất của lo ại fenspat natri

và fenspat kali là khác nhau, fenspat natri có nhiệt độ bắt đầu chảy thấp, kho ảng chảy nhỏ, độ nhớt pha lỏng nóng chảy thấp nên phù hợp làm nguyên liệu sản xuất men Ngược lại, fenspat kali có nhiệt độ bắt đầu chảy cao hơn, khoảng chảy rộng,

độ nhớt pha lỏng nóng chảy cao nên phù hợp làm nguyên liệu sản xuất xương Do vậy trong phối liệu sản xuất xương sứ thường có xu hướng chọn bài phối liệu có tỷ

lệ K2O/Na2O >1…Các nghiên cứu khác cũng chứng tỏ tỷ lệ K2O/Na2O còn ảnh hưởng đến cả các tính chất kỹ thuật khác của sản phẩm sau khi nung

Trên cơ sở đó luận văn sẽ tập trung giải quyết các vấn đề sau:

- Khảo sát các tính chất sử dụng quan trọng của fenspat Kinh Môn – Hải Dương

- Xác định phạm vi sử dụng của nguồn nguyên liệu trên

- Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng oxit kiềm K2O/Na2O đến các tính chất của sản phẩm nung nhanh trong lò thanh lăn và nung chậm trong kiểu lò truyền thống Qua đó làm rõ hơn yêu c ầu về chất lượng các loại fenspat sử dụng để sản xuất các chủng loại sản phẩm gốm sứ khác nhau

Giải quyết được các vấn đề trên có ý nghĩa r ất lớn, không chỉ đưa ra định hướng sử dụng hiệu quả một nguồn nguyên liệu cụ thể, kết quả của luận văn còn có thể được sử dụng làm cơ sở lựa chọn các loại nguyên liệu fenspat trong các cơ sở sản xuất, cũng như lựa chọ n tỷ lệ K2O/Na2O trong các bài phối liệu phù hợp với quy trình nung nhanh hoặc chậm của nhà máy

Chương 1 – TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về fenspat

Fenspat là các loại alumosilicate kiềm/kiềm thổ khan, gần tương tự nhau về cấu trúc và các tính chất Chúng là nhóm khoáng phổ biến nhất, chiếm khoảng 60 ÷ 65% khối lượng của lớp vỏ trái đất(4)

1.1.1 Thành phần

Công thức tổng quát của một loại fenspat tinh khiết có dạng: XY4O8 trong đó:

- X là cation kim loại kiểm, kiềm thổ Ví dụ: Na+, K+, Ca2+…

- Y là Si4+ và Al3+

Ở trạng thái tinh khiết, có 3 loại fenspat chính là:

- Fenspat kali: K[AlSi3O8] (orthoclase – viết tắt Or)

- Fenspat natri: Na[AlSi3O8] (Albite – hay Ab)

- Fenspat canxi: Ca[Al2Si2O8] (Anorthite – hay An)

Bảng Thành phần hóa của các loại khoáng fenspat ở trạng thái tinh khiết

Trong tự nhiên, ít gặp fenspat ở dạng khoáng riêng lẻ, thường gặp fenspat ở dạng hỗn hợp đồng hình c ủa các khoáng khác nhau Tùy thuộc vào thành phần và cấu trúc chúng được phân ra thành các loại khác nhau Tuy nhiên, fenspat thường có thành phần Al2O3 >14%, tổ ng hàm lượng kiềm (K2O + Na2O) > 6% Nếu hàm lượng 8% < Al2O3 < 14% (K2O + Na2O) > 6% thì thuộc nhóm pegmatit, lượng 2%

1.1.2 Cấu trúc

Fenspat thuộc loại khoáng silicat có cấu trúc khung trong đó các tứ diện [SiO4]4- hoặc [AlO4]5- được liên kết tại cả bốn đỉnh tạo ra khung không gian ba chiều [Si

4–xAl xO8]

x- Sự thay thế đồng hình ion Si4+ bằng ion Al3+ làm thừa điện tích

âm trong mạng lưới Sự mất cân bằng này sẽ được bù lại bằng các cation kim loại kiềm, kiềm thổ nằm trong khoảng trống bên trong khung tứ diện

Cấu trúc fenspat được hình thành bởi các vòng bốn thành viên [(Si 4O12 , gồm có (Al1Si3) ho ặc (Al2Si2) ở mỗi vòng Các vòng được liên kết

với nhau bằng các nguyên tử oxi dùng chung (hai trên mỗi mặt) theo phương a tới

hai vòng bên c ạnh để hình thành các dải zigzag tạo ra việc sử dụng 3 trong 4 đỉnh

chung Những dải này được liên kết theo cả hai hướng b và c nhờ nguyên tử oxi

dùng chung thứ 4 để hình thành nên các khung tứ diện 3 chiều Kết quả là các mặt (010) và (001) được liên kết yếu hơn và dễ dàng bị tách ra Đó là tính chất đặc trưng

của tất cả các loại feldspar (hình 1)

Hình C ấu trúc của Orthoclase, mặt phẳng (010)

Tất cả các lo ại feldspar đều có dạng nhiệt độ cao và dạng nhiệt độ thấp Ở dạng nhiệt độ cao, sự xắp xếp các tứ diện [SiO

4] và [AlO

4] là ngẫu nhiên Trong khi

ở dạng nhiệt độ thấp sự sắp xếp đó có mức độ trật tự cao hơn Cũng có những loại trung gian với các mức độ trật tự Al/Si khác nhau

Về mặt phân lo ại cấu trúc tinh thể, các loại khoáng fenspat có hai cấu trúc đặc trưng là: dạng đơn tà và dạng tam tà

1.1.3 Phân loại

Sự phân loại fenspat được thực hiện dựa trên hai yếu tố:

- Thành phần

- Cấu trúc

Như đã nói ở trên, trong tự nhiên các loại fenspat hiếm khi ở trạng thái tinh khiết mà thường tồn tại ở dạng dung dịch rắn Khi hình thành ở nhiệt độ cao (ví dụ, trong các lo ại đá núi lửa), tồn tại một dãy các dung dịch rắn giữa Or và Ab, các dung dịch rắn đó được gọi là các feldspar kiềm Giữa Albite và Anorthite hình thành một dãy dung dịch rắn vô hạn, chúng được gọi chung là Plagioclase

Hình Gi ản đồ pha, thể hiện sự hình thành dung dịch rắn và thuật ngữ của các loại

- Orthoclase là dạng trung gian c ủa K[AlSi3O8], cũng có cấu trúc đơn tà

hình lăng trụ Orthoclase thường chứa các lớp dày song song với mặt [010], mở rộng theo hướng [001] hoặc có sự phát triển dạng cột theo

hướng [100] Các tinh thể có thể dày vài centimet hoặc thậm chí lên tới

10 centimet, tạo song tinh rất đặc trưng

- Microline là dạng nhiệt độ thấp của K[AlSi3O8] có tinh thể kiểu tam tà hình pinacoidal

- Sandine là dạng kém bền của K[AlSi3O8] với sự sắp xếp ngẫu nhiên của (Al, Si) tạo ra nhờ làm lạnh nhanh các lo ại đá núi lửa Trong quá trình làm lạnh rất chậm của các loại đá sâu (plutonite), sự sắp xếp trật tự Al/Si xảy ra tới mức độ lớn hơn (microline tam tà) ho ặc thấp hơn (orthoclase) Orthoclase hiển nhiên không chuyển sang được dạng tam tà bất chấp việc kéo dài thời gian làm lạnh plutonite

Hình Gi ản đồ pha thể hiện sự biến đổi của các fenspat kiềm

Các fenspat thuộc nhóm Plagioclase: Trong nhóm plagioclase, việc phân

loại phụ thuộc vào hàm lượng Anorthite và Albite Cụ thể:

ra trong quá trình làm lạnh nhanh đá núi lửa Ở nhiệt độ thấp hơn, dãy thường không liên tục và có kèm theo sự phân tách về mặt cấu trúc (tùy thuộc vào vị trí của cation Al3+ trong tinh thể)

Ngoài ra còn có thể gặp fenspat bari, nhóm này gồm hai loại Hyalophane,

(K,Ba) [Al(Al,Si)Si2O8] và Celsian, Ba[Al2Si2O8] đều có tinh thể dạng đơn tà 1.1.4 Các tính chất cơ bản của fenspat

1.1.4.1 Tính chất vật lý

Fenspat có thể ở dạng trong suốt, mờ, đ ục, không màu, trắng, xám hoặc có màu (ví dụ như xanh, hồng, đỏ, nâu) do các tạp chất gây lên Labradorite và orthoclase có thể phát ngũ s ắc và được sử dụng với các mục đích trang trí Các loại fenspat cũng có thể ở dạng thủy tinh hoặc đôi khi có ánh xà cừ Thậm chí fenspat nóng chảy, ban đầu có màu tối, thường chuyển sang dạng thủy tinh không màu trong suốt khi đóng rắn

Mặt cát khai (001) rất tốt, kém hơn là mặt (010) còn mặt (110) thì khó quan sát

[plagioclase cũng tách ở mặt (110)], Orthoclase được nhận biết từ các mặt cát khai thẳng góc phân biệt (001) và (010) Các tinh thể plagioclase dạng tam tà có góc giữa các mặt (001) và (010) bị lệch một vài độ so với góc 900 Mặt gãy dạng vỏ sò, không bằng phẳng và dễ vỡ vụn

Trong trạng thái tinh thể các fenspat kiềm trở nên dẫn điện ở nhiệt độ trung bình Hiện tượng ion hóa được quan sát thấy ở trên 9000C Trong trạng thái lỏng, albite là một trong những khoáng silicate phân ly mạnh nhất

Bảng Một số thông số vật lý của một số loại fenspat

khúc xạ

Khối lượng riêng g/cm3

Độ cứng thang mosh

Nhiệt dung riêng trung bình(Jg-1K-1)

Trong tự nhiên, dưới tác dụng của quá trình phong hóa với sự có mặt của axit cacbonic, fenspat bị hòa tan và chuyển sang dạng khoáng sét caolinit

K2O.Al2O3.6SiO2 + 2H2O + CO2 Al2O3.2SiO2.2H2O + K2CO3 + 4SiO2 Các fenspat kiềm bị các axit mạnh phân hủy từ từ, tạo ra c ặn axit polysilicic Tuy nhiên, anorthite dạng bột có thể bị hòa tan hoàn toàn trong axit clohydric ở

1000C Dưới áp suất cao (ví dụ như trong autoclave ở 200 bar) fenspat kali được chuyển thành cao lanh bằng axit hydrofloric 5% ở 2250C hoặc bằng HCl 0,5 – 1 mol/l ở 320 – 3300C Anorthite hầu như bị chuyển hóa hoàn toàn thành cao lanh nhờ xử lý với axit HCl nồng độ 0,5 mol/l ở 3400C.(4)

Các dung dịch kiềm đậm đặc phân hủy các fenspat kiềm hoàn toàn ở trên

1100C Phản ứng với các dung dịch kiềm 1 – 2% tạo thành các sản phẩm tan

1.1.5 Khai thác và gia công fenspat

Hiện nay, trên thế giới chủ yếu khai thác các loại fenspat kiềm, các nhóm khoáng fenspat plagioclase có giá trị thấp nên ít được khai thác Fenspat sau khi khai thác sẽ được trải qua quá trình gia công trước khi được đưa đến các đơn vị sử dụng

Việc gia công fenspat nhằm loại bỏ các tạp chất, làm giàu các thành phần có ích, đồng thời đưa nguyên liệu fenspat đ ầu về dạng bột mịn, thuận lợi cho quá trình

sử dụng sau này Tuyển nổi đang là phương pháp được sử dụng trong hầu hết các quá trình làm giàu mỏ fenspat Trong phương pháp này, đá được đập sơ bộ và đập thứ cấp và nghiền trong máy đ ập hàm, đập côn và nghiền trục cho đến khi giảm đến kích thước nhỏ hơn 841 μm (20 mesh) Sau đó được trải qua 3 giai đoạn và chu trình tuyển nổi axit Lớp chứa amine nổi lên trên và mica được loại bỏ là bước đầu tiên Ngoài ra, axit sufuric, dầu thông và dầu nhiên liệu cũng được thêm vào Sau khi loại nước và các tác nhân trong các cyclon hoặc thiết bị phân ly, axit sunfuric được thêm vào để làm giảm pH Sulfonat dầu mỏ được sử dụng để loại bỏ các khoáng chứa sắt Để kết thúc quá trình tuyển nổi, bã được loại nước tiếp từ giai đoạn tuyển nổi thứ hai, và cation amin được sử dụng để thu gom fenspat nổi lên tách khỏi quarzt trong môi trường axit clohidric (pH 2,5 đến 3)

Fenspat sau tuyển nổi được tách ẩm đến độ ẩm 5 – 9 % Sau đó dùng máy sấy thùng quay để giảm độ ẩm xuống dưới 1% Máy sấy thùng quay là máy sấy được sử dụng phổ biến nhất, ngoài ra có thể sử dụng máy sấy nằm Máy sấy fenspat điển hình được đốt cháy bằng nhiên liệu khí tự nhiên hoặc dầu, vận hành ở khoảng

2300C và có thời gian lưu từ 10 – 15 phút Phân ly từ được sử dụng như giai đoạn

dự phòng để loại bỏ các khoáng chứa sắt Thực tế còn tiến hành sấy nghiền liên hợp

để giảm kích thước fenspat xuống dưới 74 μm (200mesh) để thuận lợi cho việc làm nguyên liệu trong sản xuất gốm sứ, phụ gia cho sơn (7)

1.2 Diễn biến của fenspat theo nhi ệt độ

1.2.1 Giản đồ pha

Tính chất nhiệt của các lo ại fenspat đã được xác định từ các loại fenspat tinh khiết và hỗn hợp của chúng Ở đây cần lưu ý rằng, nhiệt độ nóng chảy của fenspat rất khó xác định do hiện tượng nóng chảy của chúng diễn ra rất chậm Quá trình nóng chảy bắt đầu trên bề mặt các tinh thể và quá trình diễn ra chậm đến mức nhiều tinh thể vẫn có thể tồn tại cùng chất lỏng nóng chảy trong một thời gian dài, ngay cả

ở những nhiệt độ cao hơn điểm nóng chảy Do đó, giá trị nhiệt độ nóng chảy thường được tính trong một dải nhiệt độ

Xét giản đồ (a) Hình 4: ở áp suất P = 1 bar, Fenspat natri nóng chảy không

phân hủy tạo thành pha lỏng nóng chảy, nhớt ở nhiệt độ 11180C ±30C Fenspat kali nóng chảy ở nhiệt độ 1150 0C ± 200C, đồng thời hình thành tinh thể leucite (K2O.Al2O3.4SiO2) Nhiệt độ nóng chảy thấp nhất của hỗn hợp fenspat kiềm là

10700C, tương ứng với thành phần 65% fenspat kali và 35% fenspat natri Xét quá trình làm lạnh một pha lỏng đổng nhất có thành phần ứng với điểm O Hệ bắt đầu tách thành pha rắn có thành phần C ở nhiệt độ ứng với điểm P Khi xuống phía dưới điểm D, tạo thành dung dịch rắn đồng nhất ứng với một loại fenspat Tuy nhiên khi xuống dưới nhiệt độ 6500C, pha fenspat đó lại bị tách thành hai pha rắn không đồng nhất Hiện tượng này được gọi là hiện tượng perthite hóa Hiện tượng này xảy ra nhờ sự dịch chuyển chọn lọc của các cation nhỏ và lớn (điều này dẫn đến sự phát triển xen kẽ ổn định của orthoclase (hoặc microline) và albite, với sự hình thành đặc trưng của các vật thể dạng sợi, xoắn, chúng có thể ở dạng vĩ mô (macroperthite), dạng vi mô (microperthite) ho ặc dưới vi mô (cryptoperthite) Microline-perthite bao gồm microcline chứa các chuỗi albite và antiperthite chứa albite với các chuỗi orthoclase Trên hình 6 (a), có thể thấy sự hình thành leucite diễn ra trong một dải nhiệt độ rất rộng, với fenspat kali nguyên chất, leucite bắt đầu hình thành ở khoảng nhiệt độ 11700C và sẽ hoàn toàn biết mất, hay tan chảy hoàn toàn ở nhiệt độ

15300C

Xét giản đồ (b) Hình 4: Khi có mặt hơi nước ở áp suất 6 kb, giản đổ pha của

hệ KalSi 3 O 8 –NaAlSi 3 O 8 thay đổi rất rõ rệt Điểm đầu tiên có thể nhận thấy là pha

leucite không xuất hiện và fenspat kali nóng chảy không bị phân hủy Các giá trị nhiệt độ nóng chảy giảm xuống, các thành phần thay đổi liên tục dọc theo đường lỏng và đường rắn khi làm lạnh

Hình Giản đổ pha thể hiện quá trình kết tinh từ pha lỏng của hệ KAlSi3O8 – NaAlSi3O8

(a) Tại P=1bar (N L Bowen và O F Tuttle J Geol vol 58 1950.)

(b) tại P H2O = 6kb (Diagrammatic)

Xét giản đồ pha hai thành phần NaAlSi3O8 – CaAl2Si2O8 (hình 5) Giữa

fenspat natri và fenspat canxi tồn tại các dung dịch rắn liên tục Ở áp suất 1bar, tương tự fenspat natri, fenspat canxi cũng nóng chảy không phân hủy tạo thành pha lỏng đồng nhất nhưng lại ở nhiệt độ cao hơn rất nhiều, 15530C Khi có mặt hơi ẩm,

áp suất của hơi nước là 5000 bar thì gần như giản đồ pha tịnh tiến xuống vị trí thấp hơn khoảng 3000

C

Hình Gi ản đổ pha của dãy plagioclase

1.2.2 Độ nhớt của pha lỏng nóng chảy

Fenspat nóng chảy rất chậm do chất lỏng nóng chảy của nó có độ nhớt cao và

độ nhớt cũng là một cơ sở để xác định tính chất nhiệt của các loại fenspat Thông thường, để xác định tính chất này người ta thường tính toán thông qua sự biến dạng của côn fenspat khi đốt nóng với một tốc độ nhất định (ví dụ 200/giờ) trong sự so sánh với sự biến dạng của côn pyrometric chuẩn đốt nóng ở cùng tốc độ Để diễn tả

độ nhớt trong trường hợp này, người ta thường dùng thuật ngữ côn pyrometric tương đương (c,p,t)

Ở các nhiệt độ tương tự nhau thì độ nhớt của fenspat natri nóng chảy thấp hơn

độ nhớt của fenspat kali nóng chảy Các fenspat kiềm có độ nhớt nằm trung gian,

Nguyên nhân do fenspat kali nóng chảy phân hủy thành leucite và chất lỏng nóng chảy, leucite lưu lại trong chất lỏng nóng chảy, làm cho độ nhớt của pha lỏng nóng chảy tăng lên

Các nghiên c ứu về độ nhớt còn cho thấy, sự có mặt của SiO2 tự do sẽ làm tăng

độ nhớt của fenspat nóng chảy đồng thời cũng ngăn chặn việc giảm độ nhớt khi tăng nhiệt độ, do đó sự có mặt của SiO2 tự do sẽ làm tăng giá trị c,p,t của fenspat Hiện tượng này ảnh hưởng rõ rệt nhất đến fenspat natri, thực nghiệm cho thấy, độ chịu lửa của fenspat natri sẽ tăng lên khi có 10% hàm lượng SiO2 tự do, trong khi giá trị hàm lượng SiO2 tự do bắt đầu gây ảnh hưởng đến độ nhớt của fenspat kali là 20%

Sự có mặt của các thành phần khác cũng gây ảnh hưởng đến độ nhớt của fenspat nóng chảy Hàm lượng Fe2O3 vượt quá 0,3 % ho ặc hàm lượng các oxit của

Ca, Mg, Zr, Ba từ 2 đến 5 % cũng có thể làm giảm độ nhớt của fenspat nóng chảy

1.3 Vai trò của fenspat

1.3.1 Vai trò của fenspat trong sản xuất gốm sứ

Fenspat là một trong những loại nguyên liệu chính trong phối liệu sản xuất gốm sứ

Về mặt thành phần hóa học, fenspat là cấu tử chính cung c ấp các oxit kiềm, ngoài ra nó còn cung cấp thêm oxit nhôm, oxit silic cho phối liệu Vai trò của fenspat được thể hiện trong cả giai đoạn sấy, nung và có tác động đến tính chất của sản phẩm sau nung

Trong giai đoạn sấy, fenspat là một loại nguyên liệu gầy, giúp giảm co khi s ấy, tránh hiện tượng cong vênh, nứt sản phẩm, mặt khác tạo điều kiện thoát ẩm tốt hơn nên sấy sản phẩm nhanh hơn

Trong giai đoạn nung, fenspat đóng vai trò làm chất trợ chảy Chất trợ chảy là chất có tác dụng làm giảm nhiệt độ nung sản phẩm, ngay cả khi được sử dụng với hàm lượng nhỏ Mục tiêu của quá trình nung là giúp s ản phẩm kết khối để đạt được các tính chất kĩ thuật, như độ bền cơ học, độ hút nước, khối lượng thể tích…Quá

khối không có mặt pha lỏng, còn gọi là kết khối pha rắn Trong công nghiệp gốm

sứ, thì cơ chế khối khối có mặt pha lỏng là phổ biến nhất Vai trò làm chất trợ chảy của fenspat được làm rõ thông qua việc phân tích cơ chế trên

học với nhau Cụ thể, fenspat nóng chảy hòa tan các hạt thạch anh và các sản phẩm của quá trình phân hủy nguyên liệu sét, trong đó có mulit (3Al2O3.2SiO2) Thông thường, các tinh thể mulit đó sẽ tiếp tục lớn lên khi tăng thời gian xử lý nhiệt tuy nhiên khi có mặt pha lỏng, các tinh thể này có xu hướng khuếch tán vào trong pha lỏng Khi nồng độ ion Al3+ và Si4+ trong chất lỏng nóng chảy trở nên bão hòa, các tinh thể mulit thứ sinh hình kim sẽ được hình thành và phát triển Ở đây cần lưu ý là quy trình nung có vai trò quyết định đến hình dạng và cấu trúc của tinh thể mulit thứ sinh Sự hình thành cũng như hình dạng, cấu trúc, sự phân bố của các tinh thể mulit trong vật liệu là yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến các tính chất của các sản phẩm gốm sứ

Từ giản pha hình 6 (b) có thể thấy các loại fenspat thuộc nhóm plagioclase có nhiệt độ chảy cao, do vậy, trong sản xuất gốm sứ người ta hầu như không dùng các loại fenspat chứa nhiều fenspat canxi

Độ nhớt của fenspat nóng chảy cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc sử dụng chúng Fenspat natri nóng chảy không phân hủy ở nhiệt độ 11180C, tạo thành pha lỏng có độ nhớt thấp, trong khi đó fenspat kali bắt đầu nóng chảy ở nhiệt độ 11500C đồng thời phân hủy ra thành leucite, các tinh thể leucite đó cùng tồn tại với pha lỏng đến nhiệt độ 15300C thì mới bị hòa tan hoàn toàn, làm tăng độ nhớt của pha lỏng nóng chảy Như vậy có thể thấy fenspat kali có một dải nóng chảy khá dài, hơn 3000C Cũng do sự khác biệt như vậy, trong sản xuất gốm sứ, khi đánh giá fenspat, không chỉ đánh giá tổng hàm lượng kiềm, mà còn phải xét đến tỷ

lệ giữa K2O và Na2O Về mặt lý thuyết, fenspat kali có kho ảng chảy rộng, độ nhớt pha lỏng lớn, phù hợp để làm xương sản phẩm Fenspat natri tạo pha lỏng nóng chảy có độ nhớt thấp, nếu làm xương sẽ dẫn đến nguy cơ làm biến dạng sản phẩm khi nung, do vậy không thuận lợi cho phối liệu xương, mà phù hợp để làm men hơn Dựa vào giản đổ pha hình 6 (a), có thể thấy các loại fenspat có tỷ lệ k=

K2O/Na2O >1 đều xuất hiện leucite khi hình thành pha lỏng, do đó độ nhớt của pha lỏng sinh ra cũng lớn hơn độ nhớt của fenspat natri nóng chảy, tỷ lệ k càng lớn thì kho ảng chảy càng rộng Trên thực tế, trong công nghệ sản xuất các sản phầm sứ

truyền thống như (sứ dân dụng, sứ vệ sinh,…) các loại fenspat giàu kali hơn (k>1) được ưu tiên sử dụng Do khi đó, phối liệu sẽ có khoảng nhiệt độ kết khối rộng hơn, khả năng chố ng lại biến dạng của sản phẩm khi nung cũng cao hơn Cũng có những nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi tỷ lệ k > 2 sản phẩm thu được có những tính chất tốt hơn rõ rệt so với các sản phẩm có tỷ lệ k < 2

Bên cạnh đó, trong công nghệ sản xuất các sản phẩm sứ điện, tỷ lệ k đó cũng rất quan trọng Trong chủng loại sản phẩm này, fenspat kali được ưu tiên hơn fenspat natri do nó có tác dụng tốt hơn đến các tính chất điện của sản phẩm

Ngoài ra ta c ần quan tâm đến ảnh hưởng của độ mịn của fenspat đến các tính chất khác của sản phẩm Hạt fenspat nghiền càng mịn thì độ co và cường độ sau khi nung càng tăng, kèm theo đó là mức độ cong vênh nhiều hơn Hệ số giãn nở nhiệt của xương phụ thuộc nhiều vào lượng quartz tự do và sẽ giảm khi nhiệt độ nung tăng Nói chung fenspat natri có xu hướng làm tăng hệ số giãn nở nhiệt của xương 1.3.2 Yêu cầu của fenspat trong các bài phối liệu gốm

Do những vai trò quan trọng đã trình bày ở trên, fenspat được sử dụng cùng với các loại nguyên liệu khác làm nguyên liệu đầu để sản xuất rất nhiều chủng loại sản phẩm gốm sứ khác nhau như: gạch ốp lát ceramic, gạch granit, sứ vệ sinh, sứ điện, sứ dân dụng, sứ mĩ nghệ… Xuất phát từ những yêu cầu khác nhau về tính chất

kỹ thuật và mỹ thuật của sản phẩm nên yêu c ầu của fenspat trong các nhóm sản phẩm khác nhau là khác nhau

 Trong phối liệu sứ dân dụng, sứ mỹ nghệ, sứ điện

Các chủng loại sản phẩm trên đều là các s ản phẩm có độ kết khối rất cao, độ hút nước ≈ 0%, cường độ cao

Sứ dân dụng và sứ mỹ nghệ ngoài những yêu cầu chung về cường độ, độ hút nước, còn phải xét đến các yếu tố mỹ thuật của sản phẩm Do đó mà xương sứ phải

có độ trắng cao

Với sản phẩm sứ điện, ngoài các tính chất kỹ thuật thông thường còn phải đ ảm bảo đạt các tiêu chuẩn về tính chất điện Để đảm bảo có khả năng cách điện cao, bài

phối liệu cần hạn chế tối đa cation Fe3+, bên cạnh đó tỷ lệ K2O/Na2O trong bài phối liệu cũng được ưu tiên >1

Như vậy các nguyên liệu dùng để sản xuất các sản phẩm trên đều phải hạn chế tối đa lượng tạp chất gây màu, ví dụ như Fe3+, Ti3+

Các sản phẩm trên được nung trong lò nung coi thoi, hoặc lò nung tuy nen, thời gian nung lớn, thời gian lưu ở vùng nhiệt độ cao dài

Như vậy, nguyên liệu fenspat sử dụng cho phối liệu sứ dân dụng, sứ mĩ nghệ,

sứ điện cần hai yêu cầu cơ bản:

- Hàm lượng tạp chất gây màu trong fenspat phải rất thấp

- Ưu tiên loại fenspat kiềm có tỷ lệ K2O/Na2O >1

 Trong phối liệu sứ vệ sinh

Các sản phẩm sứ vệ sinh có kích thước lớn, hình dạng phức tạp, được tạo hình bằng phương pháp đổ rót, sản phẩm được nung trong lò tuynen hoặc lò con thoi Sản phẩm sau khi nung c ần có cường độ cao, độ hút nước ≈ 0, xương sứ cần có

- Tỷ lệ K2O/Na2O >1: Giúp chống biến dạng cho sản phẩm khi nung

 Trong phối liệu gạch granit

Gạch granit là lo ại gạch lát nền, thuộc nhóm gốm mịn, có độ kết khối và các tính chất kĩ thuật rất cao Gạch granit có cấu trúc sít chặt, lượng pha tinh thể lớn được phân bố đều trên nền pha thủy tinh Về mặt ngoại quan, gạch granit có thể được tráng men hoặc không tráng men, nó được trang trí bởi bản thân cấu trúc của xương gạch

Hiện nay, trong công nghệ sản xuất các sản phẩm gạch granit có kích thước lớn, các nhà máy thường sử dụng phương pháp ép liệu hai lớp Lớp xương đáy thường có màu trắng, trắng đục Lớp xương mặt mang màu sắc trang trí Phương

pháp này giúp tiết kiệm đáng kể chi phi bột màu mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về chất lượng sản phẩm

Các tính chất kỹ thuật cơ bản của gạch granit như sau:

- Cường độ uốn: Ru > 300 kG/ cm2Hiện nay, nguyên liệu fenspat dùng để sản xuất gạch granit thường dùng các loại có lượng tạp chất gây màu ít, fenspat sau khi nung không bị mang màu tối, xám đảm bảo cho phối liệu có màu sắc sáng, trắng, dễ trang trí, phối màu

 Trong phối liệu gạch ceramic

Gạch ceramic chia làm hai loại: gạch lát ceramic và gạch ốp ceramic

Gạch ốp ceramic thường được trang trí bằng tông màu sáng, màu sắc nhạt, nhẹ, do đó xương gạch lát ceramic cần có độ trắng cao, để thuận lợi cho việc trang trí Theo đó, nguyên liệu fenspat dùng trong s ản xuất gạch ốp ceramic cần có hàm lượng tạp gây màu nhỏ

Gạch lát ceramic là loại gạch thường có xương màu xám trắng hoặc màu đỏ, mặt trên của gạch được phủ bởi một lớp men cùng hoa văn trang trí

Gạch lát ceramic có một một tính chất kỹ thuật cơ bản như sau:

- Cường độ uốn: Ru > 200 kG/ cm2

Do yêu cầu chất lượng xương không cao, nhiệt độ nung thấp nên nguyên liệu fenspat sử dụng chỉ cần loại có chất lượng trung bình, hàm lượng tạp chất gây màu không bị giới hạn quá chặt chẽ

1.4 Tình hình sử dụng nguyên liệu fenspat ở Việt Nam và trên thế giới

1.4.1 Tình hình sử dụng fenspat trên thế giới

Các lo ại fenspat thương phẩm có thể được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, nhưng có hai ngành sử dụng fenspat nhiều nhất là ngành công nghiệp thủy tinh và công nghiệp gốm sứ

Công nghiệp thủy tinh: Fenspat chủ yếu được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất thủy tinh bao bì, sau đó là đến thủy tinh xây dựng (kính tấm) và sợi thủy tinh Các loại fenspat dùng cho thủy tinh được nghiền khá thô, 20 – 40 mesh, và chứa 4 – 6% K2O, 5 – 7% Na2O kho ảng 19% Al2O3 và hàm lượng sắt nhỏ hơn 0,1 % Fenspat là nguồn cung c ấp chủ yếu của nhôm, giúp tăng cả khả năng gia công của thủy tinh nóng chảy và độ bền lý, hóa của sản phẩm cuối Nó cũng cung cấp các oxit kiềm (natri và kali oxit) giúp giảm nhiệt độ nấu, có giá thấp hơn so với việc dùng sô đa Fenspat cũng là nguồn cung cấp silica, fenspat natri được ưa dùng hơn fenspat kali trong hầu hết các trường hợp Các lo ại fenspat điển hình được dùng khoảng 5 – 6 % khối lượng trong phối liệu thủy tinh bao bì

Công nghiệp gốm sứ: Các lo ại fenspat được sử dụng trong sứ vệ sinh, gạch ốp lát, sứ điện, sứ dân dụng, và các loại men Các vấn đề cụ thể liên quan đên việc sử dụng fenspat trong công nghiệp gốm sứ đã được trình bày ở các phần trên

Ngoài ra, fenspat còn được dùng làm chất trợ chảy trong điện cực que hàn, làm chất phụ gia trong công nghiệp sản xuất nhựa, cao su, chất kết dính và chất phủ… 1.4.2 Sản lượng khai thác fenspat trên thế giới

Do là nguồn nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp gố m sứ và thủy tinh nên nên việc khác thác và sử dụng các nguyên liệu fenspat có mối liên hệ qua lại chặt chẽ với hai ngành công nghiệp trên Trong khoảng hai mươi năm qua, cùng với

sự phát triển, mở rộng mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản xuất gốm sứ, thủy tinh

về cả chiều rộng và chiều sâu, đặc biệt là các s ản phẩm thủy tinh kính tấm, sứ vệ sinh, gạch ốp lát thì nhu cầu sử dụng fenspat ngày càng lớn, kèm theo đó là sản lượng fenspat khai thác trên thế giới cũng tăng lên mạnh mẽ Tổng sản lượng

fenspat khai thác trên thế giới trong những năm gần đây được thể hiện trong bảng 3

Bảng Sản lượng khai thác fenspat trên thế giới

Sản lượng

Từ bảng 3, có thể thấy rõ sản lượng fenspat khai thác gần như tăng liên t ục

theo các năm và từ năm 1994 đến 2008, giá trị đó đã tăng gần 3 lần từ 6,49 triệu tấn lên 18,3 triệu tấn

Trong số các quốc gia trên thế giới thì Italia là nước có sản lượng khai thác fenspat lớn nhất, xếp theo sau là các quốc gia như Thổ Nhĩ Kỳ, Trung Quốc, Thái lan (xem phần phụ lục A, B)

1.4.3 Nguồn nguyên liệu fenspat ở Việt Nam

Nguồn nguyên liệu fenspat ở nước ta có trữ lượng khá lớn, phân bố dải rác dọc

từ Bắc và Nam, tập trung nhiều ở các tỉnh như Lào Cai, Phú thọ, Yên Bái, Quảng Bình, Quảng Nam, Đắc lắc, An Giang… Chất lượng mỏ nói chung không cao, hàm lượng SiO2 khá lớn, mỏ thường chứa nhiều tạp chất gây màu như oxit sắt Chất lượng fenspat không đồng đều ngay cả trong một mỏ, thành phần hóa dao động khá rộng Thông tin về một số mỏ fenspat ở Việt Nam được trình bày trong phần phụ lục của luận văn

Mặc dù, chất lượng mỏ chứa nhiều tạp chất làm giảm chất lượng fenspat thương phẩm, nhưng việc khai thác tại các mỏ hiện vẫn chưa hiệu quả, các biện pháp gia công fenspat còn r ất thô sơ, đa số mới dừng lại ở giai đoạn đ ập, nghiền nhỏ nguyên liệu, chưa có các giai đoạn làm giàu và lo ại loại tạp sắt Do vậy, trong một số ngành yêu cầu sử dụng nguồn nguyên liệu fenspat có chất lượng cao, lượng lượng tạp sắt rất thấp, như sản xuất men, thì chủ yếu phải sử dụng các nguyên liệu fenspat nhập khẩu

I.5 Định hướng nghiên cứu của đề tài

Căn cứ vào các nội dung phân tích ở trên có thể thấy nhu cầu sử dụng fenspat

ở nước ta đang rất lớn, các mỏ fenspat hiện tại không đáp ứng đủ cho nhu cầu sản xuất, do vậy vấn đề đặt ra không chỉ là tìm kiếm, khai thác các mỏ fenspat mới mà còn phải nghiên cứu tìm ra khả năng, phạm vi sử dụng hợp lý c ủa nguồn nguyên liệu fenspat đó

Vai trò chính của fenspat trong phối liệu gốm sứ là làm chất trợ chảy, tuy nhiên hoạt tính trợ chảy của fenspat natri và fenspat kali loại khác nhau, do đó để

đánh giá phạm vi ứng dụng của fenspat, việc khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng hai oxit trên trong bài phối liệu đến tính chất của sản phẩm nưng trong các điều kiện nung khác nhau là rất quan trọng

Fenspat bán phong hóa Kinh Môn – Hải Dương hiện đã được đưa vào khai thác và sử dụng, tuy nhiên chưa có một khảo sát cụ thể nào về tính chất cũng như các khả năng ứng dụng của nó trong các nhóm sản phẩm khác nhau, Vì vậy, để đề xuất hướng sử dụng Fenspat bán phong hóa Kinh Môn – Hải Dương một cách hiệu quả nhất trong lĩnh vực gốm sứ đề tài định hướng vào các vấn đề nghiên cứu như sau:

- Khảo sát các tính chất của fenspat bán phong hóa Kinh Môn – Hải Dương

- Trên cơ sở các tính chất đã khảo sát, tiến hành phân tích và định hướng

về khả năng sử dụng nó trong các nhóm sản phẩm gốm sứ khác nhau

- Nghiên c ứu ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng oxit kiềm K2O/Na2O đến các tính chất của sản phẩm nung nhanh trong lò thanh lăn và nung chậm trong các kiểu lò truyền thống

- Thành phần hóa

- Cấu trúc, thành thành khoáng

- Khoảng nhiệt độ chảy

- Tính chât của mẫu sau khi nung

2.1.1.1 Thành phần hóa, thành phần khoáng

Khảo sát thành phần hóa bao gồm việc đánh giá hàm lượng các oxit: SiO2,

Al2O3, Na2O, K2O, CaO, MgO, Fe2O3, TiO2 và hàm lượng mất khi nung (MKN) Việc xác định thành phần hóa có ý nghĩa quan trọng trong việc định hướng phạm vi

sử dụng của fenspat Đặc biệt là các thành phần oxit nhôm, tổng hàm lượng oxit kiềm, tỷ lệ giữa hai lo ại oxit kiềm, hàm lượng tạp chất gây màu như oxit sắt, oxit titan, và hàm lượng mất khi nung

Các tính chất của fenspat không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa mà còn phụ thuộc vào thành phần khoáng Để đánh giá sơ bộ thành phần khoáng, mẫu được nghiền mịn trong cối mã não đến kích thước < 10 μm, sau đó được đo nhiễu xạ Rơnghen để xác định các tinh thể trong mẫu

2.1.1.2 Khoảng nhiệt độ chảy, tính chất của mẫu sau khi nung

Như đã trình bày trong phần tổng quan, nhiệt độ chảy của fenspat không phải

là một giá trị xác định mà nằm trong một dải nhiệt độ Dải nhiệt độ đó được bắt đầu tính từ nhiệt độ bắt đầu chảy, nhiệt độ chảy cầu, nhiệt độ chảy bẹt Khoảng các giá trị nhiệt độ đó sẽ giúp đánh giá tương đối tỷ lệ K2O/Na2O, tỷ lệ trên càng lớn thì

nhiệt độ bắt đầu chảy càng cao và kho ảng cách giữa các mốc nhiệt độ càng lớn, do fenspat kali có nhiệt độ chảy cao hơn, khoảng chảy dài hơn và độ nhớt pha lỏng lớn hơn so với các giá trị tương ứng của fenspat natri Ngoài ra, biết các giá trị nhiệt độ chảy đó cũng giúp xác định phạm vi sử dụng và mức độ sử dụng fenspat Nếu fenspat có nhiệt độ chảy thấp, khoảng cách giữa các giá trị nhiệt độ bắt đầu chảy và chảy cầu ngắn, chứng tỏ độ nhớt pha lỏng thấp, fenspat đó có thể áp dùng để sản xuất men Ngược lại nếu nhiệt độ chảy cao hơn, khoảng nhiệt độ chảy rộng, thì dùng để sản xuất xương sẽ phù hợp hơn

Để xác định khoảng nhiệt độ chảy của fenspat, nguyên liệu fenspat được nghiền mịn, sau đó tạo hình thành các mẫu hình trụ có đường kính 10 mm, chiều cao 12 mm Các mẫu được đặt lên tấm kê rồi đưa vào lò nung, nung tại các giá trị nhiệt độ nung cao nhất khác nhau Sự thay đổi hình dạng của các mẫu sau khi nung

ở các nhiệt độ khác nhau là cơ sở để đánh giá khoảng nhiệt độ chảy của fenspat Tính chất của các mẫu sau khi nung cũng được đánh giá về mặt màu sắc Màu sắc của mẫu sau khi nung cho phép đánh giá hàm lượng tạp gây mầu trong nguyên liệu đồng thời cũng giới hạn phạm vi ứng dụng của nó

2.1.2 Kết quả và thảo luận

Theo chỉ tiêu về việc phân lo ại các nguyên liệu thuộc nhóm fenspat ở mục 1.1.1 thì, FKM thuộc nhóm fenspat do thành phần Al2O3 > 14% và tổng hàm lượng oxit kiềm K2O + Na2O > 6 %

So với các loại fenspat khác, FKM có hàm lượng SiO2 (73,53 %), Al2O3(14,02 %), và tổng hàm lượng oxit kiềm (7,47 %) đều ở mức trung bình và hàm lượng kali nhiều hơn natri, tỷ lệ K2O/Na2O = 1,44

Tạp chất gây màu gồm Fe2O3 và TiO2, trong đó hàm lượng TiO2 rất nhỏ, không gây ảnh hưởng đến tính chất của fenspat, nhưng hàm lượng Fe2O3 tương đối cao (1,47%), hàm lượng này cao hơn nhiều so với các loại fenspat đang sử dụng phổ biến hiện nay

2.1.2.1.2 Thành phần khoáng

Thành phần khoáng c ủa FKM được xác định tương đối thông qua ảnh nhiễu xạ tia X Mẫu FKM được đo nhiễu xạ tia X tại Phòng phân tích khoáng vật, Viện Khoáng sản Việt Nam

Kết quả phân tích cho thấy, FKM có chứa các tinh thể: Albite, Thạch anh, fenspat kiềm (dạng hỗn hợp đồng hình), Illite, Clorit, Kaolinit

2.1.2.2 Khoảng nhiệt độ chảy, màu sắc của mẫu sau khi nung

Các mẫu FKM hình trụ sau khi được gia nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau được

thể hiện trong hình 7

Mẫu sau nung tại