IV. ĐẶC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT TUYỂN QUẶNG APATIT
2. Cơ chế tương tác của các thuốc thử trong quá trình tuyển chọn
lọc quặng apatit
Từ lâu, cơ chế tương tác của các thuốc thử trong quá trình tuyển nổi quặng apatit đã được các nhà khoa học lưu ý nghiên cứu. Quặng apatit (floapatit, cacbonatapatit, v.v...) là các loại khoáng dạng muối phân cực, mà trong thành phần mạng tinh thể có các ion canxi. Các khoáng đi kèm chủ yếu là cacbonat (canxit, đôlômit), các silicat (glauconit, fenspat, nephelin...), thạch anh,v.v... Do đặc tính ion mà đa số các
khoáng này có tương tác với các thuốc thử tập hợp dạng anion chứa các nhóm cacboxylic hoặc sunfat ưa muối. Trong thực tế, người ta đã tuyển các quặng apatit với chất tập hợp chứa các muối cacboxylic, môi
trường tuyển thường là kiềm nhẹ (pH 9,0 ÷ 9,5) . Kiềm liên kết với các ion canxi trong bùn quặng thành các loại xà phòng canxi khó tan. Ngoài ra môi trường này còn tạo điều kiện khoáng hoá bọt, làm các chất tập hợp hấp phụ tốt hơn vào bề mặt hạt khoáng. Lượng dư của các chất điều chỉnh dạng kiềm sẽ làm giảm khả năng tuyển nổi các quặng apatit. Độ chọn lọc của quá trình tuyển cũng tăng kên khi dùng thêm thủy tinh lỏng do thủy tinh lỏng hấp phụ trên bề mặt các hạt khoáng silicat, làm tăng tính hyđrat hoá của chúng và ngăn cản chúng tương tác với các thuốc thử tập hợp.
Khó nhất khi tuyển các quặng apatit loại II là tách chọn lọc các khoáng cacbonat (canxit, đôlômit) đi kèm. Để tách được chọn lọc các khoáng này người ta phải tiến hành tuyển nổi trong môi trường axit (xem phần tuyển thuận làm giầu quặng apatit loại II). Trong môi trường kiềm hoặc trung hoà, người ta đã dùng nhiều chất "nén" khác nhau như thuỷ tinh lỏng, các muối kim loại... nhưng kết quả vẫn không được như mong muốn. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm hiểu bản chất vấn đề thì thấy:
1- Nguyên nhân gây ra độ chọn lọc thấp của quá trình tuyển những hỗn hợp các khoáng apatit và cacbonat (đôlômit) chính là thế điện động (electrokinetic potential) của bề mặt các khoáng rất gần nhau.
Trong môi trường kiềm nhẹ và trung hoà, khi tăng nồng độ các chất tập hợp caboxylic, thế điện động bề mặt của apatit và các khoáng cacbonat tăng lên tương tự nhau. Tuy đôlômit có độ hấp phụ các chất tập hợp cao hơn một chút nhưng điều này không đủ để tách nó ra khỏi apatit.
Việc nghiên cứu sự tương quan giữa các tính chất tinh thể và tính chất tuyển của khoáng canxit và khoáng apatit cũng cho phép xác định được các điều kiện cần để tách chọn lọc hai khoáng này khỏi nhau. Ion canxi trên bề mặt tinh thể khoáng cacbonat là tương đối đồng nhất về mặt năng lượng với nhau hơn so với trên bề mặt hạt khoáng apatit. Chẳng hạn, khoảng cách giữa các ion canxi trên bề mặt mạng canxit là 0,05 anstrom còn trên bề mặt mạng apatit là 0,04 và 0,022 anstrom. Canxit hấp phụ tốt hơn các chất điều chỉnh ưa muối (các polyme chứa các
nhóm ưa nước) nên làm tăng khả năng "nén" của canxit khi tuyển thuận apatit (môi trường kiềm yếu hoặc trung hoà)
2- Độ tan của các khoáng trong các môi trường cũng là vấn đề quan trọng
Khi nghiên cứu độ tan của khoáng apatit trong hệ tuyển, người ta thấy khi chuyển từ môi trường trung hoà và kiềm sang môi trường axit (pH 6) thì độ tan của các khoáng này tăng lên (từ 0,003 g/l lên 0,15 g/l). Trong môi trường axit, các khoáng apatit tương tác với môi trường để tạo ra axit phôtphoric. Trên cơ sở đó, các tính chất tuyển của chúng sẽ khác biệt hẳn với các khoáng cacbonat. Khi đó các khoáng cacbonat sẽ hấp phụ các chất tập hợp mạnh hơn các khoáng apatit và được tuyển loại khỏi apatit (quá trình tuyển ngược quặng apatit).
Bằng phương pháp đánh dấu phóng xạ người ta đã chứng minh được rằng trong môi trường axit, axit oleic hấp phụ mạnh trên bệ mặt hạt quặng đôlômit, còn ngược lại trong môi trường trung hòa, axit oleic lại hấp phụ mạnh trên bề mặt hạt quặng apatit.
Trong môi trường axit, các chất tập hợp chứa các nhóm cacboxylic chủ yếu nằm dưới dạng phân tử (chẳng hạn trong môi trường tuyển đôlômit, thì 95% axit oleic nằm dưới dạng phân tử), vì vậy trong môi trường axit, hiệu quả tập hợp của các chất tập hợp cacboxylic cần được kết hợp với các thuốc thử dạng alkylarylsunfonat (AAS) vì các chất này tạo phức với các chất tập hợp cacboxylic, làm tăng khả năng phân tán chất tập hợp và tăng mức hấp phụ của chúng trên giới hạn khí - lỏng và rắn -
lỏng. Tuy nhiên còn nhiều cách khác giải thích cơ chế tập hợp của các thuốc thử chứa nhóm cacboxylic.
3 - Vấn đề đồng dạng trong cấu trúc của các khoáng và chất tập hợp cũng rất có ý nghĩa.
Khoáng apatit có tính kỵ nước và dễ dàng hấp phụ các chất hoạt động bề mặt có cấu trúc dị cực chứa nhóm ưa muối PO4-3, là nhóm đồng dạng với các anion có trong tinh thể khoáng apatit. Chính độ hyđrat hóa không đồng đều của bề mặt hạt khoáng apatit và độ hyđrat hóa thấp của ion PO4-3 cũng là điều kiện làm tăng mức độ hoạt động tuyển của
khoáng apatit. Đây cũng là tiền đề rất quan trọng để định hướng chế tạo các loại thuốc tập hợp tuyển chọn lọc quặng apatit.
Các chất tập hợp có triển vọng nhất để tuyển chọn lọc quặng apatit là các chất hoạt động bề mặt có chứa nhóm chức ưa muối dạng phôtphat. Các thuốc thử này có thể làm tăng đại lượng âm điện của bề mặt hạt khoáng trong khi các chất hoạt động bề mặt có chứa các gốc ưa muối cacboxylic (COO-) chỉ làm thay đổi thế điện động của bề mặt hạt khoáng với một mức độ nhất định nào đó. Độ dài và cấu hình (mức độ phân nhánh...) của mạch cacbon trong phân tử của chất tập hợp cũng là những yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến tính khả tuyển và tính chọn lọc của chất tập hợp. Chỉ trên cơ sở các nghiên cứu kỹ lưỡng người ta mới có thể đưa ra được cấu trúc tối ưu của chất tập hợp thích hợp nhất với một loại quặng apatit đã cho.
Để có các thuốc tuyển tập hợp chứa nhóm phôtphat ưa muối, người ta có thể sử dụng các polyme ưa nước của các hợp chất vô cơ nhóm polyphôtphat. Để tăng độ chọn lọc của phép tuyển, người ta cũng sử dụng cả các thuốc thử khác với mục đích điều chỉnh môi trường tuyển. Trong thực tế các chất được dùng cho mục đích này thường là các hợp chất họ xenlulo, ví dụ cacboxymetyl xenlulo (CMC).
4- Ngoài ra người ta còn thấy rằng quá trình hấp phụ các chất tập hợp lên bề mặt các khoáng luôn luôn kèm theo các hiệu ứng nhiệt. Vì vậy, đây cũng là một yếu tố được nghiên cứu để tìm ra các điều kiện tuyển chọn lọc tối ưu cho các mùa trong năm (có nhiệt độ khác nhau).