nhiờn bentonit
Cỏc sản phẩm cú chung tờn gọi bentonit bao gồm nhiều loại khỏc nhau. Tựy thuộc vào mục đớch sử dụng cỏc sản phẩm này, người ta ỏp dụng cỏc phương phỏp chế biến khỏc nhau để :
- Loại bỏ cỏc tạp chất khoỏng khụng thuộc nhúm montmorillonit,
- Thay thế cỏc ion trao đổi giữa cỏc lớp: như thay đổi Ca+2, Mg+2 bằng Na+ (hoạt húa kiềm)
- Thay thế cỏc ion trao đổi (Ca+2, Mg+2, Na+) và một phần cỏc cation trong mạng (Al+3, Fe+3) bằng H+ (hoạt húa axit)
Bentonit thương phẩm cú hàm lượng montmorillonit tối thiểu 70%, hàm lượng cỏc khoỏng vật phi sột nhỏ (thường <10%).
Quỏ trỡnh xử lý để thu được bentonit thương phẩm tương đối đơn giản, bao gồm cỏc bước sau: khai thỏc, sấy, đập nghiền và chế hoỏ.
Sau khi khai thỏc (bằng phương phỏp lộ thiờn hoặc hầm lũ) bentonit nguyờn khai cú độ ẩm 30-40% được đập đến kớch thước thớch hợp rồi đem sấy trong cỏc lũ quay để giảm độ ẩm tới 5-15% và đưa vào thiết bị tuyển để tỏch đất đỏ và cỏc tạp chất phi sột. Sản phẩm sau sấy và tỏch đất đỏ được đưa đến thiết bị
nghiền mịn để đạt cấp hạt 90% lọt sàng 200 mesh, kiểm tra bằng phõn cấp khớ rồi đem sấy tiếp bằng khớ núng.
Bentonit kiềm Wyoming (Mỹ) cú chất lượng tốt để cú thể sử dụng trực tiếp trong một số lĩnh vực nhất định mà khụng cần qua cỏc giai đoạn làm giàu hoặc xử lý hoỏ học.
Trường hợp bentonit nguyờn khai cú hàm lượng MMT thấp, ngưũi ta thực hiện quỏ trỡnh xử lý cơ học kể trờn rồi đưa vào cỏc quỏ trỡnh tuyển trọng lực và xử lý hoỏ học. Để chuyển Ca-bentonit thành Na-bentonit người ta thực hiện kiềm húa. Một số quỏ trỡnh lý húa thường được sử dụng để nõng cao chất lượng bentonit là:
- Sử dụng phương phỏp lặng gạn nhiều bậc (sử dụng và khụng sử dụng chất trợ lắng)
- Sử dụng thiết bị tuyển thuỷ xiclon
- Xử lý bằng hoỏ học để chuyển hoỏ ion trao đổi (Ca →Na) bentonit
- Cú thể kết hợp xử lý bằng cỏc giải phỏp nờu trờn (kết hợp xử lý cơ, hoỏ học, nhiệt khỏc nhau).
Sau đây chúng tơi trình bày cụ thể về các ph−ơng pháp tinh chế để thu nhận montmorillonite (MMT) từ nguồn khoáng bentonite thiên nhiên.
Bentonite là một nguồn khoáng thiên nhiên, đ−ợc cấu thành chủ yếu từ các khống vật sét thuộc nhóm smectit bao gồm montmorillonite (MMT) và một số khoáng khác nh− kaolin, mica, quartz, cristobalite, feldspar, calcite, illite… trong đó montmorillonite là thành phần chính của bentonite. Thành phần hố học và độ tinh khiết của bentonite ảnh h−ởng nhiều đến tính chất của nó. Các mỏ quặng bentonite khác nhau th−ờng có hàm l−ợng montmorillonite khác nhau, theo các số liệu đã công bố cho thấy cụ hàm l−ợng montmorillonite trong bentonite có thể dao động trong một khoảng rộng, ví dụ có những mỏ hàm l−ợng montmorillonite chỉ khoảng 25-30%, nh−ng có những mỏ hàm l−ợng montmorillonite lên tới hơn 80%.
Tinh chế quặng bentonite đ−ợc thực hiện nhằm tách các khoáng tạp chất và nâng cao hàm l−ợng của khoáng montmorillonite trong bentonite. Quá trình làm giàu đ−ợc tiến hành với mục đích hoặc là tách các tạp chất mà những tạp chất này làm giảm chất l−ợng của khoáng montmorillonite và khơng tính đến việc sử dụng chúng trong các b−ớc tiếp theo ( nh− các hợp chất sắt, titan, l−u
huỳnh) hoặc là phân chia và tách các khoáng tạp chất ra từng dạng sạch riêng rẽ để sử dụng trong công nghiệp ( nh− thạch anh, mica, granit).
Ph−ơng pháp làm giàu bentonite dựa trên việc sử dụng các q trình hố, lý khác nhau trong đấy đặc biệt lợi dụng tính chất tr−ơng nở của bentonite (nhất là bentonite kiềm) so với các khoáng sét khác để loại bỏ các tạp chất lẫn trong đó. Trên cơ sở đó ng−ời ta đã sử dụng các ph−ơng pháp làm giàu nh−: ph−ơng pháp −ớt, ph−ơng pháp khô, ph−ơng pháp tuyển khí, tuyển từ, tuyển điện, tuyển nổi và kết hợp giữa các ph−ơng pháp đó. Bảng 1.4 đ−a ra các ph−ơng án khác nhau của q trình phân chia các khống vật.
Bảng 1.4. Các ph−ơng án khác nhau của q trình phân chia khống vật
Phân loại q trình Các ph−ơng án có thể Phân loại q trình Các ph−ơng án có thể
Phân loại q trình Các ph−ơng án có thể Theo pha 2-4 2-3 2-1 3-4 3-1 4-1 2-3-4 2-3-1 2-4-1 3-4-1 2-3-4-1 Theo lực từ tr−ờng A-B A-C A-D B-C B-D C-D A-C-D B-C-D A-B-C-D Theo ph−ơng pháp cố định vật chịu tải Theo dạng các phản ứng hoá lý Theo t−ơng tác của các tần số II-III II-V III-V a-c a-d c-d M-Y O-Y M-Z Chú giải: Các ký hiệu 1, 2, 3, 4 t−ơng ứng với pha rắn, khí, n−ớc, dung dịch hữu cơ.
Các ký hiệu A, B, C, D t−ơng ứng với trọng lực, hấp thụ hố học, từ tính và tr−ờng điện từ
Các kí hiệu I, II, II, IV t−ơng ứng với việc củng cố mà khơng có vật mang, hố học, hấp phụ, từ tính và âm thanh.
Các ký hiệu a, c, d t−ơng ứng với tr−ờng hợp khơng có phản ứng sau đây xẩy ra: phản ứng trao đổi ion và phản ứng ơxy hố khử.
Các kí hiệu O, M, Z, Y t−ơng ứng với tr−ờng hợp khơng có tần số, cơ học, âm thanh, siêu tần.
Quá trình tuyển quặng bentonite đ−ợc tiến hành qua một số công đoạn: nghiền và phân loại các hạt khống, thiết lập sự khác nhau về tính chất của các khống khác nhau có trong bentonite, phân chia và thu thập sản phẩm bentonite đã đ−ợc làm giàu. Cùng với việc nghiền và phân chia theo cấp hạt còn tiến hành tập hợp chọn lọc phần có cấp hạt bé. Khâu gia công các hạt để chuẩn bị phân chia gồm: xử lý bằng tác nhân hoá học, rửa, xử lý bằng nhiệt,... Thiết lập gradien các tính chất đ−ợc thực hiện bằng cách tạo các pha (thêm dung dịch hữu cơ, n−ớc hay khí) và tổ chức biên giới giữa các pha.
Việc lựa chọn sơ đồ kỹ thuật làm giàu đ−ợc xác định bởi tính chất tổng thể của các khống vật cấu tạo nên quặng. Những đặc tính cơ học - độ cứng và kích th−ớc hạt xác định sự cần thiết ứng dụng công đoạn đập nghiền một cách chọn lọc tr−ớc khi phân cấp theo cỡ hạt.Đối với quặng sét bentonite th−ờng đ−ợc làm giàu dựa trên sự phân bố khoáng montmorillonite và các khoáng tạp chất theo phân đoạn cấp hạt và sự tr−ơng nở của MMT.
Bảng 1.5 đ−a ra sự phân loại các khống vật theo kích th−ớc và các ph−ơng pháp làm giàu chúng
Bảng 1.5. Phân loại các khống vật theo kích th−ớc
và các ph−ơng pháp làm giàu chúng Phần khoáng Phần hạt chủ yếu, dhạt, mm Các quá trình kỹ thuật đ−ợc ứng dụng để làm giàu Hạt thô Hạt bé Hạt rất bé Hạt cực bé 20 - 2 2 - 0,2 0,2 - 0,02 0,02 - 0,002
- Sa lắng, tuyển từ, làm giàu trong môi tr−ờng chất lỏng nặng.
- Làm giàu trên ống, tuyển từ, tuyển điện từ, làm giàu trong môi tr−ờng nặng, sa lắng.
- Tuyển nổi, làm giàu ở các ống đặc biệt, phân chia thuỷ lực.
- Tuyển nổi, phân chia trọng lực.
Ph−ơng pháp trọng lực
Thạch anh và những khoáng tạp chất, và cả mica th−ờng có trong bentonite, chúng có kích th−ớc hạt lớn hơn kích th−ớc cao lanh khoảng 10-100
lần và lớn hơn kích th−ớc hạt bentonite hàng trăm lần. Trên cơ sở sự khác nhau về kích th−ớc hạt, suy ra khối l−ợng của các hạt và tốc độ sa lắng của các hạt khoáng khác nhau trong bentonite sẽ khác nhau. Và đây là cơ sở của ph−ơng pháp tuyển trọng lực đối với bentonite. Ng−ời ta phân biệt ph−ơng pháp tuyển trọng lực −ớt (sự phân chia các khoáng đ−ợc thực hiện sau công đoạn tạo bùn) và ph−ơng pháp tuyển trọng lực khơ (phân chia các hạt xẩy ra trong dịng khí).
1.5.1.1. Ph−ơng pháp khơ
Kỹ thuật làm giàu theo ph−ơng pháp khô dựa trên sự phân cấp các hạt quặng theo độ lớn của chúng d−ới tác động của dịng khí. Những thơng số cơ bản của q trình làm giàu bằng ph−ơng pháp khơ là : Chi phí khối l−ợng quặng trên 1 tấn bentonite đ−ợc làm giàu, nhiệt độ sấy khô quặng, độ ẩm của quặng sau khi sấy, hiệu suất thu hồi bentonite trong tinh quặng và hàm l−ợng montmorillonite trong tinh quặng bentonite. Sơ đồ ph−ơng pháp tuyển khơ đ−ợc chỉ ra ở hình 1.9.
Phần cát thải Bộ lọc ống Thu gom phần hạt mịn Đóng gói phần hạt mịn Quặng bentonite Tuyển trong dịng khí Sàng
Sấy trong thùng quay
Bên cạnh những −u điểm của ph−ơng pháp khơ (chi phí n−ớc thấp, chu trình kín, cho phép có thẻ tự động hố, khơng đòi hỏi những thao tác chân tay phức tạp), ph−ơng pháp khơ làm giàu bentonite có những nh−ợc điểm sau : làm giảm tính dẻo của bentonite, mất mát bentonite theo dịng khí, hiệu suất phân chia thấp và làm bẩn môi tr−ờng.
1.5.1.2. Ph−ơng pháp −ớt
Với ph−ơng pháp này sự phân cấp hạt đ−ợc thực hiện trong môi tr−ờng n−ớc. Bên cạnh những −u điểm của ph−ơng pháp (kỹ thuật đơn giản, sử dụng các thiết bị không phức tạp và không đắt tiền và thu nhận đ−ợc bentonite có hàm l−ợng MMT cao) ph−ơng pháp này có những hạn chế nh− : cần một diện tích lớn, tiêu hao một l−ợng n−ớc lớn vì tỷ trọng của bùn bentonite thấp).
1.5.1.3. Ph−ơng pháp bàn đãi
Quá trình phân cấp hạt đ−ợc tiến hành trên bàn đãi có mặt phẳng nằm ngang với vận tốc dòng n−ớc bé và tỷ trọng huyền phù bentonite thấp. Sau khi gạn n−ớc, huyền phù đặc đ−ợc chuyển sang công đoạn làm khơ.
Những thơng số chính của q trình : Chi phí khối l−ợng quặng trên 1 tấn bentonite đ−ợc làm giàu,thể tích của các bể lắng, diện tích của các bể lắng, hiệu suất thu hồi bentonite trong tinh quặng, hàm l−ợng montmorillonite trong tinh quặng bentonite.
1.5.1.4. Ph−ơng pháp tuyển thuỷ xyclone
Giới thiệu về nguyên lí hoạt động và một số kiểu thiết bị phân cấp thuỷ lực Các thiết bị phân cấp hạt theo ph−ơng pháp thuỷ lực cũng hoạt động theo nguyên lí giống nh− trong thiết bị lắng. Theo ngun lí này các hạt có khối l−ợng khác nhau trong mơi tr−ờng lỏng, d−ới tác dụng của trọng lực sẽ có tốc độ rơi khác nhau, tốc độ rơi hoặc lắng này phụ thuộc vào các yếu tố nh−: kích th−ớc hạt, khối l−ợng riêng của hạt, môi tr−ờng lỏng, độ nhớt của môi tr−ờng lỏng,…
Trong các thiết bị phân cấp thuỷ lực môi tr−ờng lỏng th−ờng dùng là n−ớc (nếu nh− các hạt rắn không tác dụng với n−ớc) còn các hạt rắn còn gọi là pha phân tán có khối l−ợng riêng nh− nhau tạo nên một huyền phù rắn - lỏng. Trong điều kiện các hạt rắn có khối l−ợng riêng nh− nhau, cùng trong mơi tr−ờng lỏng đồng nhất nịng độ pha rắn đủ loảng nhỏ hơn 10% để các hạt rơi tự do, khơng có sự va chạm lẫn nhau thì tốc độ rơi của các hạt rắn chỉ phụ thuộc vào kích th−ớc hạt. Hạt lớn có tốc độ rơi lớn cịn hạt nhỏ có tốc độ rơi chậm hơn. Dựa vào tốc độ
rơi khác nhau của các hạt ta có thể phân tách đ−ợc các hạt có kích th−ớc khác nhau theo mong muốn.
Phần hạt thô Phần hạt mịn qua thuỷ xyclone
Kiểm tra và đóng gói sản phẩm
Hình 1.10. Sơ đồ tuyển thuỷ xyclone
Quá trình lắng của các hạt tuân theo quy luật rơi của vật thể trong môi tr−ờng lỏng. Khi bắt đầu quá trình lắng d−ới tác động của lực trọng tr−ờng các hạt rơi nhanh dần đều, tốc độ càng cao thì lực cản càng lớn cho đến khi lực cản mơi tr−ờng lỏng cân bằng với trọng lực thì các hạt bắt đầu rơi với tốc độ không đổi. Nghiền Nghiền −ớt Sàng phân cấp Tuyển thuỷ xyclone Quặn nguyên khai
Sấy đến độ ẩm < 3 %
Theo định luật Stock, tốc độ không đổi này đ−ợc xác định bởi cơng thức (với điều kiện hạt hình cầu, tr−ờng hợp hạt khơng có dạng hình cầu, có thể thay d bằng đ−ờng kính t−ơng đ−ơng):
ω0 = d2 (γ - γ1)/18à m/s ω0: Tốc độ rơi của hạt trong mơi tr−ờng lỏng, m/s
d: Đ−ờng kính hạt hình cầu, m
γ : Trọng l−ợng riêng của pha rắn, kg/m3 γ1:Trọng l−ợng riêng của pha lỏng, kg/m3 à : Độ nhớt của pha lỏng, kg.s/m2
Trong thực tế các hạt lắng trong điều kiện không phải rơi tự do hoàn toàn nên theo kinh nghiệm ng−ời ta th−ờng lấy tốc độ rơi thực tế bằng một nửa tốc độ rơi tính tốn theo định luật Stock.
Sơ đồ tổng quát tuyển thuỷ xyclon đ−ợc chỉ ra ở hành 1.10. Bên cạnh những
−u điểm của ph−ơng pháp tuyển thuỷ xyclone nh− năng suất cao nó có hạn chế là
tiêu hao l−ợng n−ớc nhiều, vì vậy phải có biện pháp để tuần hoàn lại n−ớc.
1.5.1.5. Ph−ơng pháp ly tâm
Với ph−ơng pháp này việc tách các tạp chất khỏi bentonite đ−ợc thực hiện d−ới tác động của lực ly tâm. Việc tách các tạp chất đ−ợc thực hiện trong máy ly tâm với vận tốc quay khác nhau. Những hạt thạch anh nặng hơn sẽ nằm ở phần d−ới của máy ly tâm, cịn những phần bentonite có kích th−ớc bé hơn sẽ nằm ở lớp trên. Máy ly tâm có thể đ−ợc dùng để tách các phần và chính máy cũng đ−ợc dùng để tách n−ớc ra khỏi phần tinh quặng. Máy ly tâm đ−ợc phân ra các loại theo ph−ơng pháp tác động của nó (máy ly tâm gián đoạn, máy ly tâm bán liên tục và máy ly tâm liên tục), theo dấu hiệu thiết kế (máy ly tâm đứng, máy ly tâm ngang) và theo vận tốc quay: bình th−ờng: 400-1200 vòng/phút; máy ly tâm nhanh: 1200-3000 vòng/phút; máy ly tâm rất nhanh: 3000-12000 vòng/phút, máy ly tâm siêu nhanh: 12000- 45 000 vòng/phút.
−u điểm của ph−ơng pháp dùng máy ly tâm là: có thể phân chia những huyền phù bền vững và thu nhận đ−ợc sản phẩm có đọ hạt nh− yêu cầu. Tuy vậy nó vẫn có nhữn hạn chế nh−: năng suất thấp, quá trình gián đoạn và tiêu hao nhiều năng l−ợng.
D−ới tác dụng của sóng siêu âm lên dung dịch huyền phù bentonite sẽ đat đ−ợc hai hiệu ứng mà có thể sử dụng để làm giàu bentonite: làm phân tán các tạp chất có kích th−ớc lớn và làm sa lắng các hạt do kết quả phân lớp. Những thơng số cơ bản của q trình siêu âm là: Tần số âm thanh, thời gian siêu âm, số bậc siêu âm, nồng độ huyền phù, hàm l−ợng tạp chất trong huyền phù, hiệu suất thu hồi bentonite trong tinh quặng, hàm l−ợng montmorillonite thu đ−ợc trong tinh quặng.
−u điểm của ph−ơng pháp: tỷ trọng của huyền phù cao, nâng cao đ−ợc tốc độ lọc, sự ổn định các tính chất của sản phẩm, hiệu suất thu hồi và độ sạch sản phẩm cao.
Hạn chế: Tiêu hao nhiều năng l−ợng hơn so với các ph−ơng pháp khác. Siêu âm làm phân tán các tạp chất lớn
Khi tách các tạp chất có kích th−ớc lớn ra khỏi huyền phù bentonite bằng ph−ơng pháp trọng lực thực tế khó đạt đ−ợc việc tách hồn tồn các hạt có kích th−ớc d > 56 micron. Một phần những cỡ hạt này ( có thể đến 2%) là mica hoặc thạch anh cịn lại trong sản phẩm đã đ−ợc làm giàu. Thành phần hố học trong tr−ờng hợp này khơng biến đổi nhiều, nh−ng sản phẩm nh− vậy sẽ không thoả mãn đ−ợc điều kiện trong một số ngành chẳng hạn ngành giấy. Tách phần tạp chất này bằng ph−ơng pháp tuyển nổi địi hỏi phải có kỹ thuật đặc biệt và thiết bị phức tạp. Sự tác động của sóng siêu âm cùng với với việc đ−a các chất điện ly (chẳng hạn Na2SO3) sẽ tạo ra sự phân tán các tạp chất ngay cả ở tần số 15-35 kilogec và 0,2% Na2SO3 . Sự phân tán có −u thế xẩy ra với các hạt có kích th−ớc lớn . Khi phân tán các hạt mica trở nên đều đặn hơn, còn các hạt thạch anh giảm kích th−ớc và bảo tồn hình dạng của chúng. Hiệu quả của sự phân tán chọn lọc phụ thuộc vào hàm l−ợng của các hạt có kích th−ớc lớn và điều kiện gia cơng.
Siêu âm làm sa lắng những tạp chất có kích th−ớc lớn
Quá trình dựa trên sự phá huỷ các liên kết cấu trúc của hệ bentonite – n−ớc, mà kết quả của chúng là hạ thấp độ nhớt của hệ và xẩy ra quá trình phân