3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ Ca(OH)2
Như đã trình bày ở trên mục đích xử lý bã thải gyps bằng dung dịch Ca(OH)2 là nhằm tạo phản ứng trung hòa giữa Ca(OH)2 với các axit có trong thành phần bã thải, mục đích khác là làm tăng hàm lượng thạch cao (CaSO4) sinh ra từ phản ứng:
H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + H2O
Thực tế với hàm lượng bã thải photpho DAP Hải Phòng đã phân tích ở trên ngoài H2SO4 còn có HF, H3PO4 (P2O5), Al2O3. Do đó, để phản ứng triệt để và loại hết các thành phần trên thì lượng Ca(OH)2 thêm vào phải dư.
Al2O3 + Ca(OH)2 → Ca(AlO2)2 + H2O P2O5 + 3Ca(OH)2 → Ca3 (PO4)2 +3 H2O
HF + Ca(OH)2 → CaF2 + H2O
Để khảo sát nồng độ Ca(OH)2 tới thành phần bã thải, nồng độ Ca(OH)2 được tiến hành khảo sát trong khoảng từ 0,05 mol/l đến 0,25 mol/l, các điều kiện khác như: lượng mẫu, tốc độ khuấy...giữ nguyên không đổi. Bã thải gyps sau khi cho vào dung dịch Ca(OH)2 khuấy kỹ trong khoảng thời gian nhất định, sau được lọc và rửa sạch bằng nước. Sấy khô trước khi đem đi xác định hàm lượng của CaSO4, Al2O3 và P2O5 theo các phương pháp như đã trình bày trong mục 2.4, kết quả thu được trình bày trong bảng 3.2.
35
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ Ca(OH)2đến tính chất của sản phẩm
Điều kiện: Tốc độ khuấy 400 vòng/phút; thời gian khuấy 1 giờ
Nồng độ huyền phù = 40%, tại nhiệt độ phòng =30oC. Mẫu Nồng độ dung dịch Ca(OH)2 [mol/l] Hàm lượng CaSO4 [%] Hàm lượng Al2O3 [%] Hàm lượng P2O5 [%] N1 0,00 83,32 0,61 1,18 N2 0,05 83,89 0,58 0,67 N3 0,10 84,63 0,32 0,21 N4 0,15 85,10 0,21 - N5 0,20 85,62 0,09 - N6 0,25 85,62 0,05 -
Từ kết quả bảng trên cho thấy: khi nồng độ Ca(OH)2 tăng từ 0 lên 0,2 mol/l hàm lượng CaSO4 tăng 83,32% lên 85,62%, hàm lượng Al2O3 giảm từ 0,61% xuống 0,05%; hàm lượng P2O5 giảm từ 1,18% cho đến khi không xác định được nữa. Khi nồng độ Ca(OH)2 tiếp tục tăng từ 0,2mol/l lên 0,25mol/l hàm lượng CaSO4 không tăng, hàm lượng Al2O3 giảm từ 0,09% xuống 0,05%, Như vậy có thể thấy việc sử dụng Ca(OH)2 không những có tác dụng nâng cao hàm lượng thạch cao mà còn có tác dụng loại bỏ được hầu hết các loại axit và thành phần Al2O3 có trong bã thải. Kết quả khảo sát thu được cũng cho thấy nồng độ Ca(OH)2 thích hợp sử dụng là 0,2M. Với nồng độ Ca(OH)2 trên 0,2M hàm lượng CaSO4 không tăng nữa có nghĩa là phản ứng đã bão hòa. Nếu sử dụng nồng độ của Ca(OH)2 cao hơn nồng độ này sẽ dẫn đến dư thừa lượng Ca(OH)2, điều này sẽ không có lợi, vì lượng kiềm dư này sẽ kết hợp với CO2 không khí tạo ra các hạt CaCO3 bám lên bề mặt các hạt thạch cao làm khả năng kết dính của sản phẩm thạch cao. Từ kết quả thu được dung dịch Ca(OH)2 nồng độ 0,2 mol/l được sử dụng để trung hòa bã thải photpho.
3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian thực hiện phản ứng trung hòa tới thành phần bã thải thải
Với thành phần đặc thù, các phản ứng của các bã thải với Ca(OH)2 xảy ra với tốc độ phản ứng không cao, do vậy để phản ứng đạt được hiệu suất tốt cũng cần một
36
khoảng thời gian nhất định đủ lâu. Nếu thời gian quá ngắn hiệu suất phản ứng sẽ thấp và ngược lại. Ở thời gian tối ưu thì hiệu suất phản ứng đạt giá trị cao nhất. Thông thường, thời gian càng lâu thì hiệu suất càng cao. Tuy nhiên, nếu kéo dài quá thời gian tối ưu sẽ làm mất thời gian và công sức nhưng hiệu suất không tăng được bao nhiêu hiệu quả kinh tế thấp. Để lựa chọn được thời gian thích hợp cho việc thực hiện phản ứng trung hòa. Bã thải gyps sau khi cho vào dung dịch Ca(OH)2 0,2 mol/l, được tiến hành khuấy kỹ trong khoảng thời gian được lựa chọn khảo sát là từ 0,5 giờ đến 2 giờ. Các điều kiện về tốc độ khuấy, nồng độ bã thải... là như nhau cho tất các các thí nghiệm. Kết quả thảnh hưởng thời gian thực hiện phản ứng trung hòa tới thành phần sản phẩm thu được trong bảng 3.3.
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình trung hòa
Điều kiện: Tốc độ khuấy 400 vòng/phút; nồng độ dung dịch Ca(OH)2 0,2M, Nồng độ huyền phù = 40%; tại nhiệt độ phòng =30oC.
Mẫu Thời gian [giờ] Hàm lượng CaSO4 [%] Hàm lượng Al2O3 [%]
T1 0,0 83,32 0,61
T2 0,5 84,36 0,52
T3 1,0 85,62 0, 16
T4 1,5 85,63 0,10
T5 2,0 85, 64 0,08
Từ bảng số liệu trên nhận thâý rằng: khi thời gian tăng từ 0 đến 1,0 giờ hàm lượng CaSO4 tăng từ 83, 32% lên 85,62%, đồng thời nồng độ của Al2O3 giảm từ 0,61% xuống còn 0,16%. Khi thời gian tiếp tục tăng từ 1,0 lên 2 giờ hàm lượng CaSO4 hầu như ít tăng lên nữa, trong khi hàm lượng Al2O3 cũng chỉ giảm rất ít, điều này có nghĩa là phản ứng đã xảy ra gần như triệt để. Vì vậy, để tiết kiệm thời gian và công sức chúng tôi chọn thời gian thích hợp để phản ứng trung hòa là 1 giờ.
3.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến phản ứng trung hòa
Tốc độ khuấy đóng vai trò quyết định đến áp lực được tạo thành trong lòng chất lỏng khi thực hiện phản ứng trung hòa, do đó chúng tôi tiến hành các thí nghiệm với điều kiện chỉ thay đổi tốc độ khuấy còn các yếu tố khác được giữ cố định. Hỗn hợp bã thải và dung dịch Ca(OH)2 0,2M sau khi khuấy trộn, lọc rửa bằng nước. Sản phẩm
37
được sấy khô và đem đi phân tích xác định hàm lượng CaSO4 và cường độ chịu lực. Kết quả thu được trình bày trong bảng 3.4.
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến phản ứng trung hòa
Điều kiện: Thời gian khuấy 1 giờ, nồng độ dung dịch Ca(OH)2 0,2M; mật độ bã thải = 40%; tại nhiệt độ phòng =30oC. Mẫu Tốc độ khuấy [vòng/phút] Hàm lượng Al2O3 [%] Hàm lượng P2O5 [%] Hàm lượng CaSO4 [%] K1 100 0,21 0,26 83,86 K2 200 0,12 0,17 84,12 K3 300 0,09 - 85,10 K4 400 0,05 - 85, 62 K5 500 - - 85, 63 K6 600 - - 85, 64
Từ kết quả trên cho thấy khi tốc độ khuấy tăng từ 100 vòng/phút lên 400 vòng/phút, hàm lượng CaSO4 tăng từ 83,86% lên 85,62% hàm lượng Al2O3 giảm từ 0,21% xuống 0,05%, hàm lượng P2O5 giảm từ 0,26% xuống 0%. Khi tốc độ khuấy tăng từ 400 vòng/phút lên 600 vòng/phút, hàm lượng CaSO4 không tăng lên nữa do phản ứng trung hòa đã triệt để. Vì vậy, để tiết kiệm năng lượng của máy, chúng tôi chọn tốc độ khuấy thích hợp để phản ứng trung hòa là 400 vòng/phút.
3.3. ẢNH HƯỞNG CÁC ĐIỀU KIỆN TUYỂN CƠ HỌC TỚI QUÁ TRÌNH XỬ LÝ TÁI CHẾ THẠCH CAO
Mục đích của quá trình tuyển cơ học là loại bỏ các thành phần như: Fe2O3, các loại hạt to để nâng cao hàm lượng của sản phẩm thạch cao.
3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất tập hợp VH-2004 đến quá trình tuyển trọng lực
Thành phần sản phẩm sau khi tuyển trọng lực chủ yếu là SiO2 và CaSO4, bởi vì tỷ trọng của SiO2 gần với tỷ trọng của thạch cao CaSO4 (tỷ trọng của SiO2 là 2,65; tỷ trọng của CaSO4 là 2,31-2,7). Các thành phần khác như oxit như Al2O3 còn lại sau quá trình xử lý với Ca(OH)2 (khối lượng riêng là 3,95-4,1 g/cm3) , Fe2O3 (khối lượng riêng
38
là 5,242 g/cm3) sẽ bị chìm xuống phần đáy và được loại bỏ sau quá trình tuyển trọng lực.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn chất tập hợp cho quá trình tuyển trọng lực là loại VH 2004 sản xuất tại Viện HHCNVN. Chất tập hợp VH-2004 là hỗn hợp các axit béo no và không no với mạch hidrocacbon từ C10-C22, được điều chế bằng cách oxi hoá các phân đoạn khác nhau của parafin tách ra từ dầu mỏ và thuỷ phân từ dầu mỡ động thực vật. Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất tập hợp tới tính chất sản phẩm, chúng tôi nghiên cứu thay đổi nồng độ chất tập hợp từ 0,02 g/l đến 0,08g/l, còn các điều kiện khác giữ nguyên không đổi. Sản phẩm sau khi qua thiết bị trung hòa được đưa vào thiết bị tuyển trọng lực, tại đây các váng bẩn do các tạp chất đen có tỷ trọng nhỏ nổi lên được vớt bỏ đi, các thành phần có tỷ trọng lớn sẽ tập hợp ở đáy bình cũng được loại bỏ. Các thành phần lơ lửng được lọc tách và đem đi sấy khô để xác định hàm lượng CaSO4 và SiO2 và hiệu suất thu hồi sản phẩm. Kết quả xác định hàm lượng CaSO4 và SiO2 thu được trình bày trong hình 3.1.
Hình 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất tập hợp VH-2004 đến hàm lượng CaSO4 và SiO2 và hiệu suất thu hồi
Từ kết quả hình 3.1 trên thấy rằng: khi tăng nồng độ chất tập hợp thì hiệu quả tách thu hồi CaSO4 và SiO2 tăng lên. Cụ thể là khi nồng độ chất tập hợp VH-2004 tăng từ 0 lên 0,06g/l hàm lượng CaSO4 + SiO2 tăng từ 90,6% lên 96,2%, hiệu suất quá trình tách thu hồi sản phẩm tăng từ 68,7% lên 85,2%. Khi tiếp tục tăng nồng độ chất
39
tập hợp từ 0,06 g/l lên 1,0g/l, hàm lượng CaSO4 và SiO2 không tăng mà giữ nguyên không đổi là 96,2% do đó hiệu xuất thu hồi CaSO4 + SiO2 cũng không đổi. Từ kết quả trên, chúng tôi nhận thấy nồng độ chất tập hợp thích hợp dùng để tuyển trọng lực thu sản phẩm thạch cao từ bã thải photpho là 0,06g/l.
3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất tạo bọt đến tính chất sản phẩm
Mục đích cho chất tạo bọt nhằm tạo ra bọt khí vững chắc, không bị vỡ có nhiệm vụ kéo các hạt khoáng có tỷ trọng nhỏ lên bề mặt tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tuyển trọng lực để phân tách hỗn hợp khoáng. Trên cơ sở khảo sát các loại chất tạo bọt, chúng tôi chọn chất tạo bọt vô cơ (NH4)2CO3 trong quá trình tuyển thạch cao từ bã thải photpho DAP Hải Phòng. Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất tập hợp, chúng tôi chỉ thay đổi nồng độ chất tập hợp từ 0,01 g/l đến 0,06 g/l, còn các điều kiện khác giữ nguyên không đổi. Sản phẩm sau khi qua thiết bị trung hòa được đưa vào thiết bị tuyển trọng lực, tại đây các váng bẩn do các tạp chất đen có tỷ trọng nhỏ nổi lên được vớt bỏ đi, các thành phần có tỷ trọng lớn sẽ tập hợp ở đáy bình cũng được loại bỏ. Các thành phần lơ lửng được lọc tách và đem đi sấy khô để xác định hàm lượng CaSO4 và SiO2. Kết quả xác định hàm lượng CaSO4 và SiO2 thu được trình bày trong hình 3.2.
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất chất tạo bọt đến hàm lượng CaSO4 và SiO2
40
Từ kết quả hình 3.2 thu được nhận thấy: khi hàm lượng chất tạo bọt tăng khả năng tách thu hồi SiO2 và CaSO4 tăng lên. Cụ thể là khi tăng nồng độ chất tập hợp từ 0 lên 0,03g/l hàm lượng CaSO4 và SiO2 tăng từ 89,5% lên 96,2%. Khi tiếp tục tăng nồng độ chất tập hợp từ 0,03 g/l lên 0,06g/l hàm lượng CaSO4 và SiO2 không tăng mà giữ nguyên không đổi, mặt khác có hiện tượng nhiều bọt bắn lên thành thiết bị. Vì vậy, nồng độ chất tạo bọt thích hợp được dùng để tuyển trọng lực thu sản phẩm thạch cao từ bã thải photpho được chọn là 0,03g/l.
3.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ huyền phù đến quá trình tuyển trọng lực
Một trong các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình tuyển trọng lực là tỷ số pha rắn và lỏng (nồng độ bã thải khi tuyển) hay còn được gọi là nồng độ huyền phù. Nồng độ huyền phù ảnh hưởng đến quá trình tuyển trọng lực như : nếu tăng quá mức nồng độ huyền phù khi tuyển sẽ gây khó khăn cho việc thông khí, nếu nồng độ huyền phù quá thấp thì hiệu suất tuyển trọng lực thấp và làm mất thời gian. Trong dãy thí nghiệm này, chúng tôi giữ nguyên các điều kiện nồng độ chất tập hợp 0,06g/l và nồng độ chất tạo bọt 0,03g/l, chỉ thay đổi nồng độ huyền phù (mật độ rắn/ lỏng) từ 10% lên 60%. Sản phẩm sau khi qua thiết bị trung hòa được đưa vào thiết bị tuyển trọng lực, tại đây các váng bẩn do các tạp chất đen có tỷ trọng nhỏ nổi lên được vớt bỏ đi, các cặn và thành phần có tỷ trọng lớn sẽ tập hợp ở đáy bình cũng được loại bỏ. Các thành phần lơ lửng được lọc tách và đem đi sấy khô để xác định hàm lượng CaSO4 và SiO2. Kết quả xác định hàm lượng CaSO4 và SiO2 thu được trình bày trong hình 3.3.
41
Kết quả hình 3.3 chỉ ra: nồng độ huyền phù tăng thì hiệu quả phân tách các hợp chất oxit trong quá trình tuyển trọng lực giảm, do đó hàm lượng thạch cao thu được giảm. Cụ thể là: khi mật độ bã thải tăng từ 10% lên 60%, hàm lượng CaSO4 và SiO2 giảm từ 98,63% xuống còn 90,5%. Tuy nhiên nếu mật độ bã thải thấp thì hiệu quả sản xuất thấp do mất thời gian. Do đó, để đảm bảo thời gian sản xuất mà vẫn đảm bảo hàm lượng thạch cao đạt yêu cầu kỹ thuật, chúng tôi chọn nồng độ huyền phù thích hợp cho quá trình tuyển trọng lực là 40% khối lượng.
3.4. Ảnh hưởng kích thước lỗ sàng rây đến tính chất của sản phẩm thạch cao
Hỗn hợp thu được sau quá trình tuyển trọng lực có thành phần chủ yếu gồm CaSO4 và SiO2. Để thu được sản phẩm thạch cao sạch, có hàm lượng CaSO4 cao, cần phải loại bỏ lượng SiO2. Để loại bỏ lượng SiO2 , hỗn hợp sau quá trình tuyển trọng lực được lọc qua sàng, rây có kích thước thay đổi trong khoảng 0,075 mm đến 0,3 mm. Phần còn lại trên sàng là các hạt SiO2 và CaSO4 có kích thước lớn hơn kích thước của sàng rây. Phần hỗn hợp dung dịch tách ra sau khi sàng được lọc và sấy khô, rồi đem đi xác định hàm lượng CaSO4. Phần còn lại trên sàng cũng được sấy khô và xác định khối lượng để tính hiệu suất thu hồi thạch cao. Kết quả thu được trình bày trong bảng 3.5.
Bảng3.5. Ảnh hưởng của kích thước lỗ sàng rây đến hàm lượng thạch cao và hiệu suất thu hồi của thạch cao
STT Kích thước lỗ sàng [mm] Hàm lượng CaSO4 [%] Hiệu suất [%]
1 0,300 88,6 98,5 2 0,250 90,7 95,4 3 0,212 93,8 90,6 4 0,180 94,5 87,3 5 0,150 95,9 85,9 6 0,125 96,2 80,2 7 0,106 97,3 76,5 8 0,090 98,6 73,7 9 0,075 99,0 68,0
42
Từ kết quả bảng 3.5 trên cho thấy: Khi kích thước lỗ sàng càng nhỏ, hàm lượng thành phần CaSO4 trong sản phẩm thạch cao thu được tăng lên. Tuy vậy, hiệu suất thu hồi sản phẩm lại giảm đi. Cụ thể là kích thước lỗ sàng giảm từ 0,3mm xuống 0,075mm hàm lượng CaSO4 trong sản phẩm thu được tăng từ 88,6 % lên 99%, trong khi đó hiệu suất thu sản phẩm thạch cao lại giảm từ 98,5% xuống 68%. Để đảm bảo yêu cầu hiệu suất thu hồi thu thạch cao lớn và chất lượng hàm lượng CaSO4 lớn hơn 95%, chúng tôi chọn kích thước lỗ sàng phù hợp trong quá trình tách loại SiO2 là loại sàng rây kích cỡ 0,15mm.
3.5. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN CHUYỂN HÓA SẢN PHẨM Ca2SO4.2H2O SANG SẢN PHẨM THẠCH CAO (CaSO4.1/2H2O)
3.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến tính chất của sản phẩm thạch cao
Sau quá trình xử lý, chế biến bã thải photpho (gyps) sản phẩm thu được là Ca2SO4.2H2O với hàm lượng trên 95%. Như đã trình bày trong phần lý thuyết để có thể sử dụng sản phẩm này chúng ta phải chuyển thạch cao dạng Ca2SO4.2H2O sang dạng Ca2SO4.1/2H2O, bằng cách nung sấy Ca2SO4.2H2O ở nhiệt độ cao. Nghiên cứu quá trình nung sấy để chuyển Ca2SO4.2H2O sang dạng Ca2SO4.1/2H2O được thực hiện nung, sấy ở các chế độ nhiệt độ thay đổi từ 120oC đến 300oC. Sản phẩm sau quá trình nung, được đem tạo mẫu theo tiêu chuẩn, sau đó xác định thời gian đông kết và cường độ nén. Kết quả thu được trình bày trong bảng 3.6.
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến tính chất của sản phẩm thạch cao