Bài báo mô tả chi tiết các công đoạn trong quy trình. Quy trình công nghệ này được xây dựng với mục đích đa dạng hóa sản phẩm từ ilmênit Việt nam, vừa tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Processing of titanium monoxide from ilmenite

Phùng Viết Ngư, Nguyễn Đặng Thủy, Đào Hồng Bách, Lê Thành Trung
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT

    Bài này đề xuất một quy trình công nghệ tổng quát chế biến các sản phẩm thương mại: điôxit titan TiO2, ôxit titan hóa trị thấp, titan bột tinh khiết từ ilmênit Việt nam. Các công đoạn chính bao gồm: 1) Chế biến TiO2 sạch từ ilmênit 2) Chế biến ôxit titan hóa trị thấp bằng phương pháp hoàn nguyên TiO2 và nghiền cơ-hóa Ti+ TiO2. 3) Chế biến bột Ti tinh khiết bằng phương pháp điện phân ôxit titan hóa trị thấp trong dung dịch muối NaCl+ CaCl 2+ KCl nóng chảy. Bài báo mô tả chi tiết các công đoạn trong quy trình. Quy trình công nghệ này được xây dựng với mục đích đa dạng hóa sản phẩm từ ilmênit Việt nam, vừa tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

ABSTRACT

    A proposal is presented for a combined processing of synthesis of commercial products from ilmenite of Vietnam including: TiO2 pigment, titanium monoxide and high purity titanium powder. The principlal stages are: 1) Electrolytic process for producing TiO2 pigment. 2) Thermal carbon process to make porous compaction of TiO, Ti2O3, Ti3O5 and composites, and mechanical treatment process of TiO2 and Ti to make TiO. 3) Producing of high purity titanium powder by thermal and electrochemical process. The processes will be discussed in details. The combined process is designed to diversity the products from ilmenite of Vietnam, to save energy and minimize pollution.

1. Đặt vấn đề

    Nước ta có trữ lượng ilmênit thuộc loại khá lớn trên thế giới nên trong vài thập kỉ vừa qua, đã thu hút được sự quan tâm của giới khoa học trong lĩnh vực khai khoáng và chế biến. Cho đến nay đã có nhiều đề tài nghiên cứu chế biến ilmênit, nhằm nâng cao hàm lượng TiO2. Có kết quả đã áp dụng vào thực tiễn [1].

    Tuy nhiên, việc đa dạng hóa các sản phẩm chế biến từ ilmênit Việt nam, nhằm mở rộng phạm vị sử dụng, nâng cao hiệu quả kinh tế là một nhu cầu thực tế. Theo các thông tin trên thị trường sản phẩm TiO2 chế biến từ quặng ilmênit có giá thành thấp hơn nhiều lần so với giá thành của các loại ôxit titan hóa trị thấp và các hợp chất với Ti khác [2]. Do có hoạt tính cao ôxit titan hóa trị thấp được dùng làm nguyên liệu sản xuất Ti nguyên chất [3], vật liệu chế tạo tụ điện, vật liệu bán dẫn [4]. Hơn nữa, ôxit titan hóa trị thấp còn có thể sử dụng trong công nghệ sơn chân không, công nghệ bảo quản thực phẩm, công nghệ chế biến mỹ phẩm, hay dược phẩm. Như vậy, phạm vi sử dụng của titan ôxit hóa trị thấp là tương đối rộng. Mặc dù vậy, cho đến nay vẫn chưa có công trình khoa học nào liên quan đến vấn đề nêu trên.

    Song song với việc đa dạng hóa các sản phẩm chế biến từ ilmênit, cũng cần phải có các nghiên cứu phát triển và ứng dụng các phương pháp chế biến mới nhằm giảm thiểu lượng tiêu thụ năng lượng, và ô nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng cuộc sồng và góp phần xây dựng một nền kinh tế phát triển bền vững trong giai đoạn tiếp theo.

    Với mục đích đa dạng hóa sản phẩm chế biến cải tiến công nghệ, nâng cao hiệu quả giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tác giả tổng hợp thông tin đề xuất một quy trình tổng quát chế tạo các sản phẩm thương mại từ ilmênit Việt nam. Hy vọng đây sẽ là thông tin hữu ích cho độc giả.

2. Quy trình chế biến các sản phẩm từ Ilmênit

Hình 1. Sơ đồ quy trình chế biến các sản phẩm thương mại từ ilmênit

Hình 1. Sơ đồ quy trình chế biến các sản phẩm thương mại từ ilmênit

    Quy trình chế biến các sản phẩm từ ilmênit được trình bày trên hình 1 [3, 5]. Các sản phẩm có thể chế biến được từ ilmênit bao gồm: TiO2, ôxit titan hóa trị thấp, bột titan sạch, Fe2(SO4)3. Theo sơ đồ quy trình công nghệ này, các công đoạn chính tương ứng với các sản phẩm như sau:

    Công đoạn 1. Chế biến TiO2 từ ilmênit bằng phương pháp điện phân bể âm tuần hoàn [3].

    Công đoạn này được bắt đầu bằng quá trình phân hủy và hòa tan ilmênit trong dung dịch H2SO4 để bỏ các loại tạp không hòa tan như: ôxit Cr, Al, Si,.. Sản phẩm sau quy trình này là dung dịch có chứa các iôn: H+, SO4 2- , Fe3+, Fe2+, Ti 4+, OH- .

    Toàn bộ dung dich sau khi hòa tan trong H2SO4 được chuyển vào điện phân buồng âm. Bể điện phân buồng âm được nối thông với bể tuần hoàn, tại đây Fe3+ được bổ sung điện tử để hoàn nguyên xuống Fe2+. Quá trình được thực hiện liên tục cho đến khi nào không còn Fe3+. Sản phẩm sau công đoạn này là dung dịch chứa các iôn: H+, SO4 2- , Fe2+, Ti4+, Ti3+, OH- , H2 bay ra ở cực âm, một phần Ti4+ cũng được hoàn nguyên thành Ti3+. Phương pháp này, không cần dùng Fe, do đó đã tiết kiệm một lượng lớn Fe và giảm chất thải sunfat sắt.

    Dung dịch sau khi điện phân tuần hoàn buồng âm đưa vào bể kết tinh tách Fe2SO4 ra khỏi dung dịch. Quá trình tách lọc thực hiện tại công đoạn (3) bằng cách hạ nhiệt độ của dung dịch xuống (10- 15)oC. Tại nhiệt độ này, Fe2SO4 kết tinh và được lọc ra khỏi dung dịch. Sản phẩm còn lại trong dung dịch bao gồm chủ yếu là các iôn: Ti4+, OH- (Ti(OH)4), Ti3+ (một hàm lượng nhỏ và có thể bị ôxi hóa trở lại Ti4+).

    Sản phẩm sau tách lọc tiếp tục được đưa vào khâu cuối cùng là tinh lọc, nhằm loại bỏ tạp chất dư chứa Fe3+ và các loại tạp chất không tan trong axit khác. Quy trình được bắt đầu bằng việc xử lý qua thiết bị bốc hơi nước làm tăng nồng độ Ti(OH)4 trong dung dịnh, sau đó đưa vào buồng thủy phân để kết tủa Ti(OH)4, và chuyển sang thiết bị lọc, sau đó kết tủa được nung trong lò quay ra sản phẩm TiO2.

    Công đoạn 2. Chế biến ôxit titan hóa trị thấp

    Phương pháp nhiệt cácbon được công bố tại một số tài liệu như US Pat. No 7,410,562B2, US Pat. No 2,750, 259, 1956. Đây là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để chế tạo ra các ôxit titan hóa trị thấp dạng khối làm nguyên liệu chế tạo Ti bột tinh khiết, hoặc vật liệu điện điện tử.

    Độ tinh khiết của sản phẩm phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu đầu vào. Vật liệu đầu vào của quy trình có thể dùng trực tiếp ilmênit hoặc rutin, Tuy nhiên, các nguồn TiO2 từ tự nhiên thường chứa các tạp chất, chủ yếu là sắt. Sau khi xử lý nhiệt cácbon cần phải có một quy trình tuyển, có thể sử dụng phương pháp tuyển từ nếu sản phẩm sau phản ứng ở dạng bột, có cỡ hạt khoảng 50μm. Theo sở đồ quy trình công nghệ ở hình 1, ilmenit đã được xử lý qua công đoạn 1, nguyên liệu đầu vào của công đoạn 2 là TiO2 loại pigment sản phẩm sau khi phản ứng nhiệt cácbon sẽ không cần tuyển lại. Cácbon dùng để hoàn nguyên có thể được sử dụng là cốc đen non hoặc cốc dầu mỏ, độ sạch cần đạt cao nhất có thể.

    Quy trình như sau: trộn TiO2 và C với tỷ lệ khối lượng 4/1, toàn bộ hỗn hợp được trộn đồng đều trong máy nghiền bi. Sau đó ép đóng bánh với áp lực ép khoảng 50.000 psi, với kích cỡ theo yêu cầu của sản phẩm. Các khối ép sơ bộ được chuyển hoàn nguyên ở nhiệt độ thấp nhất là 2500F (1371oC) trong môi trường khí trơ Ar, thời gian hoàn nguyên tùy thuộc vào kích cỡ của khối vật liệu. Sản phẩm của công đoạn này là oxit titan hóa trị thấp dạng viên hoặc khối lập phương xốp.

    Sản phẩm có thể tồn tại một lượng nhỏ C dư trong quá trình thiêu kết.

    Phương pháp cơ-hóa kết hợp được công bố trong một số tài liệu US Pat. 2008/0112879A1, 2008 [4] và Hanjung Kwon et al, Journal of Ceramic Society of Japan, 116, pp1154-1158, 2008 [5,6,7]: Dựa trên phản ứng TiO2 và Ti, dưới năng lượng nghiền tạo ra vật liệu chế tạo các tấm cực trong các tụ công xuất và các nguyên liệu bán dẫn. Phương pháp này áp dụng cho các quy trình hậu chế biến ra sản phẩm cuối cùng cho phép chế tạo ra TiO với độ tinh khiết cao, Hanjung Kwon [4] đã lặp lại thí nghiệm và xác định được, sau 5h các đỉnh của TiO xuất hiện trên giản đồ nhiễu xạ rơngen, sau 20h, toàn bộ các đỉnh của Ti và TiO2 biến mất, chỉ còn lại các đỉnh của TiO.

    Công đoạn 3. Chế tạo titan bột tinh khiết: Sử dụng phương pháp nhiệt và điện hóa theo US Pat. No 7,410,562B2 [7]. Nguyên lý của phương pháp được trình bày trên hình 2.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý phương pháp điện phân muối nóng chảy để chế biến Ti từ ôxit titan hóa trị thấp

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý phương pháp điện phân muối nóng chảy để chế biến Ti từ ôxit titan hóa trị thấp

    Nguyên liệu đầu vào là các khối ôxit titan hóa trị thấp ở công đoạn 3.

    Theo sơ đồ nguyên lý của phương pháp: bể điện phân được làm bằng 2 lớp, lớp ngoài là vật liệu cách nhiệt, lớp trong là thép được nối với cực âm. Nguyên liệu được xếp trong buồng graphit có các lỗ xốp (hoặc các sợi graphit được dệt thành lưới), buồng chứa nguyên liệu được nối với cực dương, và đặt trong dung dịch muối điện phân. Dung dịch muối điện phân được sử dụng là hỗn hợp NaCl-CaCl2- KCl. Điểm cuối cùng của hỗn hợp này trong khoảng 650oC. Dưới đáy bể điện phân là thiết bị quay thu hồi Ti tinh khiết.

    Trong quá trình điện phân, Ti sẽ ngưng tụ tại cực âm và chuyển về đáy bể. Các khi CO và CO2 sẽ bốc hơi tại cực dương.

    Sản phẩm Ti ở dạng bột, có hình dạng nhánh cây, cỡ hạt khoảng (1-10) μm, hàm lượng Oxy nguyên tử trong sản phẩm 0,08%.

    Công đoạn 4. Hoàn nguyên bể dương theo US Pat. No4,230,542, 28/10/1980 [3].

    Các chất thải của các khâu xử lý ilmênit trong công đoạn 1 bao gồm FeSO4, H2SO4 loãng được chuyển về bể hòa tan và hòa tan tiếp với nước, sau đó chúng được chuyển sang bể điện phân tuần hoàn buồng dương, tại đây Fe(SO4) về Fe2(SO4)3, nếu Fe(SO4) còn dư nhiều, tiếp tục thực hiện quá trình điện phân thứ cấp.

    Fe2(SO4)3 là sản phẩm phụ, có thể dùng làm sơn hoặc nguyên liệu để tách Fe.

3. Kết luận

    Quy trình công nghệ đề xuất trong bài này hoàn toàn khả thi, có cơ sở khoa học và thực tiễn. Cần triển khai nghiên cứu kỹ nhằm sớm áp dụng vào thực tiễn xử lý quặng Ilmenite tại Việt Nam.

Tài Liệu Trích Dẫn

  1. Trang Web của hiệp hội Titan Việt Nam http://www.vnTiO2.com/TabId/125/ArticleId/97/PreTabId/125/default.aspx
  2. Các trang Web chào hàng của hang Alpha easar TiO2 http://www.alfa.com/en/GP100w.pgm?DSSTK=077126
  3. Cario Traini, Giuseppe Bianchi, Alberto Pellegri, Electrolytic Process for Treating Ilmenite Leach Solution, United States Patent, No4,230,542, Oct 28, 1980
  4. Collin G and Hawkins, Production of High Purity Titanium Monoxides and Capacitor Production Therefrom, United States Patent Application Publication, No US2008/0112879A1, 2008
  5. James C. W et al, Thermal and electrochemical process for metal production, US Pat. No 7,410,562B2
  6. Hanjung Kwon et al., Carbonthermal Reduction of Titanium Monoxides, Journal of Ceramic Society of Japan, 116, pp1154-1158, 2008
  7. Morris A, et all., Method of producing titanium monoxides, United States Patent, No 2,750, 259, 1956.

Bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>