Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Bảo Hiền tổng hợp

Một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc vừa công bố kết quả thử nghiệm cho thấy phức hợp giữa xanthan gum (một loại polysaccharide tự nhiên) và ion sắt (Fe3+) có thể đóng vai trò kép - vừa là chất đè chìm vừa là chất keo tụ chọn lọc - giúp cải thiện đáng kể hiệu quả tách apatit siêu mịn khỏi thạch anh bằng phương pháp tuyển nổi ngược. Đây là hướng giải quyết cho một bài toán kỹ thuật tồn tại lâu năm trong ngành tuyển khoáng phosphate: xử lý phần hạt quặng siêu mịn - vốn ngày càng phổ biến khi các mỏ có hàm lượng cao, dễ tuyển đang dần cạn kiệt.

Vì sao hạt siêu mịn là bài toán khó

Khi các mỏ phosphate chất lượng cao ngày càng cạn kiệt, ngành khai khoáng buộc phải chuyển sang khai thác quặng có hàm lượng thấp hơn và cấu trúc hạt mịn, phức tạp hơn. Trong các loại quặng này, apatit - khoáng vật có giá trị - thường cộng sinh chặt chẽ với khoáng tạp chất như thạch anh ở kích thước hạt rất nhỏ, khiến các vấn đề như độ chọn lọc kém, hiệu suất tách thấp và tiêu tốn nhiều thuốc tuyển trở nên ngày càng nghiêm trọng trong quy trình tuyển nổi thông thường.

Tuyển nổi ngược - phương pháp trong đó thạch anh được làm nổi lên còn apatit được giữ lại - là kỹ thuật phổ biến để loại silica khỏi quặng hàm lượng thấp, đã được ứng dụng thành công trong tuyển quặng sắt và magnesit. Tuy nhiên, do thiếu thuốc tuyển thực sự hiệu quả cho hệ hạt mịn apatit-thạch anh, việc ứng dụng tuyển nổi ngược trong khâu khử silica cho quặng apatit vẫn còn hạn chế. Các chất điều biến truyền thống - axit vô cơ, phosphate, tinh bột và dẫn xuất tinh bột - thường có độ chọn lọc và hiệu quả hạn chế, đặc biệt trong hệ hạt siêu mịn.

Cơ chế: kết hợp giữ ẩm bề mặt và keo tụ chọn lọc

Nhóm nghiên cứu - gồm các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Vũ Hán, Đại học Quý Châu và Tập đoàn Wengfu (một trong những doanh nghiệp phosphate lớn của Trung Quốc, có phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về phát triển hiệu quả tài nguyên phosphate) - đã thử nghiệm phức hợp xanthan gum-Fe3+ theo tỷ lệ khối lượng tối ưu 1:9 (xanthan gum và FeCl3.6H2O), sử dụng dodecylamine (DDA) làm chất tập hợp cho thạch anh.

Kết quả phân tích bằng nhiều kỹ thuật khác nhau - đo góc tiếp xúc, đo điện thế zeta, đo độ đục, quan sát bằng kính hiển vi phân cực, và quang phổ hồng ngoại - cho thấy phức hợp XG-Fe3+ hoạt động theo hai cơ chế bổ trợ nhau. Thứ nhất, phức hợp này hấp phụ hóa học lên bề mặt apatit, ngăn cản việc hấp phụ của DDA và duy trì tính ưa nước của apatit - khiến apatit không nổi lên cùng bọt khí. Thứ hai, do là một hợp chất đại phân tử mạch dài, XG-Fe3+ gây ra hiện tượng keo tụ chọn lọc đối với các hạt apatit siêu mịn thông qua cơ chế bắc cầu hấp phụ (adsorption bridging) - làm tăng kích thước biểu kiến của hạt apatit, qua đó giảm hiện tượng cuốn theo cơ học (mechanical entrainment) của các hạt siêu mịn vào lớp bọt trong quá trình tuyển nổi. Ngược lại, phức hợp này hầu như không tương tác với bề mặt thạch anh, không cản trở việc hấp phụ DDA lên thạch anh - giúp thạch anh vẫn nổi lên bình thường.

Đáng chú ý, các nhà nghiên cứu ghi nhận: khi thử riêng xanthan gum mà không kết hợp với ion sắt, độ chọn lọc trong hệ tuyển nổi apatit-thạch anh siêu mịn khá hạn chế - cho thấy vai trò của ion Fe3+ là yếu tố quan trọng giúp phát huy đầy đủ hiệu quả của polysaccharide này, phù hợp với các nghiên cứu trước đó về hiệp lực giữa ion kim loại và chất đè chìm polymer.

Kết quả thực nghiệm cụ thể

Trong thử nghiệm trên khoáng đơn ở pH 8 (điều kiện được xác định là tối ưu), khi không có XG-Fe3+, chênh lệch độ thu hồi giữa thạch anh và apatit đạt 41,27 điểm phần trăm. Sau khi bổ sung XG-Fe3+ ở nồng độ tối ưu 20 mg/L, độ thu hồi của apatit giảm xuống chỉ còn 10,45%, trong khi độ thu hồi của thạch anh gần như không đổi - khiến chênh lệch độ thu hồi giữa hai khoáng mở rộng lên tới 66,9 điểm phần trăm.

Trong thử nghiệm với mẫu quặng hỗn hợp nhân tạo (tỷ lệ khối lượng apatit:thạch anh là 1:1) - mô phỏng gần hơn với điều kiện quặng thực tế - khi không dùng XG-Fe3+, tinh quặng thu được chỉ đạt hàm lượng P2O5 26,49% với độ thu hồi 44,21%. Sau khi bổ sung XG-Fe3+ ở nồng độ 100 mg/L, hàm lượng P2O5 trong tinh quặng tăng lên mức cao nhất đạt được là 34,48%, với độ thu hồi tương ứng 47,61%. Ở nồng độ cao hơn (200 mg/L), hàm lượng P2O5 giảm nhẹ xuống 28,47% nhưng độ thu hồi lại tăng mạnh lên 72,27% - cho thấy có thể điều chỉnh liều lượng thuốc tuyển để cân bằng giữa mục tiêu ưu tiên chất lượng tinh quặng hay ưu tiên tổng sản lượng thu hồi tùy theo nhu cầu vận hành thực tế.

Mẫu quặng thí nghiệm và ý nghĩa với ngành

Mẫu apatit và thạch anh tự nhiên dùng trong nghiên cứu được lấy từ tỉnh Quý Châu (Trung Quốc) - một trong những khu vực có trữ lượng phosphate lớn của nước này, với độ tinh khiết kiểm định lần lượt đạt 93,51% và 96,17%. Nghiên cứu nhận tài trợ từ nhiều chương trình khoa học công nghệ cấp tỉnh và quốc gia của Trung Quốc, cùng với sự hỗ trợ của Tập đoàn Wengfu - cho thấy đây là nghiên cứu có định hướng ứng dụng thực tiễn gắn liền với nhu cầu vận hành của một doanh nghiệp khai thác - chế biến phosphate cụ thể, không đơn thuần là nghiên cứu học thuật thuần túy.

Đối với các đơn vị khai thác và chế biến quặng apatit nói chung, hướng nghiên cứu này có ý nghĩa tham khảo trực tiếp: khi các mỏ có hàm lượng cao dần cạn kiệt và tỷ lệ hạt mịn trong quặng khai thác ngày càng tăng, việc có thêm công cụ hóa chất chuyên biệt để xử lý hiệu quả phần cấp hạt khó tuyển này có thể giúp cải thiện tỷ lệ thu hồi tổng thể của toàn bộ dây chuyền chế biến, thay vì chấp nhận thất thoát phần khoáng sản quý giá này vào dòng thải mịn như cách vận hành truyền thống.

Nguồn tham khảo: Li, Z., Zheng, Z., He, D., Liu, G., Liu, H., Xu, W., Tang, Y., Shao, H., Shi, L. & Li, W. "Enhancing the Reverse Flotation Separation of Ultrafine Apatite and Quartz Using XG-Fe3+ as a Selective Depressant and Flocculant." Minerals 16(9), 910 (2026). DOI: 10.3390/min16090910 (truy cập mở, giấy phép CC BY 4.0). Nghiên cứu thực hiện tại Đại học Công nghệ Vũ Hán, Đại học Quý Châu và Tập đoàn Wengfu (Trung Quốc).