Nghiên cứu tính chất quặng apatit nghèo và động học quá trình xử lý axít nguyên liệu
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUẶNG APATIT NGHÈO VÀ
ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ AXÍT NGUYÊN LIỆU
(1)
Bùi Đình Nhi*
Minh ị ảo
Phạm Đức Anh 1,2
TÓM TẮT
ành phần hóa học, tính chất hóa lý của quặng apatit nghèo Lào Cai được nghiên cứu. Các phương
pháp phân tích hiện đại như SEM-EDX, XRD, TGA/DSC/DTG, BET được sử dụng trong nghiên cứu đã
xác định được quặng apatit có thành phần P2O5 hữu ích là 13,5%, tạp chất chính là silic đioxit 32,5%, đồng
thời đã xác định được thành phần pha, quá trình phân hủy nhiệt, diện tích bề mặt cũng như thể tích lỗ xốp
của mẫu nguyên liệu. Nghiên cứu động học của quá trình phân hủy nguyên liệu bằng axít đã xác định được
phản ứng có bậc 1, một số thông số tối ưu của quá trình đã được lựa chọn như tốc độ khuấy, nồng độ axít
và nhiệt độ.
Từ khóa: Apatit nghèo, động học, tính chất hóa lý, axít.
Nhận bài: 16/3/2021; Sưa chưa: 24/3/2021; Duyêt đăng: 26/3/2021.
1. Mở đầu
phương pháp tách phân đoạn cũng như phương pháp
tuyển nổi.
Quặng apatit Việt Nam tập trung ở khu vực tỉnh
Lào Cai với tổng trữ lượng lên tới hơn 2 tỷ tấn, thời
gian khai thác khoảng trên 20 năm. Hiện tại, quặng
apatit không được phép xuất khẩu, chủ yếu cung cấp
cho sản xuất lân, phốt pho vàng trong nước. Với tình
hình khai thác và sử dụng như hiện nay, quặng apatit
giàu sẽ cạn kiệt nhanh chóng. eo đánh giá, trữ lượng
quặng nghèo chiếm khoảng 60% tổng trữ lượng quặng
apatit. Nguồn quặng nghèo này trước đây hầu như bỏ
đi, không sử dụng, trong khi các công ty phải đầu tư
lớn mua sắm thiết bị, tổ chức khai thác xuống sâu để lấy
quặng giàu. Vì vậy, cần phải nâng cao năng lực tuyển
và làm giàu quặng apatit.
Có nhiều nghiên cứu được tiến hành để có thể làm
giàu quặng apatit. Dựa trên thực tiễn công nghiệp đã
chứng minh rằng việc chế biến photphat tự nhiên với
hàm lượng P O5 ít nhất 28% bằng axít sulfuric và ít nhất
24% bằng ax2ít nitric là hợp lý về mặt kinh tế trong sản
xuất phân bón chứa phốtpho [1]. Trong các trường
hợp khác, cần sử dụng các phương pháp làm tăng hàm
Tại Việt Nam, nghiên cứu tuyển quặng apatit loại
III nghèo ở các bãi chứa bằng thuốc tập hợp thế hệ mới
(dạng Ankyl succinat) của Viện Hóa học Công nghiệp
Việt Nam chế tạo cho kết quả đạt hàm lượng P O5
trong tinh quặng ≥32%, thực thu ≥ 70% [2]. Ngh2iên
cứu lựa chọn sơ đồ hợp lý để tuyển quặng Apatit loại III
nghèo có hàm lượng P O5 nguyên khai dưới mức thiết
kế (α <14%) thu được2 sản phẩm quặng tinh đạt tiêu
chuẩn sản xuất phân bón quy mô phòng thí nghiệm
được Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam thực hiện [3].
Trên thế giới cũng có nhiều phương pháp làm giàu
quặng photphat được nghiên sử dụng dung dịch axit
hữu cơ yếu: acetic, citric, formic [4], succinic, lactic
[5]… Phương pháp công nghệ sinh học – sử dụng dung
dịch nuôi cấy Candida lipolytica VKM U-160 hòa tan
chọn lọc canxit [6] thu được một lượng photphat đậm
đặc (30,5 - 33,4%). Tuy nhiên các phương pháp này
chưa có ứng dụng thực tế.
Các phương pháp sử dụng các axít khoáng mạnh
lượng thành phần mục tiêu bằng cách làm giàu cơ học, như axít sulfuric [7], axít nitric [8], axít photphoric [9],
rửa, tuyển nổi hoặc nung. Khó khăn của quá trình làm hay các phương pháp kết hợp các axít khoáng mạnh
giàu nằm ở chỗ các tạp chất đan xen dầy đặc với các như phương pháp axít photphoric-nitric, phương pháp
khoáng chứa phốtpho, điều này giảm hiệu suất của axít photphorosulfuric, phương pháp axít photphoric
1 Khoa Công nghê Hóa học và Môi trường, Trường Đại học Công nghiêp Viêt Trì
2 Trung tâm Tư vấn và Công nghê môi trường – Tổng cục Môi trường
90 Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
amoni [10]…Các phương pháp này cho hiệu quả cao, trình phân hủy bột photphorit được thực hiện ở nhiệt
thu nhận được các loại phân bón chủng loại và hàm độ 20°C trong 10 phút với lượng dư axít 20% so với
lượng thành phần đích đa dạng. Tuy nhiên, để thực lượng cân bằng của nó. Axít dư được tính toán có tính
hiện được các phương pháp này thì yếu tố tiên quyết đến hàm lượng tạp chất canxi và magiê trong thành
cần phải xác định rõ thành phần, tính chất của nguyên phần bột photphorit. Nồng độ axít ban đầu là 0,1 M.
liệu đầu vào và cần phải xác định rõ động học của quá Hỗn hợp nguyên liệu được khuấy với tốc độ 180 vòng/
trình phân hủy, từ đó có thể lựa chọn được các điều phút. Hệ số phân hủy bột photphorit được xác định
kiện phân hủy cũng như thiết bị phù hợp và đây cũng theo phương pháp đo nồng độ ion (hoặc phương pháp
là mục tiêu của nghiên cứu.
trắc quang).
2. ực nghiệm
b. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy
Quá trình thực nghiệm được tiến hành theo như
mục a với việc thay đổi tốc độ khuấy từ 50 - 190 vòng/
phút.
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng của nghiên cứu là quặng nghèo Lào Cai
(với hàm lượng P2O5 < 15%).
Nguyên liệu quặng thô gồm các mảnh không đều
có kích thước 120 - 150 mm, được nghiền trên máy
nghiền bi. Tất cả các nghiên cứu tiếp theo được thực
hiện với quặng đã nghiền nhỏ, chúng ta sẽ gọi một cách
có điều kiện là “bột photphorit”.
c. Ảnh hưởng của nồng độ axít
Quá trình thực nghiệm được tiến hành theo như
mục a với việc thay đổi nồng độ axít là 0,01, 0,02, 0,1,
0,2, 0,5 và 1,0 M.
d. Ảnh hưởng của nhiêt độ
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Quá trình thực nghiệm được tiến hành theo như
mục a với việc thay đổi nhiệt độ là 20, 30, 40 và 50oC.
2.2.1. Phương pháp phân tích một số tính chất hóa
lý của vật liêu
3. Kết quả và thảo luận
ành phần nguyên tố và hình thái của mẫu được
xác định trên hệ thống thiết bị kính hiển vi điện tử
quét kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (SEM-EDX)
(Model JSM - IT200, đầu dò hãng Oxford).
Phân tích phổ hồng ngoại của mẫu được tiến hành
trên thiết bị quang phổ hồng ngoại FTIR (Model Cary
630 Series).
ành phần pha của mẫu được đo trên máy quang
phổ nhiễu xạ tia X (Bruker D8 Advance Eco). Các pha
của mẫu được xác định bằng phần mềm Bruker EVA
và cơ sở dữ liệu ICDD PDF-2.
Phân tích nhiệt của mẫu được thực hiện trên hệ
thống thiết bị phân tích nhiệt DTA/DSC/TGA (Model
TGA PT 1600), với dải nhiệt độ 30 - 1200 oC.
Đặc điểm kết cấu: Hệ thống thiết bị đo thể tích
vật liệu Quantachrome Nova 1200e (Quantachrome
Instruments, USA, phạm vi diện tích đo 0,01 ÷ 2000
m3/g, phạm vi đường kính lỗ 3,5 ÷ 4000 nm); thiết bị
đo diện tích bề mặt riêng Sorbi-MS (Dải đo diện tích
bề mặt riêng 0,1 ÷ 2000 m2/g, khí hấp phụ nitơ, dải áp
suất riêng phần của khí hấp phụ 0,02 ÷ 0,98Р/Р0, giới
hạn sai số đo tương đối cho phép 6%, độ tái lập
0,5%); tạo viên bằng máy ép thủy lực bằng tay (PIKE
Technologies Inc., USA).
3.1. Tính chất hóa lý của quặng apatit nghèo
3.1.1. ành phần nguyên tố và thành phần hóa
học của bột photphorit
Để đánh giá sự tổn thất do việc phá hủy các mẫu
trong quá trình xử lý nhiệt, phương pháp phân tích
huỳnh quang tia X được tiến hành để xác định thành
phần nguyên tố của hai thí nghiệm: í nghiệm 1 được
Bảng 1. ành phần một số nguyên tố của mẫu bột
photphorit sau sấy khô trong 2h ở nhiệt độ 100°C
Nguyên
tố
Hàm lượng, %
Mẫu 2
Giá trị
trung
bình, %
Mẫu 1
Mẫu 3
Si
7,49
1,02
9,53
0,25
0,20
0,26
68,69
0,82
0,01
5,17
0,52
2,12
0,10
0,68
7,46
0,75
9,69
0,23
0,21
0,34
70,01
0,75
0,01
4,99
0,53
2,08
0,10
0,68
6,72
0,77
9,33
0,39
0,24
0,33
68,76
0,83
0,01
4,90
0,35
2,03
0,10
0,68
7.22
0,85
9,52
0,29
0,22
0,31
69,18
0,80
0,01
4,98
0,47
2,08
0,10
0,68
Al
Ca
Mg
Na
K
O
Fe
F
P
S
C
N
2.2.2. Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến
quá trình phân hủy axít nguyên liêu photphat thô
a. Ảnh hưởng của kích thước hạt
Đưa vào bình phản ứng 100g nguyên liệu bột
photphorit theo các nhóm kích thước khác nhau. Quá
H
Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021 91
Bảng 2. ành phần một số nguyên tố của mẫu bột Bảng 3. Một số thành phần hóa học của mẫu bột photphorit
photphorit sau nung trong 2h ở nhiệt độ 900 °C sau sấy khô trong 2 h ở nhiệt độ 100 °C
Nguyên
tố
Hàm lượng, %
Mẫu 2
Giá trị
trung
ành P2O5 CaO
MgO Fe2O3
F
SiO2
phần
Mẫu 1
Mẫu 3
bình, %
Hàm
lượng,
%
13,5
27,42 0,23 2,07
0,01 32,50
Si
8,34
1,09
11,59
0,49
0,45
0,26
67,54
1,15
0,01
5,70
0,66
0,01
-
7,60
0,98
12,48
0,36
0,17
0,28
65,22
1,24
0,01
5,67
0,49
0,01
-
8,27
1,19
11,51
0,50
0,17
0,35
69,01
1,71
0,01
5,87
0,59
0,01
-
8,07
1,08
11,90
0,45
0,26
0,30
67,30
1,37
0,01
5,75
0,58
0,01
-
Al
Ca
Mg
Na
K
O
Fe
F
P
S
C
N
của mẫu bột photphorit, tiến hành phân tích và thu
nhận giản đồ nhiễu xạ tia X (Hình 1), từ kết quả có
thể thấy rằng mẫu được nghiên cứu chủ yếu là hai
pha: pha thứ nhất là hợp chất photphat có cấu trúc
là hiđroxycarbonatapatit, pha thứ hai là α-thạch anh.
Đồng thời, do độ kết tinh cao của hai pha trên nên
không thể xác định được aluminosilicat và các tạp chất
có chứa sắt, mặc dù tổng hàm lượng Fe2O3 và Al2O3 đạt
~ 3%.
Khi hòa bột photphorit này vào trong axit tạo ra
huyền phù có độ nhớt cao, tốc độ dịch chuyển thấp.
Nguyên nhân của điều này là do trong thành phần của
photphorit nghiên cứu có lẫn tạp chất của khoáng sét.
Trường hợp này cho phép chúng tôi giả định rằng các
tạp chất sắt và nhôm silicat có trong bột photphorit
được đại diện bởi khoáng sét bentonit, thành phần
chính của nó là montmorillonite, tương ứng với công
thức chung (K,Na)x(Mg,Fe,Al) (S O )(OH)2.nH O,
trong đó x <1. Tính năng đặc trưn2g ciủ4 a 1n0ó là trương2nở
trong môi trường nước, dẫn đến thay đổi độ nhớt và
cấu trúc của huyền phù.
Cấu trúc tương tự của huyền phù nước dựa
trên khoáng vật tự nhiên đất sét bentonit chứa 42%
montmorillonite đã được ghi nhận khi sử dụng làm
chất phụ gia điều chỉnh cho amoni nitrat nhằm mục
đích tăng tính chất thương mại của nó: độ bền của hạt,
pha và độ ổn định nhiệt [11].
Giản đồ XRD của các mẫu bột photphorit khô
và ngâm trong nước 12 giờ ở nhiệt độ 25 °C là giống
hệt nhau (Hình 2), ngoại trừ hai pic biến mất trong
quá trình ngâm trong vùng có góc nhỏ 2θ = 8 ÷ 10.
Đây cũng là một dấu hiệu gián tiếp cho thấy sự hiện
diện của montomorillonite trong thành phần của
mẫu phosphorit được nghiên cứu. Một số tác giả
H
0,15
0,15
0,15
0,15
sấy khô trong 2 h ở nhiệt độ 100°C và thí nghiệm 2
được nung trong 2 giờ ở nhiệt độ 900°C. Các kết quả
thu được về thành phần nguyên tố của thí nghiệm 1 và
2 từ ba mẫu song song được trình bày tương ứng trong
Bảng 1 và 2.
Việc nung một mẫu bột photphorit cho thấy khả
năng loại bỏ gần như hoàn toàn các tạp chất hữu cơ
nitơ và các bon khỏi nó, điều này sẽ tránh tạo bọt trong
quá trình xử lý axít nguyên liệu.
ành phần hóa học của một mẫu bột photphorit
được xác định bằng cách sử dụng các phương pháp
phân tích theo TCVN. Kết quả thu được (Bảng 3) cho
thấy mẫu nghiên cứu thuộc loại nguyên liệu nghèo
photphat - thành phần P O hữu ích là 13,5%, tạp chất
chính là silic đioxit ở cuố2i q5uá trình là 32,5%.
3.1.2. ành phần pha của bột photphorit
Vì nguyên liệu khoáng là hỗn hợp của nhiều pha
nên thông tin về thành phần hóa học trung bình của
các mẫu là không đủ. Để xác định thành phần pha
▲Hình 2. Giản đồ XRD của bột photphorit khô và sau ngâm
nước 12h
▲Hình 1. Giản đồ XRD của bột photphorit
92 Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
[12] cũng chỉ ra sự xuất hiện của đỉnh trong vùng các hợp này, cacbonat apatit chuyển thành tricalcium
góc tán xạ nhỏ (2θ ≈ 8) khi có sự hiện diện của pha phosphate.
montmorillonite.
Ở giai đoạn thứ tư, trong khoảng 1490 - 1569 °C,
Do đó, bằng các dấu hiệu gián tiếp, sự hiện diện mẫu mất 2,64% trọng lượng ban đầu. Hiệu ứng quan
của pha thứ ba, montmorillonite, đã được tiết lộ trong sát được trong khoảng 1516 - 1542 °С với cực đại ở
thành phần của bột phosphorit nghiên cứu. eo kết 1534 °C, tương ứng với việc giảm một phần thành phần
quả phân tích nhiễu xạ tia X, khoáng photphat của photphat của mẫu với cacbon khi có mặt thạch anh theo
quặng nghiên cứu có cấu trúc hiđroxycacbonatapatit phản ứng 2Ca5(PO4)3F + 15C + 6SiO2 = 3P + 15CO +
thuộc hệ lục phương với các thông số ô đơn vị là a = b 3(3CaO.2SiO2) + CaF , phù hợp với kết qu2ả phân tích
= 9,38 Å, c = 6,89 Å. Tạp chất chính là α-thạch anh có thành phần nguyên tố2theo phổ tán xạ năng lượng tia X
cấu trúc tam giác, thông số ô đơn vị là a = 4,9133Å, c và kết quả phân tích CHNS của bột photphorit.
= 5,4053Å.
Việc không có hiệu ứng thu nhiệt rõ rệt trong phần
nhiệt độ cao của giản đồ nhiệt cho thấy α-thạch anh
(thành phần của bột photphorit) nóng chảy ở nhiệt độ
trên 1600 °C.
Ảnh hưởng của quá trình phân hủy nhiệt đến các
đặc điểm cấu trúc của bột photphorit được đưa ra ở
Bảng 4.
3.1.3. ành phần pha của bột photphorit
Để xác nhận kết quả phân tích pha XRD, tiến hành
thực hiện phân tích nhiệt mẫu bột photphorit, khối
lượng đã cân được nung trong chén bạch kim trong
môi trường Argon đến nhiệt độ 1.600 °C với tốc độ gia
nhiệt tuyến tính 20°/phút. Các đường cong kết quả thể
hiện trong Hình 3 minh họa bốn giai đoạn giảm trọng
lượng đối với mẫu bột phosphorit.
Ở giai đoạn đầu, trong khoảng nhiệt độ 30 - 220
°C, mẫu mất 0,64% khối lượng, kèm theo hiệu ứng thu
nhiệt với đỉnh ở 94 °C. Việc giảm trọng lượng không
đáng kể là do việc loại bỏ nước hấp phụ và nước liên kết
có trong mẫu, kết quả cũng cho thấy khả năng hút ẩm
thấp của bột photphorit.
Bảng 4. Sự thay đổi đặc điểm cấu trúc của bột photphorit
theo nhiệt độ phân hủy
Nhiệt độ, oC
Diện tích bề mặt, ể tích lỗ xốp,
m2/g
8,51
9,40
9,49
10,5
8,23
cm3/g
0,0137
0,0147
0,0151
0,0170
00140
100
200
300
400
600
Với việc tăng nhiệt độ phân hủy từ 100 - 400oC dẫn
đến việc tăng diện tích bề mặt từ 8,51 lên 10,5 m2/g và
thể tích lỗ xốp từ 0,0137 lên 0,0170 cm3/g. Điều này
được giải thích là do khi tăng nhiệt độ đến 400oC dẫn
đến việc loại bỏ nước hấp phụ và nước liên kết ra khỏi
mẫu nguyên liệu. Sau đó nếu tiếp tục tăng nhiệt độ phân
hủy lên 600oC thì diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp
giảm xuống còn 8,23 m2/g và 0,0140 cm3/g tương ứng.
Điều này là do tăng nhiệt độ đến 600oC sẽ dẫn đến phá
hủy các mao quản của thành phần khoáng sét trong
mẫu nguyên liệu. Kết quả thu được cũng tương đồng
với kết quả phân tích nhiệt TGA/DSC/DTG ở trên.
▲Hình3. GiảnđồnhiêtTGA/DSC/DTGcủabộtphotphorit
3.2. Phân hủy axít nguyên liệu bột photphorit
Ở giai đoạn thứ hai, trong khoảng 251 - 584 °C, khối
lượng hao hụt là 2,71% khối lượng mẫu. Hiệu ứng tương
ứng với điểm uốn ở nhiệt độ 447 °C có liên quan đến sự
phân hủy các tạp chất chứa nitơ và canxi hiđroxit trong
cấu trúc của hiđroxycacbonat apatit thành ôxít canxi và
nước, và sự chuyển đổi của nó thành apatit cacbonat.
Ở giai đoạn thứ ba, trong khoảng 675 - 1145 °C
với đỉnh ở 836 °C, mẫu có độ hao hụt lớn nhất, lên tới
5,23% khối lượng mẫu. Nguyên nhân là do, ở giai đoạn
này, sự phân hủy các tạp chất cacbonat xảy ra và loại bỏ
sản phẩm phân hủy (CO2) vào pha khí. Trong trường
3.2.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt và chế độ thủy
động học đến quá trình phân hủy axít bột photphorit
Tiêu chí để lựa chọn chế độ khuấy trộn thủy động
lực học là sự phân bố đồng đều các hạt rắn của nguyên
liệu khoáng trong thể tích của huyền phù. Các nhóm
nguyên liệu phân chia theo kích thước tiến hành phân
hủy bằng axít ở các điều kiện giống nhau với tốc độ
khuấy thay đổi từ 50 - 190 vòng/phút. Quá trình phân
hủy bột photphorit được thực hiện ở nhiệt độ 20°C
trong 10 phút với lượng dư axít nitric 20% so với lượng
cân bằng của nó. Axít dư được tính toán có tính đến
Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021 93
hàm lượng tạp chất canxi và magiê trong thành phần
Từ đồ thị hình 5, dựa vào phương trình các đường
bột photphorit. Nồng độ axít ban đầu là 0,1 M. Sự phụ thẳng với hằng số tương quan R > 0,999 có thể xác định
thuộc hệ số phân hủy axit bột phosphorit (Кр) vào tốc được hằng số tốc độ phản ứng quá trình phân hủy axít
độ khuấy được đưa ra ở Hình 4 cho hai nhóm nguyên bột photphorit phụ thuộc vào nồng độ axít (Bảng 5).
liệu: nhóm 2 (kích thước 0,5 - 1,0 mm) và nhóm 5 (0,09
Bảng 5. Ảnh hưởng của nồng độ axit nitric đến hằng số tốc
- 0,18 mm).
độ phản ứng phân hủy bột photphorit
Kết quả từ Hình 4 cho thấy, hệ số phân hủy của mẫu
Nồng độ axít nitric, M
Hằng số tốc độ phản ứng
thử thực tế không phụ thuộc vào cỡ hạt trong phạm vi
nghiên cứu và giá trị đó gần như là tương đồng ở tốc
độ khuấy huyền phù khoảng 170 - 190 vòng/phút. Do
đó, tất cả các nghiên cứu sâu hơn về sự phân hủy bột
photphorit sẽ được tiến hành ở tốc độ khuấy 180 vòng/
phút để đảm bảo chế độ thủy động lực học của quá
trình phân hủy.
k, s-1
0,01
0,02
0,1
0,2
0,5
2,76.10-3
4,56.10-3
7,97.10-3
8,01.10-3
7,32.10-3
6,14.10-3
1,0
Dựa vào kết quả thu được có thể thấy rằng khi tăng
nồng độ axít từ 0,01 - 0,1M thì hằng số tốc độ phản ứng
tăng mạnh từ 2,76.10-3 s-1 lên 7,97.10-3 s-1, sau đó tiếp
tục tăng nồng độ axit lên 0,2M thì hằng số tốc độ phản
ứng tăng rất ít, thậm chí còn giảm nếu tiếp tục tăng
nồng độ lên 0,5 và 1,0M. Điều này có thể là do khi nồng
độ axít tăng lên quá cao sẽ dẫn đến việc hòa tan các tạp
chất có trong bột photphorit. Để chứng minh cho việc
khi tăng nồng độ axít sẽ dẫn đến việc hòa tan thêm các
tạp chất có trong bột photphorit, tiến hành nghiên cứu
xác định hàm lượng ôxít sắt và nhôm được hòa tan vào
▲Hình 4. Sự phụ thuộc hê số phân hủy bột photphorit kích
thước khác nhau vào tốc độ khuấy (Nhóm 2 - kích thước 0,5 - trong dung dịch phản ứng với các nồng độ axit nitric
1,0 mm; Nhóm 5 - kích thước 0,09 - 0,18 mm)
khác nhau, kết quả được đưa ra ở Hình 6.
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ axít và nhiêt độ đến
quá trình phân hủy bột photphorit
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ axít đến tốc
độ phân hủy bột photphorit, tiến hành phân hủy nguyên
liệu với lượng dư 20% axít nitric có nồng độ 0,01 M, 0,02
M, 0,1 M, 0,2 M, 0,5 M và 1 M ở nhiệt độ 20°C. Bằng
phương pháp đồ thị có thể xác định phản ứng phân hủy
axít bột photphorit có bậc 1 khi sự phụ thuộc ln(CH0+/
CH+) = f(τ) là một đường thẳng (Hình 5).
▲Hình 6. Ảnh hưởng của nồng độ axít nitric đến sự hòa tan
oxit nhôm và sắt ở nhiêt độ 30oC
Dựa vào kết quả Hình 6 cho thấy, trong khoảng 300
giây kể từ khi bắt đầu phân hủy photphorit bằng axit
nitric 0,1 M, việc hòa tan ôxít sắt và nhôm trên thực
tế đã hoàn thành, nồng độ của chúng trong pha lỏng
tương ứng không vượt quá 15% và 17% hàm lượng ban
đầu của chúng trong nguyên liệu thô. Khi nồng độ axít
nitric tăng lên 5 M, quá trình tách tạp chất được tăng
cường, nồng độ của oxit sắt và nhôm trong pha lỏng
trong cùng một thời gian (300 giây) là 25% và 27%
tương ứng, sau đó nó tiếp tục tăng nhẹ và đến cuối quá
trình tách chiết P2O5 (1200 giây) tiệm cận 28% và 31%.
▲Hình 5. Sự phụ thuộc ln(C +/CH+) vào thời gian trong
khoảng nồng độ axít nitric 0,01H-0 1,0M ở nhiêt độ 20°C
94 Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
Như vậy, khi tăng nồng độ axit sẽ dẫn đến việc tăng
hàm lượng tạp chất trong dung dịch, từ đó ảnh hưởng
đến hằng số tốc độ phản ứng, như vậy nồng độ axít
nitric là 0,10M được lựa chọn cho quá trình phân hủy
bột photphorit.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ
phân hủy bột photphorit, tiến hành phân hủy nguyên
liệu với lượng dư 20% axít nitric có nồng độ 0,1 M ở
nhiệt độ 20 - 50°C.
Hằng số tốc độ phản ứng quá trình phân hủy axít
bột photphorit phụ thuộc vào nhiệt độ được đưa ra ở
bảng 6. Dựa vào kết quả thu được có thể thấy rằng khi
phân hủy bột photphorit bằng axít nitric nhiệt độ tăng
sẽ làm tăng hằng số tốc độ phản ứng. Hằng số tốc độ
phản ứng tăng mạnh từ 7,97.10-3 lên 22,3.10-3 khi tăng
nhiệt độ từ 20 oC lên 30 oC, sau đó tiếp tục tăng nhiệt độ
lên 40, 50 oC thì hằng số tốc độ phản ứng tăng với mức
độ thấp hơn tương ứng là 29,1.10-3, 33,8.10-3 s-1.
▲Hình 7. Sự hòa tan ôxít nhôm và sắt vào dung dịch phản
ứng ở nhiêt độ 50oC theo thời gian
nhiệt độ 50oC tăng lên hơn 2 lần so với ở nhiệt độ 30oC,
sau 1200 giây phản ứng hàm lượng ôxít sắt và nhôm
hòa tan trong dung dịch phản ứng lần lượt là 70, 74%.
Do vậy, để thu hồi sản phẩm có đặc tính kỹ thuật
mong muốn thì nhiệt độ của phản ứng phân hủy axít
nitric bột photphoric duy trì ở 30oC là thích hợp.
Bảng 6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hằng số tốc độ phản
ứng phân hủy bột photphorit
4. Kết luận
Nhiệt độ, oC
Hằng số tốc độ phản ứng
Phân tích thành phần hóa học của quặng Apatit
nghèo cho thấy mẫu nghiên cứu thuộc loại nguyên liệu
nghèo photphat - thành phần P2O hữu ích là 13,5%,
tạp chất chính là silic đioxit ở cuối 5quá trình là 32,5%.
Việc nung nguyên liệu giúp loại bỏ gần như hoàn toàn
các tạp chất hữu cơ nitơ và cacbon, điều này sẽ tránh
tạo bọt trong quá trình xử lý axít nguyên liệu.
k, s-1
20
30
40
50
7,97.10-3
22,3.10-3
29,1.10-3
33,8.10-3
Bằng các phương pháp phân tích hiện đại như
XRD, TGA/DSC/DTG, BET… đã xác định được
cấu trúc cụ thể của mẫu quặng Apatit nghèo gồm
hiđroxycarbonatapatit, α-thạch anh và montmorillonite.
Đã nghiên cứu động học quá trình xử lý nguyên liệu
bằng axít, các thông số tối ưu của quy trình công nghệ
được xác định gồm tốc độ khuấy 180 vòng/phút, nồng
độ axit 0,1M và nhiệt độ 30oC■
Điều này có thể giải thích tương tự như đối với tăng
nồng độ axít nitric, vì khi tăng nhiệt độ lên thì ngoài
tốc độ thu hồi sản phẩm đích tăng lên thì đi kèm với
đó là sự hòa tan nhanh chóng của các tạp chất có trong
nguyên liệu. Tiến hành tương tự nghiên cứu xác định
hàm lượng ôxít sắt và nhôm được hòa tan vào trong
dung dịch phản ứng ở nhiệt độ 50oC theo thời gian
(Hình 7) thì thấy rằng sự hòa tan ôxít sắt và nhôm ở
using leaching method, Department of Mining & Metal.
Eng. – 2009.
6. Пат. 2097139 Российская Федерация, МПК 6 B 03
B 7/00. Способ обогащения карбонатсодержащего
фосфатного сырья, № 96115100/03; заявл. 13.08.96;
опубл. 10.01.98, Бюл. № 1. 264.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Isil Aydin, Determination of mineral phosphate species
in sedimentary phosphate rock in Mardin, SE Anatolia,
Tyrkey by sequential extraction, Microchem. J. – 2009. –
Vol. 91. – P. 63–69.
2. Nguyễn ị Minh, Nghiên cứu tuyển quặng apatit loại III
nghèo ở các bãi chứa bằng thuốc tập hợp thế hê mới (dạng
Ankyl succinat), Đề tài cấp Bộ công thương, 2019.
3. Phạm ị Minh, Nghiên cứu tuyển quặng Apatit loại III
nghèo có hàm kượng P2O5 dưới mức thiết kế, Đề tài Công
ty Mỏ - Incodemic, 2002.
4. Zafar, Z. I. Selective leaching of calcareous phosphate rock
in formic acid: optimisation of operating conditions, Miner.
Eng. – 2006. – Vol. 19 (14). – P. 1459–1461.
7. Ангелов, А. И.
фосфоритов
Переработка региональных
в квалифицированные фосфорные
удобрения, Хим. пром-сть. – 2016. – № 11. – С. 18–26.
8. Бруцкус, Е. Б. Получение сложных удобрений из
фосфоритов Чилисайского месторождения, Хим.
пром-сть. – 2016. – № 12. – С. 22–23.
9. Jambor, Y. Kinetika rozkladu Kola-apatitu kuselinou
dusicnou, Chemicky pramysl. – 1984. – Vol. 34/59. – №
6. – P. 289.
5. Heidarpour, T. Processing of Dalir phosphate samples
Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021 95
10. Алимов, У. К.
Получение концентрированных 11. Почиталкина, И. А. Кремнийсодержащие природные
фосфорсодержащих удобрений путем разложения
пылевидной фракции фосфоритов Центральных
модификаторы
аммиачной
селитры,
Хим.
технология. – 2012. – № 11. – C. 455–460.
Кызылкумов
частично
аммонизированной
12. Горобинский, Л. В. Pt-содержащие катализаторы
окисления СО на основе слолбчатых глин, Кинетика
и катализ. – 2006. – Т. 47, № 3. – С. 402–407.
экстракционной фосфорной кислотой, Хим. пром-
сть. – 2008. – № 5. – С. 248–255.
RESEARCH ON THE PROPERTIES OF POOR APATITE ORE AND
KINETICS OF ACID TREATMENT OF RAW MATERIAL
Bui Dinh Nhi*, Minh i ao
Faculty of Chemical Technology and Environment, Viet Tri Industrial University
Pham Duc Anh
Center for Environmental Consultancy and Technology – VietNam Environmental Administration
ABSTRACT
Chemical composition, physical and chemical properties of poor Apatite ore in Lao Cai were studied.
Modern analytical methods such as SEM-EDX, XRD, TGA/DSC/DTG, BET used in the study have identified
that Apatite ore has useful P2O content of 13.5% and main impurity silic dioxide of 32,5%, and the phase,
the thermal decomposition pro5cess, the surface area as well as the pore volume of the material sample have
also determined. Kinetic studies have identified first-order reaction, some optimal process parameters have
been selected such as stirring speed, acid concentration and temperature.
Key words: Poor apatite, kinetics, physicochemical properties, acid.
96 Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021
7 trang
17420
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu tính chất quặng apatit nghèo và động học quá trình xử lý axít nguyên liệu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_tinh_chat_quang_apatit_ngheo_va_dong_hoc_qua_trin.pdf
