Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng hệ thống pilot chế biến xỉ titan thành TiCl4 và TiO2 công suất 50kg/h

Những chi tiết, thiết bị chế tạo bằng titan đáp ứng mọi yêu cầu trong công nghiệp dân dụng, hàng không, vũ trụ. Tiềm năng cho ngành khai thác, chế biến titan ở Việt Nam rất lớn bởi vùng nguyên liệu dồi dào, trữ lượng vùng mỏ titan ở Ninh Thuận – Bình Thuận có thể lên tới 200 triệu tấn.

Chế biến sâu titan thực chất là công nghệ chế biến quặng titan thành sản phẩm bột màu TiO2, titan kim loại. Theo Viện Khoa học Công nghệ Mỏ – Luyện kim, nếu được chế biến sâu, titan sẽ đem lại nhiều lợi ích về kinh tế. Thống kê cho thấy, hàng năm, nước ta vẫn phải nhập khẩu khoảng 10.000 tấn bột TiO2 với giá gần 3.000 USD/tấn từ các nước Nhật Bản, Trung Quốc, Australia với tổng giá trị hơn 25 triệu USD. Còn nhu cầu của thế giới về TiO2 hiện tại là 4 triệu tấn/năm. Trong khi đó, nhu cầu về TiO2 của Việt Nam vào khoảng 20.000 tấn/năm.

Việc đầu tư xây dựng nhiều nhà máy luyện xỉ titan cũng đã là một cố gắng rất lớn của các nhà đầu tư, của khối công nghiệp và của xã hội, từ đó từng bước chế biến sâu quặng titan theo tinh thần chỉ đạo của Chính phủ và các Bộ, Ngành. Tuy nhiên, việc dừng lại ở khâu luyện xỉ, mặc dù đã cải thiện một phần bức tranh của ngành khai thác chế biến titan, vẫn chưa phải là giải pháp toàn bộ do bản thân công đoạn này tiêu tốn năng lượng và vật liệu, kén chọn thị trường, dẫn đến giá trị gia tăng thu được không thật lớn. Vì vậy, việc tiếp tục chế biến sâu tinh quặng titan và sản phẩm xỉ titan vẫn là cần thiết và cấp bách. Phương pháp sunfat mà chúng ta đã bỏ nhiều công sức trong nhiều thập kỷ nghiên cứu, thử nghiệm, có thể coi là không thành công, ít nhất với trình độ phát triển công nghệ hiện nay. Để tạo ra các sản phẩm có chất lượng, đáp ưng nhu cầu ngày càng khó tính của các ngành sử dụng sản phẩm titan, có thể cạnh tranh được trên thị trường trong nước và cả trên thế giới, công nghệ clo hóa có thể coi là con đường hợp lý hơn giải quyết vấn đề titan của Việt Nam.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Cơ quan chủ trì Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài GS.TS. Phan Đình Tuấn cùng thực hiện “Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng hệ thống pilot chế biến xỉ titan thành sản phẩm TiCl4 và TiO2 công suất 50kg/h” với mục tiêu: Xây dựng quy trình công nghệ và thiết bị quy mô pilot, năng suất 50kg/h để clo hóa xỉ titan, sản xuất TiCl4 đạt tiêu chuẩn kỹ thuật phục vụ cho việc chế tạo bột TiO2 pigment ứng dụng được trong sản xuất sơn nước.

Phương pháp clo hóa sẽ tạo ra sản phẩm trung gian đầu tiên là TiCl4. Có thể clo hóa trực tiếp quặng xỉ titan, thậm chí ilmenit. Hàm lượng TiO2 cao trong rutil và xỉ titan sẽ làm giảm chi phí chất phản ứng clo, tiến hành phản ứng dễ dàng hơn khi muốn tạo sự tiếp xúc của clo với 10 cả hai pha rắn là cacbon và TiO2. Việc clo hóa trực tiếp ilmenit cũng có thể thực hiện được. Tuy nhiên, do hàm lượng sắt quá lớn trong ilmenit, chi phí chất phản ứng clo cũng sẽ rất lớn, trong khi đó, sản phẩm phản ứng, ngoài TiCl4 còn một lượng lớn FeCl3 được tạo ra. Hiện nay nhu cầu sử dụng FeCl3 không nhiều, do đó, FeCl3 được coi như một sản phẩm phụ không mong muốn, phải loại bỏ, và hạn chế độ thu hồi TiCl4.

Hàm lượng sắt và tạp chất thấp trong xỉ titan sẽ hạn chế lượng FeCl3 và các clorua khác tạo thành, hạn chế sự lắng đọng của chúng trên đường ống thiết bị và do đó không ảnh hưởng lớn đến sự thu hồi TiCl4. TiCl4 sẽ được tách sơ bộ khỏi các tạp chất clorua bằng ngưng tụ phân đoạn nhờ sự khác biệt về nhiệt độ sôi của chúng.

Một phần FeCl3 và các clorua có nhiệt độ sôi gần TiCl4 sẽ bị kéo theo, cần phải tách tiếp tục trong quá trình tinh chế. Về lý thuyết, các clorua tạp chất có thể tách khỏi TiCl4 bằng chưng cất khi bố trí số đĩa lý thuyết thích hợp.

Trong số các tạp chất, VOCl3 khó tách triệt để hơn cả do sự gần nhau của nhiệt độ sôi. VOCl3 cũng như các tạp chất có màu cần được tách triệt để, vì chúng làm giảm chất lượng sản phẩm TiO2 cũng như titan kim loại. Có thể sử dụng các chất khử khác nhau như bột đồng, bột nhôm, H2S… để khử VOCl3 thành VOCl2 trước khi chưng cất.

Khó khăn và thách thức lớn nhất trong vấn đề clo hóa rutil và xỉ titan có thể là vật liệu chế tạo thiết bị. Chính vấn đề này đã hạn chế sự phát triển của công nghệ clo hóa. Theo các nghiên cứu đã được tiến hành, vấn đề này có thể giải quyết được nhờ vật liệu cao nhôm, vật liệu graphit và vừa nhôm photphat… Như vậy có thể thấy thiết bị clo hóa cần có vỏ thép vững chắc, lót bằng gạch chịu nhiệt, chịu ăn mòn clo ở nhiệt độ cao, có cơ cấu cung cấp nhiệt từ bên trong phù hợp, có thể điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng chất phản ứng, có kết cấu phù hợp để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu hồi triệt để TiCl4, đảm bảo môi trường và an toàn trong quá trình vận hành.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ sản xuất và tinh chế TiCl4 từ xỉ titan, công suất 50kg nguyên liệu/h. Quy trình đã được vận hành thử nghiệm ổn định:

– Thành phần vật liệu chế tạo thiết bị clo hoá: Vật liệu cao nhôm Al2O3 chịu được rất tốt trong môi trường khí clo ở khoảng 1000 độ C, có thể xây lò với nhiều kích thước khác nhau. Hạn chế là độ cứng của vật liệu rất cao nên khó gia công. Loại vữa/chất kết dính dùng để gia công và làm kín các khớp nối được chứng minh phù hợp chính là dung dịch keo nhôm photphat có tỉ lệ tốt nhất của P/Al là 3,13. Khả năng kết dính của vữa ổn định đến 900-1000 độ C. Khí clo không ảnh hưởng đến tính kết dính của keo nhôm photphat.

Thiết bị clo hóa ở nhiệt độ cao, phục vụ cho việc clo hóa xỉ titan, dung tích 3m3 (dung tích buồng chứa nguyên liệu 800L, dung tích buồng ngưng tụ sơ cấp 200L), cấp nhiệt bằng thanh điện trở đặt trong không gian lò, lồng trong ống graphit có điều khiển nhiệt độ chứng tỏ hoạt động ổn định…

– Tinh chế TiCl4: Nghiên cứu đề ra giải pháp khử tạp chất gây màu VOCl3 (nồng độ từ 2-40ppm) có trong hỗn hợp với chất lỏng TiCl4 bằng bột Cu…

Đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ chế tạo bột TiO2 từ TiCl4 đạt tiêu chuẩn bột màu

– Đã biến tính pigment TiO2 bằng SiO2 nano và Ag-nano. Kết quả cho thấy khi bổ sung 6,7-33% SiO2 nano vào pigment, độ trắng của sơn và độ bóng có giảm chút ít, theo mức độ tăng dần của SiO2, nhưng độ chịu chà xước của màng sơn tăng lên rõ rết, có thể ứng dụng trong sản xuất sơn nước. Ngoài ra, khi phủ nano-Ag với hàm lượng 15ppm, màng sơn có tác dụng diệt khuẩn tới 99%. Điều này cho thấy khả năng chế tạo sơn kháng khuẩn trên cơ sở biến tính pigment bằng nano-Ag ứng dụng trong các công trình đặc biệt như trường học, bệnh viện…

Đã xây dựng được quy trình công nghệ xử lí khí thải và bã thải rắn không phản ứng, đảm bảo an toàn môi trường trong quá trình chế tạo:

– Hỗn hợp hơi không ngưng có chứa clo không phản ứng cũng như clo sinh ra trong phản ứng tạo TiO2, hoàn toàn có thể hấp thụ triệt bằng NaOH với nồng độ 100-150g/l.

– Bã thải rắn còn hấp phụ clo, sau khi nung trong dòng không khí, phần lớn clo được hấp thụ trong tháp hấp thụ bằng kiềm. Lường clo còn lại dưới 0,4ppm được xử lý triệt để (95-98%) bằng Ca(OH)2 trước khi lưu trữ và chon lấp ở bãi thải.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17501/2019) tại Cục Thông tinkhoa học và công nghệ quốc gia.