Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano góp phần vào việc thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành khoa học có liên quan, đặc biệt là công nghệ vật liệu. Công nghệ chế tạo chất kết dính và các phụ gia sử dụng chất kết dính cũng cải thiện đáng kể khi được ứng dụng công nghệ nano. Các chất kết dính và phụ gia cho chất kết dính dựa trên cơ sở công nghệ nano đem lại hiệu quả cao về mặt kỹ thuật và kinh tế. Chỉ với một lượng nhỏ chất kết dính hoặc phụ gia khi sử dụng, các sản phẩm mới tạo ra đã có thể đáp ứng đầy đủ, thậm chí vượt xa các tiêu chuẩn dành cho sản phẩm sử dụng chất kết dính truyền thống trước đó. Việc ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo chất kết dính và phụ gia chất kết dính hứa hẹn khả năng giải quyết được nhiều vấn đề còn tồn tại từ trước khi công nghệ nano ra đời.

Quặng apatit Lào Cai loại I là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất photpho vàng. Đây là mặt hàng công nghiệp rất có giá trị về kinh tế. Hàng năm ở Việt Nam, lượng quặng sử dụng trong sản xuất phốt pho vàng vào khoảng 500.000 tấn quặng apatit loại I. Với yêu cầu về công nghệ sản xuất của các nhà máy, quặng apatit phải có kích thước trong khoảng 5-30mm nhằm tránh sập hay tắc lò đốt. Trong thực tế, quặng apatit dạng nguyên khai sau khi khai thác phải được sơ chế bằng phương pháp đập, sàng đến kích thước phù hợp mới có thể sử dụng trong sản xuất. Lượng quặng bị vụn ra trong các công đoạn đập, sàng, sấy vào khoảng 35-40% tổng lượng quặng nhập của nhà máy, toàn bộ lượng quặng vụn này hiện nay chưa được sử dụng và đang chất đống với số lượng nhiều triệu tấn.

Do nguồn quặng apatit Lào cai loại I ngày càng cạn kiệt, để tránh lãng phí nguồn tài nguyên quý giá này nên có nhà máy sản xuất photpho vàng (trong số 6 nhà máy đang hoạt động sản xuất tại Lào Cai) đã sử dụng thủy tinh lỏng với modul cao để tạo ép viên quặng. Tuy nhiên công nghệ này có những nhược điểm như lượng sử dụng lớn, chi phí cao, làm giảm hàm lượng P₂O₅ trong viên quặng ép, chất kiềm mạnh trong viên quặng ảnh hưởng lớn đến thanh đốt và thành lò phốt pho. Do những nhược điểm trên nên lượng thay thế cho quặng nguyên khai trong lò đốt cũng bị hạn chế.

Hiện nay hướng sử dụng phụ gia thế hệ mới trên cơ sở các hạt phân tán nano sẽ giúp giải quyết được những vướng mắc và nhược điểm so với công nghệ sử dụng thủy tinh lỏng, nó ưu việt hơn hẳn về chất lượng và giá thành. Vấn đề chủ yếu đặt ra với phụ gia nano thế hệ mới là tạo ra được chất kết dính phân tán nano bền, có khả năng kết dính cao, không tạo ra các chất có tính kiềm gây ăn mòn thanh đốt và thành lò. Các nghiên cứu bước đầu cho thấy hệ phụ gia gồm sol boehmite, sol silica kết hợp với chất kết dính hữu cơ tổ hợp của calcium lignosulfonate với cellulose thủy phân có khả năng kết dính tốt quặng apatit loại I cấp hạt nhỏ, lượng sử dụng chất kết dính thấp, không có tính kiềm, có độ bền cơ học tốt sau khi nung viên quặng ép đến 1100 độ C, có thể sử dụng thay thế đến 100% lượng quặng nguyên khai cấp vào lò phốt pho. Hơn nữa nguyên liệu để chế tạo phụ gia cũng dễ kiếm, giá thành rẻ, rất phù hợp về mặt tài chính.

Đến một ngày nào đó khi quặng apatit loại I Lào Cai thực sự hết thì hệ phụ gia này cũng có thể sử dụng được để ép viên những loại quặng tuyển như: loại II, III và cả quặng loại IV. Đây là một hướng đi rất mới mở ra triển vọng và tiềm năng trong tương lai cho ngành sản xuất photpho vàng ở Việt Nam.

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano chế tạo chất kết dính dùng cho sản xuất Phốt pho vàng từ quặng Apatit cấp hạt nhỏ” do TS. Phạm Đỗ Thanh Thùy, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu, đặt vấn đề nghiên cứu công nghệ chế tạo hệ chất kết dính nano thế hệ mới để ép tạo viên quặng từ quặng apatit cấp hạt nhỏ cho ngành sản xuất photpho vàng. Nội dung nghiên cứu tập trung vào công nghệ tạo ra tổ hợp phụ gia thế hệ mới với kích thước nano, có khả năng kết dính cao khi lượng sử dụng rất nhỏ vào khoảng 1%, nhưng lại có độ bền 4 cơ học tốt sau khi nung sấy, hàm lượng P₂O₅ trong viên quặng ép gần như không thay đổi. Sau đấy thử nghiệm ép viên quặng trong thực tế để cung cấp cho lò đốt photpho vàng.

Sau đây là một số kết quả chính đã đạt được của đề tài:

- Đã hoàn thiện chế tạo hệ thống thiết bị pilot nghiên cứu, sản xuất hệ chất kết dính, công suất 100 kg/ngày, dùng cho sản xuất phốt pho vàng từ quặng apatit cấp hạt nhỏ;

- Đã chế tạo thành công 950 kg chất kết dính (quy khô) bao gồm:

- 160kg (quy khô) chất kết dính sol boehmite, đạt chất lượng:

· Kích thước hạt: 26,12 - 40,39 nm

· pH = 5,2

· Độ bền bảo quản: > 5 tháng

· Độ nhớt: 5,252 cSt

· Lượng sử dụng trong ép viên: 0,15%

- 160kg (quy khô) chất kết dính sol silica, đạt chất lượng:

· Kích thước hạt: 6,72 – 9,4 nm

· pH = 8,0

· Độ bền bảo quản: > 5 tháng

· Độ nhớt: 0,744 cSt

· Lượng sử dụng trong ép viên: 0,15%

- 630 kg (quy khô) chất kết dính hữu cơ, bao gồm 80% calcium lignosulfonate + 20% cellulose thủy phân, đạt chất lượng:

· Hàm lượng cặn không tan > 0,45µm: không có

· Lượng sử dụng: 0,5% so với quặng (quy khô)

- Sản xuất được 59,8 tấn viên quặng từ quặng apatit loại I với chất lượng:

· Kích thước: viên dạng quả bàng, đường kính 26 mm, dày 20mm

· Hàm lượng chất kết dính quy khô: 0,8%

· Độ bền cơ học: 53,9 - 55,2 kg/cm2

· Độ bền nhiệt: không bị vỡ vụn khi nung ở 1.100 độ C trong 3 giờ

· Chi phí chất kết dính cho 1 tấn quặng viên: 398.320 đồng

- Quy trình công nghệ chế tạo chất kết dính dùng cho sản xuất phốt pho vàng từ quặng apatit cấp hạt nhỏ trên cơ sở ứng dụng công nghệ nano. Chất kết bao gồm 03 hợp phần:

· Hợp phần sol boehmite với yêu cầu về cỡ hạt nano dưới 40,39 nm 181

· Hợp phần sol silica với yêu cầu về cỡ hạt nano dưới 9,4 nm

· Hợp phần hữu cơ dạng dung dịch hòa tan (không có cặn không tan có kích thước lớn hơn 0,45µm)

- Quy trình công nghệ chế tạo viên quặng apatit loại I từ quặng cấp hạt nhỏ sử dụng chất kết dính, theo thứ tự sol boehmite, sol silica, hợp phần kết dính hữu cơ. Sau khi cấp đủ phụ gia, hỗn hợp được đưa vào máy ép dạng quả bàng, phần viên trên sàng tiếp tục chuyển sang công đoạn tiếp theo. Phần lọt sàng đưa trở lại hệ thống trộn nguyên liệu. Viên quặng trên sàng được đưa qua lò sấy (với loại cần sấy) hoặc phơi khô tự nhiên, thu được sản phẩm viên quặng thành phẩm.

- Tài liệu thiết kế hệ thiết bị sản xuất chất kết dính, công suất 100 kg/ngày, bao gồm:

· Hồ sơ tính toán thiết kế

· Hồ sơ bản vẽ thiết kế

· Hồ sơ chế tạo và lắp đặt hoàn thiện

Hệ chất kết dính mà đề tài nghiên cứu được có khả năng ứng dụng rất lớn vào thực tiễn. Dựa vào đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của công nghệ có thể thấy công nghệ sử dụng có hiệu quả cao, nhu cầu thực tế về hệ chất kết dính này là khá lớn và cấp thiết. Vì vậy, đề tài kiến nghị được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và sản xuất thử nghiệm phụ gia kết dính để đưa kết quả nghiên cứu vào áp dụng trên thực tiễn.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (Mã số 15040) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.K.L (NASATI)