Cao lanh là loại nguyên liệu được nhiều nước trên thế
giới nghiên cứu sử dụng từ lâu, nhất là các nư¬ớc có nền
công nghiệp phát triển và có nghề gốm sứ lâu đời như Mỹ,
CHLB Đức, Anh, Pháp, Nhật Bản, Trung Quốc… Ở nước ta
trong những năm qua, việc khai thác và tuyển lọc cao lanh
đều mang tính tự phát, chưa được nghiên cứu cơ bản và
không có quy hoạch cụ thể. Các cơ sở khai thác chế biến
cao lanh phần lớn có quy mô nhỏ, công nghệ, thiết bị khai
thác, chế biến thủ công lạc hậu, nên chất lượng nguyên liệu
không cao, không ổn định, gây lãng phí lớn nguồn tài
nguyên đất nớc.
Trong khuôn khổ chương trình Khoa học và Công nghệ
trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2001-2005, Viện Nghiên
cứu Sành sứ Thuỷ tinh Công nghiệp đã nghiên cứu đề tài
“Nghiên cứu công nghệ tuyển và xử lý cao lanh A lưới”,
nhằm phục vụ cho sản xuất các sản phẩm sứ cao cấp và
men gạch Ceramic, bước đầu đã được ứng dụng vào sản
xuất tại Công ty Gạch ốp lát HUCERA – tỉnh Thừa Thiên Huế.
Kết quả của đề tài đã mở ra một hướng mới cho các cơ sở
chế biến cao lanh muốn nâng cao chất lượng sản phẩm sẽ
đầu tư dây chuyền tuyển lọc cao lanh theo phương pháp cơ
khí hoá như các nước tiên tiến trên thế giới đang sử dụng.
Từ kết quả đó, Nhóm nghiên cứu tiếp tục lựa chọn thực
hiện dự án: “Hoàn thiện công nghệ và xây dựng dây chuyền
tuyển và xử lý cao lanh bằng phương pháp thuỷ lực, công
suất 20.000 tấn/năm”. Sản phẩm của dự án là xây dựng, lắp
đặt được một dây chuyền đồng bộ tuyển và xử lý cao lanh
công suất 20.000 tấn/năm; Chất lượng sản phẩm cao lanh
lọc của dự án đạt tương đương cao lanh nhập ngoại; Sử
dụng bã thải của quá trình tuyển cao lanh để sản xuất các
sản phẩm khác.

Xác định thành phần vật chất của quặng cao lanh
Cao lanh nguyên chất có công thức hoá học là Al2O3.2SiO2.2H2O; trong đó, Al2O3 = 39,48%, SiO2 =46,60%, H2O = 13,92%. Để xác định thành phần hạt của cao lanh người ta thường sử dụng phương pháp sàng phân loại hoặc phân cấp thuỷ lực (phương pháp Aidreasen)

Nghiên cứu phương pháp tuyển lọc bằng thủy lực

Cao lanh nguyên khai khi khai thác tại mỏ thường có độ ẩm cao nên vón thành cục. Trong các cục, cao lanh thường chứa các hạt fendspat, Quartzit (SiO2), các hyđrômica dạng vảy, tấm mỏng và một số tạp chất khác. Yêu cầu của công nghệ tuyển lọc là phải loại bỏ các hạt khoáng vật ra khỏi cao lanh để thu được cao lanh tinh có thành phần cỡ hạt < 0,063mm và hàm lượng caolinit >90%. Đánh giá về các phương pháp tuyển lọc cao lanh, Nhóm thực hiện dự án khẳng định phương pháp tuyển lọc bằng thuỷ lực có nhiều ưu điểm vượt trội. Đây là phương pháp tiên tiến mà nhiều nước trên thế giới đang áp dụng, có thể sản xuất được nhiều loại cao lanh chất lượng cao đáp ứng yêu cầu thị trường. Từ những luận cứ khoa học trên, Nhóm thực hiện dự án nghiên cứu rút kinh nghiệm dây chuyền pilot tuyển cao lanh A lưới để hoàn thiện và điều chỉnh thiết kế một số hạng mục của dây chuyền công nghệ tuyển và xử lý cao lanh bằng phương pháp thuỷ lực công suất 20.000 tấn/năm như
sau:

Nghiên cứu phương pháp sấy cao lanh bằng lò con lăn nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Cao lanh cục được xếp trên các khay sấy ở đầu lò chuyển động nhờ hệ thống các con lăn chạy điện. Tác nhân sấy là không khí nóng được cung cấp bằng buồng đốt than ở bên ngoài qua bộ phận trao đổi nhiệt, chuyển động từ trên xuống dưới tiếp xúc với sản phẩm. Hơi ẩm được quạt hút đưa ra bên ngoài. Cao lanh khô lấy ra ở cuối lò có độ ẩm trung bình 8 -10%. Dòng hồ cao lanh và cát mịn dưới sàng quay sẽ không đưa xuống bể khuấy mà được đưa ngay xuống máy phân cấp xoắn để loại các hạt cát mịn. Giảm chi phí lắp đặt bể khuấy mà các thông số kỹ thuật vẫn đảm bảo. Dây chuyền công nghệ bố trí hợp lý hơn. Hồ cao lanh được bơm cao áp đưa vào hệ thống xyclon I, có thể điều chỉnh áp lực bơm để cao lanh đạt độ mịn, với cỡ hạt ≤ 0,063 mm theo yêu cầu thị trường, mà không cần phải sử dụng hệ thống xyclon II. Chỉ khi có yêu cầu của thị trường cần cỡ hạt nhỏ hơn nữa, với cỡ hạt ≤ 0,043 mm, thì mới cần sử dụng cả 02 hệ thống xyclon. Quá trình vận hành như vậy cho phép tiết kiệm chi phí, giảm giá thành sản phẩm mà các thông số kỹ thuật vẫn đảm bảo.

Nghiên cứu phương pháp tẩy trắng cao lanh
Độ trắng của cao lanh phụ thuộc vào kích thước hạt và hàm lượng các chất gây màu như: oxit sắt, oxit titan và cỏ tạp chất hữu cơ. Các tạp chất này có thể bám dính trên bề mặt, hoặc xâm nhập vào trong mạng tinh thể Alumosilicat. Fe2+ linh động trong môi trường axit đến trung tính. Trong khí quyển nó bị o xy hóa tạo thành Fe3+ sau đó tạo keo sắt Fe2O3.nH2O. Keo sắt có thể biến đổi thành khoáng gơtit FeO(OH), hoặc limonat FeO(OH).nH2O. Trong tự nhiên, chúng luôn tồn tại đồng thời cả Fe2+ và Fe3+.

Nghiên cứu tẩy trắng cao lanh là nghiên cứu phương pháp dùng một số hoá chất đưa vào dung dịch cao lanh, để lấy ra khỏi cao lanh các chất gây màu mà chủ yếu là lấy sắt và các hợp chất của nó ra khỏi cao lanh. Một số nước trên thế giới đã nghiên cứu khử sắt trong cao lanh. Người ta thường dùng bột kẽm, clorua thiếc, axit
clohydric, axit sulfuaric, axit oxalic, natritiosulfat, natrihydrosulfit, ozon, amon isulfat, bột tẩy hydroclorit, nước ôxy già, vi sinh… Cơ sở lý hóa của phương pháp này là tiến hành các phản ứng hóa học ôxy hóa-khử kết hợp với các phản ứng axitbazơ như sau:
Na2S2O4 + Fe(OH)3 = NaHSO3 + Fe(OH)2 (t0)
Fe(OH)2 + H2SO4 = FeSO4 + 2H2O + Q (t0)
Fe(OH)2 + HCl = FeCl2 + 2H2O + Q

Lựa chọn sản phẩm

Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm cao lanh như sau:

Sản phẩm của dự án gồm các loại cao lanh K80; K80T; K75; K70; K65; K60; K55

Dạng sản phẩm: + Cao lanh khô ở dạng cục có độ ẩm trung bình 8 – 10%.

Cao lanh ướt ở dạng cục có độ ẩm trung bình 29 – 31%.

Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm cao lanh như sau: Độ trắng cao > 72% so với BaSO4; Độ mịn (lượng còn lại trên sàng 0,063 mm) ≤ 0,4%; Thành phần hoá: SiO2<55%; Al2O3 > 32%; Fe2O3 < 0,5%,
Theo yêu cầu thị trường, Nhóm thực hiện dự án xây dựng tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm cao lanh theo bảng 1.

Tính toán thiết bị dây chuyền tuyển lọc cao lanh công suất 20.000 tấn/năm
Từ sơ đồ công nghệ dây chuyền tuyển lọc cao lanh công suất 20.000 tấn/năm, Nhóm thực hiện dự án tính toán thiết bị cho dây chuyền sản xuất trên cơ sở sử dụng tối đa năng lực thiết bị với chi phí đầu tư hợp lý nhất mà vẫn đảm bảo công suất thiết kế.

• Thời gian làm việc 01 năm là 300 ngày, 01 tháng làm việc tính trung bình 26 ngày, 01 ngày làm việc từ 1 – 2 ca tuỳ theo yêu cầu của từng bộ phận sản xuất (riêng công đoạn sấy làm việc 03 ca), 01 ca làm việc 08 giờ. Công suất thiết kế với cao lanh khô ở độ ẩm trung bình 8 – 10% là 20.000 tấn/năm, tức là 1.667 tấn/ tháng và 67 tấn/ngày.
• Quy đổi ra khối lượng cao lanh ướt ở độ ẩm trung bình 30% là: 25.000 tấn/ năm, tức là 2.084 tấn/tháng và 80 tấn/ ngày

Căn cứ bảng tính toán cân bằng vật chất và điều kiện thực tế sản xuất ở trong nước, Nhóm thực hiện dự án đã nghiên cứu tính toán lựa chọn một số thiết bị có thể mua và đặt sản xuất ở trong nước. Một số thiết bị cần nhập khẩu của Trung Quốc để đảm bảo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của dự án

Địa điểm thực hiện

Qua khảo sát nhiều vùng mỏ cao lanh ở trong nước, Nhóm thực hiện dự án lựa chọn địa điểm thực hiện dự án tại tỉnh Yên Bái