Nghiên cứu công nghệ sản xuất và tinh chế TiCl4 từ sa khoáng ven biển Việt Nam và chế tạo bột TiO2

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, trong những năm tiếp theo, nhu cầu về TiO2 của Việt Nam tiếp tục tăng. 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 nhằm 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 công nghệ lạc hậu, tiêu tốn năng lượng và vật liệu, giá thành cao, kén chọn thị trường, dẫn đến giá trị gia tăng không 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 do những hạn chế không thể khắc phục của nó. Để tạo ra các sản phẩm có chất lượng, đáp ứng 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 duy nhất giải quyết vấn đề titan của Việt Nam, nhóm nghiên cứu do PGS.TS. Phan Đình Tuấn, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh đứng đầu đã tiến hành nghiên cứu đề tài mang tên “Nghiên cứu công nghệ sản xuất và tinh chế TiCl4 từ sa khoáng ven biển Việt Nam và chế tạo bột TiO2”

Trải qua 2 năm nghiên cứu, dựa trên cơ sở các nghiên cứu tổng hợp quy trình công nghệ và thiết bị clo hóa xỉ titan và clo hóa trực tiếp tinh quặng rutil để sản xuất TiCl4 đạt tiêu chuẩn kỹ thuật phục vụ cho việc chế tạo bột TiO2, nhóm nghiên cứu đã thu được các kết quả như sau:

1. Đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ sản xuất và tinh chế TiCl4 từ xỉ titan và tinh quặng rutil, công suất 1L/h (TiCl4). Quy trình đã được vận hành thử nghiệm ổn định, cụ thể đó là:

 Về 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 1000oC, 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 900-1000oC. 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 rutil và xỉ titan, dung tích tối thiểu 5 lít đã chứng tỏ hoạt động ổn định. Khi thực hiện ở quy mô lớn hơn, cần đặc  biệt chú ý vần đề vật liệu thiết bị cũng như môi trường làm việc ở áp suất âm, tránh hiện tượng rò khí và tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu hồi sản phẩm.

Về việc tinh chế TiCl4

- Nghiên cứu đề ra giải pháp định lượng tạp chất gây màu VOCl3 (nồng độ từ 2- 40ppm) có trong hỗn hợp với chất lỏng TiCl4, là hợp chất có tính thuỷ phân mãnh liệt trong môi trường khí, nước ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển. Việc sử dụng dung môi nước để pha loãng TiCl4 trong các phương pháp trước đây dễ dẫn đến sai số do vẫn xảy ra quá trình thuỷ phân TiCl4. Giải pháp được đưa ra dựa trên sự khác biệt về cực đại hấp thụ của hợp chất TiCl4 chứa các tỉ lệ hàm lượng VOCl3 khác nhau trong vùng VIS (phương pháp UV-VIS) và sự khác biệt về giá trị độ truyền qua (%T) của các đỉnh đặc trưng cho dao động V=O ở số sóng 1064cm-1 (phương pháp FTIR). Điểm đặc biệt của giải pháp là đã sử dụng dung môi C2H5OH nhằm hạn chế sự thuỷ phân.

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

+ Thông số chế tạo: Tỷ lệ nồng độ mol chất phản ứng TiCl4/C2H5OH là 1:5; Nhiệt độ nung: 800oC; Thời gian lưu: trên 3h ; Nhiệt độ gel hóa: 30-50oC ; Thời gian già hóa gel: 24-36h

+ Tính chất bột màu TiO2:

3. Đã xây dựng được quy trình công nghệ xử lí môi trường, đảm bảo an toàn trong quá trình chế tạo:

Hỗn hợp hơi không ngưng có hàm lượng clo tự do thấp, do đó với nồng độ NaOH 100g/l hoàn toàn có thể thu hồi triệt để dòng hơi không ngưng có lẫn khí clo. Theo quy định của Bộ Y tế, hàm lượng clorua tối đa cho phép trong nước ăn uống là 250 mg/L (QCVN 01:2009/BYT), còn hàm lượng clorua tối đa cho phép trong nước sinh hoạt là 300 mg/L (QCVN 02:2009/BYT). Dung dịch có nồng độ dưới 40% được xếp là một chất ôxi hoá có mức độ nguy hiểm trung bình (NFPA 430, 2000). Như vậy, với cả hai loại tháp đệm và tháp đĩa, hàm lượng clo có trong chất thải lỏng và chất thải khí đều đảm bảo yêu cầu về độ an toàn khi thải ra môi trường.

Như vậy, những nghiên cứu này sẽ đóng góp vào các nghiên cứu công nghệ chế biến sâu quặng titan trong sa khoáng ven biển Việt Nam để thực hiện chủ trương của chính phủ nhằm sử dụng hiệu quả, tổng hợp tài nguyên cũng như góp phần vào những nghiên cứu của cộng đồng các nhà nghiên cứu khoa học Việt Nam trong việc sử dụng tài nguyên trong nước, nâng cao giá trị sản phẩm, thay thế hàng hoá nhập khẩu, đồng thời nghiên cứu sâu vào lĩnh vực mới là công nghệ vật liệu bột và hạt. Việc nghiên cứu thành công công nghệ chế biến tinh quặng titan có ý nghĩa quan trọng trong việc giúp các công ty, các nhà nghiên cứu làm chủ một công nghệ mới mà nước ngoài không khuyến khích xuất khẩu, dần dần làm chủ công nghệ, sản xuất thử từ quy mô PTN đến quy mô pilot và tiến tới sản xuất quy mô lớn. Công nghệ này sẽ giúp các nhà nghiên cứu và các kỹ sư Việt Nam dần dần làm chủ các công nghệ tương tự, tiến tới làm chủ công nghệ các nguyên tố hiếm và phân tán, có ứng dụng trong các ngành kỹ thuật cao. Các nghiên cứu trong đề tài cũng đã khẳng định khả năng làm chủ công nghệ, vật liệu và thiết bị để sẵn sàng xây dựng một pilot sản xuất thử nghiệm sản phẩm TiO2 từ sa khoáng ven biển Việt Nam và các sản phẩm titan khác.

Đối với Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM, đây là một cơ hội tốt để những thầy cô giáo là cán bộ giảng dạy và nghiên cứu của trường có điều kiện tham gia vào những cố gắng của những nhà nghiên cứu trong nước để thực hiện những nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ bột và hạt, đồng thời đây là cơ hội để các nhà khoa học của trường thu thập thêm kinh nghiệm và tăng cường hợp tác với các cơ sở nghiên cứu và sản xuất trong lĩnh vực sa khoáng ven biển…Với các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu, những nghiên cứu này sẽ góp phần nâng cao giá trị cho nguồn nguyên liệu quý của đất nước, tạo lợi thế cạnh tranh cho những doanh nghiệp trong nước, đặc biệt trong ngành chế biến titan và sản xuất các sản phẩm titan. Đây cũng là cơ hội để các cơ sở sản xuất tăng cường tiềm lực công nghệ, tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường và phục vụ tốt hơn cộng đồng. 

Sự ra đời của các sản phẩm mới trên cơ sở các thành tựu nghiên cứu khoa học sẽ giúp đáp ứng tốt hơn yêu cầu của cuộc sống và của công nghiệp, phục vụ tốt hơn nhu cầu phát triển cũng như đời sống. Các ứng dụng các sản phẩm của đề tài trong công nghiệp sẽ giúp đem lại sự bền vững cho các ngành công nghiệp liên quan, làm giảm sự phụ thuộc vào sản phẩm và doanh nghiệp nước ngoài, đáp ứng yêu cầu ngày càng đa dạng của công nghiệp trong nước và xuất khẩu. Các sản phẩm titan sản xuất từ nguyên liệu trong nước có khả năng thay thế các sản phẩm nhập ngoại, tiết kiệm ngoại tệ, đồng thời giúp cho các ngành chủ động phát triển công nghệ mới trên cơ sở ứng dụng các sản phẩm này, hình thành những ngành sản xuất mới, tạo thêm việc làm cho người lao động trong lĩnh vực công nghệ cao. Ngoài ra, kết quả của đề tài cũng góp phần bảo đảm an toàn môi trường trong quá trình phát triển công nghệ mới, đặc biệt công nghệ có sử dụng clo là hoá chất rất độc hại và giúp tạo cơ sở công nghệ cho việc xây dựng một xưởng sản xuất pilot sản xuất thử TiO2 cũng như các sản phẩm titan khác.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 12427-2016) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ quốc gia.