Trong bối cảnh trữ lượng khoáng sản ở nước ta ngày càng cạn kiệt, nhu cầu tận thu nguồn kim loại, phi kim quý… từ các quặng nghèo, quặng phế thải và chất thải lại càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. “Trên thực tế, việc nghiên cứu thu hồi các kim loại quý hiếm có giá trị kinh tế cao từ quặng và bã thải đã được các nhà khoa học chú ý đến trong những năm gần đây”, TS Đào Ngọc Nhiệm chia sẻ. “Nhưng chi phí xử lý thường rất cao, do phải trải qua nhiều công đoạn làm giàu, tinh chế, vì vậy khó áp dụng trong thực tế”.
Là người quan tâm đến việc thu hồi kim loại quý từ các mỏ khoáng sản, vào năm 2000, TS Đào Ngọc Nhiệm đã quyết định tham gia nghiên cứu về công nghệ thu hồi vàng ở Hòa Bình. Tình cờ, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra trong quặng đuôi của quá trình thu hồi vàng có chứa một lượng đáng kể antimon ở dạng sufua đa kim Sb2S3.
Quặng Antimon
Antimon (Sb) được biết đến như là kim loại màu quan trọng, làm nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp như sản xuất vòng bi, trục máy, phụ tùng ôtô. Đặc biệt, antimon được sử dụng nhiều trong sản xuất các sườn cực ắc-quy, chiếm từ 10 đến 12% khối lượng của các sườn điện cực. Ngoài ra, trong lĩnh vực quốc phòng, antimon được dùng để chế tạo vỏ lựu đạn, chất nổ. Một số lĩnh vực khác như sản xuất cao su, thủy tinh, thuốc nhuộm, diêm, dây cáp, vật liệu bán dẫn cũng dùng các nguyên liệu chứa kim loại antimon.
Nhận thấy đây là một kim loại màu quan trọng có thể tận dụng khai thác từ những quặng đuôi ở Hòa Bình, “nhưng lúc bấy giờ chúng tôi vẫn chưa có đủ điều kiện để nghiên cứu. Mãi đến năm 2013, khi Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam giao cho chúng tôi thực hiện đề tài Nghiên cứu chiết tách, thu hồi antimon có độ sạch ít nhất là 99,5% từ quặng antimon Tân Lạc – Hòa Bình, chúng tôi mới có đủ kinh phí để nghiên cứu một cách hệ thống về thu hồi làm sạch antimon từ các nguồn quặng nghèo.” – ông nhớ lại.
Thu hồi antimon có độ tinh khiết cao
Theo TS Nhiệm, trước đây, người ta thường tiến hành tách kim loại antimon bằng một số phương pháp khác nhau, trong đó có hai phương pháp hay được sử dụng trong thực tế là phương pháp hỏa luyện và phương pháp thủy luyện. Nhìn chung, các quy trình hỏa luyện thường được áp dụng có lợi khi quy mô sản xuất lớn và các quặng antimon phải khá giàu, việc xử lý các tinh quặng antimon – vàng được thực hiện bằng cách thiêu đốt ở nhiệt độ từ 1150oC đến 1250oC. Tại các điểm mỏ nhỏ và vừa, quặng antimon nghèo và có trữ lượng vàng thấp thì việc áp dụng phương pháp hỏa luyện là tốn kém. “Vì vậy, phương pháp thủy luyện đã và đang được nghiên cứu để làm giảm chi phí và tăng quy mô áp dụng tại các điểm mỏ vừa và nhỏ.” – ông kết luận.
Thông thường, việc sản xuất antimon từ tinh quặng theo phương pháp thủy luyện được tiến hành bằng cách hòa tách bằng axit, kết tủa để lọc tách và điện phân để thu hồi kim loại antimon, antimon thu được từ phương pháp này có độ tinh khiết không cao, thường là dưới 95%, do đó cũng bị hạn chế khả năng ứng dụng và có giá trị kinh tế không cao.
“Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu quyết định tập trung khắc phục thiếu sót về độ tinh khiết của sản phẩm thu được từ phương pháp thủy luyện, giảm độ giàu của nguyên liệu đầu vào, từ đó mở rộng nguồn antimon đầu vào của quy trình thủy luyện.” – TS Đào Ngọc Nhiệm cho biết.
Để đạt được mục đích trên, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu đặc tính của kim loại antimon, từ đó tìm ra điều kiện quy trình tối ưu để thu hồi được kim loại quý này. Trong quá trình nghiên cứu, TS Nhiệm cùng các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm trên quặng antimon được lấy từ Tân Lạc – Hòa Bình. Các nhà khoa học đã nghiền nhỏ quặng này thành các hạt có kích thước hạt < 0,74 µm, sau đó đem đi phân tích, xác định thành phần cấu trúc trên máy Siemens D 5000 và phân tích thành phần nguyên tố trên máy Perkin-Elmer 900. Kết quả phân tích cho thấy thành phần khoáng chủ yếu của mẫu là Sb2S3 với cấu trúc stibnit còn có lẫn một phần khoáng (K,Ca,Na)(Al,Mg,Fe)2(Si.Al)4O10(OH)2 dạng muscovit và SiO2 dạng quartz.
Trên thực tế, nhóm nghiên cứu còn thử nghiệm trên nhiều mẫu antimon khác nhau để tìm ra được một quy trình có thể áp dụng cho tất cả các nguồn chứa antimon. Nguồn antimon này bao gồm quặng antimon nghèo, quặng antimon, phế thải chứa antimon như khung xương của ăc-quy axit chì,… thích hợp để hòa tách bằng axit clohydric. Trong trường hợp nguồn antimon là quặng antimon mà không thể trực tiếp hòa tách được bằng HCl thì nó cần qua bước sơ chế, cụ thể là nung trong không khí để chuyển hóa thành dạng có thể hòa tan được bằng HCl.
Sau khi hòa tách nguồn antimon bằng dung dịch HCl, cần tiến hành lọc tách để thu dung dịch muối antimon clorua. Bước thứ hai, tiếp tục bổ sung HCl vào dung dịch muối antimon clorua thu được đến trị số độ pH từ 1 đến 1,5 để tạo kết tủa antimon hydroxit, sau đó lọc và rửa để thu kết tủa antimon hydroxit. “Lượng axit HCl còn dư sẽ tiếp tục được quay vòng về bước hòa tách, giúp tận dụng lượng axit dư, giảm tác động đến môi trường” – TS Nhiệm cho biết.
Antimon hydroxit thu được ở trên được rửa sạch bằng nước đến trung tính, độ tinh khiết của nó lúc này khoảng 90%, chưa thể để ứng dụng vào sản xuất antimon kim loại có phẩm cấp cao. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu đề xuất chiết lỏng lỏng ở bước tiếp theo.
Để thực hiện việc chiết lỏng lỏng, cần bổ sung kết tủa antimon hydroxit vào dung dịch axit clohydric, pha loãng bằng nước để thu được dung dịch muối antimon clorua có nồng độ từ 0,08 đến 0,25M. Nồng độ antimon clorua bắt buộc phải nằm trong khoảng giá trị nêu trên để tối ưu hóa quá trình chiết lỏng lỏng. Lúc này, cần tiếp tục chiết dung dịch antimon clorua thu được bằng dung dịch tác nhân chiết mono-2-etylhexyl (2-etylhexyl)phosphonat trong kerosen để thu được pha hữu cơ chứa antimon; và rửa giải pha hữu cơ chứa antimon thu được bằng cách cho tiếp xúc với dung dịch axit HCl có nồng độ nằm trong khoảng từ 6 đến 9M, số bậc rửa giải nằm trong khoảng từ 1 đến 2, thu được pha nước chứa antimon. Cuối cùng, điện phân pha nước chứa antimon để thu được antimon kim loại với hiệu suất thu hồi có thể đạt đến 99,9%.
Không chỉ có độ sạch cao hơn, TS Đào Ngọc Nhiệm cho biết thêm “tùy tình hình quy mô thực tế, chí phí của quy trình công nghệ này chỉ bằng 1/3 so với nhập ngoại”. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu đang liên hệ và kết nối để chuyển giao cho các nhà máy về tinh chế thu hồi antimon ở Hòa Bình và Hà Giang.
Với những số liệu khả quan này, quy trình thu hồi antimon từ nguồn antimon đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp Bằng độc quyền sáng chế số 1-0023004, được công bố vào ngày 25.2.2020.
Chưa dừng lại ở đó, với TS Đào Ngọc Nhiệm, kết quả nghiên cứu về antimon chỉ là bước khởi đầu, giúp ông có thêm động lực “để nghiên cứu các quy trình công nghệ nhằm tận thu những kim loại có giá trị kinh tế cao, giúp sử dụng hiệu quản nguồn khoáng sản có ích làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất, và xa hơn nữa là thay thế hàng nhập ngoại”.