Khảo sát quá trình tách sắt từ quặng ilmenit hà tĩnh để làm nguyên liệu cho quá trình điều chế các hợp chất của titan

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THỊ SÁU

KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TÁCH SẮT TỪ QUẶNG
ILMENIT HÀ TĨNH ĐỂ LÀM NGUYÊN LIỆU CHO QUÁ
TRÌNH ĐIỀU CHẾ CÁC HỢP CHẤT CỦA TITAN
Chuyên ngành: Công nghệ các chất vơ cơ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠNG NGHỆ CÁC CHẤT VÔ CƠ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. LA VĂN BÌNH

Hà Nội – Năm 2010


Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

LỜI CÁM ƠN
Em xin chân thàn cảm ơn GS.TSKH. La Văn Bình - người thầy đã để lại trong
em nhiều ấn tượng sâu sắc về lòng nhiệt thành, sự tận tâm và một thái độ làm việc
nghiêm túc, khoa học.
Em xin chân thành cảm ơn khoa Cơng nghệ Hóa học – Đại học Bách khoa Hà
Nội, đặc biệt là các thầy cô trong tổ môn Hóa vơ cơ đã tạo thuận lợi cho em trong

q trình nghiên cứu và hồn thiện luận văn.
Tơi xin được bày tỏ lòng lòng biết ơn sâu sắc đối với những người thân trong gia
đình. Ln ở bên động viên, chia sẻ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cả về mặt vật
chất lẫn tinh thần trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Cảm ơn tất cả những đồng nghiệp đã nhiệt tình động viên, giúp đỡ tơi trong
cuộc sống cũng như trong quá trình học tập vừa qua.
Một lần nữa tôi xin được chân thành cảm ơn!
Phú Thọ, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Tác giả luận văn

Trần Thị Sáu

2


Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt………………………………………….6
Danh mục các bảng………………………………………………………. ………7
Danh mục các hình vẽ và đồ thị………………………………………………….9
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………. ……11
Chương 1 TỔNG QUAN …………………………………………………. ……13
1.1. Giới thiệu chung …………………………………………………………....13
1.1.1. Tính chất hóa học của TiO2 ……………………………………………….14
1.1.2. Tính chất vật lý của TiO2 ………………………………………………….15
1.1.4. Ứng dụng của TiO2 ………………………………………………………..19
1.2. Trữ lượng và thành phần hóa học của một số quăng ilmenit

trên thế giới và Việt Nam ……………………………………………………….20
1.3. Tình hình khai thác và chế biến quặng titan ở Việt Nam ……………….22
1.4. Các phương pháp sản xuất titan dioxit …………………………………...25
1.4.1. Phương pháp truyền thống xử lý quặng ilmenit để sản xuất titan dioxit ….25
1.4.2. Q trình nung khử trong cơng nghệ chế tạo các sản phẩm titan …………30
1.5. Nhận xét chung về các phương pháp xử lý quặng ilmenit hiện có ……. .49
1.6. Lựa chọn xử lý tinh quặng trong luận văn………………………………. 50
1.7. Đối tượng nghiên cứu ……………………………………………………...50
1.8. Mục tiêu của luận văn ……………………………………………………..50
1.9. Nội dung nghiên cứu của luận văn ………………………………………..50
Chương 2 THỰC NGHIỆM……………………………………………………52
2.1. Thiết bị -dụng cụ - hóa chất………………………………………………..52.
2.1.1. Thiết bị …………………………………………………………………….52
2.1.2. Dụng cụ ……………………………………………………………..……..52
2.1.3. Hóa chất …………………………………………………………………...52
2.2. Phương pháp nghiên cứu ………………………………………………….53
2.2.1. Nghiên cứu đặc điểm tinh quặng ilmenit Hà Tĩnh và than gỗ …………….53
2.2.2. Nghiên cứu quá trình nung khử tinh quặng ilmenit Hà tĩnh ………………53

3


Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

2.2.3. Nghiên cứu quá trình tách sắt trong ilmenit hoàn nguyên ………………….54
2.2.4. Các phương pháp phân tích ………………………………………………...55
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………..…...61
3.1. Nghiên cứu tinh quặng ilmenit Hà Tĩnh …...……………………………...61

3.2. Nghiên cứu đặc điểm của than gỗ ………………………………………….63
3.3. Khảo sát quá trình nung khử tinh quặng ilmenit Hà Tĩnh ………….... …63
3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất quá trình nung khử ….…....64
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng CaCO3 và Na2CO3 đến hiệu suất
quá trình nung khử ……………………………………………………….....65
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng than gỗ đến hiệu suất quá trình
nung khử ………………………………………………………………….....67
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến hiệu suất quá trình
nung khử ………………………………………………………………….....69
3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt than đến hiệu suất quá trình
nung khử …………………………………………………………………... .70
3.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của phương pháp chuẩn bị phối liệu đến hiệu
suất quá trình nung khử …………………………………………………….72
3.4. Khảo sát quá trình tách sắt kim loại khỏi ilmenit hoàn nguyên ………...73
3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn đến hiệu suất tách Fe(0) …...............74
3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt ilmenit hoàn nguyên
đến hiệu suất tách Fe(0) …………………………………………………...76
3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất tách Fe(0) ...........77
3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của việc thay dung dịch mới đến hiệu suất
tách Fe(0)………………………………………………………………… . 79
3.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của việc không thay dung dịch mới đến hiệu
suất quá trình tách Fe(0)…………………………………………………….80
3.4.6. Khảo sát loại sắt cịn lại trong ilmenit hồn ngun bằng HCl 10% .............81
3.4.7. Xác định thành phần hóa học của ilmenit hồn ngyên sau khi đã tách Fe.....82
3.5. Tổng hợp các điều kiện tối ưu của các giai đoạn tách sắt

4


Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

khỏi tinh quặng ilmenit Hà tĩnh …………………………………………83
3.6. Xây dựng quy trình cơng nghệ nung khử, tách sắt khỏi
tinh quặng ilmenit Hà Tĩnh với quy mô phịng thí nghiệm..……….................85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………………...87
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….89
PHỤ LỤC………………………………………………………………………... 91

5


Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu, từ viết tắt

Giải nghĩa

B, C1, C2, P1

Các cấp độ tìm kiếm thăm dị, đánh giá trữ lượng
tài ngun

CTKS

Cơng ty khống sản

CTTNHH

Cơng ty trách đầu tư, trình độ cơng nghệ,
hiệu quả kinh tế đối với sản phẩm cụ thể.

-

Quá trình chế biến sâu theo phương pháp này có thể giảm chi phí và dễ đảm
bảo môi trường hơn nhiều so với áp dụng các phương pháp truyền thống.

Những kết quả thu được của luận văn cho phép đề xuất sơ đồ cơng nghệ sau
(hình 3. 25) để thu các sản phẩm ilmenit hoàn nguyên chứa 85% TiO2 và 7,87%
Fe2O3.
Quá trình thực hiện như sau:
Phối liệu gồm tinh quặng ilmenit Hà Tĩnh, 20% than gỗ kích thước 0,008 mm,
0,5% Na2CO3 (hàm lượng than gỗ và Na2CO3 được tính theo lượng tinh quặng
ilmenit) được trộn đều trong máy trộn khoảng 15 phút, phối liệu sau khi trộn được
nén chặt, sau đó thực hiện nung khử. Q trình nung khử ở nhiệt độ 1100oC trong
2,5 giờ. Để nguội sau đó lấy sản phẩm ra khỏi lị, loại bỏ hết than bằng nước, gạn
lấy ilmenit hồn ngun, sấy khơ, nghiền nhỏ đến kích thước 0,097mm sau đó thực
hiện q trình oxihóa để tách Fe(0) ở 55oC, trong dung dich NH4Cl 0,5% pH = 4 với
tỷ lệ lỏng/rắn là 7/1, có sục khơng khí trong 8 giờ, cứ sau 2 giờ phản ứng thì thay
dung dịch mới. Việc tách sắt hydroxit kết tủa ra khỏi dung dịch bằng cách gạn, sau
đó tiến hành rửa để loại bỏ NH4Cl, sấy và nung để thu được sản phẩm bột màu
Fe2O3. Ilmenit hoàn nguyên sau khi tách sắt được rửa để loại bỏ NH4Cl, sấy khơ ở
110oC, sau đó nghiền nhỏ đến kích thước 0,080 mm và tiếp tục phản ứng với HCl
10% trong 5 giờ với tỷ lệ lỏng/rắn 5/1. Sau phản ứng ilmenit hoàn nguyên được rửa
để loại bỏ HCl, sấy khơ ở 110oC. Sản phẩm ilmenit hồn ngun thu được chứa
85% TiO2 và 7,87% Fe2O3.

85


Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

Than gỗ 0,080mm (20%) Ilmenit

Na2CO3 (0,5%)

Nghiền, trộn, và nén chặt

Nung khử 1100oC 2,5 giờ

Loại bỏ than, sấy và nghiền đến kích thước 0,097mm
Khơng khí

Dung dịch NH4Cl
0,5%
o

Oxi hóa có mặt chất xúc tác NH4Cl L /R= 7/1, 55 C

H2 O

Hydroxit sắt

Sấy, nung

Gạn, lọc và rửa

Sấy, nghiền ilmenit đến kích thước 0,080 mm

Phản ứng với HCl 10%

HCl 10%

L/R = 5/1, 50 – 60oC

Bột sắt

Lọcvà
vàrửa
rửa
Lọc

Sản phẩm 80 - 85% TiO2

H2O

Sấy

Hình 3.25. Sơ đồ cơng nghệ nung khử, tách sắt khỏi tinh quặng ilmenit Hà Tĩnh

86


Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

KẾT LUẬN
Qua nghiên cứu và khảo sát quá trình nung khử và tách sắt từ tinh quặng ilmenit
Hà Tĩnh, chúng tơi có một số kết luận như sau:
1. Đã xác định được các điều kiện thích hợp của q trình nung khử tinh quặng
để khử sắt oxit thành sắt kim loại:
- 20% than gỗ với kích thước hạt 0,080 mm;
- Phụ gia Na2CO3 0,5%;
- Nhiệt độ nung khử 1100ºC;
- Thời gian nung khử 2,5 giờ.
Với các điều kiện như trên % Fe(0) trong ilmenit hoàn nguyên là 28%, hiệu suất
của quá trình nung khử tinh quặng ilmenit là 94,097%.
2. Đã xác định được các điều kiện thích hợp của q trình tách sắt khỏi ilmenit
hồn nguyên theo phương pháp Becher:
- Dung dich NH4Cl 0,5% pH = 4;
- Kích thước hạt ilmenit hồn ngun 0,097 mm;
- Tỷ lệ lỏng /rắn = 7/1;
- Nhiệt độ phản ứng 55oC;
- Thời gian phản ứng 8 giờ, thay dung dịch mới vào các thời gian 2h,4h và 6h.
Với các điều kiện như trên thì %Fe(0) cịn lại trong ilmenit hồn nguyên là 1,12%,
hiệu suất quá trình tách Fe(0) là 97,175%.
3. Đã xác định được điều kiện thích hợp của quá trình tách Fe(0) và các sắt oxit cịn
lại trong ilmenit hồn ngun bằng dung dịch HCl 10%:
- Kích thước hạt ilmenit hoàn nguyên 0,080 mm;
- Tỷ lệ lỏng/rắn 5/1;
- Nhiệt độ phản ứng 50 – 60oC;
- Thời gian phản ứng 5 giờ.
Với các điều kiện như trên sản phẩm ilmenit hồn ngun sau khi đã tách sắt có

hàm lượng TiO2 lớn 85,12%, hàm lượng Fe2O3 nhỏ 7,87% (~ 5,52% Fe tổng), ngoài

87


Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

ra còn rất nhiều các nguyên tố khác có hàm lượng rất nhỏ, nên có thể sử dụng sản
phẩm này làm nguyên liệu cho quá trình điều chế các hợp chất của titan.
4. Đã xây dựng được quy trình nung khử và tách sắt từ tinh quặng ilmenit Hà Tĩnh
với quy mơ phịng thí nghiệm. Sơ đồ cơng nghệ đã đưa ra có thể thu được sản
phẩm 80 – 85% TiO2.

88


Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] B.Д.Гapмama, Tиmaн, uздaмелвсво “Металлургия”, Mockвa 1983.
[2] E. И. Xaзaнов, Tиmaн u eгo cплавы, Akaдемия наук cccp. 1959
[3]. B.A. Garmata, titan, svoistva, swrievaia baza, fidico-chimmitreskie osnovw i
spasobư polutreniia, izdatelstvo “Metallurgia„, Mockva, 1993.
[4] I.A.Seka, texnitreskaiia dvuxokis titana i evo polutrenie iz izmenenoi ilmenita
sernokislotum metodom, izd. Naukoca dumka, kiev 1968.
[5]. N.J. Welham, J.S.Wiliams, Carbothermic reduction of ilmenite(FeTiO3) and

rutinle(TiO2), Metanlugrical and materials transactions B, vol. 30B,1999,1075 –
1081.
[6]. R.G.becher, R.G. Canning, B.A. Goodheart, S. Usna, A new process for
upgrading ilmenitic mineral sands, Proceeding of Axtralian Institute of Minerals
and Metals (A usIMM), 1965, vol.21,pp 21 – 44.
[7]. I. Grey. Reactivity of Astralian coal chars in ilmenite reduction, Publ. Astralas.
Inst. Min. Metal, 2001, 3, 219 – 226.
[8]. Guangqing Zhang, O. Ostrovki, Effect of preoxidation and sintering on
properties, Ind. J. Miner. Process. 64(2002) 201 – 218
[9]. K.S. Geetha, G.D. Surender, Experimetal and modelling studies on the
aearation leaching process for metalic iron removal in the manufacture of synthetic
rutile. Hydrometallurgy, 56(2000), 41 – 62.
[10]. E.J. Kumari, K. H. Bhat, S. Saribhshanan, P. N. Mohandas, Technicalnote.
Catalytic removal of iron from reduced ilmenite. Minerals engineering, 14(2001),
365 – 368.
[11]. E. J. Kumari, S. Berkman, V. Yegnaraman, P. N. Mohandas, An
electrochemical investigation of the rusting reaction of ilmenite using cyclic
voltammetry. Hydrometallurgy,65(2002),217 – 225.
[12]. J. Ward, S. Bailey, J. Avraamides, The use of ethylenediammoniumchloride
as an aeration catalyst in the removal of metallic iron from reduced ilmenite
. Hydrometallurgy, 53 (1999), 215 – 232.

89


Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

[13]. Titanium tetrachloride production by the chloride ilmenite process, Techmical

backgrounđ document, Office of Solid Waste U. S. Environmental Protection
Agency, 12/1995.
[14]. A..I. Perelman, Geokhimia, Mockva 1979, trang 28.
[15]. Michael N. Greeley, Titanium, Aiona Department of Mines and Mineral
Resources, USA, 1982.
[16]. Thoma S. Mackey, Upgrading Ilmenite into a High- Grade Synthetic Rutile,
1994 Review of Extraction & Processing, JOM April 1994, 59 – 64.
[17]. E. A. Beliakova, A.A. Dverniakova, J.A. Sirokova, Solianokislotnuimetid
pererabotki ilmenitovux koncentratov, izd. Naukova dumka, Kiev, 1971.
[18]. R. K. Biswas, M .F. Islam, M. A. Habib, Processing of ilmenite throughsaltwater vapour roasting and leaching, Hydrometallurgy 42(1996), 367 – 375.
[19]. E. J. Anto, Kuriakose Varghese, titanium dioxide pigment production through
chloride process- Quality of raw material, KMKL, India, 1989.
[20]. Các báo cáo “Hội nghị tư vấn về chế biến sâu quặng titan”, Bộ Công nghiệp,
Hà Nội tháng 12/2003.
[21] Cơ sở hóa học phân tích , A.P. Kreskov. Tập 1,2. Người dịch Từ Vọng Nghi, Trần
Tử Hiếu. Nhà xuất bản Đại học và giáo dục chuyên nghiệp, 1990 .

[22]. Cao Văn Hồng , Nghiên cứu cơng nghệ hồn ngun ilmenit Việt Nam tạo vật
liệu bọc que hàn có chất lượng cao (Đề tài nghiên cứu cấp bộ, Viện nghiên cứu mỏ
và luyện kim), Hà Nội, 2001.
[23]. Phạm Bá Kiên, Nghiên cứu sản xuất thử rutil nhân tạo( Đề tài cấp cơ sở, viện
CNXH), Hà Nội, 1998.
[24]. Nguyễn Mạnh Khôi, Xây dựng cơ sở sản xuất bột màu TiO2, 200 tấn/năm,
Viện Công nghệ xạ hiếm, 1990.
[25]. Cao Hùng Thái, Xây dựng quy trình cơng nghệ nung khử ilmenit và tách sắt
kim loại để thu sản phẩm titan điôxit 92 – 94% TiO2, Đề tài công nghệ cấp bộ 2005,
Mã số BO/05/03 – 01.

90

Luận văn cao học

Trần Thị Sáu

PHỤ LỤC
1. Phiếu kết quả phân tích mẫu quặng ilmenit Hà Tĩnh
2. Giản đồ XRD mẫu quặng ilmenit Hà Tĩnh
3. Phiếu kết quả phân tích thành phần khoáng vật mẫu quặng ilmenit Hà Tĩnh
4. Phiếu kết quả phân tích thành phần than gỗ
5. Giản đồ XRD mẫu ilmenit hoàn nguyên thu được sau nung khử
6. Giản đồ XRD mẫu ilmenit hoàn nguyên sau khi tách sắt bằng phương pháp
ơxihóa
7. Giản đồ XRD mẫu sản phẩm ilmenit hoàn nguyên sau khi tách sắt
8. Kết quả phân tích thành phần hóa học ilmenit hồn ngun đã tách sắt

91