Vermiculit là một khoáng alumosilicat ngậm nước, nguồn gốc phong hóa tự nhiên, trung gian giữa mica và montmorillonit. Khoáng vermiculit có trữ lượng lớn, khả năng ứng dụng đa dạng, rộng rãi trong nhiều ngành nghề, lĩnh vực. Tại Việt Nam, trữ lượng khoáng vermiculit được khảo sát là khá lớn tập trung chủ yếu ở Quảng Ngãi, Lào Cai, Phú Thọ. Tuy nhiên, việc chế biến và ứng dụng khoáng vermiculit mới dừng lại ở các công trình nghiên cứu, hoặc được sử dụng ở dạng thô, chưa qua chế biến. Các sản phẩm thương mại vermiculit đều phải nhập khẩu. 

 
Hình ảnh minh hoạ cấu trúc của vermiculit (Ảnh: wikipedia)

Xuất phát từ những cơ sở khoa học và thực tiễn trên, ThS Nguyễn Quang Minh cùng các cộng sự tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm (PTNTĐ) đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ và thiết bị chế biến sâu khoáng vermiculit thành sản phẩm có giá trị gia tăng cao”. Đây là đề tài cấp Quốc gia thuộc “Chương trình Khoa học và Công nghệ trọng điểm cấp quốc gia phục vụ đổi mới, hiện đại hoá công nghệ khai thác và chế biến khoáng sản đến năm 2025” thực hiện Đề án “Đổi mới và hiện đại hoá công nghệ trong ngành công nghiệp khai khoáng đến năm 2025”.

Mục tiêu của đề tài là tạo lập được công nghệ và thiết bị chế biến khoáng vermiculit Việt Nam thành các sản phẩm có sức cạnh tranh cả về giá thành và chất lượng so với hàng ngoại nhập, ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng và môi trường; đáp ứng được nhu cầu trong nước, làm cơ sở để phát triển công nghiệp chế biến sâu khoáng sản vermiculit ở Việt Nam trong những năm tới. Đồng thời, hướng tới chế tạo thử nghiệm các sản phẩm trên cơ sở vermiculit phồng nở, đáp ứng nhu cầu sử dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng và xử lý môi trường.

Để đạt được các mục tiêu trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát đánh giá tình hình chế biến, tiềm năng ứng dụng và công nghệ sản xuất vermiculit trên thế giới và ở Việt Nam. Trên cơ sở đó nghiên cứu, thiết kế, lập phương án và thi công lấy mẫu công nghệ. Đồng thời, nghiên cứu phương pháp tuyển cơ học để gia công, tuyển tách sét quặng vermiculit phòng thí nghiệm; Nghiên cứu tiền xử lý tách oxit sắt và một số oxit kim loại, bằng phương pháp hóa học, quy mô phòng thí nghiệm.

Nhóm tác giả cũng tiến hành một số nghiên cứu khác như: phương pháp xử lý nhiệt quy mô phòng thí nghiệm để tạo vermiculit phồng nở; quy trình công nghệ chế biến vermiculit phồng nở thành các sản phẩm có giá trị gia tăng cao quy mô phòng thí nghiệm; thiết kế chế tạo hệ thiết bị pilot chế biến sâu vermiculit trên cơ sở thiết bị sẵn có, quy mô 1m3/ngày. Từ đó, sản xuất thử nghiệm các sản phẩm vermiculit biến tính và ứng dụng thử nghiệm sản xuất để đánh giá hiệu quả kinh tế-kỹ thuật và môi trường của công nghệ và xây dựng phương án triển khai ở quy mô lớn hơn.
 
Khẳng định hiệu quả dẫn đầu

Sau 2 năm nghiên cứu (từ tháng 1/2020 đến tháng 12/2022), đề tài đã tạo lập được công nghệ và xây dựng thành công hệ thiết bị chế biến sâu khoáng sản vermiculit Việt Nam thành sản phẩm có khả năng ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng và xử lý môi trường. Đây là đề tài nghiên cứu hệ thống đầu tiên ở Việt Nam về chế biến sâu vermiculit thành các sản phẩm có giá trị gia tăng cao. Công nghệ trong đề tài có bộ thông số hoàn chỉnh, ở quy mô pilot và hoàn toàn có thể áp dụng trong công nghiệp để sản xuất trong nước, giảm nhập khẩu, giúp tăng thêm giá trị cho nguồn khoáng vermiculit của Việt Nam.

Cụ thể, đề tài đã nghiên cứu thiết kế hệ thống phụ trợ, cải tiến các thiết bị sẵn có và xây dựng được hệ thiết bị pilot chế biến sâu vermiculit, quy mô 1 m3/ngày. Hệ thống thiết bị hoàn chỉnh, đảm bảo các yếu tố an toàn và môi trường trong quá trình vận hành, đảm bảo không phát sinh chất thải thứ cấp, bao gồm: Cụm thiết bị tiền xử lý, tuyển cơ học; Cụm thiết bị chế biến hóa; Cụm thiết bị chế biến nhiệt; Cụm thiết bị hoàn thiện sản phẩm; Cụm thiết bị xử lý khí thải, nước thải.

Đồng thời, xây dựng thành công 01 quy trình chế biến sơ bộ quặng vermiculit nguyên khai thành sản phẩm phồng nở và cụm 03 quy trình công nghệ chế biến sâu vermiculit Việt Nam thành sản phẩm ứng dụng trong nông nghiệp, xử lý môi trường, công nghiệp và xây dựng. Các quy trình có hiệu suất cao (> 90%), năng suất thu hồi sản phẩm lớn (> 70%) và độ ổn định cao (độ lặp lại > 90%); 

Cùng với đó, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công 2,42 m3 sản phẩm vermiculit biến tính ứng dụng trong nông nghiệp; 1,01 m3 sản phẩm ứng dụng trong công nghiệp và xây dựng; 1,09 m3 sản phẩm ứng dụng trong xử lý môi trường. Các sản phẩm đạt yêu cầu chất lượng đã đăng ký trong Hợp đồng.

Kết quả của đề tài đã được thử nghiệm và hoàn thiện báo cáo ứng dụng sản phẩm vermiculit biến tính trong nông nghiệp, xử lý môi trường, công nghiệp và xây dựng. Các kết quả thực nghiệm đầy đủ, chi tiết và có độ tin cậy cao. Trong đó, ứng dụng thử nghiệm vermiculit trong cải thiện độ xốp đất nông nghiệp cho thấy, từng cấp hạt sản phẩm vermiculit đều có khả năng tạo hỗn hợp đất xốp (độ xốp 50-60%) hoặc rất xốp (60-70%) với cả 3 đối tượng thử nghiệm là đất phù sa sông Hồng, đất đỏ bazan và hydrochar.

Ứng dụng thử nghiệm vermiculit trong chế tạo lớp phủ chống cháy, cách nhiệt cho thấy các cấp hạt của sản phẩm vermiculit đều đáp ứng thử nghiệm UL 94 HB đối với vật liệu chế tạo lớp phủ chống cháy, cách nhiệt. Kết quả tương đồng với mẫu sản phẩm thương mại, sẵn có tại Việt Nam.

 

Ứng dụng thử nghiệm vermiculit xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước. Với nồng độ dung dịch Hg2+ 50 mg/L, lượng chất hấp phụ 0,2 kg/L tại pH 4,5-5 hiệu suất hấp phụ cực đại của vermiculit đạt 96,62% sau 110 phút khảo sát. Dung lượng hấp phụ cực đạt của vermiculit là 241,55 mg/g. Kết quả này tương đồng với mẫu thương mại đang được cung cấp trên thị trường Việt Nam hiện nay.

Ứng dụng thử nghiệm sử dụng vermiculit trong chế tạo hệ xúc tác quang TiO2/vermiculit, xử lý ô nhiễm chất thải hữu cơ trong nước. Xúc tác có khả năng xử lý xanh metylen trong mô hình thử nghiệm tới 100% sau 90 phút với hàm lượng xúc tác 250 g/L. Kết quả này tương đồng với các xúc tác trên cơ sở TiO2/Vermiculit đã công bố trên thế giới.

Ngoài ra, đề tài đã hoàn thiện 01 báo cáo kết quả nghiên cứu thăm dò công nghệ biến tính vermiculit thành vật liệu nano cho các ứng dụng công nghệ cao. Vật liệu nano tổng hợp theo phương pháp vi sóng có kích thước hạt trung bình 1,2 nm và theo phương pháp siêu âm là 2,9 nm. Các phương pháp tổng hợp đơn giản, dễ áp dụng và nhân rộng. Vật liệu có độ bền nhiệt (đến 1200oC) và cách nhiệt tốt (độ dẫn nhiệt ~ 0,045 W/m.K).

Hiện nay tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng vermiculit trong các ngành nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng và xử lý ô nhiễm môi trường đang ngày một gia tăng. Song lượng vermiculit Việt Nam còn nhiều hạn chế do chưa có một công nghệ chế biến phù hợp tạo thành các sản phẩm có giá trị gia tăng cao, phần lớn là sử dụng nguyên liệu thô chưa qua chế biến. Gần như toàn bộ lượng vermiculit cung ứng cho thị trường trong nước đều từ nhập khẩu với giá thành cao. Do vậy, việc xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm vermiculit có giá trị cao, đáp ứng yêu cầu trong nước, để nguồn tài nguyên quý giá này sớm được sử dụng, phục vụ phát triển bền vững kinh tế-xã hội của đất nước có ý nghĩa khoa học, thực tiễn và kinh tế lớn lao.

Về hiệu quả kinh tế, đề tài đã tính toán sơ bộ chi phí cho sản xuất 1m3 sản phẩm vermiculit biến tính, trong từng ứng dụng nông nghiệp, xử lý môi trường, công nghiệp và xây dựng. Đồng thời, so sánh với giá thành các sản phẩm thương mại, có cùng ứng dụng đang được cung cấp trên thị trường Việt Nam. Các số liệu tính toán mang tính tham khảo, nhưng bước đầu cho thấy, các quy trình công nghệ của đề tài đã có những hiệu quả kinh tế nhất định.

Về hiệu quả khoa học-kỹ thuật, các quy trình công nghệ trong đề tài đã đảm bảo chế tạo được các sản phẩm vermiculit ứng dụng trong nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng và xử lý môi trường, với chất lượng tương đương sản phẩm ngoại nhập, giá thành có tính cạnh tranh cao. Đồng thời, làm chủ được công nghệ chế biến khoáng vermiculit thành các sản phẩm vermiculit có giá trị gia tăng cao, sử dụng nguyên liệu trong nước. Những kết quả thu được từ đề tài có thể là nguồn tài liệu tham khảo giá trị cao, đóng góp vào sự phát triển của nền khoa học công nghệ của Việt Nam trong lĩnh vực chế biến khoáng sản.

Về hiệu quả môi trường, giai đoạn phát thải nhiều nhất là các quá trình tuyển cơ học, tuy nhiên, các chất phát thải là những chất thân thiện với môi trường như cát, sỏi, sét mịn và nước. Những chất này hoàn toàn có thể thải trực tiếp ra môi trường mà không gây hại hoặc ảnh hưởng thấp đến môi trường xung quanh. Giai đoạn chế biến hóa có sử dụng các tác nhân hóa học (như axit, H2O2, NaBH4,...) nhưng sự phát thải thấp nhờ sự quay vòng, tái sử dụng tác nhân phản ứng. Ngoài ra, đề tài đã sử dụng phương pháp trung hòa để xử lý các dòng thải có tính axit, có đường ống thu gom khí thải sau thiết bị sấy, thiết bị nhiệt phân pilot vào hệ thiết bị xử lý khí thải, chứa các xúc tác có khả năng xử lý NOx, CO, chất hữu cơ dễ bay hơi hoặc hơi axit.

Với đa dạng các hiệu quả kể trên, các quy trình công nghệ được xây dựng trong đề tài có khả năng áp dụng rộng rãi, khả thi trên quy mô công nghiệp, đem đến các sản phẩm có giá trị gia tăng cao, có hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và môi trường cao, đáp ứng được các tiêu chuẩn khắt khe.