Tuyển quặng Niken Sunfua xâm tán và định hướng tuyển quặng Niken Quang Trung - Hà Trì (Cao Bằng)

Trong tự nhiên, quặng niken thường gặp ở hai dạng: sunfua và laterit. Trong khi dạng laterit chiếm khoảng 70% tài nguyên niken trên toàn thế giới, thì chỉ có khoảng 40% sản lượng niken thế giới đến từ quặng laterit, điều này chủ yếu là do việc xử lý quặng laterit yêu cầu chi phí cao và quy trình công nghệ phức tạp. Tùy thuộc vào quá trình thành tạo, quặng niken sunfua được chia ra làm các loại: quặng xâm tán và quặng đặc sít, trong đó quặng xâm tán là phổ biến hơn cả.
1. Đặc điểm tuyển quặng niken sunfua xâm tán
Khi quặng niken hàm lượng cao đang ngày càng cạn kiệt, quặng niken xâm tán hàm lượng thấp đang trở thành nguồn thay thế quan trọng để sản xuất niken. Tuy nhiên, việc xử lý quặng niken xâm tán gặp nhiều khó khăn do sự hiện diện của các khoáng vật tạp chất có hại chứa MgO (như secpentin [Mg₃Si₂O₅(OH)₄]). Sự có mặt của secpentin làm cho độ nhớt của bùn quặng tăng cao, dẫn đến hàm lượng phần rắn trong bùn khi nghiền và tuyển nổi thấp, làm tăng chi phí tuyển. Một tác động bất lợi khác do sự hiện diện của secpentin là lớp phủ slam, điều này dẫn đến việc giảm hàm lượng niken trong quặng tinh cũng như mất khả năng thu hồi niken do lớp slam phủ trên pentlandit.
Ôxit magiê trong quặng có thể đi vào sản phẩm tuyển thông qua các phương thức: Nổi tự nhiên, đây là những hạt có tính nổi nhanh, nên sẽ đi vào quặng tinh niken mà không cần có thuốc tập hợp do tính kỵ nước tự nhiên; Nổi chậm do thuốc tuyển, đây là những tạp chất có thể đi vào quặng tinh sau khi được hấp phụ thuốc tập hợp trong ngăn máy tuyển, khi thuốc tập hợp bao bọc các hạt này, chúng sẽ trở thành kỵ nước và sẽ đi vào quặng tinh; Phủ lớp hạt mịn trên các hạt sunfua là các tạp chất kích thước mịn sẽ nổi khi chúng được bám, gắn vào các khoáng vật sunfua, điều này làm giảm hàm lượng quặng tinh; Các hạt liên tinh chưa giải phóng, nên chúng được thu hồi thông qua tuyển nổi cùng với các khoáng vật sunfua; Sự xâm nhập, đây là một quá trình trong đó các tạp chất rất mịn theo dòng nước đi vào quặng tinh hoặc được thu vào quặng tinh do thoát nước trong lớp bọt kém, nhất là với các hạt nhỏ hơn 0,010mm.
Để giảm hoặc loại bỏ tạp chất ảnh hưởng đến quá trình tuyển quặng niken xâm tán hàm lượng thấp, một số quy trình đã được đề xuất: (1) Sử dụng axit làm chất phân tán khi tuyển quặng; (2) Sử dụng natri hexametaphosphat để cải thiện sự phân tán secpentin trong tuyển nổi; (3) Quặng niken loại siêu nghèo thường dùng xyclon thủy lực để khử slam quặng sau khi nghiền, phần cát xyclon sau đó mới đi tuyển nổi; (4) Sử dụng vi sóng làm giải pháp tiền xử lý nhiệt, khi đun nóng bằng nhiệt, secpentin được chuyển thành olivin thông qua quá trình khử hydrat giữa 550-800°C.
2. Một số kết quả tuyển quặng niken sunfua xâm tán
Mỏ niken Samapleu (Bờ Biển Ngà): Là mỏ quặng đa kim hỗn hợp 02 loại quặng đặc sít và xâm tán, các chương trình thử nghiệm như sau:
- Giai đoạn đầu được thực hiện tại phòng thí nghiệm của SGS Canada Lakefield vào năm 2010. Mẫu quặng có hàm lượng trung bình 0,53% Ni; 0,029% Co và 0,52% Cu. Thí nghiệm được thực hiện với natri isopropyl xanthat làm thuốc tập hợp chính, isobutyl dithiophosphat làm thuốc tập hợp thứ 2, methyl isobutyl carbinol làm thuốc tạo bọt và vôi làm thuốc điều chỉnh pH. Kết quả thí nghiệm vòng kín như sau: Chất lượng quặng tinh thu được có hàm lượng 8,72% Ni và 9,76% Cu, với tỷ lệ thực thu là 74,6% đối với Ni và 89,3% đối với Cu, thực thu của Co chỉ đạt ở mức 65,4%.
- Giai đoạn hai được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Technologie des Minéraux et de Plasturgie Inc., Canada vào năm 2012 với mẫu đầu có hàm lượng 0,3% Ni; 0,24% Cu và 0,16% Co. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng có thể thu được quặng tinh có hàm lượng 5,76% Cu và 4,72% Ni với thực thu tương ứng là 73,7% và 61,6%. Đuôi thải tổng hợp có thực thu khoảng 26,3% Cu và 38,4% Ni, trong đó khoảng 54% lượng mất mát này nằm trong sản phẩm đuôi thải khâu tuyển thô. Các mẫu quặng thí nghiệm có hàm lượng Ni và Cu tương đối thấp và do có sự hiện diện của pyrotin nên quá trình tuyển nổi thu được quặng tinh có hàm lượng Ni và Cu không cao.
Mỏ niken Bucko Lake (Canada): Mẫu nghiên cứu bao gồm quặng các khu vực khoáng hóa khác nhau trong khu vực thăm dò mỏ (Bảng 1).

Bảng 1. Thành phần hóa học mẫu thí nghiệm mỏ Bucko Lake [6]

Các nghiên cứu cho thấy rằng: độ mịn nghiền thay đổi từ 50 đến 100 µm không làm ảnh hưởng nhiều đến thực thu niken; sử dụng thuốc đè chìm PF26 cho kết quả phân tách giữa khoáng vật sulfua và không sulfua là tốt nhất; việc thêm khâu xử lý trước khi tuyển nổi không làm tăng thực thu niken, mà lại làm mất mát đồng và việc thay đổi độ mịn nghiền có tác động ảnh hưởng không lớn trong quá trình tuyển. Qua phân tích dữ liệu thí nghiệm thấy rằng: Cần phải tăng thêm thuốc tập hợp để giảm bớt mất mát niken vào đuôi thải tuyển tinh; việc bổ sung thuốc đè chìm tại khâu tuyển tinh tỷ lệ thuận với độ sạch của quặng tinh niken; Các thông số khác có ảnh hưởng lớn đến kết quả tuyển là: Bổ sung Natri hydrosulphide; nghiền sơ bộ; và cấp thuốc tập hợp ở khâu tuyển tinh.
Thực thu niken tăng cao khi thu hoạch quặng tinh tăng lên mức khoảng 10%. Còn khi mức thu hoạch cao hơn 10%, tốc độ tăng thực thu niken thấp và thực thu niken đạt mức khoảng 85% khi mức thu hoạch khoảng 12%. Khả năng thu hồi Ni đạt khoảng 85% sẽ tương ứng với quặng tinh có chứa 10% trở lên MgO. Khi hàm lượng MgO giảm từ 10% xuống còn khoảng 6%, thì thực thu Ni giảm xuống khoảng 80%. Khi hàm lượng MgO giảm xuống dưới 6%, thì thực thu Ni giảm với tốc độ cao hơn theo cấp số nhân (xem Bảng 2).
Mỏ đồng - niken Huangshan, Trung Quốc: Là loại hình mỏ có hàm lượng kim loại thấp, quặng sunfua thành tạo trong đới mafic- siêu mafic. Nguyên tố có giá trị nhất trong quặng là Cu và Ni với hàm lượng tương ứng là 0,26% và 0,39%; Khoáng vật tạp có hại là olivin, amphibon, secpentin, steatit, pyroxen, clorit và cacbonat; Hàm lượng magiê cao lên tới 29,41%. Nghiên cứu đã tiến hành 02 phương án thí nghiệm: (a) Thí nghiệm tuyển thu hồi quặng tinh tập hợp, sau đó tuyển tách quặng tinh niken và quặng tinh đồng; (b) thí nghiệm loại bỏ talc trước, rồi mới tiến hành tuyển thu hồi quặng tinh tập hợp, sau đó tuyển tách quặng tinh niken và quặng tinh đồng.

 

- Thí nghiệm tuyển không khử talc trước khi tuyển quặng tinh niken – đồng: Quặng tinh niken thu được có hàm lượng đồng là 1,66% và hàm lượng MgO là 9,81%. Do không có khâu khử talc trước nên một số tạp chất MgO dễ nổi đã đi vào quặng tinh, điều này làm ảnh hưởng tỷ lệ khoáng vật, làm giảm hiệu quả tính chọn riêng, tiêu tốn hóa chất và các ảnh hưởng tiêu cực khác. Talc và secpentin không dễ bị CMC đè chìm triệt để, nên hàm lượng MgO trong quặng tinh niken tăng cao.
- Thí nghiệm loại bỏ talc trước khi tuyển quặng tinh niken - đồng: Loại bỏ được phần lớn talc, cải thiện được môi trường tuyển và thu đươc một quặng tinh niken có hàm lượng MgO chỉ khoảng 5,22%. Loại bỏ trước khoáng vật talc đã làm giảm đáng kể chi phí thuốc, cải thiện môi trường tuyển Cu-Ni, quá trình thí nghiệm ổn định và dễ dàng hơn, đồng thời thu được sản phẩm có các chỉ tiêu tuyển tốt hơn (Bảng 3).

Bảng 3. Kết quả thí nghiệm sơ đồ vòng kín (mỏ Huangshan) có khâu loại bỏ talc

 

Mỏ niken Bản Phúc (Sơn La)
Các báo cáo về kết quả thăm dò đánh giá trữ lượng khu mỏ Bản Phúc cho thấy: (1) Quặng Ni-Cu xâm tán xung quanh mạch quặng sulfur Ni-Cu đặc sít phân bố trong đá trầm tích biến chất và các đai mạch siêu mafic bị tremolit hoá nằm tiếp giáp với mạch sulfua Ni-Cu, sự hình thành quặng liên quan chặt chẽ với magma siêu mafic; (2) Quặng sulfua Ni-Cu xâm tán trong khối siêu mafic, phân bố ở phần đáy khối siêu mafic, thuộc kiểu mỏ magma dung ly; (3) Quặng silicat Ni dạng xâm tán trong khối siêu mafic được hình thành do quá trình phong hoá của đá siêu mafic.
Hàm lượng Ni trong đới sunfua Ni-Cu xâm tán khá thấp, dao động từ 0,2% -0,6%, phổ biến từ 0,2%-0,35%. Hàm lượng Cu phổ biến từ 0,05% - 0,3%. Hàm lượng Co rất thấp, dao động từ 0,001% - 0,016%.  Hàm lượng MgO trong các đá  rất cao, từ 42-47% MgO. Hàm lượng Ni trong olivin của các đá siêu mafic ngược với hàm lượng MgO. Thành phần khoáng vật chủ yếu: pyrotin (70%); pentlandit (10-20%); chalcopyrit (5%); manhetit (4%); pyrit (3%); violarit (2-2,5%), các khoáng vật khác như milerit, sphalerit, nickelin, ramelsbergit rất ít, hiếm gặp.
Các kết quả thí nghiệm nghiên cứu với loại quặng xâm tán năm 2005, cho thấy: Quặng đầu được nghiền đến 80% cấp 74 µm; với sơ đồ thí nghiệm gồm 01 khâu tuyển chính và 3 lần tuyển tinh, quặng tinh tuyển tinh 1 được nghiền lại trước khi đưa vào các khâu tuyển tinh sau; thí nghiệm đã thu được quặng tinh cuối cùng có chất lượng 25-31% Ni, 7-16% MgO, với thực thu Ni từ 60-75%; trong trường hợp muốn thu được quặng tinh có hàm lượng MgO < 7% thì thực thu Ni chỉ đạt ≤ 50%.
Các kết quả thí nghiệm nghiên cứu với loại quặng xâm tán năm 2015, cho thấy: mẫu quặng đầu được nghiền đến 80% cấp 74 µm; với sơ đồ thí nghiệm gồm 01 khâu tuyển chính, 01 khâu tuyển tinh, 01 khâu tuyển vét và 2 lần tuyển tinh bọt tuyển vét; thí nghiệm đã thu được quặng tinh cuối cùng có chất lượng 20,4-29,4% Ni, 9,07-11,67% MgO, với thực thu Ni từ 78,4-82,3%; và nếu muốn hàm lượng MgO trong tinh quặng giảm thì phải chấp nhận mất mát niken.
3. Định hướng và kết quả ban đầu khi tuyển quặng niken Quang Trung - Hà Trì (tỉnh Cao Bằng)
Mỏ niken - đồng khu vực Quang Trung - Hà Trì (tỉnh Cao Bằng) thuộc loại quặng sunfua niken - đồng xâm tán. Thành phần chủ yếu là các khoáng vật sunfua, trong đó phổ biến nhất là pyrotin xen kẽ là chalcopyrit, pentlandit, pyrit. Các khoáng khác bao gồm thạch anh, ilmenit, magnetit.... Kết quả phân tích hóa đa nguyên tố mẫu quặng nguyên khai, trong mẫu có hàm lượng: 0,595% Ni, 0,275% Cu, 0,026% Co và 18,82% MgO. Quặng niken sunfua khu mỏ thuộc loại nghèo, hàm lượng MgO cao, do vậy quy trình công nghệ thu hồi khoáng vật có ích cần phải có giải pháp tuyển tách loại bỏ MgO hoặc kiểm soát để giảm thiểu lượng MgO đi vào sản phẩm quặng tinh.  
Kết quả nghiên cứu thử nghiệm với 02 phương án công nghệ, như sau: (1) Thí nghiệm tuyển trực tiếp thu hồi quặng tinh tập hợp, sơ đồ thí nghiệm xem hình 1; và (2) thí nghiệm loại bỏ sản phẩm giàu MgO trước, rồi mới tiến hành tuyển thu hồi quặng tinh tập hợp, sơ đồ thí nghiệm xem hình H.2. Kết quả thí nghiệm xem Bảng 4.
Từ kết quả nghiên cứu định hướng cho thấy phương án thí nghiệm loại bỏ sản phẩm giàu MgO trước, rồi mới tiến hành tuyển thu hồi quặng tinh tập hợp và thu hồi tinh quặng đồng là hợp lý. Tiến hành thí nghiệm vòng kín với sơ đồ thí nghiệm xem hình H.3; kết quả thí nghiệm xem Bảng 5.
4. Kết luận - kiến nghị.
Các nghiên cứu trên thế giới đối với quặng niken sunfua hàm lượng thấp đang ngày càng được quan tâm, nghiên cứu chi tiết để áp dụng vào thực tiễn khai thác - tuyển quặng từ các mỏ nghèo, hàm lượng niken trong quặng đầu từ 0,25% (mỏ Samapleu) đã được tìm các giải pháp thu hồi. Phương pháp chủ yếu thu hồi niken được áp dụng là phương pháp tuyển nổi, sơ đồ tuyển có nghiền phân đoạn và nhiều khâu tuyển tinh. Kết quả tuyển đều thu được quặng tinh có hàm lượng niken đảm bảo yêu cầu hàng hóa thương phẩm cấp cho luyện kim hoặc cho các khâu xử lý tiếp theo. Với các mỏ có tạp chất MgO cao, sự ảnh hưởng của tạp chất đến kết quả tuyển rất lớn, như: Tại mỏ Bucko Lake, khi hàm lượng MgO trong tinh quặng giảm từ 10% xuống còn khoảng 6%, thì thực thu Ni giảm từ 85% xuống còn 79,5%; tại mỏ niken Bản Phúc, trường hợp muốn thu được quặng tinh có hàm lượng MgO < 7% thì thực thu Ni chỉ đạt ≤ 50%.

 

 

Các kết quả nghiên cứu, các sơ đồ thí nghiệm và các chế độ tuyển của các mỏ khác nhau cho thấy: mỗi một loại hình quặng niken từ các mỏ khác nhau (về nguồn gốc thành tạo, về thành phần cấu tạo, về tạp chất,....) sẽ phải có các nghiên cứu thí nghiệm chi tiết mới tìm ra được giải pháp phù hợp để nâng cao hiệu quả tuyển và thu hồi tối đa khoáng vật có ích trong mỏ quặng; với các mỏ quặng niken có nhiều tạp chất chứa MgO sẽ gặp khó khăn trong việc thu hồi tối đa niken, chất lượng tinh quặng và thực thu niken bị ảnh hưởng, sơ đồ quy trình công nghệ phức tạp hơn và chi phí thuốc bị hao tổn nhiều hơn.
Quặng niken sufua xâm tán mỏ Quang Trung - Hà Trì (tỉnh Cao Bằng), nghiên cứu bước đầu với quy trình công nghệ có tuyển tách sản phẩm giàu MgO đã thu được quặng tinh có hàm lượng 9,82%Ni, với hàm lượng MgO chỉ khoảng 5,72%. Qua đó thấy rằng, giải pháp tuyển tách loại bỏ MgO trước khi tiến hành tuyển nổi thu hồi niken, để giảm thiểu lượng MgO đi vào sản phẩm quặng tinh đối với đối tượng quặng mỏ Quang Trung - Hà Trì là giải pháp hợp lý.
 Từ kết quả đó, tiếp tục nghiên cứu thí nghiệm vòng kín đã thu được sản phẩm tinh quặng tập hợp có hàm lượng niken ~9,6%, với hàm lượng MgO chỉ hơn 5,5% và thực thu niken đạt hơn 69%. Ngoài ra, còn thu được sản phẩm tinh quặng đồng có hàm lượng đồng hơn 24%, và thực thu tổng hợp về kim loại đồng đạt hơn 81,5%.
Kết quả thí nghiệm vòng kín cũng chỉ ra rằng mất mát niken trong quặng thải vẫn còn khá cao (~30%), do vậy để tận thu tài nguyên niken tốt hơn, cần phải: có các nghiên cứu bổ sung về đặc điểm thành phần vật chất của quặng trong mỏ; tiến hành bổ sung các thử nghiệm tìm các chế độ tuyển để có sơ đồ quy trình công nghệ hợp lý hơn, có tính khả thi khi áp dụng vào sản xuất./

Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm tuyển nổi trực tiếp mẫu nghiên cứu


Hình 2. Sơ đồ thí nghiệm tuyển nổi mẫu nghiên cứu có tách MgO

Hình 3. Sơ đồ thí nghiệm tuyển nổi vòng kín