Đặc điểm chất lượng sét kaolin khu vực Phú Lạc, tỉnh Thái Nguyên và định hướng sử dụng

TÓM TẮT:

Mỏ sét kaolin khu vực Phú Lạc, Thái Nguyên phần lớn nằm trong đới phong hóa của đá gabro, gabro bị biến đổi (có hàm lượng plagioclas cao đến 80%) thuộc phức hệ Núi Chúa. Kết quả nghiên cứu cho thấy khu vực Phú Lạc có 2 loại sét khác nhau, theo lĩnh vực sử dụng chúng được phân thành sét chịu lửa và sét làm xương gạch. Kết quả thí nghiệm và sản xuất thử bán công nghiệp cho thấy sét ở khu vực nghiên cứu rất phù hợp để sản xuất vật liệu chịu lửa. Chất luợng đất sét đảm bảo làm nguyên liệu chịu lửa loại III, đủ tiêu chuẩn sản xuất gạch chịu lửa samốt loại C (SC) đến loại B (SB) theo tiêu chuẩn cơ sở của đơn vị sản xuất đang áp dụng và tiêu chuẩn TCVN 4710: 1998.

Từ khóa: đặc điểm chất lượng, sét kaolin, Phú Lạc, Thái Nguyên.

1. Đặt vấn đề

Kaolin là loại khoáng vật sét màu trắng, dẻo, mềm, được cấu thành bởi kaolinit và một số khoáng vật khác như illit, montmorillonit, thạch anh sắp xếp thành tập hợp lỏng lẻo, trong đó Kaolinit quyết định kiểu cấu tạo và kiến trúc của kaolin. Kaolin được đánh giá là nguyên liệu quan trọng và sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như ngành công nghiệp sứ gốm, dược phẩm, giấy, cao su, mỹ phẩm, thuốc trừ sâu, dầu nhờn và ngành y học… Nhu cầu sử dụng về nguyên liệu ngày càng lớn và đa dạng nên việc khai thác, sử dụng nguồn tài nguyên khoáng sản này ngày càng cao. Nghiên cứu về đặc điểm chất lượng và định hướng sử dụng kaolin sao cho hợp lý, tránh lãng phí tài nguyên là nhu cầu cấp bách được đặt ra.

2. Khái quát đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu nằm ở phần Tây Nam khối gabro Núi Chúa, tham gia vào cấu trúc địa chất vùng nghiên cứu là các thành tạo tập 1 của Hệ tầng Phú Ngữ (O-Spn₁) và các trầm tích bở rồi của hệ Đệ tứ không phân chia (Q) (Nguyễn Văn Trang, 1974 ; Bùi Công Tự ,1983 ; Phạm Thế Nhữ, 2008). Tuy nhiên, trong phạm vi khu vực Phú Lạc không gặp các trầm tích lục nguyên mà chỉ gặp các trầm tích bở rời hệ Đệ Tứ. Trầm tích bở rời phân bố dọc các thung lũng suối nhỏ, xen giữa các dải đồi dạng bát úp chiếm diện tích phần lớn khu vực. Thành phần vật liệu theo mẫu lõi khoan gồm 2 lớp, lớp đất trồng màu xám, xám đen dày 0,3 ÷ 0,5m và lớp sét cát lẫn mảnh vụn của đá phiến, đá gabro, thạch anh màu xám nâu, nâu vàng dày 0,7 ÷ 1,5m ; bề dày 1,0 ÷ 2,0m.

Kết quả đo vẽ địa chất và thi công khoan cho thấy khu Phú Lạc có mặt chủ yếu là đá gabro và gabro bị biến đổi gặp tại đáy các lỗ khoan, chúng tạo thành các dải kéo dài phương á vĩ tuyến, Tây Bắc - Đông Nam và Đông Bắc - Tây Nam khu vực nghiên cứu (Phan Văn San, 2010 ; Trần Văn Quý, 2019). Đá có màu xám đen, xám tro, khi bị phong hóa có màu xám sáng, kích thước hạt trung bình đến lớn. Thành phần khoáng vật gồm plagioclas 50-80%, pyroxen 10-40%, biotit ít-5%, amphybol ít đến 3%, ngoài ra, trong đá còn có thạch anh vài hạt, biotit ít, tàn dư olivin, khoáng vật quặng ít đến 3%. Khoáng vật thứ sinh gồm amphibol, clorit, muscovit, sét, carbonat. Đá có kiến trúc gabro, tàn dư gabro, tha hình, tự hình, cà nát, tàn dư ophit, cấu tạo khối, khối bị cà ép và định hướng yếu.

Về kiến tạo, khu vực Phú Lạc có mặt đứt gãy đường 13A nằm cách khoảng 9km về phía Đông Bắc. Ngoài ra, khu vực còn phổ biến các đứt gãy cùng phương với đứt gãy đường 13A (đứt gãy kéo theo), chúng được thể hiện bởi mật độ các đứt gãy rất dày, các đá bị cà nát vỡ vụn là nguyên nhân tạo đới phong hóa dày cũng như phát triển các đai mạch diorit aplit.  

3. Phương pháp nghiên cứu

3.1. Phương pháp thu thập, tổng hợp, xử lý và phân tích tài liệu

Để thực hiện nghiên cứu này, nhóm tác giả tiến hành thu thập số liệu từ tài liệu tham khảo; thu thập số liệu từ những thực nghiệm; thu thập số liệu phi thực nghiệm. Công tác tổng hợp và xử lý tài liệu được vận dụng trước tiên khi tiếp cận với nhiệm vụ cần giải quyết và luôn được cập nhật, xử lý, bổ sung trong suốt quá trình thực hiện.

3.2. Phương pháp nghiên cứu thành phần vật chất quặng

Nhằm phục vụ nghiên cứu thành phần vật chất đá, quặng kaolin, các đới đá biến đổi, đặc điểm địa hoá và hành vi của talc trong các quá trình địa chất và nguồn gốc của chúng, các phương pháp áp dụng được chia ra.

Phương pháp phân tích thành phần hoá học của đá và quặng: Hóa silicat, XRF và ICP-MS.

Phương pháp phân tích thành phần khoáng vật: Lát mỏng, SEM phục vụ công tác xác lập tổ hợp cộng sinh khoáng vật quặng, thế hệ sinh thành khoáng vật trong đá.

Phương pháp xử lý số liệu bằng các phần mềm chuyên dụng trong máy tính.

4. Kết quả và thảo luận

4.1. Đặc điểm hình thái, kiến trúc thân quặng

Kết quả nghiên cứu đã xác định được 4 thân sét trên phạm vi khu vực Phú Lạc, trong đó có 2 thân sét chịu lửa (TK.1, TK.3) và 2 thân sét làm xương gạch (TK.2, TK.4). Các thân sét đều có dạng lớp, thấu kính, chiều dài thay đổi từ 250 đến 700m, chiều rộng thay đổi từ 50 đến 400m; bề dày thay đổi từ 8,24 đến 16,81m. Cấu trúc địa chất thân quặng không quá phức tạp, trong các thân sét thường có ít lớp kẹp. Kết quả tính hệ số biến thiên của 2 thân sét chịu lửa (TK.1, TK.3), thành phần có ích (Al₂O₃) Vc thay đổi từ 12,22% đến 19,01% (phân bố rất đồng đều), thành phần có hại (Fe₂O₃) Vc = 75,12% đến 78,81% (phân bố không đồng đều); hệ số biến thiên về chiều dày Vm thay đổi từ 42,19% đến 83,94% (biến đổi không đồng đều).

4.2  Đặc điểm chất lượng sét kaolin

* Thành phần khoáng vật: Kết quả phân tích 25 mẫu rơnghen nhiễu xạ cho thấy sét trong khu vực có các khoáng vật như: kaolinit, monmorillonit, illit, clorit, thạch anh, felspat, gơtit, laumontit (Bảng 1).

Bảng 1. Thành phần khoáng vật của sét theo mẫu rơnghen

Nguồn: Tác giả tự tính toán

Từ bảng 1 cho thấy, khoáng vật kaolinit, monmorillonit, illit, felspat (albit) phân bố khá đều trong vỏ phong hoá; gơtit (khoáng vật chứa Fe) trong 4 thân khoáng có hàm lượng tương tự nhau phân bố khá đều nhau từ trên xuống dưới trong vỏ phong hóa.

* Thành phần hóa học: Kết quả phân tích 223 mẫu hoá cơ bản cho thấy sét khu vực Phú Lạc thuộc loại có hàm lượng oxyt sắt khá cao. Trên cơ sở kết quả mẫu hoá cơ bản đã khoanh định được 2 thân khoáng sét chịu lửa có số hiệu TK1 (khu Tân Lập), TK3 (khu Phương Nam 3) và 2 thân khoáng sét làm xương gạch số hiệu TK2 (khu Tân Lập), TK4 (khu Phương Nam 3). Nhìn chung, thành phần hóa học các oxit và tiêu chuẩn cho sét chịu lửa theo công trình thay đổi như sau (%): SiO₂ 27,24÷36,38; trung bình 31,07; Al₂O₃ 1,30÷4,97; trung bình 3,67; Fe₂O₃ 44,35÷53,07; trung bình 48,29; MKN 9,65÷14,47; trung bình 13,22; độ chịu lửa 1543÷1690^oC, trung bình 1627^oC.

Thành phần hóa học các oxit và tiêu chuẩn cho sét làm xương gạch theo công trình thay đổi như sau (%): SiO₂ 20,36÷32,66; trung bình 26,02; Al₂O₃ 4,43÷11,90; trung bình 8,09; Fe₂O₃ 37,70÷58,18; trung bình 49,00; MKN 9,79÷16,20; trung bình 12,98; độ chịu lửa 790÷1600^oC, trung bình 1.208^oC. (Bảng 2, Bảng 3)

Bảng 2. Thành phần hoá học và độ chịu lửa theo thân khoáng sét kaolin

Nguồn: Tác giả tự tính toán

 Bảng 3. Thành phần hoá học, độ chịu lửa của thân khoáng theo khối trữ lượng

Nguồn: Tác giả tự tính toán

Từ kết quả tính toán và thống kê ở các bảng 2, 3, và 4 cho thấy:

Đối với sét chịu lửa: Hàm lượng các thành phần có ích như SiO_2, Al₂O₃ của các khối trữ lượng thuộc 2 thân sét (TK1, TK3) đều đạt các chỉ tiêu của sét chịu lửa sản xuất gạch samốt loại C. Hàm lượng các thành phần có hại Fe₂O₃ của các khối trữ lượng thuộc 2 thân sét (TK1, TK3) < 4% đạt yêu cầu gạch samot loại C theo dây chuyền công nghệ sản xuất của Công ty Cổ phần Tập đoàn Vật liệu chịu lửa Thái Nguyên (TCCS). Độ chịu lửa của các khối trữ lượng thuộc 2 thân khoáng (TK1, TK3) đều đạt chỉ tiêu của sét chịu lửa sản xuất gạch samot loại C là 1624^oC- 1646^oC. Độ chịu lửa thường có tỷ lệ thuận với hàm lượng Al₂O₃.

Đối với sét làm xương gạch: Hàm lượng các thành phần có ích như SiO_2, Al₂O₃ của các khối trữ lượng thuộc 2 thân sét (TK2, TK4) đều đạt các chỉ tiêu của sét làm xương gạch sứ gốm. Hàm lượng thành phần có hại Fe₂O₃ của các khối trữ lượng thuộc 2 thân sét (TK2, TK4) < 8% đạt yêu cầu để sản xuất xương gạch mà mỏ kaolin-sét Phú Lạc của Công ty Cổ phần Đầu tư khai khoáng Bình Sinh đang khai thác. Độ chịu lửa của các khối trữ lượng thuộc 2 thân khoáng (TK2, TK4) nhỏ hơn 1.400^oC đạt yêu cầu để sản xuất xương gạch.

Thành phần hóa học theo mẫu nhóm: Kết quả phân tích 21 mẫu hóa nhóm cho thấy sét khu vực xã Phú Lạc thuộc loại có hàm lượng oxyt sắt khá cao (Fe₂O₃ <6%), và sét có hàm lượng sắt cao (Fe₂O₃ >6%) tương ứng với mức độ phong hoá từ dưới lên của đới phong hoá. Kết quả phân tích được tổng hợp trong Bảng 4.

Bảng 4. Hàm lượng trung bình các oxit trong thân khoáng theo mẫu hóa nhóm

Nhìn chung, hàm lượng các thành phần có ích như SiO_2, Al₂O₃ của các thân khoáng (TK1, TK3, TK2, TK4) đều đạt các chỉ tiêu của sét làm nguyên liệu chịu lửa loại I (theo tiêu chuẩn TCVN 6587-2000). Hàm lượng MKN trong các thân khoáng thay đổi từ 10,90% đến 11,52%. Hàm lượng các thành phần có hại Fe₂O₃, FeO của các thân khoáng chủ yếu là khoáng vật gơtit, cụ thể trong sét chịu lửa TK.1 Fe₂O₃ chiếm 91,0% trong TFe₂O₃; trong TK.3 Fe₂O₃ chiếm 89,9% trong TFe₂O₃; trong sét làm xương gạch TK.2 Fe₂O₃ chiếm 94,6% trong TFe₂O₃; trong TK.4 Fe₂O₃ chiếm 94,2% trong TFe₂O₃; hàm lượng TiO₂ trong các thân khoáng thấp 0,52-1,19%; hàm lượng Na₂O, K₂O trong các thân khoáng rất thấp <1%; hàm lượng MgO trong các thân khoáng rất thấp <1%; hàm lượng CaO trong các thân khoáng thấp thay đổi từ 0,99% đến 2,63%.

* Các nguyên tố vi lượng: Kết quả phân tích 10 mẫu quang phổ plasma cho thấy sét chịu lửa khu vực Phú Lạc ngoài các thành phần chủ yếu (Si, Al, Fe, Ti) trong thành phần sét còn có các nguyên tố vi lượng như Pb <5-84,4 ppm; Zn 44,6-201,9 ppm; Cu 20-583,8 ppm; Co 9,4-253,2 ppm; Ni 44,2-347,4 ppm; Cr 98,9-326,3 ppm; Sn 14,6-222,8 ppm, V 48,6-356,7 ppm; As 137,9-190,4 ppm.

* Tính chất cơ lý của sét

Để xác định thành phần cỡ hạt, độ dẻo cũng như giới hạn chảy và giới hạn dẻo của sét làm nguyên liệu chịu lửa khu vực Tân Lập - Phương Nam 3, tổng 124 mẫu sét nguyên khai được gửi đi phân tích. Kết quả phân tích cỡ hạt của sét nguyên khai trong các thân khoáng sét kaolin cho thấy (%): thành phần cỡ hạt trong đới phong hoá khá mịn, cỡ hạt <0,05mm đạt từ 65,53÷78,43%, trung bình 72,75%; cỡ hạt có kích thước >0,25mm chỉ chiếm  10,06÷20,03%, trung bình 14,23%. Chỉ số dẻo Ip thay đổi từ 10,1÷17,9%. (Bảng 5)

Bảng 5. Kết quả phân tích hóa sét kaolin theo cỡ hạt

Kết quả từ bảng 5 cho thấy thành phần hóa học theo cỡ hạt của sét chịu lửa có sự biến đổi khá lớn. Thân khoáng (TK.1, TK.3) với 03 cỡ hạt >0,25; 0,25÷0,05 và <0,05 khi hàm lượng Al₂O₃ tăng lên thì hàm lượng SiO₂ giảm; hàm lượng Fe₂O₃ giảm, còn hàm lượng MKN lại tăng. Điều này có nghĩa là khi cỡ hạt càng lớn thì hàm lượng Al₂O₃ thấp đi, và hàm lượng SiO₂ cao lên và ngược lại. Như vậy cỡ hạt càng lớn thì thành phần SiO₂ chiếm chủ yếu, còn cỡ hạt càng nhỏ thì thành phần SiO₂ giảm đi đáng kể, hàm lượng Al₂O₃ tăng lên, hàm lượng Fe₂O₃ giảm. 

* Độ ẩm, thể trọng: Tổng  hợp kết quả phân tích 4 mẫu thể trọng lớn theo khối ngoài trời cho kết quả như sau: Độ ẩm tự nhiên thay đổi từ 31,46% đến 39,55%, trung bình 35,17%. Thể trọng tự nhiên theo mẫu thể trọng lớn ngoài trời thay đổi từ 1,603 T/m³ đến 1,701 T/m³, trung bình 1,638 T/m³.

* Tính chất công nghệ của sét: Sét chịu lửa khu vực Phú Lạc gồm 2 loại có thành phần hóa học khác nhau. Sét màu xám trắng, trắng sữa hạt mịn. Hàm lượng Fe₂O₃ <6% làm vật liệu chịu lửa. Sét màu nâu vàng loang lổ có hàm lượng Fe₂O₃ >6% làm vật liệu xương gạch sứ gốm.

4.3. Định hướng sử dụng

Kaolin là nguyên liệu mang nhiều tính chất kỹ thuật có giá trị, được dùng trong nhiều lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế quốc dân. Chất lượng và khả năng sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học, đặc điểm cơ lý, thành phần khoáng vật của kaolin (Khương Thế Hùng và cs 2012). Để xác định được đặc tính công nghệ và khả năng sử dụng sét làm nguyên liệu chịu lửa, nghiên cứu tiến hành lấy 1 mẫu công nghệ ở đối tượng sét có hàm lượng Fe₂O₃ <6%, mẫu được lấy trong 4 giếng chia đều cho 2 thân khoáng (G.1, G.2, G.3, G.4) với trọng lượng 6.000 kg. Đặc điểm thành phần hóa học và độ chịu lửa của các mẫu thử nghiệm được trình bày trong Bảng 6.

Bảng 6. Thành phần hóa học và độ chịu lửa của sét kaolin khu Phú Lạc

So sánh hàm lượng và độ chịu lửa của các mẫu sét nguyên khai lấy ở khu vực Phú Lạc với tiêu chuẩn TCVN 4710: 1998; tiêu chuẩn TCVN 6587 – 2000; tiêu chuẩn cơ sở (TCCS) của Công ty Cổ phần Tập đoàn Vật liệu chịu lửa Thái Nguyên đang sản xuất gạch chịu lửa samốt được thể hiện theo các Bảng 7, 8, 9.

Theo độ chịu lửa, gạch chịu lửa samốt được chia làm 3 loại theo tiêu chuẩn TCVN 4710: 1998 theo Bảng 7.

Bảng 7. Chỉ tiêu kỹ thuật độ chịu lửa của gạch theo TCVN 4710:1998

Bảng 8. Các chỉ tiêu kỹ thuật của sét

Bảng 9. Các chỉ tiêu kỹ thuật của sét  (theo TCCS)

Từ kết quả trên cho thấy, sét nguyên khai lấy tại khu vực Phú Lạc so sánh với tiêu chuẩn đất sét làm nguyên liệu sản xuất vật liệu chịu lửa theo tiêu chuẩn TCVN 6587 - 2000 thì đất sét ở đây đạt loại III. So sánh đất sét làm nguyên liệu sản xuất vật liệu chịu lửa theo tiêu chuẩn cơ sở (TCCS) của Công ty Cổ phần Tập đoàn Vật liệu chịu lửa Thái Nguyên đang được áp dụng để sản xuất gạch chịu lửa samốt thì đất sét khu vực Phú Lạc hoàn toàn đủ tiêu chuẩn đưa vào sản xuất ngay không qua tuyển lọc.

Theo độ chịu lửa, gạch chịu lửa samốt theo tiêu chuẩn TCVN 4710:1998, thì đất sét nguyên khai khu vực Phú Lạc đạt tiêu chuẩn gạch samốt loại C (SC).

5. Kết luận

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về đặc điểm địa chất, chất lượng và khả năng sử dụng sét kaolin khu Phú Lạc, cho phép rút ra một số kết luận sau:

Khu vực nghiên cứu phần lớn nằm trong đới phong hóa của đá gabro, gabro bị biến đổi (có hàm lượng plagioclas cao đến 80%) thuộc phức hệ Núi Chúa.

Đã xác định khu vực Phú Lạc có 2 loại sét phân chia theo lĩnh vực sử dụng gồm sét chịu lửa và sét làm xương gạch. Trong khu vực nghiên cứu có hai thân sét chịu lửa (TK.1, TK.3) và hai thân sét làm xương gạch (TK.2, TK.4). Các thân sét trên đều đã được khống chế bằng công trình khoan, đã làm sáng tỏ được cấu trúc, hình thái thân sét, nghiên cứu chi tiết về thành phần vật chất, đặc tính công nghệ.

Kết quả thí nghiệm trong phòng và sản xuất thử bán công nghiệp cho thấy sét ở khu vực Phú Lạc rất phù hợp để sản xuất vật liệu chịu lửa đạt kết quả tốt. Chất luợng đất sét đảm bảo làm nguyên liệu chịu lửa loại III, đủ tiêu chuẩn sản xuất gạch chịu lửa samốt loại C (SC) đến loại B (SB) theo tiêu chuẩn cơ sở (TCCS) của đơn vị sản xuất đang sử dụng và tiêu chuẩn TCVN 4710: 1998.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Bùi Công Tự (1983). Báo cáo kết quả thăm dò sơ bộ kaolin Núi Hồng, huyện Đại Từ, tỉnh Bắc Thái. Trung tâm Thông tin, lưu trữ và Tạp chí Địa chất, Hà Nội.
2. Phạm Thế Nhữ (2008). Báo cáo đánh giá triển vọng quặng titan vùng Núi Chúa thuộc địa phận huyện Đại Từ và huyện Phú Lương, tỉnh Thái Nguyên. Trung tâm Thông tin, lưu trữ và Tạp chí Địa chất, Hà Nội.
3. Phan Văn San (2010). Báo các kết quả thăm dò sét kaolin tại khu vực Phú Lạc, xã Phú Lạc, huyện Đại từ, tỉnh Thái Nguyên. Trung tâm Thông tin, lưu trữ và Tạp chí Địa chất, Hà Nội.
4. Trần Văn Quý (2019). Báo cáo kết quả thăm dò sét làm vật liệu chịu lửa khu Tân lập-PhươngTNam 3, xã Phú Lạc huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên. Trung tâm Thông tin, lưu trữ và tạp chí Địa chất, Hà Nội.
5. Khương Thế Hùng, Nguyễn Tiến Dũng, Bùi Hoàng Bắc (2012). Đặc điểm chất lượng và tính chất công nghệ cao lanh, fenspat mỏ Làng Đồng - Thạch Khoán - Phú Thọ. Tạp chí Công nghiệp mỏ, 3, 15-19.

6. Nguyễn Văn Trang (1974). Bản đồ địa chất khoáng sản tỷ lệ 1: 50.000 nhóm tờ Văn Lãng. Trung tâm Thông tin, lưu trữ và Tạp chí địa chất, Hà Nội.

The quality characteristics of kaolin clay in Phu Lac area, Thai Nguyen Province and its usage orientations

Luong Quang Khang

Le Thi Thu

Department of Surveying and Geological Exploration

Hanoi University of Mining and Geology

ABSTRACT:

The kaolin clay mine, which is located in Phu Lac area, Thai Nguyen Province, is distributed in the weathering zone of the gabbro rock (the concentration of plagioclase up to 80%) of Nui Chua complex. This study finds out that the studied clay mine in Phu Lac area consists of two kaolin clay types. The first clay type is resistant to high temperature and the second one is sutibale for clay brick. Experimental results and semi-industrial production show that the studied mine’s clay is very suitable for the production of refractory materials. The quality of this clay is good enough to produce 3-grade refractory materials and this clay is qualified to produce C-grade to B-grade samosa bricks in accrodance with the standards TCVN 4710: 1998.

Keywords: quality characteristics, kaolin clay, Phu Lac area, Thai Nguyen Province.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 13, tháng 6 năm 2021]