1
trung tâm nghiên cứu - kiểm định đá quý và vàng
báo cáo Đề tài

nghiên cứu ứng dụng quy trình xử lý nhiệt
làm tăng chất lợng saphir miền nam việt nam
Đơn vị chủ trì thực hiện Những ngời thực hiện:
Trung tâm Nghiên cứu Kiểm định 1. TS. Phạm Văn Long Chủ nhiệm
Đá quý và Vàng 2. PGS.TS Nguyễn Ngọc Trờng
3. TS. Phạm Tiến Dũng
4. KS. Phạm Đức Anh

TS. Phạm Văn Long


Chơng 2. Đặc điểm chất lợng của saphir miền nam Việt
Nam 15
2.1. Đặc điểm thành phần hóa học và màu sắc
15
2.2. Đặc điểm tinh thể học và độ tinh khiết
22

Chơng 3. Kết quả xử lý nhiệt nâng cấp chất lợng
saphir miền nam Việt Nam 27
3.1. Quy trình công nghệ tổng quan
27
3.2. Kết quả nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt saphir miền nam Việt
Nam
31

Kết luận 42

Tài liệu tham khảo
2 Khảo sát, thu thập mẫu
saphia miền nam.
3/2007 Lấy các loại
mẫu đặc trng
Đã hoàn
thành
3 Nghiên cứu các đặc trng
chất lợng của saphia.
4-5/2007 Chỉ ra các đặc
trng chất
lợng
Đã hoàn
thành
4
ứng dụng các quy trình xử
lý nhiệt để thí nghiệm trên
các lô saphia nghiên cứu.
6-7/2007 Xử lý nhiệt thử
nghiệm
Thử nghiệm ở
các điều kiện
nhiệt độ khác
nhau
Đã hoàn
thành
5 Xây dựng quy trình xử lý
nhiệt cho saphia miền
nam.
8-9/2007 Quy trình thử
nghiệm

5
Chơng 1
Cơ sở khoa học của phơng pháp xử lý nhiệt
1.1. Tổng quan về các phơng pháp xử lý nâng cấp chất lợng đá quý
Trong số các nguyên liệu khai thác đợc từ các mỏ đá quý, số có thử sử dụng
trực tiếp để chế tác và làm hàng trang sức ngay thờng chiếm tỷ lệ không lớn, nhất là
đối với các loại đá quý hiếm và đắt tiền nh kim cơng, ruby, saphir, Để tăng đợc
giá trị của các sản phẩm khai thác và tận thu triệt để nguồn tài nguyên, đã từ lâu trên thế
giới ngời ta tìm mọi cách khác nhau nhằm nâng cấp chất lợng của đá quý. Cho đến
nay, các phơng pháp nâng cấp chất lợng đá quý đợc con ngời sử dụng nhiều nhất
là:
o Xử lý nhiệt (và nhiệt khuyếch tán)

1.2. Bản chất phơng pháp xử lý nhiệt
Bản chất của phơng pháp xử lý nhiệt là sử dụng nhiệt độ cao và môi trờng xử
lý thích hợp tác dụng lên ruby và saphir để làm thay đổi tính chất (hoá trị) và sự phân bố
của các nguyên tố tạo mầu trong corindon, dẫn đến sự thay đổi về mầu sắc (và độ tinh
khiết) của viên đá. Tác dụng của nhiệt độ lên mầu sắc chủ yếu thể hiện ở sự giãn nở thể
tích (không gian nguyên tử) của tinh thể corindon, thúc đẩy các quá trình khuyếch tán
các nguyên tố tạo mầu đồng đều trong viên đá, đồng thời thúc đẩy các phản ứng hoá học
sẽ diễn ra trong đó. Môi trờng xử lý (ôxi hoá hoặc khử) là yếu tố quyết định đến kết
quả xử lý, đặc biệt là đối với loại ruby, saphir này. Cờng độ ôxy hoá - khử của môi
trờng chỉ bị chi phối bởi áp suất riêng phần của ôxy tại một nhiệt độ nào đó. Nó quy
định lợng ôxy cần phải có ở môi trờng xung quanh tại nhiệt độ xử lý corindon.
Nh vậy, bằng cách kết hợp nhiệt độ cao và môi trờng xử lý thích hợp ta có thể
làm thay đổi trạng thái hoá trị của các nguyên tố tạo mầu và tái phân bố chúng trong cấu
trúc của corindon, từ đó mầu sắc của corindon cũng sẽ thay đổi theo.
Ngoài tác dụng lên mầu sắc, nhiệt độ cao, trong một số trờng hợp nhất định,
cũng có tác dụng làm tăng độ tinh khiết của corindon lên đáng kể (làm giảm hoặc loại
bỏ các bao thể khác nhau dới dạng các đám mây, màng sữa, màng cháo).
1.2.1. Tác dụng của nhiệt độ và môi trờng xử lý lên các đặc trng chất lợng của
ruby, saphir
a. Tác dụng lên mầu sắc
Nh chúng ta đã biết, nguyên nhân tạo mầu của ruby, saphir là do sự có mặt của
các nguyên tố chuyển tiếp trong cấu trúc tinh thể của chúng. Tuy vậy, không chỉ riêng
sự có mặt của các nguyên tố này đã đủ để tạo ra các mầu khác nhau trong corindon.
Nhìn chung, các cơ chế tạo mầu của đá quý rất phức tạp và chịu ảnh hởng của nhiều
7
yếu tố: hoá trị, số phối trí của các ion, bán kính ion, lực đẩy tĩnh điện, nồng độ của các
ion tạo mầu trong corindon.
Khi ta nung corindon dới nhiệt độ nóng chảy của nó (2050
o
C), viên đá sẽ bị giãn

nhau về vật lý và hóa học (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Nhiệt độ nóng chảy và tính chất biến đổi của
các bao thể rắn trong quá trình xử lý nhiệt corindon
Tên bao thể Nhiệt độ
nóng chảy (
0
C)
Biến đổi khi nung
Apatit 1660 Nhiệt độ nóng chảy thay đổi theo thành phần
Calcit 1339 Calcit bị phân huỷ ở 885
0
C (tại áp suet 1 atm) và
nóng chảy ở 1339
0
C
Corindon 2050 Là nhiệt độ nóng chảy của corindon tinh khiết hóa
học
Phlogopit >600
ở 600
0
C bắt đầu bị phân huỷ
Graphit 3700 Graphit bắt đầu thăng hoa ở 3650-3695
0
C trớc khi
nóng chảy
Hematit 1388
Mica >600 Nhiệt độ nóng chảy thay đổi theo thành phần
Pirotin 1195 Pirotin thờng đi kèm với pyrit, bắt đầu bị phân huỷ ở
690
0

chúng. Trong một số trờng hợp các khe nứt này có thể phát triển lên đến bề mặt của
9
viên đá. Mặt khác, quá trình xử lý cũng có thể hàn gắn một phần hoặc hoàn toàn các bao
thể thứ sinh.
Các dấu hiệu song tinh thờng ít bị biến đổi trong quá trình xử lý nhiệt, tuy nhiên
việc tăng hoặc hạ nhiệt độ đột ngột có thể dẫn đến việc xuất hiện các khe nứt tách dọc
theo các mặt phẳng song tinh. Cũng tơng tự nh vậy, các dấu hiệu đờng sinh trởng
cũng ít bị ảnh hởng trong quá trình xử lý nhiệt, chỉ khi ở nhiệt độ quá cao thì chúng
mới bị biến dạng.
Tính chất các biến đổi thờng gặp đối với các dấu hiệu độ tinh khiết khác nhau
trong corindon trong quá trình xử lý nhiệt đợc dẫn ra trong bảng 1.2.

Bảng 1.2. Tính chất các biến đổi trong các bao thể
thờng gặp khác trong corindon trong quá trình xử lý
Tên bao thể Trớc xử lý Sau xử lý
Sợi rutil Các sợi không bị đứt đoạn Sợi đứt đoạn,d ạng đốm, tro, ngôi sao
Sợi bơmit Các sợi mầu trắng theo
các mặt song tinh trực thoi
Nóng chảy một phần hoặc hoàn toàn
Các đám mây cấu
trúc:
- Các phần tử rutil
- Không rõ bản chất
- Nóng chảy một phần hoặc hoàn toàn
- Không bị biến đổi
Các đám cam sắt Mầu nâu, vàng nâu đến da
cam, phớt đỏ
Các tính tụ mầu phớt nâu, phớt đen, đôi
khi mầu trắng; thờng chuyển thành
vân tay

Bao thể rắn kèm vân tay
dạng xuyên tâm
Tinh thể sẽ có mầu đen, tối; hình thành
đĩa thủy tinh hoặc đảo san hô vòng
Riềm phóng xạ Zircon kèm theo các chất Phát triển các vân tay, hoặc khe nứt
10
lỏng bao quanh căng
Đám mầu xung
quanh bao thể rắn
Tinh thể trong đám mầu Mầu còn tập trung nhiều hơn xung
quanh bao thể
Các đờng sinh
trởng
Góc canh, thẳng, rõ nét Bị biến rạng
Các đới mầu Thẳng, sắc cạnh Biến dạng, mờ nhạt
Song tinh Song tinh dạng tấm Có thể bị gẫy trong mặt song tinh

1.3. Các thiết bị xử lý nhiệt
Từ lâu ngời Sri Lanka đã biết dùng ngọn lửa có nhiệt độ cao để đốt saphir lam và
saphir hồng để làm tăng màu của chúng. Đầu tiên, họ dùng ngọn lửa đợc sinh ra từ việc
đốt than đá hoặc than sọ dừa và dùng một thiết bị dạng ống thổi để làm tăng nhiệt độ,
công nghệ thủ công này ngày nay nhiều nơi vẫn đợc sử dụng nhng thay bằng ống thổi
thì ngời ta dùng một chiếc quạt gió.
Vào đầu những năm 70, các nhà kinh doanh đá quý Thái Lan đã phát triển công
nghệ xử lý nhiệt lên một mức cao hơn (xử lý ở nhiệt độ cao hơn khoảng 1600-1650
o
C).
Nhiệt độ này đợc tạo ra bằng việc sử dụng các lò diesel hoặc lò gas. Lợi thế của các
kiểu lò nh vậy là chúng có giá thành thấp, tuy nhiên chúng lại có mặt không thuận lợi
là không điều khiển đợc nhiệt độ trong quá trình xử lý. Các nhà xử lý thờng xác định

1800-1850
2800

Lò đốt ngọn
lửa

Rắn

Lỏng
Than cốc + không khí
Than lignite + không khí
Than củi + không khí
Diesel + không khí
Diesel + không khí + oxy
1000-1200
1400-1600
900-1000
1500-1600
1750-1800+
Lò điện
Disilic molipden
Graphit
1700
2550
Lò cao tần
Sóng cao tần 1900+

Thiết bị chính đợc chúng tôi sử dụng trong quá trình thực hiện đề tài này là lò đốt
nhiệt độ cao HTF 18/4 (hình 1.1) của hãng Carbolite (Anh). Các tính năng kỹ thuật chủ
yếu của lò HT là:

môi trờng thích hợp.
- Modul điều khiển. Bộ phận điều khiển bao gồm hệ thống biến thế và các bộ
phận cấu thành khác, đợc thiết kế phù hợp với số lợng và loại thanh đốt đợc sử dụng
ở buồng lò và các thông số khác của lò. Bộ phận này đợc nối với cặp nhiệt. Trong các
lò điện trở ngời ta sử dụng 2 phơng pháp điều khiển: tự động và bán tự động. Trong
các lò có bộ phận điều khiển nhiệt độ tự động, ngời ta dùng một bộ vi xử lý cho phép
tự động đặt, điều chỉnh và điểu khiển toàn bộ quá trình tăng, ủ và giảm nhiệt độ theo
chơng trình đặt trớc. Trong lò HT bộ phận điều khiển nhiệt độ tự động có tên gọi là
Eurotherm, có thể đặc đợc tới 16 chơng trình khác nhau (hình 1.2).
13 Hình 1.2. Bộ điều khiển nhiệt độ tự động
Eurotherm kèm theo lò HTF 18/4

Ưu điểm chủ yếu của các lò điện trở so với các lò gas là gọn nhẹ, có thể vận hành
trong một thời gian dài (giờ, ngày, tháng) ở nhiệt độ ổn định đặt trớc mà không cần sự
có mặt của ngời vận hành (loại điều chỉnh tự động theo chơng trình đặt trớc).
Môi trờng xử lý có thể là môi trờng ôxi hoá hoặc môi trờng khử. Để tạo đợc
môi trờng thích hợp ngời ta có thể thổi khí (ôxi hoặc hydro) trực tiếp vào buồng đốt
hoặc sử dụng các loại hoá chất khác nhau trộn lẫn với đá quý trong quá trình nung.
Ngoài ra, để đối sánh các kết quả xử lý, chúng tôi cũng thử nghiệm xử lý saphir
miền Nam Việt Nam bằng lò điện và lò than tại một số cơ sở xử lý nhiệt ở Tp. Hồ Chí
Minh v Viện Khoa học Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam).

2
K
2
O Cr
2
O
3
Tổng
1 ĐB-1 Đá Bàn 98,92 0,97 99,89
2 ĐL-1 Đắc Long 99,50 0,36 99,86
3 ĐB-2 Đá Bàn 98,70 1,10 0,04 99,84
4 TC-1 Tiên Cô 99,00 0,73 0,03 99,76
5 NY-1 Ngọc Yêu 98,91 1,04 99,95
6 BH-1 Biển Hồ 98,32 0,71 0,05 99,08
7 TC-3 Tiên Cô 98,81 0,98 99,76
8 TC-4 Tiên Cô 99,00 0,73 0,03 99,29
9 SĐ-1 Sơn Điền 98,34 0,95 99,96
10 ĐB-3 Đá Bàn 98,70 1,10 0,04 0,03 99,93
11 ĐB-4 Đá Bàn 98,67 1,13 0,13 100,36
12 XL-1 Xuân Lộc 97,35 1,08 0,06 0,01 0,96 99,42

Nguồn: Đề tài KT.01-09 (Nguyễn KInh Quốc, 1995) và đề tài Nghiên cứu đặc điểm
tiêu hình của ruby, saphir Việt Nam (Phạm Văn Long, 2001). 15
Bảng 2.2. Thành phần hãa học của saphir mét sè mµu kh¸c nhau mỏ Đăk N«ng
(Ph©n tÝch Microsond tại Nga)

TT

Lam đậm trong
1.12 0.073 98.9 0.016 0.002 0.014 0 100.13
6 DL21-3r - 1.22 0.07 98.84 0.035 0.001 0.017 0 100.19
7 DL22-c
Lam tối
1.15 0.069 98.62 0.014 0 0.025 0 99.88
8 DL22-r - 1.4 0.002 98.4 0.104 0 0.02 0 99.92
9 DL41-1c
Lam lục
1.42 0.031 98.55 0.012 0.011 0.013 0 100.04
10 DL41-1r - 1.05 0.057 98.9 0 0.021 0.031 0 100.05
11 DL41-2c Kh«ng màu, trong 0.487 0.082 99.34 0 0.012 0.023 0 99.94
12 DL41-2r - 0.451 0.064 99.46 0 0 0.015 0 99.99
13 DL51-c
Lam lục
1.41 0.078 98.74 0.015 0.016 0.012 0 100.27
14 DL51-r - 1.18 0.082 98.53 0.041 0.02 0.014 0 99.87
15 DL61-c
Đới màu lam vàng
0.586 0.067 99.62 0.003 0.02 0.01 0 100.31
16 DL61-r - 0.944 0.042 99.15 0.338 0 0.016 0 100.49
17 DL61-c - 0.539 0.03 99.73 0.002 0 0.015 0 100.32
18 DL61-r - 0.576 0.011 99.98 0 0.005 0.028 0 100.6

Thành phần hãa học của saphir ảnh hưởng rất nhiều đến màu của chóng. Đặc điÓm thành phần quyết
định tÝnh hấp thụ hay phản xạ ¸nh s¸ng cña bước sãng kh¸c nhau và do đã tạo nªn mầu sắc. Sự kh¸c nhau
về thành phần cã thể do hai nguyªn nh©n: a- do c¸c mẫu ph©n tÝch cã mầu sắc kh¸c nhau; b- do
chóng cã nguồn gốc kh¸c nhau.
Về nguyªn nh©n thứ nhất ta cã thể thấy rất râ qua c¸c bảng 2.2. Chẳng hạn, còng trong mỏ
Đak N«ng, saphir mầu xanh nước bi

Cr
2
O
3
FeO MnO
Tổng
Ghi chó
1-13 0,000 98,17 0,002 2,21 0,000 100,43 Nh©n
1-13 0,237 97,73 0,000 2,12 0,000 100,13
Đới sinh trưởng cã nhiều bao
thể
1-13 0,001 98,07 0,000 1,89 0,000 100,02
Cũng đới sinh trưởng đã
nhưng Ýt bao thể hơn
1-13 0,000 97,83 0,000 1,89 0,005 99,76 -nt-
1-13 0,248 97,57 0,002 2,19 0,000 100,07
Đới sinh trưởng cã nhiều bao
thể
1-13 0,233 97,31 0,000 2,18 0,000 99,77 -nt-
1-13 0,285 97,11 0,000 2,17 0,001 99,61 -nt-
1-13 0,019 98,51 0,000 1,77 0,000 100,33
Cũng đới sinh trưởng đã
nhưng Ýt bao thể hơn
1-13 0,017 98,09 0,000 1,26 0,000 99,42
Đới sinh trưởng kh«ng cã bao
thể
1-13 0,296 97,56 0,000 1,99 0,000 99,91 -nt-
1-13 0,194 98,00 0,010 1,86 0,000 100,12 -nt-
1-13 0,205 97,84 0,000 1,76 0,000 99,85 -nt-
1-13 0,211 97,70 0,000 1,74 0,000 99,71 -nt-

ph thuc vo t l Ti/Fe. Tu thuc vo t l ny ln hay nh m viên saphir có tông mu sáng,
trung bình hoc ti. T l Fe
2+
/Fe
3+
cng quyt nh n m nht ca mu lam ca saphir. Mt s
nghiên cu ã c h ra rng khi t l ny t ti 1 thì s cho mu lam p v khi t l ny gim xung thì
mu s nht dn i n mu lc thì t l ny ch vo khong 0,5 gim xung n khi ch còn có Fe
2+
thì
saphir s có mu vng.
Khi so sánh hm lng Fe trong saphir ak Nông vi mt s m khác trên th gii ta thy
rng saphir ây có tổng Fe cao hn khá nhiu, iu ny gii thích ti sao saphir ak Nông
thng có tông mu ti hn (lam ti).
Nhìn chung, corindon liên quan vi basalt thng có cht lng thp hn nhiu so vi
các m trong á hoa v trong metapelit, c bit l mu sc.
Saphir liên quan ti phun tro basalt m ak Nông thng
c trng bi mu xanh en
thm (Hỡnh 2.3. a), bên cnh ó các mu khác cng gp nh xanh lc, xanh nc bin, xanh
da tri, xanh mc, xanh lc vng
Nét c trng ca saphir trong ak Nông l có cu to phân i: a s các tinh th có phn
nhân nht mu hoc không mu v phn rìa có mu m. Mu sc ca saphir thờng không ng
nht, có c tính r qut. Đặc tính phân đới màu này cũng liên quan tới sự tập trung cục bộ
của các nguyên tố tạo màu trong cấu trúc của chúng (Bảng 2.3) và chúng thờng phát
triển song song với các mặt song diện và các mặt lăng trụ sáu phơng.
Cũng giống nh saphir vùng Đak Nông, saphir vùng Phan Thiết (Bình Thuận)
cũng th
ờng có tông màu rất đậm (lam đậm), khiến nhiều viên trở nên tối đen, trong
khi saphir một số vùng khác nh Di Linh (Lâm Đồng) lại thờng gặp ở nhóm BGY.
Hiện tợng phân đới màu của saphir nhóm này cũng rất phổ biến, trong hầu hết các

25
30
T% arb. unit
Wavenumber
(
cm
-1
)
Blue Saphire DL21-1
2358
2338
2851
2922
3318
3624
3694
Hình 2.1. Phổ phát quang của saphir Đăk Nông Hình 2.2. Phổ hồng ngoại của saphir
Đăk Nông
Hình 2.3. a. Phân đới màu trong saphir Đăk Nông Hình 2.3. b. Phân đới màu trong saphir Đăk Nông Hình 2.3. c. Phân đới màu trong saphir Đăk Nông Hình 2.3. d. Phân đới màu trong saphir Đăk Nông
Hình 2.3. e. Phân đới màu trong saphir Phan ThiÕt Hình 2.3. f. Phân đới màu trong saphir Di Linh


plagioclas, zircon, pyroclo, columbit, hecxynit, ilmenit, spinel, rutil (Hình 2.6 đến
2.11); một số nghiên cứu khác phát hiện các bao thể corindon và clinozoisit (Hình
2.12 và 2.13).
So với saphir các nguồn gốc khác thì saphir miền nam Việt Nam có chủng loại bao thể
ít phong phú hơn và chúng cũng ít ảnh h
ởng đến độ tinh khiết của chúng. Tuy nhiên,
trong saphir miền nam ta cũng gặp tập hợp các bao thể rutin dạng kim, que nhỏ li ti.
Tập hợp của các bao thể rutin này thờng tạo nên các bao thể dạng antena hoặc các
đám bao thể dạng bông tuyết) (Hình 2.14 và 2.15). Một điểm đặc trng khác là sự có
mặt của các bao thể trapiche dạng sao chết (Hình 2.16, 2.17, 2.18). Sự có mặt của
các bao thể dạng trapiche thờng làm cho độ tinh khiết của saphir giảm đi rõ rệt. Bản
chất của chúng thờng là tập hợp các bao thể dạng ống nhỏ li ti với thành phần là các
bao thể lỏng và khí.
Hình 2. 4. a. Các mảnh tinh thể corindon mỏ Đăk Tôn - Đăk Nông Hình 2.4.b. Tinh thể corindon mỏ saphir Đăk Tôn có dạng tháp sáu phương

Hình 2.4.c. Dấu hiệu hòa tan bề mặt tinh thể corindon mỏ Đăk Tôn - Đăk Nông
Hình 2.5. a. Các mẫu saphir ở Trường Xuân Hình 2.5. b. Một số mầu khác nhau của saphir
Đak Tôn - Đak Nông

H×nh 2.18. Thµnh phÇn cña c¸c bao thÓ d¹ng
trapiche trong saphir th−êng chøa c¸c pha
láng vµ khÝ. Chơng 3
Kết quả xử lý nhiệt nâng cấp chất lợng saphir
miền Nam Việt Nam
3.1. Quy trình công nghệ tổng quan
Một quy trình công nghệ xử lý nhiệt đá quý nói chung gồm các công đoạn sau
đây:
1) Làm sạch mẫu trớc xử lý
2) Phân loại và tuyển chọn mẫu
3) Xác định các thông số xử lý (nhiệt độ cực đại, tốc độ tăng giảm nhiệt độ,
thời gian ủ nhiệt )
4) Chuẩn bị các chất phụ gia
5) Nạp mẫu
6) Nung xử lý
7) Làm sạch mẫu sau khi nung
3.1.1. Làm sạch mẫu trớc xử lý
Hầu hết các mẫu ruby và saphir đều chứa các tạp chất ngoại lai khác nhau,
chúng có phản ứng khác nhau trong quá trình xử lý nhiệt. Một số chất nằm ngay trên
mặt mẫu, trong khi các chất khác lại thâm nhập sâu vào lòng các tinh thể chủ qua các
khe nứt, các vết vỡ trên bề mặt. Các tinh thể corindon có thể chứa một lợng đáng kể