1
MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ phân tách các phần tử ứng dụng kỹ thuật tĩnh điện
cao áp là một trong những khâu công nghệ quan trọng đối với ngành
khai thác khoáng sản, đặc biệt là khai thác các thành phần Imenite và
Zircon có trong sa khoáng tại Việt Nam. Tuy nhiên tại Việt Nam vẫn
còn chưa đầu tư cho công nghệ và trang thiết bị đúng mức cần thiết
[2,8,9], cụ thể là các nghiên cứu ứng dụng, làm chủ công nghệ và chế
tạo thiết bị phù hợp với điều kiện khai thác của Việt Nam, mặc dù
chúng ta có nguồn quặng khá phong phú và chất lượng tốt.
Thủ tướng Chính phủ cũng có chỉ thị số 02/CT-TTg, trong đó
nêu rõ từ 1/7/2012 “không cho phép xuất khẩu quặng titan (thô) chưa
qua chế biến dưới mọi hình thức”. Do đó hiện nay việc ứng dụng
công nghệ để nâng cao chất lượng khoáng sản xuất khẩu là bắt buộc
và hết sức cần thiết [4].
Công nghệ phân tách ứng dụng kỹ thuật điện cao áp còn được
áp dụng hiệu quả trong lĩnh vực xử lý chất thải điện tử [6,8]. Các giải
pháp đồng bộ cả về kỹ thuật, kinh tế và quản lý là hết sức cấp bách
nhằm bảo vệ môi trường và thu hồi tái sử dụng các tài nguyên quý
hiếm trong chất thải điện tử.
Hướng nghiên cứu công nghệ, tính toán mô phỏng và thiết kế
chế tạo hệ thống thiết bị ứng dụng kỹ thuật cao áp tĩnh điện trong
công nghệ tuyển khoáng và làm giàu đồng thời với công nghệ xử lý
chất thải điện tử nhằm tiến tới làm chủ công nghệ là hướng nghiên
cứu phù hợp và việc lựa chọn luận án “Nghiên cứu ứng dụng kỹ
thuật điện cao áp tĩnh điện trong công nghệ tách các phần tử có tính
chất về điện dẫn khác nhau” là cần thiết và có ý nghĩa quan trọng đối

- Đề xuất công nghệ và mô hình thiết bị phù hợp với điều kiện
Việt Nam.
3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là công nghệ và mô hình thiết
bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp trong lĩnh vực tách các phần tử có
tính chất về điện khác nhau:
- Lĩnh vực khai thác khoáng sản với các thành phần hạt là là điện
dẫn (Ilmenite) và điện môi (Zircon) có trong sa khoáng titan tại
các mỏ thực tế đang vận hành tại Việt Nam.
- Lĩnh vực xử lý chất thải điện tử với các thành phần cần phân
tách là kim loại và phi kim có trong chất thải điện tử sau khi đã
được nghiền nhỏ.
Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung cho hai nội dung ứng dụng
bao gồm:


3
- Ứng dụng điện trường cao áp tĩnh điện trong thiết bị tuyển và
làm giàu khoáng sản Việt Nam.
- Ứng dụng điện trường cao áp tĩnh điện trong thiết bị tách kim
loại và phi kim trong công nghệ xử lý chất thải điện tử
4.

Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng kết hợp nhiều cách tiếp cận:

−

- Các kết quả thu được ý nghĩa thực tế quan trọng giúp cho việc
khẳng định công nghệ phù hợp do trước đây chưa có các nghiên
cứu và số liệu cụ thể.Thực tế vận hành tại các cơ sở sản xuất


4
thường theo quy trình định sẵn không thay đổi với các đối tượng
khác nhau.
- Đánh giá phân tích các ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị. Các kết
quả thử nghiệm với các đối tượng đa dạng về đặc tính cơ điện,
các thông số kỹ thuật của thiết bị đã góp phần giải thích rõ hơn
các hiện tượng xảy ra trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết.
- Đề xuất mô hình thiết bị phù hợp với các thông số cụ thể về
hình dạng kích thước, vật liệu chế tạo. Đưa ra các thông số kỹ
thuật tối ưu cho mô hình thiết bị.
1. CÔNG NGHỆ PHÂN TÁCH TĨNH ĐIỆN
1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Các nghiên cứu trong nước liên quan tới ứng dụng kỹ thuật điện
cao áp chủ yếu tập trung giới thiệu mô hình còn nghiên cứu công
nghệ được công bố còn khá ít và tập trung theo sự khác biệt về đặc
tính (trọng lượng riêng, từ tính, tĩnh điện, thành phần hóa học
[2,9,19,22,26,37] trong lĩnh vực khai thác khoáng sản. Trong đó việc
phân tách các thành phần khác nhau sử dụng công nghệ cao áp tĩnh
điện là một khâu quan trọng trong toàn bộ chu trình phân tách công
nghiệp, vốn bao gồm nhiều công đoạn sử dụng các công nghệ nói
trên.
Trong việc áp dụng mô hình ứng dụng kỹ thuật điện cao áp có
rất ít các nghiên cứu so sánh ưu nhược điểm của các mô hình,
nguyên nhân do các công ty hiện tại hầu như chỉ nhập duy nhất một
kiểu mô hình. Cho đến nay, chưa thấy có nghiên cứu nào được công

ra. Do vậy việc đảm bảo thiết kế tối ưu cho thiết bị và điều chỉnh
cường độ điện trường đạt đến trị số phù hợp với từng loại hạt đóng
vai trò quan trọng đối với hiệu quả làm việc của thiết bị.
• Công nghệ tách dựa trên cơ sở sự khác biệt về trị số điện dẫn.
Các sa khoáng trong tự nhiên rất đa dạng về hình dạng, kích
thước, tính chất vật lý, hóa học [2,4,34,48]. Đặc biệt khoáng sản quý
như Ilmenite và zircon là hai loại khoáng sản có trữ lượng rất lớn ở
ven biển miền Trung Việt Nam. Nhu cầu về hai loại khoáng sản này
trong nước và quốc tế rất lớn. Đồng thời hai loại khoáng sản này lại
có tính chất về điện trái ngược nhau nên việc áp dụng công nghệ tách
theo trị số điện dẫn là rất phù hợp.
• Công nghệ dựa trên nguyên lý ma sát điện:
- Nguyên lý tách dựa trên hiệu ứng tích điện tích do ma sát giữa
các phần tử khi chuyển động.


6
- Khi chuyển động các phần tử sẽ tiếp xúc với nhau và trên bề
mặt của chúng sẽ xuất hiện điện tích trái dấu có trị số tương đối
nhỏ, nếu quá trình này được lặp lại nhiều lần trị số điện tích trên
bề mặt sẽ tăng lên.
• Công nghệ tách dựa trên sự khác biệt về độ thấm điện môi.
Cơ sở để tách là sự khác biệt về độ thấm điện môi, trong đó:
- Quá trình tách diễn ra trong môi trường chất lỏng.
- Các phần tử cần tách sẽ chuyển động trong chất lỏng có độ thấm
điện môi được chọn phù hợp và trong điện trường.
- Các phần tử có độ thấm điện môi lớn sẽ dịch chuyển về phía
điện trường có trị số lớn còn các phần tử có độ thấm điện môi
nhỏ sẽ chuyển về phía ngược lại.
1.2.2. Các mô hình thiết bị hiện có trong và ngoài nước

2

2

HV (-)

3

0

Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu dùng hai điện cực
phẳng.

1.2.2.3 Thiết bị tuyển kiểu máng nghiêng
1
3

2

4

5

Hình 1.3. Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu máng nghiêng
1.3 Kết luận chương 1
Trên cơ sở đánh giá ưu nhược điểm của các công nghệ có thể
thấy rõ công nghệ tách các phần tử theo trị số điện dẫn khác nhau là
phù hợp và hiệu quả nhất. Do vậy hướng nghiên cứu của luận án
cũng chọn đi sâu vào nghiên cứu công nghệ này.


2.2. Phát triển mô hình thử nghiệm của thiết bị phân tách
tĩnh điện
Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của các mô hình thiết bị đã
nêu ở chương 1, việc chọn lựa mô hình thiết bị phục vụ thử nghiệm
có vai trò rất quan trọng. Mô hình phải đáp ứng những yêu cầu sau:


9
- Quá trình tách bằng mô hình thiết bị phản ánh đúng như vận hành
thực tế;
- Cấu trúc mô hình đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết cho thử
nghiệm;
- Cấu tạo đơn giản có thể chế tạo trong nước, dễ dàng thay đổi thông
số khi thử nghiệm,đảm bảo an toàn cho người thử nghiệm;
2.2.1 Tính toán lựa chọn hình dạng kích thước điện cực
2.2.1.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo điện cực
- Do khí hậu Việt Nam có độ ẩm cao nên vật liệu làm điện không bị
ăn mòn, gỉ gây ra biến dạng điện cực
- Cách điện phải đảm bảo không gây ra phóng điện.
2.2.1.2 Lựa chọn hình dạng điện cực
Kết quả thử nghiệm với hai điện cực được sử dụng trong thực tế
có hình dạng khác nhau:
a. Điện cực dạng dây dẫn
Nghiên cứu chỉ đưa ra một số đồ thị mô tả kêt quả điển hình của
một số trường hợp để dễ so sánh hiệu quả tách các đồ thị miêu tả kết
quả khi cùng một điều kiện:
- Điện áp đặt lên các cực trong các trường hợp bằng nhau.
- Góc nghiêng của máng bằng nhau.
Các thử thử nghiệm đã được tiến hành với kích thước của điện
cực bao gồm:

2.3 Quy trình thực nghiệm đo kích thước và khả năng tích điện
2.3.1. Thu thập và xử lý mẫu
Có hai loại mẫu phân tách được thu thập và đưa ra thử nghiệm,
bao gồm: sa khoáng titan lấy từ các mỏ ở miền Trung Việt Nam và
chất thải điện tử sau khi xử lý. Với mỗi loại mẫu cần phân tách, luận
án thực hiện một quy trình thu thập và xử lý mẫu tương ứng, kèm
theo là các kịch bản với thông số xử lý cụ thể.
Quá trình thu thập thực hiện đối với sa khoáng mẫu thử nghiệm
tại các mỏ ở miền Trung Việt Nam.
Đối với chất thải điện tử có chứa thành phần kim loại (dẫn
điện) và phi kim (cách điện) cần tiến hành cắt nhỏ, nghiền và dùng
thiết bị phân chia kích thước phục vụ cho các kịch bản thử nghiệm
sau này.
2.3.2. Đo và mô phỏng kích thước tương đương của phần tử
Trong thực tế các hạt khoáng sản có hình dạng rất đa dạng, để
thuận tiện cho tính toán và mô phỏng người ta thường quy về hình
cầu, hình elip hoặc bán elip [2,3]. Bằng thiết bị chuyên dụng và
phương pháp quy hình dạng các hạt về dạng hình cầu có thể tính
được bán kính tương đương của các hạt theo công thức sau [2,3,4]:

rtd = 0,62 3 abc
Kết quả đo trung bình của mẫu sa khoáng từ các mẫu thu thập
có dạng như sau (xem hình 2.13):

Hình 2.13.Phân bố kích thước trung bình của hạt sa khoáng.
Từ kết quả đo đạc và tính toán nói trên có thể rút ra kết luận sơ
bộ: bán kính tương đương của các hạt khoáng sản tại mỏ Cẩm hòa
dao động trong khoảng từ 70 đến 2000μm. Kích thước này rất phù



С2
С3

Hình 2.16. Mô hình nguyên lý đo điện tích
2.3.4. Kết quả:
a) So sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết: thể hiện trên hình 2.16.


13

Hình 2.16. Kết quả đo điện tích của hạt sa khoáng
b) Ảnh hưởng của điện trường đến khả năng tích điện: Hình 2.17

Hình 2.17. Khả năng nhiễm điện trái dấu của các thành phần
Ilmenite và Zircon
2.3.5. Nhận xét
Từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên các thành phần sa
khoáng thu thập được, có thể rút ra một số nhận xét như sau:
- Trong trường hợp chưa có điện trường (E=0), các hạt vẫn tích
điện tích.
- Điện trường có trị số càng lớn các hạt càng tích được nhiều điện
tích.
- Các hạt điện dẫn tích điện trái dấu (điện tích âm) với các hạt
điện môi (điện tích dương).
2.4 Kết luận chương 2
- Kết quả đo và tính kích thước tương đương của các phần tử cần
tách (đặc biệt là sa khoáng) khi quy về hình cầu nằm trong
khoảng dao dộng từ 70 đến 230µm. Kích thước này phù hợp với
mô hình thiết bị hiện có với hiệu suất cao.
- Các phần tử có tính chất về điện khác nhau (điện dẫn và điện

3.1.1 Các lực tác động lên phần tử mô phỏng
Đối với thiết bị tách sử dụng máng nghiêng, các lực tác dụng lên
phần tử bao gồm các lực thành phần sau:


15
3.1.1.1 Lực điện trường
Lực điện trường được tính bởi công thức:
F=0,832QmE

(3.1)

3.1.1.2 Trọng lực
Khi lọt vào trong không gian, mỗi phần tử sẽ bị trọng lực tác
dụng. Lực này có trị số:
Fg=mg=(4r3/3)/g

(3.4)

3.1.1.3 Lực cản của môi trường (trong thiết bị này môi trường là
không khí)
Khi trượt trong môi trường không khí, mỗi phần tử sẽ bị kéo bởi
lực xác định theo công thức Stoke:
Fr=6r

(3.5)

3.1.1.4 Lực tương tác giữa các phần tử
Khi trượt trong máng nghiêng, mỗi phần tử sẽ bị các phần tử lân
cận kéo lại với một lực kéo có hướng ngược với hướng trượt phía


(3.10)

Như vậy ta có thể xác định được điện trường nhỏ nhất có thể
làm cho phần tử rời khỏi máng được xác định như sau:
(3.11)
3.1.3 Một số nhận xét và đánh giá
Hiệu quả của phương pháp tách tĩnh điện liên quan đến khả
năng kiểm soát việc các phần tử rời khỏi máng nghiêng trong thiết
bị. Lực điện trường là lực chi phối cách hành xử của các phần tử khi
nó bắt đầu chuyển động trong máng nghiêng, mà lực này lại phụ
thuộc chủ yếu vào điện tích của phần tử. Nội dung này đã làm rõ các
cơ chế tích điện cho phần tử, các lực tác dụng lên phần tử, xác định
sơ bộ điện trường tới hạn. Để việc thiết kế một thiết bị phân tách
tĩnh điện có hiệu suất tối ưu, cần phải đánh giá những yếu tố sau:
- Hình dạng, kích thước và khối lượng riêng của phần tử
- Độ dốc của máng nghiêng
- Kích thước và vị trí tương đối của các điện cực cao áp đối với
máng
- Trị số điện áp đặt lên các điện cực
3.2 Xác định quỹ đạo bay của hạt trong môi trường thiết bị
Để xác định quỹ đạo bay thường dùng phương pháp chụp ảnh
quỹ đạo bay thực tế của phần tử trong môi trường thiết bị đang vận
hành.


17
3.2.1 Ý nghĩa của việc xác định quỹ đạo bay của các phần tử
Hiểu được các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo bay của các phần
tử trong thiết bị tách tĩnh điện và các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến nó

bản cực của thiết bị tách để xảy ra phóng điện vầng quang, khi các
phần tử rắn cần tách chảy qua khu vực này nó sẽ bị các ion bám vào
và trở thành tích điện.
3.3.1.1. Cơ chế tích điện
Một hạt được tích điện nhiều hay ít phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
kích cỡ hạt, hằng số điện môi tương đối của hạt, trị số cường độ điện
trường, hàm lượng điện tích (ion) trong không khí sinh ra do quá
trình vầng quang.
3.3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tích điện do vầng
quang
- Bao gồm bụi và độ ẩm trong môi trường tĩnh điện của thiết bị.
3.3.2 Tích điện do cảm ứng
Tích điện bằng cảm ứng là phương pháp mà phần tử ban đầu
không tích điện sẽ được tích điện sau khi đặt vào trong điện trường.


19
3.3.3. Tích điện do ma sát
Tích điện bằng ma sát có nghĩa là điện tích sẽ xuất hiện trong
phần tử sau khi phần tử trượt trên các phần tử khác (trượt giữa rắn và
rắn hoặc giữa lỏng và rắn).
3.3.3.1. Tích điện giữa các vật liệu dẫn điện:
Khi hai kim loại đưa vào tiếp xúc nhau, điện tích giữa chúng sẽ
được dịch chuyển cho đến khi mức Fermi giữa chúng bằng nhau.
3.3.3.2. Tích điện do tiếp xúc giữa vật liệu dẫn điện và không
dẫn điện:
Cơ chế để các điện tử được chuyển từ vật liệu dẫn điện sang
không dẫn điện và ngược lại là do sự khác nhau về trị số công thoát
giữa các vật liệu.
3.3.3.3. Tích điện do tiếp xúc giữa các vật liệu không dẫn điện:

phương trình Poisson và Laplace và đã biết được điện thế nhờ các
điều kiện biên và bờ của bài toán, các giá trị này cho ta biết được
thông tin về điện thế của một số hữu hạn nút ban đầu của quá trình
tính toán.
4.1.1.3 Phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên nguyên lý tổng quát cho
phép nghiên cứu hành vi của các hệ thống vật lý là nguyên lý “tác
động cực tiểu” còn gọi là nguyên lý Hamilton.
4.1.2 Phần mềm mô phỏng COMSOL
Trong luận án này, phân bố điện trường và điện thế trong thiết
bị tách được tính toán bằng phần mềm COMSOL 4.3.
4.1.3 Kết quả mô phỏng điện trường trong thiết bị trên phần
mềm Comsol
Trong khuôn khổ của luận án, một số kết quả thực hiện trong
quá trình mô phỏng được trình bày sơ bộ. Quá trình mô phỏng được
tiến hành cho các trường hợp sau:
- Điện áp các điện cực được thay đổi đồng thời với sự thay đổi
khoảng cách giữa các điện cực và máng nghiêng.
- Điện cực sử dụng trong mô phỏng có dạng hình trụ và rẻ quạt:


21

Hình 4.7. Phân bố và hướng của điện trường giữa các bản cực
Trường hợp a=4cm, b=15cm và U=20kV
4.1.4 Nhận xét kết quả mô phỏng
Trong luận án này, phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần
mềm COMSOL được sử dụng để tính toán và mô phỏng điện trường
trong thiết bị tách tĩnh điện. Những kết quả sơ bộ khi thay đổi thông
số kỹ thuật cho phép ta thiết kế sơ bộ một thiết bị với kích thước và

- Hiệu suất tách của thiết bị đạt cao nhất khi góc nghiêng dao động
trong giới hạn 35- 45 độ;
- Cần sấy sơ bộ mẫu quặng trước khi đưa vào thiết bị để tách
- Điện áp tối ưu 20-30 kV ;
- Nhiệt độ sấy máng nghiêng 100O C
- Để nâng hiệu suất tách cần tăng số tầng tách
- Đối với chất thải điện tử không tiến hành sấy để tránh hiện tượng
kết dính do trong thành phần chất thải điện tử có hàm lượng nhựa
lớn.


23
KẾT LUẬN CHUNG
I. Các kết quả đã đạt được
Luận án đã giải quyết được một số vấn đề kỹ thuật đặt ra trong
việc ứng dụng kỹ thuật điện cao áp để tách các phần tử có tính chất
về điện khác nhau trong lĩnh vực khai thác, làm giàu khoáng sản và
xử lý chất thải điện tử. Các kết quả có thể được tóm lược như sau:
1. Luận án đã phân tích và đánh giá các yêu cầu đối với các công
nghệ phân tách hạt khác nhau, trong đó có công nghệ phân tách
tĩnh điện trong điều kiện thực tế tại các mỏ sa khoáng của Việt
Nam. Việc so sánh ưu nhược điểm của công nghệ cho phép
chọn lựa công nghệ phù hợp với điều kiện thực tế trong nước.
2. Lần đầu tiên phân tích và đánh giá được đặc trưng của các thành
phần có trong mẫu sa khoáng tại các mỏ của Việt Nam hiện nay.
Kết quả đo đạc thông số và so sánh với đặc trưng của quặng
trên thế giới cho phép rút ra kết luận về khả năng phân tách và
các yêu cầu kỹ thuật trong điều kiện cụ thể tại Việt Nam.
3. Luận án đã thực hiện mô phỏng thiết kế của thiết bị phân tách,
và phân tích quá trình hoạt động của điện trường để đánh giá

ứng được các yêu cầu để tiếp tục phát triển nghiên cứu.
Hiệu suất phân tách thực tế của thiết bị với thông số tối ưu đã
đạt được trong phòng thí nghiệm là trên 99,5%. Đây cũng là cơ
sở đề luận án lần đầu tiên đề xuất được công nghệ và mô hình
thiết bị phân tách tĩnh điện phù hợp với điều kiện Việt Nam.
KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Các nghiên cứu trong luận án phù hợp với đối tượng nghiên cứu
đã lựa chọn bao gồm sa khoáng titan thu thập tại các mỏ đang
hoạt động tại Việt Nam. Luận án đề xuất tiếp tục nghiên cứu các
đối tượng có sai khác về đặc tính so với đối tượng đã thử
nghiệm do tỷ lệ, thành phần, hàm lượng cấu trúc khác. Bên cạnh
đó tác giả mong muốn ứng dụng thiết bị rộng rãi tại các đơn vị
khai thác mỏ tại Việt Nam. Đặc biệt việc so sánh hiệu quả kinh
tế kỹ thuật của thiết sẽ rất thuận lợi cho việc khẳng định các ưu
điểm của mô hình vật lý đã xây dựng thành công.
2. Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ kỹ thuật điện cao áp
trong phân tách hạt trong luận án tuy đạt được kết quả thành
công về hiệu suất phân tách đối với sa khoáng, nhưng mới chỉ là
các kết quả ban đầu. Tiềm năng ứng dụng của công nghệ cap áo
tĩnh điện trong công nghiệp còn rất lớn, luận án mong muốn mở
rộng việc áp dụng công nghệ phân tách này cho các lĩnh vực
khác như tuyển hạt giống, lọc bụi tĩnh điện. Các nội dung này
đòi hỏi phát triển hướng nghiên cứu tiếp theo trong từng lĩnh
vực cụ thể.