Bột thối lithium và thiết bị xay nghiền dùng cho ứng dụng trong sản xuất xi măng và bê tông

Giới thiệu

Thải lithium, một sản phẩm phụ được tạo ra trong quá trình sản xuất cacbonat lithium từ quặng spodumene, đã trở thành một vật liệu có giá trị được sử dụng như phụ gia cho vật liệu xi măng trong những năm gần đây. Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp pin lithium-ion, lượng thải lithium sản xuất ra ngày càng lớn, đồng thời tạo ra cả những thách thức trong việc xử lý và cũng những cơ hội trong việc tận dụng. Khi được xử lý đúng cách bằng các công nghệ xay nhuyễn tiên tiến, bột thải lithium thể hiện những tính chất tuyệt vời như chức năng phụ gia pozzolanic, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của xi măng và bê tông. Bài viết này nghiên cứu về các đặc tính của bột thải lithium, tác động của nó đối với các hệ thống sử dụng vật liệu xi măng, cũng như các thiết bị xay chuyên dụng cần thiết cho quá trình xử lý tối ưu.

Đặc điểm của xỉ lithium

Thải lithium thường chứa các pha aluminosilicate vô định hình, điều này góp phần vào tính hoạt động xúc tác pozzolanic của nó. Thành phần hóa học thay đổi tùy thuộc vào nguồn quặng và quy trình khai thác, nhưng nhìn chung bao gồm SiO₂ (40–60%), Al₂O₃ (15–30%), CaO (5–15%) và các hợp chất lithium còn lại (1–3%). Sự hiện diện của ion lithium được ghi nhận là có ảnh hưởng đến tốc độ hydrat hóa của xi măng, có thể đẩy nhanh quá trình phát triển độ bền ban đầu trong khi giảm sự co rút do sấy khô theo thời gian.

Các đặc điểm vật lý của thải lithium thô bao gồm hình dạng hạt không đều, phân bố kích thước rộng và độ xốp tương đối cao. Những đặc tính này đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp nghiền chuyên biệt để đạt được phân bố kích thước hạt tối ưu, nhằm tối đa hóa hoạt tính pozzolanic (khả năng cải thiện độ bền của vật liệu xây dựng). Nghiên cứu cho thấy độ phản ứng tốt nhất xảy ra khi ít nhất 80% số hạt có kích thước dưới 20 micromet, và độ mịn theo tiêu chuẩn Blaine vượt quá 400 m²/kg.

Lợi ích của tro lithi trong xi măng và bê tông

Nâng cao các đặc tính cơ học

Việc trộn bột thác lithium được xay mịn vào các hệ thống vật liệu xi măng mang lại nhiều cải thiện đáng kể về đặc tính cơ học. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng sức chịu nén tăng lên 10–20% sau 28 ngày khi thay thế 15–25% lượng xi măng Portland bằng bột thác lithium đã được xử lý đúng cách. Sự tăng cường này xuất phát từ cả hiệu ứng của chất độn (các hạt mịn giúp tăng độ đặc của vật liệu) và phản ứng pozzolanic (silica và alumina có tính phản ứng kết hợp với canxi hydroxide để tạo ra các pha canxi silicate hydrat).

Độ bền uốn và độ đàn hồi cũng được cải thiện đáng kể, với mức tăng từ 15-25% so với bê tông xi măng thông thường. Thành phần hóa học đặc biệt của thải liti, đặc biệt là sự hiện diện của các hợp chất liti, dường như ảnh hưởng đến quá trình kết tinh của các sản phẩm hủy phát sinh từ phản ứng hợp nhất, làm cho cấu trúc vi mô trở nên đồng nhất và đặc hơn, đồng thời giảm lỗ hổng mao quản.

Cải thiện độ bền

Hỗn hợp bê tông chứa bột thải liti thể hiện những đặc tính độ bền vượt trội, bao gồm khả năng chống lại sự xâm thực của sunfat tốt hơn, giảm sự thấm nhập của ion clorua, và giảm sự giãn nở do phản ứng kiềm-silica. Cấu trúc por được cải thiện nhờ phản ứng pozzolanic tạo ra một ma trận có độ thấm thấp hơn, ngăn chặn sự xâm nhập của các ion gây hại. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy lượng điện được truyền trong các bài kiểm tra thấm thấu clorua nhanh có thể giảm 40–60% khi sử dụng 20% thải liti thay thế.

Ngoài ra, các hợp chất lithium trong xỉ được phát hiện có khả năng ức chế phản ứng giữa kiềm và silica bằng cách thay đổi cấu trúc của hợp chất gel và giảm tiềm năng giãn nở của nó. Điều này làm cho xỉ lithium trở nên đặc biệt có giá trị trong các ứng dụng mà cần sử dụng các vật liệu có tính phản ứng mạnh. Khả năng chịu được sự biến đổi nhiệt độ (đông-đứt) cũng được cải thiện nhờ vào việc giảm mức độ kết nối giữa các lỗ thẩm, và độ bền của vật liệu thường đạt trên 90% ngay cả sau 300 chu kỳ sử dụng.

Lợi ích của sự bền vững

Việc sử dụng xỉ lithium trong sản xuất xi măng và bê tông góp phần đáng kể vào việc thực hiện các mục tiêu bền vững thông qua nhiều cách khác nhau. Thứ nhất, nó giúp giảm lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất bê tông bằng cách làm giảm tỷ lệ sử dụng clinker; mỗi tấn xi măng Portland được thay thế giúp tiết kiệm khoảng 0,8 tấn khí CO₂. Thứ hai, nó tạo ra một giải pháp hiệu quả cho sản phẩm phụ của ngành công nghiệp – những sản phẩm này nếu không được tái sử dụng sẽ phải được chôn lấp, qua đó bảo vệ các nguồn tài nguyên tự nhiên và giảm gánh nặng trong quản lý chất thải.

Các nghiên cứu về đánh giá vòng đời cho thấy rằng các hỗn hợp bê tông sử dụng 25% thải liti có thể giảm tiềm năng gây nóng lên toàn cầu từ 15–20% so với bê tông thông thường. Hơn nữa, quá trình xay thải liti thường tiêu thụ ít năng lượng hơn so với quá trình sản xuất clinker, từ đó góp phần nâng cao lợi ích về mặt môi trường. Với áp lực ngày càng tăng từ các quy định liên quan đến quản lý chất thải công nghiệp và giảm phát thải carbon, việc sử dụng thải liti đại diện cho một phương pháp tiếp cận vừa khả thi về mặt kinh tế vừa bền vững về mặt môi trường đối với ngành vật liệu xây dựng.

Yêu cầu về công nghệ xay nghiền đối với xác thạch lithium

Việc chuyển đổi chất thải lithium thô thành vật liệu thấm mist làm phụ gia xi măng hiệu suất cao đòi hỏi phải kiểm soát chính xác phân bố kích thước hạt, hình dạng hạt và việc bảo toàn tính phi tinh thể của vật liệu. Khác với quá trình xay xi măng thông thường, xử lý chất thải lithium phải đối mặt với một số thách thức đặc biệt, bao gồm độ cứng thay đổi, độ mài mòn vừa phải, và xu hướng kết dính của vật liệu khi được xay nhuyễn.

Các hệ thống nghiền tối ưu cho thạch liti phải đạt được một số mục tiêu then chốt: tạo ra sự phân bố kích thước hạt đều đặn với lượng hạt siêu mịn (nhỏ hơn 1μm) ở mức tối thiểu nhằm tránh tăng nhu cầu sử dụng nước; duy trì cấu trúc vô định hình của các pha aluminosilicate để bảo toàn tính phản ứng hóa học; đồng thời hoạt động với hiệu suất năng lượng cao để đảm bảo tính khả thi về mặt kinh tế. Ngoài ra, thiết bị còn phải có khả năng xử lý được tính ăn mòn nhẹ của các hợp chất lithium và đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định bất kể có sự thay đổi nào trong đặc tính của nguyên liệu đầu vào.

Thiết bị mài được khuyến nghị cho quá trình xử lý xỉ lithium

Máy xay siêu mịn loại SCM dùng để sản xuất bột thải lithium chất lượng cao

Đối với các ứng dụng yêu cầu bột tro lithium có hiệu suất cao nhất, với phân bố kích thước hạt được kiểm soát và khả năng phản ứng được bảo toàn,Dây chuyền SCM – Máy xay siêu mịn (SCM Series Ultrafine Mill)Đây là một giải pháp lý tưởng. Hệ thống nghiền tiên tiến này hoạt động dựa trên nguyên lý nghiền nhỏ các hạt vật liệu, trong đó các hạt bị nghiền nát giữa các bộ phận nghiền quay và lớp lót cố định. Các tính năng thiết kế đặc biệt của máy nghiền SCM giúp giải quyết những thách thức đặc thù trong quá trình xử lý thạch liti thông qua nhiều công nghệ đổi mới.

Máy xay SCM Ultrafine Mill có khả năng tạo ra các hạt với độ mịn từ 325 đến 2500 mesh (D97 ≤ 5μm), rất phù hợp để sản xuất bột thải lithium siêu mịn có tính hoạt tính pozzolanic cao nhất. Với khả năng xử lý vật liệu có kích thước từ ≤ 20mm và công suất từ 0,5 đến 25 tấn/giờ (tùy theo mẫu máy), thiết bị này có thể được điều chỉnh phù hợp với nhiều yêu cầu sản xuất khác nhau. Hệ thống phân loại bằng tuabin đứng tích hợp giúp kiểm soát chính xác kích thước hạt, đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định và loại bỏ tạp chất có kích thước lớn.

Những ưu điểm chính của quy trình xử lý thải lithi bao gồm hiệu suất cao của hệ thống – đạt được công suất gấp đôi so với các máy xay phun, đồng thời tiêu thụ ít năng lượng hơn 30%. Hệ thống điều khiển thông minh với chức năng phản hồi tự động giúp đảm bảo hoạt động ổn định ngay cả khi có sự thay đổi về đặc tính của vật liệu đầu vào. Các bánh xay và vòng xay được thiết kế đặc biệt, làm từ vật liệu chống mòn, giúp tăng tuổi thọ sử dụng khi xử lý thải lithi có độ ma sát vừa phải. Hiệu suất về mặt môi trường được nâng cao nhờ hệ thống thu gom bụi theo chu kỳ, vượt qua các tiêu chuẩn quốc tế; mức độ ồn được kiểm soát ở mức dưới 75dB nhờ các buồng cách âm tích hợp.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị này dựa trên việc sử dụng động cơ chính để quay các vòng mài, làm cho vật liệu được phân tán vào đường mài nhờ lực ly tâm. Quá trình mài diễn ra qua sự nén của các bánh xe trên nhiều lớp vật liệu. Cuối cùng, bụi được thu gom bằng cách sử dụng bộ phân loại kiểu cyclone và hệ thống thu gom bụi theo công nghệ xung. Các mẫu thiết bị có sẵn trải rộng từ SCM800 với công suất 0,5–4,5 tấn/giờ và động cơ chính 75kW đến SCM1680 với công suất 5,0–25 tấn/giờ và động cơ chính 315kW, đáp ứng nhu cầu sản xuất đa dạng.

Loại máy xay bột có bánh xe đứng của dòng LM, dùng cho quy mô sản xuất lớn

Đối với các cơ sở sản xuất với sản lượng lớn cần có khả năng sấy và xay liền nguyên khối,Loại máy nghiền bột trục đứng LM SeriesCung cấp một giải pháp hiệu quả và gọn gàng. Thiết bị này đặc biệt có lợi khi xử lý thải lithi có hàm lượng ẩm cao, vì nó tích hợp cả quá trình nghiền và sấy trong một thiết bị duy nhất. Thiết kế máy nghiền bánh xe đứng mang lại nhiều ưu điểm quan trọng đối với việc xử lý thải lithi, bao gồm tiêu thụ năng lượng thấp hơn, yêu cầu về không gian ít hơn và việc xử lý vật liệu được đơn giản hóa.

Loại máy xay bột cát trục đứng LM Series có thể xử lý vật liệu đầu vào có kích thước lên đến 50mm, tạo ra sản phẩm với độ mịn từ 30 đến 325 mESH; một số mẫu đặc biệt còn có khả năng đạt độ mịn lên đến 600 mESH. Công suất sản xuất dao động từ 3 đến 250 tấn/giờ, tùy thuộc vào mẫu máy cụ thể và yêu cầu sử dụng. Thiết kế gọn gàng tích hợp các chức năng nghiền, xay và phân loại, giúp giảm diện tích sử dụng khoảng 50% so với hệ thống máy xay bằng bi. Đối với các ứng dụng liên quan đến xử lý thải lithium, thiết kế không tiếp xúc giữa các bánh xay và bàn nghiền giúp kéo dài tuổi thọ của các bộ phận tiếp xúc, từ đó giảm đáng kể chi phí vận hành.

Những ưu điểm công nghệ nổi bật bao gồm hệ thống điều khiển thông minh kết hợp tự động hóa chuyên nghiệp, hỗ trợ cả chế độ vận hành từ xa và tại chỗ với khả năng giám sát thời gian thực các thông số quan trọng. Hiệu suất môi trường đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt nhờ hoạt động ở áp suất âm hoàn toàn kín, đảm bảo lượng bụi thải dưới mức 20mg/m³ và mức độ ồn không vượt quá 80dB(A). Nguyên lý hoạt động là dựa trên việc động cơ chính quay bàn nghiền thông qua bộ giảm tốc; vật liệu được đưa vào từ lỗ vào ở trung tâm và được phân bố đều nhờ lực ly tâm. Các bánh nghiền tạo ra lực nén để phá vỡ vật liệu, sau đó bột mịn đã đạt tiêu chuẩn được vận chuyển đến máy phân loại bằng không khí nóng, còn vật liệu thô được trả lại bàn nghiền để xử lý tiếp.

Đối với các ứng dụng của xỉ lithium, các mẫu cụ thể trong dòng máy xay xỉ đứng (Vertical Slag Mill) đặc biệt phù hợp, bao gồm LM130N với công suất 4-6 tấn/giờ và LM370N với công suất 90-110 tấn/giờ. Những mẫu này được thiết kế đặc biệt để xử lý các đặc tính đặc thù của xỉ dạng hạt, với các yêu cầu như chỉ số độ bền kết dính ≤23kWh/t và hàm lượng sắt ≤1%. Thiết kế tích hợp cho phép xử lý trực tiếp các vật liệu ẩm mà không cần thiết bị sấy riêng biệt, giúp đơn giản hóa toàn bộ quy trình sản xuất.

Những yếu tố cần xem xét khi xử lý dữ liệu và các phương pháp thực hiện tốt nhất

Việc áp dụng thành công phế liệu lithium trong xi măng và bê tông đòi hỏi phải quan tâm đến nhiều thông số quy trình khác ngoài việc giảm kích thước hạt. Việc kiểm soát độ ẩm là rất quan trọng, vì phế liệu lithium thường chứa 10–20% độ ẩm khi mới được thu thập, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả vận chuyển và nghiền. Đối với máy xay siêu mịn SCM Ultrafine Mill, người ta khuyến nghị làm khô trước để độ ẩm giảm xuống dưới 5% nhằm tối ưu hóa hiệu suất nghiền; trong khi máy xay LM Vertical Roller Mill có thể xử lý vật liệu chứa lên đến 15% độ ẩm nhờ hệ thống sấy tích hợp.

Sự thay đổi trong thành phần hóa học của gang lithium, đặc biệt là hàm lượng lithium còn lại, có thể đòi hỏi phải điều chỉnh các thông số nghiền và chiến lược trộn hợp phù hợp để đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định. Bản chất hơi ăn mòn của các hợp chất lithium đòi hỏi phải lựa chọn vật liệu thích hợp cho các bộ phận thiết bị tiếp xúc với bột mịn, đặc biệt là trong các hệ thống thu thập và lưu trữ.

Kiểm soát chất lượng cần bao gồm việc giám sát định kỳ phân bố kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng, hàm lượng vật chất vô định hình và chỉ số hoạt tính pozzolanic. Hệ thống nghiền cần được vận hành sao cho tỷ lệ hạt trong khoảng 1–20μm đạt mức tối đa; điều này giúp đảm bảo sự cân bằng lý tưởng giữa khả năng phản ứng và nhu cầu nước. Việc tối ưu hóa quy trình thường bao gồm việc điều chỉnh tốc độ phân loại, áp suất nghiền và tốc độ cung cấp nguyên liệu nhằm đạt được các đặc tính sản phẩm mong muốn đồng thời tăng hiệu suất sử dụng năng lượng.

Đánh giá tác động kinh tế và môi trường

Việc triển khai các thiết bị xay chuyên dụng để xử lý thạch lithium đại diện cho một khoản đầu tư đáng kể, và việc đầu tư này cần được biện minh dựa trên cả lợi ích kinh tế và môi trường. Phân tích kinh tế cần xem xét đến việc giảm lượng clinker trong quá trình sản xuất xi măng; thạch lithium thường thay thế được 15–30% lượng xi măng Portland mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Với giá xi măng hiện tại, việc sử dụng thạch lithium giúp tiết kiệm đáng kể chi phí nguyên liệu thô. Thời gian hoàn vốn cho các thiết bị xay dao động từ 1,5 đến 3 năm, tùy thuộc vào quy mô sản xuất và điều kiện thị trường địa phương.

Lợi ích về môi trường không chỉ giới hạn ở việc sử dụng hiệu quả chất thải mà còn bao gồm việc giảm lượng khí thải carbon; mỗi tấn xi măng được thay thế có thể giúp tránh được khoảng 0,8 tấn khí CO₂ được thải ra môi trường. Những lợi ích khác về môi trường còn có thể kể đến là giảm nhu cầu khai thác khoáng sản thiên nhiên, làm giảm lượng chất thải phải được chôn lấp, và tiết kiệm năng lượng so với quá trình sản xuất clinker. Các nghiên cứu đánh giá vòng đời sản phẩm cho thấy rằng tác động của quá trình xay nghiền phụ phẩm lithium đối với môi trường thấp hơn đáng kể so với những tác động tiêu cực do quá trình sản xuất xi măng gây ra, từ đó mang lại những lợi ích tích cực cho môi trường.

Ontrends và sự phát triển trong tương lai

Việc sử dụng thải lithium trong sản xuất xi măng và bê tông dự kiến sẽ tăng đáng kể khi ngành công nghiệp lithium phát triển mạnh mẽ và các quy định về bền vững trở nên nghiêm ngặt hơn. Những tiến bộ trong công nghệ nghiền trong tương lai có thể tập trung vào việc giảm tiêu thụ năng lượng thông qua các hệ thống phân loại tiên tiến, cải thiện các vật liệu chống mài mòn để kéo dài thời gian bảo trì, và nâng cao khả năng kiểm soát quy trình nhờ trí tuệ nhân tạo và học máy.

Các nghiên cứu đang được tiến hành nhằm tối ưu hóa tác động cộng hưởng giữa thải lithium và các vật liệu xi măng bổ sung khác, từ đó có thể tăng tỷ lệ thay thế các vật liệu truyền thống mà không ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng. Các đặc tính đặc biệt của hợp chất lithium trong quá trình làm ẩm xi măng có thể mở ra những ứng dụng chuyên biệt, nơi thải lithium mang lại những lợi ích chức năng cụ thể vượt ra ngoài vai trò thông thường của các vật liệu pozzolanic (các vật liệu có khả năng làm ẩm xi măng).

Khi các nguyên tắc của nền kinh tế tuần hoàn ngày càng được áp dụng sâu rộng trong thực tiễn công nghiệp, việc tích hợp quy trình xử lý thải lithium vào các cơ sở sản xuất lithium có thể trở thành thông lệ tiêu chuẩn, tạo ra những hệ thống khép kín nhằm tối đa hóa hiệu quả sử dụng tài nguyên. Ngành thiết bị nghiền sẽ tiếp tục phát triển các giải pháp phù hợp với đặc tính riêng biệt của thải lithium, từ đó nâng cao hơn nữa giá trị kinh tế và môi trường của loại vật liệu hỗ trợ xi măng quý giá này.

Kết luận

Thải liti là một vật liệu Calcium silicate bổ sung đầy hứa hẹn, có thể nâng cao đáng kể hiệu suất và tính bền vững của các sản phẩm xi măng và bê tông. Việc chuyển đổi thải liti thô thành bột chất lượng cao đòi hỏi các thiết bị nghiền chuyên dụng, có khả năng kiểm soát chính xác kích thước hạt và đồng thời bảo toàn các pha vô định hình có tính phản ứng của vật liệu. Dòng máy nghiền siêu mịn SCM Series và dòng máy nghiền quay đứng LM Series cung cấp các giải pháp phù hợp với các quy mô và yêu cầu sản xuất khác nhau, đảm bảo hiệu suất cao, khả năng kiểm soát chính xác và hoạt động ổn định.

Khi ngành xây dựng tiếp tục tìm kiếm những giải pháp thay thế bền vững cho các vật liệu truyền thống, việc sử dụng các sản phẩm phụ công nghiệp như thải lithium sẽ ngày càng đóng vai trò quan trọng. Nhờ quy trình xử lý đúng cách bằng công nghệ nghiền tiên tiến, thải lithium có thể mang lại nhiều lợi ích về mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường, góp phần vào việc phát triển các vật liệu xây dựng bền vững, hiệu suất cao cho tương lai.