Cát đen ven biển miền Trung: sa khoáng titan, ilmenit và zircon

Cát đen ven biển miền Trung là sa khoáng titan: những dải cát chứa nhiều hạt khoáng vật nặng màu đen như ilmenit, rutil, cùng zircon và một ít monazit, trải dọc bờ biển từ Thanh Hoá tới Nam Trung Bộ. Chúng được gọi là "cát nặng" vì nặng hơn cát thạch anh thường gần gấp đôi. Nhà máy tách chúng bằng ba bước: tuyển trọng lực gom cát nặng, tuyển từ lấy ilmenit, tuyển điện tách rutil khỏi zircon — rồi đưa ilmenit đi luyện thành xỉ titan, bột màu trắng TiO₂ cho sơn, nhựa, giấy.

Cát nặng là gì và vì sao gom lại ở bờ biển?

Các khoáng vật nặng ban đầu nằm rải rác trong đá granit, đá biến chất ở vùng núi. Khi đá phong hoá, sông suối mang hạt cát ra biển. Sóng và gió liên tục đãi cát trên bãi biển — đúng như người thợ đãi vàng lắc máng: hạt thạch anh nhẹ bị cuốn đi, hạt khoáng vật nặng ở lại và dồn thành vệt, lớp. Qua hàng nghìn năm, những cồn cát và bãi biển cổ tích tụ đủ khoáng vật nặng để khai thác được.

Đi dọc biển miền Trung sau một trận bão, đôi khi thấy những vệt cát đen óng trên nền cát vàng — đó chính là cát nặng được sóng đãi tự nhiên. Các vùng có sa khoáng titan được biết đến gồm ven biển Thanh Hoá, Hà Tĩnh, Quảng Trị, Huế, Bình Định cũ (nay thuộc Gia Lai) và Bình Thuận cũ (nay thuộc Lâm Đồng).

Ilmenit, rutil, zircon, monazit khác nhau thế nào?

Zircon chịu nhiệt rất cao, giãn nở nhiệt nhỏ và ít bị kim loại lỏng thấm ướt, nên cát zircon được xưởng đúc chính xác ưa chuộng làm lớp áo khuôn tiếp xúc trực tiếp với kim loại lỏng. Rutil và ilmenit lại là "quặng gốc" của titan — kim loại nhẹ, bền, nóng chảy ở khoảng 1.668 °C.

Tuyển từ và tuyển điện tách các khoáng vật ra sao?

Quá trình tuyển sa khoáng titan là một chuỗi tách lọc dựa trên ba tính chất vật lý: tỷ trọng, từ tính và độ dẫn điện.

1. Tuyển trọng lực ướt: cát được hút lên bằng tàu cuốc hoặc máy xúc, trộn nước, chảy qua hàng loạt máng xoắn. Hạt nặng dồn vào phía trong vòng xoắn, hạt nhẹ văng ra ngoài. Kết quả là tinh quặng tổng hợp — hỗn hợp các khoáng vật nặng. Cát thạch anh nhẹ được trả lại bãi.
2. Sấy khô tinh quặng tổng hợp, vì các bước sau cần hạt khô rời.
3. Tuyển từ: ilmenit nhiễm từ yếu, nên khi cho cát chạy qua trục từ cường độ cao, ilmenit bị hút sang một phía. Magnetit (nếu có) bị tách trước bằng từ cường độ thấp. Monazit cũng nhiễm từ yếu, đi theo một dòng riêng cần xử lý cẩn thận.
4. Tuyển điện: phần không nhiễm từ gồm rutil và zircon. Cho hạt đi qua một trục quay tích điện cao áp: rutil dẫn điện tốt, mất điện tích nhanh và văng ra; zircon cách điện, bị giữ lại trên trục lâu hơn rồi rơi chỗ khác. Hai dòng sản phẩm tách nhau.
5. Tinh chế: lặp lại các bước để mỗi sản phẩm đạt độ sạch thương mại.

Cả quá trình gần như không dùng hoá chất. Cái tốn nhiều là nước, điện và diện tích — và tác động lớn nhất là lên cồn cát, rừng ven biển.

Ilmenit được luyện thành xỉ titan và bột TiO₂ như thế nào?

Ilmenit chứa cả sắt lẫn titan. Để nâng hàm lượng titan, người ta nấu ilmenit với than trong lò hồ quang điện ở nhiệt độ rất cao (khoảng 1.600–1.700 °C). Sắt bị khử thành gang lỏng, chìm xuống; titan ôxít ở lại trong lớp xỉ titan nổi phía trên. Từ một sản phẩm "cát", nhà máy thu được hai thứ: xỉ titan giàu TiO₂ và gang — một ví dụ hay của việc tách kim loại theo khả năng bị khử khác nhau.

Từ xỉ titan hoặc rutil, các nhà máy hoá chất làm ra bột màu trắng TiO₂ bằng phương pháp sunfat hoặc clo hoá. TiO₂ là chất tạo màu trắng phổ biến nhất thế giới: sơn tường, nhựa trắng, giấy, kem chống nắng dạng vật lý. Còn titan kim loại thì phải qua quy trình Kroll phức tạp, đắt — chuyện của một bài khác.

Vì sao khai thác titan phải giữ rừng phi lao chắn cát?

Ven biển miền Trung có những dải rừng phi lao trồng từ hàng chục năm trước, chắn gió cát cho làng và ruộng. Khai thác sa khoáng thường đào xới chính những cồn cát có rừng ấy. Nếu không làm cẩn thận:

• Cát bay, cát chảy lấn vào làng, ruộng, giếng nước khi rừng chắn mất đi.
• Mạch nước ngầm trong cồn cát — nguồn nước ngọt quý của làng ven biển — bị xáo trộn, nhiễm mặn.
• Xói lở bờ biển tăng khi cồn cát tự nhiên bị san phẳng.
• Bãi thải monazit nếu để lẫn, không kiểm soát, có thể làm tăng phông phóng xạ cục bộ.

Quy định chung là doanh nghiệp phải hoàn thổ: trả cát về, san lại địa hình, trồng lại rừng phi lao sau khai thác, quản lý monazit riêng. Nhiều địa phương miền Trung đã nhiều lần kiểm tra, đình chỉ các điểm khai thác titan làm mất rừng phòng hộ. Người dân ven biển hay nói: mất rừng phi lao thì mất làng — câu nói ấy tóm gọn cái giá thật của "cát đen".

Cát đen có phải lúc nào cũng là titan?

Không. Cát đen ở bãi biển có thể là ilmenit, magnetit, hoặc cát núi lửa (ở các vùng bazan). Một cách nhận biết vui khi đi biển: đưa nam châm lại gần vệt cát đen. Nếu hạt bị hút mạnh, nhiều khả năng là magnetit; ilmenit chỉ bị hút yếu với nam châm mạnh. Đây chỉ là quan sát cho vui — xác định chính xác cần phòng thí nghiệm. Và nhớ: khoáng sản thuộc sở hữu nhà nước, không tự ý đào, gom cát đen về bán.

Có thể tìm hiểu thêm ở đâu?

Bảo tàng Địa chất (Hà Nội) có mẫu ilmenit, rutil, zircon và monazit. Các bảo tàng tỉnh ven biển miền Trung có tư liệu về rừng phi lao và đời sống làng cát. Đi qua vùng cồn cát Bình Thuận cũ, Quảng Bình cũ (nay thuộc Quảng Trị) có thể thấy những vệt cát màu sẫm do khoáng vật nặng. Muốn đọc sâu, tìm các tài liệu của ngành địa chất về "sa khoáng ven biển Việt Nam".