A. TALC

1.1. Khoáng chất tan (talc) và các đặc điểm cơ bản

Tan ( talc )là một khoáng vật silicat lớp của magie hydrat, có công thức là Mg3Si4O10(OH)2. Cấu trúc của tan bao gồm lớp bát diện magie liên kết kẹp giữa hai lớp tứ diện silic (Hình 1.1). Các lớp đơn vị cấu trúc này liên kết với nhau bằng lực liên kết yếu Van Der Waals, do vậy mà chúng rất dễ tách ra khỏi nhau (Ciullo, 1996). Tinh thể tan (talc ) kết tinh trong hệ ba nghiêng hoặc đơn nghiêng có hình thái dạng tấm, dạng hạt, dạng sợi (Mineral Data Publishing, 2001) 

Tan ( talc ) rất đặc trưng bởi độ mềm của nó. Trên thang độ cứng Mohs tan có độ cứng là 1, thấp nhất so với các khoáng chất khác trong tự nhiên và có thể vạch móng tay lên được. Ngoài ra, tan rất mịn, nó cho cảm giác trơn bóng như xà phòng (do đó “đá xà phòng” được dùng để gọi một loại đá biến chất có thành phần chính là tan). Tan có tính chất cách điện, cách nhiệt, nhiệt độ nóng chảy cao, độ giãn nhiệt thấp, bền hóa học, hấp thụ dầu, kị nước, ưu hợp chất hữu cơ và diện tích bề mặt lớn (Agnello, 2005; Tomaino, 2005). Với công thức hóa học như trên, thành phần hóa học lý thuyết của tan là MgO chiếm 31,7%, SiO2 chiếm 63,5%, và H2O chiếm 4,8%. Tuy nhiên, thành phần hóa học và khoáng vật của đá tan thường rất đa dạng, phụ thuộc vào tổ hợp đá mẹ và lịch sử địa chất của vùng. Các khoáng vật đi cùng với tan thường là chlorit, tremolit và các carbonat như magnesit, calcit và dolomit. Thay thế đồng hình trong cấu trúc chính khoáng vật tan thường là sắt (Fe) thay thế cho magie (Mg) và flo (F) thay thế cho nhóm hydroxyl (OH). Sự đa dạng về thành phần do khoáng vật đi kèm và thay thế đồng hình sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và kéo theo hạn chế hoặc lợi thế trong ứng dụng tan (Tomaino, 2005).

Tan có tỉ trọng thực tế khoảng 2,58 - 2,83 g/cm3  (giá trị tỉ trọng theo tính toán là 2,78 g/cm3). Tan có ánh mờ; màu xanh lá cây nhạt đến đậm, trắng, trắng phớt xám, trắng phớt vàng, trắng phớt nâu và nâu (Hình 1.3), tan có thể không màu trong lát mỏng thạch học (Mineral Data Publishing, 2001; Mindat.org).

Kích thước của các hạt tan riêng rẽ (gồm rất nhiều các lớp đơn vị cấu trúc cơ sở) có thể thay đổi từ 1μm đến trên 100μm phụ thuộc vào quá trình hình thành. Tùy từng mỏ, tan có thể có dạng tấm với các hạt riêng rẽ lớn, trong khi có những mỏ, tan tồn tại ở hạt riêng rẽ, kích thước rất nhỏ.

Tan tinh khiết có thể bền nhiệt tới 930 oC, mất nước cấu trúc trong khoảng

930 - 970 oC tạo thành enstatit (MgSiO3). Thông thường các sản phẩm tan thương mại giảm khối lượng ở dưới 930 oC do có chứa carbonat - phá hủy ở 600 oC và chlorit - mất nước ở 800 oC. Tan nóng chảy ở nhiệt độ 1.500 oC (Mc Carthy, 2000).

1.2. Đặc điểm nguồn gốc khoáng chất tan

Tan là khoáng vật có nguồn gốc biến chất bao gồm cả biến chất tiếp xúc và biến chất khu vực, nguồn gốc biến đổi nhiệt dịch các đá phun trào mafic và siêu mafic chứa magie. Khoáng vật này thường có mặt trong đá biến chất như một khoáng vật thứ sinh (Nguyễn Văn Nhân, 2004; Mondo Minerals; Wikipedia).

Các phản ứng hình thành tan được công bố trong tài liệu của Deer et al. (2009).

Tan có thể được hình thành do biến đổi các khoáng vật giàu magie như serpentin, pyroxen, amphibol, olivin, với sự có mặt của carbonic và nước:

Serpentin + Carbon-dioxit → Tan + Magnesit + Nước

2Mg3Si2O5(OH)4 + 3CO2   = Mg3Si4O10(OH)2 + 3MgCO3 + 3H2O Tan cũng có thể được hình thành thông qua phản ứng giữa dolomit và oxit

silic - đây là một quá trình skarn hóa điển hình:

Dolomit + Thạch anh + Nước → Tan + Calcit + Carbon-dioxit

3CaMg(CO3)2  + 4SiO2 + H2O = Mg3Si4O10(OH)2 + 3CaCO3 +3CO2

Hoặc tan cũng có thể được hình thành do chlorit phản ứng với thạch anh trong các đá phiến lục, đá biến chất tướng eclogit:

Chlorit + Thạch anh + Oxy → Tan + Kyanit + Hematit + Nước 200(Mg3.97,Al2.5,Fe0.5)(Si2.9)O10(OH)8 + 711SiO2 + 14O2 → 274Mg2.9Al0.19Si3.9O10(OH)2 + 223Al2SiO5 + 50Fe2O3 + 526H2O

Ở phản ứng sau cùng này, tỉ lệ tan và kyanit cũng phụ thuộc vào hàm lượng nhôm trong các đá đá phản ứng giàu nhôm. Quá trình này xảy ra trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp thường có thể tạo ra phengit, granat, glaucophan trong tướng phiến lục. Đá tan hình thành trong điều kiện này đa số có màu trắng, dễ vỡ vụn và dạng sợi. Chúng thường được gọi là đá phiến trắng.

Trong 4 loại hình mỏ tan, có hai loại mỏ tan chính chiếm tới 90% tổng trữ lượng tan toàn thế giới, đó là các mỏ nhiệt dịch trong đá siêu mafic hay đá serpentin và mỏ liên quan đến các phân vị địa tầng giàu dolomit, hai loại mỏ không phổ biến là mỏ liên quan đến đá alumo-silicat và các mỏ trầm tích magie (Nguyễn Văn Nhân, 2004; Agnello, 2005; Mondo Minerals).

1.3. Phân loại khoáng chất tan

Tan được phân loại theo thành phần khoáng vật, hình thái và yếu tố địa lý (Ciullo, 1996). Sự phân loại này giúp định hướng cho quá trình chế biến và sử dụng tan.

Tan dạng tấm: loại tan này có cấu trúc dạng tấm rõ ràng, rất mềm mịn, thường chứa tới >90% khoáng vật tan (có thể tự nhiên hoặc có thể do đã chế biến). Loại tan này có thể được sử dụng trong mỹ phẩm, dược phẩm, và chất độn tăng cường.

Tan steatit: là loại tan có độ tinh khiết cao, đặc sít, hạt rất mịn (có thể do nghiền). Loại tan này có tính chất cách điện cao và được sử dụng trong sản xuất sứ cách điện. Đây là thứ tan thương phẩm tinh khiết nhất.

Đá xà phòng: là loại tan ít tinh khiết hơn tan steatit, có thể được chạm khắc, xẻ, khoan hoặc chế biến. Do có tính chất bền hóa học, độ chịu nhiệt cao và đặc sít, tan dạng này có thể dùng để chế tạo các sản phẩm như bồn, bếp lò.

Tan  tremolit: là  loại tan  hạt mịn  nhưng  rất  cứng,  thường chứa  <50% khoáng vật tan, nhưng các tính chất lại bị quyết định bởi khoáng vật tremolit cứng và khoáng vật serpentin dạng tấm, mịn. Đá tan dạng này cũng có thể chứa một lượng nhỏ anthophyllit (khoáng vật nhóm amphibol) dạng lăng trụ, và chút ít các carbonat và thạch anh. Nó thiếu các đặc tính dạng tấm, mềm, kị nước của tan và thường không được kể đến trong các ứng dụng truyền thống của tan. Tuy nhiên, lợi dụng các tính chất không điển hình này mà tan dạng này được ứng dụng trong sản xuất sứ gốm và sơn.

Ngoài ra, phân loại tan còn được gọi tên theo địa danh, chẳng hạn tan New York, Vermon, Montana, Texas, Canada, Italia, Trung Quốc… với các đặc trưng khác nhau. Chẳng hạn, tan Vermon thường chứa 20-30% magie, chủ yếu để làm chất độn,  ngoài ra còn  chế biến và dùng  trong  mỹ phẩm, dược phẩm;  tan Montana nổi tiếng với độ tinh khiết và độ trắng cao; trong khi đó tan Texas có màu xám hoặc đen do chứa vật chất hữu cơ; tan New York thì là loại tan tremolit. Tan Italia nổi tiếng là loại tinh khiết nhất trên thế giới.

Tan còn được phân loại theo chuẩn chất lượng ISO 3262 (Wikipedia) như

trong Bảng1.1.

Bảng 1.1. Tiêu chuẩn chất lượng tan theo ISO 3262

1.4.  Các ứng dụng của khoáng chất tan

Với các tính chất về quang học (độ trắng), nhiệt (chịu nhiệt, ổn định nhiệt), hóa học (độ tinh khiết, độ mất khi nung, độ trơ, ái lực với các chất hữu cơ), vật lý (kích thước hạt, độ mịn, kết cấu dạng tấm, tỉ trọng)… tan được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như gốm sứ, sơn, giấy, vật liệu lợp, chất dẻo, mỹ phẩm và dược phẩm (Ciullo, 1996; Bandford, 1998; Agnello, 2005). Tỉ lệ ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau cũng đa dạng ở các quốc gia khác nhau và thay đổi tùy theo từng năm, Hình 1.5 giới thiệu cơ cấu sử dụng khoáng chất tan trong nền công nghiệp Mỹ năm 2005.