Tuyển kim cương là quá trình tách vài gam kim cương ra khỏi hàng nghìn tấn đá: quặng kimberlit được nghiền vừa đủ, rửa, sàng theo cỡ hạt, cô đặc bằng môi trường nặng có tỷ trọng cao hơn đá thường, rồi thu kim cương bằng máy phát hiện phát quang dưới tia X, tia X truyền qua hoặc bàn bôi mỡ. Toàn bộ dây chuyền được thiết kế quanh hai nỗi lo: không làm vỡ những viên lớn và không để lọt viên nào. Đây là phần ít ai thấy của một mỏ kim cương, nhưng là nơi quyết định viên đá có được nhìn thấy hay không.
Bài toán: tìm 0,2 gam trong một tấn đá
Nhiều mỏ kimberlit đang khai thác có hàm lượng quanh mức một carat trên mỗi tấn quặng, nhiều mỏ thấp hơn. Một carat bằng 0,2 gam, một tấn bằng một triệu gam. Nghĩa là kim cương chỉ chiếm khoảng 0,2 phần triệu khối lượng đá, và có thể nằm ở bất cứ đâu trong khối đá ấy. Mỏ nghèo hơn có khi chỉ vài chục carat trên một trăm tấn.
So với quặng kim loại, cách tách cũng khác căn bản. Với quặng đồng hay thiếc, người ta nghiền mịn rồi hoà tan hoặc tuyển nổi, kim loại bị phá thành bột không sao. Với kim cương, mỗi viên phải được thu về nguyên vẹn: một viên lớn bị nghiền vỡ có thể mất phần lớn giá trị khoa học lẫn thương mại. Vì vậy nguyên tắc vàng của tuyển kim cương là nghiền càng ít càng tốt.
Dây chuyền tuyển nhìn tổng quát
- Nghiền sơ bộ: máy nghiền hàm hoặc nghiền nón phá đá từ mỏ thành cục vài chục centimet trở xuống. Khe nghiền được đặt rộng để không ép vỡ viên lớn.
- Rửa và chà: kimberlit phong hoá có nhiều sét; trống quay chà rửa để sét không bọc lấy kim cương.
- Sàng phân cỡ: chia vật liệu thành các dải cỡ hạt, thường loại bỏ phần quá mịn dưới khoảng một milimet vì quá nhỏ và tốn chi phí tuyển. Phần quá to được đưa về nghiền tiếp.
- Tuyển môi trường nặng: tách nhóm khoáng vật nặng ra khỏi đá thường.
- Thu hồi cuối: máy tia X, bàn mỡ, cùng các phương pháp bổ sung, tách riêng kim cương khỏi khoáng vật nặng khác.
- Phân loại bằng tay: kiểm tra, làm sạch và phân loại trong khu vực an ninh nghiêm ngặt.
Thứ tự có thể khác nhau ở từng mỏ, nhưng logic chung là giảm dần khối lượng: từ hàng nghìn tấn đá mỗi giờ xuống vài kilogram tinh quặng mỗi ngày trước khi đến tay người.
Tuyển môi trường nặng: để kim cương chìm
Kim cương có tỷ trọng khoảng 3,52, tức nặng gấp 3,52 lần nước cùng thể tích. Phần lớn đá kimberlit và đá vây quanh chỉ nặng khoảng 2,6–2,9. Nếu nhúng hỗn hợp vào một chất lỏng có tỷ trọng ở giữa, khoảng trên dưới 3, đá thường sẽ nổi, kim cương và khoáng vật nặng sẽ chìm.
Chất lỏng ấy trong công nghiệp là huyền phù bột ferrosilic (hợp kim sắt – silic) trộn nước, điều chỉnh được tỷ trọng bằng tỷ lệ bột. Để tăng hiệu quả với hạt nhỏ, người ta bơm hỗn hợp vào xyclon, nơi dòng xoáy tạo lực ly tâm mạnh hơn trọng lực nhiều lần. Bột ferrosilic có từ tính, nên được thu hồi bằng nam châm và dùng lại.
Phần chìm, gọi là tinh quặng, chỉ chiếm một phần rất nhỏ khối lượng ban đầu, gồm kim cương cùng garnet, ilmenit, cromit, pyroxen và các khoáng vật nặng khác. Đây chính là những khoáng vật chỉ thị mà nhà địa chất dùng khi thăm dò, giờ lại đi cùng kim cương trong nhà máy.
Bàn mỡ: kim cương "ghét" nước
Từ cuối thế kỷ 19, các mỏ ở Kimberley đã dùng một phát hiện đơn giản: bề mặt kim cương sạch kỵ nước, trong khi phần lớn khoáng vật khác bị nước làm ướt. Cho tinh quặng trộn nước chảy qua một mặt bàn rung phủ lớp mỡ dày, kim cương bám vào mỡ, còn các hạt khác bị nước cuốn trôi. Định kỳ, công nhân cạo mỡ, đun chảy để lấy kim cương ra.
Bàn mỡ đơn giản và hiệu quả, nhưng không bắt được kim cương có bề mặt bị phủ màng khoáng vật hay bẩn, và đòi hỏi nhiều thao tác tay, tức nhiều rủi ro an ninh. Ở nhiều mỏ hiện đại, bàn mỡ chỉ còn là khâu phụ hoặc khâu kiểm tra lại.
Tia X: hai cách "nhìn" kim cương
Phát quang dưới tia X
Phần lớn kim cương phát sáng khi bị chiếu tia X, trong khi hầu hết khoáng vật đi cùng thì không. Máy tuyển phát quang tia X cho tinh quặng rơi thành một màn mỏng qua chùm tia X; cảm biến quang phát hiện chớp sáng, và một luồng khí nén thổi đúng hạt đó sang máng riêng trong vài phần nghìn giây. Phương pháp này phát triển mạnh từ thập niên 1970–1980 và trở thành khâu thu hồi chính ở nhiều mỏ.
Điểm yếu: một phần nhỏ kim cương phát quang yếu, hoặc bị lớp vỏ che, có thể lọt qua. Các mỏ thường bổ sung kiểm tra lại phần thải hoặc dùng thêm phương pháp khác.
Tia X truyền qua: bắt viên lớn trước khi nghiền
Một hướng mới hơn là đo mức tia X xuyên qua từng cục đá, như máy soi hành lý. Kim cương gồm toàn cacbon, nguyên tố nhẹ, nên trên ảnh tia X nó "trong" hơn hẳn các khoáng vật chứa sắt, magie, silic. Máy tuyển tia X truyền qua có thể xử lý những cục to vài centimet đến hơn chục centimet, nghĩa là phát hiện viên lớn trước khi đá bị nghiền nhỏ.
Từ giữa thập niên 2010, một số mỏ lắp hệ thống này ngay sau khâu nghiền sơ bộ. Mỏ Karowe ở Botswana, theo công bố của công ty vận hành, đã thu được nhiều viên trên 1.000 carat nhờ cách bố trí này, trong đó có viên khoảng 2.492 carat công bố năm 2024. Nó gợi ra câu hỏi về những viên khổng lồ trong quá khứ có thể đã bị nghiền vỡ trước khi ai kịp thấy, và quả thật, nhiều mảnh kim cương mang mặt vỡ mới cho thấy chúng từng là một phần của viên lớn hơn.
Những phương pháp bổ sung
Một số nhà máy dùng thêm cảm biến quang phổ Raman hoặc huỳnh quang laser để nhận diện kim cương theo "dấu vân tay" phổ, nhất là với hạt nhỏ và kim cương phát quang yếu. Mỗi phương pháp bù cho điểm mù của phương pháp kia.
An ninh, an toàn và môi trường trong nhà máy tuyển
- An ninh: khâu cuối thường được tự động hoá đến mức kim cương đi từ máy tuyển vào hộp kín rồi vào hộp găng tay, công nhân thao tác qua lớp kính mà không chạm trực tiếp. Camera và kiểm soát ra vào phủ kín.
- An toàn lao động: nghiền đá sinh bụi chứa silic và tiếng ồn lớn; xyclon, băng tải, máy nghiền có nguy cơ cuốn kẹp. Thông gió, phun ẩm, chống ồn và khoá năng lượng khi sửa máy là quy định bắt buộc.
- Nước và bãi thải: nhà máy tuyển dùng nhiều nước, phần lớn được tuần hoàn. Phần đá thải mịn được bơm vào hồ chứa thải, phải được thiết kế, giám sát và đóng cửa an toàn khi mỏ hết đời.
Điểm đáng chú ý là tuyển kim cương không dùng thuỷ ngân hay xyanua như một số mỏ vàng, vì kim cương được tách bằng tính chất vật lý: tỷ trọng, tính kỵ nước, phát quang. Nhưng khối lượng đá thải khổng lồ vẫn là một gánh nặng môi trường cần quản lý.
Góc nhìn hôm nay: kim cương và nghề tuyển khoáng
Cách tuyển kim cương là một bài học hay về nghề tuyển khoáng: tận dụng mọi tính chất vật lý khác biệt giữa thứ cần tìm và thứ còn lại. Người đọc có thể mang về mấy ý:
- Tỷ trọng, tính kỵ nước, phát quang, độ trong với tia X: mỗi tính chất học trong sách khoáng vật đều có thể trở thành một cỗ máy.
- Nghề đãi đá thủ công ở Việt Nam dùng đúng nguyên lý tỷ trọng ấy bằng rổ và nước; bài về nghề đãi đá trong danh mục "Đá quý Việt Nam" kể chi tiết.
- Muốn tìm hiểu kỹ thuật, các giáo trình tuyển khoáng có chương riêng về kim cương; trang của các hãng thiết bị tuyển và các bài trên tạp chí chuyên ngành mỏ mô tả dây chuyền thực tế.
Câu hỏi thường gặp
Kim cương được tách khỏi đá như thế nào?
Quặng được nghiền vừa đủ, rửa, sàng theo cỡ hạt, rồi tuyển trong huyền phù ferrosilic để kim cương và khoáng vật nặng chìm xuống. Sau đó máy tia X hoặc bàn mỡ tách riêng kim cương, và cuối cùng được kiểm tra bằng tay trong khu vực an ninh.
Vì sao kim cương phát sáng dưới tia X?
Phần lớn kim cương chứa khuyết tật và tạp chất ở mức rất nhỏ, khi bị tia X kích thích sẽ phát ra ánh sáng nhìn thấy. Hầu hết khoáng vật đi cùng trong quặng không phát sáng như vậy, nên máy tuyển dựa vào đó để thổi riêng hạt kim cương ra.
Bàn mỡ tuyển kim cương hoạt động ra sao?
Bề mặt kim cương sạch kỵ nước nên bám vào lớp mỡ phủ trên mặt bàn rung, trong khi khoáng vật khác bị nước cuốn trôi. Công nhân định kỳ cạo mỡ, đun chảy để lấy kim cương; phương pháp này được dùng từ cuối thế kỷ 19.
Một tấn quặng có bao nhiêu kim cương?
Nhiều mỏ kimberlit có hàm lượng quanh mức một carat, tức 0,2 gam, trên mỗi tấn quặng; mỏ nghèo hơn chỉ vài chục carat trên một trăm tấn. Kim cương chỉ chiếm khoảng vài phần mười phần triệu khối lượng đá.
Tuyển kim cương có dùng hoá chất độc không?
Tuyển kim cương chủ yếu dựa vào tính chất vật lý như tỷ trọng, tính kỵ nước, phát quang, không dùng thuỷ ngân hay xyanua như một số mỏ vàng. Tuy vậy, bụi silic, tiếng ồn và bãi thải đá mịn vẫn là các vấn đề an toàn và môi trường cần quản lý.
