Đánh giá khả năng tách đồng khỏi rác thải điện thoại di động bằng phương pháp hỏa luyện kết hợp thủy luyện

Bái viết Đánh giá khả năng tách đồng khỏi rác thải điện thoại di động bằng phương pháp hỏa luyện kết hợp thủy luyện đưa ra quy trình tách đồng giảm thiểu sự thoát khí độc hại ra môi trường, mà hiệu quả thu hồi đồng hiệu quả, đó là kết hợp phương pháp hỏa luyện và phương pháp thủy luyện.

TNU Journal of Science and Technology 227(11): 61 - 67 EVALUATION OF THE ABILITY TO SEPARATE COPPER FROM MOBILE PHONE WASTE BY PYROMETALLURGICAL PROCESS COMBINED WITH HYDROMETALLURGICAL PROCESS * Nguyen Thi Hong Hoa1 , Nguyen Thi Hue2, Bui Minh Quy1, Nguyen Thi Ngoc Linh1 TNU - University of Sciences, 2Vocational Education – Continuing Education Center Tien Du, Bac Ninh ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 14/4/2022 The recovery of metals in mobile phone waste is a matter of concern due to environmental issues and the increasingly depleted metal resources There are Revised: 14/7/2022 many methods to separate metal from mobile phone waste such as: Published: 14/7/2022 pyrometallurgical method, hydrometallurgical method, electrometallurgical method Promoting the advantages of pyrometallurgical method and hydrometallurgical method, the article presents a copper separation process KEYWORDS that minimizes the release of harmful gases to the environment, but Mobile phone waste effectively recovers copper, which is a combination of pyrometallurgical method and hydrometallurgical method Pyrometallurgical stage: mobile Pyrometallurgical process phone waste is chopped and calcined at 750 oC in a closed furnace that can Hydrometallurgical process recover the released gas in hours Hydrometallurgical stage: the solid is Copper dissolved in a solution of sulfuric acid (H2SO4) in the presence of hydrogen Separation process peroxide (H2O2) The factors affecting the copper separation process were studied such as H2SO4 concentration, H2O2 concentration, solid/liquid ratio and temperature showing that H2SO4 4M, H2O2 15%, solid-liquid ratio 0.025 and the temperature 40 oC, the copper (II) sulfate (CuSO4) solution obtained has a high concentration with separation efficiency of 71.64% after hour ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TÁCH ĐỒNG KHỎI RÁC THẢI ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP HỎA LUYỆN KẾT HỢP THỦY LUYỆN Nguyễn Thị Hồng Hoa1*, Nguyễn Thị Huệ2, Bùi Minh Quý1, Nguyễn Thị Ngọc Linh1 Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên, Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp – Giáo dục thường xuyên Tiên Du, Bắc Ninh THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Ngày nhận bài: 14/4/2022 Việc thu hồi kim loại rác thải điện thoại di động vấn đề Ngày hoàn thiện: 14/7/2022 kim loại ngày cạn kiệt Có nhiều phương pháp để tách kim loại 14/7/2022 khỏi rác thải điện thoại di động như: phương pháp hỏa luyện, phương Ngày đăng: TỪ KHÓA Rác thải điện thoại di động Quá trình hỏa luyện Quá trình thủy luyện Đồng Quá trình tách quan tâm liên quan đến vấn đề môi trường nguồn tài nguyên pháp thủy luyện, phương pháp điện luyện Phát huy ưu điểm phương pháp hỏa luyện thủy luyện, báo đưa quy trình tách đồng giảm thiểu khí độc hại mơi trường, mà hiệu thu hồi đồng hiệu quả, kết hợp phương pháp hỏa luyện phương pháp thủy luyện Giai đoạn hỏa luyện: phế liệu điện tử cắt nhỏ nung 750 o C lị kín thu hồi khí Giai đoạn thủy luyện: chất rắn hòa tan dung dịch axit sunfuric (H2SO4) có mặt hidro peroxit (H2O2) Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình hịa tách đồng nghiên cứu nồng độ H2SO4, nồng độ H2O2, tỷ lệ rắn/ lỏng nhiệt độ cho thấy nồng độ H2SO4 4M, H2O2 15%, tỷ lệ rắn - lỏng 0,025 nhiệt độ 40 oC dung dịch đồng (II) sunfat (CuSO4) thu có nồng độ cao với hiệu suất tách đạt 71,64% sau DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5851 * Corresponding author Email: hoanth@tnus.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 61 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 61 - 67 Giới thiệu Trong năm gần đây, bùng nổ công nghệ làm cho sống người trở nên tiện lợi Trong đó, thiết bị điện thoại di động ngày trở nên phổ biến thiết bị thiết yếu người [1] Tuy nhiên, với phát triển nhanh hệ thiết bị điện thoại lượng rác thải điện tử phát thải môi trường ngày lớn Trong rác thải điện thoại có nhiều thành phần khác kim loại quý, kim loại nặng, chất dẻo Theo ước tính bảng mạch điện thoại di động chứa khoảng 130 kg Cu, 3,5 kg Ag, 340 g Au 140 g Pd số kim loại khác [2] Đây nguồn nguyên liệu quan trọng cung cấp cho ngành luyện kim rác thải tái chế cách Hơn nữa, việc tái chế rác thải điện tử giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ kim loại nặng [3] Để thu hồi kim loại từ rác thải điện tử có nhiều phương pháp khác như: phương pháp vật lý (tách trọng lực, tách từ), phương pháp hóa học (phân hủy nhiệt, hịa tan axit, chiết ) phương pháp sinh học [4] – [10] Trong đó, phương pháp hóa học ứng dụng rộng rãi hiệu suất cao, khả thu hồi đa dạng, thời gian thu hồi nhanh Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm tiêu tốn hóa chất, phát sinh chất thải thứ cấp gây nhiễm mơi trường Do việc nghiên cứu điều kiện phù hợp cho trình thu hồi cần thiết nhằm giảm thiểu nhược điểm phương pháp Để thu hồi Cu phương pháp phổ biến thủy luyện dựa q trình hịa tách rác thải điện tử dung dịch axit H 2SO4, HNO3, HCl kết hợp với chất oxi hóa H2O2, FeCl3, Fe2(SO4)3 [5], [11], [12] Tuy nhiên sử dụng phương pháp hịa tách lượng hóa chất tiêu tốn lớn, giảm hiệu kinh tế Đối với phương pháp hỏa luyện, việc thu hồi kim loại đơn giản chất dẻo bị đốt cháy hết Mặc dù vậy, phương pháp phát sinh lượng khí lớn nung nhiệt độ cao nên số kim loại bay Do khí thải phương pháp ảnh hưởng đến môi trường Việc kết hợp phương pháp hỏa luyện thủy luyện cách thích hợp làm tăng hiệu q trình thu hồi Trong giai đoạn hỏa luyện đóng vai trị q trình sơ cấp nhằm làm giàu kim loại trình thủy luyện hịa tách hồn tồn kim loại Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá khả kết hợp phương pháp hỏa luyện thủy luyện việc thu hồi Cu từ bảng mạch điện thoại di động Bảng mạch xử lý sơ 750 oC, sau nghiền nhỏ hịa tách dung dịch H2SO4 với có mặt H2O2 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình hịa tách nồng độ H2SO4, nồng độ H2O2, nhiệt độ tỉ lệ rắn lỏng nghiên cứu chi tiết Vật liệu phƣơng pháp nghiên cứu 2.1 Vật liệu hóa chất Trong nghiên cứu chúng tơi sử dụng bảng mạch điện thoại di động (hình 1) mua từ quán sửa chữa điện thoại Sau đó, bảng mạch cắt nhỏ với kích thước khoảng cm x cm, rửa với nước cất sấy khơ Các hóa chất sử dụng bao gồm H 2SO4 (98%, Xilong, Trung Quốc), H2O2 (30%, Xilong, Trung Quốc) 2.2 Quá trình hỏa luyện Để xử lý sơ bộ, 500 g vật liệu đưa vào lò nung 750 oC Sau nung, phần khung thép lấy khỏi hỗn hợp phần bột lại nghiền nhỏ máy nghiền bi (MM 200) thời gian 20 phút Chất rắn sau nghiền bột mịn, dùng để nghiên cứu 2.3 Quá trình thủy luyện Bảng mạch điện thoại di động sau nghiền lấy theo tỷ lệ rắn/lỏng (0,025 – 0,100) cho vào dung dịch gồm 10 mL dung dịch H2SO4 (0,5M – 4M) 10 mL dung dịch H2O2 (7,5% - 30%), khuấy nhiệt độ nghiên cứu thời gian 60 phút Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả http://jst.tnu.edu.vn 62 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 61 - 67 tách đồng nồng độ H2SO4, lượng H2O2 thêm vào, tỷ lệ rắn - lỏng nhiệt độ Như vậy, đánh giá khả tách đồng khỏi rác thải điện thoại di động thông qua việc khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến q trình hịa tách đồng gồm: nồng độ H2SO4 [12], nồng độ H2O2, tỷ lệ rắn/lỏng nhiệt độ Bảng thể giá trị nồng độ H2SO4, nồng độ H2O2, tỷ lệ rắn/ lỏng nhiệt độ thực q trình hịa tách đồng Hình Hình ảnh bảng mạch điện thoại di động làm nghiên cứu Bảng Giá trị thông số khảo sát thực nghiệm hòa tách đồng STT Nồng độ H2SO4 (M) Nồng độ H2O2 (%) 30 0,5 30 30 30 7,5 15 30 15 15 10 15 11 15 12 15 13 15 14 15 15 15 (1) số gam bột nghiền/số mL dung dịch H2SO4 H2O2 Tỷ lệ rắn/ lỏng (1) 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,010 0,025 0,050 0,100 0,025 0,025 0,025 0,025 Nhiệt độ (oC) 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 40 60 80 Tiến hành xác định độ hấp thụ nguyên tử đồng dung dịch máy hấp thụ nguyên tử Hitachi Z-2000 để xác định nồng độ đồng Hiệu suất hịa tách đồng tính theo cơng thức: (1) Trong đó, H hiệu suất hịa tách đồng (%); mCu bị tách khối lượng đồng tách khỏi bột nghiền (g); mCu ban đầu khối lượng đồng ban đầu bột nghiền (g) 2.4 Đặc trưng mẫu Thành phần vật liệu sau nghiền xác định phương pháp phổ EDX thiết bị đo phổ tán xạ lượng tia X (phổ EDX) EMSA/MAS Spectral Data File (Nhật Bản) – Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam http://jst.tnu.edu.vn 63 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 61 - 67 Xác định độ hấp thụ nguyên tử đồng dung dịch máy hấp thụ ngun tử Hitachi Z2000 Phịng thí nghiệm Khoa Hóa học - trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên Kết bàn luận 3.1 Q trình hỏa luyện Kết phân tích hàm lượng nguyên tố có bảng mạch điện thoại di động sau hỏa luyện xác định phương pháp phổ tán xạ lượng tia X (EDX) thể hình bảng Từ hình bảng cho thấy, mẫu bảng mạch điện thoại di động sử dụng cho thí nghiệm sau nung, thành phần kim loại gồm đồng, nhơm, magiê, thiếc… Trong đó, thành phần chủ yếu đồng chiếm 49,83% khối lượng chiếm 21,10% số nguyên tử; kim loại khác thấp (dưới 2,77% khối lượng 2,75% số nguyên tử) Hình Phổ EDX mẫu sau bảng mạch điện thoại di động sau hỏa luyện Bảng Hàm lượng nguyên tố bảng mạch điện thoại di động sau hỏa luyện Nguyên tố C O Mg Al Si P Ca Ni Cu Sn Trung bình % Khối lƣợng % Nguyên tử 5,69 12,75 35,00 58,81 0,62 0,70 2,76 2,74 2,96 2,83 0,21 0,18 0,22 0,14 0,64 0,29 49,83 21,10 2,06 0,47 3.2 Quá trình thủy luyện Do hàm lượng kim loại khác nên sử dụng hệ thống tách H2SO4 phù hợp với mẫu bảng mạch điện thoại di động sử dụng nghiên cứu để thu CuSO4 Chất oxy hóa H2O2 kiểm sốt dễ dàng q trình tách hiệu so với chất oxy hóa khác [12] Do đó, báo sử dụng H2SO4 H2O2 để tách đồng bảng mạch điện thoại di động Trong trình tách đồng H2SO4 H2O2, phản ứng xảy trình tách tan đồng biểu thị phương trình hóa học sau: 2H2O2 → 2H2O + O2 (2) 2Cu + O2 → 2CuO (3) CuO + H2SO4 → CuSO4 + 2H2O (4) http://jst.tnu.edu.vn 64 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 61 - 67 Phương trình hóa học tổng cộng: Cu + H2O2 + H2SO4 → CuSO4 + 2H2O (5) Theo phân tích EDX, thành phần phần trăm khối lượng đồng mẫu bột nghiền 49,83% Do đó, 0,500 gam mẫu bột nghiền chứa khoảng 0,2492 gam đồng kim loại Về mặt lý thuyết, theo phương trình (2), (3), (4), (5), đồng cần 0,3894 gam H2SO4 đặc 0,4413 gam H2O2 (30% khối lượng) để hòa tan hoàn toàn thành dung dịch 3.2.1 Ảnh hưởng nồng độ H2SO4 Để nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ H2SO4, bốn thí nghiệm tiến hành nồng độ H2SO4 khác nhau: 0,5; 1,0; 2,0 4,0M điều kiện khác giống (H2O2 15%, tỷ lệ rắn/lỏng 0,025, nhiệt độ 25 oC) Đó thí nghiệm có số thứ tự 1, 2, 3, (Bảng 1) Hình cho biết ảnh hưởng nồng độ H2SO4 đến khả tách đồng Hình Đồ thị ảnh hưởng nồng độ H2SO4 đến khả tách đồng (H2O2 15%, tỷ lệ rắn/lỏng 0,025, nhiệt độ 25 oC) Hình cho thấy, nồng độ H2SO4 tăng hiệu suất tách đồng tăng Cụ thể nồng độ H2SO4 0,5M, 1M, 2M 4M hiệu suất tách đồng 7,63%; 14,25%; 16,66% 25,49% Kết giải thích bởi: nồng độ H2SO4 tăng khả tương tác H2SO4 chất tham gia phản ứng tăng Mặt khác, trình tách đồng H2SO4 H2O2, oxy tạo từ phân hủy H2O2 phản ứng với đồng kim loại để tạo thành CuO, sau CuO phản ứng với axit sunfuric để tạo thành CuSO4 theo phương trình hóa học (2), (3), (4), (5) Trong đó, độ hịa tan oxy dung dịch H2SO4 giảm nồng độ H2SO4 giảm [13] Do vậy, để trình xảy nhanh hơn, cần tăng nồng độ H2SO4 Từ kết trên, nồng độ H2SO4 4,0 M lựa chọn để nghiên cứu yếu tố 3.2.2 Ảnh hưởng nồng độ H2O2 Để nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ H2O2, ba thí nghiệm tiến hành nồng độ H2O2 khác nhau: 7,5; 15 30% điều kiện khác giống (H2SO4 4,0M, tỷ lệ rắn/lỏng 0,025, nhiệt độ 25 oC) Đó thí nghiệm có số thứ tự 5, 6, (Bảng 1) Hình cho biết ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến khả tách đồng H2O2 H2SO4 chất tham gia vào q trình hịa tách đồng Phản ứng hịa tách đồng xảy theo phương trình (2), (3), (4), (5) H2O2 phân hủy sinh oxy, oxy phản ứng với đồng tạo thành CuO, chất tiếp tục phản ứng với H2SO4 để tạo thành CuSO4 [12] Từ hình cho thấy, nồng độ H2O2 tăng từ 7,5% đến 15% khả tách đồng tăng từ 21,87% đến 25,49%, nồng độ H2O2 tăng từ 15% đến 30% khả tách đồng lại giảm từ 25,49% xuống cịn 12,44% Do đó, nồng độ H2O2 15% dùng để nghiên cứu yếu tố khác http://jst.tnu.edu.vn 65 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 61 - 67 Hình Đồ thị ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến khả tách đồng (H2SO4 4,0M, tỷ lệ rắn/lỏng 0,025, nhiệt độ 25 oC) 3.2.3 Ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng Để nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng, bốn thí nghiệm tiến hành tỷ lệ khác nhau: 0,01; 0,025; 0,05 0,1 điều kiện khác giống (H2SO4 4,0M, H2O2 15%, nhiệt độ 25 oC) Đó thí nghiệm có số thứ tự 8, 9, 10, 11 (Bảng 1) Hình cho biết ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng đến khả tách đồng Hình Đồ thị ảnh hưởng tỷ lệ rắn/lỏng đến khả tách đồng (H2SO4 4,0M, H2O2 15%, nhiệt độ 25 oC) Hình cho thấy, tỷ lệ rắn/lỏng tăng từ 0,01 đến 0,025 khả tách đồng tăng từ 19,06% đến 25,49%, lượng rắn/lỏng tăng từ 0,025 đến 0,1 khả tách đồng lại giảm từ 25,49% xuống 21,57% Do đó, tỷ lệ rắn/lỏng 0,025 dùng để nghiên cứu yếu tố khác 3.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ Để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến khả tách đồng, thí nghiệm thực nhiệt độ khác nhau: 25 oC, 40 oC, 60 oC 80 oC điều kiện khác giống (H2SO4 4,0M, H2O2 15%, tỷ lệ rắn/lỏng 0,025) Đó thí nghiệm có số thứ tự 12, 13, 14, 15 (Bảng 1) Hình cho biết ảnh hưởng nhiệt độ đến khả tách đồng Từ hình 6, nhận thấy nhiệt độ tăng khả tách đồng tăng, tốc độ tách đồng từ 25 oC đến 40 oC tăng nhanh (từ 25,48% đến 71,64%) tăng nhanh khoảng nhiệt độ từ 40 oC đến 80 oC (từ 71,74% đến 81,68%) Khi nhiệt độ tăng tốc độ phản ứng phản ứng (2), (3), (4), (5) tăng, dẫn đến tốc độ trình tách đồng tăng [12] Tuy nhiên, khoảng nhiệt độ từ 25 oC đến 40 oC hiệu suất hòa tách đồng tăng nhanh Do vậy, cần thực phản ứng 40oC để tốc độ tách đồng cao, tốn lượng hạn chế phân hủy H2O2 http://jst.tnu.edu.vn 66 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 61 - 67 Hình Đồ thị ảnh hưởng nhiệt độ đến khả tách đồng (H2SO4 4,0M, H2O2 15%, tỷ lệ rắn/lỏng 0,025) Kết luận Đã đánh giá q trình hịa tách kim loại đồng từ bảng mạch điện thoại di động phương hỏa luyện kết hợp thủy luyện cho thấy: bảng mạch điện thoại di động sau xử lý sơ 750 oC trong lị kín Q trình tách đồng đạt hiệu cao nồng độ H2SO4 4M, H2O2 15%, tỷ lệ rắn - lỏng 0,025 nhiệt độ 40 oC với hiệu suất tách đồng đạt 71,64% sau Lời cám ơn Nghiên cứu tài trợ đề tài Khoa học công nghệ cấp Đại học với mã số: ĐH2020-TN06-05 TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] E Kim, M Kim, J Lee, and B D Pandey, “Selective recovery of gold from waste mobile phone PCBs by hydrometallurgical process,” J Hazard Mater, vol 198, pp 206-215, 2011 [2] J Cui and L Zhang, “Metallurgical Recovery of Metals from Electronic Waste: A Review," Journal of Hazardous Materials, vol 158, pp 228–256, 2008 [3] I Dalrymple, N Wright, R Kellner, N Bains, K Geraghty, M Goosey, and L Lightfoot “An integrated approach to electronic waste (WEEE) recycling,” Circuit world, vol 33, pp 52-58, 2007 [4] Y Ding, S Zhang, B Liu, H Zheng, C Chang, and C Ekberg, "Recovery of precious metals from electronic waste and spent catalysts: A review," Resources, Conservation & Recycling, vol 141, pp 284–298, 2019 [5] A Mecucci and K Scott, “Leaching and electrochemical recovery of copper, lead and tin from scrap printed circuit boards,” J Chem Technol Biotechnol Int Res Process Environ Clean Technol., vol 77, no 4, pp 449–457, 2002 [6] E Y L Sum, “The recovery of metals from electronic scrap,” JOM, vol 43, no 4, pp 53–61, 1991 [7] S A Shuey and P Taylor, “Review of pyrometallurgical treatment of electronic scrap,” Min Eng., vol 57, no 4, pp 67–70, 2005 [8] L E Macaskie, N J Creamer, A M M Essa, and N L Brown, “A new approach for the recovery of precious metals from solution and from leachates derived from electronic scrap,” Biotechnol Bioeng., vol 96, no 4, pp 631–639, 2007 [9] T Ogata and Y Nakano, “Mechanisms of gold recovery from aqueous solutions using a novel tannin gel adsorbent synthesized from natural condensed tannin,” Water Res., vol 39, no 18, pp 4281–4286, 2005 [10] H Li, J Eksteen and E Oraby, “Hydrometallurgical recovery of metals from waste printed circuit boards (WPCBs): Current status and perspectives–A review,” Resour Conserv Recycl., vol 139, pp 122–139, 2018 [11] I Birloaga, V Coman, B Kopacek, and F Vegliò, “An advanced study on the hydrometallurgical processing of waste computer printed circuit boards to extract their valuable content of metals, ” Waste Management, vol 34, pp 2581–2586, 2014 [12] H Yang, J Liu, and J Yang, “Leaching copper from shredded particles of waste printed circuit boards,” J Hazard Mater., vol 187, pp 393–400, 2011 [13] K E Gubbins and R D Walker Jr, “The solubility and diffusivity of oxygen in electrolytic solutions,” J Electrochem Soc., vol 112, 1965, doi: 10.1149/1.2423575 http://jst.tnu.edu.vn 67 Email: jst@tnu.edu.vn ... nhiệt độ đến khả tách đồng (H2SO4 4,0M, H2O2 15%, tỷ lệ rắn/lỏng 0,025) Kết luận Đã đánh giá q trình hịa tách kim loại đồng từ bảng mạch điện thoại di động phương hỏa luyện kết hợp thủy luyện cho... kim loại trình thủy luyện hịa tách hồn tồn kim loại Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá khả kết hợp phương pháp hỏa luyện thủy luyện việc thu hồi Cu từ bảng mạch điện thoại di động Bảng mạch... giá khả tách đồng khỏi rác thải điện thoại di động thông qua việc khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến q trình hịa tách đồng gồm: nồng độ H2SO4 [12], nồng độ H2O2, tỷ lệ rắn/lỏng nhiệt độ Bảng thể giá