Nghiên cứu công nghệ thu hồi các nguyên tố quý hiếm Cd, in trong bã trung gian của nhà máy điện phân kẽm sông công, Thái Nguyên

Đề tài nghiên cứu khoa học : Nghiên cứu công nghệ thu hồi các nguyên tố quý hiếm: Cd, In trong bã trung gian của nhà máy điện phân Kẽm sông công - Thái Nguyên

“Nghiªn cøu c«ng nghÖ thu håi c¸c nguyªn tè quý hiÕm: Cd, In

trong b¶ trung gian cña nhµ m¸y ®iÖn ph©n KÏm

cơ quan phối hợp thực hiện

Công ty trách nhiệm hữu hạn nhà nước một thành viên kim loại màu Lưu Xá - Thái Nguyên

Những người tham gia đề tài Ngô Văn Quyền - Kỹ sư Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

Lê Hồng Sơn - Kỹ sư Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

Mai Thị Thanh - Kỹ thuật viên Viện khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

Mục lục

Mở đầu 6

Chương I - Tổng quan 7

1.1 Vài nét về kim loại Kẽm và khoáng vật chứa Kẽm 7

1.2 Nguồn tài nguyên quặng Kẽm trên thế giới và tại Việt Nam 8

1.2.1 Tài nguyên quặng Kẽm trên thế giới 8

1.2.2 Tài nguyên quặng Kẽm tại Việt Nam 9

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 9

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 9

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 10

1.4 Một số vấn đề lý thuyết làm cơ sở cho phương pháp nghiên cứu 11

1.4.1 Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý bã Kẽm và bã Cađimi 11

1.4.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp thiêu Oxy hoá 11

1.4.3 Cơ sở lý thuyết của phương pháp tách các kim loại và hợp chất 11

1.4.4 Vài nét về các loại bã 12

Chương II - Phương pháp nghiên cứu và chuẩn bị 13

2.1 Mục tiêu của đề tài 13

2.2 Phương pháp nghiên cứu 13

2.3 Mẫu nghiên cứu 13

2.4 Sơ đồ công nghệ định hướng thu hồi Oxit Inđi, Cađimi trong bã ở nhà máy điện phân Kẽm sông Công - Thái Nguyên 14

2.5 Hoá chất, thiết bị dụng cụ thí nghiệm 17

2.5.1 Hoá chất nguyên vật liệu 17

2.5.2 Thiết bị thí nghiệm 17

2.5.3 Vật tư 22

2.5.4 Công tác phân tích 22

Chương III - Nội dung nghiên cứu 23

3.1 Nghiên cứu các thông số tách Oxit Inđi trong bã Kẽm 23

3.1.1 Khảo sát chế độ thiêu kết bã 23

3.1.3 Nghiên cứu tách Inđi bằng Kẽm kim loại 26

3.2 Nghiên cứu thông số công nghệ tách Cađimi từ bã cađimi 28

3.2.1 Khảo sát chế độ thiêu kết 28

3.2.2 Nghiên cứu quá trình tách Chì bằng axit Sunfuric 28

3.2.3 Nghiên cứu thông số công nghệ tách Cađimi và Đồng từ bã Cađimi 30

3.2.4 Nghiên cứu thông số công nghệ tách Cađimi từ hỗn hợp Cađimi và Đồng kim loại 32

3.2.5 Nghiên cứu khả năng thu hồi Cađimi 33

3.3 Kết quả đạt được 35

3.3.1 Các thông số tối ưu công nghệ thu hồi Oxit Inđi từ bã Kẽm 35

3.3.2 Các thông số tối ưu công nghệ thu hồi Cađimi từ bã Cađimi 36

3.3.3 Lập sơ đồ công nghệ dựa trên các số liệu đã lựa chọn 36

Chương IV - Định hướng áp dụng kết quả nghiên cứu đề tài 39

4.1 Dự kiến áp dụng kết quả nghiên cứu đề tài 39

Kết luận và kiến nghị 40

I Kết luận 40

II Kiến nghị 40

Danh mục các bảng biểu, hình vẽ và hình ảnh

Bảng 1: Các khoáng vật Kẽm chủ yếu 8

Bảng 2: Trữ lượng quặng Kẽm của một số quốc gia trên thế giới 8

Bảng 3: Trữ lượng quặng Kẽm một số tỉnh, thành phố trên lãnh thổ Việt Nam 9

Bảng 4 Thành phần hoá học bã Kẽm: 13

Bảng 5 Thành phần hoá học bã Cađimi: 13

Bảng 6 Thành phần hoá học bã Sắt 14

Bảng 7 Thành phần hoá học bã Đồng 14

Bảng 8 Thành phần hoá học của bã Kẽm sau khi thiêu 23

Bảng 9 ảnh hưởng nồng đồ axit Sunfuric đến hiệu suất tách Chì 24

Bảng 10 ảnh hưởng thời gian đến quá trình hoà tách Chì 25

Bảng 11 ảnh hưởng lượng Kẽm đến hiệu suất tách Inđi 26

Bảng 12 ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất tách Inđi 27

Bảng 13 Thành phần bã Cađimi sau khi thiêu 28

Bảng 14 ảnh hưởng nồng độ axit Sunfuric đến hiệu suất tách Chì 29

Bảng 15 ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất tách Chì trong bã Cađimi 30

Bảng 16 ảnh hưởng lượng Kẽm đến hiệu suất tách Cađimi và Đồng trong bã Cađimi .31

Bảng 17 ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất tách Cađimi và Đồng trong bã Cađimi 32

Bảng 18 ảnh hưởng nồng độ axit Sunfuric đến hiệu suất tách Cađimi 33

Bảng 19 ảnh hưởng lượng Kẽm đến hiệu suất thu hồi Cađimi 34

Bảng 20 ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất thu hồi Cađimi 34

Hình 1 Sơ đồ công nghệ định hướng thu hồi Oxit Inđi từ bã Kẽm 15

Hình 2 Sơ đồ công nghệ định hướng thu hồi Cađimi kim loại từ bã Cađimi 16

Hình 3 Sơ đồ công nghệ thu hồi Oxit Inđi từ bã Kẽm 38

Hình ảnh 1: Hệ thống thiết bị tủ hốt trong phòng thí nghiệm dùng để phân huỷ mẫu và hoà tách quặng bằng axit đặc 18 Hình ảnh 2: Hệ thống làm giàu quặng và các thiết bị đo lường (Cân kỹ thuật, cân

điện và máy soi khoáng vật) 19 Hình ảnh 3: Các thiết bị hoà tách và hoá chất chuyên dùng trong phòng thí nghiệm 20 Hình ảnh 4: Hệ thống lò nung, tủ sấy làm việc ở nhiệt độ cao 20

- Lò nung Trung Quốc có bộ khống chế nhiệt độ: Tmax: 1.4000C

- Tủ sấy Ba Lan có nhiệt độ sấy tối đa: Tmax: 3500C

Hình ảnh 5: 21

- Hệ thống hoà tách 50kg quặng/ mẻ

- Hệ thống lò nung tủ sấy làm việc ở nhiệt độ trung bình

+ Lò nung dây may so Đức: Tmax: 10000C

+ Tủ sấy Pháp nhiệt độ sấy tối đa Tmax: 2000C có gắn quạt thông gió Hình ảnh 6: Toàn cảnh thiết bị thí nghiệm đề tài và thu hồi sản phẩm 21

Mở đầu

Nhà máy điện phân Kẽm sông Công Thái Nguyên được khởi công xây dựng từ tháng 12/2003 và chính thức đi vào hoạt động tháng 8/2005, công suất tối đa là 1000 tấn Kẽm kim loại mỗi năm

Bên cạnh những ưu điểm là sản xuất một lượng Kẽm kim loại phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, giảm bớt nhập khẩu, nhà máy chưa đặt ra vấn đề thu hồi các nguyên tố có ích trong các loại bã như: Cadimi, Chì, Inđi nhằm hạ giá thành sản phẩm, tận thu tài nguyên cho đất nước, đáp ứng chiến lược phát triển bền vững ngành công nghiệp Việt Nam Chính vì lẽ đó nhà máy

điện phân Kẽm sông Công - Thái Nguyên có công văn yêu cầu viện Khoa học và công nghệ Mỏ - Luyện kim tiến hành khảo sát khả năng tận thu các kim loại quý từ bã Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, Viện Khoa học và công

nghệ Mỏ - Luyện kim tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu công nghệ

thu hồi các nguyên tố quý hiếm Inđi, Cađimi trong bã trung gian của nhà máy điện phân Kẽm sông Công - Thái Nguyên” theo quyết định số

1199/QĐ-BCT ngày 03 tháng 12 năm 2007 của Bộ công thương và quyết

định số 18 VMK.C2 ký ngày 20/01/2008 của Viện trưởng Viện Khoa học và công nghệ Mỏ - Luyện kim

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và đưa ra hai quy trình công nghệ thu hồi Oxit Inđi từ bã Kẽm và Cađimi từ bã Cađimi trong quá trình thuỷ luyện và

điện phân Kẽm nhằm hoàn thiện công nghệ khép kín, đảm bảo môi trường trong sạch đưa một số sản phẩm phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân

Có được kết quả nghiên cứu ổn định trong phòng thí nghiệm tiến tới

áp dụng ở quy mô mở rộng xử lý và tận thu các nguyên tố có ích trong bã

Đề tài này được triển khai tại Trung tâm nghiên cứu và sản xuất vật liệu kim loại Viện Khoa học và công nghệ Mỏ - Luyện kim

Chương I - Tổng quan

1.1 Vài nét về kim loại Kẽm và khoáng vật chứa Kẽm

Kẽm là một trong những kim loại màu được sử dụng nhiều và rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, đứng thứ 3 sau nhôm và Đồng, phổ biến nhất là công nghệ tráng mạ Kẽm, sản xuất hợp kim Đồng thau, sản xuất sơn, công nghiệp cao su và các ngành công nghiệp khác

- Trong tự nhiên Kẽm hầu như tồn tại ở dạng hợp chất Có rất nhiều khoáng vật chữa Kẽm và được chia làm 2 nhóm chính: Nhóm khoáng vật oxit và nhóm khoáng vật sulfua

- Nhóm khoáng vật ôxyt: Đây là nhóm khoáng vật thứ sinh tạo thành

do quá trình ôxi hoá từ các khoáng vật sulfua Điển hình trong khoáng vật

ôxit có Calamin (H2Zn2SiO5), Smitsonit (ZnCO3) Ngoài ra còn có Hiđrôzinkit (ZnCO3.3Zn(OH)2), Zinkit (ZnO), Vilemit (2ZnSiO2); Franclinhit ((Zn,Mn)O.Fe2O3); Ademin (Zn2 (OH){AsO4}4)

- Nhóm khoáng vật sulfua: Khoáng vật sulfua Kẽm phổ biến nhất hiện nay và cũng là phổ biến nhất ở mỏ Chợ Điền là Sfalerit (ZnS) Sfalerit bao gồm 5 thế hệ từ màu đen đến xanh phớt vàng, ở dạng thuần khiết Sfalerit chứa 67,1% Zn Khoáng vật sulfua ít phổ biến hơn là Vuazit (ZnS) có mạng tinh thể khác với Sfalerit, Gotlarit (ZnSO4.7H2O) Các khoáng vật sulfua Kẽm thường đi kèm với các khoáng vật chứa Chì phổ biến là Galenit (PbS)

Khoáng vật chứa Kẽm trong tự nhiên thường cộng sinh với các khoáng vật Chì, Đồng, Thiếc, Cađimi, Antimon, khoáng vật phi kim là Thạch anh, Mica, Canxit, Đôlômit, Sêrixit

Các khoáng vật Kẽm chủ yếu nêu trong bảng số 1:

B¶ng 1: C¸c kho¸ng vËt KÏm chñ yÕu

Tªn kho¸ng vËt C«ng thøc Hµm l−îng

Zn %

Tû träng g/cm 3

1.2.1 Tµi nguyªn quÆng KÏm trªn thÕ giíi

Nguån nguyªn liÖu quÆng KÏm hiÖn cã ë 50 quèc gia, tËp trung chñ

yÕu ë Australia, Trung Quèc, Canada, Peru Theo sè liÖu cña Tæ chøc

Nghiªn cøu KÏm Ch× Quèc tÕ (ILZSG) vµ tæng hîp c¸c sè liÖu hiÖn cã cña

ViÖt Nam tr÷ l−îng quÆng KÏm mét sè n−íc ®−îc nªu trong b¶ng sè 2

B¶ng 2: Tr÷ l−îng quÆng KÏm cña mét sè quèc gia trªn thÕ giíi

Tr÷ l−îng khai th¸c, 10 3 tÊn

TT Quèc gia, vïng

Tæng tr÷ l−îng kim lo¹i, 10 3 tÊn

1.2.2 Tài nguyên quặng Kẽm tại Việt Nam

ở Việt Nam nguồn quặng Kẽm không nhiều và tập trung chủ yếu ở các tỉnh Miền Bắc Trữ lượng quặng Kẽm một số vùng trên lãnh thổ Việt Nam nêu trong bảng số 3

Trong quặng Kẽm Việt Nam ngoài Kẽm còn cộng sinh một số kim loại quý hiếm như: Đồng, Cađimi, Inđi, Gali, Gecmani

Bảng 3: Trữ lượng quặng Kẽm một số tỉnh, thành phố trên l∙nh thổ Việt Nam

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

ở nước ngoài đã đưa ra nhiều phương pháp xử lý thu hồi các nguyên tố: Đồng, Cađimi, Inđi, Gali, Gecmani trong bã ở đây chỉ đưa ra hai phương pháp công nghệ tận thu Cađimi và Oxit Inđi trong bã thải trung gian Kẽm phổ biến nhất

* Phương pháp thu hồi Oxit Inđi

Bã Kẽm được thiêu kết ở nhiệt độ 10000C, sau đó đem hoà tách với axit Sunfuric loại bỏ Chì, cho Kẽm vào dung dịch mới nhận được để hoàn nguyên hoàn toàn Inđi Lọc, rửa, nước lọc đem đi điện phân thu hồi Kẽm còn kết tủa sấy, nung ở 10000C thu được Oxit Inđi kỹ thuật

Phương pháp này cho hiệu suất thu hồi Oxit Inđi từ 85 - 90%, độ sạch sản phẩm 90 - 95%

* Phương pháp thu hồi Cađimi

Bã chứa Cađimi được thiêu kết ở nhiệt độ 600 - 6500C, tiếp tục hoà tách với axit Sunfuric, Chì kết tủa dạng Sunphat Cho Kẽm kim loại vào dung dịch mới nhận được để hoàn nguyên hoàn toàn Cađimi và Đồng Lọc thu hồi Cađimi và Đồng, nước lọc (1) chứa Kẽm Hoà tách hỗn hợp Đồng

và Cađimi trong axit Sunpuric loãng, Cađimi tan ra còn Đồng hầu như không tan, lọc loại bỏ Đồng Cho Kẽm vào nước lọc chứa Sunphat Cađimi

để hoàn nguyên Cađimi, lọc lấy Cađimi còn nước lọc (2) gộp với nước lọc (1) đem điện phân thu hồi Kẽm kim loại

Phương pháp này có tính chọn lọc cao, dễ làm, hiệu suất thu hồi Cađimi khoảng 90%, độ sạch sản phẩm 95%

Sau khi nhận được Oxit Inđi và Cađimi kỹ thuật có thể làm sạch sản phẩm đạt 99% bằng cách chiết với các dung môi hữu cơ thích hợp hoặc kết tinh lại nhiều lần

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Việt Nam có nguồn tài nguyên khoáng sản Chì, Kẽm khá lớn tập trung chủ yếu hai tỉnh Bắc Cạn và Cao Bằng Từ trước tới nay chỉ khai thác và chế biến quặng tinh Chì, Kẽm để xuất khẩu nhưng chưa xây dựng nhà máy điện phân Kẽm kim loại Năm 2005, Trung Quốc đã đầu tư và xây dựng cho nhà máy điện phân Kẽm công suất 1000 tấn/năm Năm 2001, khoa Hoá công nghệ Đại học Bách khoa Hà Nội có nghiên cứu thu hồi Cađimi trong bã

Đồng ở xí nghiệp tuyển Chì - Kẽm Lăng - hít nhưng hiệu suất thu hồi chỉ đạt

Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam có nghiên cứu đề tài làm sạch Đồng khỏi Cađimi bằng phương pháp hoà tách với axit Sunfuric loãng, kết quả thu được tương đối khả quan song chỉ mới ở quy mô phòng thí nghiệm

1.4 Một số vấn đề lý thuyết làm cơ sở cho phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý bã Kẽm và bã Cađimi

Các nguyên tố tồn tại trong các bã ở nhiều dạng hợp chất khác nhau, vì vậy tiến hành thiêu kết để chuyển toàn bộ kim loại có trong bã về dạng Oxit, sau đó hoà tách trong các axit tương ứng với nồng độ thích hợp để tách chúng ra khỏi nhau

1.4.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp thiêu Oxy hoá

Các nguyên tố trong bã Kẽm và bã Cađimi tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, khi thiêu kết chúng chuyển sang ôxyt dạng Me2Oy (Me ký hiệu là ion kim loại)

1.4.3 Cơ sở lý thuyết của phương pháp tách các kim loại và hợp chất

Dựa vào độ tan khác nhau muối các kim loại trong axit để tách chúng

ra khỏi nhau

Chì Sunfat dễ dàng kết tủa trong môi trường axit Sunfuric theo phản ứng

PbO + H2SO4 = PbSO4 ↓ + H2O (1) Dung dịch sau khi lọc, loại bỏ Chì cho tác dụng với Kẽm kim loại, do

ái lực hoá học của Kẽm lớn hơn Inđi, Cađimi và Đồng, nên dễ dàng hoàn nguyên (xi măng hoá) chúng theo phản ứng:

2In2(SO4)3 + 6Zn = 6ZnSO4 + 4In (2) CdSO4 + Zn = ZnSO4 + Cd (3) CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu (4) Nước lọc chủ yếu là dung dịch Kẽm Sunfat đem đi điện phân thu hồi lại Kẽm kim loại

Có thể tách Đồng ra khỏi Cađimi bằng cách hoà tan hỗ hợp kim loại (Cu + Cd) trong axit Sunpuric loãng Đồng hầu như không tan, còn Cađimi tan vào dung dịch

- Chì có hàm lượng tương đối lớn trong bã, vì vậy có thể tận thu nó

để sản xuất ắc quy, bột bôi trơn, chất kích hoạt bề mặt trong sản xuất thuỷ tinh màu

- Đồng làm dây dẫn điện, tạo mác hợp kim, sản xuất phân bón (dạng muối)

- Tận thu triệt để Kẽm kim loại bằng phương pháp điện phân dung dịch Sunfat, hạ giá thành sản phẩm, khép kín sơ đồ công nghệ, chống ô nhiễm môi trường

- Thu hồi Indi trong bã Kẽm có giá trị kinh tế cao (giá thế giới năm 2007: Inđi 99% giá 1.246USD/kg)

Chương II Phương pháp nghiên cứu và chuẩn bị

2.1 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng và đưa ra lưu trình công nghệ hợp lý thu hồi

Oxit Inđi, Cađimi trong bã Kẽm và bã Cađimi ở dây chuyền công nghệ của

nhà máy điện phân Kẽm sông Công - Thái Nguyên đạt các chỉ tiêu sau:

Sản phẩm In2O3 có độ sạch : 90 - 95%;

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Từ thông tin thu thập được tổng quát về quá trình điện phân Kẽm,

tiến hành các thí nghiệm thực nghiệm để tìm ra các thông số hợp lý, qua đó

đề xuất quy trình công nghệ thích hợp, xử lý các loại bã Kẽm, bã Cađimi

thu hồi Oxit Inđi và Cađimi

2.3 Mẫu nghiên cứu

Lấy mẫu bã tại nhà máy điện phân Kẽm sông Công - Thái Nguyên

thuộc Công ty TNHH Nhà nước một thành viên kim loại mầu Lưu Xá để

nghiên cứu (bã Sắt, bã Đồng, bã Kẽm, bã Cađimi) Số lượng mỗi loại bã là

200kg Tiến hành phân tích các mẫu bã xác định hàm lượng Inđi và Cađimi

Kết quả phân tích thành phần hoá học của mẫu nghiên cứu được nêu ra

1 Bã Cađimi 5.77 2.50 19.93 0.80 0.037 4.25

Nhận xét: Với các loại bã đã nêu ở trên thấy rằng hàm lượng Inđi

trong bã Kẽm là lớn nhất, nên tiến hành tách Indi từ bã Kẽm và Cađimi từ bã Cađimi (việc tách Đồng và Cađimi ra khỏi bã Đồng đã có báo cáo của Công ty TNHH Nhà nước một thành viên kim loại mầu Lưu Xá nên ở đây không đặt vấn đề nghiên cứu)

2.4 Sơ đồ công nghệ định hướng thu hồi Oxit Inđi, Cađimi trong b∙ ở nhà máy điện phân Kẽm sông Công - Thái Nguyên

Trong quá trình sản xuất Kẽm kim loại các nguyên tố như Cađimi,

Đồng, Chì, Inđi, Gali có thể nằm trong các loại bã khác nhau (bã Kẽm, bã Sắt, bã Đồng, bã Cađimi*) Đề tài này chỉ nghiên cứu và đưa ra 2 sơ đồ công nghệ thu hồi Cađimi từ bã Cađimi và Oxit Inđi từ bã Kẽm của nhà máy điện phân Kẽm sông Công - Thái Nguyên

- Sơ đồ công nghệ định hướng thu hồi Oxit Inđi từ bã Kẽm (hình 1)

- Sơ đồ công nghệ định hướng thu hồi Cađimi từ bã Cađimi (hình 2)

Hình 1 Sơ đồ công nghệ định hướng thu hồi Oxit Inđi từ b∙ Kẽm

Hình 2 Sơ đồ công nghệ định hướng thu hồi Cađimi kim loại từ b∙ Cađimi

2.5 Hoá chất, thiết bị dụng cụ thí nghiệm

2.5.1 Hoá chất nguyên vật liệu

Trong quá trình nghiên cứu đề tài đã sử dụng các loại hoá chất

nguyên vật liệu nh− sau:

- Lò nung thí nghiệm thanh Cacbua Silic (TQ) Tmax = 1.4000C

- Lò nung điện trở (Đức) Tmax = 10000C

- Tủ sấy thí nghiệm (Ba Lan) Tmax = 350oC

- Tủ sấy thí nghiệm Pháp Tmax = 2000C

- Hệ thống khuấy có điều chỉnh tốc độ (TQ)

- Bơm chân không loại nhỏ (Ba Lan)

- Thiết bị hoà tách cô đặc (Nga)

- Bơm chịu axit (Nga)

- Máy khuấy từ (TQ)

Hình ảnh 1 :

Hệ thống thiết bị tủ hốt trong phòng thí nghiệm dùng để phân huỷ mẫu

và hoà tách quặng bằng axit đặc

H×nh ¶nh 2:

HÖ thèng lµm giµu quÆng vµ c¸c thiÕt bÞ ®o l−êng (C©n kü thuËt, c©n ®iÖn vµ m¸y soi kho¸ng vËt)

Hình ảnh 3:

Các thiết bị hoà tách và hoá chất chuyên dùng trong phòng thí nghiệm

Hình ảnh 4:

Hệ thống lò nung, tủ sấy làm việc ở nhiệt độ cao

- Lò nung Trung Quốc có bộ khống chế nhiệt độ: Tmax: 1.400 0 C

Hình ảnh 5:

- Hệ thống hoà tách 50kg quặng/ mẻ

- Hệ thống lò nung tủ sấy làm việc ở nhiệt độ trung bình

+ Lò nung dây may so Đức: Tmax: 1000 0 C

+ Tủ sấy Pháp nhiệt độ sấy tối đa Tmax: 200 0 C có gắn quạt thông gió

Hình ảnh 6:

Toàn cảnh thiết bị thí nghiệm đề tài và thu hồi sản phẩm

2.5.3 Vật t−

- Thùng nhựa, xô nhựa các loại

- Cốc thuỷ tinh chịu nhiệt các loại

- Giấy gói mẫu

- Bảo hộ lao động

2.5.4 Công tác phân tích

Thành phần mẫu bã, mẫu nghiên cứu dung dịch, sản phẩm Oxit Indi

và Cađimi kim loại đ−ợc phân tích kiểm tra tại Trung tâm Phân tích Hoá Lý

- Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ Luyện kim và Trung tâm phân tích Viện Xạ Hiếm - Viện Năng l−ợng nguyên tử Quốc Gia

Chương III Nội dung nghiên cứu

Sau khi có kết quả phân tích Inđi và Cađimi trong các loại bã, chúng

tôi chọn hướng nghiên cứu công nghệ phù hợp là tách Inđi trong bã Kẽm và

Cađimi trong Cađimi Dưới đây sẽ đưa ra những vấn đề nghiên cứu cụ thể

3.1 Nghiên cứu các thông số tách Oxit Inđi trong b∙ Kẽm

Kết quả thí nghiệm thu được sau khi thiêu bã được nêu trong bảng 8

Bảng 8 Thành phần hoá học của b∙ Kẽm sau khi thiêu

Hàm lượng (%)

TT Ký hiệu mẫu

Cu Cd Zn Fe In Pb

Ghi chú

1 Bã Kẽm 0,045 0,02 42,5 4,5 0,084 8,60

Nhận xét: Dựa vào bảng 8 thấy rằng các tạp chất như lưu huỳnh và

các chất dễ bay hơi có trong bã dưới tác dụng của oxi không khí tạo thành

hợp chất khí bay lên nên hàm lượng của một số kim loại cũng tăng lên và

đạt đến cân bằng sau 2h thiêu kết

3.1.2 Nghiên cứu quá trình tách Chì bằng Axit Sunfuric

Bã tác dụng với Axit Sunfuric theo phản ứng sau:

Me2Oy + yH2SO4 = Me2(SO4)y + yH2O + Me: ký hiệu là ion kim loại

Dựa vào tính chất hoá học Chì dễ tạo thành hợp chất Chì Sunfat không tan lắng xuống đáy cốc Quá trình kết tủa Chì Sunfat phụ thuộc vào nồng độ axit Sunfuric, thời gian hoà tách, kích thước cỡ hạt ở đây kích thước hạt bã nhỏ nên không đặt vấn đề nghiên cứu, chỉ nghiên cứu nồng độ axit và thời gian hoà tách Sau khi hoà tách, Chì tách ra khỏi các kim loại khác theo phản ứng:

PbO + H2SO4 = PbSO4 ↓ + H2O

Đề tài này nghiên cứu quá trình hoà tách chọn lọc loại Chì ra khỏi các kim loại khác, không tiến hành ở nhiệt độ cao vì thiết bị không an toàn

mà chỉ thực hiện ở nhiệt độ phòng

a) Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ axit Sunfuric

Điều kiện thí nghiệm:

+ Lấy 200g mẫu nghiên cứu có hàm lượng Chì 8,6%

+ Thời gian hoà tách là 4h

+ Tốc độ khuấy 100 vòng/ phút

+ Kích thước hạt 0,063mm

+ Dung dịch axit Sunfuric biến thiên từ 6% - 23%

Kết quả thí nghiệm được ghi trong bảng 9

Bảng 9 ảnh hưởng nồng đồ axit Sunfuric đến hiệu suất tách Chì

TT Khối lượng

bã (g)

Lượng Pb

có trong bã (g)

Hiệu suất tách (%)

Nhận xét: Qua thực nghiệm thấy rằng, điều kiện tối ưu cho quá trình

tách Chì Sunfat ra khỏi hỗn hợp kim loại khi nồng độ axit Sunfuric là 20%, nếu nồng độ axit Sunfuric cao hơn nữa sẽ bị sệt và một số tạp chất kết tủa

và hấp thụ vào Chì Sunfat làm cho độ sạch giảm xuống (ví dụ như BaSO4 )

b) Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian

Điều kiện thí nghiệm:

+ Lấy 200g bã đã thiêu cho vào cốc chịu nhiệt chứa 1000ml axit Sunfuric 20%,

+ Tốc độ khuấy :100 vòng/ phút

+ Kích thước hạt : 0,063mm

+ Nhiệt độ hoà tách: nhiệt độ phòng

+ Thời gian khuấy : từ 2 đến 5 giờ

Hiệu suất quá trình hoà tách Chì theo thời gian được ghi ở bảng 10

Bảng 10 ảnh hưởng thời gian đến quá trình hoà tách Chì

TT Khối lượng

bã (g)

Lượng Pb

có trong bã (g)

Thể tích dd

H 2 SO 4 20%

(ml)

Thời gian khuấy (giờ)

Lượng Pb tách ra (g)

Hiệu suất tách (%)

Nhận xét: Thời gian thích hợp cho quá trình hoà tách Chì là 4 giờ

Từ các kết quả nghiên cứu ở phần (a) và (b) rút ra kết luận: Để tách triệt để Chì ra khỏi bã Kẽm điều kiện tối ưu cho công đoạn này là:

- Dung dịch hoà tách Axit Sunfuric : 20%

- Thời gian hoà tách : 4 giờ

- Tốc độ khuấy : 100vòng/phút

- Kích thước hạt bã : 0,063mm

3.1.3 Nghiên cứu tách Inđi bằng Kẽm kim loại

Cho Kẽm kim loại vào dung dịch Sunfat sau khi đã loại bỏ Chì, Kẽm

có ái lực hóa học mạnh hơn sẽ hoàn nguyên Inđi về kim loại Muốn tận thu triệt để Inđi tiến hành nghiên cứu các thông số sau:

L−ợng Inđi thu đ−ợc (g)

Hiệu suất tách (%)

Nhận xét: Dựa vào kết quả bảng 11 thấy rằng l−ợng Kẽm cho vào

dung dịch 15g, hiệu suất hoàn nguyên tốt nhất (91,4%) Vì vậy l−ợng Kẽm chọn để hoàn nguyên theo tỷ lệ: 15g/10 kg bã Kẽm là tối −u

Tỷ lệ R/L: 1:5

b) Nghiên cứu thời gian hoà tách

Điều kiện thí nghiệm:

+ Tốc độ khuấy : 100 vòng/ phút

+ Nhiệt độ hoà tách : nhiệt độ phòng

+ Kích thước hạt : 0,063mm

+ Thời gian khuấy : 1 giờ, 2 giờ, 3 giờ, 4 giờ, 5 giờ

Lượng Inđi thu được ghi ở bảng 12

Bảng 12 ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất tách Inđi

TT Khối lượng

bã (kg)

Lượng Inđi trong bã

Lượng Inđi thu được (g)

Hiệu suất tách (%)

Nhận xét: Dựa vào kết quả bảng 12 cho thấy rằng thời gian hoàn nguyên

thích hợp là 3 giờ, nếu tiếp tục khuấy, trong dung dịch sẽ tạo thành hợp chất phức tan dạng ZnIn2(SO4)4 làm mất mát Inđi, hiệu suất hoà tách giảm

Từ những kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên, rút ra được các thông

số tối ưu thu hồi Inđi từ bã Kẽm

* Công đoạn tách Chì:

- Nồng độ axit Sunfuric : 20%

- Thời gian hoà tách : 4 giờ

* Công đoạn hoàn nguyên Inđi:

- Lượng Kẽm hoàn nguyên tối ưu theo tỷ lệ: 15g/10 kg bã Kẽm

đã thiêu Tỷ lệ R/L: 1:5

- Thời gian hoàn nguyên: 3 giờ

3.2 Nghiên cứu thông số công nghệ tách Cađimi từ b∙ cađimi

3.2.1 Khảo sát chế độ thiêu

Bã Cađimi được đưa vào lò nung ở điều kiện sau:

+ Nhiệt độ : 650 - 700oC + Thời gian : 2 giờ

+ Độ dày lớp liệu : 5cm (ở đây không đặt vấn đề nghiên cứu các thông số thiêu kết mà dựa vào số liệu công bố ở các bản báo cáo [2, 6, 7]

Thành phần bã Cađimi sau khi thiêu ghi ở bảng 13

Bảng 13 Thành phần b∙ Cađimi sau khi thiêu

Hàm lượng (%)

TT Ký hiệu mẫu

Cu Cd Zn Fe In Pb

Ghi chú

1 Bã Cađimi 5,8 4,25 20,25 0,9 0,037 4,25

Nhận xét: Dựa vào số liệu ở bảng 13 thấy rằng để bảo đảm ổn định

hàm lượng Cađimi trong bã chỉ nên thiêu kết ở 650 - 7000C là thích hợp Nếu thiêu ở nhiệt độ cao sẽ mất mát Cađimi do bay hơi Thời gian thiêu kết tốt nhất là từ 1,5 - 2 giờ sau khi đã đạt nhiệt độ tối đa

3.2.2 Nghiên cứu quá trình tách Chì bằng axit Sunfuric

Bã Cađimi sau khi thiêu cho hoà tách với axit Sunfuric Toàn bộ kim loại có trong bã sẽ chuyển thành dạng muối Sunfat tan, chỉ có Chì Sunfat là không tan Dựa vào đặc tính này để tách Chì ra khỏi các kim loại trong bã Hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất tách Chì là nồng độ axit Sunfuric

và thời gian hoà tách Để tìm được các thông số tối ưu, tiến hành nghiên cứu như sau (phần lý thuyết và cơ chế phản ứng đã trình bày ở mục 3.1.2)

a) Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ axit Sunfuric đến hiệu suất tách Chì

Lấy 200g mẫu nghiên cứu có hàm lượng Chì 4,25% cho vào 6 cốc

+ Thời gian hoà tách : 4 giờ

+ Nhiệt độ hoà tách : nhiệt độ phòng

Lượng Pb hoà tách (g)

Hiệu suất tách (%)

Nhận xét: Dựa vào các số liệu bảng 14, thấy rằng điều kiện tối ưu

cho quá trình tách Chì trong bã Cađimi là khi nồng độ axit Sunfuric 15%, ở nồng độ axit Sunfuric 18% tuy hiệu số tách có cao hơn (0,6%) nhưng lượng axit tiêu tốn nhiều (thêm 3%), xét về mặt kinh tế không phù hợp Vì vậy chọn nồng độ axit Sunfuric 15% là tối ưu

b) Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian đến khả năng tách Chì trong b∙ Cađimi

Để nghiên cứu ảnh hưởng thời gian đến hoà tách Chì, chúng tôi tiến hành các mẫu thí nghiệm sau đây:

Lấy 200g bã Cađimi đã thiêu cho vào 5 cốc chứa 1000ml dung dịch axit Sunfuric 15%

+ Nhiệt độ hoà tách : nhiệt độ phòng

+ Tốc độ khuấy : 100 vòng/ phút

+ Kích thước hạt bã : 0,063mm

+ Thời gian hoà tách : 1 giờ, 2 giờ, 3giờ, 4 giờ, 5 giờ

Hiệu suất tách Chì trong bã Cađimi được nêu trong bảng 15

Bảng 15 ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất tách Chì trong b∙ Cađimi

Lượng Pb tách ra (g)

Hiệu suất tách (%)

Từ các kết quả thực nghiệm ở phần (a) và (b) rút ra kết luận:

* Công đoạn tách Chì:

+ Dung dịch axit Sunfuric hoà tách có nồng độ: 15%

+ Thời gian hoà tách : 3 giờ + Tốc độ khuấy : 100 vòng/phút

+ Kích thước bã : 0,063 mm

3.2.3 Nghiên cứu thông số công nghệ tách Cađimi và Đồng từ bã Cađimi

Cho Kẽm kim loại vào dung dịch Sunfat sau khi đã loại bỏ Chì Do ái lực hoá học của Kẽm mạnh hơn Cađimi và Đồng nên Kẽm sẽ hoàn nguyên Cađimi và Đồng về kim loại, còn Kẽm sẽ tan vào dung dịch tạo thành Sunfat Kẽm (xem phản ứng (2), (3), (4) trang 11) Vì vậy để tận thu tốt Cađimi và Đồng ta tiến hành nghiên cứu các thông số sau:

a) Tỷ lệ rắn lỏng

Lấy 200g bã Cađimi đã thiêu cho vào 6 cốc thuỷ tinh, dung tích

+ Thời gian khuấy : 3 giờ

+ Tốc độ khuấy : 100 vòng/phút

+ Nhiệt độ hoà tách : Nhiệt độ phòng

+ Kích thước hạt bã : 0,065mm

+ Lượng Kẽm cho vào : 6 - 36g

Lọc, loại bỏ Chì, nước lọc cho Kẽm vào để hoàn nguyên Cađimi và

Đồng Kết quả thu được ghi ở bảng 16

Bảng 16 ảnh hưởng lượng Kẽm đến hiệu suất tách Cađimi và Đồng trong b∙ Cađimi

TT Khối lượng

bã (g)

Lượng Cađimi và

Đồng trong bã (g)

Thể tích dd

H 2 SO 4 15%

(ml)

Lượng Kẽm cho vào khử (g)

Lượng Cađimi và

Đồng thu

được (g)

Hiệu suất tách (%)

Nhận xét: Các số liệu ở bảng 16 chỉ ra rằng lượng Kẽm cho vào dung

dịch 24g hiệu suất thu hồi Cađimi và Đồng cao nhất (đạt 95%), vì vậy chúng

tôi chọn tỷ lệ Kẽm cho vào hoàn nguyên là 24g/200g bã Cađimi đã thiêu

Tỷ lệ R/L: 1:5

b) Nghiên cứu thời gian hoà tách Cađimi và Đồng trong b∙ Cađimi

Lấy 200g bã Cađimi đã thiêu cho vào 6 cốc thuỷ tinh có dung tích 1500ml chứa 1000ml dung dịch axit Sunfuric 15% mỗi cốc

+ Thời gian khuấy : 3 giờ

+ Tốc độ khuấy : 100 vòng/phút,

+ Nhiệt độ hoà tách : Nhiệt độ phòng

+ Lượng Kẽm cho vào : 24 g

+ Thời gian ấn định : 1h, 2h, 3h, 4h, 5h, 6h

Kết quả thu được ghi ở bảng 17

Bảng 17 ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất tách Cađimi và Đồng trong b∙ Cađimi

Đồng trong bã (g)

Thể tích dd

H 2 SO 4 15%

(ml)

Thời gian hoà tách (h)

Lượng Cađimi và

Đồng thu

được (g)

Hiệu suất tách (%)

Nhận xét: Dựa vào kết quả ghi ở bảng 17 thấy rõ thời gian hoàn

nguyên Cađimi và Đồng tối ưu là 5 giờ Điều này cũng phù hợp với lý

thuyết về hiệu ứng chuyển hoá giữa Cađimi, Đồng và Kẽm xảy ra chậm

Kết quả phân tích hỗn hợp Cađimi và Đồng như sau:

Quá trình thực hiện như sau:

Lấy 19,1g hỗn hợp Cađimi và Đồng kim loại cho vào 6 cốc thuỷ tinh, mỗi cốc chứa 1000ml dung dịch axit Sunfuric biến thiên từ 1 ữ 5%

Điều kiện thí nghiệm:

+ Tốc độ khuấy: 100vòng/phút

+ Nhiệt độ hoà tách: Nhiệt độ phòng

+ Nồng độ axit Sunfuric hoà tách tương ứng: 1%, 2%, 3%, 4%, 5% Kết quả thực nghiệm ghi ở bảng 18

Bảng 18 ảnh hưởng nồng độ axit Sunfuric đến hiệu suất tách Cađimi

Cu (g)

Thể tích

dd H 2 SO 4 (ml)

Nồng độ

H 2 SO 4 (%)

Lượng Cd

đi vào dung dịch (g)

Lượng

Cu trong

d 2

(g)

Hiệu suất tách Cd (%)

3.2.5 Nghiên cứu khả năng thu hồi Cađimi

Cho Kẽm kim loại vào dung dịch Sunfat sau khi đã tách Đồng Kẽm hoàn nguyên Cađimi về kim loại và chuyển vào dung dịch Kẽm Sunfat Lọc, sấy thu được Cađimi, còn nước lọc (nước lọc 2 gộp với nước lọc 1)

đem điện phân thu hồi Kẽm kim loại

a) Nghiên cứu tỷ lệ rắn nỏng

Điều kiện thí nghiệm:

+ Lấy 6 cốc thuỷ tinh, cho vào mỗi cốc 1000ml dung dịch chứa 8g Cađimi

+ Tốc độ khuấy: 100vòng/phút

+ Nhiệt độ hoà tách: Nhiệt độ phòng

+ Thời gian hoà tách: 4 giờ

+ Lượng Kẽm cho vào hoàn nguyên: 4g, 8g, 12g, 16g, 20g, 24g

Kết quả thu được ghi ở bảng 19

Bảng 19 ảnh hưởng lượng Kẽm đến hiệu suất thu hồi Cađimi

Lượng Kẽm cho vào d 2

(g)

Thời gian hoà tách (h)

Lượng Cađimi thu

được (g)

Hiệu suất tách (%)

Nhận xét : Các số liệu ghi ở bảng 19 chỉ ra rằng lượng Kẽm kim loại cho

vào dung dịch 16g, hiệu suất thu hồi Cađimi cao nhất (95,6%) Vì vậy chọn tỷ

lệ Kẽm vào hoàn nguyên Cađimi là: 16g Kẽm/200g bã Cađimi đã thiêu

Tỷ lệ R/L : 1: 5

b) Nghiên cứu hiệu suất tách Cađimi theo thời gian

Điều kiện nghiên cứu:

+ Rót vào 6 cốc thuỷ tinh, mỗi cốc 1000ml Cađimi nồng độ 8g/l

+ Lượng Kẽm cho vào mỗi cốc: 16g

+ Tốc độ khuấy: 100vòng/phút

+ Nhiệt độ hoà tách: Nhiệt độ phòng

+ Thời gian hoà tách: tương ứng với 1h, 2h, 3h, 4h, 5h, 6h

Kết quả thu được ghi ở bảng 20

Bảng 20 ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất thu hồi Cađimi

Thời gian hoà tách (h)

Lượng Cađimi thu

được (g)

Hiệu suất thu hồi (%)

Nhận xét :

Dựa vào số liệu thực nghiệm bảng 20 thấy rõ:

+ Thời gian thích hợp cho quá trình thu hồi Cađimi là 4 giờ

+ Hiệu suất thu hồi là: 95,4%

Từ các kết quả nghiên cứu ở trên rút ra đ−ợc các thông số tối −u cho quá trình tách Cađimi trong bã Cađimi

* Công đoạn hoà tách Chì:

- Nồng độ axit Sunfuric: 20%

- Thời gian hoà tách: 3 giờ

* Công đoạn hoàn nguyên Cađimi và Đồng

- L−ợng Kẽm đ−a vào theo tỷ lệ: 24g Kẽm/200g bã Cađimi đã thiêu,

- Tỷ lệ R/L: 1:5

- Thời gian hoà tách: 5 giờ

* Công đoạn tách Cađimi từ hỗn hợp Cađimi và Đồng kim loại

- Nồng độ axit Sunfuric thích hợp nhất: 3%

* Công đoạn thu hồi Cađimi:

- L−ợng Kẽm đ−a vào theo tỷ lệ: 16g Kẽm/200g bã Cađimi đã thiêu

- Tỷ lệ R/L: 1:5

- Thời gian hoà tách: 4 giờ

Hiệu suất hoà tách cả quá trình: 90%

3.3 Kết quả đạt đ−ợc

Qua quá trình nghiên cứu 2 công nghệ thu hồi Oxit Inđi từ bã Kẽm

và Cađimi từ bã Cađimi, đã thu đ−ợc các thông số tối −u nh− sau:

3.3.1 Các thông số tối −u công nghệ thu hồi Oxit Inđi từ bã Kẽm

* Công đoạn tách Chì

- Nồng độ axit Sunfuric tối −u: 20%

- Thời gian hoà tách tối −u: 4h Hiệu suất tách: 95,5%

* Công nghệ thu hồi Oxit Inđi

- L−ợng Kẽm đ−a vào hoàn nguyên theo tỷ lệ:15g/10kg bã Kẽm đã thiêu kết Hiệu suất tách: 91,4% Tỷ lệ R/L: 1:5

- Thời gian hoà tách tối −u: 3 giờ

3.3.2 Các thông số tối ưu công nghệ thu hồi Cađimi từ bã Cađimi

* Công đoạn tách Chì bằng axit Sunfuric

- Nồng độ axit Sunfuric thích hợp: 15% Hiệu suất tách: 95,8%

- Thời gian hoà tách tối ưu: 3h

* Công đoạn hoàn nguyên Cađimi và Đồng từ b∙ Cađimi

- Lượng Kẽm đưa vào hoàn nguyên theo tỷ lệ: 24g Kẽm/200g bã Cađimi

- Tỷ lệ R/L: 1:5

- Thời gian hoà tách: 5 giờ

* Công đoạn tách Cađimi từ hỗn hợp Cađimi và Đồng

- Nồng độ axit Sunfuric hoà tách tối ưu: 3%

* Công đoạn thu hồi Cađimi

- Lượng Kẽm đưa vào hoàn nguyên: 16g Kẽm / 200g bã Cađimi

- Tỷ lệ R/L: 1:5

- Thời gian hoà tách: 4 giờ

- Hiệu suất thực thu cả quá trình: 90 %

5 , 8

100 65 ,

7 x =

Trong đó: 7,65g là lượng Cađimi thu được

8,5g là lượng Cađimi tính theo lý thuyết

3.3.3 Lập sơ đồ công nghệ dựa trên các số liệu đã lựa chọn

Từ kết quả nghiên cứu chúng tôi đã đưa ra 2 lưu trình công nghệ tối

ưu cho quá trình tách Oxit Inđi và Cađimi trong bã Kẽm và bã Cađimi

Hình 3 Sơ đồ công nghệ thu hồi Oxit Inđi từ b∙ Kẽm

Hình 4 Sơ đồ công nghệ thu hồi Cađimi kim loại từ b∙ Cađimi

Chương IV

Định hướng áp dụng kết quả nghiên cứu đề tài

4.1 Dự kiến áp dụng kết quả nghiên cứu đề tài

Đề tài đã triển khai tại phòng thí nghiệm chuyên đề Trung tâm

nghiên cứu và sản xuất vật liệu kim loại Viện Khoa học và công nghệ Mỏ -

Luyện kim Các số liệu đưa ra trong bản báo cáo là đáng tin cậy

Quy trình công nghệ có thể áp dụng trực tiếp tại Trung tâm Tam

Hiệp - Viện Khoa học và Công nghệ mỏ Luyện Kim hoặc chuyển giao

công nghệ cho các đơn vị có nhu cầu xử lý các bã Kẽm nhằm tạo ra những

sản phẩm có giá trị, góp phần đa dạng hoá sản phẩm, mở ra hướng tiếp thị

mới cho Viện