Bài giảng Các quá trình sản xuất cơ bản trong công nghệ môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA MÔI TRƯỜNG CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CƠ BẢN TRONG CƠNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG GV: Phạm Thị Hồng Bộ môn Kỹ thuật môi trường * * Nội dung Mục đích, ý nghĩa mơn học Q trình sản xuất cơng nghiệp ô nhiễm môi trường Sự tạo thành chất thải trình sản xuất Phân loại chất thải Tính chất dịng thải Phân tích dịng thải Giảm thiểu chất thải, ngăn ngừa ô nhiễm sản xuất 3/10/2021 Mục đích Ý nghĩa mơn học  Các q trình sản xuất cơng nghiệp chia thành nhóm cơng nghệ giới thiệu theo dạng sơ đồ tóm lược thể trình biến đổi  Sau cung cấp nguyên tắc tạo sản phẩm, khả phát sinh chất thải, vấn đề môi trường cần quan tâm hướng giải nhóm cơng nghệ, số q trình sản xuất phân theo đặc trưng biến đổi hóa lý phát sinh chất thải 3/10/2021 Mục đích Ý nghĩa mơn học  Sinh viên hiểu cách hệ thống tác nhân gây ô nhiễm tác động đến môi trường nhà máy hoạt động sản xuất  Cung cấp cho sinh viên kiến thức q trình sản xuất cơng ngiệp vấn đề ô nhiễm môi trường liên quan  Có cách nhìn hệ thống áp dụng ngun lý bảo vệ môi trường phát triển công nghiệp bền vững vào trường hợp cụ thể 3/10/2021 1.2 Q trình sản xuất cơng nghiệp nhiễm mơi trường 3/10/2021  Bất kỳ q trình sản xuất cần nguyên liệu thô, chất xúc tác, chất phụ trợ lượng (nhiệt, điện) để chuyển hóa nguyên liệu thành sản phẩm  Trong ngành cơng nghiệp quan trọng cơng nghiệp hóa chất, cơng nghiệp thực phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu vơ silicat q trình biến đổi q trình hóa học hóa sinh phản ứng vơ cơ, tổng hợp hữu phản ứng có enzyme; ngồi trình học đập, nghiền, sàng, ly tâm, lắng, lọc, q trình truyền nhiệt đặc, kết tinh ngưng tụ trình chuyển khối hấp thụ, sấy, trích ly chưng luyện  Tất q trình sản xuất khơng tạo sản phẩm mà phát sinh chất thải không mong muốn 3/10/2021 3/10/2021 Sự tạo thành chất thải trình sản xuất Phương trình chung trình sản xuất bản: • 𝐴+𝐵 𝑀,𝐶,𝐻,𝐸 𝑃 + 𝑃′ + 𝑃′′ Trong đó: A: Ngun liệu thơ B: Chất tham gia phản ứng P Sản Phẩm P’: Đồng sản phẩm P”: Sản phẩm phụ C: chất xúc tác H: chất phụ trợ 3/10/2021 Sự tạo thành chất thải trình sản xuất Phương trình chung q trình sản xuất bản: • 𝐴+𝐵 𝑀,𝐶,𝐻,𝐸 𝑃 + 𝑃′ + 𝑃′′  Khi phản ứng đạt đến cân bằng, cấu tử A B không phản ứng tiếp với  Một hai chất A B thường sử dụng dư để tăng mức độ biến đổi chất lại nhanh đến cân  Thường chất sử dụng dư thường mơi trường phản ứng,  Chất thải sinh hiệu suất phản ứng khơng hồn tồn 10 3/10/2021 • Đa phần quặng đồng dạng sunfua • Vì quặng đồng nghèo nên luyện trực tiếp, trước luyện phải tiến hành qua cơng đoạn tuyển khóang nhằm nâng hàm lượng lên 10- 30% Cu, tác chia kim loại công sinh tạp chất tiến hành luyện • Phương pháp tuyển nởi phương pháp tuyển quặng đồng chủ yếu dùng • Từ quặng dùng hỏa luyện thủy luyện để luyện đồng nhiên hỏa luyện chiếm 90% tổng số sản lượng Công nghệ luyện đồng a Thiêu kết tinh quặng đồng:  Trong tinh quặng đồng chứa lượng S lớn, cịn đồng có hàm lượng khơng cao  Q trình luyện tiến hành đồng thời lị phản xạ lị điện hiệu suất khử S thấp Sten thu hàm lượng Cu khơng cao, q trình luyện Sten sau tốn  Do phải tiến hành thiêu đốt để cháy bớt lưu huznh, biến phần sắt sunfua thành sắt oxit dạng xỉ, khử bót tạp chất có hại cho q trình luyện kim loại đồng thời cịn có tác dụng trơng phối liệu trước luyện  Q trình luyện thiêu kết q trình oxy hóa đốt cháy sulfua biến chúng thành oxit • Các phản ứng q trình thiêu hỏa tinh luyện đồng sau: • Khi nhiệt độ cao 2CuFeS2 = Cu2S + 2FeS + ½ S2 FeS2 = FeS + ½ S2 FeAsS = FeS + As 2FeS + 7/2 O2 = Fe203 + 2SO2 + Q Cu2S + 2O2 =2CuO + SO2 S + O2 = SO2 Ngồi có phản ứng FeS với Cu2S FeS + Cu20 = FeO + Cu2S • Khi nhiệt độ thấp xảy phản ứng tạo đồng sắt Sulfat CuS+ 2O2 = CuSO4 FeS + O2 = FeSO4 Ngoài ra, số oxit có tính axit tác dụng với oxit mang tính Bazơ tạo thành sản phẩm phức 2CaO.SiO2; Fe0.Si02; Me0.Fe203…  Các phản ứng phản ứng tỏa nhiệt nên trình tự nhiệt  Quá trình thiêu thường tiến hành 850°C, trường hợp thiêu kết phải tiến hành nhiệt độ chảy nhão nguyên liệu khoảng 1050- 1100oC  Hàm lượng SO2 tạo thành từ 6-12% thích hợp cho trình sản xuất axit sulfuric b Quá trình luyện Sten đồng Trong trình luyện đồng tinh quẳng sulfua người ta phải tiến hành thông qua sản phẩm trung gian Sten đồng luyện thành đồng thơ l{ sau:  - sten đồng chất tập hợp tốt đồng, hầu hết đồng vào sten dạng Cu2S theo xỉ với lượng hạn chế  - Sten đồng có khả nằng hòa tan tốt kim loại qu{ Au, Ag, Pt hầu hết kim loại qu{ tan vào sten, 1% vào xỉ theo đường học  - Nếu luyện thẳng đồng thô phải thiêu hết lưu huznh quặng để chuyển thành oxit, tốn nhiên liệu lượng đồng mát vào xỉ lớn kéo theo mát kim loại qu{ vào xỉ không thu hồi lớn Sten đông hợp kim sulfua đồng suifua sắt chứa 30-60% đơng, 24-25% S, lại sắt kim loại khác  Trong trình luyện xảy biến đồi hóa l{ sau: FeS + Cu2S = FeS.Cu2S (sten) FeS + 6Fe203 + Si02 = 7(2Fe0.Si02) + 2S02 6(Me0.Fe203) + 2FeS + 7SiQ2 = 6MeO + 7(2Fe203.Si02) + 2S02  Các oxit tạp CaO tác dụng với SiO2 FeO tạo thành xỉ dễ chảy, chảy xuống phía Ngồi xảy phản ứng hoàn nguyên đồng thành đồng kim loại  2Cu2O + CU2S = 6Cu + SO2  Nhưng có FeS đồng tác đụng để tạo thành CU2S vào sten sắt sắt bị oxi khơng khí SO2 SO3 oxi hóa thành FeO vào xi c Luyện Sten đồng thơ  Q trình thực lị thởi gió, sử dụng oxi khơng khí oxi để thực phản ứng Quá trình chia thành giai đoạn chính:  Giai đoan 1: Oxi hóa tạo xỉ  Sử dụng khơng khí có áp suất cao thổi vào khối sten lỏng vào phản ứng oxy hóa sulfua xảy mãnh liệt  2FeS + 3O2 = 2FeO + 2S02 + 225300 cal  2Cu2S + 302 = 2Cu20 + 2SO2 + 185500 cal  Nhưng sau đó, lực đồng với lưu huznh lớn sắt với lưu huznh nến xảy phản ứng:  Cu20 + FeS = Cu2S + FeO  2FeO + Si02 = 2Fe0.Si02 + 8100 cal  Do giai đoạn có phản ứng oxy hóa tạo xỉ sulfua sắt theo phản ứng tổng quát:  2FeS + 02 + Si02 = 2Fe0.Si02 + 2Si02 + 233400cal  Vì giai đoạn phải không ngừng cung cấp bột thạch anh để tạo xỉ Kết thúc giai đoạn l, nghiêng lị tháo xỉ ngồi, nạp tiếp liệu (sten), Si02 thực q trình thởi luyện  Mỗi mẻ luyện nạp sten 3-4 lần  Giai đoan 2; Oxy hóa hồn ngun  Kết thúc giai đoạn 1, tiến hành thởi gió giai đoạn  Phản ứng giai đoạn chủ yếu phản ứng oxy hóa sulfua đồng:  2Cu2S + 302 = 2Cu20 + SO2 + 186000 cal  Và phản ứng hoàn nguyên Cu2O Cu2S:  2Cu20 + Cu2S = 6Cu + S02 - 30000 cal  Giai đoạn kết thúc lị khơng cịn khói trắng (SO2)  Sản phẩm q trình đồng thơ, xỉ khí lị  Giai đoan 2; Oxy hóa hồn ngun  Hiệu suất thu hồi đồng đạt đến 98% tùy hàm lượng đồng Sten  Đồng thơ thu có thành phần đồng khoảng 97-99%, ngồi cịn Sb (antimoan); As; Ni; Bi; Au, Ag  Khí lị có thành phần chủ yếu SO2, áp dụng biện pháp chống hở hàm lượng SO2 đạt từ 6-10% (Nồng độ SO2 > 3% sử dụng làm nguyên liệu điều chế axit sulfuric)  Ngồi khí lị cịn có lượng nhỏ oxit kẽm, oxit chì khoảng 1% đồng nguyên liệu Tinh luyện đờng • Trong đồng thơ luyện từ Sten cịn chứa nhiều chất tạp lượng đáng kể kim loại q • Do cần tiến hành trinh tinh luyện để khử chất tạp thu đồng 99,95-99,99% • Q trình tinh luyện đồng diễn theo bước: • Hỏa tinh luyện • điện phân a Bước 1: Hoả tinh luyện  Đây phương pháp oxy hóa, dựa vào sở lực hóa học kim loại tạp với oxy lớn đồng, oxit kim loại tạp tạo thành lại không tan vào đồng kim loại nên tách khỏi đồng thô dạng xỉ  Sử dụng oxi khơng khí để oxi hóa phần đồng thành oxit Cu2O, Cu2O tan vào đồng lỏng oxi hóa chất tạp đồng lỏng theo phản ứng: [Me] + [Cu20] = (MeO) + 2[Cu] a Bước 1: Hoả tinh luyện  Thứ tự oxi hóa từ mạnh đến yếu kim loại sau Al, Si, Mn, Zn, Fe, Ni, As, Sb, Pb, Bi  Để tăng cường q trình oxy hóa, người ta thường dùng ống thép sục nước hay cắm gỗ, tre tươi vào đồng lỏng  Sự bay hơi nước chất bốc gỗ, tre tươi có tác dụng khuấy trộn, oxy hóa đ̉i khí CO2, N2 oxit tạp thoát khỏi khối đồng lỏng  Sau tinh luyện oxi hóa, hàm oxit đồng đạt đến giá trị bão hòa (10-12% Cu20)  Để khử lượng oxit này, tiến hành giai đoạn hồn ngun cách cắm gỗ khơ sục khí thiên nhiên (CH4) rải than bột lên mặt đồng lỏng Cu2O + CH4 = CO2 + 2H2O + 8[Cu] a Bước 1: Hoả tinh luyện  Giai đoạn hoàn nguyên tiến hành đến đồng lỏng cịn khoảng 0,3-0,5% Cu2O  Sau q trình hỏa tinh luyện, hầu hết kim loại qu{ nằm nguyên đồng  Đồng đúc thành anốt để tỉnh luyện điện phân đúc thành thỏi để sử đụng trường hợp không cần đồng b Bước 2: tinh luvện điện phân Nguyên l{ dựa vào khác điện cực kim loại, tác dụng dịng điện, đồng anơt tan vào dung dịch sau tiết katơt, chất tạp nằm lại bùn anôt dung dịch điện phân Thường sử dụng dung địch điện phân H2SO4 với lượng 150-200g/I Có thể chia tạp chất ừong đồng thành loại  Loại điện cực dương đồng (Sb, Ag, Au) khơng phóng điện tan vào dung dịch nằm lại anot tạo thành bùn anôt tách khỏỉ đồng điện phân  Các kim loạỉ điện cực âm so với đồng phóng điện anơt đồng tan vào dung dịch Do điện cực âm đồng nên đến catot làm đồng (sau điện phân) chúng không tỉết mà nằm lại dung dịch điện phân (để hạn chế tối đa kim loại không bám vào katôt cần phảỉ khống chế nồng độ chúng đù nhỏ)  Các kim loại điện cựo gần đồng (Bi, As) tan phần vào dung dịch tiếp catốt Muốn tách chúng cần định kz thay dung dịch đỉện phân dung dịch Sơ đồ dây chuyền hỏa luyện đồng