Đang tải... (xem toàn văn)
Một phần cũng là do đồng có khả năng ức chế sự phất triển của các vi khuẩn,virus trong nước.vMột số ứng dụng trong việc này là làm ống thủy lợi và hệ thốngphun nước công nghiệp,ống dẫn d
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG - - ĐỒ ÁN NHẬP MÔN KỸ THUẬT HÓA HỌC Đề tài: Tìm hiểu về quy trình “Điện phân tinh chế đồng kim loại” Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Huyền Khoa: Kỹ thuật Hóa học Nhóm sinh viên thực hiện: MSSV STT Họ và tên 20230893 20230892 1 Nguyễn Thế Huy 20230881 2 Nguyễn Đức Huy 3 Lê Quỳnh Hương Hà Nội, 1/2024 Trang 1 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………… 2 PHẦN I: SƠ NÉT VỀ KIM LOẠI ĐỒNG………………………………………… 3 1 Trạng thái tự nhiên của đồng…………………………………………………… 3 1.1 Tổng quan bề ngoài……………………………………………………… ….3 1.2 Đồng ngoài tự nhiên………………………………………………………… 3 2 Tính chất hóa học ………………………… …………………………………… 5 3 Ứng dụng của đồng trong đời sống và sản xuất…………………………… .5 4 Tình hình sản xuất đồng hiện nay ở nước ta và trên thế giới………………… 8 4.1 Tại Việt Nam…………………………………………………………… ……8 4.2 Trên thế giới……………………………………………………………… ….9 PHẦN II: CÁC CÔNG NGHỆ ĐỂ SẢN XUẤT ĐỒNG HIỆN NAY……… …….8 1 Công nghệ hỏa luyện……………………………………………………… …… 9 2 Công nghệ thủy luyện…………………………………………………….………12 PHẦN III: PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN TINH CHẾ ĐỒNG………… …… 14 1 Nguồn nguyên liệu đầu vào cho việc sản xuất………………………… ………14 2 Sơ đồ khối của việc tinh chế đồng bằng phương pháp điện phân……… … 14 3 Nguyên lí của việc tinh chế đồng bằng phương pháp điện phân………… … 15 4 Các quy trình và thiết bị được sử dụng trong việc điện phân tinh chế đồng 17 4.1 Điện cực………………………………………………………………………….17 4.2 Bể điện phân…………………………………………………………………… 18 5 Các sản phẩm đầu ra từ quá trình tinh chế…………………………………… 18 5.1 Sản phẩm chính……………………………………………………………… 19 5.2 Phụ phẩm…………………………………………………………………… …20 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………… 21 Trang 1 LỜI NÓI ĐẦU Đồng là một kim loại phổ biến và có tính ứng dụng rất cao trong đời sống Hàng ngày, không phải ngẫu nhiên mà cả thế giới lại sản xuất ra hàng ngàn tấn đồng Có thể thấy rằng, trong đời sống và sản xuất, từ ngày xưa đến nay, đồng luôn là một kim loại được sử dụng rất rất nhiều Cùng với sự phát triển ngày càng cao của nền khoa học kỹ thuật hiện đại, đồng ngày càng khằng định nó có một vai trò vô cùng quang trọng và liên quan mật thiết đến đời sống Chính vì vậy, cùng với sự khan hiếm ngày càng lớn của tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là đồng, hôm nay, em xin được giới thiệu về quy trình: “Điện phân tinh chế đồng” nhằm việc tinh chế đồng ngày càng tinh khiết, giúp ích cho đời sống nhiều hơn Trang 2 PHẦN I: SƠ NÉT VỀ KIM LOẠI ĐỒNG 1 Trạng thái tự nhiên của đồng 1.1 Tổng quan bề ngoài về đồng - Đồng là một nguyên tố trong bảng tuần hoàn, ở ô số 29 - Ở nhiệt độ thường, đồng kim loại là chất rắn màu cam đỏ đặc trưng, có tính dẻo, tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao - Đồng có khối lượng riêng là 8980kg / m3 và nhiệt độ nóng chảy tnc 1356K Hình I.1- Một mẫu đồng nguyên chất 1.2 Đồng ngoài tự nhiên - Trong tự nhiên, đồng tồn tại dưới dạng 2 đồng vị là 63Cu và 65Cu , trong đó 63Cu là chủ yếu với tỉ trọng 69% - Ngoài tự nhiên, đồng không tồn tại dưới dạng nguyên chất mà tồn tại dưới dạng hợp chất chứa trong các khoáng vật như : Cacbonat azurite ( 2CuCO3.Cu(OH )2 ), malachit ( Cu3Cu(OH )2 ),( CuFeS2 ), bornit ( Cu5FeS4 ), colvelit ( CuS ) và oxide cuprit ( Cu2O ), malakhit ( CuCO3.Cu(OH )2 ), … - Ngoài trong các quặng được tìm thấy trong tự nhiên, đồng còn tồn tại dưới dạng ion hòa tan trong nguồn nước Những ion này đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng Hơn thế nữa, trong thành phần máu của một vài loài động vật, đồng còn là thành phần chính cấu tạo nên chúng a b c Hình I.2- Hình ảnh một số quặng đồng trong tự nhiên a Cacbonat azurit b Malachit c Bornit Trang 3 STT Tên khoáng vật Kí hiệu Hàm lượng Tỉ trọng Cu(%) g/cm3 1 Cancopirit CuFeS2 34,6 4,2 2 Bocnit Cu5FeS4 55,5 4,9 3 Cancodin Cu2S 79,9 5,5-5,8 4 Covelin CuS 68,5 4,6 5 Malakhit CuCO3.Cu(OH)2 57,4 3,9 6 Azurit 2CuCO3.Cu(OH)2 55,1 3,7-3,8 7 Cuprit Cu2O 88,8 5,8-6,1 Bảng I.1- Các khoáng vật chứa đồng phổ biến - Hiện nay, ta ước tính được tổng trữ lượng đồng trên trái đất rơi vào khoảng 1014 tấn, chiếm 0,01% khối lượng vỏ trái đất, đứng thứ 14 về độ phổ biến - Hiện nay, nước ta có tiềm năng khai thác và sản xuất đồng rất lớn (tổng trữ lượng trên nước ta ước tính rơi vào khoảng 1.874.432 tấn), chủ yếu tập trung ở vùng Tây Bắc nước ta - Những vùng tụ khoáng quặng đồng quan trọng của nước ta là: + Vùng tụ khoáng Sinh Quyển ( Lào Cai) + Vùng tụ khoáng Bản Phúc (Sơn La) + Vùng tụ khoáng Vạn Sài (Sơn La) + Điểm quặng Bản Giàng (Sơn La) + Vùng tụ khoáng Suối Nùng (Quảng Ngãi) + Ngoài các vùng quặng chính như trên,còn rất nhiều điểm quặng khác phân bố rải rác ở các tỉnh Thanh Hóa, Lạng Sơn, Lào Cai Tên tỉnh thành Tổng Quặng đồng (tấn kim loại Cu) (Số mỏ có trữ (tấn kim loại Trữ lượng Tài nguyên dự báo lượng và tài Cu) nguyên) Lào Cai 85.672,06 355.189,74 462.82,32 28.000,00 Yên Bái 321.32,72 21.014,56 108.241,16 192.177,00 Sơn La 305.305,45 35.664,00 134.345,45 135.396,00 Lai Châu 4.968,19 3.233,19 1.325,00 410,00 Bắc Giang 2.497,38 0,00 2.102,76 396,62 Điện Biên 9.832,00 6.198,00 0,00 3.634,00 Tổng 18009.874,71 421.299,49 708.837,57 1796.193,00 Bảng I.2- Số liệu về trữ lượng, tài nguyên,tình hình dự báo của một số tỉnh nước ta Trang 4 K MCg u Na 2% 2%0% Ca 3% Fe 4% 5% Al 9% O 47% Si 28% O Si Al Fe Ca Na K Mg Cu Hình I.3- Biểu đồ thể hiện sự phong phú của đồng trên trái đất 2 Tính chất hóa học - Đồng là một kim loại, nằm trong chu kì 4, ô số 29, nhóm IIB trong bảng tuần hoàn - Đồng là một kim loại có tính khử yếu ( E 2 o 0,34V ), vì vậy khi để đồng kim loại Cu /Cu ngoài môi trường, ta thấy nó tương đối trơ về mặt hóa học - Đồng thể hiện tính khử trong một số phản ứng sau + Tác dụng với O2, Cl2, S, … 2Cu + O2 2CuO Cu + Cl2 CuCl2 Hình I.4- Hình ảnh về phản ứng của đồng (copper) và khí Cl2 (Chlorine) Trang 5 + Tác dụng với 1 số các dung dịch acid có tính oxide hóa mạnh như HNO3, H2SO4 đặc… Cu + 2H2SO4(dd đặc) CuSO4 + SO2 + H2O Cu + 4HNO3(dd đặc) Cu(NO3)2 +2NO2+2H2O Hình I.5- Cu tác dụng với HNO3, H2SO4 (đặc) + Tác dụng với một số dung dịch muối: Do thế khử/oxide hóa của cặp Cu2+/Cu là 0, 34Volt , thấp hơn một số cặp khác như Ag+/Ag, Fe3+/Fe2+ … nên Cu có thể khử được các ion này để tạo ra Cu2+ và kim loại tương ứng Hình I.6- Cu khử Ag+ trong dung dịch AgNO3 3 Ứng dụng của đồng trong đời sống và sản xuất - Đồng là một trong những nguyên tố được đưa vào sử dụng và sản xuất sớm nhất, khoảng 8000 năm trước công nguyên + 65% sản lượng đồng sử dụng trên toàn cầu được sử dụng trong ngành điện Đồng là kim loại lý tưởng để làm dây dẫn điện vì tính chất dẫn điện cực tốt của nó tương tự như bạc nhưng lại rẻ hơn bạc.Các dây dẫn điện bằng đồng cũng tiết kiệm hơn so với Trang 6 các dây bằng nhôm.Các loại dây dẫn phân phối điện,máy biến áp đồng có thể có hiệu quả lên tới 99,75% + 25% sản lượng đồng được sử dụng trong ngành xây dựng Ống đồng là vật liệu tiêu chuẩn cho các công trình xây dựng vì vó tính mềm dẻo,dễ tạo hình và lắp ráp.vĐồng cũng có khả năng chống ăn mòn cao,rất lý tưởng cho vận chuyển nước uống Một phần cũng là do đồng có khả năng ức chế sự phất triển của các vi khuẩn,virus trong nước.vMột số ứng dụng trong việc này là làm ống thủy lợi và hệ thống phun nước công nghiệp,ống dẫn dầu khí tự nhiên + 7% sản lượng đồng được dùng trong ngành giao thông vận tải Đồng là thành phần quan trọng trong các thiết bị cốt lõi của máy bay,tàu hỏa,thuyền,ô tô dựa vào tính dẫn điện,dẫn nhiệt của nó.Các thành phần chứa đồng trên xe như dây chuyền thủy lực, ốc vít, đinh vít, phụ kiện trên xe, dây của hệ thống kính rã đông.Các hệ thống định vị trên tàu, chống bẻ khóa, ghế ngồi, Hệ thống dây điện bằng đồng chiếm khoảng hai phần trăm trọng lượng của một chiếc máy bay.Các chân vịt, linh kiện tàu cũng được làm từ hợp kim đồng để chống sự ăn mòn nước muối + 3% sản lượng đồng dùng trong các ngành khác Dụng cụ nồi chảo trong bếp,các đơn vị cấu tản nhiệt,điều hòa không khí cho điện lạnh Đồng trong các tác phẩm nghệ thuật như tượng nữ thần tự do Đồng là thành phần tiền đúc của một số nước.Và ứng dụng đồng thau trong các nhạc cụ a b c d Hình I.7- Các vật dụng được làm bằng đồng a- Đồng xu thời trung cổ b- Ống đồng Trang 7 c- Dây điện có lõi làm bằng đồng d- Ốc vít làm bằng đồng 4 Tình hình sản xuất đồng hiện nay ở nước ta và trên thế giới 4.1 Tại Việt Nam - Hiện nay, ở Việt Nam, đồng được sản xuất chủ yếu ở Nhà máy đồng tỉnh Lào Cai Hình I.8- Hình ảnh tại nhà máy sản xuất đồng Lào Cai - Theo kết quả tham dò địa chất, trữ lượng đồng của Việt Nam có khoảng 1.87.382 tấn đồng kim loại,trong đó, cấp trữ lượng là 441.002 tấn,cấp tài nguyên khoảng 983.83 tấn và tài nguyên dự báo khoảng 49.536 tấn đồng -Từ năm 2008, sản lượng đồng đạt 10.000 tấn /năm,đã thay thế một phần lượng đồng kim loại nhập khẩu để cung cấp cho các ngành công nghiệp trong nước Chênh lệch Nhập khẩu Xuất khẩu (Nhập khẩu - xuất khẩu) Năm Trị giá Số lượng Trị giá Số lượng Trị giá Số (Nghìn (Tấn) (Nghìn đô) (Tấn) (Nghìn đô) lượng (Tấn) đô) 2015 224.060 1.417.404 37.872 247.780 205.685 1.169.624 2016 280.303 1.559.307 74.618 409.693 216.561 1.149.614 2017 323.697 2.167.878 107.136 719.550 218.371 1.448.328 2018 350.065 2.523.703 131.694 940.999 236.176 1.582.704 2019 390.366 2.553.912 154.190 1.030.516 1.523.397 T1- 106.967 T6/2020 176.986 1.090.314 70.019 440.305 650.009 Tổng cộng 1.745.478 11.312.518 575.529 3.788.843 1.169.948 7.523.675 Bảng I.3- Số liệu về xuất nhập khẩu đồng từ 2015 – 2020 Trang 8 - Số lượng nhập khẩu đồng kim loại từ năm 2015 đến năm 2019 tăng dần qua các năm với mức tăng trưởng trung bình khoảng 15%/năm Sự gia tăng lượng đồng nhập khẩu cho thấy mức tiêu dùng và nhu cầu đồng cho sản xuất các sản phẩm từ đồng trong nước tăng nhanh Điều này càng chứng tỏ đồng có một vai trò hết sức quan trọng trong đời sống hàng ngày 4.2 Trên thế giới - Với nhu cầu về đồng ngày càng cấp bách, hiện nay, sản lượng đồng trên thế giới đã đạt 100 triệu tấn / năm Đây là biểu đồ thể hiện mức độ sản xuất đồng trên toàn cầu Chile Peru Trung Quốc Mỹ Úc Zambia Các nước còn lại Hình I.9- Biểu đồ phần trăm số lượng sản xuất đồng trên thế giới PHẦN II: CÁC CÔNG NGHỆ ĐỂ SẢN XUẤT ĐỒNG HIỆN NAY - Với nhu cầu càng ngày càng cấp thiết và sự càng ngày càng khan hiếm của đồng trong thiên nhiên, càng ngày chúng ta càng phải phát triển càng nhiều loại công nghệ để sản suất ra đồng có độ tinh khiết nhất Sau đây em xin giới thiệu về hai công nghệ sản suất đồng có độ tinh khiết cao hiện nay 1 Công nghệ hỏa luyện - Công nghệ hỏa luyện là một trong những phương pháp có từ lâu đời để sản xuất kim loại đồng Nguyên lí cơ bản của phương pháp này là dùng nhiệt cùng với các chất khử như C, CO, Al đề khử ion đồng trong các hợp chất về đồng kim loại Trang 9 Hình II.1- Công nghệ sản xuất đồng bằng phương pháp hỏa luyện - Các quy trình trong công nghệ hỏa luyện sản xuất đồng + Quặng được làm giàu bằng công nghệ rửa nước, tuyển từ (tác dụng là tác các kim loại có từ tính và không từ tính với nhau), tuyển nổi (tác các chất lơ lửng, chất hoạt tính bề mặt, dầu mỡ, trong nước cấp bằng bọt khí nổi trên nguyên tắc: lợi dụng sự chênh lệch giữa khối lượng riêng của hạt và pha lỏng để tách hạt rắn ra) a b Hình II.2- Các loại máy tuyển quặng a- Máy tuyển từ b- Máy tuyển nổi + Đầu tiên quặng tinh sulphua đồng được khử bớt lưu huỳnh nhận được thiêu phẩm và khí SO2 Quá trình luyện nếu tiến hành đồng thời trong lò phản xạ hoặc lò điện thì hiệu suất khử S rất thấp do đó Sten thu được có hàm lượng Cu không cao, các quá trình luyện Sten sau đó sẽ rất tốn kém Do vậy phải tiến hành thiêu đốt để cháy bớt lưu huỳnh,biến một phần sắt sunfua thành dạng oxit dạng xỉ (xảy ra ở nhiệt độ 1050-1100 oC) Trang 10 Phương trình khử lưu huỳnh: 4CuFeS2 +9O2 2CuS + 2FeO +6SO2 Sau đó có các phản ứng oxy hóa một phần S S +2O2 2SO2 Cu2S + 2 O2 2CuO + SO2 FeS + O2 FexOy + SO2 Với những tạp chất chứa oxit sắt : để FexOy đi vào pha xỉ bằng cách cho thêm trợ dung thạch anh và vôi để tạo xỉ FexOy +FeS + SiO2 [(FeO)2.SiO2] +SO2 Hình II.3- Tổng quát về quá trình hỏa luyện đồng Hình II.4- Sơ đồ mô hình tạo xỉ trong phản ứng luyện đồng Xỉ thường sẽ có thành phần: (CaOx)(FeOy)(SiO2)z thường thì xỉ có thành phần 45% FeO, 32-35% SiO2, 5%CaO,còn lại là các chất khác Ban đầu phản ứng oxy hóa tạo xỉ sắt: Phương trình tạo xỉ sắt: 2FeS +O2+SiO2 2 FeO.SiO2 +2SO2 Trang 11 Giai đoạn thổi luyện thứ hai: 2Cu2S + O2 2Cu2O +2SO2 Giai đoạn thổi luyện thứ ba: Cu2S + Cu2O 6Cu +2SO2 Sau cùng, ta thu được đồng lần các tạp chất, độ tinh khiết của đồng trong sản phẩm là khoảng 45-60% 2 Công nghệ thủy luyện - Phương pháp này thường được dùng với các quặng: quặng đồng oxit nghèo chứa ít vàng bạc, quặng đồng tự nhiên và nước mỏ ở vùng khoáng sản đồng - Đây là công nghệ chủ yếu để xử lí quặng đồng oxit và quặng đồng hỗn hợp.Công nghệ này có các công đoạn: Nghiền quặng, hòa tách trong dung dịch axit sulphuric (thường sẽ có 3 loại dung môi chính: axit sunfuric loãng 5%, dung dịch muối sắt (III) sunfat, và dung dịch amon [NH3-(NH4)2CO3]) và phụ gia Cụ thể với từng dung môi hòa tách như sau: a) Với axit sunfuric loãng: CuCO3.Cu(OH)2, CuSiO3.2H2O, CuO, Cu2O bị hòa tan trong môi trường,dung môi này được dùng để hòa tách quặng oxit đồng chứa ít tạp chất bazo Nó rất dễ tái sinh khi điện phân để kết tủa đồng cực âm Các phản ứng chủ yếu CuCO3.Cu(OH)2 +H2SO4 2CuSO4+ CO2+3H2O CuSiO3.2H2O +H2SO4 CuSO4+SiO2+3H2O CuO +H2SO4 CuSO4 +H2O Khi hòa tách bằng H2SO4 xảy ra các phản ứng cơ bản sau: CuCO3.Cu(OH)2 +2H2SO4 +2H2O 2CuSO4.5H2O+CO2 CuSiO3.Cu(OH)2 +3H2SO4 +H2O 3CuSO4.5H2O +2CO2 Từ đó nhận được dung dịch 3CuSO4.5H2O.Tuy nhiên dung dịch này còn chứa nhiều tạp chất ví dụ như SiO2, Fe, Cl-, nên cần phải làm sạch trước khi điện phân b) Với dung dịch muối sắt III sunfat: dung môi này được dùng để hòa tách quặng đồng tự nhiên, đồng oxit và cả đồng sunfua đơn giản, nó hòa tách rất yếu đối với chalcopyrit (CuFeS2) Trong môi trường nước Fe2(SO4)3 bị thủy phân mạnh.Vì vậy trong thực tế người ta dùng nó cùng với các axit H2SO4 để chống thủy phân Dung môi này hòa tan rất tốt Cu2S và CuS Các phản ứng này xảy ra rất chậm (10-12 ngày đêm) Cu2S +2Fe2(SO4)3 2CuSO4+4FeSO4+S c) Với dung dịch amon: dung môi này dùng để tách quặng đồng tự nhiên,đồng oxit chứa nhiều tạp chất tính bazo Do đặc tính dễ bay hơi của NH3 và các hợp chất của nó,việc tái sinh và rửa bã rất dễ dàng.Các phản ứng chủ yếu CuCO3.Cu(OH)2 +NH4OH+(NH4)2CO3 2Cu(NH3)CO3 +8H2O CuO + 2NH4OH +(NH4)3CO3 Cu(NH3)4CO3 +H2O Cu2O+2NH4OH +(NH4)2CO3 +2 NH4OH Cu2(NH3)4CO3 +3H2O - Làm sạch dung dịch khỏi các tạp chất, điện phân chiết tách nhận được đồng Catot - Hiện nay thủy luyện đồng mới chiếm khoảng 10-15% lượng đồng sản xuất ra hằng năm Tuy nhiên, cùng với yêu cầu xử lí ngày càng nhiều quặng đồng oxit nghèo, sự dồi dào của các sản phẩm hóa học và yêu cầu bảo vệ môi trường Trang 12 - Đồng sau khi được sản xuất theo phương pháp này có độ tinh khiết trung bình là 99% Hình II.5- Cơ chế và hình ảnh thùng hòa tách thường dùng Hình II.6- Quy trình thủy luyện đồng - Hiện nay, tuy công nghệ thủy luyện có ưu điểm là sản xuất đồng với độ tinh khiết cao hơn, nhưng do giá thành máy móc và trang thiết bị, cồn nghệ hỏa luyện vẫn đang được dùng phổ biến, chủ yếu là do giá thành rẻ và thời gian sản xuất được nhanh Trang 13 PHẦN III: PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN TINH CHẾ ĐỒNG 1 Nguồn nguyên liệu đầu vào cho quá trình - Ta thấy rằng, mặc dù công nghệ sản xuất đồng có hiện đại đến đâu đi chăng nữa, thì vẫn chưa thể sản xuất được hàng loạt được nguồn đồng có độ tinh khiết cao được Đơn cử như việc dùng quá trình hỏa luyện thì sau phản ứng, ta chỉ thu được lượng sản phẩm có độ tinh khiết là 45-60% - Trong thời buổi hiện đại ngày nay, càng nhiều thiết bị có độ chính xác cao càng được ra đời, đi liền với sự phát triển đó là việc nguồn linh kiện có chất lượng phải càng ngày càng tốt, tức là nguyên liệu để sản xuất ra những linh kiện đó phải có độ tinh khiết ngày càng cao Mà đồng lại là một trong những loại nguyên liệu tối quan trọng để sản xuất ra những linh kiện đó Vì vậy, trong phần đồ án nhập môn Kỹ thuật Hóa học này, em xin giới thiệu đến các thầy cô về: “Công nghệ điện phân tinh chế đồng” nhằm phục vụ việc làm tinh khiết đồng từ những sản phẩm đồng được sản xuất ra có hàm lượng đồng thấp - Như đã nói bên trên, nguồn nguyên liệu đầu vào cho quá trình này chính là những sản phẩm đồng được sản xuất ra có chất lượng thấp theo phương pháp hỏa luyện hoặc là những sản phẩm đồng cần được tinh chế để có độ tinh khiết “bốn số 9” (99,99%) tùy theo nhu cầu sử dụng 2 Sơ đồ khối của việc tinh chế đồng bằng phương pháp điện phân - Hiện nay, quy trình “Điện phân tinh chế đồng kim loại” có rất nhiều cachs, nhưng cho dù cách nào đi chăng nữa, thì vẫn luôn tuân theo một quy trình nhất định gọi là sơ đồ khối Sơ đồ dưới đây sẽ miêu tả một cách tổng quát về sơ đồ khối trong công nghệ điện phân tinh chế đồng Trang 14 Hình III.1- Sơ đồ khối của quá trình tinh luyện đồng bằng phương pháp điện phân - Theo trên sơ đồ: + 2 tấm điện cực được đặt vào bể chứa dung dịch điện phân + Trước đó, dung dịch điện phân được pha bằng cách trộn lẫn dung dịch acid sulfuric và một và chất phụ gia khác + Nối 2 điện cực và 2 đầu dòng một chiều để quá trình điện phân được diễn ra + Sau khi điện phân, sẽ thu được: Đồng tinh khiết dưới dạng vô định hình bám ở cực âm Đem thu lại và nấu nóng chảy trong nồi đúc ta thu được đồng tinh khiết Dung dịch sau cùng chứa acid sulfuric, các phụ gia ban đầu và một ít dung dịch chứa cation muối đồng được đưa vào bể tập trung để thu hồi lại những nguyên liệu ban đầu Do nguyên liệu làm cực dương ban đầu là đồng lấy từ quá trình thủy/hỏa luyện, chưa đạt được độ tinh khiết cao, nên sau khi quá trình điện phân kết thúc sẽ còn “tàn cực” Trong “tàn cực” có thể chứa một phần ít các kim loại quý như bạc bithmut nên sẽ được thau rửa bằng một số dung dịch chuyên dụng nhằm múc đích hồi lại những nguyên liệu quý này Trang 15 3 Nguyên lí của việc dùng phương pháp điện phân tinh chế đồng - Nguyên lí của việc này rất đơn giản, đó chính là việc áp dụng hiện tượng “dương cực tan” để đưa đồng có độ tinh khiết thấp từ điện cực này sang thành đồng “9999” ở điện cực kia - Ta có: Hiện tượng dương cực tan là một trong những hiện tượng quan trọng trong hóa học, đặc biệt là trong các phản ứng điện hóa Đây là quá trình mà dương cực (cực tích điện dương) của một pin điện hóa bị oxi hóa (hoặc tan dần vào trong dung dịch điện phân) Hình III.2- Sơ đồ đơn giản về quá trình - Xét hình ảnh đơn giản của việc tinh chế đồng như sau: + Cực dương của điện cực được làm từ những tấm đồng không tinh khiết – sản phẩm được tạo ra từ quá trình sản xuất đồng bằng phương pháp hỏa luyện hoặc thủy luyện đã kể trên, cũng chính là nguyên liệu chính cho quá trình tinh chế + Cathode của điện cực được làm bằng tấm điện cực được làm bằng các tấm titan + Dung dịch điện phân được dùng thường là dung dịch H2SO4 - Các phản ứng xảy ra theo thứ tự sau: + Đầu tiên, ở cực dương xảy ra quá trình oxide hóa đồng, tấm đồng dương cực dần tan ra: Cu Cu2 2e + Sau đó, ở cực âm, xảy ra sự khử ion Cu2+, Cu tinh khiết bám vào tấm graphite dưới dạng vô định hình: Cu2 2e Cu - Đồng sinh ra bám chặt vào các tấm titan, sau đó, đồng tinh khiết đang bám trên bề mặt của titan được tách ra bằng hiện tượng vật lí liên quan đến giản nỡ nhiệt, và chỉ cần mang sản phẩm là các tấm đồng để đem đi phân phối trên thị trường Quá trình Trang 16 điện phân thường được diễn ra trong nhiều ngày trong cường độ dòng điện lớn với mục đích để sản xuất ra số lượng đồng lớn - Khối lượng đồng sản sinh trong quá trình điện phân được tính theo công thức: m 0, 0003316.I.t Trong đó: m là khối lượng đồng được sinh ra (kilogram-kg) I là cường độ dòng điện 1 chiều được sử dụng (Ampe-A) t là thời gian điện phân (giây-s) 4 Các thiết bị được sử dụng trong việc điện phân tinh chế đồng 4.1 Điện cực - Điện cực trong quá trình điện phân được chia làm 2 loại: + Cathode được làm bằng titan Hình III.3- Các tấm điện cực titan Tấm điện cực titan được sử dụng làm điện cực thường được làm thành hình tấm phẳng (như hình vẽ) Nguyên nhân sử dụng điện cực bằng titan: Cực âm titan có tính ổn định hóa học tốt Nó có khả năng chống ăn mòn tốt trong các môi trường axit và kiềm khác nhau Trong chất điện phân đồng, tốc độ ăn mòn chỉ 0,011 mm / năm Bề mặt của cực âm titan tạo thành một lớp oxit liên tục, dày đặc và đồng đều, giúp dễ dàng tạo ra dải đồng Do đó, không cần thiết phải sử dụng xà phòng làm chất giải phóng khi bắt đầu sản xuất Do sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt, các tấm titan, đồng và titan dễ dàng tách ra khỏi các tấm đồng và titan, và có thể được xé bằng tay Trang 17 Cực âm titan có tỷ lệ nhỏ titan trung bình, trọng lượng nhẹ và chỉ bằng 1/2 trọng lượng đồng, giúp giảm đáng kể cường độ lao động và cải thiện hiệu quả sản xuất Nó có thể được sử dụng ở mật độ dòng điện cao để tăng tốc độ sử dụng của tế bào điện phân và mở rộng năng lực sản xuất + Anode được làm bằng các tấm đồng đúc có hàm lượng thấp, được đúc thành tấm, cũng là nguồn nguyên liệu chính của quá trình tinh chế 4.2 Bể điện phân - Do dung dịch điện phân được sử dụng trong quá trình chính là dung dịch acid sulfuric có độ ăn mòn khá cao, nên thùng điện phân cũng sẽ được làm bằng các vật liệu chống chịu được tính acid, như: + Gốm chịu hóa chất: Gốm, đặc biệt là gốm alumina (Al2O3) hay gốm Zirconia (ZrO2), vì chúng chịu được ảnh hưởng của axit sulfuric và có khả năng chịu nhiệt độ cao + Nhựa chịu axit: Một số loại nhựa chịu hóa chất, như polyethylene (PE) hay polypropylene (PP), teflone, vì chúng trơ với acid sulfuric + Kim loại không gỉ: Thép không gỉ (stainless steel) có thể được sử dụng nếu nó có khả năng chịu ăn mòn từ axit sulfuric Các loại thép này có thể là hợp kim của nhôm hoặc crom với sắt - Chú ý rằng, việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ axit, nhiệt độ, và yêu cầu về ổn định hóa học của quá trình điện phân Trước khi lựa chọn vật liệu, nên xác định rõ yêu cầu của quá trình cụ thể để đảm bảo an toàn và hiệu suất cao nhất Hình III.4- Các bể điện phân được sử dụng trong thực tế 5 Sản phẩm đầu ra 5.1 Sản phẩm chính - Từ quá trình điện phân tinh chế, ta đã có thế thu được đồng có độ tinh khiết như ý muốn Theo như thực nghiệm cho thấy, đồng sản xuất theo phương pháp này có độ tinh khiết là 99,9-99,99% -Về hiệu quả kinh tế: Quy trình điện phân tuy còn hơi có phức tạp, nhưng đồng sản xuất ra đã có đầy đủ các tiêu chí: “sạch, rẻ, tinh khiết” Điều đó cho thấy rằng, công nghệ điện phân tinh chế đang càng ngày càng phát triển và phổ biến hơn trong đời sống Điều này được thể hiện rõ ràng ở giá đồng hiện tại chỉ dao động ở mức 135.000 đến 300.000đ/kg Trang 18 Hình III.5- Các tấm đồng được phân phối trên thị trường 5.2 Phụ phẩm - Tuy rằng công nghệ này dùng để điện phân tinh chế đồng, nhưng kèm theo đó là vài sản phẩm có giá trị khác như bạc, vàng, bitmut Tuy rằng những sản phẩm này chỉ chứa một phần nhỏ nhưng việc dùng công nghệ điện phân để thu hồi lại những kim loại này cũng đã góp không ít phần vào việc tiết kiệm kinh tế Trang 19