Đồ án nhập môn kỹ thuật hóa học đề tài tìm hiểu về quy trình điện phân tinh chế đồng kim loại

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

Trang 1

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:

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

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

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 m/ 3

- 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

STT Tên khoáng vật Kí hiệu Hàm lượng

Cu(%)

Tỉ trọng g/cm3

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

Quặng đồng (tấn kim loại Cu) Trữ lượng Tài nguyên dự báo 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

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

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 ( o 2 / 0,34

Si 28%

Al 9%

Fe 5%

Ca 4%

Na 3%

K 2%

Mg 2%

Cu 0%

+ 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

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 thốngphun 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

Hình I.7- Các vật dụng được làm bằng đồng a- Đồng xu thời trung cổ

b- Ống đồng

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

Năm

Chênh lệch (Nhập khẩu - xuất khẩu)

Số lượng

(Tấn)

Trị giá (Nghìn đô)

Số lượng (Tấn)

Trị giá (Nghìn đô)

Số lượng (Tấn)

Trị giá (Nghìn đô)

T6/2020 176.986 1.090.314 70.019 440.305 106.967 650.009 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

- 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

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

Hình I.9- Biểu đồ phần trăm số lượng sản xuất đồng trên thế giới

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)

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

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

- 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

- 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

Hình II.6- Quy trình thủy luyện đồng

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

- 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

Hình III.1- Sơ đồ khối của quá trình tinh luyện đồng bằng phương pháp điện phân