đồ án nhập môn kỹ thuật hóa học công nghệ sản xuất kim loại đồng ở quy mô công nghiệp

Bảng độ phổ Biến một số nguyên tố trong vỏ trái đất%-Kim loại Cu có độ phổ biến là 0,01%kim loại đứng thứ 14trong vỏ trái đất.Câu 2:-Phân loại đồng :chia thành đòng đỏ và hợp kim của đồn

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

ĐỒ ÁN NHẬP MÔN

KỸ THUẬT HÓA HỌC

Tên đề tài: Công nghệ điện phân tinh chế đồng

Công nghệ sản xuất kim loại đồng ở quy mô công nghiệp

Nhóm 06 NGUYỄN THẾ HUY Huy.NT230893@sis.hust.edu.vn NGUYỄN ĐỨC HUY Huy.NĐ230892@sis.hust.edu.vn

LÊ QUỲNH HƯƠNG Huong.LQ230881@sis.hust.edu.vn

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN THỊ THU HUYỀN Nhóm chuyên môn :

Chươn ại Đồng

Câu 1: Các tính chất hóa học và vật lý của kim loại đồng

Tính chất vật lý :

- Đồng là kim loại có tính dẻo, độ dẫn nhiệt cao,dẫn nhiệt cao,bề mặt đồng có màu cam đỏ rất đặc trưng -Đồng có khối lượng riêng là 8,98 g/cm3 và nhiệt độ nóng chảy 1083 oC

Tính chất hóa học:

Đồng là kim loại có tính khử yếu hơn các kim loại khác.Đồng có thể tác dụng được với phi kim,tác dụng với các axit và tác dụng với các dung dịch muối

Tác dụng với Phi Kim

-Tác dụng với O2,Cl2,Br2,S

2Cu + O => CuO (đun nóng nhiệt độ từ 800-1000 độ C)2

2.Tác dụng với các axit

-Tác dụng được với một số axit mạnh như HNO3,H2SO4 đặc ,nhưng không thể tác dụng với các axit yếu như HNO3 và H2SO4

Cu + 2 H2SO4(đ) => CuSO +SO +H O4 2 2

Cu + 4HNO (đ) => Cu(NO +2NO3 3)2 2+2H O2

3.Tác dụng với các dung dịch muối

-Cu có thể khử các kim loại đứng sau nó trong dung dịch muối

Cu +AgNO => Cu(NO +2 Ag3 3)2

-Trạng thái tự nhiên:Đồng có 29 đồng vị; với 63 Cu và 65 Cu là đồng vị của đồng với đồng 63Cu thì chiếm khoảng 69% đồng trong tự nhiên

-Ước tính tổng lượng đồng trên Trái Đất lên tới khoảng 1014 tấn trong vòng khoảng vài km của vỏ Trái Đất Tổng trữ lượng đồng lớn như vậy nhưng chỉ một tỷ lệ nhỏ trong số chúng là có giá trị kinh tế trong điều kiện công nghệ như hiện nay

Bảng độ phổ Biến một số nguyên tố trong vỏ trái đất(%) -Kim loại Cu

có độ phổ biến là 0,01% (kim loại đứng thứ 14)trong vỏ trái đất

Câu 2:

-Phân loại đồng :chia thành đòng đỏ và hợp kim của đồng

1) Đồng đỏ : là đồng có màu đỏ đặc trưng người ta thường dùng phương pháp

nhiệt phân để luyện đồng,đạt gần như 100% chất lượng đồng ,có độ bền trung bình,chống lại sự ăn mòn của kim loại và có tính thẩm mĩ cao 2) Hợp kim đồng:chia thành 2 hợp kim đó là hợp kim latông và hợp kim brong.Chúng cấu thành từ các kim loại khác như: Zn,Al,Pb được sử dụng rộng rãi và cũng có tính thẩm mĩ trong đồ công nghệ,độ bền cao

-Phân loại và 3 tính chất phổ biến của quặng đồng:

1) Phức tạp:ngoài đồng ra nó còn có chứa các hợp chất của các kim loại màu khác như Ni,Zn,Pb,As,Sb, các hợp chất kim loại hiếm như

47%

28%

9%

5%4%

3%3%2%

Độ phổ biến của Cu

O Si Al Fe Ca Na K Mg Cu

Te,Se,Bi,U ,các loại kim loại quý Au,Ag;các đất đã chay như SiO2,CaCO3,Al2O3

2) Đa kim:thường gặp quặng đồng đi liền với Co,Ni,Zn,Cu-Ni,Cu-Co,Cu-Zn

3) Nghèo:hàm lượng trung bình của quặng là 1-2% Cu

STT Tên khoáng vật Kí hiệu Hàm lượng Cu(%) Tỉ trọng

g/cm3

-Một số hình ảnh mẫu quặng đồng thường dùng:

Hình

1 Hình 2

-NHững vùng tụ khoáng quặng đồng quan trọng

-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

-Ứng dụng của đồng trong thực tế:

+)Đồng là 1 trong những kim loại đã được sử dụng sớm nhất vào khoảng 8000 trước công nguyên +)Kim loại đồng là loại có khả năng dẫn nhiệt,dẫn điện tốt,nó có tính dẻo,mềm ,dễ uốn và dễ dát mỏng,dó đó đồng được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống của chúng ta

1) Trong ngành sản xuất điện:chuyên dùng để sản xuất các loại dây điện,que hàn ,bo mạch điện từ,châm điện ,ống chân không,tản nhiệt,các chất bán dẫn,các kết nối điện

tử hay điện cực Rơ le điện,dây dẫn điện,các nguồn nam châm điện 2) Trong ngành xây dựng: dùng đồng để làm các ống thủy lợi,động cơ hơi nước wall

3) Trong ngành giao thông vận tải:dùng để sản xuất tàu thuyền

4) Trong các ngành công nghệ mỹ phẩm,trang trí : dàng để đúc tượng như :tượng Nữ thần tự do có chứa 81,3 tấn 179.200(pao) đồng hợp kim và dùng để làm các đồ vật trang trí nhà cửa như:tay nắm,tay cầm cửa 5) Trong nội thất gia đình:đòng dùng để ống chân không và bộ dẫn sóng cho cức xạ trong lò vi sóng

6) Trong âm nhạc:các loại nhạc khí thì đa số được làm bằng đồng(chủ yếu là đồng thau)

+) 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.Đồng 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.Một 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 nướcmuối

+) 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

Câu 3 : -Đối với đất nước Việt Nam: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 10.000 tấn đồng kim loại/năm,đã thay thế một phần lượng đồng kim loại nhập khẩu để cung cấp cho các ngành công nghiệp trong nước.Dưới đây là bảng khai thác kim loại đồng của một số tỉnh trên cả nước

Tên tỉnh thành phố

(Số mỏ có trữ lượng và

tài nguyên)

Tổng (tấn kim loại Cu)

Quặng đồng(tấn kim loại Cu) Trữ lưỡng Tài nguyên TN dự báo Lào Cai (6) 85.672,06 355.189,74 462.82,32 28.000,00 Yên Bái(3) 321.32,72 21.014,56 108.241,16 192.177,00 Sơn La(19) 305.305,45 35.664,00 134.345,45 135.396,00

Tổng 18009.874,71 421.299,49 708.837,57 1796.193,00 Bảng số liệu về trữ lượng,tài nguyên,tình hình dự báo của một số tỉnh nước VN

Tuy nhiên,so với thế giới trữ lưỡng cũng như số lượng sản xuất của VN là không đáng kể

Biểu đồ phần trăm số lượng sản xuất đồng trên thế

giới

Chile Peru Trung Quốc Mỹ

Úc Zambia Các nước còn lại

Chương 2:Các Công Nghệ Để Sản Suất Đồng Hiện Nay Hiện nay có rất nhiều các phương pháp công nghệ sản xuất đồng:hỏa luyện cổ điển,hỏa luyện hiện đại,thủy luyện cổ điển,thủy luyện hiện đại.Trong đó phương pháp hỏa luyện

cổ điển là phương pháp lâu đời và cho hiệu quả cao

1.Công nghệ nhiệt luyện:

Các bước tiến hành:

-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)

Hình 1: Máy tuyển từ Hình 2: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 độ C)

Phương trình khử lưu huỳnh:

4CuFeS2 +9O => 2CuS + 2FeO +6SO2 2

Sau đó có các phản ứng oxy hóa một phần S 2

S2 +2O => 2SO2 2

Cu2S + 2 O => 2CuO + SO2 2

4FeS + 7O => 2 Fe2 2O3 + 4SO2

3FeS +5 O => Fe2 3O4 +3 SO2

-Với những tạp chất chứa oxit sắt : để Fe3O4 đi vào pha xỉ bằng cách cho thêm trợ dung thạch anh

và vôi để tạo xỉ

3Fe3O4 +FeS + SiO2 => 5[(FeO)2.SiO2] +SO2

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.SiO +2SO2 2

Giai đoạn thổi luyện thứ hai: 2Cu S + O2=> 2Cu O +2SO2 2 2

Giai đoạn thổi luyện thứ ba: Cu S + Cu O => 6Cu +2SO2 2 2

-Với thiêu phẩm ta đem đi nhiệt luyện ra sten đồng(nguyên liệu lỏng đồng chứa 45-75%),còn khí SO đem đi sản suất axit sulfphuaric.Đem sten( hỗn hợp các sunfua tạp ) đi2

thổi luyện ra đồng thô,sau đó đem đồng thô đi tinh luyện bầng phương pháp tinh luyện để nhận đồng dương

Tinh luyện đồng thô bằng phương pháp hỏa tinh luyện nhận đồng dương cực:Khử các tạp chất dựa vào ái lực hóa học khác nhau của các kim loại đối với oxy và độ hòa tan thấp của đa số các oxy tạp chất trong đồng lỏng.Ái lực(thuộc tính điện tử mà các chất hóa học không giống nhau có khả năng kết hợp thành các chất hóa học) của các tạp chất với oxy

ở 1200 độ C được sắp xếp theo thứ tự như

sau:Zn,Fe,Sn,As,Ni,Sb,Pb,Bi,S,Cu,Te,Se,Ag,Au.Chín nguyên tôa đầu có ái lực với oxy lớn hơn đồng.Khi oxy hóa đồng lỏng bằng phương pháp thổi luyện không khí,do hàm lượng các tạp chất rất nhỏ so với hàm lượng đồng nên xảy ra phản ứng axy hóa đồng trước:

2Cu + ½ O => Cu O2 2

Sau đó oxy trong Cu2O lại oxy hóa các tạp chất kể trên(kí hiệu là Me) theo phản ứng:

Cu2O + (Me) = 2Cu +(MeO) Các oxy tạp chất MeO được tham gia tạo xỉ và khử đi.Trên thưucj tế thứ tự oxy hóa các chất không phù hợp với dãy ái lực hóa học đối với các oxy mà phụ thuộc vào độ tan của chúng trong đồng,nồng độ,độ bay hơi,số lượng oxy được cung cấp,sự tạo thành các hợp chất với đồng cà các yếu tố khác nữa

-Điện phân đồng dương cực nhận đồng catot thương phẩm

Điện phân tinh luyện đồng nhằm mục đích nâng cao chất lượng đồng từ (99,1-99,% Cu),đồng thời thu hồi thêm kim loại quý như vàng.Áp dụng

phương pháp điện phân trong dung dịch axit.Khi điện phân cực dương là đoòng dương cực,cực âm là cái tấm đồng.Các phản ứng điện hóa xảy ra như sau:

-Phản ứng cực dương:

Cu-2e => Cu ( đồng tan ra)2+

Cu-e=> Cu+

Phản ứng cực âm:ion Cu2+ phóng điẹn và được hoàn nguyên về đồng kim loại

Cu +2e=> Cu2+

Khi điện phân tại cực dương các nguyên tố có điện thế dương lớn đồng như:

Ag,Au,chúng ở lại cực dương ở dạng hợp kim hoặc hợp chất không bị hòa tan vì khó oxy hóa đi vào dung dịch,trở thành bùn dương cực

-Đem đồng dương đi đúc thành tấm đồng dương cực

+)Nhược điểm của phương pháp hỏa luyện: -Thải phát tán khí SO2

-Bão hòa thị trường axit sulphuaric -Chi phí đầu tư cao

-Sản sinh các tạp chất như As,Sb,Bi -Khả năng xử lí tinh quặng chất lượng thấp cững như tinh quặng nhiều tạp chất là chưa cao

-Không thể xây nhà máy ngay tại mỏ Hình1 :Máy đúc đồng dương cực

Vấn đề cần được giải quyết: Hằng năm các nhà máy luyện đồng thải ra khoảng trên 20 ngàn tấn xỉ thải có hàm lượng Au =0,2 g/t Ag =0,2g/t và Cu 0,9% ngoài ra còn nhiều nguyên tố khác nhau như REO,S Vì vậy cần tìm ra giải pháp công nghệ để thu hồi

2 Công nghệ thủy luyện cổ điển:

-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 [NH OH-4

(NH ) CO4 2 3])và phụ hia.Cụ thể với từng dung môi hòa tách như sau:

a Với axit sunfuric loãng:CuCO3.Cu(OH) ,CuSiO 2H2O,CuO,Cu2 3 2O 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

CuCO Cu(OH)3 2 +H2SO =>2CuSO4 4+ CO2+3H O2

CuSiO 2H3 2O +H2SO4=>CuSO +SiO +3H4 2 2O CuO +H SO4=> CuSO +H O2 4 2

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 Cu S vad CuS.Các phản ứng này xảy ra rất chậm(10-12 2

ngày đêm)

Cu2S +2Fe2(SO4)3 =>2CuSO4+4FeSO +S4

c Với dung dịch amon:dung môi này dùng để tách quặng đồng tự nhiên,đồng oxit chứa nhiều tạp chatas 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

CuCO Cu(OH) +NHOH+(NH CO) => 2Cu(NH)CO +8H O

CuO + 2 NH OH +(NH4 4) CO3=>Cu(NH CO3 3)4 3 +H O2

Cu O+2NH2 4OH +(NH4 2) CO3 +2 NH OH =>Cu4 2(NH CO +3H O3)4 3 2

-Làm sạch dung dịch khỏi các tạp chất,điện phân chiết tách nhận được đồng Catot.Nói chung trong quặng đồng oxit thường có của các khoảng vật sau

2CuCO3.Cu(OH)2 CuO.SiO2.2H2O CuFeS2

Khi hòa tách bằng H2SO4 xảy ra các phản ứng cơ bản sau:

CuCO Cu(OH)3 2 +2H2SO4 +2H O => 2CuSO2 4.5H O+CO2 2

CuSiO Cu(OH)3 2 +3H2SO4 +H O => 3CuSO2 4.5H2O +2CO2

Từ đó nhận được dung dịch 3CuSO4.5H2O.Tuy nhiên dung dịch này còn chứa nhiều tạp chất ví dụ như SiO ,Fe,Cl-,nên cần phải làm sạch trước khi điện phân 2

-Thiết bị và công nghệ thủy luyện đồng:

Hình 1+2 Cơ chế và hình ảnh thùng hòa tách thường dùng

-Quá trình hòa tách xỉ đồng sẽ diễn ra tốt nhất với nhiệt độ hòa tách là:

a) 65 độ C

b) Độ pH khi hòa tách pH=4,5

c) Tỉ lệ rắn/lỏng:1/5

Đối với quá trình hòa tách bằng axit: Thiết bị hòa tách phổ biến nhất là các thùng hòa tách theo phương pháp thẩm tràn qua lớp liệu dạng cục nhỏ,cỡ hạt trung bình 10mm.Thùng hòa tách này có dạng hình chữ nhật,dài 30-50m,rộng 20-35m,cao 5-6m.Nó được làm bê rông cốt thép,bên trong lót gạch chịu axit

Dung dịch được tuần hoàn từ dưới lên trên hoặc ngược lại.Thời gian hòa tách thường kéo dài 10-15 ngày.Có thể tiến hành hòa tách liên tục hay gián đoạn.Để hòa tách liên tục ,người ta đặt một dãy các thùng nối tiếp nhau.Dung dịch và quặng được tuần hoàn theo nguyên tắc ngược dòng:dung môi tươi,mạnh tiếp xúc với bã quặng nghèo đồng ở dưới thùng Còn dung dịch giàu đồng từ thùng cuối lại tiếp xúc với quặng tươi Đối với quá trình hòa tách bằng amon:Thiết bị hòa tách thường là các thùng thép,tiết diện tròn,có nắp đậy kín.Phương pháp tách cũng theo phương pháp thẩm tràn tương tự như hòa tách bằng axit.Mối thùng chứa được 500 tấn quặng,kích thước thùng:dường kính 9-16cm,cao ,5-5 m

Đối với quá trình xi măng hóa kết tủa đồng:Thiết bị dùng có hiệu quả hơn cả là máng xi măng hóa làm bằng gỗ hay bê tông.Máng có chiều rộng 0.3-3 m;sâu 0,5-1,5 m;chiều dài phụ thuộc vào lượng dung dịch,nồng độ dd và hoạt động bột sắt.Dọc theo chiều dài của máng có đáy giả dạng lưới,trên đó đổ bột sắt hay phôi vụn.dung dịch được thấm qua đáy giả từ dưới lên