Nghiên cứu qui trình công nghệ xử lý, thu hồi Cu từ bản mạch điện tử thải bỏ

Nghiên cứu qui trình công nghệ xử lý, thu hồi Cu từ bản mạch điện tử thải bỏ

Vai trò sinh h cọ 17 MỞ ĐẦU Sự gia tăng nhanh chóng của lượng chất thải từ các thiết bị điện, điện tử trong vài năm gần đây đang được các nhà Khoa học cũng như kinh tế trên thế giới quan tâm đặc biệt. Các thiết bị điện, điện tử là những vật dụng hữu ích phục vụ cuộc sống con người, nhưng khi thải bỏ lại là chất thải nguy hại cần phải có biện pháp xử lý đặc biệt. Ở Việt Nam, Bộ Tài nguyên môi trường đang được thủ tướng giao soạn thảo quyết định về trách nhiệm của các nhà sản xuất, nhập khẩu, phân phối và tiêu dùng phải thu gom, xử lý các thiết bị điện tử hỏng, hết hạn sử dụng. Bản mạch là một bộ phận thiết yếu trong thiết bị điện, điện tử có chứa lượng lớn kim loại có giá trị. Theo ước tính chứa khoảng 10% đồng và nhiều kim loại có giá trị khác. Điều đó cũng chỉ ra rằng, nếu thu hồi kim loại trong đó thì sẽ tiết kiệm được tài nguyên và có giá trị kinh tế. Ước tính khoảng 50.000 tấn bản mạch điện tử được sản xuất mỗi năm ở Anh và chỉ 15% được thu hồi, còn lại 85% được chôn lấp. Đồng là kim loại chiếm tỉ lệ lớn nhất trong tổng số kim loại có trong bản mạch và ứng dụng nhiều trong đời sống. Do vậy, việc thu hồi Cu trong bản mạch thải bỏ không chỉ có ý nghĩa về mặt môi trường mà còn có giá trị kinh tế và bảo vệ tài nguyên. Chính vì vậy, trong luận văn này chúng tôi đi sâu vào tìm hiểu và bước đầu “Nghiên cứu qui trình công nghệ xử lý, thu hồi Cu từ bản mạch điện tử thải bỏ”. Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về chất thải điện tử [1, 12] 1.1.1 Định nghĩa về chất thải điện tử (E-Waste) Hiện nay vẫn chưa có một định nghĩa chính xác nào về chất thải điện tử do tính đa dạng và phức tạp của các sản phầm điện tử. Mỗi quốc gia có định nghĩa và giải thích riêng về chất thải điện tử. Theo OECD (tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế) thì tất cả các thiết bị sử dụng năng lượng điện để vận hành khi đã hết khả năng sử dụng đều được coi là chất thải điện tử (E-Waste). Một cách tổng quát: Chất thải điện tử (CTĐT) bao gồm toàn bộ các thiết bị, dụng cụ, máy móc điện, điện tử cũ, hỏng, lỗi thời không được sử dụng nữa cũng như các phế liệu, phế phẩm thải ra trong quá trình sản xuất, lắp ráp và tiêu thụ. 1.1.2 Thành phần vật chất của chất thải điện tử Chất thải điện tử là một loại chất thải rắn không đồng nhất và phức hợp về vật chất và thành phần. Để phát triển hệ thống tái chế thân thiện môi trường và có hiệu quả điều quan trọng là phân loại và nhận dạng vật liệu có giá trị, các chất nguy hại tiếp theo là các đặc trưng vật lý của luồng chất thải điện tử. Chất thải điện và điện tử chứa hơn 1000 chất khác nhau, trong đó có nhiều chất độc hại như : chì, thuỷ ngân, asen, cadmium, selennium, chất chống cháy có khả năng 2 tạo ra dioxin khi cháy. Theo quan điểm tái chế có thể phân loại theo 2 nhóm: 1.1.2.1 Thành phần vật chất chung có giá trị Theo Trung tâm Các vấn đề Quản lý Tài nguyên và Chất thải Châu Âu (ETC/RWM), sắt và thép là các nguyên liệu phổ biến nhất trong các thiết bị điện và điện tử và chiếm hơn 50% tổng lượng chất thải điện và điện tử. Nhựa là thành phần nhiều thứ hai chiếm xấp xỉ 21% ; kim loại khác bao gồm cả kim loại quý hiếm (Al, Zn, Cu, Pb, Sn, Cr, Au, Ag, Pt, Pd …) chiếm xấp xỉ 13% tổng trọng lượng chất thải điện và điện tử. 1.1.2.2 Các thành phần và các chất nguy hại Chất thải điện và điện tử gồm rất nhiều thành phần có kích cỡ và hình dạng khác nhau, trong đó có một số thành phần có chứa các chất nguy hại cần được xử lý riêng. Bảng 1. Các chất độc hại trong rác thải điện, điện tử Chất độc hại Nguồn gốc Tác hại đối với môi trường và cơ thể sống Polyclo biphenyl (PCB) Tụ điện, máy biến thế Gây ung thư, ảnh hưởng đến hệ thần kinh, hệ miễn dịch, tuyến nội tiết Tetrabrombi sphenol-A (TBBA) Polybrombip Chất chống cháy cho nhựa (nhựa chịu nhiệt, cáp cách điện) TBBA được dùng rộng rãi Gây tổn thương lâu dài đến sức khỏe, gây ngộ độc sâu khi cháy 3 henyl (PBB) Diphenylete (PBDE) trong chất chống bắt lửa của bản mạch máy in và phủ lên các bộ phận khác Polybrom clo flocacbon Trong bộ phận làm lạnh, bột cách điện Khi cháy gây nhiễm độc Polyvinyl clorua (PVC) Cáp cách điện Cháy ở nhiệt độ cao sinh ra dioxin và furan As Lượng nhỏ ở dạng gali asenua, bên trong các diod phát quang Gây ngộ độc cấp tính và mãn tính Ba Chất thu khí màn hình CRT Gây nổ nếu ẩm ướt Be Bộ chỉnh lưu, bộ phận phát tia Độc nếu nuốt phải Cd Pin Ni-Cd sạc lại, lớp huỳnh quang (đèn hình CRT), mực máy in và trống, máy photocopy ( trống máy photo) Độc cấp tính và mãn tính 4 Cr(VI) Băng và đĩa ghi dữ liệu Độc cấp tính và mãn tính, gây dị ứng Galli asenua Diod phát quang Tổn thương đến sức khỏe Pb Màn hình CRT, pin, bản mạch máy in Gây độc với hệ thần kinh, thận, mất trí nhớ đặc biệt với trẻ em Li Pin liti Gây nổ nếu ẩm Hg Trong đèn hình màn hình LCD, pin kiềm và công tắc Gây ngộ độc cấp tính và mãn tính Ni Pin Ni-Cd sạc lại hoặc trong màn hình CRT Gây dị ứng Các nguyên tố đất hiếm ( Y, Eu) Lớp huỳnh quang màn hình CRT Gây độc với da và mắt Se (trong máy phô tô cũ) Lượng lớn sẽ gây hại cho sức khỏe Kẽm sunfua Các bộ phận bên trong màn hình CRT, trộn với nguyên tố đất hiếm độc nếu nuốt phải Các chất độc hữu cơ Thiết bị hội tụ ánh sáng, màn hình tinh thể lỏng LCD 5 Hình 1: Hình ảnh bản mạch điện tử thải bỏ Bụi màu Hộp màu máy in laser, máy photocopy Gây độc đến hệ hô hấp Chất phóng xạ Thiết bị y tế, detector Gây ung thư 1.2 Giới thiệu về bản mạch điện tử [1, 16, 17] 6 Bản mạch ra đời cùng với các thiết bị điện và điện tử và chúng đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị này. Bản mạch điện tử được sử dụng chủ yếu để kết nối giữa những thành phần như những mạch điện, những điện trở và đầu nối. 1.2.1 Cấu tạo của bản mạch điện tử Bản mạch điện tử trong tiếng anh là motherboard hay main board, logic board, systemboard gọi chung là printed circuit board (PCB). Một board mạch in, hoặc PCB, máy móc được sử dụng để hỗ trợ kết nối điện tử và linh kiện điện tử bằng cách sử dụng con đường dẫn, hoặc dấu vết, khắc từ tấm đồng tráng lên một chất nền không dẫn điện. Bản mạch điện tử là bản mạch in có chứa các linh kiện điện tử ngoài ra còn có đế cắm, khe cắm các bo mạch mở rộng khác. Bản mạch bao gồm một tấm bản thành phần chủ yếu là nhựa cứng trên đó được phủ đồng và gắn các thành phần khác.Có một vài chất cách điện khác nhau mà có thể được chọn để cung cấp cho cách ly các giá trị khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của mạch. Những vật liệu cách điện được sử dụng trong công nghệ bản mạch điện là FR-4 (lưới thuỷ tinh và nhựa epoxy), FR-5 (lưới thuỷ tinh và nhựa epoxy) … Phần bản mạch bao gồm các tấm đồng được dát mỏng (loại 142g đồng/30.5 cm 2 ) và các tấm sợi thủy tinh với lớp phủ bên ngoài bằng hợp kim hàn (37% chì, 63% thiếc) độ dày khoảng 0.0005 inh để chống axit và dễ hàn. Hình dưới cấu tạo cơ bản của một bản mạch: 7 Với bản mạch nhiều lớp (một bản mạch với 2 lớp đồng) một mảnh nhựa tổng hợp được đặt giữa tạo thành lõi cách điện, có chất dính bổ xung sẽ dính chặt 2 lớp đồng bên trên và bên dưới vào. Hình dưới là hình ảnh các lớp nhựa: Hình 3: Cấu tạo lớp lõi Lá đồng là một tấm bản mỏng được đặt trên bề mặt nhựa và được bám chắc vào bằng chất dính. Hình 4: Lớp đồng Để bảo vệ đồng chống lại các tác động của môi trường người ta phủ lên lá đồng một lớp bọc đồng mỏng bằng thuỷ tinh có tác dụng bao bọc và bảo vệ lớp đồng bên trong. Hình 2: Cấu tạo cơ bản của một bản mạch. 8 Hình 6: Hình ảnh các mối hàn và tụ điện Hình 5: Mô tả lớp vỏ bọc đồng Để gắn các thành phần vào bản mạch và tạo mối dẫn truyền thì người ta thường sử dụng các hợp kim hàn. Trên hình 3 ta thấy trên bản mạch có vô số các mối hàn được tạo bởi các hợp kim hàn gồm (40% chì, 60% thiếc) màu sáng bạc. Hình bên chỉ ra vị trí của các hợp kim này Hình 7: Mô tả lớp hợp kim hàn trên bản mạch Trên đây chỉ là hình ảnh cấu tạo của một bản mạch cơ bản, ngoài ra còn có một số thành phần khác như màng che phủ mối hàn, các rãnh và các bờ gồ ghề trên bản mạch để gắn các thiết bị. 1.2.2 Thành phần chủ yếu của bản mạch 9 Trong bản mạch có thể chia ra làm 2 thành phần chính sau: thành phần nhựa và thành phần kim loại. Thành phần nhựa cấu tạo nên tấm bản chiếm sấp xỉ 70% khối lượng của toàn mạch, được tạo ra từ hỗn hợp những hợp chất bao gồm chất độn, nhựa cứng, chất chống cháy các chất màu, chất xúc tác … Thành phần cụ thể như sau: Bảng 2: Thành phần chất cách điện Chất độn (thường là SiO 2 ) Nhựa cứng Chất hoá rắn ( đuôi NH 2 ) Chất chống cháy Chất xúc tác Hợp chất màu 65-75% 20-30% 2-6% 1-10% 0,6-1,0% 0,5% Trong bản mạch chứa khoảng gần 28% kim loại trong đó có những kim loại không chưa sắt như Cu, Al, Sn… Độ thuần khiết của các kim loại này cao hơn 10 lần thành phần của chúng trong các quặng khoáng vật thu được từ tự nhiên. Các thành phần chủ yếu của bản mạch điện tử bao gồm các xấp xỉ như sau: Bảng 3: Thành phần kim loại Thành phần kim loại Phần trăm khối lượng Đồng 16 Hợp kim hàn ( thiếc và chì) 4 Thành phần sắt và các ferit ( từ lõi máy biến thế) 3 Niken 2 Bạc 0.05 Vàng 0.03 Platin 0.01 Các kim loại khác ở lượng vết bao gồm bismut… < 0.01 Lưu ý là thành phần các kim loại trên chỉ có tính chất tương đối do tính chất phức tạp của nguồn gốc bản mạch ví dụ như từ máy tính, ti vi, điện thoại di 10 [...]... đồng từ bản mạch điện thoại có thể đạt 90-95%, hiệu suất cường độ dòng điện theo đồng là khoảng 90-100% Để đạt được hiệu quả thu hồi các kim loại cao, người ta thường kết hợp nhiều phương pháp Nhóm các nhà nghiên cứu của Đại học Newcastle, UK đã nghiên cứu quá trình kết hợp hoà tan chọn lọc và điện phân để thu hồi Cu, Pb, Sn từ bản mạch điện tử Bản mạch được nghiền nhỏ và hoà tan trong dung dịch nghiên. .. Hàn Quốc nghiên cứu tại Trung tâm ĐHKHTN đang nghiên cứu kết hợp các phương pháp theo định hướng phù hợp với làng nghề Việt Nam, sản xuất quy mô nhỏ 30 Chương 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Mục tiêu và nội dung Trên cơ sở hiểu biết một cách đầy đủ về đặc tính, các phương pháp xử lý thu hồi kim loại từ chất thải điện tử chúng tôi xây dựng quy trình công nghệ thu hồi kim loại Cu từ bản mạch điện tử thải bỏ phù hợp... hòa HNO3 Điện phân Cu Cu(II)+2e- Cu Điện phân Pb Pb(II)+2e-→Pb Hòa tan với dung dịch HCl 1,5M H2SnO3+6HCl→H2SnCl6+3H2O Điện phân Sn Sn(IV) +4e-→Sn Catot: Điện phân Cu Cu(II)+2e- Cu Anot: Điện phân PbO2 Pb(II)+2H2O→PbO2 +4H+ +2e- Thu hồi HCl Thu hồi HNO3 Hình 11: Sơ đồ quá trình hoà tan chọn loc và điện phân thu hồi Cu, Pb, Sn 29 Nhược điểm của các phương pháp thu luyện và điện phân là phải xử lý các... thải bỏ được thu gom tại thôn Bùi Dâu - Mỹ Hào - Hưng Yên Bản mạch điện tử thường chứa nhựa epoxy, Cu, Ni, Fe, Al, và một số kim loại quý như Au, Ag… Những vật liệu này, kim loại và các thiết bị điện được gắn lên tấm bản mạch bởi hợp kim Pb-Sn Bản mạch có gắn rất nhiều các linh kiện điện và điện tử nên cần được tách bóc sơ bộ Sau khi tách bóc chúng tôi phân loại được các loại như hình 13 Bản mạch từ. .. ta thường xử lý chất thải này bằng cách kết hợp nhiều quy trình công nghệ khác nhau Thành phần kim loại trong bản mạch rất phức tạp và có thể thay đổi tuỳ thu c vào từng mẫu Bản mạch khi thua mua về sau khi gỡ bỏ tháo các linh kiện điện tử còn chứa rất nhiều kim loại có giá trị như đồng, vàng, bạc, platin Ngoài ra còn có các kim loại nặng khác gây ô nhiễm yêu cầu chúng ta cần được thu hồi và xử lý trước... chuyển chất thải độc hại thành không độc hại hoặc ít độc hại hơn Nhóm các nhà nghiên cứu của Đại học Bách khoa Hà Nội và Trường Đại học Khoa học ứng dụng Tây Bắc Thụy Sỹ đã nghiên cứu thu hồi đồng bằng phương pháp ngâm chiết sử dụng CN -, Cl-, NaOH Trong nghiên cứu này, Cu, Ag, Au được hoà tan chọn lọc từ bản mạch in điện tử thải của máy tính xách tay có chứa vàng vào trong dung dịch Bản mạch được nghiền... 2.3.2 Quy trình thực nghiệm thu hồi Cu Để khảo sát hiệu quả thu hồi Cu trong bản mạch chúng tôi tiến hành cân ag bản mạch đã tuyển hoà tan trong dung dịch Lọc lấy dung dịch, loại bỏ các 35 kim loại trong dung dịch bằng NH3 Xác định hàm lượng Cu trong dung dịch thu được theo mục 2.4.1 và 2.4.2 2.4 Các phương pháp phân tích sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm 2.4.1 Chuẩn độ Cu2 +[4] Phân tích Cu2 + theo... kim loại khác nữa Đối tượng nghiên cứu của chúng tôi là các tấm bản mạch cũ hỏng thải bỏ sau khi đã được tách bóc Bản mạch sau khi được tách bóc trải qua các quá trình tiền xử lý như sau: 1: Cắt nhỏ bản mạch thải bỏ bằng kìm cắt 2: Nghiền nhỏ bản mạch bằng máy nghiền bi tại phòng thí nghiệm Vật liệu vô cơ của khoa Hoá học- trường ĐHKHTN 3: Phân loại bằng cách tuyển qua rây thu 3 phân đoạn: kích thước... lẫn tốt các khí cháy - xoáy Để làm giàu các kim loại trong bo mạch điện tử, phương pháp tiền xử lý bao gồm quá trình cơ khí, tách loại, cắt, nghiền nhỏ, tuyển nổi, và quá trình nhiệt Nhiều tác giả đã tổng hợp tình hình tái chế chất thải điện và điện tử ở Hàn Quốc hiện nay Đặc biệt là việc tái chế các kim loại quý từ chất thải bản mạch điện tử Ở Hàn Quốc vào thời điểm hiện nay, việc ứng dụng tập trung... ít đi do công nghệ sản xuất phát triển giúp tiết kiệm nguyên liệu hay yêu cầu bảo vệ môi trường 1.3 Tác động môi trường và sức khỏe của chất thải điện tử Các thiết bị điện, điện tử chứa những chất khác nhau đòi hỏi sự xử lý tốt trong suốt quá trình thu hồi và tái sinh vật liệu, để ngăn chặn những rủi ro cho người công nhân, cộng đồng và môi trường 1.3.1 Các chất nguy hại trong chất thải điện tử [13] . đầu Nghiên cứu qui trình công nghệ xử lý, thu hồi Cu từ bản mạch điện tử thải bỏ . Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về chất thải điện tử [1,. này. Bản mạch điện tử được sử dụng chủ yếu để kết nối giữa những thành phần như những mạch điện, những điện trở và đầu nối. 1.2.1 Cấu tạo của bản mạch điện