CÔNG NGHỆ LUYỆN ĐỒNG VÀ CÁC CHẤT THẢI KÈM THEO CÙNG NGUỒN GỐC CỦA CHÚNG TRONG QUÁ TRÌNH LUYỆN ĐỒNG

Trong thời kỳ La Mã, nó được biết với tên aes Cyprium aes là thuật ngữ Latinh chung để chỉ các hợp kim của đồng như đồng đỏ và các kim loại khác, và bởi vì nó được khai thác nhiều ở Síp.

TIỂU LUẬN KHOA HỌC

ĐỀ TÀI

CÔNG NGHỆ LUYỆN ĐỒNG VÀ CÁC CHẤT THẢI KÈM THEO CÙNG NGUỒN GỐC

CỦA CHÚNG TRONG QUÁ TRÌNH LUYỆN ĐỒNG

PHẠM VĂN HẢI CHĂN THẠ VỊ LAY PHON TRẦN THANH NGA

HÀ TÙNG GIANG

MỤC LỤC

II.2 Nước và năng lượng của công nghệ luyện đồng 7

III.1 Mô hình của quá trình sản xuất đồng : 9

I GIỚI THIỆU CHUNG

Đồng là một kim loại có màu vàng ánh đỏ, có độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt cao (trong số các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ có bạc có

độ dẫn điện cao hơn) Đồng có lẽ là kim loại được con người sử dụng sớm nhất do các đồ đồng có niên đại khoảng năm 8700 trước công nguyên (TCN)

đã được tìm thấy

Trong thời của nền văn minh Hy Lạp, đồng được biết với tên

gọi chalkos Trong thời kỳ La Mã, nó được biết với tên aes Cyprium (aes là

thuật ngữ Latinh chung để chỉ các hợp kim của đồng như đồng đỏ và các kim loại khác, và bởi vì nó được khai thác nhiều ở Síp) Từ những yếu tố

lịch sử này, tên gọi của nó được đơn giản hóa thành Cuprum và là tên gọi

Latinh của đồng

Đồng có trữ lượng rất lớn trong tự nhiên nó tồn tại ở cả dạng đơn chất và hợp chất nhưng chủ yếu tồn tại ở dạng hợp chất và có trong nhiều loại khoáng chất khác nhau.Các khoáng chất có chứa các hợp chất của đồng như : cacbonat azurit (2CuCO3Cu(OH)2) và malachit (CuCO3Cu(OH)2) các sulfua như chalcopyrit (CuFeS2), bornit (Cu5FeS4), covellit (CuS), chalco cit (Cu2S) và các ôxít như cuprit (Cu2O)

Phần lớn đồng trích xuất được từ các mỏ lộ thiên trong các khoáng sản có ít hơn 1% đồng Các ví dụ bao gồm: mỏ Chuquicamata ở Chilê và

mỏ El Chino ở New Mexico

Đồng là vật liệu dễ dát mỏng, dễ uốn, có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, vì vậy nó được sử dụng một cách rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm: Dây điện; que hàn đồng; tay nắm và các đồ vật khác trong xây dựng nhà cửa; đúc tượng: Ví dụ tượng Nữ thần Tự Do, chứa 81,3 tấn đồng hợp kim; cuộn từ của nam châm điện; Động cơ, đặc biệt là các động cơ điện;

động cơ hơi nước của Watt; rơ le điện, dây dẫn điện giữa các bảng mạch và các chuyển mạch điện; ống chân không, ống tia âm cực và magnetron trong các lò vi ba; bộ dẫn sóng cho các bức xạ vi ba; việc sử dụng đồng trong các mạch IC đã trở nên phổ biến hơn để thay thế cho nhôm vì độ dẫn điện cao của nó; là một thành phần trong tiền kim loại; trong đồ nhà bếp; phần lớn các đồ dùng bằng niken trắng dùng ở bàn ăn (dao, nĩa, thìa) có chứa một lượng đồng nhất định; trong chế tạo đồ đựng thức ăn bằng bạc (hàm lượng bạc từ 92,5% trở lên), có chứa một số phần trăm đồng; gốm kim loại và thủy tinh màu; các loại nhạc khí, đặc biệt là các loại nhạc khí từ đồng thau; làm bề mặt tĩnh sinh học trong các bệnh viện hay các bộ phận của tàu thủy

để chống hà; các hợp chất, có ứng dụng trong phân tích hóa học; đồng (II) Sulfat được sử dụng như là thuốc bảo vệ thực vật và chất làm sạch nước

Ngoài ra, đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho các loài động, thực vật bậc cao Đồng được tìm thấy trong một số loại enzym, bao gồm

nhân đồng của cytochrom c oxidas, enzym chứa Cu-Zn superoxid dismutas,

và nó là kim loại trung tâm của chất chuyên chở ôxy hemocyanin Máu của

cua móng ngựa (cua vua) Limulus polyphemus sử dụng đồng thay vì sắt để

chuyên chở ôxy

Theo tiêu chuẩn RDA của Mỹ về đồng đối với người lớn khỏe mạnh

là 0,9 mg/ngày

Đồng được vận chuyển chủ yếu trong máu bởi protein trong huyết tương gọi là ceruloplasmin Đồng được hấp thụ trong ruột non và được vận chuyển tới gan bằng liên kết với albumin

Một bệnh gọi là bệnh Wilson sinh ra bởi các cơ thể mà đồng bị giữ lại, mà không tiết ra bởi gan vào trong mật Căn bệnh này, nếu không được điều trị, có thể dẫn tới các tổn thương não và gan

Người ta cho rằng kẽm và đồng là cạnh tranh về phương diện hấp thụ trong bộ máy tiêu hóa vì thế việc ăn uống dư thừa một chất này sẽ làm thiếu hụt chất kia

Các nghiên cứu cũng cho thấy một số người mắc bệnh về thần kinh như bệnh schizophrenia có nồng độ đồng cao hơn trong cơ thể Tuy nhiên, hiện vẫn chưa rõ mối liên quan của đồng với bệnh này như thế nào (là do cơ thể cố gắng tích lũy đồng để chống lại bệnh hay nồng độ cao của đồng là do căn bệnh này gây ra)

Từ thời xa xưa, con người đã biết khai thác và sử dụng đến đồng với

tư cách là vật liệu để tạo ra các công cụ lao động, vũ khí, đồ dùng thường ngày, đồ trang sức và nó đã dần trở thành một loại nguyên liệu không thể thiếu trong đời sống của con người Đồng đã được ghi chép trong các tư liệu của một số nền văn minh cổ đại, và nó có lịch sử sử dụng ít nhất là 10.000 năm Hoa tai bằng đồng đã được tìm thấy ở miền bắc Iraq có niên đại 8.700 năm TCN Khoảng 5.000 năm TCN đã có những dấu hiệu của việc luyện, nấu đồng, việc tinh chế đồng từ các ôxít đơn giản của đồng như malachit hay azurit Các dấu hiệu sớm nhất của việc sử dụng vàng chỉ xuất hiện vào khoảng 4.000 năm TCN

Người ta còn tìm thấy các đồ vật bằng đồng nguyên chất và đồng đỏ ở các thành phố Sumeria có niên đại 3.000 năm TCN, và các đồ vật cổ đại của người Ai Cập bằng đồng và hợp kim của đồng với thiếc cũng có niên đại tương tự Trong một kim tự tháp, một hệ thống hàn đồng đã được tìm thấy

có niên đại 5.000 năm Người Ai Cập đã phát hiện ra rằng nếu thêm một lượng nhỏ thiếc vào sẽ làm cho kim loại trở nên dễ đúc hơn, vì thế các hợp kim đồng đỏ đã được tìm thấy ở Ai Cập gần như là đồng thời cùng với đồng Việc sử dụng đồng ở Trung Hoa cổ đại có niên đại ít nhất là 2.000 năm TCN Vào khoảng 1200 năm TCN những đồ đồng đỏ hoàn hảo đã được sản xuất ở Trung Quốc Cũng lưu ý rằng các số liệu ngày, tháng này chịu ảnh hưởng của các cuộc chiến tranh do đồng rất dễ nấu chảy và được tái sử

dụng Tại châu Âu, Oetzi the Iceman, thi thể một người đàn ông được bảo

quản tốt có niên đại 3.200 TCN, đã được tìm thấy với chiếc rìu bịt đồng có

độ tinh khiết của đồng là 99,7% Nồng độ cao của asen trong tóc của ông ta

có lẽ là do ông đã tham gia vào việc nấu đồng

Ngày nay, với những ích lợi và tác dụng to lớn của đồng không chỉ đối với nền kinh tế mà còn cả trong cuộc sống của con người, con người đã không ngừng cải tiến các phương pháp kỹ thuật để khai thác và sản xuất đồng Số lượng các nhà máy sản xuất đồng trên thế giới ngày càng tăng, cùng với đó là lượng đồng được khai thác hàng năm và chất lượng ngày càng cao Ở Việt Nam, nhà máy luyện đồng đầu tiên là nhà máy luyện đồng thuộc Tổ hợp đông Sin Quyền Lào Cai được khánh thành chiều ngày 25/8/2008 Nhà máy đã đi vào hoạt động từ quý 4 năm 2008 và đã cho ra lò

mẻ đồng đầu tiên có trọng lượng 20 tấn Chất lượng đồng là 99,5%

Hiện tại có 2 công nghệ được dùng phổ biến nhất là hỏa luyện và thủy luyện Ngoài ra, cũng có công nghệ khác như ngâm triết đồng

II Nguyên vật liệu, năng lượng

II.1 Nguyên liệu luyện đồng

Nguyên liệu dùng cho quá trình luyện đồng là đồng phế và các quặng đồng Việc lựa chọn nguyên liệu tuỳ thuộc theo điều kiện kinh tế, công nghệ Đồng luyện từ phế liệu chiếm khoảng 30% so với đồng luyện từ quặng

Hiện nay người ta đã tìm thấy khoảng 240 khoáng vật (quặng chứa đồng) nhưng chỉ có 10 loại trong số đó có ý nghĩa đối với ngành công nghệ luyện kim Quặng đươc chia ra làm 2 loại chính : quặng sunfua do các khoáng sản của sunfua tạo thành và quặng oxit do các khoáng oxit, silicat và cacbonat tạo thành Quặng đồng nghèo chứa đồng thấp hơn 1%, quặng đồng trung bình chứa 1-3% đồng, cao hơn 3% gọi là quặng giàu Đa phần hiện nay khai thác quặng nghèo chứa 0,35% đồng, quặng đồng thường cộng sinh với nhiều kim loại khác như Ni, Co, Pb, Zn, Fe nên thành phần rất phức tạp

Đa phần quặng đồng ở dạng sunfua.[1]

Dưới đây là một số quặng phổ biến được sử dụng trong công nghệ luyện

đồng.[1]

tạo

Thành phần %

tạo

Thành phần %

II.1.1 Quặng sunfua

II.1.1.1 Quặng chalcopyrite

Trong quặng sunfua thì quặng chalcopyrite phân bố rộng nhất Chalcopyrite có màu đồng thau, có ánh kim, có độ cứng lớn

Chalcopyrite, khoáng vật của đồng thuộc lớp sunfua CuFeS2 tạp chất Xexi, telu,kẽm, vàng, bạc, vv…, hệ tứ phương Màu vàng thau, ánh kim mạnh Tập hợp nhạt, dạng cần, dạng then,vv… Độ cứng 3-4, khối lượng riêng 4,1-4,39 g/cm3 Thưòng gặp trong các mỏ nguồn gốc macma dung li, scacnơ, nhiệt hạch, trầm tích Phổ biến trong các mỏ đồng sinh quyển (Lào Cai), mỏ đồng niken Bản Xang (Sơn La).[1]

II.1.1.2 Quặng bornite

Bornite, khoáng vật của đồng thuộc lớp Cu5FeS4 Hệ lập phương, đa hình, tập hợp hạt, khối đặc sịt Màu sẫm, đỏ màu đồng với các tia màu sặc sỡ trên mặt, ánh bán kim Độ cứng 3,0; khối lượng riêng 4,9-5,3 g/cm3 Thường gặp trong các mỏ quặng đồng ở đối làm giàu thứ nguyên do chalcopyrite biến thành, trong các mỏ cát kết ngậm đồng và mỏ nhiệt điện Thường gặp trong các mỏ đồng ở Lai Châu, Sơn La, Hà Nội 2, Hoà Bình.[1]

II.1.1.3 Quặng chalcocite

Khoáng vật màu đen hoặc màu xám chì xám tối Thành phân chủ yếu

là Cu2S Tinh thể hệ thoi hoặc dạng khôi, có ánh kim Là nguồn quặng đồng quan trọng.[1]

II.1.1.4 Quặng tennantite

Tennantite là một trong nhóm các khoáng chất được gọi là “fahlerz” hoặc “fahlores” Nhóm có nghĩa là “tái quặng” Nó có màu xám đen, thép màu xám, sắt màu xám hay xám đen.[1]

II.1.1.5 Quặng Tetrahedrite

Tetrahedrite là một trong nhóm các khoáng chất được gọi là “fahlerz” hoặc “fahlores” có nghĩa là “tái quặng” Có màu xám bạc, Tetrahedrite và Tennanite là hai quặng có cùng cấu trúc pha lê, nhưng khác nhau tỉ lệ % của arsenic và atimon Atimon giàu trong tetrahedrite còn arsenic giàu trong tennantite.[1]

II.1.2 Quặng ôxit

II.1.2.1 Quặng cuprite

Cuprite là quặng đồng đỏ, khoáng vật của đồng, phụ thuộc vào lớp oxit đơn giản Cu2O Hệ lập phương Là tập hợp hạt nhỏ đặc sít, dạng đất màu đỏ đến xám chì, ánh kim cương Độ cứng 3,5-4, khối lượng riêng 5,85-6,15 g/cm3.[1]

II.1.2.2 Quặng malachite

Malachite là một cacbonat khoáng sản thường được biết đến như là

“đồng cacbonat” với công thức CuCO3.Cu(OH)2 Hệ đơn nghiêng, tạp chất: CuO, Fe2O3, SiO2, … ,tập hợp dạng nhũ đá, sợi phóng tia, dạng đất Màu xanh lục, ánh thuỷ tinh Độ cứng 3,5-4, khối lượng riêng 3,9-4,1 g/cm3, thường gặp trong đới oxi hoá mỏ quặng đồng Cộng sinh với azumit, cuprit, limonit Loại dạng nhũ đá, dạng thận dùng là đá mĩ nghệ, loại dạng đất dùng làm bột màu Thường gặp ở các mỏ đồng Biển Đông, Bắc Giang.[1]

II.2 Nước và năng lượng của công nghệ luyện đồng.

Trong công nghiệp luyện đồng, nước( nước nhà máy) được dùng chủ yếu cho quá trình rửa quặng ở nguyên liệu đầu vào Lượng nước thải từ các nhà máy luyện đồng là rất lớn , vì vậy để tận dụng nguồn nước đó ta có thể tái chế và sử dụng nó cho các quá trình sản xuất khác

Năng lượng trong quá trình luyện đồng là năng lượng điện và than cốc Than cốc được sử dụng để nung chảy quặng

Than cốc là sản phẩm tạo thành từ than đá, là loại than chứa ít lưu huỳnh và ít tro nhờ quy trình luyện than đá thành than cốc ở điều kiện yếm khí trên 10000C Các thành phần dễ bay hơi như nước, khí than và tro than

đã bị loại bỏ gần như hoàn toàn Các bon và các phần tro còn lại bị hòa tan lẫn vào nhau Một phần các bon bị chuyển sang dạng giống như than trì ( hay graphit)

II.2.1 Thuộc tính vật lý của than cốc

Than cốc là sản phẩm cứng và xốp có màu xám, thu được nhờ quá trình luyện cốc của than mỡ ( loại than có thể tạo ra chất kết dính khô được nung ở môi trường yếm khí) Tính theo hàm lượng thì than cốc chiếm khoảng 96 -98 % C, phần còn lại là H,S,N,O Độ xốp đạt 49 -53 %, tỉ trọng riêng khoảng 1,80 -1,95 g/cm3 ,độ tro 9-12%, tỉ lệ các chất dễ bay hơi khoảng 1% Độ ẩm tương đối khoảng 2-4 % và không lớn hơn 0,5 % khối lượng Giới hạn bền khi bị nén là 15- 25 MPa, khi bị cắt ( đặc trưng cho tính bền vững đối với sự cắt ) 6-12 Mpa, năng suất tỏa nhiệt 29 -30 MJ/kg.[1]

II.2.2 Thuộc tính hóa học của than cốc

Trên 9000C, than cốc dễ dàng phục hồi khí cacbonic (CO2) theo phản ứng sau

C + CO2 = 2CO

Ở nhiệt độ khoảng 10000C, tốc độ của phản ứng ( khả năng phản ứng tiêu chuẩn của than cốc ) tính trên 1g than cốc là 0,1 – 0,2 ml CO2. trên 1 giây, năng lượng tỏa ra là 140 -200 kJ/mol Tốc độ phản ứng với O2 ( tức phản ứng cháy của than cốc ) theo phương trình : C + O2 = CO2 Là cao hơn một cách đáng kể so với phản ứng cùng CO2, và ở mức khoảng 5000C thì gần 0,1ml O2 trên 1s, năng suất tỏa nhiệt khoảng 100 – 140 KJ/mol

Các thuộc tính lí hóa của than cốc được xác định bởi cấu trúc của nó,

do cấu trúc của nó rất gần với cấu trúc lục giác của graphit Cấu trúc của than cốc được đặc trưng bởi sự sắp xếp không hoàn hảo : các phần riêng rẽ( các lớp ) được liên kết bởi lực Van de Waals đó chiếm giữ 1 số các vị trí

có khả năng ( ví dụ : xếp trồng lên lẫn nhau) Bên cạnh các nguyên tử các bon trong lưới không gian của than cốc ( đặc biệt trong các phần ngoại biên của nó ) có thể phân bổ các nguyên tử dị thường như S,N,O.[2]

Cấu trúc và tính chất của than cốc phụ thuộc vào thành phần của mẻ than đó, cũng như nhiệt độ và tốc độ đốt nóng của mẻ than này Với sự tăng lên của hàm lượng khí than đá và các thành phần khác, được đặc trưng bởi mức độ biến đổi thấp thì nhiệt độ cốc hóa bị giảm xuống và sự giảm đi của các thành phần đó trong nhiệt độ này, khả năng phản ứng và khả năng chảy của than cốc nhận được cuối cùng là tăng lên do khi tăng hàm lượng của khí than đá trong mẻ than thì độ bền và độ tạo cục trung bình của than cốc giảm xuống, độ xốp của nó tăng lên Sự tăng cao nhiệt độ cốc hóa cũng có khả năng tăng độ xốp của than cốc Khi tăng thời gian cốc hóa và giảm tốc độ đốt nóng thì độ xốp của than cốc cũng được tăng lên

III Công nghệ sản xuất

Có 2 phương pháp luyện đồng : hỏa luyện và thủy luyện

Hỏa luyện dùng để xử lý quặng sunfua đồng

Thủy luyện chỉ áp dụng cho quặng oxit và đồng tự nhiên

Tuy nhiên hỏa luyện thì thu hồi được cả đồng và kim loại quý còn thủy luyện thì không, vì vậy hỏa luyện vẫn được dùng nhiều hơn Thống kê hàng

năm 90% đồng được sản xuất ra bằng hỏa luyện, 10% còn lại được sản xuất bằng thủy luyện

III.1 Mô hình của quá trình sản xuất đồng :

Sản phẩm đầu ra : Đồng và các kim lại quý

Sản phẩm đầu vào :

Quặng, tinh quặng,

phế liệu đồng…

Công nghệ sản xuất

III.2 Sơ đồ hỏa luyện đồng : [1]

III.2.1 Sơ đồ tổng quát

Luyện ra sten đông

Thiêu kết

Xỉ

Thổi luyện

Hỏa tinh luyện

Đồng thô

Điện Muối catot

Thu bụi Khí lò

Đồng thô

Xỉ

Xỉ

Cu, Kim loại quý khác

Sten : hỗn hợp các sunfua tạp

đã nói trong phần luyện thế

Bụi Khí lò

Sten Trợ

Tuyển quặng Quặng đồng

III.2.2 Sơ đồ quá trình luyện đồng

`

FeS.Cu2S

Thiêu kết

FeO.SiO2,Cao

Thổi luyện

Hỏa tinh luyện

Đồng thô

Điện Muối catot

Thu bụi SO,CO2

Đồng thô

FeO.SiO2

Xỉ tổng hợp

Cu, Kim loại quý khác

Bụi Khí lò

FeS.Cu2S

Trợ

Tuyển quặng CuFeS2

III.3 Tuyển quặng:

Quặng chalcopyrite (CuFeS2) chứa tới 34,75% ( quặng nguyên chất)đồng lại có trữ lượng tương đối lớn nên được sử dụng nhiều trong luyện kim đồng

Đầu tiên quặng CuFeS2 được nghiền nhỏ và làm giàu bằng phương pháp tuyển trọng lực rồi bằng phương pháp tuyển nổi Tinh quặng thu được sau khi được làm giàu thường chứa đến 12% Cu

III.4 Thiêu kết tinh quặng đồng :

Trong tinh quặng đồng chứa một lượng S rất lớn, còn đồng có hàm lượng không cao 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 các 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 sắt oxit dạng xỉ, khử bớt tạp chất có hại cho quá trình luyện ra kim loại đồng thời còn có tác dụng trộn đều phối liệu trước khi luyện Quá trình luyện thiêu kết là quá trình oxy hóa đốt cháy các sunfua biến chúng thành oxit Các phản ứng chính trong quá trình thiêu hỏa tinh luyện đồng như sau :

Khi nhiệt độ cao :

2CuFeS2 = Cu2S + 2FeS + ½ S2

FeAsS = FeS + As FeS2 = FeS + ½ S

2FeS + 7/2 O2 = Fe2O3 + 2SO2

Cu2S + 2O2 = 2CuO + SO2

S + O2 = SO2

Ngoài ra có phản ứng của FeS với Cu2S:

FeS + Cu2O = FeO + Cu2S

Khi nhiệt độ thấp có thể xảy ra phản ứng tạo đồng và sắt sunfat:

CuS + 2O2 = CuSO4

FeS + O2 = FeSO4

Ngoài ra, một số oxit có tính axit sẽ tác dụng với các oxit mang tính Bazơ tạo thành sản phẩm phức như 2CaO.SiO2; FeO.SiO2; MeO.Fe2O3… Các phản ứng này đều là phản ứng tỏa nhiệt nên quá trình là tự nhiên Quá trình thiêu thường tiến hành ở 800 - 8500C, trường hợp thiêu kết phải tiến hành ở nhiệt độ chảy nhão của nguyên liệu khoảng 1050 – 11000C

III.5 Quá trình sten đồng

Sten đồng là sản phẩm trung gian trong hỏa luyện tinh quặng đồng Là sản phẩm của các sunfua kim loại trong đó 80-90% là Cu2S, FeS2.

Trong quá trình luyện đồng từ tinh quặng sunfua người ta phải tiến hành thông qua sản phẩm trung gian là Sten đồng rồi mới luyện thành đồng thô vì các lý do sau :