Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất cadimi kim loại từ bã cadimi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỒNG QUÂN NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CADIMI KIM LOẠI TỪ BÃ CADIMI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đặng Văn Hảo Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học Công nghệ vật liệu, Bộ môn Vật liệu kim loại màu Compozit tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình nghiên cứu thực luận văn Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Đặng Văn Hảo chân thành sâu sắc hƣớng dẫn tận tình chu thực tốt luận văn Cuối xin tỏ lòng biết ơn đến Viện Khoa học Công nghệ Mỏ Luyện kim, nơi công tác, tạo điều kiện thuận lợi nhƣ giúp đỡ mặt để hoàn thành luận văn Thạc sỹ Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2015 Tác giả Nguyễn Hồng Quân LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất cadimi kim loại từ bã cadimi” công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2015 Tác giả Nguyễn Hồng Quân MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 10 1.1 Tổng quan cadimi 10 1.1.1 Tính chất vật lý 10 1.1.2 Tính chất hóa học cadimi hợp chất 10 1.1.4 Nguồn quặng cadimi 12 1.2 Tình hình nghiên cứu giới Việt Nam 12 1.2.1 Trên giới 12 1.2.2 Ở Việt Nam 16 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18 2.1 Cơ sở hóa lý trình hòa tách bã cadimi 18 2.1.1 Nhiệt động học trình hòa tách bã cadimi 18 2.1.2 Động học trình hòa tách 19 2.1.3 Hòa tách bã cadimi 22 2.2 Làm dung dịch sau hòa tách 23 2.2.1 Khử tạp chất thủy phân 24 2.2.2 Khử tạp phƣơng pháp hóa học 27 2.2.3 Khử tạp chất kim loại kiềm 28 2.3 Phƣơng pháp điện phân kim loại 28 2.3.1 Vai trò phƣơng pháp điện phân 28 2.3.2 Cơ sở hóa lý phƣơng pháp điện phân cadimi 29 CHƢƠNG 3: THIẾT BỊ VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 34 3.1 Thiết bị nghiên cứu 34 3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 37 3.3 Sơ đồ công nghệ dự kiến 38 3.4 Mục tiêu luận văn 39 3.5 Kết nghiên cứu thảo luận 39 3.5.1 Mẫu nghiên cứu 39 3.5.1.1 Bã cadimi 39 3.5.1.2 Nguyên vật liệu dùng cho nghiên cứu 41 3.5.2 Nghiên cứu trình hòa tách 41 3.5.2.1 Ảnh hƣởng nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách 42 3.5.2.2 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hòa tách 43 3.5.2.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách 44 3.5.2.4 Kết luận trình hòa tách 45 3.5.3 Nghiên cứu trình làm dung dịch 46 3.5.3.1 Thực nghiệm 46 3.5.3.2 Kết luận làm dung dịch: 47 3.5.4 Nghiên cứu trình điện phân 48 3.5.4.1 Ảnh hƣởng phụ gia đến hiệu suất điện phân 49 3.5.4.2 Ảnh hƣởng nồng độ cadimi đến hiệu suất điện phân 50 3.5.4.3 Ảnh hƣởng mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân 51 3.5.4.4 Ảnh hƣởng nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân 52 3.5.4.5 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất điện phân 54 3.5.4.6 Kết luận chế độ điện phân 55 3.6 Nấu chảy đúc thỏi 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 59 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Sản lƣợng nƣớc sản xuất cadimi giới 14 Bảng 2.1: Biến thiên đẳng nhiệt đẳng áp số phản ứng hòa tan 19 Bảng 2.2: Trị số pH thủy phân số ion kim loại 25 Bảng 2.3: Quan hệ nồng độ ion với độ pH thủy phân 26 Bảng 2.4: Thế điện cực tiêu chuẩn 30 Bảng 3.1: Thành phần bã cadimi theo phân tích hóa học 39 Bảng 3.2: Thành phần bã cadimi theo phân tích ICP 40 Bảng 3.3: Ảnh hƣởng nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách 42 Bảng 3.4: Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hòa tách 44 Bảng 3.5: Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách 45 Bảng 3.6: Thành phần hóa học bã sau hòa tách 46 Bảng 3.7: Thành phần tạp chất dung dịch sau thủy phân 47 Bảng 3.8: Dung dịch sau hòa tách lần 47 Bảng 3.9: Ảnh hƣởng phụ gia đến hiệu suất điện phân 49 Bảng 3.10: Ảnh hƣởng nồng độ Cd2+ đến hiệu suất điện phân 50 Bảng 3.11: Ảnh hƣởng mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân 52 Bảng 3.12: Ảnh hƣởng nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân 53 Bảng 3.13: Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất điện phân 54 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sản xuất tiêu thụ cadimi giới, 1991 – 2004 13 Hình 1.2: Sản xuất tiêu thụ cadimi từ năm 2005 - 2010 13 Hình 1.3: Giá cadimi kim loại từ 7-12-2012 đến 29-11-2013 15 Hình 1.4: Lƣợng sản xuất Cd lƣợng tái sinh từ 2002 - 2010 16 Hình 2.1: Quan hệ nồng độ ion pH kết tủa 26 Hình 2.2: Sự phụ thuộc điện phóng điện ion H+ OH- vào pH 31 Hình 3.1: Thiết bị hòa tách 34 Hình 3.2: Thiết bị chỉnh lƣu 35 Hình 3.3: Bơm tuần hoàn dung dịch 35 Hình 3.4: Bể điện phân 36 Hình 3.5: Cực dƣơng chì 36 Hình 3.6: Cực âm nhôm 37 Hình 3.7: Sơ đồ công nghệ dự kiến 38 Hình 3.8: Ảnh hƣởng nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách 43 Hình 3.9: Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất hòa tách 44 Hình 3.10: Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách 45 Hình 3.11: Cực âm phụ gia 49 Hình 3.12: Cực âm có phụ gia 50 Hình 3.13: Ảnh hƣởng nồng độ Cd đến hiệu suất điện phân 51 Hình 3.14: Ảnh hƣởng mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân 52 Hình 3.15: Ảnh hƣởng nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân 53 Hình 3.16: Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất điện phân 54 Hình 3.17: Ảnh hƣởng nhiệt độ 55 Hình 3.18: Cadimi kim loại thỏi 56 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt KL khối lƣợng v/p vòng/ phút A/ m2 Ampe/ mét vuông g/l gam/ lít mg/l miligam/ lít l/p lít/ phút kg kilogam (đơn vị đo khối lƣợng) g gam (đơn vị đo khối lƣợng, g = 10-3 kg) h (đơn vị đo thời gian) V Vôn (đơn vị đo điện thế) MỞ ĐẦU Cadimi nguyên tố bề mặt vỏ trái đất Trong tự nhiên không tồn mỏ có chứa cadimi, mà khoáng vật kèm với khoáng vật đồng, chì, kẽm tồn chủ yếu dạng sunfua Có thể thấy số khoáng vật chứa cadimi nhƣ Greenockit (CdS) Hawlegite, Cadmosite (CdSe), Monteponite (CdO) Otavite (CdCO3), thành phần khoáng chứa hàm lƣợng cadimi thấp, khó sử dụng để làm nguyên liệu sản xuất kim loại cadimi Nguyên liệu để sản xuất cadimi kim loại bã thải cadimi – đồng trình luyện kẽm Bã cadimi – đồng thuộc dạng độc hại Cadimi độc thể ngƣời nhƣ môi trƣờng Tuy nhiên, bã cadimi nhà máy kẽm điện phân Thái Nguyên thu gom bán với giá tƣơng đối thấp mà chƣa có công nghệ để sản xuất kim loại cadimi nhằm mục đích tăng thêm giá trị sản phẩm nhƣ giải đƣợc vấn đề môi trƣờng Bã cadimi bao gồm nhiều tạp chất kim loại khác nhƣ: Cu, Sn, Pb,… Trên giới, thƣờng sử dụng phƣơng pháp thủy luyện, hòa tách bã cadimi dung dịch axit sunfuric, khử chất tạp sau đem điện phân dung dịch để thu hồi đƣợc cadimi kim loại Quy trình gồm ba bƣớc chính: hòa tách bã cadimi để loại bỏ phần tạp chất, dung dịch chứa cadimi tiếp tục đƣợc làm tạp chất đến đạt tiêu chuẩn cho trình điện phân thu hồi kim loại cadimi Luận văn đề xuất quy trình công nghệ sản xuất cadimi kim loại từ bã cadimi tập trung nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng tới trình điện phân dung dịch cadimi CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cadimi 1.1.1 Tính chất vật lý Cadimi nguyên tố thứ 48 thuộc chu kỳ 7, nằm nhóm IIB với Zn Hg, có cấu hình điện tử [Kr]5s24d10, cấu hình tƣơng đối bền, lƣợng ion hóa thứ cao làm cho lƣợng solvat hóa hay lƣợng mạng tinh thể không đủ lớn nên trạng thái oxy hóa +3 không tồn tại, trạng thái oxy hóa cao cadimi nói riêng nhƣ nhóm IIB +2 Mặc dù thuộc chu kỳ nhƣng cadimi giống kim loại chuyển tiếp 3d (chu kỳ 4) 4d (chu kỳ 5) khả tạo phức chất, với amoniac, amin, ion halogenua, ion xianua , khác với kim loại chuyển tiếp tính chất mềm, dễ nóng chảy hóa trị biến đổi Cadimi kim loại màu trắng bạc nhƣng không khí ẩm bị bao phủ lớp oxit nên dần ánh kim Trong thiên nhiên, cadimi có đồng vị ổn định, 27 đồng vị phóng xạ trạng thái đồng phân Cd114 chiếm 28%, Cd112 chiếm 24,2%, đặc biệt đồng vị bền Cd113 chiếm 12,2% nhƣng có tiết diện bắt nơtron lớn nên cadimi kim loại đƣợc dùng để làm chỉnh dòng nơtron lò phản ứng nguyên tử Dƣới số số vật lý quan trọng cadimi: - Khối lƣợng nguyên tử: 112,41g - Tỉ trọng: 8,65 g/cm3 - Bán kính nguyên tử: 1,56 Ao - Nhiệt độ nóng chảy: 321 oC - Thế điện cực chuẩn: 0,63 V 1.1.2 Tính chất hóa học cadimi hợp chất 1.1.2.1 Cadimi kim loại Cadimi có tính chất hóa học gần giống kẽm Cadimi bền không khí nhiệt độ thƣờng Trong không khí ẩm, cadimi tạo thành lớp màng oxit trắng bảo vệ lớp không bị oxi hóa tiếp Cadimi không tan nƣớc, tan tốt axit nitric, tan chậm axit sunfuric loãng axit clohydric loãng Cadimi tan 10 Sau hòa tách xong, tiến hành lọc bã đem sấy khô phân tích hàm lƣợng Cd lại bã để tính toán hiệu suất hòa tách bã Kết thí nghiệm thể bảng 3.5 hình 3.10 Bảng 3.5: Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách TT KL Cd ban đầu, (g) Nhiệt độ hòa tách, (0C) KL Cd lại, (g) Hiệu suất hòa tách, (%) 49,22 65 0,89 98,19 49,22 70 0,74 98,50 49,22 75 0,7 98,58 49,22 80 0,67 98,64 49,22 85 0,64 98,70 Hình 3.10: Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách Từ bảng 3.5 hình 3.10, ta thấy với nhiệt độ hòa tách 700C hiệu suất hòa tách đạt 98,5%, nâng nhiệt độ lên 750C, 800C, 850C hiệu suất tăng với mức độ không chênh lệch nhiều Do vậy, chọn nhiệt độ hòa tách 700C 3.5.2.4 Kết luận trình hòa tách Với thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng nồng độ axit, ảnh hƣởng thời gian, ảnh hƣởng nhiệt độ hòa tách, nhóm thực đƣa đƣợc chế độ hòa tách nhƣ sau: - Nhiệt độ hòa tách: 700C 45 - Nồng độ axit: 140g/l H2SO4 - Thời gian hòa tách: 4h - Tỉ lệ rắn/lỏng = 1/5 Với chế độ hòa tách hiệu suất đạt 98,5% Khối lƣợng bã cadimi sau hòa tách 11,9 g có thành phần nhƣ bảng 3.6 Bảng 3.6: Thành phần hóa học bã sau hòa tách Nguyên tố Zn Cd Cu Ni Hàm lƣợng, % 1,68 6,22 0,84 0,14 Bã sau hòa tách có hàm lƣợng cadimi tƣơng đối cao, để thu hồi lƣợng cadimi nhƣ lƣợng đồng kẽm bã, cần phải trộn bã sau hòa tách (hàm lƣợng Cd 6,22%) với bã ban đầu (hàm lƣợng Cd 49%) để làm nguyên liệu hòa tách Trong trình sản xuất liên tục cần phân tích hàm lƣợng cấu tử bã, hàm lƣợng đồng bã cao chuyển bã sau hòa tách sang khâu xử lý bã đồng – cadimi Nhà máy kẽm điện phân để tách riêng rẽ hai loại bã 3.5.3 Nghiên cứu trình làm dung dịch Dung dịch sau hòa tách tiến hành phân tích tạp chất để xác định đƣợc thành phần tạp chất có dung dịch sau đƣa biện pháp khử tạp hợp lý Theo kết phân tích hóa phân tích ICP, nhận thấy thành phần bã cadimi chủ yếu cadimi kẽm, lƣợng tạp chất ít, thành phần tạp có Cu: 0,14%, Ni: 0,197%; Pb: 0,39%; Al2O3: 0,76% , Fe2O3: 0,17% Trong tạp nhôm sắt sau hòa tách xong cần tiến hành nâng pH dung dịch lên - 5,2 loại bỏ đƣợc Chì phản ứng với axit sunfuric tạo kết tủa không tan loại bỏ khỏi dung dịch Chỉ lại đồng niken tồn dung dịch Với đồng niken sử dụng phƣơng pháp xi măng hóa phƣơng pháp hóa học để khử chúng khỏi dung dịch 3.5.3.1 Thực nghiệm Sau hòa tách xong, dung dịch đƣợc trung hòa đến pH = - 5,2 sau tiến hành lắng lọc phân tích hàm lƣợng số tạp chất: Al, Fe, Cu, Ni Pb để 46 xác định hàm lƣợng tạp chất dung dịch Kết phân tích thành phần tạp nhƣ bảng 3.7 Bảng 3.7: Thành phần tạp chất dung dịch sau thủy phân Nguyên tố Fe Al Cu Ni Pb Hàm lƣợng, mg/l 35 105 1,08 367 12,5 Theo tài liệu [4], dung dịch điện phân cadimi yêu cầu nồng độ cadimi nồng độ số tạp chất nhƣ sau: 150 – 200g/l Cd, 40 - 60g/l Zn, – g/l Mn, 0,2 – 0,6 g/l Ni, 15 – 500 mg/l Tl, – 1,7 mg/l Cu, Kết phân tích cho thấy dung dịch sau hòa tách có 1,08 mg/l Cu 367 mg/l Ni, nhiên hàm lƣợng tạp chất nằm giới hạn cho phép trình điện phân Trong chu trình hòa tách - điện phân liên tục dung dịch sau điện phân đƣợc lấy phần để quay vòng hòa tách nhằm tận dụng đƣợc lƣợng axit Do hàm lƣợng tạp tích tụ dần chu trình hòa tách điện phân Trong dung dịch này, đồng niken hai tạp chủ yếu ảnh hƣởng đến trình điện phân Để kiểm tra tạp chất tích tụ trình hòa tách, tiến hành phân tích dung dịch sau hòa tách lần 2, kết thể bảng 3.8 Bảng 3.8: Dung dịch sau hòa tách lần Nguyên tố Cu Ni Hàm lƣợng, mg/l 1,105 463,5 Kết sau hòa tách lần nằm giới hạn nồng độ cho phép trình điện phân Tuy nhiên nồng độ Ni tăng lên trình sản xuất phải liên tục kiểm tra nồng độ tạp để khử tạp đến mức cho phép 3.5.3.2 Kết luận làm dung dịch: - Dung dịch sau hòa tách cần đƣợc trung hòa đến pH = - 5,2 để loại bỏ sắt nhôm có dung dịch - Quá trình làm dung dịch phải tiến hành tiến hành chu trình hòa tách - điện phân nhiều lần trình sản xuất 47 - Trong trình sản xuất cần liên tục phân tích kiểm tra hàm lƣợng tạp dung dịch để tiến hành làm cần thiết 3.5.4 Nghiên cứu trình điện phân Tham khảo tài liệu [1, 3, 4] lựa chọn thông số điện phân để tiến hành thí nghiệm nhƣ sau: - Tiêu hao phụ gia gelatin 5kg/ cadimi - Mật độ dòng điện 35 - 60A/ m2 - Nồng độ Cd dung dịch điện phân thay đổi từ 30g/l – 70g/l - Nồng độ axit H2SO4 thay đổi từ 85 - 125g/l - Nhiệt độ điện phân thay đổi từ 30 - 400C Ngoài thí nghiệm nhƣ trên, nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm không cho phụ gia để khảo sát ảnh hƣởng phụ gia đến hiệu suất điện phân Hiệu suất trình điện phân: η = (mtt/mlt) x 100% Trong đó: (%) mtt – Khối lƣợng kim loại Cd bám cực âm mlt – Khối lƣợng kim loại tính theo công thức Faraday mlt = q.I.t Trong đó: (g) - m khối lƣợng kim loại kết tủa cực âm - q đƣơng lƣợng điện hóa kim loại cadimi = 2,0967 (g/A.h) - I cƣờng độ dòng điện tiến hành điện phân - t thời gian điện phân tính (h) Để chuẩn bị dung dịch cho trình điện phân, tiến hành sử dụng hệ thống hòa tách có dung tích lít, khối lƣợng bã hòa tách lần 200g với chế độ hòa tách lựa chọn Dung dịch sau hòa tách có hàm lƣợng 90 - 95 g/l Cd đƣợc pha loãng nƣớc cất để đƣợc dung dịch có hàm lƣợng 30 – 70 g/l Cd cho trình thí nghiệm điện phân Dung dịch điện phân đƣợc tuần hoàn bơm dung dịch chịu axit, tốc độ tuần hoàn dung dịch - l/p Thực tế trình điện phân nồng độ cadimi dung dịch giảm nồng độ axit sunfuric tăng lên, dung dịch điện phân luôn đƣợc 48 bổ sung, phần dung dịch điện phân đƣợc tháo để đƣa hòa tách nhằm tận dụng lƣợng axit đƣợc tái sinh 3.5.4.1 Ảnh hưởng phụ gia đến hiệu suất điện phân Điều kiện thí nghiệm điện phân nhƣ sau: - Mật độ dòng điện 40 A/ m2 - Nồng độ dung dịch 40 g/l Cd - Nồng độ axit 90 g/l H2SO4 Đã tiến hành hai thí nghiệm nhƣ sau: - Thí nghiệm thứ không cho phụ gia vào dung dịch điện phân - Thí nghiệm thứ hai cho phụ gia gelatin với mức tiêu hao 5kg/ cadimi Kết thí nghiệm thể bảng 3.9 Bảng 3.9: Ảnh hƣởng phụ gia đến hiệu suất điện phân Thí nghiệm Không có phụ gia Có phụ gia KL Cd lý thuyết, g KL Cd thực tế, g Hiệu suất điện phân, % 50,83 50,83 40,8 42,9 80,27 84,40 Với thí nghiệm nhóm đề tài chụp ảnh cadimi kết tủa cực âm Thí nghiệm phụ gia thể hình 3.11, thí nghiệm có phụ gia thể hình 3.12 Hình 3.11: Cực âm phụ gia 49 Hình 3.12: Cực âm có phụ gia Kết thí nghiệm thể bảng 3.9 hình 3.10, hình 3.11 cho ta thấy phụ gia hiệu suất điện phân đạt 80,27 %, chất lƣợng cadimi kết tủa cực âm có nhiều nhánh cây, bề mặt không đƣợc phẳng nhẵn mịn Cadimi kết tủa dạng nhánh nấu đúc gây cháy hao cadimi Với thí nghiệm có chất phụ gia cho thấy, hiệu suất điện phân đạt 84,40 %, lớn so với phụ gia, bề mặt cadimi kết tủa tƣơng đối phẳng 3.5.4.2 Ảnh hưởng nồng độ cadimi đến hiệu suất điện phân Điều kiện thí nghiệm điện phân nhƣ sau: - Mật độ dòng điện 40 A/ m2 - Nồng độ dung dịch Cd thay đổi từ 30 – 70 g/l - Nồng độ axit 90 g/l H2SO4 - Lƣợng phụ gia kg/ Cd Kết thí nghiệm thể bảng 3.10 hình 3.13 Bảng 3.10: Ảnh hƣởng nồng độ Cd 2+ đến hiệu suất điện phân Nồng độ Cd, Khối lƣợng Cd lý Khối lƣợng Cd Hiệu suất g/l thuyết, g thực tế, g điện phân, % 30 50,83 41,9 82,43 40 50,83 43,1 84,79 50 50 50,83 44,3 87,15 60 50,83 44,4 87,35 70 50,83 44,2 86,96 Hình 3.13: Ảnh hƣởng nồng độ Cd đến hiệu suất điện phân Với mật độ dòng điện cố định, tăng nồng độ Cd dung dịch hiệu suất điện phân tăng theo Tuy nhiên, nồng độ Cd dung dịch đến mức giới hạn hiệu suất điện phân không tăng thêm lƣợng để kết tủa kim loại không tăng theo Khi lƣợng không đủ để kết tủa kim loại tăng nồng độ Cd làm tăng điện trở dung dịch nhƣ làm giảm hydro, điều làm giảm hiệu suất trình điện phân Dựa vào bảng 3.10 hình 3.13 thấy nồng độ cadimi dung dịch tăng từ 30 – 60 g/l hiệu suất điện phân tăng theo Khi nâng nồng độ cadimi đến 70 g/l hiệu suất điện phân không tăng thêm mà có phần giảm Do đó, chọn nồng độ dung dịch cadimi để điện phân 50 g/l 3.5.4.3 Ảnh hưởng mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân Điều kiện thí nghiệm điện phân nhƣ sau: 51 - Mật độ dòng điện thay đổi từ 35- 60 A/ m2 - Nồng độ dung dịch Cd 50 g/l - Nồng độ axit 90 g/l H2SO4 - Lƣợng phụ gia kg/ Cd Kết thí nghiệm thể bảng 3.11 hình 3.14 Bảng 3.11: Ảnh hƣởng mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân Mật độ dòng Khối lƣợng Cd lý Khối lƣợng Cd Hiệu suất điện, A /m2 thuyết, g thực tế, g điện phân, % 35 44,28 37,6 84,91 40 50,83 44,3 87,15 50 63,41 57,9 91,39 60 75,99 69,6 91,59 Hình 3.14: Ảnh hƣởng mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân Dựa vào bảng 3.11 hình 3.13 thấy mật độ dòng điện tăng từ 35 50 A/ m2 hiệu suất điện phân tăng từ 84,91 – 91,39% nhiên tăng mật độ dòng lên 60A/m2 hiệu suất dòng tăng lên không đáng kể Do đó, chọn mật độ dòng điện 50A/m2 3.5.4.4 Ảnh hưởng nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân Điều kiện thí nghiệm điện phân nhƣ sau: - Mật độ dòng điện 50 A/ m2 52 - Nồng độ dung dịch Cd 50 g/l - Nồng độ axit thay đổi từ 90 - 130 g/l H2SO4 - Lƣợng phụ gia kg/ Cd Kết thí nghiệm thể bảng 3.12 hình 3.15 Bảng 3.12: Ảnh hƣởng nồng độ H SO đến hiệu suất điện phân Nồng độ Khối lƣợng Cd lý Khối lƣợng Cd Hiệu suất H2SO4, g/l thuyết, g thực tế, g điện phân, % 90 63,41 57,8 91,15 100 63,41 58,2 91,78 110 63,41 58,7 92,57 120 63,41 59,1 93,20 130 63,41 59,4 93,68 Hình 3.15: Ảnh hƣởng nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân Nhìn vào bảng 3.12 hình 3.15 ta thấy khảo sát ảnh hƣởng nồng độ axit từ 90 – 130 g/l, với nồng độ axit tăng hiệu suất điện phân tăng theo (từ 91,15 đến 93,68%) Tuy nhiên, xét điều kiện làm việc thiết bị điện phân nhƣ liên quan đến sử dụng dung dịch điện phân để hòa tách bã Do đó, chọn nồng độ axit sunfuric để điện phân 120 g/l, với nồng độ hiệu suất điện phân đạt 93,20 % 53 3.5.4.5 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất điện phân Điều kiện thí nghiệm điện phân nhƣ sau: - Mật độ dòng điện 50 A/ m2 - Nồng độ dung dịch Cd 50 g/l - Nồng độ axit 120 g/l H2SO4 - Lƣợng phụ gia kg/ Cd - Nhiệt độ điện phân 30 – 40oC Kết thí nghiệm thể bảng 3.13 hình 3.16 Bảng 3.13: Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất điện phân Khối lƣợng Cd lý Khối lƣợng Cd Hiệu suất thuyết, g thực tế, g điện phân, % 30 63,41 58,7 92,57 35 63,41 58,4 92,10 40 63,41 57,6 90,84 Nhiệt độ, oC Hình 3.16: Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất điện phân Kết cho ta thấy nhiệt độ có ảnh hƣởng tới hiệu suất điện phân mà làm cho bốc hơi nƣớc axit lớn Quá trình điện phân 40oC làm giảm hiệu suất điện phân 90,84%, trình điện 54 phân axit bay lên bám vào phía điện cực nhôm làm nhôm sủi bọt (hình 3.17), làm mòn âm cực gây tiêu hao chi phí cho âm cực nhƣ môi trƣờng làm việc công nhân độc hại Vì vậy, nhiệt độ điện phân cần trì < 40oC ổn định hiệu suất điện phân >90% mà môi trƣờng làm việc đƣợc đảm bảo a, Khi điện phân 400C b, Khi điện phân nhiệt độ phòng Hình 3.17: Ảnh hƣởng nhiệt độ 3.5.4.6 Kết luận chế độ điện phân Với thí nghiệm thực hiện, đề tài đƣa chế độ điện phân thu hồi cadimi từ dung dịch nhƣ sau: - Mật độ dòng điện 50 A/m2 - Nồng độ dung dịch Cd 50 g/l - Nồng độ axit 120 g/l H2SO4 - Nhiệt độ điện phân < 40oC - Lƣợng phụ gia kg/ Cd 55 Với chế độ điện phân nhƣ trên, hiệu suất điện phân đạt > 90% 3.6 Nấu chảy đúc thỏi Cadimi sau trình điện phân đƣợc thu hồi âm cực đem rửa nƣớc, sấy khô cho vào lò điện trở nấu chảy nhiệt độ 450 - 500oC đúc thành thỏi sản phẩm (hình 3.18) Hình 3.18: Cadimi kim loại thỏi Cadimi sau đúc thỏi đƣợc khoan lấy mẫu đem phân tích Kết phân tích Trung tâm phân tích hóa lý – Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Luyện kim đạt 99,8% Cd, kết phân tích Trung tâm Phân tích thí nghiệm địa chất đạt 99,89% Cd 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết thí nghiệm trình hòa tách – điện phân cadimi, có kết luận sau: Tiến hành thí nghiệm khảo sát chế độ hòa tách bã cadimi, đƣa đƣợc chế độ công nghệ trình hòa tách nhƣ sau: Nhiệt độ hòa tách: 700C, nồng độ axit: 140g/l, thời gian hòa tách: 4h, tỉ lệ rắn/lỏng = 1/5, tốc độ khuấy 100 v/p Tiến hành khảo sát chế độ điện phân dung dịch cadimi sau hòa tách, chế độ công nghệ trình điện phân nhƣ sau: Mật độ dòng điện 50 A/m2, nồng độ dung dịch Cd 50 g/l, nồng độ axit 120 g/l H2SO4, nhiệt độ điện phân < 40oC, lƣợng phụ gia kg/ Cd Trong mật độ dòng điện, nồng độ dung dịch cadimi có ảnh hƣởng lớn tới hiệu suất trình điện phân Xây dựng đƣợc quy trình công nghệ hòa tách điện phân thu hồi cadimi kim loại thỏi đạt chất lƣợng 99,8% Cd từ bã cadimi Nhà máy kẽm điện phân Thái Nguyên KIẾN NGHỊ Đề tài có tính khả thi cao, việc ứng dụng vào sản xuất kim loại cadimi nhằm tăng giá trị lợi nhuận nhƣ giải vấn đề môi trƣờng cần thiết Vì vậy, để kết ứng dụng vào thực tế sản xuất cần tiến hành nghiên cứu tiếp quy mô lớn phù hợp với điều kiện thực tế 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Kế, Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu xử lý bã điện phân nhà máy kẽm điện phân Thái Nguyên để thu hồi đồng đáp ứng nhu cầu luyện đồng”, 2007 Lê Xuân Khuông, Trƣơng Ngọc Thận Lý thuyết trình luyện kim – Thủy luyện, tập 2, (1997) NXB GD, Hà Nội Phạm Xuân Kính, Báo cáo tổng kết đề tài “ Nghiên cứu công nghệ thu hồi nguyên tố quý hiếm: Cd, In bã trung gian nhà máy điện phân kẽm Sông Công – Thái Nguyên”, 2008 Phùng Viết Ngƣ Luyện Kẽm, NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội – 1981 Nguyễn Kim Thiết, Đinh Phạm Thái Lý thuyết trình luyện kim – Điện phân, NXB GD (1997), Hà Nội http://en.wikipedia.org/wiki/Cadmium http://pubs.usgs.gov/usbmic/ic-9380/cadmium.pdf http://www.unep.org/hazardoussubstances/Portals/9/Lead_Cadmium/docs/sub missions/NGO_ICdA.pdf www.mapofworld.com 10 http://www.metalprices.com/p/CadmiumFreeChart?weight=MT&size=M&th eme=1011 58 PHỤ LỤC 59 ... cam đoan luận văn Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất cadimi kim loại từ bã cadimi công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Hà... lƣợng cadimi thấp, khó sử dụng để làm nguyên liệu sản xuất kim loại cadimi Nguyên liệu để sản xuất cadimi kim loại bã thải cadimi – đồng trình luyện kẽm Bã cadimi – đồng thuộc dạng độc hại Cadimi. .. phân thu hồi kim loại cadimi Luận văn đề xuất quy trình công nghệ sản xuất cadimi kim loại từ bã cadimi tập trung nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng tới trình điện phân dung dịch cadimi CHƢƠNG 1: TỔNG