Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (tt)

Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (LA tiến sĩ)Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (LA tiến sĩ)Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (LA tiến sĩ)Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (LA tiến sĩ)Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (LA tiến sĩ)Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (LA tiến sĩ)Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (LA tiến sĩ)Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (LA tiến sĩ)Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (LA tiến sĩ)Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hoá (LA tiến sĩ)

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Hiện nay, ngành công nghiệp điện tử phát triển mạnh mẽ, đồng thời thải môi trường lượng lớn chất thải [9, 14, 16] Bùn thải sản phẩm thu thu từ trình kết tủa nước thải công nghiệp[9] Theo số liệu thống kê, châu Âu phát thải khoảng 105 chất thải năm [14] toàn giới 10 [16] Phương pháp xử lý bùn thải chôn lấp, nhiên cách gây ô nhiễm môi trường thứ cấp Hơn nữa, lượng kim loại, đặc biệt đồng, bùn thải chứa hàm lượng cao (khoảng 10-30%) [19, 35, 71] Bên cạnh đó, nguồn tài nguyên thiên nhiên giới ngày bị thu hẹp, việc khai thác mỏ chế biến khống sản đem lại tác động vơ to lớn với mơi trường Chính vậy, việc nghiên cứu để thu hồi nguyên liệu, mà cụ thể thu hồi đồng từ bùn thải trình sản xuất mạch điện tử đem lại nhiều lợi ích, khơng khía cạnh kinh tế mà khía cạnh bảo vệ mơi trường nguồn lợi tự nhiên Có nhiều phương pháp để thu hồi kim loại kết tủa, xử lý plasma, hỏa luyện, thuỷ luyện [31, 32, 34-38, 40, 41, 44-46, 50, 51, 55, 63, 65, 78, 81, 101] cơng nghệ thuỷ luyện (gồm hòa tách điện phân) lại cho thấy ưu điểm vượt trội tỷ lệ thu hồi cao, lượng tiêu thụ thấp, đồng thu có độ tinh khiết cao cơng nghệ đánh giá thân thiện với môi trường [28, 35-37, 55, 62, 103] Song song với trình thực nghiệm điện phân thu hồi đồng, việc mơ hình hóa trình nhiều nhà khoa học giới quan tâm [13, 24, 25, 58, 66, 79, 84, 98-99] Ưu điểm trội việc mơ hình hóa giúp tính tốn thơng số trình điện phân điện thùng, tỷ lệ thu hồi, lượng tiêu thụ riêng thay đổi thành phần dung dịch chế độ điện phân Ngồi ra, giúp hiểu chất động học, nhiệt động học trình điện phân Có nhiều phương pháp để mơ phỏng, việc mô dựa công cụ Matlab vừa đơn giản, vừa có nghiên cứu sâu trình điện hóa nên sử dụng luận án Với mục tiêu xử lý môi trường thu hồi kim loại từ nguồn bùn thải điện tử, luận án “Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải cơng nghiệp điện tử phương pháp điện hóa” tập trung nghiên cứu thu hồi đồng từ bùn thải trình sản xuất mạch điện tử công nghệ thuỷ luyện với bước công nghệ cụ thể hòa tách, chiết tách điện phân thu hồi triệt để đồng (nồng độ Cu2+ sau thu hồi nhỏ 2ppm), đồng thời xây dựng mơ hình tốn học cho q trình điện phân Ngồi ra, mục tiêu việc thu hồi kim loại đồng từ bùn thải không phục vụ mục tiêu kinh tế mà đề cao mục tiêu môi trường, kết tủa tối đa lượng đồng có dung dịch sau hòa tách trước thải mơi trường Đối với quy trình điện phân điện cực phẳng thơng thường, việc kết tủa đồng dung dịch có giới hạn Mật độ dòng điện kết tủa đồng phụ thuộc vào nồng độ kim loại có dung dịch, nồng độ đồng dung dịch giảm tới giới hạn định, cần phải giảm mật độ dòng điện phân để tránh tượng dòng giới hạn gây khí, giảm hiệu suất dòng điện kết tủa dạng bột bở Một giải pháp cho vấn đề thiết bị điện phân hỗn hợp kết hợp thiết bị điện phân cực phẳng thiết bị điện cực xốp (Thiết bị điện phân Porocell) [100-102] Nội dung luận án: - Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến q trình hòa tách đồng từ bùn thải trình sản xuất mạch điện tử - Nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện q trình hòa tách đồng phương pháp quy hoạch thực nghiệm - Nghiên cứu trình điện phân thu hồi đồng hệ thiết bị điện phân hỗn hợp (thiết bị điện phân cực phẳng thiết bị điện phân Porocell) - Nghiên cứu mơ hình hóa trình điện phân thu hồi đồng Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án: Luận án nghiên cứu cách có hệ thống quy trình cơng nghệ tái chế đồng từ bùn thải trình sản xuất mạch điện tử phương pháp thuỷ luyện Ảnh hưởng thông số công nghệ đến q trình hòa tách, chiết tách q trình điện phân thu hồi đồng tiến hành nghiên cứu Ngồi ra, luận án tối ưu hóa q trình hòa tách phương pháp quy hoạch thực nghiệm mơ hình hóa q trình điện phân thu hồi đồng Các kết nghiên cứu luận án số liệu mới, có giá trị mặt lý luận thực tiễn Luận án đóng góp kiến thức vào sở liệu khoa học lĩnh vực nghiên cứu xử lý môi trường phương pháp điện hóa Luận án có tính thực tiễn cao xử lý bùn thải điện tử nhu cầu cấp thiết giới, Việt Nam Công nghệ đưa không giúp thu hồi lượng đồng đáng kể có giá trị kinh tế cao, tái sử dụng axit cho trình hòa tách chiết tách bùn thải nhiều lần (do nồng độ đồng nhỏ cỡ ppm) Ngồi ra, giải khía cạnh bảo vệ mơi trường cách lắp mơ hình hệ điện phân vào đầu đường nước thải xí nghiệp để xử lý nước thải công nghiệp chứa kim loại, đảm bảo nước sau trình điện phân đạt tiêu chuẩn xả thải kim loại nặng theo QCVN 40:2011 Điểm luận án: - Luận án đưa cơng nghệ xử lý bùn thải q trình sản xuất mạch điện tử cách hệ thống đảm bảo yêu cầu môi trường (hàm lượng đồng sau trình xử lý đạt ngưỡng xả thải theo QCVN 40:2011), đồng thời có điện tiêu thụ riêng thấp (khoảng 1,6kWh/kg đồng) - Đề xuất hệ thiết bị điện phân hỗn hợp để song song xử lý dung dịch thải chứa Cu2+, đưa nồng độ ion đồng ngưỡng cho phép xả thải môi trường (20%), Ca, Fe, Mg, Ni… 2.2 Chế độ thí nghiệm thơng số cần xác định - Hòa tách đồng từ bùn thải q trình sản xuất mạch điện tử: Khảo sát ảnh hưởng của: nồng độ axit; lượng rắn/lỏng; nhiệt độ; kích thước hạt; tốc độ khuấy trộn; thời gian hòa tách - Tối ưu hóa q trình hòa tách phương pháp quy hoạch thực nghiệm - Chiết tách thu dung dịch đồng (loại tạp kim loại) - Nghiên cứu trình điện phân thu hồi kim loại hệ điện phân hỗn hợp (bản cực phẳng – Porocell) Xây dựng mô hình tính tốn thơng số q trình thiết bị điện phân cực phẳng - Thu hồi đồng từ dung dịch hòa tách sử dụng hệ điện phân hỗn hợp 2.3 Các thông số cần xác định - Đối với q trình hòa tách: Hiệu suất q trình hòa tách - Đối với q trình điện phân: Tỷ lệ thu hồi đồng, hiệu suất dòng điện, điện thùng, lượng tiêu thụ riêng, độ tinh khiết kim loại thu hồi 2.4 Các phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án gồm: phương pháp bậc điện thế, phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis), phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS), phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ lượng tia X (EDX) phương pháp quy hoạch thực nghiệm CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Q trình hòa tách đồng từ bùn thải sản xuất mạch điện tử 3.1.1 Khảo sát đặc tính mẫu bùn thải nghiên cứu Hình 3.1 Hình thái bề mặt mẫu bùn thải Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bùn thải Hàm lượng nguyên tố mẫu bùn thải xác định phép đo khác trình bày bảng 3.1 Bảng 3.1 Thành phần nguyên tố mẫu bùn thải Nguyên tố Thành phần (%) Cu Fe Ca Si C O Khác 21,74 4,29 10,04 1,91 15,62 41,25 5,15 Nồng độ dung dịch (mg/l) 4308 848 2072 - Thành phần (%) 21,54 4,24 10,36 - Nồng độ dung dịch (mg/l) 4224 - Thành phần (%) 21,12 - Đồng tồn mẫu bùn dạng hợp chất CuCO3 vô định hình, với hàm lượng lớn chiếm 21% cần thu hồi để tăng giá trị kinh tế giảm ô nhiễm môi trường 3.1.2 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến q trình hòa tách đồng từ bùn thải trình sản xuất mạch điện tử 3.1.2.1 Ảnh hưởng nồng độ H2SO4 Hình 3.5 Đồ thị đường chuẩn thể mối quan hệ độ hấp thụ nồng độ bước sóng max = 805nm Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách giá trị nồng độ H2SO4 khác Điều kiện hòa tách: Nồng độ axit 0,4M; 0,6M; 0,8M; 1,0M; 1,2M 1,4M; lượng rắn/lỏng 12%; thời gian 60 phút; tốc độ khuấy 600 vòng/phút, 25oC; kích thước hạt < 0,1mm Khoảng nồng độ axit phù hợp cho trình hòa tách đồng từ bùn thải cơng nghiệp 0,8M đến 1,2M 3.1.2.2 Ảnh hưởng lượng rắn/lỏng (số gam bùn thải/số ml dung dịch axit) Điều kiện hòa tách: Nồng độ axit 1,0M; lượng rắn/lỏng 6%, 8%, 10%, 12%, 14%, 16%; thời gian 60 phút; tốc độ khuấy 600 vòng/phút, 25oC; kích thước hạt < 0,1mm Khoảng lượng rắn/lỏng phù hợp cho q trình hòa tách 10% đến 14% Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách giá trị lượng rắn/lỏng khác 3.1.2.3 Ảnh hưởng thời gian hòa tách Điều kiện hòa tách: Nồng độ axit 1,0M; lượng rắn/lỏng 12%; thời gian 10-120 phút; tốc độ khuấy 600 vòng/phút, 25oC; kích thước hạt < 0,1mm Khoảng thời gian hòa tách phù hợp từ 60 đến 90 phút Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách thời gian khác 3.1.2.4 Ảnh hưởng thông số cơng nghệ khác Q trình hòa tách đồng từ bùn thải trình sản xuất mạch điện tử khảo sát kích cỡ hạt (0,03mm, 0,1mm, 0,25mm), nhiệt độ tốc độ khuấy khác Kết phép thí nghiệm trình bày bảng 3.2 Bảng 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ, tốc độ khuấy kích thước hạt đến hiệu suất hòa tách STT Mẫu thí nghiệm T1 T2 T3 S1 S2 S3 r1 r2 r3 Yếu tố ảnh hưởng 25 50 80 400 600 800 < 0,03 < 0,1 < 0,25 Nhiệt độ (C) Tốc độ khuấy (vòng/phút) Kích thước hạt (mm) Hiệu suất hòa tách (%) 94,5 95,0 96,5 92,0 94,5 94,8 95,1 94,5 88,7 Các yếu tố ảnh hưởng khơng nhiều đến q trình hòa tách Lựa chọn thông số phù hợp: Nhiệt độ 25C; tốc độ khuấy 600 vòng/phút; kích thước hạt