Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học được trình bày theo form chuẩn .Là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn khi trình bày một mẫu đồ án chuẩn. Nội dung phù hợp với trình độ kiến thức của sinh viên mới vào ngành kĩ thuật hóa học.
Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG STT Hình Nội dung Trang 1 2 Đồ đồng sớm người châu Á tìm thấy Việt Nam Hiện vật sắt Cồn Rang (trái) công cụ vũ khí sắt (phải) 3 Quy trình xử lý quặng tinh chế vàng 4 Quá trình nhiệt luyện hợp kim sắt 5 Sơ đồ cơng nghệ q trình nhiệt luyện 10 6 Sơ đồ sản xuất gang lò cao 13 7 Lò luyện thép 14 8 Sơ đồ lưu trình thủy luyện kẽm 20 9 Bể điện phân đồng 24 LỜI MỞ ĐẦU GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 Điện hóa tên gọi lĩnh vực hóa học, nghiên cứu mối liên hệ trình hóa học dòng điện Một phản ứng hóa học xảy có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học có hiệu điện thế, q trình điện hóa Trong q trình ln tồn đồng thời hai tượng: oxy hóa oxy hóa khử (phản ứng oxy hóa khử) Ngày Ðiện Hóa Học phát triển mạnh lý thuyết lẫn ứng dụng quang điện phân, nguồn điện với hệ điện cực dung dịch làm từ vật liệu hoàn toàmới Ngồi qui luật điện hóa vận dụng có kết vào q trình xảy thể sống Sinh Ðiện Hóa Học Kim loại vật liệu vô quan trọng đời sống sinh hoạt sản xuất xã hội loại người từ xưa đến Cùng với phát triển kinh tế xã hội vai trò kim loại người ngày tăng yêu cầu kĩ thuật ngày cao Để sản xuất kim loại có nhiều phương pháp thủy luyện, nhiệt luyện, điện phân,…Tuy nhiên để có kim loại có nhiều ưu điểm : có độ tinh khiết cao, tiết kiệm nguyên vật liệu, tiết kiệm thời gian, đem hiệu kinh tế lớn, ứng dụng kĩ thuật cơng nghệ Điện hóa q trình sản xuất tinh chế kim loại lựa chọn ưu tiên hàng đầu Đề tài đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học : Tìm hiểu ứng dụng cơng nghệ Điện Hóa q trình luyện tinh chế kim loại đồng GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017 CHƯƠNG I : VÀI NÉT LỊCH SỬ CỦA NGÀNH LUYỆN KIM Kim loại bắt đầu dược sử dụng vào 3000 năm trước công nguyên Việc lần luyện kim loại từ quặng có ý nghĩa quan trọng khơng việc tìm lửa Các kim loại người sử dụng sớm vàng đồng tìm thấy chúng dạng kim loại tự sinh Người ta thu vàng Atxyri, Ai Cập, Babylon, Hy Lạp Đối với đồng, vùng quặng khai thác nằm Tây Ban Nha, Trung Quốc, Nhật Bản Ai Cập Sau vàng đồng thiếc, chì thủy ngân Các kim loại thu cách ngẫu nhiên đốt lửa trại (quặng tiếp xúc với than nhiệt độ cao) chúng dễ bị hoàn nguyên khoáng vật oxit Thiếc kim loại luyện Trung Quốc Hình 1: Đồ đồng sớm người châu Á tìm thấy Việt Nam Về sau người ta biết sử dụng hợp kim đồng với thiếc gọi đồng Đồng cứng bền, thuận tiện cho việc chế tạo công cụ lao động, vũ khí đồ thờ cúng Việc sản xuất hợp kim mở thời đại mới, gọi thời đại đồ đồng, đánh dấu bước nhảy vọt lực lượng sản xuất.Sắt sử dụng từ thời cổ xưa Ai Cập, Atxyri, Trung Quốc dạng thiên thạch Về sau người luyện sắt từ quặng Người ta cho sắt luyện vùng Capcadơ sử dụng rộng rãi cách 1200-1500 TCN Trong thiên nhiên quặng sắt nhiều giàu quặng đồng thiếc Vì vậy, sắt thay đồng trở thành kim loại sử dụng nhiều nhất( thời đại đồ sắt) GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 Hình 2:Hiện vật sắt Cồn Rang (trái) cơng cụ vũ khí sắt (phải) Trước kỉ 18, loài người biết 10 kim loại quen biết từ thời cổ xưa là: vàng, đồng, sắt, chì, thiếc, antimon, kẽm, bitmut, thủy ngân Đến kỉ 18 số kim loại biết lên tới 20, đến kỉ 19 lên tới 50 gần 80 Trước kỉ 19 lượng kim loại sử dụng không đáng kể Đến kỉ 19, việc phát triển ngành chế tạo máy, kim loại trở thành vần đề lớn ngành cơng nghiệp sản xuất chúng, tức ngành luyện kim, bắt đầu phát triển mạnh Sang kỉ 20 đặc biệt năm gần công nghiệp sản xuất nhôm phát triển với nhịp độ nhanh Trước titan, xiriconi, crôm chưa có dấu hiệu ứng dụng thực tế khó thu dạng kim loại Gần kim loại hàng loại kim loại quý khác trở thành nhu yếu công nghiệp đại GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 Sang kỉ 20, nước ta ngành luyện kim xem định hình bước đầu sản xuất số kim loại gang, thép, thiếc, chì, antimon vàng, bạc GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 CHƯƠNG II: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP LUYỆN KIM THÔNG THƯỜNG Luyện kim lĩnh vực khoa học kĩ thuật ngành công nghiệp điều chế kim loại từ quặng từ nguyên liệu khác, chế biến hợp kim, gia công phôi kim loại áp lực, cách thay đổi thành phần hoá học cấu trúc để tạo tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng Luyện kim xuất từ thời xa xưa (luyện đồng), từ thiên niên kỷ TCN, có luyện sắt từ quặng II.1 Các trình kỹ thuật luyện kim Luyện kim bao gồm trình: Xử lý quặng (nghiền, tuyển, đóng bánh, vê viên để chuẩn bị tách kim loại khỏi quặng); Quặng đóng bánh nhằm tăng cường độ bền có kích thước phù hợp cho q trình luyện kim lò Tách kim loại khỏi quặng vật liệu Làm kim loại (tinh luyện) Sản xuất kim loại hợp kim Sản xuất bột kim loại (sạch) loại Cacbit để phục vụ cho trình chế tạo vật liệu tổ hợp (composite) có tính đặc biệt vượt trội so với Kim loại, hợp kim thông thường Chế tạo ferro (hoặc silicon mangan ) hợp kim trung gian phục vụ cho luyện kim Đúc q trình đơng đặc kim loại lỏng loại khuôn (khuôn cát, khuôn kim loại, khuôn đúc liên tục ) số sản phẩm đúc sử dụng tạo phôi cho q trình gia cơng biến dạng khác (cán, rèn dập ) Cán q trình biến dạng dẻo phơi kim loại trục tròn xoay Sản phẩm có hình học đơn giản (tròn, vằn, vng, thoi ) đến phức tạp (đường ray, chữ U I ) Hình 3: Quy trình xử lý quặng tinh chế vàng GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 Nhiệt luyện bao gồm Nung nóng, giữ nhiệt làm nguội Tùy vào cách nung nóng, cách giữ nhiệt làm nguội ta có cơng đoạn "Tơi" "Ram" Ủ" nguyên công chủ đạo nhiệt luyện Ngồi q trình "thấm" để đạt tính bề mặt theo nhu cầu Hầu hết sản phẩm gia cơng khí khơng thể sử dụng khơng qua nhiệt luyện Gia cơng hố nhiệt nhiệt kim loại Tráng phủ bề mặt sản phẩm kim loại để bảo vệ trang trí khuếch tán kim loại phi kim loại khác bề mặt sản phẩm II.2 Các kiểu luyện GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017 Có hai cơng nghệ luyện kim thông dụng: hỏa luyện điện luyện Hỏa luyện q trình hồn ngun kim loại nhiệt độ cao (Hỏa), phản ứng hoàn nguyên chủ yếu nhờ chất có lực hóa học mạnh để tách kim loại khỏi hợp chất quặng Từ ta thu kim loại Ví dụ: q trình hồn ngun sắt lò cao nhờ: - Hồn ngun trực tiếp Cacbon rắn nằm lò, chủ yếu phản ứng xảy Nồi Lò Phản ứng khơng phải phản ứng chủ đạo lò Cacbon rắn khơng đủ linh động để hồn ngun lượng lớn quặng lò - Hoàn nguyên gián tiếp CO Than Cốc phản ứng khí hóa điều kiện thiếu oxy lò cao sản sinh CO (còn gọi khí hồn ngun) khí CO di chuyển linh động lò sâu vào lõi quặng để hồn ngun oxit sắt Điện luyện trình luyện tinh luyện kim loại có sử dụng điện phân Điện luyện hay gọi thủy luyện q trình thu hồi kim loại phản ứng hoàn nguyên nhiệt độ thấp dung mơi hóa chất (nhiệt độ thường nhỏ 100°C) Nguyên tắc: dùng chất, hợp chất tan nước để đẩy kim loại khỏi chất hợp chất Đấy cách thu hồi kim loại đạt đến 99,99% cao Mỗi kim loại có chế độ điện luyện khác bao gồm nhiều thông số kỹ thuật như: I (cường độ dòng); U (điện áp); T° (nhiệt độ) VD: điện phân nhôm từ nhôm kỹ thuật ta đưa vào lò điện phân muối nóng chảy lớp thu nhôm 99.99% II.3 Phương pháp nhiệt II.3.1 Sơ trình nhiệt luyện Nhiệt luyện q trình hồn ngun kim loại mơi trường có chất oxy hóa mạnh C, H2 để tách kim loại khỏi hợp chất quặng Phản ứng hồn ngun thường tỏa nhiệt Hình 4: Quá trình nhiệt luyện hợp kim sắt GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017 Phương thường dùng chế kim bình (với yếu cần oxit tự thành kim loại pháp để điều loại trung kim loại đun nóng phân hủy oxi) Có thể chia trình nhiệt luyện thành giai đoạn chính: nung, giữ nhiệt, làm nguội Khi nung, tổ chức vật liệu thay đổi theo nhiệt độ, tuỳ thời điểm nâng, hạ nhiệt với tốc độ khác mà nhiệt luyện với phương pháp khác cho kim loại có tính chất khác Bất kỳ hình thức nhiệt luyện bao gồm ba yếu tố quan trọng là: nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt tốc độ làm nguội từ nhiệt độ quy định đến nhiệt độ bình thường Hình 5: Sơ đồ cơng nghệ q trình nhiệt luyện Như vậy, nhiệt luyện có hai vấn đề quan trọng nhiệt độ thời gian Trong trình nhiệt luyện thay đổi nhiệt độ thời gian lý tính chi tiết thay đổi nhiều Ngồi phải kể đến tốc độ nung nóng, tốc độ làm nguội Vì chế độ nhiệt luyện bao gồm thông số sau: - Nhiệt độ nung: nhiệt độ cao phải đạt đến nung nóng GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 - Thời gian giữ nhiệt: thời gian cần thiết để trì kim loại nhiệt độ nung - Tốc độ nguội nguội: độ giảm nhiệt độ theo thời gian sau thời gian giữ nhiệt, tính C/s - Tốc độ nung nóng chất vật liệu mong muốn Ưu điểm: - Quy trình kĩ thuật khơng q phức tạp, dễ thực - Có thể làm tính chất kim loại mà ta mong muốn như: dẻo, cứng… - Tăng tuổi thọ, tăng độ cứng, tính chịu ăn mòn, độ dẻo dai độ bền vật liệu - Sản xuất quy mơ lớn -Cải thiện tính cơng nghệ (rèn, dập, gia cơng cắt, tính chịu mài, tính hàn…), từ tính, điện tính… Nhược điểm: - Do cần lượng nhiệt lớn nên tiêu tốn nhiều lượng - Gây ô nhiễm môi trường II.3.2 Luyện kim đen - ứng dụng phương pháp nhiệt luyện Khái niệm: Luyện kim đen sản xuất gang thép (là hợp kim sắt cacbon) Vai trò: - Luyện kim đen ngành quan trọng cơng nghiệp nặng Sản phẩm gang thép, nguyên liệu cho ngành cơng nghiệp khí gia cơng kim loại để tạo tư liệu sản xuất, công cụ lao động, thiết bị toàn vật phẩm tiêu dùng Ngành luyện kim đen cung cấp cấu kiện sắt- thép cho ngành xây dựng Hiện nay, nhu cầu sử dụng kim loại đen ngày tăng lên với phát triển khoa học kĩ thuật xã hội, ngành luyện kim đen đóng vai trò quan trọng kinh tế quốc dân GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017 - Kim loại đen chiếm khoảng 90% tổng khối lượng kim loại sản xuất giới Chính thơng dụng sản xuất đời sống làm tăng thêm tầm quan trọng ngành cơng nghiệp II.3.2.1 Q trình sản xuất gang Hình 6: Sơ đồ sản xuất gang lò cao Gang hợp kim sắt với cacbon, hàm lượng cacbon chiếm từ 2-5%, ngồi có lượng nhỏ ngun tố khác Si, Mn, Gang cứng dòn sắt Có hai loại gang: gang trắng gang xám Gang trắng dùng để luyện thép, gang xám dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước… GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 -Ngun liệu sản xuất gang quặng sắt, thí dụ quặng manhetit (chứa Fe3O4); quặng than cốc (than tinh chế); khơng khí giàu oxi số chất phụ gia khác đá vôi CaCO3… - Nguyên tắc sản xuất gang: Dùng cacbon oxit khử oxit sắt nhiệt độ cao lò luyện kim - Q trình sản xuất gang lò luyện kim (lò cao) Quặng sắt, than cốc, đá vơi có kích thước vừa phải đưa qua miệng lò cao xếp thành lớp Khơng khí nóng thổi từ bên lò từ lên C + O2 → CO2 C + CO2 → 2CO Nhờ có khí cacbon monoxit khử oxit sắt: 3CO +Fe2O3 → 2Fe +3 CO2 Sắt nóng chảy hòa tan cacbon tạo thành gang Ngoài quặng lẫn tạp chất MnO2, SiO2 bị khử thành đơn chất Đá vôi phân hủy thành CaO oxit hóa số tạp chất có lẫn quặng SiO2 thành xỉ Xỉ nhẹ lên đưa ngồi khỏi cửa lò CaO + SiO2→ CaSiO3 II 3.2.2 Quá trình sản xuất thép Thép hợp kim sắt với cacbon số nguyên tố khác, hàm lượng cacbon chiếm 2% -Thép có nhiều tính chất lí, hóa q sắt Thép dùng làm vật liệu xây dựng, chế tạo máy, dụng cụ lao động… - Nguyên liệu sản xuất thép gang, sắt phế liệu, khí oxi - Nguyên tắc sản xuất thép oxi hóa số kim loại, phi kim để loại khỏi gang phần lớn nguyên tố cacbon, silic, mangan - Quá trình luyện thép thực lò Bet-xơ-me Khí oxi oxi hóa nguyên tố gang C, Mn, Si… GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 Sản phẩm thu thép Hình 7: thép Lò luyện II.3.2.3 trình sản đồng Q xuất Đầu tiên quặng tinh sulphua đồng thiêu khử bớt lưu huỳnh nhận thiêu phẩm khí SO2 Sau luyện thiêu phẩm sten đồng, khí SO2 đem sản xuất axit sulphuaric Đem sten đồng thổi luyện đồng thơ, sau đem đồng thơ tinh luyện phương pháp hỏa tinh luyện để nhận đồng dương cực Đem đồng dương cực đúc thành đồng dương cực Điện phân đồng dương cực nhận đồng âm cực( đồng thương phẩm) Dưới phản ứng công nghệ hỏa luyện cổ điển - Công đoạn thiêu khử bớt lưu huỳnh: Đầu tiên có phản ứng phân ly: 4CuFeS2 → 2Cu2S + 4FeS + 2S Sau có phẩn ứng oxy hóa phần : 2S + 2O2 Cu2S + → 2O2 → 4FeS + 7O2 → 3FeS + O2 → 2SO2 2CuO + Fe2O3 + 4SO2 Fe3O4 SO2 + 3SO2 GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 - Cơng đoạn luyện sten đồng: Mục đích tạo sản phẩm sten giàu đồng sau tách khỏi tạp chất Fe3O4, vào pha xỉ Để làm điều phải cho thêm trợ dung thạch anh vôi để tạo xỉ với Fe3O4 3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5[(FeO)2 SiO2] + SO2 Khi luyện sten lò phản xạ xỉ có thành phần : (CaOx)(FeOy)(SiO2)z thường xỉ có thành phần : 45% FeO, 32-35% SiO2, 5% CaO , lại chất khác Công đoạn thổi luyện sten đồng đồng thô: Ban đầu phản ứng oxy hóa tạo xỉ sắt: 2FeS + 2O2 + SiO2 → 2FeO SiO2 + 2SO2 Giai đoạn thổi luyện thứ hai: Cu2S + 3O2 → 2Cu2O +2 SO2 Giai đoạn thổi luyện thứ : Cu2S + 2Cu2O → 4Cu + SO2 - Tinh luyện đồng thô phương pháp hỏa tinh luyện nhận đồng dương cực: Khử tạp chất dựa vào lực hóa học khác kim loại oxy độ hòa tan thấp đa số oxyt tạp chất đồng lỏng Ái lực tạp chất với oxy 1200oC xếp theo thứ tự sau: Zn, Fe, Sn, As, Ni, Sb, Pb, Bi, S, Cu, Te, Se, Ag, Au Chín nguyên tố đầu có lực với oxy lớn đồng Khi oxy hóa đồng lỏng phương pháp thổi luyện khơng khí, hàm lượng tạp chất nhỏ so với hàm lượng đồng nên xảy phản ứng oxy hóa đồng trước 2Cu + 1/2 O2 → Cu2O Sau oxy Cu2O lại oxy hóa tạp chất kể ( ký hiệu Me) theo phản ứng: Cu2O + Me → 2Cu + MeO Các oxit tạp chất MeO tham gia tạo xỉ khử Trên thực tế thứ tự oxy hóa tạp chất khơng phù hợp với dãy lực hóa học oxy mà phụ thuộc vào độ hòa tan chúng đồng, nồng độ, độ bay hơi, số GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017 lượng oxy cung cấp, tạo thành hợp chất với đồng yếu tố khác Sau trình nhiệt luyện, sản phẩm thu đồng thơ có hàm lượng đồng kim loại nằm khoảng từ 95% đến 97% Để sản xuất kim loại đồng sạch, có hàm lượng đồng kim loại lớn 99,99% ứng dụng cho thực tế sản xuất, đồng thô cần trải qua công đoạn tinh chế (thường phương pháp điện luyện - giới thiệu chi tiết chương 3) II.4 Phương pháp thủy luyện( ( điện luyện ) II.4.1 Sơ phương pháp thủy luyện Định nghĩa: Các trình thủy luyện kim loại phương pháp chế biến quặng, tinh quặng, sản phẩm trung gian, tiến hành môi trường nước (dung môi) nhằm thu hồi kim loại hợp chất trung gian Phương pháp thủy luyện gọi phương pháp ướt, dùng để điều chế kim loại hoạt động hóa học thấp Au, Ag, Hg, Cu…Cơ sở phương pháp dùng nhũng dung dịch thích hợp dung dịch H2SO4, NaOH, NaCN…khi hòa tan kim loại hợp chất kim loại tách phần không tan có quặng Sau ion kim loại dung dịch khử kim loại có tính khử mạnh hơn, Fe, Zn… Thủy luyện tiến hành có pha lỗng dung dịch nước hay muối nóng chảy tham gia, nhờ phản ứng hóa điện mà tách kim loại khỏi nước dung dịch muối nóng chảy Về mặt hóa lý coi sở phương pháp hóa điện điện phân Phương pháp thủy luyện sử dụng rộng rãi để sản xuất hàng loạt kim loại như: kẽm, vàng, bạc, plantin, đồng, niken, nhôm, uranium, vonfram, molipden, tantan, niobi, vanadi, beredi kim loại đất Có thể chia q trình thủy luyện thành giai đoạn chính: + Chuyển cấu tử cần tách từ nguyên liệu vào dung dịch Đây trình chuyển cấu tử cần tách vào dung dịch cách cho nguyên liệu tương tác chọn lọc với hóa chất dung dịch nước + Chuẩn bị dung dịch để thu hồi cấu tử có ích Lọc dung dịch khỏi tạp chất phương pháp khác (lắng, lọc hợp chất hòa GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 tan), khử tạp chất cách hấp thụ (trao đổi ion, chiết ly), làm đặc dung dịch (theo hàm lượng cấu tử cần thu hồi) phương pháp cô, trao đổi ion chiết ly sử dụng dung môi hữu + Thu hồi cấu tử dạng kim loại hợp chất kim loại Là trình tách cần thu hồi khỏi dung dịch phương pháp khác kết tinh, kết tủa hợp chất hòa tan, hồn ngun pha khí, xi măng hóa, điện phân Ưu điểm thủy luyện: Quá trình thủy luyện đảm bảo thu hồi kim loại từ quặng nghèo khó tuyển, tiêu hao hóa chất, thiết bị đơn giản, điều kiện trình diễn nhiệt độ thấp Có thể xử lý tổng hợp quặng để thu hồi nguyên tố có giá trị với hiệu suất thu hồi cao Ví dụ thu hồi indi, tali sản xuất kẽm; thu hồi gali sản xuất alumin; thu hồi molipden sản xuất vonfram Hiệu kinh tế cao, áp dụng tiến khoa học kỹ thuật Điều kiện lao động tương đối tốt Nhược điểm: Đầu tư lớn, quy trình phức tạp đòi hỏi trình quản lý phức tạp Phương pháp thích hợp với loại quặng nghèo, khó tuyển đa kim II.4.2 Ứng dụng trình thủy luyện II.4.2.1 Thủy luyện đồng Thủy luyện đồng phương pháp luyện kim dựa nguyên lý hòa tách, kết tủa hóa học điện hóa nhằm xử lý quặng đồng, thu hồi đồng kim loại Nó dùng dạng quặng đồng sau đây: quặng đồng oxit nghèo chứa vàng bạc; quặng đồng tự nhiên nước mỏ vùng khoáng sản đồng Hiện thủy luyện đồng chiếm khoảng 10 - 15% lượng đồng sản xuất năm Tuy nhiên, với yêu cầu xử lý ngày nhiều quặng đồng oxit nghèo, dồi sản phẩm hóa học yêu cầu bảo vệ môi trường, phương pháp thủy luyện đồng ngày hoàn thiện phát triển GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017 Những ưu điểm cơng nghệ thủy luyện đồng đại khắc phục nhược điểm công nghệ hoả luyện như: - Thải phát tán khí SO2 - Bão hồ thị trường axit sulphuaric - Chi phí đầu tư cao - Phải hạn chế tạp chất (As, Sb, Bi) Khả xử lý tinh quặng chất lượng thấp tinh quặng nhiều tạp chất, tức có hiệu để xử lý tinh quặng tạp Chi phí đầu tư thấp Chi phí đầu tư đặc biệt thấp nhà máy có quy mơ sản xuất nhỏ hoả luyện Với cơng nghệ thủy luyện đại áp dụng với quy mô nhỏ, không thiết phải lớn cơng nghệ hỏa luyện đại - Có thể xây nhà máy mỏ 1.1.1.1 II.4.2.2 Thủy luyện kẽm Ra đời từ năm đầu kỉ 20, thủy luyện kẽm với dung môi axit sunfuric nhanh chóng trở thành phương pháp sản xuất kẽm giới Phản ứng trình hòa tách kim loại kẽm oxit hay bột thiêu oxi hóa có dạng sau: ZnO + H2SO4 →ZnSO4 + H2O Cùng với kẽm có kim loại tạp vào dung dịch sunfat Cu, Cd, Co… Do dung dịch sau hòa tách đem khử tạp thu hồi nguyên tố tạp chất có ích khác GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 Hình 8: Sơ đồ lưu trình thủy luyện kẽm GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA KĨ THUẬT ĐIỆN HÓA TRONG VIỆC ĐIỆN PHÂN TINH CHẾ KIM LOẠI ĐỒNG Sau hỏa tinh luyện, đồng đỏ thu chứa 0,2 – 0,7% tạp chất toàn kim loại q có đồng thơ Để nâng cao độ đồng (99,95 – 99,99%) thu hồi kim loại quý, đồng đỏ đưa điện phân tinh luyện Điện phân tinh luyện đồng phương pháp điện phân với cực dương hòa tan Nó dựa sở hòa tan điện hóa đồng từ cực dương kết tủa đồng cực âm bể điện phân với dung dịch điện li CuSO4 H2SO4 Các tạp chất khơng bị hòa tan từ cực dương (do điện phóng điện chúng dương đồng) tập trung dung dịch điện phân (do điện phóng điện chúng âm kim loại đồng) Kết người ta thu đồng cực có độ cao bùn cực dương chứa kim loại quý Cực dương đồng thu sau hỏa tinh luyện thường có chiều dày 25 – 50mm, cân nặng 150 – 350kg Cực âm đồng có chiều dày, 0,5 – 0,6mm Dung dịch điện phân dung dịch CuSO4 H2SO4 Ở cực dương, đồng hòa tan vào dung dịch chủ yếu dạng cation: Cu2+: Cu – 2e → Cu2+ Các kim loại như: Zn, Ni, Pb, As, Sn, Bi bị hòa tan vào dung dịch đồng Các kim loại quý Au, Ag; tạp chất Cu2S, Cu2Se, Cu2Te khơng hòa tan vào dung dịch mà lại bùn cực dương Ở cực âm, ngược lại, cation Cu2+ từ cực dương phóng điện đẻ thành đồng kim loại, bám lên cực âm: Cu2+ + 2e → Cu Các tạp chất hòa tan với dung dịch đồng điện phóng điện âm đồng nên khơng phóng điện kết tủa lên cực âm mà nằm lại dung dịch Vì vậy, trình điện phân, dung dịch bị bẩn tích lũy tạp chất Để tránh tạp chất phóng điện cực âm làm bẩn đồng cực GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 âm, sau thời gian định, cần lấy phần dung dịch điện phân để khử tạp chất Để cải thiện bề mặt cực âm chống đoản mạch, người ta cho vào dung dịch điện phân phụ gia như: hồ dán, keo, dầu, bã xenlulo với số lượng từ 0,1 đến 30g/t Cu Bể điện phân có dạng hình hộp gỗ, bên lót chì hay bê tơng cốt thép, bên lót nhựa chịu axit Hình 9: Bể điện phân đồng Trong bể điện phân, người ta dùng từ 20 đến 40 cực dương Số lượng cực âm lớn cực dương đặt song song với cực dương Bể thường có chiều dài – 3,5m; rộng 1,2 – 1,5m sâu – 1,2m Điện áp cần cho phân xưởng điện phân phụ thuộc vào số bể mắc nối tiếp Điện áp rơi day dẫn chiếm 10 – 16% tổng điện áp Tròn thực tế, điện áp phân xưởng điện phân vượt 500V Điện áp cung cấp máy phát điện chiều, máy phát điện xoay chiều với chỉnh lưu công suất lớn Để khuấy trộn tốt với dung dịch điện phân, người ta cho tuần hoàn qua bể với tốc độ – giờ, dung dịch bể đổi lần Tốc độ tuần hồn trung bình dung dịch ~ 0,02m3/ph Nhiệt độ bể GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 trì 50 – 55oC Thành phần trung bình dung dịch diện phân 30 – 40 gCu/l ~ 200g H2SO4/l Thao tác bể điện phân, cần hạn chế tượng phân cực Đó giảm đáng kể điện áp bể tốc độ khuếch tán ion dụng dich không theo kịp tốc đọ hòa tan kết tủa hai cực Khi cường độ dòng điện tăng lên, tốc độ hòa tan đồng cực dương kết tủa cực âm lớn tốc độ khuếch tán ion đồng dung dịch Do lớp dung dịch gần cực dương, nồng đọ Cu2+ cao nồng độ trung bình., lớp dung dịch gần cực âm, nồng độ dung dịch lại bé nồng độ trung bình Thế cực dương tăng lên, cực âm giảm di so với cân ban đầu Giữa cực xuất chênh lệch điện thế, chống lại điện áp bên Khi ấy, để đảm bảo điện áp bình thường bể, cần tăng điện áp bên ngoài, tức tăng tiêu hao điện Sự phân cực tạo điều kiện cho ion tạp phóng điện, làm bẩn đồng cực âm Các biện pháp hạn chế làm phân cực tăng nhiệt độ dung dịch khuấy trộn (tuần hoàn) tốt dung dịch Thành phần đồng cực âm sau tinh luyện điện phân trình bày bảng sau: Bảng 3: Thành phần đồng trước sau tinh luyện điện phân Cu Ag Hàm lượng sản phẩm Au Se Te Bi As Sb Pb Ni Fe Các nguyên tố, % Trước tinh luyện 99,399,8 00,17 -0,00 -0,03 -0,003 00,01 00,05 00,04 00,04 00,5 0,0020,03 Sau tinh luyện >99,95 0,0007 Vết 0,0002 0,0001 0,0001 0,0002 0,0002 0,0003 0,001 0,002 GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 III.1 Các tiêu KTKT chủ yếu điện phân tinh luyện đồng Điện áp bể u = 0,3 – 0,4V Cường độ dong điện bể là: I= 7000 – 15000A Hiệu suất dòng điện q trình điện phân với cực dương hòa tan cao hẳn so với điện phân có cực dương khơng hòa tan Nó thường đạt n = 92 – 95% Mật độ dòng điện trung bình dao động từ 170 đến 250 A/m2 Tiêu hao điện trình điện phân tinh luyện nhỏ so với điện phân tinh luyện đồng từ dung dịch Nó 1/10, tức từ 250 – 300 kWh/s đồng Tỉ lệ đồng phân bố vào cực âm 98,51%; vào dung dich 1,42% vào bùn cực dương 0,07% Vàng phân bố vào bùn cực dương 98,4% đồng vào cực âm 1,6% III.2 Các phương hướng phát triển tinh luyện đồng Dùng mật độ dòng điện cao để tăng mạnh suất bể điện phân Mật độ tăng tới 500A/m2 Muốn tăng mật độ dòng phải giải vấn đề tuần hồn dung dịch thật tốt Để hoàn thiện việc tuần hoàn dung dịch, người ta phải tăng chiều dài bể, tới 11m dài bố trí cực cho pháp tuyến bề mặt cực vng góc với hướng chuyển động dung dịch tuần hoàn Như cho phép gạt bỏ màng không tan bề mặt cực bùn cực dương bám vào bề mặt cực Tốc độ tuần hoàn tăng lên tới – m3/h (bình thường 0,9 – 1,5 m3/h) Nghiên cứu áp dụng dung dịch điện phân mới, dung dịch chứa CuCl2 HCl Dùng phương pháp điện phân đồng lỏng, để khử tốt tạp kim như: S2, O2, Se, Te Ở cực âm làm graphit, cực dương ống graphit nhúng vào lớp mỏng muối BaCl2 Dung dịch điện phân đồng lỏng Khi điện phân, chất tạp kim để chạy cực dương hòa tan giữ lại lớp BaCl2 lỏng GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 KẾT LUẬN Sau thời gian thực đồ án cách nghiêm túc hướng dẫn cụ thể, tận tình TS.Đặng Trung Dũng thầy mơn Cơng nghệ điện hóa bảo vệ kim loại cố gắng, trách nhiệm thành viên nhóm Hiện chúng em hồn thành đồ án: Tìm hiểu ứng dụng cơng nghệ điện hóa q trình luyện tinh chế kim loại đồng Qua trình làm đồ án khoảng thời gian vô quý giá với chúng em.Sau hoàn thành đồ án chúng em nắm bắt sơ lược Điện hóa, số trình luyện tinh chế kim loại, đặc biệt việc ứng dụng cơng nghệ điện hóa trình luyện tinh chế kim loại đồng Đồ án khơng giúp chúng em có kiến thức bổ ích phục vụ cho cơng việc học tập sau mà giúp chúng em có thêm kĩ làm việc nhóm, kĩ làm đồ án quen biết thầy mơn Điện hóa bảo vệ kim loại Tuy nhiên trình độ hiểu biết kiến thức thực tế khả bao qt hạn chế thời gian có hạn nên đồ án không tránh khỏi sai sót Rất mong nhận góp ý, bảo thầy cô, anh chị bạn để chúng em có thêm kinh nghiệm kiến thức để giúp chúng em trình học tập công tác sau GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập mơn kĩ thuật hóa học năm 2017 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [ ] - GS.TS Đinh Phạm Thái – PGS.PTS.Lê Xuân Khương – PGS.PTS.Phạm Kim Dinh – Luyện Kim loại màu quý – Nhà xuất giáo dục [ ]- Lê Đức Trí – Điện phân thoát kim loại –Trường đại học Bách Khoa Hà Nội 2003 GVHD:TS Đặng Trung Dũng ... thuật hóa học : Tìm hiểu ứng dụng cơng nghệ Điện Hóa q trình luyện tinh chế kim loại đồng GVHD:TS Đặng Trung Dũng Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017 CHƯƠNG I : VÀI NÉT LỊCH SỬ CỦA NGÀNH LUYỆN... thành đồ án chúng em nắm bắt sơ lược Điện hóa, số trình luyện tinh chế kim loại, đặc biệt việc ứng dụng cơng nghệ điện hóa trình luyện tinh chế kim loại đồng Đồ án khơng giúp chúng em có kiến thức... án: Tìm hiểu ứng dụng cơng nghệ điện hóa q trình luyện tinh chế kim loại đồng Qua trình làm đồ án khoảng thời gian vô quý giá với chúng em.Sau hoàn thành đồ án chúng em nắm bắt sơ lược Điện hóa,