Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất hiếm trong ổ cứng máy tính thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -*** - TRẦN THỊ HẢI THU NGHIÊN CỨU BƢỚC ĐẦU THU HỒI KIM LOẠI ĐẤT HIẾM TRONG Ổ CỨNG MÁY TÍNH THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS HUỲNH TRUNG HẢI HàNội – 2017 Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” tơi nhóm nghiên cứu thu hồi kim loại đất từ chất thải điện, điện tử thực với hướng dẫn GS.TS Huỳnh Trung Hải Đây chép cá nhân, tổ chức Kết thực nghiệm nêu luận văn đồng ý nhóm nghiên cứu; Các số liệu, nguồn thông tin thu thập, đánh giá tham khảo số liệu tác giả nước ngồi nước Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung mà trình bày luận văn Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2017 HỌC VIÊN Trần Thị Hải Thu Học viên: Trần Thị Hải Thu – CB140356 i Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể thầy cô giáo trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt thầy cô Viện Khoa học công nghệ môi trường, thầy cô tận tình giảng dạy truyền đạt cho em kiến thức quý báu chuyên môn đạo đức suốt thời gian học cao học trường Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến GS.TS Huỳnh Trung Hải, người trực tiếp hướng dẫn em thực luận văn Thầy ln quan tâm, tận tình bảo, động viên định hướng suốt q trình hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Trung tâm Sản xuất Viện Khoa học Công nghệ Môi trường Cảm ơn TS Hà Vĩnh Hưng tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em suốt trình làm thực nghiệm cho luận văn Cảm ơn ThS Phạm Khánh Huy thực nghiên cứu em thời gian qua Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến người thân gia đình bạn bè ln có lời động viên, khuyến khích em suốt trình học tập thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2017 HỌC VIÊN Trần Thị Hải Thu Học viên: Trần Thị Hải Thu – CB140356 ii Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP THU HỒI ĐẤT HIẾM TỪ CHẤT THẢI ĐIỆN, ĐIỆN TỬ I.1 Chất thải điện, điện tử tái chế chất thải điện, điện tử I.1.1 Hiện trạng phát sinh chất thải điện, điện tử giới Việt Nam I.1.2 Thành phần kim loại đất chất thải điện, điện tử I.1.3 Tình hình tái chế kim loại chất thải điện, điện tử 10 I.1.4 Ảnh hưởng chất thải điện, điện tử đến môi trường sức khỏe người 12 I.2 Các phƣơng pháp thu hồi kim loại đất 14 I.2.1 Phương pháp vật lý 14 I.2.2 Phương pháp hỏa luyện 16 I.2.3 Phương pháp thủy luyện 17 CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 II.1 Đối tƣợng nghiên cứu 24 II.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 24 II.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 24 II.2.2 Phương pháp hòa tách 24 II.2.3 Phương pháp dự kiến thu hồi kim loại từ dung dịch hòa tách 24 II.2.4 Phương pháp phân tích 25 II.2.5 Phương pháp tính tốn – xử lý số liệu 25 Học viên: Trần Thị Hải Thu – CB140356 iii Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” II.3 Hóa chất, dụng cụ trang thiết bị sử dụng 26 II.3.1 Hóa chất thí nghiệm 26 II.3.2 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm 26 II.4 Quy trình thực nghiệm 27 II.4.1 Tiền xử lý ổ cứng máy tính 28 II.4.2 Quy trình hòa tách 30 CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 III.1 Quá trình tiền xử lý 33 III.1.1 Thành phần phận ổ cứng máy tính 33 III.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến khả khử từ nam châm 35 III.2 Q trình hòa tách 36 III.2.1 Thành phần kim loại bột nam châm đất 36 III.2.2 Khảo sát lựa chọn tác nhân hòa tách thời gian thích hợp 38 III.2.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ axit đến khả hòa tách 39 III.2.4 Ảnh hưởng kích thước mẫu hạt đến khả hòa tách 41 III.2.5 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ rắn lỏng (R:L) đến khả hòa tách 42 III.2.6 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung đến khả hòa tách 42 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 56 Học viên: Trần Thị Hải Thu – CB140356 iv Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AAS Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometric) CTĐT Chất thải điện tử EDX Máy quang phổ tán xạ lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) EPA Cơ quan Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ (United States Environmental Protection Agency) ICP-MS Khối phổ plasma cảm ứng (Inductively-Coupled Plasma - Mass Spectrometry) IUPAC Liên minh Quốc tế Hóa học túy Hóa học ứng dụng (International Union of Pure and Applied Chemistry) OECD Tổ chức Hợp tác Phát triển Kinh tế (Organization for Economic Cooperation and Development) REEs Nguyên tố đất (Rare Earth Elements) REOs Oxit đất (Rare Earth Oxides) TNHH Trách nhiệm hữu hạn XRD Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) UNEP Chương trình Mơi trường Liên Hiệp Quốc (United Nations Environment Programme) URENCO Công ty TNHH MTV Môi trường Đô thị UNIDO Tổ chức phát triển công nghiệp liên hợp quốc (United Nations Industrial Development Organization) WEEE Chất thải điện điện tử (Waste Electrical and Electronics Equipment) Học viên: Trần Thị Hải Thu – CB140356 v Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Lượng chất thải điện tử thải bỏ tái chế Mỹ Bảng 1.2 Lượng thiết bị điện tử sinh hoạt thải bỏ Trung Quốc năm 2011 Bảng 1.3 Các kim loại có giá trị loại chất thải điện tử Bảng 1.4 Mức tăng trưởng hàng năm loại thiết bị sử dụng nguyên tố đất giới hàng Bảng 1.5 Lượng kim loại đất trung bình có thiết bị điện tử Bảng 1.6 Hàm lượng kim loại có nam châm đất Bảng 1.7 Các thành phần nam châm Nd-Fe-B 10 Bảng 1.8 Thành phần kim loại bột huỳnh quang 10 Bảng 1.9 Thành phần kim loại đất chủ yếu loại pin NiMH 10 Bảng 1.10 Phương pháp ứng dụng để thu hồi đất 22 Bảng 2.1 Danh mục thiết bị sử dụng q trình thí nghiệm 27 Bảng 3.1: Thành phần phận ổ cứng máy tính 34 Bảng 3.2 Hàm lượng kim loại mẫu bột nam châm theo kết ICP- MS 37 Bảng 3.3 Hàm lượng nguyên tố mẫu dung dịch hòa tách từ nam châm đất 37 Học viên: Trần Thị Hải Thu – CB140356 vi Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Lượng chất thải điện, điện tử thống kê số quốc gia năm 2012 .4 Hình 1.2 Thống kê chất thải điện tử Nhật Bản .5 Hình 1.3 Lượng chất thải điện, điện tử phát sinh tái chế Mỹ từ năm 2000-2012 11 Hình 1.4 Qui trình phân tách, tháo dỡ khử từ nam châm từ ổ cứng máy tính hãng Hitachi 16 Hình 1.5 Sơ đồ thu hồi kim loại đất từ pin NiMH hỏa luyện .17 Hình 2.1: Sơ đồ quy trình xử lý hòa tách nam châm đất ổ cứng máy tính 28 Hình 2.2 Các thành phần ổ cứng máy tính .29 Hình 2.3 Nam châm sau nung khử từ tách lớp mạ ngồi 30 Hình 2.4 Các kích thước nam châm sau nghiền 30 Hình 2.5 Nam châm nung nhiệt độ khác 30 Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống quy trình hòa tách nam châm đất 31 Hình 3.1 Phần trăm trọng lượng trung bình phận có ổ cứng máy tính thải 33 Hình 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả khử từ nam châm 35 Hình 3.3 Ảnh hưởng thời gian đến khả khử từ nam châm 35 Hình 3.5 Hiệu suất hòa tách kim loại nam châm đất với loại axit 10 phút 38 Hình 3.6 Hiệu suất hòa tách kim loại nam châm đất với loại axit 20 phút 38 Hình 3.7 Ảnh hưởng nồng độ axit H2SO4 hòa tách 10 phút 39 Hình 3.8 Ảnh hưởng nồng độ axit H2SO4 hòa tách 20 phút 40 Hình 3.9 Ảnh hưởng kích thước hạt đến hiệu suất hòa tách .41 Hình 3.10 Ảnh hưởng tỉ lệ Rắn:Lỏng đến hiệu suất hòa tách 42 Hình 3.11 Kết đo XRD mẫu bột sau nung nhiệt độ 300C 43 Hình 3.12 Kết đo XRD mẫu bột sau nung nhiệt độ 500C 44 Hình 3.13 Kết đo XRD mẫu bột sau nung nhiệt độ 700C 45 Hình 3.14 Kết đo XRD mẫu bột sau nung nhiệt độ 900C 46 Hình 3.15 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu suất hòa tách 47 Hình 3.16 Sơ đồ cơng nghệ đề xuất q trình hòa tách 49 Học viên: Trần Thị Hải Thu – CB140356 vii Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, với phát triển khoa học công nghệ, nguyên tố đất ngày sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp, nông nghiệp, y học… chất xúc tác; thuốc nhuộm; hợp kim kim loại; chất huỳnh quang; bột đánh bóng; ứng dụng hạt nhân laze; sợi quang học; chất siêu dẫn; nam chân vĩnh cửu, tụ điện, công nghệ rada… Đặc biệt lĩnh vực điện tử, loại đất có mặt nhiều sản phẩm: Nd, Pr, Sm, Tb, Dy, La, Ce, Eu, Y… nên nhu cầu sử dụng đất giới ngày tăng, đặc biệt từ Trung Quốc bắt đầu thực sách dự trữ tài ngun khống sản thị trường đất giới trở nên sôi động Cùng với gia tăng thiết bị điện điện tử nhanh chóng việc thải bỏ mơi trường kim loại nặng q khơng gây ảnh hưởng tới môi trường nghiêm trọng mà làm cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên dẫn đến việc thiếu hụt lượng kim loại đất tương lai Để giảm áp lực cho thị trường để tiết kiệm nguồn tài nguyên thiên nhiên không tái tạo đồng thời giảm thiểu tác động nguy hại đến mơi trường chất thải điện, điện tử việc thu hồi đất thực cần thiết Hiện nay, giá đất biến động theo năm, giai đoạn nhu cầu sử dụng Tuy nhiên từ năm 2010 giá đất tăng mạnh mẽ, sản lượng REE toàn cầu khoảng 125.000 tấn; tăng 54% từ 80.000 năm 2000 Bởi đến Trung Quốc chiếm 94% sản lượng tồn cầu, lượng lại sản xuất vài quốc gia khác Brazil, Ấn Độ Malaysia [29] Các bước thực nước dấy lên lo ngại giới phụ thuộc vào nguồn đất Hiện nay, giới gần 100% phụ thuộc vào xuất Trung Quốc vài mặt hàng thiết yếu cho công nghệ cao, lượng tái tạo, cơng nghệ liên quan đến quốc phòng Các hành động Trung Quốc tạo hai thị trường riêng biệt: thị trường Trung Quốc phần lại thị trường giới (ROW), làm cho thị trường đất trở nên sôi động Người ta cho thiếu Học viên: Trần Thị Hải Thu – CB140356 Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” hụt nguồn cung tiếp tục vài năm tới Khơng đủ đất có sẵn để đáp ứng nhu cầu ngày tăng, thúc đẩy việc thu hồi kim loại đất sản phẩm qua sử dụng để nhằm cân lại thị trường điều hòa nhu cầu sử dụng đất tương lai Các cơng trình nghiên cứu thu hồi đất từ trước chủ yếu từ mỏ quặng hay bã thải quặng, năm gần số nước tập trung nghiên cứu thu hồi từ nguồn thiết bị điện, điện tử thải (cụ thể nguồn thải ổ cứng máy tính có chứa nam châm đất hiếm) song việc thu hồi đồi hỏi nhiều quy trình phức tạp Theo Tập đồn liệu quốc tế (IDC) riêng q 4/2015 lơ hàng máy tính giới đạt 71,9 triệu đơn vị, từ năm 2008 đến 2014 đạt số 300 triệu đơn vị Từ vấn đề nêu xét thấy đề tài “Nghiên cứu bƣớc đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” lựa chọn để nghiên cứu phù hợp với nhu cầu thực tiễn Đề tài có mục tiêu xác định hoạt chất hòa tách yếu tố ảnh hưởng thích hợp để hòa tách kim loại đất Neodymium có loại nam châm vĩnh cửu ổ cứng máy tính thải (đã qua sử dụng) hiệu quả; đồng thời đưa qui trình tiền xử lý ổ cứng máy tính để thu gom nam châm thải Nội dung đề tài: Giới thiệu tổng quan thành phần chất thải điện, điện tử có chứa nguyên tố đất hiếm: Neodyum, tình hình phát sinh chất thải điện, điện tử nước giời Việt Nam Thống kê hàm lượng thành phần đất có sản phẩm nhằm đưa nhu cầu sử dụng tầm quan trọng nguyên tố đất kinh tế giới Giới thiệu quy trình thực thu thập ổ cứng máy tính qua sử dụng; giới thiệu phương pháp nghiên cứu; giới thiệu khu vực nghiên cứu hoạt động tháo dỡ phân loại thiết bị, hóa chất phục vụ cho trình nghiên cứu Căn vào số liệu thu trình thực nghiệm sở lý thuyết đưa qui trình tiền xử lý yếu tố hòa tách bột nam châm đất tối ưu phục vụ cho trình thu hồi đất Học viên: Trần Thị Hải Thu – CB140356 Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - R07 d=2.700 200 190 180 170 160 d=2.519 150 140 130 110 20 d=1.714 30 d=1.890 d=1.453 d=1.940 d=2.205 40 d=3.305 d=3.884 50 d=3.431 60 d=2.608 70 d=1.841 d=3.687 80 d=1.485 90 d=1.597 d=1.578 100 d=1.693 d=2.748 Lin (Cps) 120 10 10 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: HungBK R07.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 9.932 ° - End: 69.944 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 9.932 ° - Theta: 5.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 m 01-087-1164 (C) - Hematite - alpha-Fe2O3 - Y: 77.33 % - d x by: - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 5.03530 - b 5.03530 - c 13.74950 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3c (167) - - 301.904 - I 01-088-0477 (C) - Neodymium Iron Oxide - NdFeO3 - Y: 30.13 % - d x by: - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 5.58700 - b 7.76100 - c 5.45050 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) - - 236.3 Hình 3.14 Kết đo XRD mẫu bột sau nung nhiệt độ 900C Học viên: Trần Thị Hải Thu – CB140356 46 70 Đề tài “Nghiên cứu bước đầu thu hồi kim loại đất ổ cứng máy tính thải” Kết đo XRD cho thấy, mẫu rắn có hai pha tinh thể thành phần Fe2O3 alpha NdFeO3 Nhiệt độ cao, peak Fe2O3 alpha NdFeO3 rõ ràng, pha tinh thể phân biệt rõ rệt Lượng Fe bị chuyển hóa hồn tồn thành dạng oxit Fe2O3 tăng theo nhiệt độ Kết phù hợp với kết thực nghiệm sau hòa tách mẫu bột nam châm axit là: Với gia tăng nhiệt độ nung hầu hết kim loại Fe có mẫu chuyển thành Fe3+ khó tan dung dịch Nhưng đồng thời, hàm lượng Nd hòa tan bị giảm 100 80 60 40 20 300 500 Fe 700 Nd Pr 900 Dy B Hình 3.15 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu suất hòa tách (Nhiệt độ 250C, thời gian hòa tách 10 phút, tốc độ khuấy 200 vòng/phút, Axit H2SO4, Nồng độ 0,3M, kích thước hạt 99,4% Hiệu suất hòa tách tăng lên nồng độ axit tăng, nhiên nồng độ phù hợp khoảng 0,3 – 0,5M axit H2SO4 Tỉ lệ Rắn:Lỏng đạt hiệu suất cao tỉ lệ khoảng 2,5 gam mẫu/lít axit H2SO4 0,3M Hiệu suất hòa tách giảm dần cấp hạt tăng: hiệu suất hòa tách Nd cao hòa tách với cấp hạt