Nghiên cứu đánh giá tiềm năng tái chế chất thải điện tử và thu hồi kim loại có giá trị từ bản mạch điện tử thải bỏ 60 44 41

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐẶNG THỊ HƢỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG TÁI CHẾ CHẤT THẢI ĐIỆN TỬ VÀ THU HỒI KIM LOẠI CÓ GIÁ TRỊ TỪ BẢN MẠCH ĐIỆN TỬ THẢI BỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG THỊ HƢỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG TÁI CHẾ CHẤT THẢI ĐIỆN TỬ VÀ THU HỒI KIM LOẠI CÓ GIÁ TRỊ TỪ BẢN MẠCH ĐIỆN TỬ THẢI BỎ Chun ngành: Hóa Mơi Trƣờng Mã số: 60 44 41 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CHU XUÂN QUANG Hà Nội – 2013 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ BẢN MẠCH ĐIỆN TỬ THẢI BỎ 1.1.Chất thải điện tử - nguồn tài nguyên khoáng sản đô thị 1.1.1.Khái quát chất thải điện tử 1.1.2 Thực trạng phát sinh chất thải điện tử 1.1.3.Hiệu kinh tế - mơi trường q trình tái chế chất thải điện tử .9 1.2.Tình hình tái chế chất thải điện tử Việt Nam 10 1.3 Các phƣơng pháp ƣớc tính lƣợng chất thải điện tử phát sinh 11 1.3.1.Phương pháp bậc thời gian (time step method) .11 1.3.2.Phương pháp cung thị trường(market supply method) 12 1.3.3.Phương pháp Carnegie Mellon 13 1.3.4.Phương pháp gần 16 1.3.5.Phương pháp gần 17 1.4 Công nghệ tái chế mạch điện tử thải bỏ thu hồi kim loại 17 1.4.1.Phương pháp phân loại xử lý học 18 1.4.2.Phương pháp nhiệt luyện 19 1.4.3 Phương pháp thủy luyện 21 1.4.4 Phương pháp điện phân 22 1.4.5 Các phương pháp khác 23 1.5 Khái quát mạch điện tử 25 1.6.Tính chất hóa học Cu 26 Chƣơng PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 28 2.1 Mục tiêu phƣơng pháp nghiên cứu 28 2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 28 2.1.2.Phương pháp nghiên cứu 28 2.1.3.Nội dung nghiên cứu 28 2.2 Phƣơng pháp thu thập phân tích liệu dự báo lƣợng chất thải điện tử 28 2.2.1 Phương pháp điều tra, khảo sát 29 2.3 Phƣơng pháp thực nghiệm 30 2.3.1.Hóa chất thiết bị 30 2.3.2.Mơ hình thiết bị thu hồi kim loại 30 2.4 Phƣơng pháp phân tích Cu sử dụng thực nghiệm 33 2.5 Qui trình tách xác định thành phần mẫu mạch điện tử .33 2.6.Chuẩn bị nguyên liệu thí nghiệm 35 2.6.1.Nguyên liệu để xác định thành phần kim loại mạch điện tử 35 2.6.2.Nguyên liệu sử dụng cho thiết bị thu hồi Cu 35 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Dự báo số lƣợng chất thải điện tử phát sinh Hà Nội Hải Phịng 37 3.1.1 Kết điều tra thơng tin số thiết bị điện tử Hà Nội 37 3.1.2 Dự báo số lƣợng chất thải điện tử Hà Nội 42 3.1.3 Kết điều tra số thông tin thiết bị điện tử Hải Phòng 46 3.1.4 Dự báo số lƣợng chất thải điện tử Hải Phòng 51 3.2 Thành phần vật chất mạch điện tử máy tính 54 3.2.1 Thành phần khối lượng linh kiện mạch điện tử máy tính 54 3.2.2 Khảo sát thành phần kim loại mạch điện tử 55 3.3 Hàm lƣợng Cu nguyên liệu đƣợc sử dụng thực nghiệm .58 3.4 Kết thu hồi Cu hệ dung dịch H2SO4 – H2O2 .59 3.4.2 Ảnh hưởng nồng độ axit đến hiệu hòa tách Cu 59 3.4.3 Ảnh hưởng hàm lượng H2O2 đến hiệu hòa tách Cu .61 3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt tới tới khả hòa tan Cu 63 3.4.5.Ảnh hưởng hàm lượng Cu nguyên liệu tới khả hòa tách Cu……………………………………………………………………………………… 65 3.4.6 Ảnh hưởng điều kiện thiết bị đến hiệu hòa tách Cu 69 3.4.7 Ảnh hưởng Cu 2+ tới khả hòa tách Cu 71 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng 1.1 Các chấ 1.2 Các 1.3 Số lƣợn 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Số liệu m Số liệu m Số liệu năm Số liệu sử dụng Số liệu năm Số liệu năm Dữ liệu Nội giai Các giả thiết bị 3.9 Dự báo 3.10 Dự báo 3.11 Dự báo 3.12 Dự báo 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 So sánh 2013(ch So sánh năm 201 Dự báo điện tử Số liệu năm Số liệu m Số liệu m Số liệu vào sử d Số liệu 1997-20 Số liệu năm Dữ liệu Phòng g Các giả Hải P 3.24 Dự báo 3.25 Dự báo 3.26 Dự báo 3.27 Dự báo 3.28 So sánh 2013&2 3.29 Dự báo (chiếc) 3.30 Thành p 3.31 Thành p 3.32 So sánh mạ 3.33 Ảnh hƣ 3.34 Ảnh hƣ 3.35 Ảnh hƣ 3.36 Hiệu qu 3.37 So sánh 3.38 Ảnh hƣ 3.39 Hiệu qu 3.40 Kết giảm Axit có nồng độ 2,5M nồng độ axit tối ƣu, vừa đảm bảo đủ lƣợng nƣớc hệ phản ứng, vừa đảm bảo việc dƣ axit so với lƣợng Cu mẫu Đối với mẫu kích thƣớc lớn (1,0-1,5mm) có hàm lƣợng Cu thấp (28,8%) nên sử dụng axit có nồng độ 3,5M lƣợng axit dƣ so với Cu nhƣng đảm bảo đủ nƣớc hệ phản ứng (vì lƣợng Cu hệ thấp so với hệ phản ứng mẫu có kích thƣớc hạt 0,5-1,0mm), nồng độ axit cao lại xảy tƣợng giống nhƣ với mẫu 0,5-1,0mm sử dụng axit có nồng độ từ 3,5M trở nên Vì vậy, với mẫu có kích thƣớc hạt 1,0-1,5mm, nồng độ axit tối ƣu 3,5M So sánh hiệu hòa tách mẫu ngun liệu có kích thƣớc 1-1,5mm với nồng độ axit 3,5M tối ƣu mẫu nguyên liệu có kích thƣớc 0,5-1mm với nồng độ axit tối ƣu 2,5M ta có kết sau: Bảng 3.37 So sánh kết hòa tách Cu mẫu nguyên liệu Mẫu Thời gian (giờ) 10 11 12 67 Hình3.14: So sánh hiệu hòa tách Cu mẫu nguyên liệu Từ kết so sánh ta thấy, với mẫu có kích thƣớc hạt nhỏ (0,5-1,0mm) nồng độ axit thấp (2,5M) ban đầu hiệu suất hịa tách hơn, nhiên thời gian sau (từ tiếng thứ 7), hiệu suất hòa tách Cu sau lại tăng cao so với mẫu cịn lại Điều giải thích: thời điểm đầu, mẫu có kích thƣớc lớn (1,0-1,5mm) với hàm lƣợng Cu mẫu nhỏ (28,8%) sử dụng nồng độ axit cao (3,5 mol) nên lƣợng axit dƣ so với Cu thúc đẩy phản ứng diễn nhanh hơn, nhiên giai đoạn sau, lƣợng Cu giảm mạnh lƣợng trƣớc kích thƣớc hạt lại trở thành trở ngại cho việc hòa tách Do cấu tạo mạch mà nghiền, hạt kim loại Cu đƣợc bao lớp nhựa, kích thƣớc hạt to, lƣợng nhựa bao quanh hạt kim loại nhiều, làm giảm khả tiếp xúc kim loại với tác nhân phản ứng, mà lƣợng nhỏ Cu lại giai đoạn sau phản ứng chậm dẫn đến hiệu suất hòa tan chậm Từ thí nghiệm kết luận kích thƣớc hạt hàm lƣợng kim loại mẫu có ảnh hƣởng đến hiệu hòa tan kim loại 68 3.4.6 Ảnh hưởng điều kiện thiết bị đến hiệu hịa tách Cu Với mục đích chế tạo thiết bị đạt hiệu tối ƣu về giá trị kinh tế hiệu suất hòa tách kim loại, đó, việc thử nghiệm điều kiện thiết bị ảnh hƣởng đến khả hòa tách kim loại quan trọng Để khảo sát, tiến hành nhƣ sau: Chạy mẫu nguyên liệu, mẻ 200 g mạch có kích thƣớc hạt 1-1,5 mm, lít axit H2SO4 3,5M, tốc độ nhỏ H2O2 100ml/h Mẫu thứ có khuấy, có sục khí oxi tốc độ 1L/phút Mẫu thứ hai không khuấy sục oxi với tốc độ 1L/phút Mẫu thứ ba, khơng sục khí không khuấy Tiến hành phản ứng 12 tiếng, lấy mẫu lần 8ml, lọc xác định lƣợng Cu phƣơng pháp chuẩn độ Kết thu đƣợc nhƣ sau: Bảng 3.38: Ảnh hưởng điều kiện thiết bị đến hiệu suất hòa tách Cu Thời gian (giờ) 10 11 12 69 Hình 3.15: Ảnh hưởng điều kiện thiết bị đến hiệu suất hòa tách Cu Từ kết cho thấy, với mẫu có điều kiện sục khí thổi oxi hiệu suất hịa tách Cu lớn nhất, điều việc khuấy trộn góp phẩn làm tăng khả tiếp xúc chất phản ứng, việc thổi oxi tác dụng tăng đảo trộn thiết bị cịn góp phần cung cấp lƣợng nhỏ oxi tham gia vào phản ứng oxi hóa Cu thành Cu 2+ : 2Cu + 2H2SO4 + O2 = 2CuSO4 + 2H2O Chính tác dụng đảo trộn việc sục khí mà mẫu không khuấy, sục oxi, thời gian đầu (5 giờ) hiệu suất hịa tách Cu gần nhƣ mẫu có khuấy, có sục oxi Tuy nhiên thời gian sau, thể tích dung dịch tăng bổ sung thể tích H 2O2 khả đảo trộn giảm rõ hiệu suất hịa tách giảm Đối với mẫu khơng khuấy khơng sục khí, hiệu hịa tách Cu giảm so với mẫu lại khơng có tác nhân khuấy trộn, H2O2 khuếch tán chậm vào dung dịch nên chất tham gia phản ứng tiếp xúc với chậm làm giảm hiệu suất hịa tách Tuy nhiên, thấy rõ, mẫu khơng khuấy khơng đảo trộn, hiệu suất hịa tách tiếng 12 khơng q thấp so với mẫu có khuấy có sục oxi hiệu suất gần ngang so với mẫu có khuấy mà khơng sục oxi, điều chứng minh rằng, H2O2 tác nhân 70 để hịa tách Cu oxi khơng khí khơng thể phát huy hiệu hóa học làm tác nhân tham gia phản ứng thiết kế Chính vậy, muốn tăng khả đóng góp oxi phản ứng cần có biện pháp khác nhƣ để chia dịng oxi ống xoắn ruột gà… 3.4.7 Ảnh hưởng Cu 2+ tới khả hòa tách Cu Để khảo sát ảnh hƣởng Cu 2+ tới khả hòa tách Cu, chúng tơi tiến hành thí nghiệm nhƣ sau: Chạy mẫu điều kiện tối ƣu: 200 g mẫu nguyên liệu có kích thƣớc từ 0,51mm, 1L H2SO4 2,5M, H2O2 15% đƣợc nhỏ giọt với tốc độ 100ml/h, tốc độ sục khí 1L/phút, hệ phản ứng đƣợc khuấy trộn Sau Cu hịa tan hồn tồn (7 giờ), thu dung dịch (dung dịch A) Lấy thể tích dung dịch A định mức đến lít (dung dịch A1) cho đảm bảo nồng độ axit đạt 2,5M Dùng dung dịch A 1, chạy phản ứng tƣơng tự nhƣ điều kiện chạy dung dịch A, lấy 8ml dung dịch, lọc, chuẩn độ xác định lƣợng Cu Kết thu đƣợc nhƣ sau Bảng 3.39: Hiệu hòa tách Cu điều kiện tối ưu Thời gian (giờ) 71 Hình3.16: Hiệu hịa tách Cu điều kiện tối ưu (H2SO4 2,5M H2O215%) Hình 3.17: Bã rắn mẫu có kích thước 0,5-1,0mm điều kiện tối ưu (H2SO4 2,5M H2O215%) Khi sử dụng nguyên liệu có kích thƣớc hạt 0,5-1,0mm với điều kiện tối ƣu (nồng độ axit 2,5M nồng độ H 2O2) sau hiệu thu hồi Cu đạt 100% Theo kết phân tích, mẫu hịa tách sau giờ, hiệu suất hòa tách lại giảm, điều kết tinh muối đồng dung dịch bão hòa làm giảm nồng độ Cu 2+ dung dịch Sau tiếng, tiến hành thu bã rắn, rửa làm khơ, sau cân khối lƣợng cân kỹ thuật, kết khối lƣợng bã rắn 119,304 g, So kết bã rắn với khối lƣợng nguyên liệu ban đầu có  m= 200,0 -119,304 = 72 80,696 g Nhƣ vậy, rõ ràng lƣợng Cu phản ứng hết (sai số 4,8%) Sau kết hòa tách Cu dung dịch A1 (hệ H2SO4 – H2O2 tái sử dụng) Bảng 3.40: Kết hòa tách Cu hệ H2SO4 – H2O2 tái sử dụng Thời gian Mẫ (giờ) Sau sử dụng dung dịch thu đƣợc để hòa tan đồng, thực tế bã rắn khơng cịn Cu tức hiệu suất hịa tách đạt 100% nhƣng kết hiệu suất thấp nhƣ lƣợng Cu sinh kết tinh dung dịch làm giảm lƣợng Cu 2+ tự do, dẫn đến phân tích cho kết hiệu suất hòa tách thấp Trong thời gian từ thứ đến thứ thấy hiệu suất hòa tan tăng dung dịch chƣa q bão hịa H2O2 dƣ hịa tan Cu nhanh chóng làm tốc độ hòa tan Cu lớn tốc độ kết tinh, sau hiệu suất giảm dung dịch q bão hịa Cu tốc độ kết tinh lại lớn tốc độ hòa tan Cu Hình ảnh bã rắn sau hịa tan Cu dung dịch A1 mẫu dung dịch thu đƣợc có muối đồng sunphats kết tinh chứng minh điều Nhƣ vậy, với kết thực nghiệm trên, thực tế thu hồi kim loại, ta tận dụng dung dịch hịa tách trƣớc để làm tác nhân phản ứng, điều giúp giảm đƣợc lƣợng tác nhân phản ứng đƣa vào, tiết kiệm hóa chất mà đạt hiệu thu hồi Theo tính tốn chúng tơi thí nghiệm chúng tơi tận dụng đƣợc 25% lƣợng axit sunphuric đặc mà hiệu hòa tách Cu đạt khoảng 100% sau 73 Hình 3.18 Bã rắn dung dịch sau hòa tan Cu dung dịch A1 (hệ H2SO4H2O2 tái sử dụng) Dung dịch thu đƣợc sau hòa tách Cu đem kết tinh cách lấy 100 ml vào cốc thủy tinh chịu nhiệt tiến hành cô bếp cách cát để thu dung dịch bão hịa, lúc dung dịch cịn nóng, đổ khay nhựa sau làm nguội dung dịch nhiệt độ phịng thu CuSO4,5H2O kết tinh Hình 3.19: Tinh thể CuSO4 thu đƣợc Nhƣ dung dịch thu đƣợc sau hịa tách tinh khiết sử dụng đƣợc công nghiệp 74 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu thực luận văn tốt nghiệp, thu đƣợc số kết nhƣ sau: Hà Đã dự báo đƣợc số lƣợng thiết bị điện, điện tử thải bỏ phát sinh Đã tiến hành chế tạo thiết bị hòa tách kim loại đƣa quy trình hịa tách Đối với mẫu ngun liệu có kích thƣớc hạt nhỏ 0,5-1,0 mm hàm lƣợng Cu lớn nồng độ axit tối ƣu 2,5M Đã khảo sát ảnh hƣởng nồng độ H2O2 tới khả hòa tách Cu, nồng độ H2O2 cao khả hòa tách Cu nhanh Với mẫu nguyên liệu có kích thƣớc 0,5-1,0mm nồng độ H2O2 tối ƣu 15% Với nồng độ axit tối ƣu 2,5M nồng độ H2O2 15% hiệu suất hịa tách Cu mẫu mạch có kích thƣớc 0,5-1,0mm đạt 100% Đối với mẫu có kích thƣớc hạt lớn hàm lƣợng Cu thấp (28,8%) nồng độ axit tối ƣu 3,5M Kích thƣớc hạt ảnh hƣởng tới khả hòa tan Cu, mẫu có kích thƣớc hạt nhỏ cho hiệu hòa tách tốt Việc tái sử dụng dung dịch sau hòa tách đồng để tiếp tục hòa tách nguyên liệu có khả thi để tiết kiệm hóa chất Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để đƣa thể tích dung dịch đem tái sử dụng tránh tƣợng muối Cu 2+ kết tinh bã sản phẩm Trong thời gian tới mở rộng nghiên cứu việc sử dụng tác nhân khác để hòa tách Cu thiết bị tự chế nhằm đƣa quy trình hịa tách đạt hiệu cao Thử vận hành thiết bị mẫu nguyên liệu có ngun tố khác nhƣ chì thiếc… để phù hợp với loại mẫu thực tế có chứa nhiều kim loại khác Đây hƣớng nghiên cứu có ứng dụng thực tế nhằm tăng hiệu tái chế chất thải điện tử vừa đem lại giá trị kinh tế, vừa giảm tác động gây ô nhiễm môi trƣờng 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Huỳnh Trung Hải, Trần Văn Nhân, Cao Xuân Mai (12/2006) “Chất thải rắn công nghiệp điện tử khu vực Hà Nội khả tái chế kim loại”, Báo cáo hội nghị chất thải rắn – Hà Nội Hà Vĩnh Hƣng (2011), Nghiên cứu thu hồi vàng từ chất thải điện tử, Luận án tiến sỹ công nghệ Môi trƣờng, Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Hà Vĩnh Hƣng, Huỳnh Trung Hải, Jae-Chun Lee (2009), “Chất thải điện tử công nghệ tái chế”, Tạp chí mơi trường, 11(1), tr.20-21 Hồng Nhâm (2005), Hóa học vơ cơ, tập 3, Nhà xuất giáo dục Nguyễn Văn Ri (2001), Giáo trình thực tập hóa phân tích, Nhà xuất đại học Quốc Gia Hà Nội, 2001 Đỗ Quang Trung (2008), Báo cáo tóm tắt kết thực đề tài xây dựng giải pháp quản lý tái sử dụng chất thải điện tử (E-Waste) Việt Nam giai đoạn 2006-2010, mã số QMT 06.01, Hà Nội Viện khoa học công nghệ môi trƣờng (2012), Báo cáo nghiên cứu công nghệ tái chế rác thải điện tử để thu hồi kim loại sản xuất spinel cobalt-nhôm sử dụng ngành gốm sứ, mã số B2010-01-408-TĐ, Hà Nội Tiếng Anh of Antti Tohka and Harri Lehto (2005), “Mechanical and Thermal Recycling Waste from Electric and Electrical Equipment”, Energy Engineering and Environmental Protection Publications, Helsinki University of Technology, Espoo Cui JR, Zhang LF (2008), “Metallurgical recovery of metals from electronic waste”, a review J Hazard Mater, 10, pp.158- 228 76 10 Gaidajis.G, Angelakoglou.K and Aktsoglou.D (2010), “E-waste: Environmental Problems and Current Management”, Journal of Engineering Science and Technology Review, Greece 11 Gongming Zhou, Zhihua Luo and XuluZhai (2007), “Experimental study on metal recycling from waste PCB”, Proceedings of the International Conference on Sustainable Solid Waste Management, India, 20, pp.155-162 12 Kang Hai-Yong, M Schoenung Julie, (2005), “Electronic waste recycling: A review of U,S, infrastructure and technology options”, Resources, conservation and recycling, 45, pp.368-400 13 Keith Scott and Andrea Mecucci (2002), “Leaching and electrochemical recovery of copper, lead and tin from scrap printed circuit boards”, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 50, pp 449-457 14 Maharashtra Pollution Control Board (2007), Report on Assessment of Electronic Wastes in Mumbai-Pune Area, New Delhi, India 15 Maheshwar Dwivedy (2009), “Estimation of future outflows of ewaste in India”, Elsevier journal, pp 483-491 16 Ministry of enviroment and Forest (2008), Guidelines for enviromentally sound management of e-waste, Delhi, India 17 The Rajya Sabha Secretariat on topical issues (2011), E- waste in India, India 18.Tom Young (2010), E-waste a growing problem for China and India,, Korea 19 UNEP (2007), E-waste volume 1: Inventory assessment manual 20 Wernick.I.K, Themelis.N.J (1998), “Recycling metals for the environment”, Annual review of energy and the Enviroment, Annual Reviews Inc, Palo Alto, CA, USA, 48, pp 465-497 77 21 Tham khảo trang web Bộ Tài nguyên Môi trƣờng Việt Nam http://www,monre,gov,vn/v35/default,aspx?tabid=428&CateID=39&ID=119471&C ode=HTKM119471 78 ... ĐẶNG THỊ HƢỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG TÁI CHẾ CHẤT THẢI ĐIỆN TỬ VÀ THU HỒI KIM LOẠI CÓ GIÁ TRỊ TỪ BẢN MẠCH ĐIỆN TỬ THẢI BỎ Chun ngành: Hóa Mơi Trƣờng Mã số: 60 44 41 LUẬN VĂN THẠC SĨ... điện tử góp phần nghiên cứu tìm giải pháp hiệu việc tái chế chất thải điện tử Việt Nam, luận văn này, sâu vào ? ?Nghiên cứu đánh giá tiềm tái chế chất thải điện tử thu hồi kim loại có giá trị từ. .. từ mạch điện tử thải bỏ? ?? Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT THẢI ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ BẢN MẠCH ĐIỆN TỬ THẢI BỎ 1.1 .Chất thải điện tử - nguồn tài ngun khống sản thị 1.1.1.Khái quát chất thải điện