Nghiên cứu thu hồi đất hiếm trong bột huỳnh quang thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ HUY VIỆT NGHIÊN CỨU THU HỒI ĐẤT HIẾM TRONG BỘT HUỲNH QUANG THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ HUY VIỆT NGHIÊN CỨU THU HỒI ĐẤT HIẾM TRONG BỘT HUỲNH QUANG THẢI Chuyên ngành: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS HUỲNH TRUNG HẢI Hà Nội – Năm 2017 Đề tài “ Nghiên cứu thu hồi đất bột huỳnh quang thải” Lê Huy Việt – Luận văn Thạc sỹ Khoa học ngành Quản lý Tài nguyên Môi trường LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu thu hồi đất bột huỳnh quang thải” tơi nhóm nghiên cứu thực khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu công nghệ thu hồi Yttrium Europium đèn huỳnh quang thải sau sử dụng”, mã số B2017-BKA-43 hướng dẫn GS.TS Huỳnh Trung Hải Đây chép cá nhân, tổ chức Kết thực nghiệm nêu luận văn đồng ý TS Hà Vĩnh Hưng - Chủ nhiệm đề tài 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 tơi trình bày luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2017 HỌC VIÊN Lê Huy Việt i Đề tài “ Nghiên cứu thu hồi đất bột huỳnh quang thải” Lê Huy Việt – Luận văn Thạc sỹ Khoa học ngành Quản lý Tài nguyên Môi trường LỜI CẢM ƠN Luận văn thực Viện Khoa học Công nghệ Môi trường Đại học Bách khoa Hà Nội hỗ trợ đề tài “Nghiên cứu công nghệ thu hồi Yttrium Europium đèn huỳnh quang thải sau sử dụng”, mã số B2017-BKA-43 Bộ giáo dục Đào tạo cấp kinh phí Qua đây, em xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc đến GS.TS Huỳnh Trung Hải, người thầy tận tình dẫn, định hướng cho em suốt trình thực luận văn Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến TS Hà Vĩnh Hưng – Chủ nhiệm đề tài, với thầy cô Trung tâm Sản xuất Viện Khoa học Công nghệ Môi trường, người tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ, bảo em thời gian qua Tôi xin cảm ơn bạn sinh viên môi trường K57 K58 người hỗ trợ nhiều công đoạn thực nghiệm Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến người thân gia đình bạn bè ln đồng hành, khuyến khích giúp cho em yên tâm mặt tinh thần, vật chất suốt trình học tập thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày tháng năm 2017 HỌC VIÊN Lê Huy Việt ii Đề tài “ Nghiên cứu thu hồi đất bột huỳnh quang thải” Lê Huy Việt – Luận văn Thạc sỹ Khoa học ngành Quản lý Tài nguyên Môi trường MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH viii MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ THU HỒI CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM TRONG BÓNG ĐÈN HUỲNH QUANG THẢI I.1 Nguyên tố đất I.2 Ứng dụng nguyên tố đất bóng đèn huỳnh quang I.3 Quản lý xử lý bóng đèn huỳnh quang thải giới I.3.1 Lượng phát thải đèn huỳnh quang giới I.3.2 Hiện trạng thu gom đèn huỳnh quang thải giới I.3.3 Hiện trạng xử lý bóng đèn huỳnh quang thải giới I.4 Quản lý xử lý bóng đèn huỳnh quang thải Việt Nam I.4.1 Lượng phát sinh bóng đèn huỳnh quang thải Việt Nam I.4.2 Hiện trạng thu gom bóng đèn huỳnh quang thải Việt Nam I.4.3 Hiện trạng xử lý bóng đèn huỳnh quang thải Việt Nam 10 I.5 Các phương pháp tái chế bột huỳnh quang thải 12 I.5.1 Phương pháp vật lý - học 12 I.5.2 Phương pháp thủy luyện 13 I.5.2.1 Q trình hịa tách 13 I.5.2.2 Q trình trích ly 15 I.5.3 Quá trình kết tủa 18 CHƢƠNG II QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 19 II.1 Đối tượng nghiên cứu 19 II.2 Hóa chất thiết bị sử dụng 20 II.2.1 Hóa chất sử dụng 20 II.2.2 Thiết bị thí nghiệm 20 II.3 Q trình thí nghiệm 21 II.3.1 Q trình hịa tách 21 II.3.2 Quá trình trích ly 23 iii Đề tài “ Nghiên cứu thu hồi đất bột huỳnh quang thải” Lê Huy Việt – Luận văn Thạc sỹ Khoa học ngành Quản lý Tài nguyên Môi trường II.3.2.1 Chuẩn bị dung môi 23 II.3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất trích ly 23 II.3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ chất trích ly dung mơi đến hiệu suất trích ly 23 II.3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch đến hiệu suất trích ly 24 II.3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ pha hữu với pha nước đến hiệu suất trích ly 24 II.4 Phương pháp phân tích xử lý số liệu 24 II.5 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 25 II.6 Nguyên tắc xác định điều kiện tối ưu hóa q trình hịa tách đất 27 CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 III.1 Hòa tách đất bột huỳnh quang 28 III.1.1 Vai trò kiềm hóa phương pháp kiềm hóa kết hợp với hịa tách axit 28 III.1.2 Xác định phương trình hồi quy hiệu suất hịa tách nguyên tố đất 31 III.1.3 Đánh giá tác động qua lại lẫn yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất hòa tách 34 III.1.3.1 Sự tác động yếu tố đến yếu tố thời gian ảnh hưởng tới hiệu suất hòa tách 34 III.1.3.2 Sự tác động qua lại yếu tố đến yếu tố nồng độ axit ảnh hưởng tới hiệu suất hòa tách 35 III.1.3.3 Sự tác động qua lại yếu tố đến yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng tới hiệu suất hòa tách 37 III.1.3.4 Sự tác động qua lại yếu tố đến yếu tố tỉ lệ NaOH/bột ảnh hưởng tới hiệu suất hòa tách 38 III.1.4 Tối ưu hóa điều kiện trình hịa tách đất 40 III.2 Q trình trích ly thu hồi đất 41 III.2.1 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất trích ly 41 III.2.2 Ảnh hưởng tỉ lệ chất trích ly dung mơi đến hiệu suất trích ly 42 III.2.3 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch đến hiệu suất trích ly 43 III.2.4 Ảnh hưởng tỉ lệ pha hữu với pha nước đến hiệu suất trích ly 44 III.2.5 Thử nghiệm trích ly thu hồi đất từ dung dịch hòa tách bột huỳnh quang thải 45 III.2.5.1 Trích ly nguyên tố Y 45 iv Đề tài “ Nghiên cứu thu hồi đất bột huỳnh quang thải” Lê Huy Việt – Luận văn Thạc sỹ Khoa học ngành Quản lý Tài nguyên Môi trường III.2.5.2 Trích ly hỗn hợp nguyên tố Eu Tb 47 III.3 Xây dựng quy trình hịa tách trích ly đất 49 III.4 Vấn đề mơi trường liên quan đến thu hồi đất bóng đèn huỳnh quang thải 51 III.5 Đánh giá sơ tính khả thi kinh tế 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 I Kết luận 53 II Kiến nghị 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 BÀI BÁO KHOA HỌC 58 PHỤ LỤC 59 v Đề tài “ Nghiên cứu thu hồi đất bột huỳnh quang thải” Lê Huy Việt – Luận văn Thạc sỹ Khoa học ngành Quản lý Tài nguyên Môi trường DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BHQ BRIC CFL CRT ĐHQ EDX EPA EPR H HC ICP-MS LED LFL MRT MT MTV N R REEs REOs TCVN TNHH XRD WEEE Bột huỳnh quang Nhóm nước gồm Brasin, Nga (Russia), Ấn độ (India) Trung quốc (China) Đèn compact (Compact fluorescent lamps) Ống tia âm cực (Cathode Ray Tube) Đèn huỳnh quang Phổ tán xạ lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) Cơ quan Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ(United States Environmental Protection Agency) Trách nhiệm mở rộng nhà sản xuất (Extended Producer Responsibility) Hiệu suất Pha dung môi hữu Khối phổ plasma cảm ứng (Inductively-Coupled Plasma - Mass Spectrometry) Đèn LED (Light emitting diodes) Đèn huỳnh quang ống thẳng (Linear fluorescent lamp) Kỹ thuật thu hồi thủy ngân Môi trường Một thành viên Pha nước Tỉ lệ Nguyên tố đất (Rare Earth Elements) Oxit đất (Rare Earth Oxides) Tiêu chuẩn Việt Nam Trách nhiệm hữu hạn Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) Chất thải điện điện tử (Waste Electrical and Electronics Equipment) vi Đề tài “ Nghiên cứu thu hồi đất bột huỳnh quang thải” Lê Huy Việt – Luận văn Thạc sỹ Khoa học ngành Quản lý Tài nguyên Môi trường DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Ứng dụng quan trọng nguyên tố đất Bảng 1.2 Thành phần loại bột huỳnh quang LFL Bảng 1.3 Thành phần bột huỳnh quang tiêu chuẩn Bảng 1.4 Khối lượng đất bóng đèn Bảng 1.5 Tỉ lệ thu gom bóng đèn huỳnh quang thải nước giới Bảng 1.6 Thơng tin xử lý bóng đèn huỳnh quang thải số nhà máy 11 Bảng 1.7 Các tác nhân trích ly điển hình sử dụng trích ly đất 16 Bảng 2.1 Thành phần nguyên tố chủ yếu bột huỳnh quang thải 20 Bảng 2.2 Hóa chất sử dụng trình thí nghiệm 20 Bảng 2.3 Thiết bị sử dụng trình nghiên cứu 20 Bảng 2.4 Các hệ số phụ thuộc số biến độc lập k 26 Bảng 3.1 Hiệu suất hịa tách bột huỳnh quang kiềm hóa khơng kiềm hóa Bảng 3.2 Ma trận kế hoạch thực nghiệm hàm mục tiêu 31 Bảng 3.3 Hệ số hồi quy 33 Bảng 3.4 Hàm lượng nguyên tố dung dịch đầu vào trích ly Y 45 Bảng 3.5 Hàm lượng nguyên tố dung dịch sau trình giải trích Y 46 Bảng 3.6 Hàm lượng nguyên tố pha nước sau trích ly Y 46 Bảng 3.7 Hàm lượng nguyên tố dung dịch sau giải trích hỗn hợp Eu Tb 48 Bảng 3.8 Hàm lượng nguyên tố pha nước sau trích ly hỗn hợp Eu Tb48 Bảng 3.9 Bảng tính sơ chi phí doanh thu 52 vii Đề tài “ Nghiên cứu thu hồi đất bột huỳnh quang thải” Lê Huy Việt – Luận văn Thạc sỹ Khoa học ngành Quản lý Tài nguyên Môi trường DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo bóng đèn huỳnh quang Hình 1.2 Dự đoán phát triển thiết bị chiếu sáng tồn cầu .6 Hình 1.3 Sơ đồ cơng nghệ xử lý bóng đèn huỳnh quang thải Hình 1.4 Lượng bóng đèn huỳnh quang thải Việt Nam Hình 1.5 Sơ đồ xử lý ĐHQ thải Cơng ty Mơi Trường Xanh Huệ Phương 12 Hình 1.6 Sơ đồ xử lý ĐHQ thải Công ty Thanh Tùng 12 Hình 2.1 Sơ đồ thu hồi bột huỳnh quang thải từ đèn huỳnh quang qua sử dụng 19 Hình 2.2 Sơ đồ hòa tách đất bột huỳnh quang thải 22 Hình 2.3 Quy trình trích ly đất từ dung dịch PC88A 23 Hình 3.1 Kết đo XRD mẫu bột huỳnh quang thải chưa kiềm hóa 29 Hình 3.2 Kết đo XRD mẫu bột huỳnh quang thải sau kiềm hóa .30 Hình 3.3 Đồ thị miêu tả tác động nhiệt độ đến mức độ ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất hòa tách Y .35 Hình 3.4 Ảnh hưởng thời gian nhiệt độ tới hiệu suất hòa tách Y 35 Hình 3.5 Đồ thị miêu tả tác động nhiệt độ đến mức độ ảnh hưởng nồng độ axit tới hiệu suất hòa tách Y 36 Hình 3.6 Ảnh hưởng nồng độ axit nhiệt độ tới hiệu suất hịa tách Y 36 Hình 3.7 Đồ thị miêu tả tác động yếu tố thời gian, nồng độ axit, tỉ lệ NaOH/bột đến mức độ ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ tới hiệu suất hịa tách Y .38 Hình 3.8 Ảnh hưởng nhiệt độ nồng độ axit tới hiệu suất hòa tách Y (Điều kiện thí nghiệm: x1=-1, x4=1) 38 Hình 3.9 Đồ thị miêu tả tác động nhiệt độ đến mức độ ảnh hưởng yếu tố tỉ lệ NaOH/bột tới hiệu suất hòa tách Y 39 Hình 3.10 Ảnh hưởng tỉ lệ NaOH/bột nhiệt độ tới hiệu suất hòa tách Y .39 Hình 3.11 Các tham số tối ưu hóa điều kiện hịa tách đất .40 Hình 3.12 Đồ thị ảnh hưởng pH đến hiệu suất trích ly 42 Hình 3.13 Đồ thị ảnh hưởng tỷ lệ PC88A dung mơi đến hiệu suất trích ly 42 Hình 3.14 Đồ thị ảnh hưởng nồng độ đến hiệu suất trích ly Y 43 Hình 3.15 Đồ thị ảnh hưởng nồng độ đến hiệu suất trích ly Eu Tb 43 Hình 3.16 Đồ thị ảnh hưởng tỉ lệ pha hữu pha nước đến hiệu suất trích ly 44 viii Đề tài “ Nghiên cứu thu hồi đất bột huỳnh quang thải” Lê Huy Việt – Luận văn Thạc sỹ Khoa học ngành Quản lý Tài ngun Mơi trường Hình 3.21 Lưu trình trích ly giải trích hỗn hợp Eu Tb Kết Sản phẩm pha nước sau q trình giải trích ly có thành phần bảng 3.7 Sản phẩm có độ tinh khiết: Eu (83,4%); Tb (10,4%) Hiệu suất thu hồi Eu (99%); Tb (98,9%) Mặc dù trình khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất trích ly cho thấy Ca khơng bị trích ly, nhiên có lẽ nồng độ Ca cao nên Ca bị trích ly phần nhỏ pH tăng Pha nước sau trích ly có thành phần bảng 3.8 thải bỏ Bảng 3.7 Hàm lƣợng nguyên tố dung dịch sau giải trích hỗn hợp Eu Tb Nguyên tố Y Eu Tb Al Ca Nồng độ (ppm) 0,32 49,00 6,11 0,41 2,92 Độ tinh khiết (%) 0,5 83,4 10,4 0,7 5,0 Bảng 3.8 Hàm lƣợng nguyên tố pha nƣớc sau trích ly hỗn hợp Eu Tb Nguyên tố Nồng độ (ppm) Y Eu Tb Al Ca