Bản mạch đóng vai trò là trung gian để kết nối hoặc giao tiếp giữa các thiết bị điện tử với nhau. Có rất nhiều các thiết bị gắn trên bo mạch chủ theo cách trực tiếp có mặt trên nó, thông qua các kết nối cắm vào hoặc dây dẫn liên kết.
Hình 1.4: Cấu tạo của bản mạch điện tử máy tính
Thông thƣờng thì một bản mạch sẽ có hai mặt: Mặt chứa các mạch dẫn điện ở một mặt, mặt còn lại để các linh kiện điện tử gắn trên chúng qua các chân linh kiện bằng kim loại đâm xuyên qua các lỗ của bản mạch để đƣợc hàn định vị vào mạch điện. Thế hệ bản mạch tiếp theo thì ở cả hai mặt của chúng đều có các mạch điện, linh kiện khi này có thể đƣợc sắp xếp ở trên một mặt của bản mạch hoặc cả trên hai mặt của bản mạch, các mạch dẫn điện còn đƣợc chứa ở giữa các lớp của bản mạch chứ không đơn thuần là chỉ có hai mặt tiếp xúc với không khí.
Cấu tạo bản mạch bao gồm một tấm bản thành phần chủ yếu là nhựa cứng trên đó đƣợc phủ đồng và gắn các thành phần khác. Có một vài chất cách điện khác nhau mà có thể đƣợc chọn để cung cấp cho cách ly các giá trị khác nhau tùy thuộc
26
vào yêu cầu của mạch. Phần bản mạch bao gồm các tấm đồng đƣợc dát mỏng và các tấm sợi thủy tinh với lớp phủ bên ngoài bằng hợp kim hàn (37% chì, 63% thiếc) độ dày khoảng 0,0005 inch để chống axit và dễ hàn. Hình 1.5 mô tả cấu tạo của một bản mạch điện tử.
Hình 1.5: Cấu tạo của bản mạch một lớp
Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các thiết bị điện tử ngày càng có nhiều chức năng, đồng thời bo mạch chủ cũng đƣợc phát triển, có thể gồm từ 3 cho đến 5 lớp, và thậm chí chúng còn có số lớp dẫn tín hiệu nhiều hơn nữa - nhƣ là có đến 7 lớp.
1.6.Tính chất hóa học của Cu[4]
Đồng là một kim loại có màu vàng ánh đỏ, có độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt cao (trong số đa các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ có bạc có độ dẫn điện cao hơn), tỷ khối 8,920kg/m3, độ cứng 3,0.
Về mặt hóa học đồng là kim loại kém hoạt động hóa học. Ở nhiệt độ thƣờng và trong không khí, đồng bị bao phủ một màng màu đỏ gồm đồng kim loại và đồng(I) oxit. Oxit này đƣợc tạo nên bởi phản ứng:
2Cu + O2 + 2H2O = 2Cu(OH)2↓ Cu(OH)2 + Cu = Cu2O + H2O
Nhiệt độ thƣờng đồng không tác dụng với flo bởi màng CuF2 đƣợc tạo nên rất bền sẽ bảo vệ đồng, Với clo đồng tác dụng khi đun nóng tạo nên muối CuCl2.
Đồng tan trong axit nitric và axit sunfuric đặc:
3Cu + 8HNO3 (l) = 3Cu(NO3)2 + 2 NO + 4H2O Cu + 2H2SO4 (đ) = CuSO4 + SO2 + 2 H2O
27
Khi có mặt của oxi không khí, đồng có thể tan trong dung dịch H2SO4 và dung dịch NH3 đặc.
2Cu + 2H2SO4 + O2 = 2 CuSO4 + 2 H2O
2Cu + 8NH3 + O2 + 2H2O = 2{Cu(NH3)4}(OH)2
Đồng có phản ứng hóa học với muối của kim loại đứng sau Cu trong dãy điện hóa nhƣ Fe3+, Pb…
28
Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1. Mục tiêu và phƣơng pháp nghiên cứu
2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
- Ƣớc tính lƣợng chất thải điện tử hiện tại và trong tƣơng lại ở 02 tỉnh thành phố lớn của miền Bắc là Hà Nội và Hải Phòng.
- Nghiên cứu phát triển công nghệ (thiết kế, chế tạo thiết bị ở quy mô phòng thí nghiệm) thu hồi Cu kim loại từ bản mạch điện tử thải bỏ phù hợp với điều kiện kinh tế, kỹ thuật của Việt Nam.
2.1.2.Phương pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp điều tra, khảo sát hiện trƣờng nhằm thu thập số liệu cho việc tính
toán lƣợng chất thải.
- Sử dụng phƣơng pháp Carnegie Mellon để phân tích số liệu điều tra
- Phƣơng pháp thực nghiệm nhằm đƣa ra phƣơng án công nghệ tối ƣu để thu hồi kim loại
- Nghiên cứu trên mô hình thu hồi Cu ở quy mô phòng thí nghiệm
2.1.3.Nội dung nghiên cứu
- Ƣớc tính lƣợng chất thải điện tử ở Hà Nội và Hải phòng sử dụng phƣơng pháp
Carnegie Mellon
- Tìm hiểu phân loại các thành phần của bản mạch máy tính thải bỏ
- Khảo sát hiệu quả hòa tách Cu ở các điều kiện khác nhau sử dụng hệ (H2SO4 + H2O2)trong thiết bị thử nghiệm
- Kết tinh dung dịch muối CuSO4 thu đƣợc
2.2. Phƣơng pháp thu thập và phân tích dữ liệu dự báo lƣợng chất thải điện tử
Chất thải điện tử ngày một gia tăng ở Việt Nam, tuy nhiên để tái chế chất thải điện tử hiệu quả đòi hỏi phải thiết lập cơ sở hạ tầng phù hợp. Các yếu tố tác động đến cơ sở hạ tầng tái chế là lƣợng chất thải trong dòng chất thải, các công nghệ tái chế có hiệu quả sự quản lý của chính quyền, giá trị kinh tế của các sản
29
phẩm đã hết thời gian sử dụng (Kang và Schoenung, 2005). Bởi vậy, điều cấp bách đặt ra là ƣớc lƣợng một cách đáng tin cậy khối lƣợng chất thải điện tử phát sinh trong tƣơng lai ở Việt Nam để có thể sử dụng trong việc lên kế hoạch và xây dụng cơ sở hạ tầng tái chế phù hợp. Do đó, trong khuôn khổ của luận văn này chúng tôi đã cố gắng khảo sát, nghiên cứu để đƣa ra một ƣớc tính cụ thể về lƣợng chất thải điện tử hiện tại và trong tƣơng lai tập trung vào một số thiết bị điện tử nhƣ tivi, tủ lạnh, máy giặt ở 02 tỉnh thành phố lớn của miền Bắc là Hà Nội và Hải phòng.
2.2.1. Phương pháp điều tra, khảo sát
Tiến hành khảo sát ngẫu nhiên các hộ gia đình đang sinh sống tại 02 tỉnh, thành phố Hà Nội và Hải Phòng một số thông tin: số thiết bị điện tử hiện có, năm đƣợc mua (cho, tặng), cách thức xử lý sau khi không sử dụng thiết bị nhƣ đem cho ngƣời khác, lƣu lại, đem bán phế liệu hay vứt bỏ, thời hạn sử dụng thiết bị…đối với 6 loại thiết bị: Máy tính để bàn, máy tính xách tay, tivi màu, tivi LCD, tủ lạnh, máy giặt,
2.2.2.Phương pháp phân tích dữ liệu
Thị trƣờng điện tử Việt Nam không phải là thị trƣờng bão hòa, do đó để ƣớc tính một cách đáng tin cậy lƣợng chất thải điện tử phát sinh trong tƣơng lai cần sử dụng phƣơng pháp Carnegie Mellon
O(Y,K) = D(Y-LK , IK) O(Y-Lr, K) = D(Y- Lr- LK, IK) O(Y-Ls, K) = D(Y-Ls-LK, IK)
• RU(Y,K)=P1 x O(Y,K): Tỷ lệ tái sử dụng ST = P2 xOY + P1xP5xOY-Lr : Tỷ lệ lƣu trữ
RC = P3 x OY + P2xP8 xOY-Ls + P1xP6xOY-Lr + P1xP5xP8x OY-Ls-Lr : Tỷ lệ tái chế LA= P4 xOY +P1xP7xOY- Lr + P2xP9 xOY-Ls + P1xP5xP9 xOY-Lr-Ls : Tỷ lệ chôn lấp • Xuất ra OY, RU, ST,RC và LA
Do không có sẵn dữ liệu bán sản phẩm điện tử nội địa nên số lƣợng sản phẩm bán ra trong năm Y-LK (D(Y-LK), IK) đƣợc tính nhƣ sau:
30
Trong đó tỷ lệ loại thiết bị I / ngƣời = Tổng số máy đƣợc mua trong năm Y-LK/ tổng số ngƣời trong các hộ gia đình đƣợc điều tra.
Các tỷ lệ P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9 là các tỷ lệ giả định dựa trên dữ liệu điều tra và dữ liệu công nghiệp của các hãng sản xuất thiết bị điện, điện tử.
2.3. Phƣơng pháp thực nghiệm
2.3.1.Hóa chất và thiết bị
- Dung dịch EDTA 0,1M: Cân 9,306 g EDTA ( Na2H2Y, 2H2O) đã đƣợc sấy một ngày đêm pha trong 250ml nƣớc cất.
- Chỉ thị murexit C8H4N5O6NH4.H2O. - Axit H2SO4 đặc
- H2O2 công nghiệp 50% - Dung dịch NH3 (1:4) - Máy ICP (Agilen)
- Cân phân tích với độ chính xác 10-3, 10-4 PTN Hóa Môi trƣờng - Máy nghiền
- Bếp điện, tủ sấy, tủ hút
- Cốc thủy tinh, ống đong, bình định mức, buret, pipet
2.3.2.Mô hình thiết bị thu hồi kim loại
31 1 2 3 4 5 6 7 8
Hình 2.1 : Sơ đồ thiết bị hòa tách Cu
Sơ đồ thiết bị hòa tách Cu đƣợc nhóm nghiên cứu đề tài tự thiết kế nhƣ trong hình 2.1 bao gồm: (1)Giá đỡ thiết bị, (2)van xả, (3) máy nén khí, (4)lƣu lƣợng kế (5) máy khuấy, (6) màng lọc, (7) thiết bị nhỏ giọt H2O2, (8) thân thiết bị
Trong đó giá đỡ thiết bị đƣợc làm bằng thép, có tác dụng cố định thiết bị. Dƣới đáy thiết bị là van xả nhằm mục đích thu dung dịch và bã nguyên liệu. Máy nén khí có tác dụng cung cấp oxi không khí từ dƣới đáy thiết bị, một mặt làm tăng sự khuấy trộn trong thiết bị, mặt khác cung cấp thêm tác nhân phản ứng để hòa tan Cu theo phƣơng trình 2Cu + 2H2SO4 + O2 = 2CuSO4 + 2H2O. Lƣu lƣợng kế để điều chỉnh tốc độ khí đi vào. Hệ thống khuấy có thể điều chỉnh tốc độ đƣợc sử dụng để đảo trộn trong hệ phản ứng giúp các chất tham gia tiếp xúc tốt với nhau, mặt khác khuấy trộn làm tăng lƣợng oxi không khí có trong dung dịch. Cánh khuấy làm bằng
32
inox để tránh ăn mòn axit, đƣờng kính cánh khuấy là 80mm cách đáy thiết bị 2cm để trộn đều đƣợc các chất trong thân thiết bị phản ứng (đƣờng kính 125mm) và loại bỏ đƣợc các điểm chết trong hệ phản ứng. Đĩa chia khí nằm trên van xả đƣợc bọc vải thủy tinh để tránh bị ăn mòn axit và oxi đi vào hệ phản ứng từ dƣới thiết bị lên. Bình đựng H2O2 có thể điều chỉnh tốc độ nhỏ giọt để tránh sự phân hủy nhanh chóng khi mặt kim loại trong hệ phản ứng. Thân thiết bị là nơi chứa các chất tham gia phản ứng đƣợc làm bằng vật liệu chịu đƣợc ăn mòn axit.
a. Thiết bị hòa tách Cu b. Cánh khuấy trong thiết bị phản ứng Hình 2.2. Thiết bị hòa tách Cu quy mô phòng thí nghiệm
Nguyên tắc vận hành: Mẫu nguyên liệu và dung dịch axit H2SO4 đƣợc nạp vào thân thiết bị, oxi không khí đƣợc điều chỉnh bằng lƣu lƣợng kế thổi từ đáy thiết bị đi lên qua tấm màng lọc. H2O2 đƣợc nhỏ giọt từ trên xuống để tránh hiện tƣợng phân hủy khi có mặt kim loại nặng, máy khuấy có tác dụng đảo trộn đều các tác nhân tham gia phản ứng.
33 Phản ứng xảy ra trong thân thiết bị nhƣ sau:
Cu + 2H+ + [O] = Cu2+ + H2O
Hiệu suất phản ứng H (%)= m/m0*100 m: Lƣợng Cu đã hòa tan
m0:Lƣợng Cu trong mẫu nguyên liệu
2.4. Phƣơng pháp phân tích Cu sử dụng trong thực nghiệm [5]
Phản ứng tạo phức bền của Cu2+
với EDTA (pH=8) chất chỉ thị là murexit Cu2+ + H2Y2- CuY2- + 2H+
Chất chỉ thị murexit có màu tím ở dạng tự do và màu vàng nhạt khi ở dạng phức với Cu2+. Vì vậy, trƣớc khi chuẩn độ, nếu thêm chỉ thị murexit vào dung dịch chứa Cu2+ thì sẽ tạo phức của kim loại cần xác định với chất chỉ thị. Khi thêm dung dịch chuẩn EDTA sẽ xảy ra phản ứng :
CuH4Ind+ (vàng nhạt) + H2Y2- CuY2- + H4Ind- Lấy chính xác V(ml) dung dịch Cu2+
(trong môi trƣờng axit) để tránh thủy phân vào bình nón cỡ 250 ml, thêm một ít chất chỉ thị murexit, dùng dung dịch NH3 (1:4) để điều chỉnh pH~ 8(thêm vài giọt dung dịch NH3 cho tới khi dung dịch có màu vàng nhạt thoáng đục). Chuẩn độ Cu2+ bằng dung dịch EDTA đã biết nồng độ cho đến khi dung dịch chuyên sang màu tím , Ghi số ml EDTA đã tiêu tốn (V0) ml
Nồng độ Cu2+ = CEDTA*V0/V
2.5. Qui trình tách và xác định thành phần mẫu bản mạch điện tử
Bản mạch máy tính có rất nhiều các linh kiện (hình 2.3), do vậy để tìm hiểu các thành phần có trong bản mạch máy tính và đánh giá đƣợc những thành phần có giá trị trong đó, chúng tôi tiến hành bóc tách bản mạch. Bản mạch điện tử có rất nhiều các linh kiện, có những linh kiện rất nhỏ nhƣ tụ gốm, điot…vì vậy, để tránh làm mất linh kiện nhỏ và chân của các linh kiện lớn chúng tôi tiến hành tách các linh kiện nhỏ nhƣ tụ gốm, các loại trở, điot trƣớc, sau đó tách các linh kiện khác theo thứ tự từ ngoài vào trong, Sau khi bóc tách, chúng tôi tiến hành phân loại nhƣ hình 2.4.
34
Hình 2.3. Bản mạch máy tính đem bóc tách
Hình 2.4: Sơ đồ tách và phân loại bản mạch máy tính
Sau khi phân loại các linh kiện, chúng tôi tiến hành cân trên cân kỹ thuật để xác định khối lƣợng từng loại linh kiện trên bản mạch.
Bản mạch máy tính Các loại trở Tụ gốm Nhôm Các loại cổng kết nối Chip Các loại Điốt, Tranzito Cuộn cảm Tấm bản mạch với các mối hàn. Tụ giấy IC Các thứ khác
35
2.6.Chuẩn bị nguyên liệu thí nghiệm
2.6.1.Nguyên liệu để xác định thành phần kim loại trong bản mạch điện tử
Sau khi tách và phân loại các linh kiện trên bản mạch điện tử, chúng tôi chọn một số linh kiện bao gồm: bản mạch chứa mối hàn, tụ gốm, IC, các loại trở, các loại chip, (diot+tranzito) đem nghiền mịn để phân tích ICP.
2.6.2.Nguyên liệu sử dụng cho thiết bị thu hồi Cu
Trong giới hạn của luận văn này, chúng tôi tiến hành thu hồi Cu trên thiết bị tự chế. Để việc đánh giá hiệu quả hòa tách Cu của thiết bị đƣợc đơn giản, chúng tôi sử dụng nguyên liệu là các bản mạch lỗi mà phần lớn chỉ chứa Cu. Nguyên liệu thô này đƣợc cắt nhỏ bằng kìm cắt (hình 2.5), sau đó đƣợc đem nghiền bằng máy nghiền chuyên dụng để giảm kích thƣớc vật liệu. Sau khi nghiền, sử dụng rây để phân loại các nguyên liệu theo kích thƣớc, chúng tôi thu đƣợc 3 loại nguyên liệu có kích thƣớc khác nhau: <0,5mm ; 0,5-1,0mm và 1-1,5 mm (hình 2.6). Do cấu tạo của đĩa chia khí trong thiết bị có kích thƣớc lỗ 0,5mm và nhận thấy hàm lƣợng Cu trong loại mẫu có kích thƣớc <0,5 mm là nhỏ, vì vậy, chúng tôi sử dụng 2 loại kích thƣớc còn lại để tiến hành thí nghiệm.
36
a. Mẫu hạt kích thước <0,5mm b. Mẫu hạt kích thước 0,5-1,0mm
c. Mẫu hạt kích thước 1,0-1,5mm
Hình 2.6. Hình ảnh mẫu bản mạch thu được sau khi tiền xử lý bằng phương pháp cơ học và rây
37
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Dự báo số lƣợng chất thải điện tử phát sinh tại Hà Nội và Hải Phòng
3.1.1. Kết quả điều tra thông tin về một số thiết bị điện tử tại Hà Nội
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát 114 hộ gia đình với 557 nhân khẩu tại Hà Nội bao gồm cả khu vực nội thành, ngoại thành và nông thôn. Kết quả điều tra số lƣợng các thiết bị điện tử (máy tính để bàn, máy tính cá nhân (laptop), ti vi màu (CRT), ti vi màn hình tinh thể lỏng, tủ lạnh và máy giặt) hiện đang sử dụng đƣợc mua trong giai đoạn từ năm 1997 đến năm 2010 đƣợc đƣa ra theo các bảng dƣới đây:
Bảng 3.1: Số liệu điều tra số lượng máy tính mới được đưa vào sử dụng trong mỗi năm giai đoạn 1997-2010(chiếc)
Năm mua Số lƣợng mới ngƣời điều tra Tổng số máy/ngƣời Tỷ lệ Dân số Tổng số máy mua 1997 1 557 0,00180 4,909,000 8813 1998 1 557 0,00180 4,995,100 8968 1999 1 557 0,00180 5,076,700 9114 2000 1 557 0,00180 5,197,900 9332 2001 2 557 0,00359 5,328,400 19132 2002 1 557 0,00180 5,455,300 9794 2003 1 557 0,00180 5,587,600 10032 2004 3 557 0,00539 5,720,500 30811 2005 2 557 0,00359 5,836,300 20956 2006 1 557 0,00180 5,927,200 10641 2007 2 557 0,00359 6,002,200 21552 2008 13 557 0,02334 6,381,800 148947 2009 14 557 0,02513 6,472,000 162671 2010 10 557 0,01795 6,561,900 117808
38
Bảng 3.2: Số liệu điều tra số lượng laptop được đưa vào sử dụng trong mỗi năm giai đoạn 1997-2010 (chiếc)
Năm
mua Số lƣợng mới ngƣời điều tra Tổng số máy/ ngƣời Tỷ lệ Dân số Tổng số máy mua 1997 0 557 0,00000 4909000 0 1998 0 557 0,00000 4995100 0 1999 0 557 0,00000 5076700 0 2000 1 557 0,00180 5197900 9332 2001 0 557 0,00000 5328400 0 2002 0 557 0,00000 5455300 0 2003 2 557 0,00359 5587600 20063 2004 0 557 0,00000 5720500 0 2005 1 557 0,00180 5836300 10478 2006 3 557 0,00539 5927200 31924 2007 4 557 0,00718 6002200 43104 2008 5 557 0,00898 6381800 57287 2009 15 557 0,02693 6472000 174291 2010 12 557 0,02154 6561900 141369
Bảng 3.3: Số liệu điều tra số lượng tivi màu được đưa vào sử dụng trong mỗi năm