Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình hòa tách nhƣ: nhiệt độ, thời gian, nồng độ axit, tốc độ khuấy, tỉ lệ rắn/ lỏng, độ hạt của quặng. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ khảo sát ba yếu tố chính là ảnh hƣởng của nhiệt độ hòa tách, ảnh hƣởng của thời gian hòa tách, ảnh hƣởng của nồng độ axit. Còn với tỉ lệ rắn/ lỏng và tốc độ khuấy thì tham khảo tài liệu [1,3,4] lựa chọn tốc độ khuấy là 100 v/p, tỉ lệ rắn/ lỏng là 1/5.
Vậy điều kiện thí nghiệm hòa tách nhƣ sau: - Tỉ lệ rắn/ lỏng = 1/5.
- Tốc độ khuấy là 100 v/p.
- Nồng độ dung dịch axit thay đổi từ 110 – 150g/l. - Thời gian thay đổi từ 2-6h.
- Nhiệt độ thay đổi từ 60-850C.
Mẫu cho thực nghiệm hòa tách là bã cadimi có khối lƣợng 100 g đƣợc hòa tách bằng dung dịch axit sunfuric trong bình thí nghiệm có thể tích 1000 ml. Trong
42
quá trình hòa tách ở nhiệt độ ~70 oC nên sẽ có sự bay hơi nƣớc, do đó cần có nắp đậy để tránh hiện tƣợng bay hơi cũng nhƣ cần bổ sung thêm dung dịch nƣớc cho đủ tỉ lệ khi cần thiết.
Bã sau khi hòa tách đƣợc lọc, rửa sạch, sấy khô, cân khối lƣợng và phân tích hàm lƣợng Cd nhằm mục đích tính hiệu suất hòa tách.
3.5.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách.
Điều kiện thí nghiệm nhƣ sau: - Nhiệt độ 70oC.
- Thời gian 2h. - Tỉ lệ R/L = 1/5.
- Nồng độ axit thay đổi từ 110g/l – 150g/l H2SO4.
Sau khi hòa tách xong, tiến hành lọc bã và đem sấy khô và phân tích hàm lƣợng Cd còn lại trong bã để tính toán hiệu suất hòa tách bã. Kết quả thí nghiệm thể hiện trong bảng 3.3 và hình 3.8.
Bảng 3.3: Ảnh hƣởng của nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách
TT KL Cd ban
đầu, (g) axit, (g/l) Nồng độ
KL Cd còn
lại, (g) hòa tách,(%) Hiệu suất
1 49,22 110 7,48 84,80
2 49,22 120 4,78 90,29
3 49,22 130 2,10 95,73
4 49,22 140 1,56 96,83
43
Hình 3.8: Ảnh hƣởng của nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách
Từ kết quả bảng 8 và hình 14 thấy rằng, nồng độ axit càng cao hiệu suất hòa tách càng cao. Với nồng độ axit là 140 g/l H2SO4, hiệu suất hòa tách đạt 96,84% và khi tăng nồng độ axit thì hiệu suất không tăng thêm đáng kể. Do vậy, nồng độ axit đƣợc chọn là 140 g/l H2SO4.
3.5.2.2. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách
Điều kiện thí nghiệm nhƣ sau: - Nhiệt độ 70oC.
- Thời gian thay đổi từ 2 - 6h. - Tỉ lệ R/L = 1/5.
- Nồng độ axit 140g/l H2SO4.
Sau khi hòa tách xong, tiến hành lọc bã và đem sấy khô và phân tích hàm lƣợng Cd còn lại trong bã để tính toán hiệu suất hòa tách bã. Kết quả thí nghiệm thể hiện trong bảng 3.4 và hình 3.9. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
44
Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách
TT KL Cd ban
đầu, (g) hòa tách, (h) Thời gian
KL Cd còn
lại, (g) Hiệu suất hòa tách, (%)
1 49,22 2 1,56 96,83
2 49,22 3 1,02 97,93
3 49,22 4 0,74 98,50
4 49,22 5 0,71 98,56
5 49,22 6 0,68 98,62
Hình 3.9: Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách
Từ bảng 3.4 và hình 3.9, ta thấy rằng với thời gian là 4h thì hiệu suất hòa tách đạt 98,5%, khi tăng thêm thời gian thì hiệu suất hòa tách tăng không đáng kể. Do vậy, thời gian hòa tách đƣợc chọn là 4h.
3.5.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách
Điều kiện thí nghiệm nhƣ sau: - Nhiệt độ thay đổi từ 65-85oC. - Thời gian 4h.
- Tỉ lệ R/L = 1/5.
45
Sau khi hòa tách xong, tiến hành lọc bã và đem sấy khô và phân tích hàm lƣợng Cd còn lại trong bã để tính toán hiệu suất hòa tách bã. Kết quả thí nghiệm thể hiện trong bảng 3.5 và hình 3.10.
Bảng 3.5: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách
TT KL Cd ban đầu, (g) Nhiệt độ hòa tách, (0C) KL Cd còn lại, (g)
Hiệu suất hòa tách, (%) 1 49,22 65 0,89 98,19 2 49,22 70 0,74 98,50 3 49,22 75 0,7 98,58 4 49,22 80 0,67 98,64 5 49,22 85 0,64 98,70
Hình 3.10: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách
Từ bảng 3.5 và hình 3.10, ta thấy rằng với nhiệt độ hòa tách là 700C thì hiệu suất hòa tách đạt 98,5%, khi nâng nhiệt độ lên 750C, 800C, 850C thì hiệu suất tăng với mức độ không chênh lệch nhiều. Do vậy, chọn nhiệt độ hòa tách là 700
C.
3.5.2.4. Kết luận quá trình hòa tách
Với những thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ axit, ảnh hƣởng của thời gian, ảnh hƣởng của nhiệt độ hòa tách, nhóm thực hiện đã đƣa ra đƣợc chế độ hòa tách nhƣ sau:
46 - Nồng độ axit: 140g/l H2SO4.
- Thời gian hòa tách: 4h. - Tỉ lệ rắn/lỏng = 1/5.
Với chế độ hòa tách này hiệu suất đạt 98,5%. Khối lƣợng bã cadimi sau hòa tách là 11,9 g có thành phần nhƣ trong bảng 3.6.
Bảng 3.6: Thành phần hóa học của bã sau hòa tách (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên tố Zn Cd Cu Ni
Hàm lƣợng, % 1,68 6,22 0,84 0,14
Bã sau hòa tách có hàm lƣợng cadimi tƣơng đối cao, do đó để thu hồi lƣợng cadimi này cũng nhƣ lƣợng đồng và kẽm trong bã, cần phải trộn bã sau hòa tách (hàm lƣợng Cd 6,22%) với bã ban đầu (hàm lƣợng Cd 49%) để làm nguyên liệu hòa tách. Trong quá trình sản xuất liên tục cần phân tích hàm lƣợng các cấu tử trong bã, khi hàm lƣợng đồng trong bã đã cao thì chuyển bã sau hòa tách sang khâu xử lý bã đồng – cadimi của Nhà máy kẽm điện phân để tách riêng rẽ hai loại bã này.
3.5.3. Nghiên cứu quá trình làm sạch dung dịch
Dung dịch sau hòa tách sẽ tiến hành phân tích các tạp chất để xác định đƣợc các thành phần tạp chất có trong dung dịch sau đó sẽ đƣa ra các biện pháp khử tạp hợp lý.
Theo kết quả phân tích hóa và phân tích ICP, nhận thấy rằng thành phần bã cadimi chủ yếu là cadimi và kẽm, lƣợng tạp chất rất ít, thành phần tạp chỉ có Cu: 0,14%, Ni: 0,197%; Pb: 0,39%; Al2O3: 0,76% , Fe2O3: 0,17%.
Trong các tạp này thì nhôm và sắt sau khi hòa tách xong chỉ cần tiến hành nâng pH của dung dịch lên 5 - 5,2 là có thể loại bỏ đƣợc. Chì sẽ phản ứng với axit sunfuric và tạo kết tủa không tan loại bỏ khỏi dung dịch. Chỉ còn lại đồng và niken là có thể tồn tại trong dung dịch. Với đồng và niken có thể sử dụng phƣơng pháp xi măng hóa và phƣơng pháp hóa học để khử chúng khỏi dung dịch.
3.5.3.1. Thực nghiệm
Sau khi hòa tách xong, dung dịch đƣợc trung hòa đến pH = 5 - 5,2 sau đó tiến hành lắng lọc và phân tích hàm lƣợng một số tạp chất: Al, Fe, Cu, Ni và Pb để
47
xác định hàm lƣợng tạp chất trong dung dịch. Kết quả phân tích thành phần tạp nhƣ trong bảng 3.7.
Bảng 3.7: Thành phần tạp chất trong dung dịch sau thủy phân
Nguyên tố Fe Al Cu Ni Pb
Hàm lƣợng, mg/l 35 105 1,08 367 12,5
Theo tài liệu [4], dung dịch điện phân cadimi yêu cầu nồng độ cadimi và nồng độ một số tạp chất nhƣ sau: 150 – 200g/l Cd, 40 - 60g/l Zn, 1 – 3 g/l Mn, 0,2 – 0,6 g/l Ni, 15 – 500 mg/l Tl, 1 – 1,7 mg/l Cu, ...
Kết quả phân tích cho thấy rằng dung dịch sau hòa tách có 1,08 mg/l Cu và 367 mg/l Ni, tuy nhiên hàm lƣợng tạp chất này vẫn nằm trong giới hạn cho phép của quá trình điện phân.
Trong chu trình hòa tách - điện phân liên tục thì dung dịch sau khi điện phân sẽ đƣợc lấy một phần đi để quay vòng hòa tách nhằm tận dụng đƣợc lƣợng axit. Do đó hàm lƣợng tạp sẽ tích tụ dần trong chu trình hòa tách điện phân.
Trong dung dịch này, đồng và niken là hai tạp chủ yếu ảnh hƣởng đến quá trình điện phân. Để kiểm tra tạp chất tích tụ trong quá trình hòa tách, đã tiến hành phân tích dung dịch sau hòa tách lần 2, kết quả thể hiện trong bảng 3.8.
Bảng 3.8: Dung dịch sau hòa tách lần 2
Nguyên tố Cu Ni
Hàm lƣợng, mg/l 1,105 463,5
Kết quả sau hòa tách lần 2 vẫn nằm trong giới hạn nồng độ cho phép của quá trình điện phân. Tuy nhiên nồng độ Ni đã tăng lên do vậy trong quá trình sản xuất phải liên tục kiểm tra nồng độ tạp để khử tạp đến mức cho phép.
3.5.3.2. Kết luận làm sạch dung dịch:
- Dung dịch sau hòa tách cần đƣợc trung hòa đến pH = 5 - 5,2 để loại bỏ sắt và nhôm có trong dung dịch.
- Quá trình làm sạch dung dịch chỉ phải tiến hành khi tiến hành chu trình hòa tách - điện phân nhiều lần trong quá trình sản xuất.
48
- Trong quá trình sản xuất cần liên tục phân tích kiểm tra các hàm lƣợng tạp trong dung dịch để tiến hành làm sạch khi cần thiết.
3.5.4. Nghiên cứu quá trình điện phân
Tham khảo tài liệu [1, 3, 4] lựa chọn thông số điện phân để tiến hành thí nghiệm nhƣ sau:
- Tiêu hao phụ gia gelatin là 5kg/ tấn cadimi. - Mật độ dòng điện 35 - 60A/ m2. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nồng độ Cd trong dung dịch điện phân thay đổi từ 30g/l – 70g/l. - Nồng độ axit H2SO4 thay đổi từ 85 - 125g/l.
- Nhiệt độ điện phân thay đổi từ 30 - 400C.
Ngoài những thí nghiệm nhƣ trên, nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm không cho phụ gia để khảo sát ảnh hƣởng của phụ gia đến hiệu suất điện phân.
Hiệu suất của quá trình điện phân:
η = (mtt/mlt) x 100% (%)
Trong đó: mtt – Khối lƣợng kim loại Cd bám trên cực âm.
mlt – Khối lƣợng kim loại tính theo công thức Faraday. mlt = q.I.t (g)
Trong đó: - m là khối lƣợng kim loại kết tủa trên cực âm.
- q là đƣơng lƣợng điện hóa kim loại cadimi = 2,0967 (g/A.h). - I là cƣờng độ dòng điện khi tiến hành điện phân.
- t là thời gian điện phân tính bằng (h).
Để chuẩn bị dung dịch cho quá trình điện phân, đã tiến hành sử dụng hệ thống hòa tách có dung tích 2 lít, khối lƣợng bã hòa tách mỗi lần là 200g với chế độ hòa tách đã lựa chọn. Dung dịch sau hòa tách có hàm lƣợng 90 - 95 g/l Cd sẽ đƣợc pha loãng bằng nƣớc cất để đƣợc dung dịch có hàm lƣợng 30 – 70 g/l Cd cho quá trình thí nghiệm điện phân. Dung dịch điện phân đƣợc tuần hoàn bằng bơm dung dịch chịu axit, tốc độ tuần hoàn dung dịch 3 - 5 l/p.
Thực tế trong quá trình điện phân nồng độ cadimi trong dung dịch giảm đi còn nồng độ axit sunfuric tăng lên, do đó dung dịch điện phân mới luôn luôn đƣợc
49
bổ sung, một phần dung dịch đã điện phân đƣợc tháo ra ngoài để đƣa đi hòa tách nhằm tận dụng lƣợng axit đƣợc tái sinh.
3.5.4.1. Ảnh hưởng của phụ gia đến hiệu suất điện phân
Điều kiện thí nghiệm điện phân nhƣ sau: - Mật độ dòng điện 40 A/ m2.
- Nồng độ dung dịch 40 g/l Cd. - Nồng độ axit 90 g/l H2SO4.
Đã tiến hành hai thí nghiệm nhƣ sau:
- Thí nghiệm thứ nhất không cho phụ gia vào trong dung dịch điện phân - Thí nghiệm thứ hai cho phụ gia gelatin với mức tiêu hao 5kg/ tấn cadimi Kết quả thí nghiệm thể hiện trong bảng 3.9.
Bảng 3.9: Ảnh hƣởng của phụ gia đến hiệu suất điện phân
Thí nghiệm KL Cd lý thuyết, g
KL Cd thực tế, g
Hiệu suất điện phân, % Không có phụ gia 50,83 40,8 80,27
Có phụ gia 50,83 42,9 84,40
Với các thí nghiệm này nhóm đề tài đã chụp ảnh cadimi kết tủa trên cực âm. Thí nghiệm không có phụ gia thể hiện trong hình 3.11, thí nghiệm có phụ gia thể hiện trong hình 3.12.
50
Hình 3.12: Cực âm khi có phụ gia
Kết quả thí nghiệm thể hiện trong bảng 3.9 và hình 3.10, hình 3.11 cho ta thấy rằng khi không có phụ gia thì hiệu suất điện phân chỉ đạt 80,27 %, chất lƣợng cadimi kết tủa trên cực âm có rất nhiều nhánh cây, bề mặt không đƣợc phẳng nhẵn và mịn chắc. Cadimi kết tủa dạng nhánh cây khi nấu đúc sẽ gây cháy hao cadimi.
Với thí nghiệm có chất phụ gia cho thấy, hiệu suất điện phân đạt 84,40 %, lớn hơn so với không có phụ gia, bề mặt cadimi kết tủa tƣơng đối bằng phẳng.
3.5.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ cadimi đến hiệu suất điện phân (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điều kiện thí nghiệm điện phân nhƣ sau: - Mật độ dòng điện 40 A/ m2.
- Nồng độ dung dịch Cd thay đổi từ 30 – 70 g/l. - Nồng độ axit 90 g/l H2SO4.
- Lƣợng phụ gia 5 kg/ tấn Cd.
Kết quả thí nghiệm thể hiện trên bảng 3.10 và hình 3.13.
Bảng 3.10: Ảnh hƣởng của nồng độ Cd2 + đến hiệu suất điện phân
Nồng độ Cd, g/l Khối lƣợng Cd lý thuyết, g Khối lƣợng Cd thực tế, g Hiệu suất điện phân, % 30 50,83 41,9 82,43 40 50,83 43,1 84,79
51
50 50,83 44,3 87,15
60 50,83 44,4 87,35
70 50,83 44,2 86,96
Hình 3.13: Ảnh hƣởng của nồng độ Cd đến hiệu suất điện phân
Với mật độ dòng điện cố định, khi tăng nồng độ Cd trong dung dịch thì hiệu suất điện phân sẽ tăng theo. Tuy nhiên, khi nồng độ Cd trong dung dịch đến một mức giới hạn thì hiệu suất điện phân không tăng thêm nữa do năng lƣợng để kết tủa kim loại không tăng theo. Khi năng lƣợng không đủ để kết tủa kim loại thì tăng nồng độ Cd sẽ làm tăng điện trở của dung dịch cũng nhƣ làm giảm quá thế của hydro, điều này làm giảm hiệu suất quá trình điện phân.
Dựa vào bảng 3.10 và hình 3.13 thấy rằng khi nồng độ cadimi trong dung dịch tăng từ 30 – 60 g/l thì hiệu suất điện phân tăng theo. Khi nâng nồng độ cadimi đến 70 g/l thì hiệu suất điện phân không tăng thêm nữa mà có phần giảm đi.
Do đó, chọn nồng độ dung dịch cadimi để điện phân là 50 g/l.
3.5.4.3. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân
52
- Mật độ dòng điện thay đổi từ 35- 60 A/ m2. - Nồng độ dung dịch Cd 50 g/l.
- Nồng độ axit 90 g/l H2SO4. - Lƣợng phụ gia 5 kg/ tấn Cd.
Kết quả thí nghiệm thể hiện trên bảng 3.11 và hình 3.14.
Bảng 3.11: Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân
Mật độ dòng điện, A /m2 Khối lƣợng Cd lý thuyết, g Khối lƣợng Cd thực tế, g Hiệu suất điện phân, % 35 44,28 37,6 84,91 40 50,83 44,3 87,15 50 63,41 57,9 91,39 60 75,99 69,6 91,59
Hình 3.14: Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân
Dựa vào bảng 3.11 và hình 3.13 thấy rằng khi mật độ dòng điện tăng từ 35 - 50 A/ m2 thì hiệu suất điện phân tăng từ 84,91 – 91,39% tuy nhiên khi tăng mật độ dòng lên 60A/m2 thì hiệu suất dòng tăng lên không đáng kể.
Do đó, chọn mật độ dòng điện là 50A/m2.
3.5.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân
Điều kiện thí nghiệm điện phân nhƣ sau: - Mật độ dòng điện 50 A/ m2.
53 - Nồng độ dung dịch Cd 50 g/l.
- Nồng độ axit thay đổi từ 90 - 130 g/l H2SO4. - Lƣợng phụ gia 5 kg/ tấn Cd.
Kết quả thí nghiệm thể hiện trong bảng 3.12 và hình 3.15.
Bảng 3.12: Ảnh hƣởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});