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.
- 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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.5.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ cadimi đến hiệu suất điện phân
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3.12: Ảnh hƣởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân
Nồng độ H2SO4, g/l Khối lƣợng Cd lý thuyết, g Khối lƣợng Cd thực tế, g Hiệu suất điện phân, % 90 63,41 57,8 91,15 100 63,41 58,2 91,78 110 63,41 58,7 92,57 120 63,41 59,1 93,20 130 63,41 59,4 93,68
Hình 3.15: Ảnh hƣởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân
Nhìn vào bảng 3.12 và hình 3.15 ta thấy rằng khi khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ axit từ 90 – 130 g/l, với nồng độ axit tăng thì hiệu suất điện phân tăng theo (từ 91,15 đến 93,68%). Tuy nhiên, xét điều kiện làm việc của thiết bị điện phân cũng nhƣ liên quan đến sử dụng dung dịch điện phân để hòa tách bã. Do đó, chọn nồng độ axit sunfuric để điện phân là 120 g/l, với nồng độ này hiệu suất điện phân đạt 93,20 %.
54
3.5.4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất điện phân
Điều kiện thí nghiệm điện phân nhƣ sau: - Mật độ dòng điện 50 A/ m2.
- Nồng độ dung dịch Cd 50 g/l. - Nồng độ axit 120 g/l H2SO4. - Lƣợng phụ gia 5 kg/ tấn Cd. - Nhiệt độ điện phân 30 – 40oC
Kết quả thí nghiệm thể hiện trên bảng 3.13 và hình 3.16.
Bảng 3.13: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất điện phân
Nhiệt độ, oC Khối lƣợng Cd lý thuyết, g Khối lƣợng Cd thực tế, g Hiệu suất điện phân, % 30 63,41 58,7 92,57 35 63,41 58,4 92,10 40 63,41 57,6 90,84
Hình 3.16: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất điện phân
Kết quả cho ta thấy rằng nhiệt độ không những có ảnh hƣởng tới hiệu suất điện phân mà còn làm cho sự bốc hơi của hơi nƣớc và axit rất lớn. Quá trình điện phân ở 40oC làm giảm hiệu suất điện phân chỉ còn 90,84%, trong quá trình điện
55
phân hơi axit bay lên bám vào phía trên điện cực nhôm làm nhôm sủi bọt (hình 3.17), do đó làm mòn tấm âm cực và gây tiêu hao chi phí cho tấm âm cực cũng nhƣ môi trƣờng làm việc của công nhân độc hại hơn. Vì vậy, nhiệt độ điện phân cần duy trì < 40oC không những ổn định hiệu suất điện phân >90% mà môi trƣờng làm việc cũng đƣợc đảm bảo.
Hình 3.17: Ảnh hƣởng của nhiệt độ
3.5.4.6. Kết luận về chế độ điện phân
Với những thí nghiệm đã thực hiện, đề tài đƣa ra chế độ điện phân thu hồi cadimi từ dung dịch nhƣ sau:
- Mật độ dòng điện 50 A/m2. - Nồng độ dung dịch Cd 50 g/l. - Nồng độ axit 120 g/l H2SO4. - Nhiệt độ điện phân < 40oC. - Lƣợng phụ gia 5 kg/ tấn Cd.
a, Khi điện phân ở 400 C
56
Với chế độ điện phân nhƣ trên, hiệu suất điện phân đạt > 90%.
3.6. Nấu chảy và đúc thỏi
Cadimi sau quá trình điện phân đƣợc thu hồi tại âm cực và đem rửa sạch bằng nƣớc, sấy khô rồi cho vào lò điện trở nấu chảy ở nhiệt độ 450 - 500o
C và đúc thành thỏi sản phẩm (hình 3.18).
Hình 3.18: Cadimi kim loại thỏi
Cadimi sau khi đúc thỏi đƣợc khoan lấy mẫu và đem phân tích. Kết quả phân tích tại Trung tâm phân tích hóa lý – Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim đạt 99,8% Cd, kết quả phân tích tại Trung tâm Phân tích thí nghiệm địa chất đạt 99,89% Cd.
57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
Từ những kết quả thí nghiệm quá trình hòa tách – điện phân cadimi, đã có những kết luận sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1. Tiến hành thí nghiệm khảo sát chế độ hòa tách bã cadimi, đƣa ra đƣợc chế độ công nghệ của quá trình hòa tách nhƣ sau: Nhiệt độ hòa tách: 700C, nồng độ axit: 140g/l, thời gian hòa tách: 4h, tỉ lệ rắn/lỏng = 1/5, tốc độ khuấy 100 v/p
2. Tiến hành khảo sát chế độ điện phân dung dịch cadimi sau hòa tách, chế độ công nghệ của quá trình điện phân nhƣ sau: Mật độ dòng điện 50 A/m2, nồng độ dung dịch Cd 50 g/l, nồng độ axit 120 g/l H2SO4, nhiệt độ điện phân < 40oC, lƣợng phụ gia 5 kg/ tấn Cd. Trong đó mật độ dòng điện, và nồng độ dung dịch cadimi có ảnh hƣởng lớn nhất tới hiệu suất của quá trình điện phân.
3. Xây dựng đƣợc quy trình công nghệ hòa tách điện phân thu hồi cadimi kim loại thỏi đạt chất lƣợng 99,8% Cd từ bã cadimi của Nhà máy kẽm điện phân Thái Nguyên.
KIẾN NGHỊ
Đề tài có tính khả thi rất cao, việc ứng dụng vào sản xuất kim loại cadimi nhằm tăng giá trị lợi nhuận cũng nhƣ giải quyết vấn đề môi trƣờng là cần thiết. Vì vậy, để kết quả có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất cần tiến hành nghiên cứu tiếp ở các quy mô lớn hơn phù hợp với điều kiện thực tế.
58
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Văn Kế, Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu xử lý bã điện phân của
nhà máy kẽm điện phân Thái Nguyên để thu hồi đồng đáp ứng nhu cầu luyện đồng”, 2007.
2. Lê Xuân Khuông, Trƣơng Ngọc Thận. Lý thuyết các quá trình luyện kim – Thủy luyện, tập 2, (1997) NXB GD, Hà Nội.
3. Phạm Xuân Kính, Báo cáo tổng kết đề tài “ Nghiên cứu công nghệ thu hồi các
nguyên tố quý hiếm: Cd, In trong bã trung gian của nhà máy điện phân kẽm Sông Công – Thái Nguyên”, 2008.
4. Phùng Viết Ngƣ. Luyện Kẽm, NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội – 1981.
5. Nguyễn Kim Thiết, Đinh Phạm Thái. Lý thuyết các quá trình luyện kim – Điện phân, NXB GD (1997), Hà Nội.
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Cadmium 7. http://pubs.usgs.gov/usbmic/ic-9380/cadmium.pdf 8. http://www.unep.org/hazardoussubstances/Portals/9/Lead_Cadmium/docs/sub missions/NGO_ICdA.pdf 9. www.mapofworld.com 10. http://www.metalprices.com/p/CadmiumFreeChart?weight=MT&size=M&th eme=1011
59