Bản mạch sau khi được bóc tách trải qua các quá trình tiền xử lý tại phòng thí nghiệm thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Vật liệu như sau:
1. Cắt nhỏ bản mạch 2. Nghiền nhỏ bản mạch
24
3. Phân loại bằng rây, chia làm hai loại kích thước 1-2mm và 2-5mm. Sau đó tuyển bằng nam châm vĩnh cửu
Bản mạch sau quá trình tiền xử lý đem thực hiện các bước tiếp theo thể hiện trên hình 2.5.
Hình 2.5. Sơ đồ quy trình thực nghiệm
Mẫu sau quá trình tiền xử lý được đưa vào khi lò thiêu đã đạt nhiệt độ thiêu đặt trước cho từng điều kiện thực nghiệm. Trong quá trình thiêu mẫu chú ý đến thời gian và nhiệt độ thiêu để đánh giá mức độ ảnh hưởng của chúng đến chất lượng mẫu. Kết
Bản mạch sau tuyển, phân loại
Thiêu Nghiền Tuyển, rửa Nấu chảy, đúc điện cực Lò thiêu Nhiệt độ thiêu Thời gian thiêu
Điện phân
Máy nghiền hành tinh 300v/p 20 phút Nước Sản phẩm Lò nung Chất che phủ Nhiệt độ nung Bình điện phân
Thời gian điện phân Nồng độ dung dịch Mật độ dòng điện
25
thúc quá trình thiêu, mẫu được để nguội tự nhiên trong không khí, sau đó được đưa sang nghiền trong máy nghiền hành tinh ở tốc độ 300 v/phút trong thời gian 20 phút. Mẫu sau nghiền được tuyển, rửa để loại bỏ tạp chất (chủ yếu là tro).
Sản phẩm của quá trình tuyển được cân để xác định khối lượng và lấy khoảng 2g mẫu đại diện đi phân tích để xác định thành phần kim loại. Sản phẩm thu được sau quá trình tuyển rửa được sấy khô, cho vào lò nấu đồng (dung tích 2l) có phủ lên trên bề mặt một lớp than củi nhằm bảo vệ lớp kim loại lỏng khỏi bị oxy hóa đồng thời có tác dụng tách các tạp chất ra thành xỉ nổi lên trên. Sau đó đem nấu chảy ở nhiệt độ lò 1150 0C.
Quá trình đúc khuôn sử dụng công nghệ đúc khuôn cát với vật liệu chủ yếu là cát và nước thủy tinh, và được đóng rắn bằng khí cacbonic (CO2). Nước thuỷ tinh hay còn gọi là dung dịch silicat natri được trộn vào cát rồi đem giã khuôn theo kích thước 6.5 cm × 8.5 cm và hình dạng đã được xác định trước như hình 3.8. Sau khi khuôn đã giã xong thì xịt khí cacbonic để khuôn đóng rắn lại tạo khuôn đúc.
Nấu đồng trong khoảng 45 phút, kim loại nóng chảy được rót vào khuôn. Trong quá trình nấu, các oxit kim loại tạo thành xỉ nổi lên trên bề mặt. Loại bỏ lớp xỉ bên trên, sau đó rót kim loại lỏng vào khuôn. Để nguội tự nhiên trong không khí thu được điện cực anot. Điện cực anot được đánh sạch bằng giấy nhám, rửa sạch và lau khô. Điện cực catot của bình điện phân là inox được cắt với kích thước tương đương với diện tích điện cực anot (6.5cm x 8.5cm), sau đó được đem đi rửa bằng nước cất và lau khô.
Điện cực anot nối với cực dương, điện cực catot nối với cực âm của nguồn. Sơ đồ thí nghiệm điện phân được mô tả trong hình 2.6. Quá trình điện phân được thực hiện với các mật độ dòng điện khác nhau là 200 A/m2, 250 A/m2, 300 A/m2, 350 A/m2 với khoảng thời gian 24h.
26
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống quy trình điện phân thu hồi đồng từ bản mạch điện tử thải
Khi cho dòng điện chạy qua điện cực sẽ xuất hiện một thế điện cực. Hiệu điện thế của điện cực khi có dòng điện từ bên ngoài chạy qua và khi ở trạng thái tĩnh gọi là phân cực điện cực. Phương pháp đo phân cực ta dùng một điện cực so sánh, thông thường dùng ống luggin. ống luggin thường là một ống thủy tinh có đường kính khoảng 5-8m. Đầu đo được uốn cong, nhỏ hơn thân ống và có đường kính khoảng 1- 2mm. Hình 2.7 là sơ đồ cấu tạo ống Luggin.
27
Hình 2.7. Sơ đồ ống Luggin
Đem pha loãng 200 ml dung dịch H2SO4 96% thành dung dịch H2SO4 có nồng độ 180g/l, và lấy 175,8g CuSO4.5H2O đem hòa tan trong nước cất sau đó pha loãng thành dung dịch có nồng độ Cu là 45g/l. Trộn hai dung dịch vừa pha loãng được với nhau và cho thêm 0,05g muối NaCl 99% vào ta được dung dịch điện phân. Dung dịch sau khi hòa tan ở điều kiện tối ưu được lọc qua giấy lọc. Sau đó ta tiến hành quá trình điện phân trong bể điện phân, sản phẩm thu được sau quá trình điện phân là Cu kim loại.
Các phương pháp phân tích sử dụng để xác định hàm lượng các kim loại chính trong mẫu thí nghiệm: phương pháp hòa tan và phương pháp phổ hấp thu nguyên tử.
Phương pháp hòa tan: người ta lấy một lượng mẫu bản mạch đã được xác định đem hòa tan trong nước cường toan (HNO3 : HCl = 1:3). Kim loại sẽ được hòa tan trong nước cường toan, còn các tạp chất khác không bị hòa tan. Sau một thời gian thích hợp ta lọc lấy phần rắn, đem phần rắn sấy khô ở nhiệt độ 600C đến khối lượng không đổi. Dựa vào khối lượng kim loại trước và sau khi hòa tan ta xác định được hàm lượng tổng kim loại trong mẫu.
Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử: Là phương pháp dựa trên nguyên lý hấp thu của hơi nguyên tử. Khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu chúng ta chiếu một chùm tia sáng có bước sóng xác định vào đám hơi nguyên tử, thì các nguyên tử tự do
28
đó sẽ hấp thu các bước sóng nhất định ứng đúng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ [18]. Người ta cho chiếu vào đám hơi nguyên tử một năng lượng bức xạ đặc trưng của riêng nguyên tử đó. Lúc này nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào nó và nó chuyển lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Mỗi loại nguyên tử sẽ hấp thu tối đa và chọn lọc ở một năng lượng bức xạ đặc trưng tùy theo cấu tạo hóa học của nguyên tử đó. Sau đó đo cường độ còn lại của bức xạ đặc trưng này sau khi đã bị đám hơi nguyên tử hấp thụ, sẽ tính ra được nồng độ nguyên tố có trong mẫu đem phân tích.
Hiệu suất dòng điện và hiệu suất thu hồi đồng
Để biến đổi trên điện cực một đương lượng gam của một chất bất kỳ đều cần đến một điện lượng bằng một đương lượng điện hóa
Vì 1F = 96493 culong 1culong = 1A x 1s
Nên: 1Ah = 1Ax3600s = 3600culong Do vậy: 1F= 96493/3600=26,8Ah
Hiệu suất dòng điện thoát kim loại trên catot của bình điện phân được tính như sau:
H = , % Trong đó:
m0 : trọng lượng thực tế kim loại thoát ra trên catot bình điện phân, g C: trọng lượng dương lượng của kim loại thoát ra trên catot bình điện phân, g I: cường độ dòng diệnđi qua dung dịch điện phân, A
T: thời gian điện phân, h
Hiệu suất dòng điện được nâng cao tức là giảm mất mát điện năng
Hiệu suất thu hồi
H= x100, %
Trong đó:
m1: khối lượng đồng trong dung dịch thu được sau thời điểm t, g m2: khối lượng đồng trong dung dịch tại thời điểm ban đầu, g
29
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Khảo sát các ảnh hƣởng của quá trình thiêu đến hiệu suất thu hồi Cu
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu đến hiệu suất thu hồi Cu
Các mẫu có kích thước 1-2mm và 2-5mm được đưa vào lò thiêu trong cùng một thời gian 60 phút ở các nhiệt độ khác nhau 3500C, 5500C, 7500C, 9500C. Kết quả của quá trình thiêu này được thể hiện trong hình 3.1.
Hình 3.1: Ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu đến hàm lƣợng kim loại ở kích thƣớc hạt 1-2mm và 2-5mm
Từ hình 3.1 có thể thấy khi thiêu mẫu ở nhiệt độ 3500C và 5500C một số các tạp chất phi kim loại vẫn chưa bị phân hủy và tách ra khỏi kim loại. Do đó, trong quá trình tuyển rửa các tạp chất này vẫn đi vào trong sản phẩm kim loại thô thu được làm tăng khối lượng sản phẩm. Mà hàm lượng kim loại trong phế liệu ban đầu là không thay đổi nên khi khối lượng sản phẩm tăng thì hàm lượng kim loại trong sản phẩm giảm đi. Và ở nhiệt độ 3500C và 5500C thì cỡ hạt nhỏ 1-2mm cho hiệu quả hơn, hàm lượng kim loại thu được cao hơn cỡ hạt 2-5mm. Điều này có thể là do trong quá trình thiêu ở nhiệt độ thấp, tốc độ phân hủy của các tạp chất chậm hơn nên cỡ hạt to thì quá trình thiêu sẽ không được triệt để. Ta tiếp tục nâng nhiệt độ thiêu lên 7500C và 9500C thấy khi nhiệt độ đạt trên 7500C hàm lượng kim loại không thay đổi đáng kể và không bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt. Tại nhiệt độ 7500C, các tạp chất có thể cháy trong
40 45 50 55 60 65 70 75 80 350 550 750 950 Hàm l ư ợng k im loạ i (% ) Nhiệt độ thiêu (°C) 2-5 mm 1-2 mm
30
hỗn hợp kim loại đã được đốt cháy hoàn toàn. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thiêu lên là không cần thiết. Nhiệt độ thiêu tăng cao cũng có khả năng làm tăng mất mát kim loại trong quá trình thiêu do quá trình oxy hóa của kim loại.
Tiếp tục đưa các với các mẫu có cỡ hạt 2-5mm vào lò thiêu ở các nhiệt độ thiêu khác nhau 3500C, 5500C, 7500C, 9500C. Kết quả của quá trình thiêu này thể hiện trong hình 3.2.
Hình 3.2. Sản phẩm của mẫu thiêu (a) 350°C, (b) 550°C, (c) 750°C và (d) 950°C
Có thể thấy trên hình 3.2, với cùng thời gian thiêu, nhiệt độ thiêu càng cao thì các tạp chất càng cháy triệt để hơn. Các mẫu thiêu ở nhiệt độ 7500C , 9500C có thể nhìn thấy các vảy đồng lộ ra. Trong mẫu cũng xuất hiện các hạt kim loại dạng cầu là
(a) (b)
31
do nhiệt độ nóng chảy của thiếc thấp nên trong quá trình thiêu thiếc bị nóng chảy và bị đông đặc lại khi làm nguội tạo thành những hạt dạng cầu. Hình 3.3 sau đây thể hiện ảnh các mẫu sau khi nghiền ở các nhiệt độ khác nhau 3500C, 5500C, 7500C, 9500C
Hình 3.3. Mẫu sau thiêu và nghiền (a) 350°C, (b) 550°C, (c) 750°C và (d) 950°C
Từ kết quả ở hình 3.3 ta thấy ở nhiệt độ 3500C, 5500C sau quá trình nghiền vẫn còn xuất hiện các hạt có kích thước lớn hơn các mẫu ở nhiệt độ cao hơn 7500C , 9500C . Như vậy ở nhiệt độ thấp một số các tạp chất phi kim loại vẫn chưa bị cháy hoàn toàn và tách ra khỏi kim loại. Ở nhiệt độ cao hơn 7500C , 9500C các tạp chất cháy triệt để hơn nên sau quá trình nghiền các hạt có độ mịn cao hơn ở nhiệt độ thấp 3500
C, 5500C. a
(a) (b)
32
3.1.2. Tổ chức của kim loại thu được
Hình 3.4 là ảnh tổ chức tế vi của kim loại trong hỗn hợp kim loại thu được với các độ phóng đại khác nhau. Kiểm tra cho thấy pha nền có mầu tối là pha giàu thiếc trong khi pha màu sáng là pha giàu đồng. Do được thiêu ở nhiệt độ khá cao (950°C) nên thiếc bị nóng chảy và các hạt đồng kim loại bị lẫn vào thiếc nóng chảy. Khi nguội, các hạt thiếc trở thành dạng cầu và các hạt đồng lẫn vào tạo thành pha phân tán trong hạt thiếc. Có thể thấy trên hình biên giới tiếp xúc giữa hạt đồng và thiếc đã hình thành dạng răng cưa chứng tỏ đã có sự hòa tan lẫn nhau giữa đồng và thiếc tại biên giới tiếp xúc.
Hình 3.4. Tổ chức của hạt kim loại trong sản phẩm
Ranh giới
đồng–thiếc Ranh giới
đồng-thiếc
Pha đồng
Pha thiếc Pha thiếc
Pha đồng
(a) (b)
33
Hình 3.5. Ranh giới tiếp xúc giữa hai hạt đồng – thiếc
Như đã nêu trên, trong hỗn hợp kim loại thu được còn có các hạt dạng kim và vẩy. Các hạt này chính là đồng kim loại trong nguyên liệu ban đầu. Hình 3.6 thể hiện tổ chức các hạt đồng kim loại.
Hình 3.6. Tổ chức tế vi của hạt đồng (Ảnh hiển vi điện tử quang học) 3.2. Ảnh hƣởng của thời gian thiêu đến hiệu suất thu hồi Cu
Thời gian thiêu cũng có ảnh hưởng khá lớn tới kết quả thiêu mẫu. Thời gian thiêu quá ngắn sẽ không đủ để các tạp chất trong mẫu phân hủy và tách ra khỏi kim
Pha thiếc
Pha đồng Ranh giới
34
loại trong khi thời gian thiêu quá dài sẽ gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng kim loại. Hình 4.10 trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thiêu tới hàm lượng kim loại trong sản phẩm. Các mẫu bản mạch được thiêu ở nhiệt độ 750°C với thời gian từ 15 đến 60 phút.
Hình 3.7. Ảnh hƣởng của thời gian thiêu tới hàm lƣợng kim loại
Từ hình 3.7 có thể thấy được với thời gian thiêu là 15 phút thì các mẫu phế liệu đều chưa được thiêu hoàn toàn và do đó rất khó để tách tạp chất ra khỏi kim loại. Khối lượng sản phẩm sau quá trình thiêu và tuyển lớn nên hàm lượng kim loại trong đó thấp.
Khi tăng thời gian thiêu lên 30 phút thì hiệu quả thay đổi rõ rệt với hàm lượng kim loại tăng lên đáng kể, đạt xấp xỉ 67% trong sản phẩm thu được. Tuy nhiên tiếp tục kéo dài thời gian thiêu có ảnh hưởng không lớn, sản phẩm thu được sau 45 và 60 phút thiêu có hàm lượng kim loại gần như nhau và vào khoảng 75%.
Sau quá trình thiêu, tuyển rửa và sấy khô ta lấy mẫu đại diện đem phân tích thành phần phần trăm kim loại chính và kết quả được thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thành phần của một số kim loại chính sau quá trình thiêu và tuyển
Kim loại Cu Fe Pb Sn
Thành phần, % 68 5,8 2,3 21,2
Như vậy, sau quá trình thiêu và tuyển rửa thành phần của kim loại đồng là 68 %, trong khi bản mạch ban đầu đồng chỉ đạt 28,1% các kim loại chính.
40 45 50 55 60 65 70 75 80 15 30 45 60 Hàm l ư ợng k im loạ i (% )
Thời gian thiêu (phút)
2-5 mm 1-2 mm
35
3.3. Kết quả thành phần của Cu sau quá trình đúc anot
Sau quá trình đúc khuôn và nấu hỗn hợp kim loại thì ta được một tấm điện cực anot với kích thước và hình dạng xác định trước. Hình 3.8 chụp lại khuôn đúc bằng cát và điện cực anot
Hình 3.8: (a) Khuôn bằng cát (b) Điện cực anot
Đưa tấm điện cực anot đi phân tích thành phần phần trăm các kim loại chính và kết quả thể hiện trong bảng 3.2.
Bảng 3.2: Thành phần các kim loại chính có trong điện cực anot
Kim loại Cu Fe Pb Sn
Thành phần, % 75,6 4,5 0,48 14,56
36
Như vậy, sau quá trình nấu và loại bỏ lớp xỉ trên bề mặt thì hàm lượng đồng trong điện cực anot đã được tăng lên từ 68 % lên 75,6% so với trước khi đem nấu. Thành phần phần trăm đồng được tăng lên là do một số kim loại đã bị cháy tạo thành lớp xỉ nổi lên trên bề mặt, nhờ tác dụng của lớp than củi mà ta có thể dễ dàng tách các tạp chất có trong lớp xỉ ra khỏi hỗn hợp nóng chảy. Công đoạn nấu này rất quan trọng, nhờ đó mà hàm lượng đồng sau quá trình nấu tăng đáng kể.
3.4. Điện phân thu hồi đồng
3.4.2. Phân cực trong quá trình điện phân
Ta tiến hành điện phân với mật độ dòng điện 200A/m2. Hình 3.9 là kết quả của quá trình điện phân với mật độ dòng điện 200 A/m2
.
Từ kết quả ở hình 3.9 ta thấy khi tăng thời gian điện phân đường phân cực catot thay đổi tuyến tính theo chiều tăng dần, đường phân cực anot tăng biến thiên trong khoảng thời gian đầu, sau đó tăng giảm không theo một quy luật. Mà khi phân cực anot tăng lên hoặc giảm đi đều làm các pha của tạp chất tan ra gây bẩn anot, làm giảm chất lượng điện phân.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.5 1 1.5 2 3 4 5 5.5 Phân cực + Phân cực - Điện áp Thời gian , h Điệ n áp , m V
37
Tiếp đó ta tiến hành điện phân với các mật độ dòng khác nhau là 250, 300 và