CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN
3.4. Thử nghiệm trên hệ thống thiết bị chiết – điện phân tuần hoàn liên tục
Để đưa công nghệ chiết vào thu hồi đồng từ dung dịch CuCl2 ta phải chế tạo thiết bị có khả năng thực hiện các quá trình chiết – giải chiết – điện phân tuần hoàn liên tục với nhau. Trong đó, dung môi chiết sẽ vận chuyển đồng từ bể chiết sang bể giải chiết tạo thành một vòng tuần hoàn kín.
Dựa trên yêu cầu về nguyên lý làm việc của hệ thống thiết bị chiết và các thông số công nghệ thu được từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, một bộ thiết bị chiết – giải chiết – điện phân liên tục đã được chế tạo để phục vụ cho nghiên cứu. Để thực hiện một công đoạn chiết (hoặc giải chiết) sử dụng thiết bị gồm hai bộ phận chính: các thùng khuấy nối tiếp nhau có tác dụng trộn lẫn pha hữu cơ và dung dịch và bể lắng tách pha. Các bộ phận này có có cấu tạo như trong Hình 3.12 và Hình 3.13. Năng suất xử lý dung dịch đồng clorua của bộ thiết bị chiết tối đa theo thiết kế là 60 l/h tương đương lượng đồng thu hồi được là 600 g/h.
Hình 3.12: Cấu tạo thùng khuấy.
Hình 3.13: Cấu tạo bể tách pha.
Để điện phân thu hồi đồng từ dung dịch đồng sunfat, sử dụng các thiết bị gồm:
- 3 bể điện phân: kích thước trong 300 x 150 x 150 mm, làm bằng nhựa PVC (Hình 3.14a). Mỗi bể bố trí được 5 anot bằng chì kim loại và 4 catot bằng thép không gỉ 316. Kích thước các điện cực này giống với điện cực sử dụng ở quy mô PTN (Hình 3.9).
- Bộ nguồn chỉnh lưu: Điện áp một chiều có phạm vi điều chỉnh 0 ÷ 12 V.
Dòng điện tối đa 40 A. (Hình 3.14b).
Đại học Bách Khoa Hà Nội 50
S 1
Bể chứa 3
S 2
B1 M 3
B4
M 4 M 1
B2 M 2
B3
Bể chứa 2 Bể chứa 1
dung dịch điện phân
a) Bể điện phân. b) Bộ nguồn một chiều.
Hình 3.14: Bộ thiết bị điện phân thu hồi đồng.
- Bơm tuần hoàn dung dịch: Sử dụng một bơm axit lưu lượng 5 lít/phút.
Với mật độ dòng catot là 300 A/m2, năng suất dự kiến của bộ thiết bị điện phân là khoảng 3 kg Cu/24 h.
Lắp đặt hệ thống thiết bị chiết – điện phân thành hệ thống tuần hoàn khép kín như Hình 3.15.
Hình 3.15: Bố trí lắp đặt hệ thống thiết bị thu hồi đồng liên tục.
Dung dịch CuCl2 được điều chỉnh pH bằng CaCO3 tới pH thích hợp cho quá trình chiết trong bể chứa 1. Tiếp thep bơm B1 cấp dung dịch này cùng với bơm B2 cấp pha hữu cơ với lưu lượng đều là 1 lít/phút vào bể khuấy M1. Hỗn hợp sau đó tràn qua bể khuấy M2 rồi xuống bể lắng S1. Khi đi qua bể lắng S1, pha hữu cơ chứa các ion đồng được tách khỏi dung dịch và chảy xuống bể khuấy M3 thực hiện quá trình giải chiết. Dung dịch CuCl2 ra khỏi bể lắng S1 có nồng độ đồng giảm và axit tăng được thu lại vào bể chứa 2. Tại đây, thực hiện quá trình điều chỉnh pH và sau đó đưa trở về bể chứa 1. Khi dung dịch ở bể chứa 2 trở nên trong là khi đã tách được phần lớn ion đồng, ta rút bớt một lượng dung dịch ra và thêm dung dịch ăn mòn mạch chứa đồng mới vào.
Đại học Bách Khoa Hà Nội 51 Dung dịch giải chiết được bơm B3 cấp vào bể khuấy M3 cùng với pha hữu cơ chứa đồng chảy xuống từ bể lắng S1. Khuấy giải chiết được thực hiện trong bể khuấy M3 và M4 sau đó hỗn hợp chảy xuống bể lắng S2. Dung dịch giải chiết tách ra khỏi bể lắng S2 có nồng độ đồng tăng lên được đưa vào bể chứa cấp cho điện phân. Đồng thời pha hữu cơ ra khỏi S2 có nồng độ đồng giảm chảy về bể chứa 3 trước khi lại được quay vòng vào M1 thực hiện quá trình chiết.
Hình 3.16: Thực tế hệ thống thiết bị thu hồi đồng liên tục.
3.4.2. Thử nghiệm trên hệ thống thiết bị chiết – điện phân tuần hoàn 3.4.2.1. Chuẩn bị pha hữu cơ
Lượng pha hữu cơ cần chuẩn bị để thử nghiệm trên thiết bị mở rộng là 30 lít. Tỉ lệ chất chiết Acorga M5640 là 25%. Do đó, cần 7,5 lít chất chiết Acorga M5640 và 22,5 lít dầu hỏa để pha trộn được đủ lượng pha hữu cơ. Trong quá trình vận hành, dầu hỏa bị tiêu hao một phần do bay hơi sẽ được định kì bổ sung vào pha hữu cơ.
3.4.2.2. Chế tạo dung dịch điện phân lần đầu
Hệ thống điện phân quy mô mở rộng yêu cầu 60 lít dung dịch để hoạt động.
Đồng thời luôn có khoảng 20 lít dung dịch H2SO4 nằm trong bể giải chiết. Do đó, cần chuẩn bị 80 lít dung dịch với nồng độ 225 g/l H2SO4 từ axit H2SO4 công nghiệp nồng độ 96 %.
Tiến hành chạy tạo dung dịch điện phân lần đầu trên thiết bị chiết. Để thu được dung dịch điện phân nồng độ 42,09 g/l Cu thì tổng lượng dung dịch ăn mòn mạch đưa vào xử lý trong quá trình chế tạo dung dịch điện phân lần đầu theo tính toán là 33,46 lít. Kết quả cho thấy sau 7,5 giờ vận hành đã chuyển hết lượng đồng từ dung dịch CuCl2 sang dung dịch sunfat. Các thông số khác thu được
Đại học Bách Khoa Hà Nội 52 trong quá trình chạy hệ thống chiết để chuẩn bị dung dịch điện phân lần đầu được nêu trong Bảng 3.12.
Bảng 3.12: Các thông số vận hành hệ thống chiết khi chạy tạo dung dịch điện phân lần đầu.
Thông số vận hành Đơn vị Số lượng
Dung dịch ăn mòn bảng mạch lít 33,46
Nước bổ sung để pha loãng lít 46,54
Dung dịch clorua còn lại sau chiết lít 80
Bột CaCO3 sử dụng kg 9,21
Lượng H2SO4 96 % lít 10,2
Thời gian chạy hệ thống chiết giờ 7,5
Năng suất trung bình của hệ thống g/h 448,96
Lượng đồng vận chuyển trung bình tính cho 1% thể tích Acorga M5640 trong pha hữu cơ
g/l 0,3
3.4.2.3. Thử nghiệm thu hồi đồng từ dung dịch ăn mòn mạch thải
Khi đã chế tạo được 60 lít dung dịch điện phân ban đầu đạt nồng độ 42,09 g/l Cu, tiến hành chạy thử hệ thống chiết – điện phân liên tục để đánh giá tính ổn định của quy trình công nghệ.
Trên cơ sở các thông số quá trình điện phân như đã nghiên cứu ở quy mô PTN, chế độ điện phân ở quy mô mở rộng tương ứng như sau:
- Mật độ dòng điện 300 A/m2. - Điện áp một bể: 2,0 ÷ 2,1 V.
- Điện áp nguồn cung cấp cho 3 bể: 6,3 ÷ 6,4 V; cường độ dòng điện: 36 A.
- Nhiệt độ dung dịch: 48 ÷ 50 oC.
- Khoảng cách giữa anot và catot liền kề: 3 cm.
- Tốc độ tuần hoàn dung dịch qua mỗi bể là 1,5 lít/phút.
Tiến hành chạy thử nghiệm 04 đợt với mỗi đợt kéo dài 24 giờ liên tục tính từ khi bắt đầu điện phân đến khi thu hoạch đồng catot. Các thông số vận hành được nêu trong Bảng 3.13.
Bảng 3.13: Kết quả các mẻ thử nghiệm lấy sản phẩm.
Đơn vị Ngày 1 Ngày 2 Ngày 3 Ngày 4
Lượng dung dịch CuCl2 lít 30 30 30 30
Lượng CaCO3 dùng để điều
chỉnh pH kg 7,2 7,1 7,1 7,1
Khối lượng đồng catot kg 2,885 2,844 2,871 2,860
Điện năng tiêu thụ kWh 6,20 6,18 6,19 6,22
Đại học Bách Khoa Hà Nội 53 Sau 4 đợt chạy thử nghiệm mỗi đợt kéo dài 24 giờ đã thu được khoảng 11 kg đồng catot. Kết quả phân tích thành phần hóa học của sản phẩm trình bày trong Bảng 3.14.
Bảng 3.14: Thành phần hóa học đồng catot.
Cu (%)
Thành phần tạp chất (%)
As Ag Sb Bi Fe Pb Sn Ni
99,953 <0,002 0,003 <0,001 <0,001 0,003 0,005 0,003 0,001 Bảng 3.15: Thành phần hóa học đồng catot mác M0 OC 859 – 66 của Nga.
Cu (%)
Thành phần tạp chất, ≤ (%)
As Ag Sb Bi Fe Pb Sn Ni
99,95 0,002 0,003 0,002 0,001 0,004 0,005 0,002 0,002 Kết quả cho thấy mẫu đồng catot thu được đạt chất lượng > 99,95 % Cu tương đương với mác M0 OC 859 – 66 của Nga.
Pha hữu cơ sau 4 ngày chạy liên tục vẫn có khả năng hấp thụ đồng tốt và hầu như không thấy sự hao hụt do bốc hơi. Tuy nhiên thời gian chạy trong 4 ngày còn quá ngắn để đánh giá các thông số như tính ổn định và sự hao hụt của chất chiết cần tiến hành nghiên cứu tiếp trong thời gian dài hơn.