CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN
3.3. Nghiên cứu ứng dụng các thông số công nghệ hợp lý cho quá trình điện phân
3.3.1. Xác định các thành phần của dung dịch điện phân
10 lít dung dịch điện phân đồng sunfat được chế tạo bằng phương pháp chiết tách ion đồng từ dung dịch đồng clorua thải và chuyển vào dung dịch axit H2SO4. Kết quả phân tích thành phần hóa học của dung dịch đồng sunfat trình bày trong Bảng 3.10.
Bảng 3.10: Thành phần dung dịch đồng sunfat sau quá trình giải chiết.
Chỉ tiêu Cu (g/l)
H2SO4
(g/l)
Fe (mg/l)
Mn2+
(mg/l)
Cl− (mg/l)
Nồng độ 42,09 160 2,05 0,12 29
Khi so sánh thành phần dung dịch điện phân thu được (Bảng 3.10) với thành phần dung dịch điện phân ở các nhà máy trên thế giới (Bảng 1.6) cho thấy rằng:
Nồng độ Cu2+ và H2SO4 là tương đương, trong khi nồng độ tạp chất sắt và mangan là nhỏ hơn đáng kể, Cl− nằm trong giới hạn cho phép. Do đó ta sẽ thử nghiệm điện phân trực tiếp dung dịch đồng sunfat này mà chưa cần phải áp dụng một biện pháp làm sạch dung dịch nào khác.
3.3.2. Thử nghiệm điện phân thu hồi đồng từ dung dịch đồng sunfat chế tạo bằng phương pháp chiết
Với dung dịch đồng sunfat thu được có thành phần hóa học tương đương với các nhà máy trên thế giới, đáp ứng được các điều kiện về dung dịch điện
Đại học Bách Khoa Hà Nội 46 phân. Đồng thời công nghệ điện phân thu hồi đồng hiện nay trên thế giới cũng đã phát triển đến trình độ cao với các thông số gần như đã tối ưu. Vì vậy việc nghiên cứu lại một cách chi tiết công nghệ điện phân là không thật sự cần thiết. Nội dung nghiên cứu này chủ yếu là áp dụng một số thông số của công nghệ điện phân trên thế giới đã được công bố để thu hồi đồng từ dung dịch sau chiết. Qua đó đánh giá và lựa chọn chế độ công nghệ điện phân phù hợp.
Để nghiên cứu quá trình điện phân trên quy mô phòng thí nghiệm sử dụng bộ thiết bị như Hình 1.5. Trong đó các điện cực gồm có anot làm bằng chì kim loại, catot làm bằng thép không gỉ 316L. Kích thước các điện cực sử dụng trong thí nghiệm như Hình 3.9. Trong đó diện tích phần chình trong dung dịch khi điện phân của anot và catot lần lượt là 2,75 và 3,0 dm2
Hình 3.9: Kích thước các điện cực: anot (trái) và catot (phải), (đơn vị: mm) Qua tham khảo thông số vận hành của một số nhà máy sản xuất đồng kim loại bằng phương pháp chiết - điện phân trên thế giới (Bảng 1.6). Ta lựa chọn chế độ thí nghiệm như sau:
- Lượng dung dịch điện phân: 8,0 lít. Trong đó, bể điện phân chứa 3,38 lít, cốc đựng dung dịch tuần hoàn chứa 4,62 lít.
- Điện phân với chế độ ổn định dòng điện. Dòng điện qua bể đặt ổn định ở 9A, khi đó điện áp bể tương ứng là 2,1 V, mật độ dòng catot: 300 A/m2, mật độ dòng anot tương ứng là 327 A/m2.
- Nhiệt độ dung dịch điện phân: 50 0,5 oC - Tuần hoàn dung dịch: lưu lượng 1,5 lít/phút.
- Khoảng cách giữa anot và catot liền kề: 3 cm.
Đánh giá quá trình điện phân thông qua ba yếu tố chính là chất lượng vật lý, chất lượng hóa học của kết tủa đồng catot và hiệu suất dòng điện. Trong đó:
- Chất lượng vật lý của kết tủa đồng catot được đánh giá bằng cách quan sát bề mặt kết tinh của đồng catot.
- Chất lượng hóa học của kết tủa đồng catot được đánh giá bằng phương pháp phân tích hóa truyền thống và bằng phương pháp ICP.
Đại học Bách Khoa Hà Nội 47 - Hiệu suất dòng điện được xác định bằng cách cân khối lượng đồng catot thực tế thu được (mtt), từ đó tính hiệu suất dòng điện theo công thức:
= m𝑡𝑡
q.I.t . 100% (3-1) Trong đó:
- q là đương lượng điện hóa của đồng: q= 1,1857 g/A.h.
- I: là dòng điện cung cấp từ bộ chỉnh lưu, (A).
- t: thời gian điện phân, (h).
Với chế độ thí nghiệm đã chọn, sau các thời gian điện phân khác nhau thu được kết quả như sau:
Sau hai giờ điện phân, nồng độ đồng trong dung dịch giảm còn 39,5 g/l. Kết tinh của đồng lên catot có bề mặt rất mịn, phẳng. (Hình 3.10). Sau khi rửa sạch bằng nước nóng, xì khô bằng không khí và cân khối lượng cho thấy lượng đồng kết tủa thực tế là 20,62 g. Từ đó, xác định được hiệu suất dòng điện trong 2 h đầu tiên bằng 96,61 %.
Hình 3.10: Kết tinh đồng catot sau 2 giờ điện phân.
Sau thời gian điện phân là 12 h, nồng độ đồng trong dung dịch giảm còn 26,95 g/l. Đồng kết tủa lên catot có bề mặt vẫn phẳng, chắc chưa có dấu hiệu của dạng kết tinh ở miền quá độ. Tuy nhiên, tinh thể đồng kết tủa lớn hơn so với ở thời gian 2 giờ và có thể nhìn rõ các hạt tinh thể bằng mắt thường (Hình 3.11a).
Sau khi rửa sạch, làm khô và cân khối lượng thu được lượng đồng kết tủa là 120,85 g. Từ đó, tính được hiệu suất dòng điện sau thời gian điện phân 12 h đạt 94,37 %.
Tiếp tục quá trình điện phân tới thời gian là 14 giờ 30 phút kiểm tra thấy kết tinh của đồng catot có màu ngả sang nâu đồng thời bề mặt xuất hiện mụn xốp (Hình 3.11b) và có bọt khí thoát ra chậm ở catot, điện thế bể tăng lên 2,3 V. Các dấu hiệu này chứng tỏ quá trình điện phân đã vào miền quá độ, dòng điện i > ith
Đại học Bách Khoa Hà Nội 48 khiến cho H2 cùng phóng điện trên catot. Lúc này phân tích cho thấy nồng độ đồng trong dung dịch giảm còn 24,45 g/l. Lượng đồng kết tủa thu được là 141,35 g. Từ đó, hiệu suất dòng điện xác định được là 91,35 %.
(a) (b)
Hình 3.11: Kết tinh đồng catot sau 12 giờ (a) và sau 14,5 giờ (b) điện phân.
Như vậy, có thể thấy trong quá trình điện phân, nồng độ đồng trong dung dịch giảm dần. Với chế độ điện phân đã lựa chọn thì kết tủa đồng catot có chất lượng bề mặt đạt yêu cầu khi thời gian điện phân < 12 h, tức nồng độ đồng trong dung dịch phải cao hơn 26,95 g/l. Khi đó hiệu suất dòng điện đạt trên 94,37 %.
Kết quả phân tích thành phần hóa học của tấm đồng sau thời gian điện phân 12 giờ được bóc ra khỏi catot trình bày trong Bảng 3.11.
Bảng 3.11: Thành phần hóa học đồng catot sau 12 giờ điện phân.
Nguyên tố Cu Fe Zn Pb Ni P
Hàm lượng (%) 99,95 0,004 0,002 0,002 0,0005 0,003 Như vậy, đồng catot thu được đạt chất lượng 99,95 % Cu, cao hơn mục tiêu đã đề ra là 99,9% Cu.
Hình 3.12: Tấm đồng thu được sau khi bóc khỏi catot.