3.1. Quá trình hòa tách đồng từ bùn thải sản xuất bản mạch điện tử
3.1.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách đồng từ bùn thải quá trình sản xuất bản mạch điện tử
Để xác định bước sóng "max của dung dịch chứa đồng, tiến hành đo mật độ quang dung dịch đồng 1 g/L trong dung dịch H2SO4 1 M trong dải bước sóng từ 200 nm – 1000 nm, kết quả thu được thể hiện trên hình 3.5(a) cho thấy bước sóng
"max của dung dịch chứa đồng là 805 nm.
Để xác định được nồng độ Cu2+ có trong dung dịch hòa tách, ta cần phải xây dựng đường chuẩn bằng cách đo độ hấp thụ quang Abs của dung dịch đã biết trước nồng độ trong dung dịch H2SO4 (dung dịch pha) ở bước sóng "max = 805 nm. Từ đó xây dựng được đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ (Abs) theo nồng độ Cu2+ (Hình 3.5).
Từ đồ thị ta thiết lập được phương trình đường chuẩn:
Abs = 12,214 x CCu(II) (3.1)
Để xác định nồng độ Cu2+ của dung dịch, chúng tôi tiến hành đo độ hấp thụ quang Abs ở bước sóng "max = 805 nm, từ giá trị Abs đo được sẽ tính được nồng độ C (mol/l) của dung dịch dựa vào phương trình đường chuẩn (3.1). Với các dung dịch có nồng độ lớn hơn 0,15 M thì trước khi đo, chúng tôi đã tiến hành pha loãng
các mẫu để khi đo đảm bảo các giá trị Abs của dung dịch sẽ nằm trong khoảng giá trị của đường chuẩn.
(a) (b)
Hình 3.5. Đường biểu diễn mối quan hệ giữa độ hấp thụ và bước sóng (a) và đồ thị đường chuẩn thể hiện mối quan hệ giữa độ hấp thụ và nồng độ (b)
Trong các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách, từ việc xác định nồng độ Cu2+ trong dung dịch sau hòa tách bằng phương pháp UV-Vis, hiệu suất quá trình hòa tách đồng sẽ được xác định theo công thức (2.1).
$
3.1.2.1.$Ảnh$hưởng$của$nồng$độ$H2SO4$
Dựa trên kết quả về thành phần mẫu theo phương pháp EDX, tính toán sơ bộ được lượng axit cần cho quá trình hoà tách là 0,8M. Do vậy, để khảo sát ảnh hưởng của yếu tố nồng độ axit đến quá trình hòa tách chúng tôi tiến hành khảo sát quá trình hòa tách với tỷ lệ rắn/lỏng là 12/100, với thời gian 60 phút tại các điều kiện nồng độ H2SO4 lần lượt là 0,4 M; 0,6 M; 0,8 M; 1,0 M; 1,2 M và 1,4 M để xác định chính xác khoảng nồng độ H2SO4 phù hợp cho quá trình hoà tách. Kết quả tính toán hiệu suất hòa tách đồng của bùn thải trong các dung dịch H2SO4 có nồng độ khác nhau theo công thức (2.1) được thể hiện trên hình 3.6.
Qua đồ thị hình 3.6 nhận thấy, khi tăng nồng độ axit, hiệu suất hòa tách tăng rõ rệt và đạt giá trị cao nhất là khoảng 95 % tại nồng độ axit 1 M. Tiếp tục tăng nồng độ axit, hiệu suất hòa tách lại giảm nhẹ. Điều đó có thể do trong quá trình phản ứng phát sinh ra nhiều bọt, gây cản trở quá trình tiếp xúc giữa ion H+ và bùn thải nên làm giảm hiệu suất quá trình hòa tách.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
200 400 600 800 1000
Abs
Bước$sóng$(nm) 1$g$Cu/l$(CuSO4in$H2SO41$M)
y$=$12.214x R²$=$0.99906
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0 0.05 0.1 0.15 0.2
Abs
Nồng$độ$Cu2+ (mol/l)
Ngoài ra, để tránh tổn hao axit, ăn mòn thiết bị, bay hơi mù axit trong bước điện phân tiếp theo thì việc chọn lựa nồng độ axit thấp cho dung dịch hòa tách là vô cùng quan trọng. Do vậy, khoảng nồng độ axit phù hợp cho quá trình hòa tách đồng từ bùn thải công nghiệp là 0,8 M đến 1,2 M.
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách tại các giá trị nồng độ H2SO4 khác nhau
$
3.1.2.2.$Ảnh$hưởng$của$tỷ$lệ$rắn/lỏng$(số$gam$bùn$thải/số$mL$dung$dịch$axit)$
Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến quá trình hòa tách chúng tôi tiến hành khảo sát quá trình hòa tách với axit H2SO4 nồng độ 1 M tại giá trị thời gian 60 phút với các giá trị tỷ lệ rắn/lỏng lần lượt là 6/100, 8/100, 10/100, 12/100, 14/100, 16/100.
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách tại các giá trị tỷ lệ rắn/lỏng khác nhau
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 20 30 40 50 60 70
Hiệu$suất$(%)
Thời$gian$(phút)
0.4M 0.6M 0.8M 1.0M 1.2M 1.4M
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 20 40 60 80
Hiệu$suất$(%)
Thời$gian$(phút)
Ty$le$6/100 Ty$le$8/100 Ty$le$10/100 Ty$le$12/100 Ty$le$14/100 Ty$le$16/100
Hình 3.7 cho thấy mối quan hệ giữa tỷ lệ bùn thải cho vào và lượng dung dịch axit H2SO4 1 M dùng để hòa tách. Hiệu suất hòa tách giảm khi khi tỷ lệ bùn thải đưa vào dung dịch hòa tách tăng lên. Tuy nhiên khi tỷ lệ này thay đổi trong khoảng từ 6/100 đến 12/100, sự thay đổi của hiệu suất hòa tách là không đáng kể. Chỉ khi tỷ lệ rắn/lỏng tăng quá 14/100 thì hiệu suất hòa tách đồng từ bùn thải mới giảm xuống đột ngột. Để giảm thiểu kích thước thiết bị, tiết kiệm axit, đảm bảo vấn đề kinh tế, tỷ lệ rắn/lỏng cho phép hòa tách càng cao càng tốt. Do đó tỷ lệ rắn/lỏng phù hợp cho quá trình hòa tách là 10/100 đến 14/100.
3.1.2.3.$Ảnh$hưởng$của$thời$gian$hòa$tách$
Khảo sát ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến quá trình hòa tách chúng tôi tiến hành khảo sát quá trình hòa tách tại tỷ lệ rắn/lỏng 12/100, với nồng độ 0,8 M;
1 M và 1,2 M trong thời gian 2 tiếng. Sau mỗi khoảng thời gian 10 phút, dung dịch hòa tách được lấy để đem đi phân tích xác định hiệu suất của quá trình hòa tách.
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách tại các thời gian khác nhau
Thời gian hòa tách cũng là một thông số ảnh hưởng quan trọng đến quá trình hòa tách đồng từ quặng nói chung và bùn thải PCBs nói riêng. Hình 3.8 thể hiện mối quan hệ giữa thời gian hòa tách và hiệu suất hòa tách đồng từ bùn thải. Tại thời điểm bắt đầu hòa tách, hiệu suất hòa tách đồng thu được là tương đối thấp. Quá trình hòa tách chỉ hiệu quả từ sau 30 phút trở đi. Tuy nhiên sau 1 giờ hòa tách hiệu suất quá trình đã đạt đến khoảng 90 % và sau đó tăng tương đối chậm theo thời gian. Đây cũng
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 50 100 150
Hiệu$suất$(%)
Thời$gian$(phút)
H2SO4$0.8M H2SO4$1.0M H2SO4$1.2M
là xu thế chung khi chúng tôi tiến hành hòa tách trong các nồng độ axit khác nhau.
Kết quả chỉ ra rằng, sau 90 phút thì tỷ lệ hòa tách tăng rất chậm, thời gian lại quá dài, tiêu tốn công sức và năng lượng do vậy khoảng thời gian hòa tách phù hợp là từ 60 đến 90 phút.
3.1.2.4.$Ảnh$hưởng$của$các$thông$số$công$nghệ$khác$
$ Quá trình hòa tách đồng từ bùn thải quá trình sản xuất mạch điện tử được khảo sát ở các kích cỡ hạt (0,03 mm; 0,1 mm; 0,25 mm), ở nhiệt độ và tốc độ khuấy khác nhau như trong bảng 3.2 – Bảng thông số quá trình hòa tách. Các điều kiện hòa tách còn lại được giữ cố định gồm nồng độ H2SO4 1 M, tỷ lệ rắn/lỏng là 12/100 và hòa tách trong 60 phút. Kết quả của các phép thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ, tốc độ khuấy và kích thước hạt đến hiệu suất hòa tách STT Mẫu thí
nghiệm Yếu tố ảnh hưởng Hiệu suất hòa tách (%)
1
T1
Nhiệt độ (°C)
25 94,5
T2 50 95,0
T3 80 96,5
2
S1 Tốc độ khuấy (vòng/phút)
400 92,0
S2 600 94,5
S3 800 94,8
3
r1 Kích thước hạt (mm)
< 0,03 95,1
r2 < 0,1 94,5
r3 < 0,25 88,7
Khi tăng nhiệt độ hiệu suất quá trình hòa tách gần như không thay đổi nhiều.
Điều này có thể giải thích là sau thời gian phản ứng 1 tiếng, quá trình hòa tách đã đạt trạng thái cân bằng, nên khuếch tán hầu như không ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình mà chỉ có sự ảnh hưởng nhỏ của cân bằng giữa các phản ứng, do vậy, hiệu suất quá trình gần như không thay đổi. Trong khi đó, để hòa tách ở nhiệt độ cao, việc thiết kế chế tạo các hệ thống bể hòa tách có kèm theo ống gia nhiệt, lớp bảo ôn, hệ thống ống dẫn hơi quá nhiệt, thiết bị lò hơi sẽ phức tạp và đòi hỏi đầu tư lớn. Do đó, chúng tôi chọn giải pháp hòa tách ở nhiệt độ thường để đảm bảo vấn đề kinh tế và công nghệ.
Khi tiến hành khuấy trộn ở các tốc độ khuấy khác nhau sẽ ảnh hưởng đến chiều dày lớp khuếch tán. Tốc độ khuấy càng lớn thì chiều dày lớp khuếch tán càng nhỏ giúp quá trình khuếch tán của H+ qua lớp này dễ dàng hơn. Tuy nhiên kết quả
khảo sát cho thấy sự ảnh hưởng không rõ rệt của tốc độ khuấy lên hiệu suất hòa tách bùn thải. Một số tác giả khác cũng tiến hành các nghiên cứu và chỉ ra rằng khoảng tốc độ khuấy phù hợp cho hòa tách trong khoảng từ 200-800 vòng/phút [33], [42].
Do vậy, trong điều kiện thí nghiệm, tốc độ khuấy 600 vòng/phút được chọn lựa.
Kích thước hạt bùn thải sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tổng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai pha rắn lỏng. Rõ ràng rằng, khi kích thước hạt bùn giảm, diện tích tiếp xúc S tăng lên đã ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và hiệu suất quá trình hòa tách.
Tuy nhiên, để có kích thước hạt bùn thải nhỏ hơn 0,03 mm, quá trình nghiền đòi hỏi tốn nhiều thời gian hơn đồng thời nếu hạt bùn quá nhỏ, trong quá trình sản suất sau này dễ gây thất thoát và bụi nhà xưởng. Hơn nữa, hiệu suất hòa tách cũng tăng lên không đáng kể khi kích thước hạt bùn thải giảm từ <0,1 mm xuống <0,03 mm. Do đó, qua khảo sát, kích thước hạt bùn <0,1 mm được lựa chọn để tiến hành hòa tách kim loại đồng.
3.1.3.$Tối$ưu$hóa$các$điều$kiện$của$quá$trình$hòa$tách$đồng$bằng$phương$pháp$quy$