Luận án Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hóa

i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ........................................................... iv DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. vii DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... x MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 4 1.1. Tái chế đồng từ bùn thải sản xuất bản mạch điện tử (Printed circuit board - PCB) ........ 4 1.1.1. Bùn thải quá trình sản xuất PCB .................................................................................... 4 1.1.2. Các phương pháp tái chế đồng ....................................................................................... 6 1.1.2.1. Phương pháp hỏa luyện ........................................................................................... 8 1.1.2.2. Phương pháp thủy luyện ......................................................................................... 9 1.2. Quá trình thủy luyện thu hồi đồng .................................................................................. 11 1.2.1. Quá trình hòa tách ........................................................................................................ 11 1.2.2. Quá trình điện phân ...................................................................................................... 14 1.2.2.1. Lý thuyết điện phân thu hồi đồng ......................................................................... 14 1.2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện phân thu hồi đồng công nghiệp ......................... 17 1.2.2.3. Thiết bị điện phân thu hồi đồng ............................................................................ 20 1.3. Tối ưu hóa quá trình hòa tách và mô hình hóa quá trình điện phân thu hồi đồng ......... 23 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ..................................................................... 26 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ........................................................................... 32 2.1. Chuẩn bị thí nghiệm ........................................................................................................ 32 2.1.1. Hóa chất ........................................................................................................................ 32 2.1.2. Mẫu nghiên cứu ............................................................................................................ 32 2.1.3. Điện cực ........................................................................................................................ 32 2.2. Chế độ thí nghiệm và các thông số cần xác định ............................................................ 33 2.2.1. Hòa tách đồng từ bùn thải quá trình sản xuất bản mạch điện tử ................................. 33 2.2.1.1. Quy trình thí nghiệm hòa tách đồng ..................................................................... 33 2.2.1.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách ........................................ 34 2.2.1.3. Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình hòa tách ............................................................. 34 ii 2.2.2. Chiết tách thu dung dịch đồng sạch ............................................................................. 36 2.2.3. Điện phân thu hồi đồng từ dung dịch chiết tách .......................................................... 36 2.2.3.1. Quy trình thí nghiệm điện phân thu hồi đồng ....................................................... 36 2.2.3.2. Khảo sát chế độ điện phân trong thiết bị điện cực phẳng ..................................... 39 2.2.3.3. Khảo sát chế độ điện phân trong thiết bị Porocell ................................................ 41 2.2.3.4. Các thông số quá trình điện phân cần xác định .................................................... 41 2.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................. 43 2.3.1. Phương pháp điện hóa .................................................................................................. 43 2.3.2. Các phương pháp phân tích .......................................................................................... 45 2.3.2.1. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) ..................................................... 45 2.3.2.2. Phương pháp phổ khối Plasma cảm ứng (Inductively Coupled Plasma emission Mass Spectrometry - ICP-MS) ........................................................................................... 46 2.3.2.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction – XRD).................................... 47 2.3.2.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................... 47 2.3.2.5. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) ............................................... 48 2.3.3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm .......................................................................... 49 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 50 3.1. Quá trình hòa tách đồng từ bùn thải sản xuất bản mạch điện tử .................................... 50 3.1.1. Khảo sát đặc tính của mẫu bùn thải nghiên cứu .......................................................... 50 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 ...................................................................................................... 53 3.1.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit H2SO4 ..................................................................... 54 3.1.2.2. Ảnh hưởng của lượng rắn/lỏng (số gam bùn thải/số ml dung dịch axit) ............. 55 3.1.2.3. Ảnh hưởng của thời gian hòa tách ........................................................................ 56 3.1.2.4. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ khác ...................................................... 57 3.1.3. Tối ưu hóa các điều kiện của quá trình hòa tách đồng bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm ............................................................................................................................ 58 3.1.3.1. Xây dựng kế hoạch thực nghiệm .......................................................................... 59 3.1.3.2. Xác định hiệu suất hòa tách đồng bằng thực nghiệm ........................................... 62 3.1.3.3. Xây dựng phương trình hồi quy ............................................................................ 62 iii 3.1.3.4. Đánh giá sự tác động qua lại lẫn nhau giữa các yếu tố và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất hòa tách. ....................................................................................................... 64 3.1.3.5. Tối ưu hóa các điều kiện của quá trình hòa tách đồng ......................................... 70 3.2. Quá trình chiết tách loại tạp sắt ....................................................................................... 71 3.3. Quá trình điện phân thu hồi đồng .................................................................................... 73 3.3.1. Đánh giá dung dịch điện phân bằng phương pháp bậc điện thế .................................. 74 3.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân trong thiết bị bản cực phẳng ............. 77 3.3.2.1. Nhiệt độ điện phân ................................................................................................ 77 3.3.2.2. Khoảng cách anốt – catốt ...................................................................................... 79 3.3.2.3. Điện phân thu hồi đồng theo bậc dòng điện ......................................................... 80 3.2.2.4. Phân tích chất lượng lớp kết tủa đồng thu hồi ...................................................... 87 3.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân trong thiết bị Porocell ....................... 90 3.2.3.1. Dòng điện phân ..................................................................................................... 90 3.2.3.2. Lưu lượng dòng chảy ............................................................................................ 92 3.2.3.3. Chất lượng đồng thu hồi ....................................................................................... 96 3.2.4. Điện phân với dung dịch thực ...................................................................................... 97 3.3. Mô hình hóa quá trình điện phân .................................................................................... 99 3.3.1. Xây dựng mô hình hệ điện phân .................................................................................. 99 3.3.2. Xây dựng mô hình tính ............................................................................................... 100 3.3.3. Xác định các thông số đối với dung dịch điện phân ban đầu 105 3.3.3.1. Thông số nhiệt động ............................................................................................ 105 3.3.3.2. Thông số động học .............................................................................................. 106 3.3.4. Kết quả tính mô phỏng toán học ................................................................................ 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...................................................... 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 120 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 𝑎𝐶𝑢2+ Hoạt độ ion Cu 2+ 𝑎𝐻+ Hoạt độ ion H + aj Hoạt độ của ion j aO Hoạt độ chất oxy hóa aR Hoạt độ chất khử A Diện tích catốt Ađl Khối lượng đương lượng của chất điện phân C Nồng độ của chất phản ứng ở sát bề mặt điện cực C0 Nồng độ ban đầu C0* Nồng độ của chất phản ứng trong thể tích dung dịch CE Điện cực đối CIN Nồng độ đầu vào COUT Nồng độ đầu ra 𝑑𝐶 𝑑𝑥 Gradient nồng độ D Hằng số khuếch tán (đơn vị bề mặt/đơn vị thời gian) 𝐸𝑒 0 Điện thế điện cực tiêu chuẩn Ee Điện thế cân bằng Ea Điện thế điện cực anốt Ec Điện thế điện cực catốt F Hằng số Faraday Hht Hiệu suất hòa tách Hr Tỷ lệ thu hồi đồng Hi Hiệu suất dòng điện 𝑖𝑔ℎ Mật độ dòng điện giới hạn 𝑖𝑔ℎ,𝑐 Mật độ dòng điện giới hạn catốt I Cường độ dòng điện i0 Mật độ dòng trao đổi i0,a Mật độ dòng trao đổi anốt 𝑖0,𝑐 Mật độ dòng trao đổi catốt ikt Mật độ dòng điện khuếch tán Iγ Lực ion J Lượng chất khuếch tán trên một đơn vị thời gian v km Hệ số chuyển khối M Khối lượng của chất điện phân M Lượng đồng còn lại trong dung dịch sau khoảng thời gian t m0 Lượng đồng trong dung dịch tại thời điểm ban đầu mc Lượng đồng thu được ở catốt ∆m Chênh lệch khối lượng N Số điện tử tham gia phản ứng điện hóa N Tổng số các chất trong dung dịch điện phân PCBs Bảng mạch điện tử 𝑃𝑂2 Áp suất khí oxy Q Điện lượng chạy qua Qd Tốc độ dòng ra Qf Tốc độ dòng vào Qv Lưu lượng thể tích R Hằng số khí lý tưởng Ra Điện trở dung dịch RE Điện cực so sánh rgen,j Tốc độ tạo thành cấu tử j revap,j Tốc độ bay hơi của cấu tử j rcon,j Tốc độ đối lưu của cấu tử j RH Điện trở mối nối ri Bán kính ion S Diện tích hạt phản ứng S Diện tích bề mặt vuông góc với dòng di cư ion T Nhiệt độ t Thời gian điện phân V Thể tích thiết bị 𝑊 Năng lượng tiêu hao WE Điện cực làm việc xj Nồng độ của cấu tử j trong dung dịch cấp vào ban đầu yi Nồng độ của cấu tử j trong dung dịch điện phân 𝜀𝐶𝑢2+ Đương lượng điện hóa của đồng αa Hệ số vận chuyển điện tích anốt αc Hệ số vận chuyển điện tích catốt γj Hệ số hoạt độ của ion j vi δ Chiều dày lớp khuếch tán ηa Quá thế anốt ηc Quá thế catốt κ Độ dẫn điện riêng λ Chiều dài bước sóng tia X 𝜙 Hiệu suất dòng điện vii DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Sơ đồ quy trình sản xuất bản mạch điện tử 5 Hình 1.2. Sơ đồ quy trình kết tủa xử lý nước thải 5 Hình 1.3. Phân bố nồng độ chất phản ứng theo khoảng cách đến điện cực và thời gian điện phân (t1 < t2 < t3) 16 Hình 1.4. Các khu vực của đường cong phân cực catốt 18 Hình 1.5. Hệ thiết bị điện phân Porocell 22 Hình 1.6. Loại đồng khỏi dung dịch rượu whiskey bằng Porocell 22 Hình 1.7. Quy trình công nghệ xử lý bùn thải luận văn lựa chọn 30 Hình 2.1. Sơ đồ quy trình thí nghiệm hòa tách đồng từ bùn thải sản xuất bản mạch điện tử 33 Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm quy trình chiết tách đồng từ dung dịch hòa tách 36 Hình 2.3. Sơ đồ quy trình thí nghiệm thu hồi đồng từ dung dịch hòa tách mô phỏng 37 Hình 2.4. Thiết bị điện phân bản cực phẳng và các thông số thiết bị 38 Hình 2.5. Thiết bị điện phân Porocell và các thông số thiết bị 38 Hình 2.6. Chế độ đặt dòng thay đổi sau mỗi nửa giờ điện phân 40 Hình 2.7. Đường Tafel của nhánh anốt và catot của đường cong phân cực dòng – thế 44 Hình 2.8. Thiết bị đo điện hóa Autolab PGSTAT 302N 45 Hình 3.1. Hình thái bề mặt của mẫu bùn thải 50 Hình 3.2. Phổ tán xạ năng lượng tia X của mẫu bùn thải 51 Hình 3.3. Đường chuẩn xác định nồng độ của dung dịch hòa tách bằng HNO3 51 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn thải 52 Hình 3.5. Đồ thị đường chuẩn thể hiện mối quan hệ giữa độ hấp thụ với bước song và nồng độ 54 Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách tại các giá trị nồng độ H2SO4 khác nhau 55 viii Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách tại các giá trị lượng rắn/lỏng khác nhau 55 Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách tại các thời gian khác nhau 56 Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn hiệu suất của phương trình và thực nghiệm 64 Hình 3.10. Ảnh hưởng tương quan của nồng độ và lượng rắn/lỏng (thời gian hòa tách 60 phút) 65 Hình 3.11. Ảnh hưởng tưởng quan của thời gian và lượng rắn/lỏng (nồng độ H2SO4 là 1M) 65 Hình 3.12. Ảnh hưởng tưởng quan của nồng độ và thời gian 66 Hình 3.13. Phân bố hiệu suất hòa tách đồng theo nồng độ H2SO4 và lượng rắn/lỏng ở các thời gian hòa tách khác nhau 67 Hình 3.14. Phân bố hiệu suất hòa tách đồng theo lượng rắn/lỏng và thời gian ở các nồng độ H2SO4 khác nhau 68 Hình 3.15. Phân bố hiệu suất hòa tách đồng theo nồng độ H2SO4 và thời gian hòa tách ở các lượng rắn/lỏng khác nhau 69 Hình 3.16. Bề mặt biểu diễn hiệu suất hòa tách theo tỉ lệ rắn/lỏng và nồng độ khi ta hòa tách với thời gian 75,44 phút 70 Hình 3.17. Kết quả phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X mẫu bã sau hòa tách 71 Hình 3.18. Các dung dịch thu được trong quá trình chiết tách 73 Hình 3.19. Đường cong phân cực của điện cực thép không gỉ 304 trong các dung dịch khác nhau, tốc độ quét 2mV/s 76 Hình 3.20. Sự phụ thuộc của km vào nồng độ Cu(II) 77 Hình 3.21. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất dòng điện và năng lượng tiêu thụ riêng 78 Hình 3.22. Ảnh hưởng của khoảng cách anốt - catốt đến hiệu suất dòng điện và năng lượng tiêu thụ riêng 79 Hình 3.23. Hiệu suất dòng điện phụ thuộc vào thời gian điện phân 84 Hình 3.24. Tỷ lệ thu hồi theo thời gian điện phân 85 Hình 3.25. Năng lượng tiêu thụ riêng theo thời gian điện phân 85 Hình 3.26. So sánh tương quan giữa hiệu suất dòng điện và năng lượng tiêu thụ riêng 86 Hình 3.27. So sánh tương quan giữa tỷ lệ thu hồi và năng lượng tiêu thụ riêng 86 ix Hình 3.28. Kết quả chụp SEM bề mặt mẫu đồng 87 Hình 3.29. Kết quả đo EDX mẫu đồng thu được sau điện phân 89 Hình 3.30. Sự thay đổi nồng độ đồng trong dung dịch theo thời gian khi điện phân ở các dòng điện khác nhau với lưu lượng dòng chảy là 200L/h 90 Hình 3.31. Sự thay đổi nồng độ đồng trong dung dịch theo thời gian khi điện phân ở các tốc độ dòng chảy khác nhau. (a) 6A, (b) 9A 92 Hình 3.32. Sự phụ thuộc của hiệu suất dòng điện vào dòng điện phân và tốc độ dòng chảy 93 Hình 3.33. Hệ thiết bị điện phân Porocell 94 Hình 3.34. Ảnh SEM điện cực cacbon trước (a) và sau (b) quá trình điện phân ở 9A trong 3h với tốc độ dòng chảy 200L/h 97 Hình 3.35. Kết quả chụp SEM bề mặt mẫu đồng thu được sau điện phân 98 Hình 3.36. Kết quả phân tích EDX mẫu đồng điện phân từ dung dịch chiết tách 99 Hình 3.37. Cấu tạo bể điện phân 99 Hình 3.38. Sơ đồ mạch điện của hệ điện phân đồng 100 Hình 3.39. Thông số quá trình mô phỏng 101 Hình 3.40. Đường cong phân cực anốt và catốt của điện cực thép không gỉ 304 trong dung dịch Cu(II) 0,3M+H2SO4 0,4M 107 Hình 3.41. Đường cong phân cực anốt và catốt của điện cực titan trong dung dịch CuSO4 0,3M+H2SO4 0,4M 107 Hình 3.42. So sánh tỷ lệ thu hồi mô phỏng và thực nghiệm 113 Hình 3.43. So sánh điện thế thực nghiệm và mô phỏng 114 Hình 3.44. So sánh năng lượng tiêu thụ mô phỏng và thực nghiệm 115 Hình 3.45. So sánh năng lượng tiêu thụ riêng mô phỏng và thực nghiệm 116 x DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1. Thành phần chủ yếu của bùn thải ở Thanh Đảo 5 Bảng 1.2. Một số phương pháp xử lý bùn thải 7 Bảng 1.3. Một số quy trình thủy luyện thu hồi đồng từ bùn thải điện tử 10 Bảng 1.4. Tổng hợp một số loại thiết bị điện phân phổ biến 20 Bảng 2.1. Hóa chất được sử dụng trong quá trình thí nghiệm 32 Bảng 2.2. Bảng thông số quá trình hòa tách 35 Bảng 2.3. Bảng thông số chế độ điện phân trong thiết bị điện cực phẳng 39 Bảng 2.4. Bảng thông số chế độ điện phân trong thiết bị Porocell 41 Bảng 3.1. Thành phần các nguyên tố trong mẫu bùn thải 52 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ, tốc độ khuấy và kích thước hạt đến hiệu suất hòa tách 57 Bảng 3.3. Bảng ma trận kế hoạch mô hình thực nghiệm 59 Bảng 3.4. Bảng kế hoạch quá trình quy hoạch thực nghiệm 61 Bảng 3.5. Bảng giá trị hiệu suất của kế hoạch quy hoạch thực nghiệm 62 Bảng 3.6. Giá trị hệ số của phương trình hồi quy theo phần mềm MODDE 5.0 63 Bảng 3.7. Các tham số sử dụng phần mềm Modde 5.0 71 Bảng 3.8. Hiệu quả chiết đồng bằng LIX 984 với số bậc chiết khác nhau 72 Bảng 3.9. Hàm lượng dung dịch sau quá trình chiết _ giải chiết 72 Bảng 3.10. Hệ số chuyển khối xác định bằng thực nghiệm 76 Bảng 3.11. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 78 Bảng 3.12. Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách anốt - catốt đến quá trình điện phân 79 Bảng 3.13. Chế độ đặt dòng điện theo bậc quá trình điện phân thu hồi đồng 82 Bảng 3.14. Kết quả khảo sát thông số điện phân theo bậc dòng 83 Bảng 3.15. Thành phần các nguyên tố theo phương pháp EDX 88 Bảng 3.16. Mật độ dòng điện phân trong thiết bị Porocell 91 xi Bảng 3.17. Bảng giá trị hiệu suất dòng tại các chế độ điện phân khác nhau 93 Bảng 3.18. Thành phần các nguyên tố theo phương pháp EDX 98 Bảng 3.19. Thành phần dung dịch điện phân ở 25OC 106 Bảng 3.20. Thông số động học đối với phản ứng catốt 107 Bảng 3.21. Thông số động học với phản ứng anốt 108 Bảng 3.22. Thông số ban đầu cho quá trình mô phỏng 108 Bảng 3.23. Kết quả thông số tính theo phương trình mô phỏng chính 109 Bảng 3.24. Thông số điện phân tính theo mô phỏng và thực nghiệm 111 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, ngành công nghiệp điện tử đang phát triển mạnh mẽ, đồng thời cũng thải ra môi trường một lượng lớn chất thải [9, 14, 16]. Bùn thải là sản phẩm thu được từ quá trình kết tủa nước thải công nghiệp [9]. Theo số liệu thống kê, châu Âu phát thải ra khoảng 105 tấn chất thải mỗi năm [14] và của toàn thế giới là 106 tấn [16]. Phương pháp xử lý bùn thải chính hiện nay là chôn lấp, tuy nhiên cách này sẽ gây ra ô nhiễm môi trường thứ cấp. Hơn nữa, lượng kim loại, đặc biệt là đồng, trong bùn thải chứa hàm lượng khá cao (khoảng 10-30%) [19, 35, 71]. Bên cạnh đó, các nguồn tài nguyên thiên nhiên trên thế giới ngày càng bị thu hẹp, việc khai thác mỏ và chế biến khoáng sản đem lại những tác động vô cùng to lớn với môi trường. Chính vì vậy, việc nghiên cứu để thu hồi các nguyên liệu, mà cụ thể ở đây là thu hồi đồng từ