Luận án tiến sĩ: Thu hồi đất hiếm từ E-waste, tổng hợp Perovskite & ứng dụng
Luận án tiến sĩ nghiên cứu thu hồi, định hướng ứng dụng kim loại đất hiếm trong thiết bị điện tử. Góp phần phát triển công nghệ bền vững.
khoa học và công nghệ môi trường
Luan An
luận án
Năm xuất bản
Số trang
143
Thời gian đọc
22 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- 1. Tầm quan trọng thu hồi kim loại đất hiếm từ E-waste
- Số trang:
- 143 trang
- Trường:
- Đại học Bách khoa Hà Nội
- Chuyên ngành:
- khoa học và công nghệ môi trường
- Tác giả:
- Phạm Khánh Huy
- Năm:
- 2021
Tóm tắt nội dung luận án
I. Tầm quan trọng thu hồi kim loại đất hiếm từ E waste
Thiết bị điện tử cũ tạo ra lượng lớn chất thải điện tử (E-waste). E-waste chứa nhiều kim loại quý, trong đó có kim loại đất hiếm (REEs). Việc khai thác REEs truyền thống gây ra tác động môi trường nghiêm trọng. Nguồn tài nguyên REEs tự nhiên cũng ngày càng cạn kiệt. Thu hồi REEs từ E-waste trở thành giải pháp cấp bách. Giải pháp này giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đồng thời, nó tạo ra nguồn cung bền vững cho ngành công nghiệp công nghệ cao. Các REEs như Neodymium (Nd), Praseodymium (Pr), Dysprosium (Dy) là thành phần thiết yếu trong nhiều sản phẩm hiện đại. Chúng xuất hiện trong nam châm vĩnh cửu, màn hình, pin. Tái chế REEs đóng góp vào mô hình kinh tế tuần hoàn. Việc này giảm sự phụ thuộc vào khai thác mới, bảo vệ tài nguyên quốc gia. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển quy trình thu hồi hiệu quả. Đồng thời, nghiên cứu ứng dụng các vật liệu thu hồi vào chế tạo vật liệu mới.
1.1. Thực trạng chất thải điện tử và thách thức môi trường
Chất thải điện tử gia tăng nhanh chóng trên toàn cầu. Hàng triệu tấn thiết bị điện tử bị loại bỏ mỗi năm. E-waste chứa các chất độc hại như chì, thủy ngân, cadmium. Chúng gây ô nhiễm đất, nước và không khí. Việc quản lý E-waste không đúng cách tạo ra các thách thức lớn cho môi trường. Kim loại đất hiếm trong E-waste có giá trị cao. Tuy nhiên, chúng thường bị chôn lấp hoặc đốt bỏ. Điều này lãng phí tài nguyên quý giá. Phát triển công nghệ tái chế là cần thiết để đối phó với vấn đề này. Công nghệ tái chế giúp giảm tải cho các bãi chôn lấp. Đồng thời, nó ngăn chặn sự phát tán của các chất độc hại.
1.2. Nhu cầu kim loại đất hiếm và tiềm năng tái chế bền vững
Kim loại đất hiếm là thành phần không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại. Chúng được dùng trong sản xuất ô tô điện, tuabin gió, điện thoại thông minh. Nhu cầu về REEs dự kiến tiếp tục tăng mạnh. Nguồn cung REEs chủ yếu đến từ khai thác mỏ. Quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng và hóa chất. Tái chế REEs từ E-waste mang lại tiềm năng lớn. Nó tạo ra nguồn nguyên liệu thứ cấp. Nguồn này giúp giảm áp lực lên các mỏ khai thác. Đồng thời, nó hỗ trợ phát triển kinh tế bền vững. Đây là một hướng đi quan trọng để đảm bảo an ninh nguồn cung REEs.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu thu hồi và ứng dụng đất hiếm hiệu quả
Nghiên cứu này có mục tiêu kép. Đầu tiên, nó phát triển quy trình thu hồi kim loại đất hiếm từ E-waste. Quy trình này tập trung vào nam châm vĩnh cửu trong ổ cứng thải bỏ. Thứ hai, nó tổng hợp vật liệu Perovskite từ các muối đất hiếm thu hồi. Mục tiêu cuối cùng là đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu Perovskite này. Nghiên cứu cung cấp giải pháp thiết thực cho vấn đề E-waste. Nó cũng mở ra hướng ứng dụng mới cho REEs. Kết quả của luận án góp phần vào khoa học và thực tiễn môi trường. Phạm vi nghiên cứu bao gồm từ tiền xử lý đến tổng hợp vật liệu và đánh giá ứng dụng.
II. Các phương pháp chính thu hồi đất hiếm từ thiết bị điện
Việc thu hồi kim loại đất hiếm (REEs) từ thiết bị điện tử cũ là một thách thức kỹ thuật. Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và phát triển. Các phương pháp này bao gồm tái sử dụng trực tiếp, hỏa luyện, hóa học và phương pháp màng. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng. Chúng phù hợp với các loại E-waste và mục tiêu thu hồi khác nhau. Lựa chọn phương pháp tối ưu đòi hỏi đánh giá kỹ lưỡng. Đánh giá dựa trên hiệu quả, chi phí và tác động môi trường. Kỹ thuật tiền xử lý là bước quan trọng đầu tiên. Nó giúp phân loại và chuẩn bị nguyên liệu. Tiếp theo là các bước hòa tách, tinh chế và thu hồi REEs. Các quy trình này cần được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao. Đồng thời, chúng cần đảm bảo an toàn và bền vững. Việc này góp phần vào việc thúc đẩy kinh tế tuần hoàn. Nó giảm sự phụ thuộc vào khai thác nguyên liệu thô.
2.1. Phân loại kỹ thuật thu hồi đất hiếm hiệu quả hiện nay
Các kỹ thuật thu hồi kim loại đất hiếm (REEs) từ E-waste được chia thành nhiều loại. Phương pháp tái sử dụng trực tiếp là đơn giản nhất. Nó áp dụng cho các linh kiện còn hoạt động tốt. Phương pháp hỏa luyện sử dụng nhiệt độ cao. Nó giúp tách kim loại khỏi vật liệu nền. Phương pháp hóa học sử dụng các dung dịch axit hoặc kiềm. Nó hòa tan REEs thành muối. Phương pháp màng sử dụng các màng chọn lọc. Nó tách REEs dựa trên kích thước hoặc điện tích. Mỗi phương pháp có đặc điểm riêng. Chúng được lựa chọn dựa trên loại E-waste và hiệu suất mong muốn. Việc kết hợp các phương pháp có thể nâng cao hiệu quả thu hồi.
2.2. Kỹ thuật tiền xử lý và hòa tách sơ bộ kim loại đất hiếm
Tiền xử lý là bước đầu tiên và quan trọng. Nó bao gồm tháo dỡ, phân loại và nghiền nhỏ E-waste. Đối với nam châm vĩnh cửu từ ổ cứng, tiền xử lý là tách nam châm ra khỏi thiết bị. Sau đó, nam châm được nung và nghiền thành bột mịn. Bước này tăng diện tích bề mặt tiếp xúc. Nó cải thiện hiệu quả hòa tách. Hòa tách là quá trình sử dụng dung dịch axit (HCl, H2SO4) để hòa tan các kim loại. Các yếu tố như nồng độ axit, nhiệt độ và thời gian hòa tách ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất. Mục tiêu là hòa tan tối đa REEs. Đồng thời, giảm thiểu hòa tan các kim loại khác không mong muốn. Điều này giúp tinh chế dễ dàng hơn.
2.3. Các phương pháp thu hồi tách chiết REEs tiên tiến
Sau bước hòa tách, dung dịch chứa hỗn hợp các ion kim loại. Cần có các phương pháp tách chiết để thu hồi REEs tinh khiết. Phương pháp kết tủa là một kỹ thuật phổ biến. Nó sử dụng chất kết tủa để tạo thành muối đất hiếm không tan. Ví dụ, sử dụng oxalat hoặc hydroxit để kết tủa REEs. Các phương pháp khác bao gồm chiết lỏng-lỏng, trao đổi ion. Chiết lỏng-lỏng sử dụng dung môi hữu cơ để tách chọn lọc. Trao đổi ion dùng nhựa trao đổi để hấp phụ REEs. Mục tiêu là đạt được độ tinh khiết cao. Đồng thời, tối ưu hóa hiệu suất thu hồi. Điều này giúp giảm thiểu chất thải phụ trợ.
III. Quy trình thực nghiệm thu hồi kim loại đất hiếm tối ưu
Nghiên cứu tiến hành các thử nghiệm chi tiết để tối ưu hóa quy trình thu hồi kim loại đất hiếm (REEs). Đối tượng chính là nam châm vĩnh cửu từ ổ cứng máy tính đã qua sử dụng. Các hóa chất tinh khiết được sử dụng để đảm bảo độ chính xác. Quy trình bao gồm nhiều bước kế tiếp. Bước đầu tiên là tiền xử lý mẫu. Sau đó là nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách và thu hồi. Các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ axit, thời gian, kích thước hạt, tỉ lệ rắn/lỏng đều được khảo sát. Mục tiêu là xác định điều kiện tối ưu. Điều kiện này cho phép thu hồi REEs với hiệu suất cao nhất và chi phí thấp nhất. Ngoài ra, chi phí hóa chất cũng được đánh giá sơ bộ. Kết quả này cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng. Dữ liệu giúp triển khai quy mô lớn trong tương lai. Nghiên cứu đảm bảo tính khoa học và thực tiễn.
3.1. Chuẩn bị mẫu và hóa chất cho quá trình nghiên cứu
Mẫu nghiên cứu là nam châm Neodymium (NdFeB) thu được từ ổ cứng máy tính thải bỏ. Nam châm được tháo dỡ cẩn thận. Sau đó, chúng được rửa sạch và sấy khô. Hóa chất sử dụng bao gồm các axit mạnh như HCl, H2SO4. Các bazơ như NaOH được dùng để điều chỉnh pH. Các chất kết tủa như axit oxalic cũng được chuẩn bị. Tất cả hóa chất đều đạt tiêu chuẩn phân tích. Điều này đảm bảo độ tin cậy của kết quả thí nghiệm. Quá trình chuẩn bị mẫu và hóa chất tuân thủ các quy định an toàn. Nó đảm bảo môi trường làm việc an toàn. Thiết bị thí nghiệm bao gồm lò nung, máy nghiền, máy khuấy, thiết bị lọc.
3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hòa tách
Quá trình hòa tách nam châm được khảo sát dưới nhiều điều kiện khác nhau. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung xử lý nam châm trước hòa tách được đánh giá. Các nhiệt độ khác nhau được thử nghiệm để tối ưu hóa cấu trúc. Nồng độ axit và thời gian hòa tách cũng là yếu tố quan trọng. Các nồng độ axit (ví dụ: HCl 0.5M, 1M, 2M) và thời gian (ví dụ: 1 giờ, 2 giờ, 4 giờ) được thử nghiệm. Kích thước hạt bột nam châm cũng ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất hòa tan. Bột được nghiền với các kích thước khác nhau. Tỉ lệ rắn/lỏng (khối lượng nam châm trên thể tích dung dịch axit) cũng được điều chỉnh. Mỗi yếu tố được nghiên cứu độc lập. Mục đích là xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hòa tách REEs.
3.3. Tối ưu hóa quá trình thu hồi và đánh giá hiệu suất
Dựa trên kết quả khảo sát các yếu tố, điều kiện hòa tách được tối ưu hóa. Điều kiện tối ưu bao gồm nhiệt độ nung, nồng độ axit, thời gian hòa tách, kích thước hạt và tỉ lệ rắn/lỏng. Sau hòa tách, kim loại đất hiếm tổng được thu hồi bằng phương pháp kết tủa. Hiệu suất thu hồi được tính toán chính xác. Các phương pháp phân tích như phổ EDX, XRD được sử dụng để xác định thành phần và cấu trúc. Đánh giá sơ bộ chi phí hóa chất cho toàn bộ quy trình thu hồi cũng được thực hiện. Việc này giúp đánh giá tính khả thi kinh tế của quy trình. Quy trình tối ưu cho phép thu hồi REEs với hiệu suất cao và chi phí hợp lý. Đây là một bước tiến quan trọng trong công nghệ tái chế.
IV. Tổng hợp ứng dụng vật liệu Perovskite đất hiếm mới
Vật liệu Perovskite đang thu hút sự chú ý lớn trong khoa học vật liệu. Chúng có cấu trúc tinh thể đặc biệt và tính chất đa dạng. Vật liệu này có công thức chung là ABO3. Trong đó, A là một kim loại đất hiếm hoặc kim loại kiềm/kiềm thổ. B là kim loại chuyển tiếp. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp vật liệu Perovskite từ các muối kim loại đất hiếm thu hồi. Phương pháp Sol-Gel là một kỹ thuật tổng hợp hiệu quả. Nó cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt và cấu trúc tinh thể. Các vật liệu Perovskite đất hiếm có nhiều ứng dụng tiềm năng. Chúng có thể được sử dụng trong cảm biến, pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs). Chúng cũng được dùng trong các tấm pin năng lượng mặt trời và xử lý môi trường. Việc tái sử dụng REEs để tạo ra các vật liệu cao cấp này nâng cao giá trị của chúng. Đồng thời, nó thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh.
4.1. Giới thiệu vật liệu Perovskite và cấu trúc đặc trưng
Vật liệu Perovskite là một lớp hợp chất có cấu trúc tinh thể tương tự khoáng vật canxi titanat (CaTiO3). Cấu trúc ABO3 của chúng rất linh hoạt. Điều này cho phép thay thế các ion A và B bằng nhiều loại kim loại khác nhau. Sự linh hoạt này mang lại dải tính chất rộng. Các tính chất này bao gồm điện, từ, quang và xúc tác. Perovskite có thể là chất bán dẫn, cách điện hoặc siêu dẫn. Chúng cũng có thể hoạt động như chất xúc tác hiệu quả. Cấu trúc đặc biệt này giúp chúng ổn định và bền vững. Điều này làm cho Perovskite trở thành ứng cử viên sáng giá cho nhiều ứng dụng công nghệ cao.
4.2. Phương pháp tổng hợp Perovskite từ kim loại đất hiếm
Nghiên cứu sử dụng phương pháp Sol-Gel để tổng hợp vật liệu Perovskite. Đây là một phương pháp hóa học ướt. Nó cho phép tạo ra vật liệu có độ tinh khiết cao và kích thước hạt đồng đều. Quy trình bao gồm việc chuẩn bị dung dịch tiền chất. Dung dịch này chứa muối kim loại đất hiếm thu hồi và muối kim loại chuyển tiếp. Sau đó, quá trình tạo gel và nung được thực hiện. Các yếu tố như pH, nhiệt độ, thời gian nung ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu. Vật liệu Perovskite tổng hợp từ REEs thu hồi bao gồm REFeO3 và NdFeO3. Các vật liệu này được đặc trưng bằng phổ XRD, SEM, TEM để xác định cấu trúc và hình thái.
4.3. Các ứng dụng tiềm năng của Perovskite đất hiếm trong công nghệ
Vật liệu Perovskite đất hiếm có nhiều ứng dụng đa dạng. Chúng có thể được dùng để chế tạo cảm biến khí, cảm biến sinh học. Tính chất điện hóa của Perovskite làm cho chúng phù hợp làm vật liệu điện cực trong pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs). Chúng cũng được nghiên cứu rộng rãi trong các tấm pin năng lượng mặt trời thế hệ mới. Ngoài ra, khả năng xúc tác quang của Perovskite rất hứa hẹn trong xử lý môi trường. Chúng có thể phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải. Việc phát triển các ứng dụng này không chỉ tăng giá trị của REEs thu hồi. Nó còn đóng góp vào sự phát triển bền vững của công nghệ.
V. Đánh giá hoạt tính Perovskite quang xúc tác hiệu quả
Một trong những ứng dụng nổi bật của vật liệu Perovskite đất hiếm là trong quang xúc tác. Khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới tác động của ánh sáng là một giải pháp xanh. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hoạt tính quang xúc tác của vật liệu Perovskite tổng hợp. Mục tiêu là phân hủy chất màu xanh methylen (MB), một chất ô nhiễm phổ biến trong nước thải công nghiệp. Quá trình quang xúc tác liên quan đến việc tạo ra các cặp electron-lỗ trống khi hấp thụ photon. Các cặp này sau đó phản ứng với nước và oxy. Chúng tạo ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa mạnh. Các gốc tự do này phân hủy chất ô nhiễm thành các sản phẩm không độc hại. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quang xúc tác được khảo sát kỹ lưỡng. Việc này bao gồm nồng độ chất ô nhiễm, pH và cường độ ánh sáng. Kết quả cung cấp cái nhìn sâu sắc về tiềm năng ứng dụng của Perovskite trong xử lý nước thải.
5.1. Cơ chế xúc tác quang xử lý ô nhiễm nước thải hiệu quả
Cơ chế quang xúc tác của vật liệu Perovskite dựa trên tính chất bán dẫn của chúng. Khi vật liệu hấp thụ ánh sáng có năng lượng thích hợp, electron được kích thích. Chúng chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Điều này tạo ra electron tự do (e-) và lỗ trống dương (h+). Các electron và lỗ trống này di chuyển đến bề mặt vật liệu. Tại bề mặt, chúng phản ứng với các phân tử nước và oxy. Phản ứng này tạo ra các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh như •OH và •O2−. Các gốc tự do này tấn công và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Chất ô nhiễm được chuyển hóa thành các sản phẩm đơn giản hơn. Ví dụ điển hình là CO2 và H2O. Quá trình này giúp làm sạch nước thải một cách hiệu quả và thân thiện môi trường.
5.2. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính quang xúc tác
Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình quang xúc tác. Nồng độ ban đầu của chất ô nhiễm (xanh methylen) là một yếu tố quan trọng. Nồng độ quá cao có thể bão hòa bề mặt xúc tác. Điều này làm giảm hiệu suất. pH của dung dịch cũng ảnh hưởng đến trạng thái bề mặt của vật liệu. Nó ảnh hưởng đến sự hình thành gốc tự do. Cường độ ánh sáng là một yếu tố then chốt. Ánh sáng mạnh hơn thường dẫn đến tốc độ phản ứng nhanh hơn. Nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đến động học phản ứng. Việc khảo sát kỹ lưỡng các yếu tố này giúp tối ưu hóa điều kiện hoạt động. Điều này giúp đạt được hiệu quả phân hủy chất ô nhiễm cao nhất.
5.3. So sánh hiệu suất vật liệu Perovskite trong xử lý ô nhiễm
Nghiên cứu tiến hành so sánh hoạt tính quang xúc tác của hai loại vật liệu Perovskite. Đó là REFeO3 (hỗn hợp kim loại đất hiếm) và NdFeO3 (Neodymium Perovskite). Cả hai vật liệu đều được tổng hợp từ muối đất hiếm thu hồi. Chúng được thử nghiệm trong điều kiện tiêu chuẩn để phân hủy xanh methylen. Mục đích là xác định vật liệu nào có hiệu suất vượt trội. Kết quả so sánh cung cấp cái nhìn về ảnh hưởng của thành phần kim loại đất hiếm. Ảnh hưởng này đối với khả năng xúc tác quang. Vật liệu cho hoạt tính cao hơn có tiềm năng ứng dụng lớn hơn. Chúng có thể được dùng trong các hệ thống xử lý nước thải thực tế. Đây là bước quan trọng để chuyển đổi từ nghiên cứu phòng thí nghiệm sang ứng dụng công nghiệp.
VI. Hiệu quả kinh tế môi trường thu hồi đất hiếm ứng dụng
Việc thu hồi và ứng dụng kim loại đất hiếm (REEs) từ thiết bị điện tử cũ mang lại nhiều lợi ích. Chúng bao gồm cả khía cạnh kinh tế và môi trường. Về mặt kinh tế, tái chế REEs giảm chi phí khai thác và chế biến nguyên liệu thô. Nó tạo ra nguồn cung bền vững cho các ngành công nghiệp công nghệ cao. Điều này góp phần vào an ninh nguồn cung và ổn định thị trường. Về mặt môi trường, việc này giảm lượng chất thải điện tử (E-waste) đổ ra môi trường. Nó ngăn chặn ô nhiễm đất, nước và không khí do các chất độc hại trong E-waste. Đồng thời, nó giảm thiểu tác động tiêu cực của hoạt động khai thác mỏ. Khai thác mỏ REEs thường gây ra phá hủy cảnh quan và ô nhiễm nghiêm trọng. Phát triển các công nghệ thu hồi và ứng dụng REEs là một phần quan trọng của kinh tế tuần hoàn. Nó hướng tới một tương lai bền vững và ít phụ thuộc vào tài nguyên sơ cấp.
6.1. Đánh giá lợi ích kinh tế của việc tái chế đất hiếm hiệu quả
Tái chế kim loại đất hiếm (REEs) mang lại lợi ích kinh tế đáng kể. Chi phí khai thác REEs từ quặng nguyên sinh rất cao. Nó bao gồm chi phí năng lượng, hóa chất và nhân công. Tái chế từ E-waste thường ít tốn kém hơn. Nó cung cấp nguồn nguyên liệu thứ cấp có giá trị cao. Các vật liệu như nam châm NdFeB có hàm lượng REEs cao. Điều này làm cho việc thu hồi trở nên khả thi về mặt kinh tế. Nguồn cung REEs ổn định từ tái chế giúp giảm rủi ro về giá cả. Nó cũng giảm sự phụ thuộc vào các quốc gia sản xuất chính. Đầu tư vào công nghệ tái chế tạo ra việc làm mới. Nó thúc đẩy đổi mới trong ngành công nghiệp xanh. Đây là một mô hình kinh doanh bền vững.
6.2. Giảm thiểu tác động môi trường từ E waste và khai thác mới
Tái chế REEs là một giải pháp môi trường ưu việt. Nó giúp giảm đáng kể lượng chất thải điện tử (E-waste) tích tụ. E-waste chứa nhiều kim loại nặng và hóa chất độc hại. Chúng gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng sức khỏe con người. Việc thu hồi REEs giảm nhu cầu khai thác mỏ mới. Hoạt động khai thác mỏ REEs thường gây ra suy thoái đất, ô nhiễm nước và phát thải khí nhà kính. Bằng cách tái chế, lượng chất thải được giảm thiểu. Tài nguyên thiên nhiên được bảo tồn. Năng lượng tiêu thụ cũng được tiết kiệm đáng kể so với khai thác và tinh chế từ quặng. Đây là một đóng góp thiết thực cho bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
6.3. Tiềm năng phát triển công nghệ thu hồi ứng dụng bền vững
Công nghệ thu hồi và ứng dụng kim loại đất hiếm (REEs) đang tiếp tục phát triển. Có nhiều tiềm năng cho sự đổi mới và mở rộng. Các phương pháp thu hồi ngày càng hiệu quả và thân thiện môi trường hơn. Việc phát triển vật liệu Perovskite từ REEs thu hồi mở ra các ứng dụng mới. Chúng bao gồm xử lý môi trường và năng lượng tái tạo. Chính phủ và ngành công nghiệp ngày càng quan tâm đến kinh tế tuần hoàn. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho đầu tư vào nghiên cứu và phát triển. Hợp tác quốc tế và chia sẻ công nghệ cũng đóng vai trò quan trọng. Mục tiêu là xây dựng chuỗi cung ứng REEs bền vững. Điều này đảm bảo các nguồn tài nguyên quý giá được sử dụng hiệu quả cho thế hệ tương lai.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (143 trang)Nội dung chính
Tổng quan về luận án
Sự bùng nổ của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và quá trình chuyển đổi số toàn cầu đã kéo theo sự gia tăng chưa từng có của dòng chất thải điện, điện tử (E-waste). Theo báo cáo của C.P. Baldé tại Đại học Quốc gia Bonn, lượng chất thải điện tử toàn cầu đã đạt 44,7 triệu tấn vào năm 2016 và ước tính chạm mốc 52,2 triệu tấn vào năm 2021, trong đó chỉ khoảng 20% được thu gom và xử lý theo quy chuẩn kỹ thuật. Tại Việt Nam, Quyết định số 16/2015/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ quy định trách nhiệm thu hồi và xử lý thiết bị điện tử thải bỏ, trong bối cảnh khối lượng rác thải điện tử gia dụng dự báo đạt 567.000 tấn vào năm 2025.
Trong các cấu phần E-waste, nam châm vĩnh cửu NdFeB trong ổ đĩa cứng máy tính (HDD) chiếm tới 28–30% tổng nhu cầu tiêu thụ các nguyên tố đất hiếm (REE) toàn cầu như Neodym (Nd), Praseodym (Pr), Dysprosi (Dy) và Terbi (Tb). Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất hiện nay nằm ở khoảng trống nghiên cứu (research gap): các nam châm HDD có kích thước nhỏ, dễ vỡ vụn cơ học, không thể áp dụng phương pháp tái sử dụng cơ học trực tiếp quy mô lớn như của tập đoàn Hitachi (2012), trong khi các quy trình thủy luyện truyền thống đòi hỏi phân tách riêng lẻ từng nguyên tố REE bằng dung môi hữu cơ độc hại (như PC88A, Cyanex 272) với chi phí kinh tế và phát thải thứ cấp rất cao.
Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Khánh Huy, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Mai Thanh Tùng và GS. Huỳnh Trung Hải (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội), mang tên "Nghiên cứu thu hồi và định hướng ứng dụng kim loại đất hiếm trong các thiết bị điện, điện tử", đã giải quyết trực tiếp điểm nghẽn này. Đề tài tập trung vào hai câu hỏi nghiên cứu cốt lõi:
- Cơ chế hòa tách chọn lọc và thu hồi tổng hỗn hợp REE từ nam châm HDD phế thải bằng hệ axit vô cơ loãng nhằm cực tiểu hóa phát thải khí độc là gì?
- Bằng cách nào có thể trực tiếp chuyển hóa tiền chất tổng muối REE thu hồi thành vật liệu nano Perovskite đa nguyên tố ($REFeO_3$) có hoạt tính quang xúc tác dị thể vượt trội mà không cần qua giai đoạn phân tách tinh chế đắt đỏ?
Hai giả thuyết khoa học tương ứng được kiểm định:
- $H_1$: Quá trình hòa tách bằng $H_2SO_4$ loãng kết hợp kết tủa muối kép sunfat $Na_2SO_4$ và muối oxalat $H_2C_2O_4$ cho phép thu hồi trên 95% tổng REE với độ tinh khiết cao, chỉ giải phóng khí $H_2$ thay vì các khí độc $SO_2$ hoặc $NO_2$.
- $H_2$: Hỗn hợp cation REE đồng pha tạp tại vị trí nút mạng A trong cấu trúc Perovskite $ABO_3$ tạo ra hiệu ứng hiệp đồng điện tử, thu hẹp vùng cấm quang học ($E_g$) và gia tăng tốc độ tạo gốc tự do $\bullet OH$ trong phản ứng Photo-Fenton dị thể dưới ánh sáng khả kiến.
Nghiên cứu được triển khai trên quy mô thực nghiệm với mẫu đại diện gồm hơn 400 ổ cứng HDD thải bỏ thuộc 5 thương hiệu phổ biến (Samsung, Western Digital, Seagate, Maxtor, Quantum), định hình một giải pháp công nghệ đóng kín (closed-loop) phục vụ mô hình kinh tế tuần hoàn.
Literature Review và Positioning
Tổng quan tài liệu quốc tế chỉ ra ba nhánh nghiên cứu chính trong xử lý nam châm đất hiếm phế thải:
- Tái sử dụng cơ học trực tiếp: Tiêu biểu là công nghệ của tập đoàn Hitachi (2012) áp dụng cho nam châm kích thước lớn trong máy nén điều hòa không khí. Nhược điểm chí mạng của phương pháp này là hoàn toàn bất khả thi đối với các linh kiện HDD cỡ nhỏ do biến dạng cơ học và nứt vỡ tinh thể khi tháo gỡ.
- Hỏa luyện phân tách pha lỏng: Nghiên cứu của các nhóm tác giả quốc tế nung nóng chảy ở nhiệt độ $1700^\circ C$ để tách pha hợp kim $Ni-Co$ và xỉ oxit đất hiếm. Phương pháp này tiêu tốn năng lượng khổng lồ, tạo lượng lớn khí thải độc hại và làm hao hụt REE vào pha tro xỉ.
- Thủy luyện và chiết tách dung môi: Sato và Önal (2015) sử dụng $HNO_3$ và $H_2SO_4$ đậm đặc để kết tinh phân đoạn; Uda sử dụng phương pháp cacbon - clo hóa với $FeCl_2$ ở nhiệt độ $500–1000^\circ C$; Wannachod (2015) sử dụng hệ chiết Cyanex 272 + TOPO trong dầu hỏa đạt hiệu suất chiết Nd 98%; Lee & Banda sử dụng chất chiết PC88A.
Cuộc tranh luận học thuật trung tâm nằm ở sự đối đầu giữa hai quan điểm:
- Trường phái phân tách tinh khiết: Cho rằng bắt buộc phải chiết tách riêng rẽ từng oxit $Nd_2O_3$, $Pr_6O_{11}$, $Dy_2O_3$ đạt độ tinh khiết >99% trước khi tái chế thành nam châm mới, chấp nhận quy trình phức tạp nhiều bậc và xả thải dung môi hữu cơ lớn.
- Trường phái tổng hợp vật liệu chức năng trực tiếp: Đề xuất tận dụng toàn bộ hỗn hợp ion REE thu hồi để tổng hợp trực tiếp các cấu trúc vật liệu tiên tiến, loại bỏ hoàn toàn các bước chiết lỏng - lỏng tốn kém.
Luận án định vị một cách tiếp cận đột phá so với các công trình quốc tế: thay vì tiêu tốn năng lượng ở $500–1000^\circ C$ như quy trình clo hóa của Uda hay sử dụng hóa chất hữu cơ phức tạp như Wannachod, nghiên cứu thiết lập một quy trình thủy luyện xanh với $H_2SO_4$ loãng, chuyển hóa kết tủa oxalat thành hỗn hợp $RE_2O_3$, rồi ứng dụng phương pháp Sol-Gel Citrate để chế tạo vật liệu xúc tác nano Perovskite $REFeO_3$. Hướng đi này giúp cắt giảm hơn 60% số công đoạn hóa chất và hoàn toàn phù hợp với điều kiện kỹ thuật của các nước đang phát triển.
Đóng góp lý thuyết và khung phân tích
Đóng góp cho lý thuyết
Luận án mở rộng thuyết hóa học tinh thể Perovskite ($ABO_3$) và quy tắc hệ số dung sai Goldschmidt ($t = \frac{r_A + r_O}{\sqrt{2}(r_B + r_O)}$) trên hệ đa cation đất hiếm. Khi các ion $Nd^{3+}$, $Pr^{3+}$, $Dy^{3+}$, $Tb^{3+}$ có bán kính ion khác biệt cùng chiếm giữ vị trí nút mạng A phối trí 12, sự biến dạng mạng bát diện $[FeO_6]$ tạo ra các sai hỏng mạng (oxygen vacancies) và chuyển dịch mức năng lượng vùng cấm.
Đồng thời, nghiên cứu đóng góp vào lý thuyết động học phản ứng oxy hóa nâng cao (AOPs), làm sáng tỏ cơ chế Photo-Fenton dị thể trên bề mặt $REFeO_3$: $$\text{Perovskite} + h\nu \rightarrow e^-{CB} + h^+{VB}$$ $$Fe^{3+}{\text{surface}} + H_2O_2 + h\nu \rightarrow Fe^{2+}{\text{surface}} + \bullet OH + H^+$$ $$Fe^{2+}{\text{surface}} + H_2O_2 \rightarrow Fe^{3+}{\text{surface}} + \bullet OH + OH^-$$ $$h^+_{VB} + H_2O \rightarrow \bullet OH + H^+$$
Sự tồn tại đồng thời của cặp oxy hóa khử $Fe^{3+}/Fe^{2+}$ và các tâm hấp phụ quang hóa REE tạo chu trình khép kín sản sinh liên tục các gốc tự do $\bullet OH$, phân hủy triệt để khung dị vòng thơm của chất màu Methylene Blue ($C_{16}H_{18}N_3SCl$) thành $CO_2$, $H_2O$ và các ion vô cơ nhỏ.
Khung phân tích độc đáo
Khung phân tích của luận án tích hợp chặt chẽ 3 nền tảng lý thuyết:
- Thuyết chuyển pha Sol-Gel (Roy, 1956; Livage & Sanchez): Kiểm soát quá trình thủy phân phức chelate kim loại - axit citric và phản ứng trùng ngưng oxolation/alcoxolation theo nồng độ ion $H^+$ (pH từ 2 đến 8).
- Thuyết quang bán dẫn và mô hình Tauc: Xác định chính xác độ rộng vùng cấm quang học $E_g$ từ dữ liệu phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến (UV-Vis DRS).
- Quy hoạch thực nghiệm đa biến (Response Surface Methodology - RSM): Ứng dụng mô hình toán học bậc hai để tối ưu hóa đồng thời 4 thông số hòa tách tương tác phức tạp.
Các điều kiện biên được kiểm soát nghiêm ngặt: tỷ lệ mol $RE : Fe : \text{Citric Acid} = 1:1:1,5$ và $1:1:3$; dải nhiệt độ nung pha tinh thể $700^\circ C$; nồng độ chất phản ứng $H_2O_2$ và pH dung dịch quang hóa.
Phương pháp nghiên cứu tiên tiến
Thiết kế nghiên cứu
Luận án tuân thủ thế giới quan thực chứng (positivism) với thiết kế thực nghiệm đa cấp độ (multi-stage experimental design), kết hợp giữa hóa kỹ thuật môi trường, khoa học vật liệu và quang hóa học xúc tác.
Đối tượng thực nghiệm bao gồm mẫu nam châm NdFeB thu hồi từ hơn 400 ổ đĩa cứng máy tính thải bỏ tại Việt Nam. Quy trình tiền xử lý bao gồm: tháo dỡ cơ học tách nam châm khỏi khung đỡ $\rightarrow$ nung khử từ tính tại các mức nhiệt độ $300^\circ C$, $500^\circ C$, $700^\circ C$, $900^\circ C$ $\rightarrow$ nghiền cơ học và sàng phân loại kích thước hạt ($d < 0,1$ mm, $0,1–0,25$ mm, $0,25–0,5$ mm, $d > 0,5$ mm).
Quy trình nghiên cứu rigorous
- Hòa tách có kiểm soát: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit $H_2SO_4$ (0,5M – 4M), thời gian hòa tách (15 – 120 phút), tỷ lệ rắn/lỏng (S/L = 1:5 – 1:25 g/mL) và kích thước hạt.
- Thu hồi kết tủa chọn lọc: Bổ sung $Na_2SO_4$ để tạo kết tủa muối kép sunfat đất hiếm natri $NaRE(SO_4)_2\cdot H_2O$, hòa tan lại và kết tủa bằng axit oxalic $H_2C_2O_4$ để thu muối $RE_2(C_2O_4)_3$, nung ở $800^\circ C$ thu hỗn hợp oxit sạch $RE_2O_3$.
- Tổng hợp Perovskite Sol-Gel: Hòa tan oxit thu hồi trong $HNO_3$ tạo $RE(NO_3)_3$, phối trộn với $Fe(NO_3)_3\cdot 9H_2O$ (99,9%) và axit citric $C_6H_8O_7\cdot H_2O$, điều chỉnh pH bằng $NH_4OH$, tạo gel ở $80^\circ C$, sấy khô tạo xerogel và nung thiêu kết ở $700^\circ C$.
- Kiểm tra độ tin cậy và chuẩn hóa: Phản ứng quang xúc tác phân hủy Methylene Blue thực hiện dưới đèn thủy ngân cao áp 125W; nồng độ MB xác định bằng trắc quang UV-Vis tại bước sóng $\lambda_{\max} = 664$ nm dựa trên đường chuẩn trắc quang độ tin cậy cao ($R^2 > 0,999$).
Data và phân tích
Quá trình nghiên cứu sử dụng hệ thống thiết bị phân tích hiện đại:
- MODDE 5: Xây dựng ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao tâm xoay, thiết lập phương trình hồi quy đa biến và tối ưu hóa hàm mục tiêu hiệu suất hòa tách REE.
- Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc pha tinh thể, độ tinh khiết pha và kích thước tinh thể qua phương trình Scherrer.
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM) & Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX): Phân tích hình thái hạt nano, độ xốp và phân bố định lượng các nguyên tố Nd, Pr, Dy, Tb, Fe, O.
- Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ $N_2$ (BET - IUPAC): Xác định diện tích bề mặt riêng ($S_{BET}$) và phân bố kích thước mao quản.
- Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA/DTA): Theo dõi quá trình phân hủy nhiệt và hình thành pha tinh thể của xerogel.
- UV-Vis DRS & GC-MS: Xác định vùng hấp thụ quang học và nhận diện các hợp chất trung gian phân hủy của phân tử chất màu.
Phát hiện đột phá và implications
Những phát hiện then chốt
- Xác lập chế độ nhiệt khử từ tối ưu: Ở dải nhiệt độ $700–900^\circ C$, từ tính của nam châm NdFeB bị triệt tiêu hoàn toàn ($t_1/t_0 = 0$), mạng tinh thể hợp kim bị phá vỡ và chuyển hóa một phần sang pha oxit, giúp tăng hiệu suất hòa tách thêm 34,2% so với mẫu không nung hoặc nung ở $300^\circ C$.
- Mô hình hóa thành công quá trình hòa tách bằng MODDE 5: Phương trình hồi quy bậc hai xác lập mối tương quan chặt chẽ giữa 3 yếu tố (nồng độ axit $H_2SO_4$, kích thước hạt, thời gian) với hiệu suất hòa tách REE đạt $R^2 = 0,984$ ($p < 0,001$). Điều kiện tối ưu hóa được xác định: $H_2SO_4$ 2,5M, thời gian 90 phút, kích thước hạt $d < 0,1$ mm, tỷ lệ rắn/lỏng 1:15, đạt hiệu suất hòa tách REE >96,5%.
- Độ chọn lọc kết tủa vượt trội: Quá trình kết tủa hai giai đoạn qua muối kép sunfat và oxalat đạt độ tinh khiết tổng REE trong $RE_2O_3$ >98,2%, loại bỏ hoàn toàn các tạp chất kim loại chuyển tiếp ($Fe, B, Al, Ni$).
- Tổng hợp thành công đơn pha Perovskite $REFeO_3$ từ tiền chất tái chế: Ở tỷ lệ mol $RE:Fe:\text{axit citric} = 1:1:1,5$ và $\text{pH} = 8$, vật liệu thiêu kết tại $700^\circ C$ đạt cấu trúc trực thoi (orthorhombic) đồng nhất, hạt có dạng cầu xốp kích thước trung bình 35–50 nm, diện tích bề mặt $S_{BET}$ đạt $18,4\text{ m}^2/\text{g}$.
- Hoạt tính quang xúc tác Photo-Fenton dị thể vượt trội: Vật liệu $REFeO_3$ phân hủy hoàn toàn 98,6% chất màu Methylene Blue (nồng độ 20 mg/L) trong 90 phút dưới sự hiện diện của $H_2O_2$ và ánh sáng khả kiến. Sau 5 chu kỳ tái sử dụng liên tục, hoạt tính xúc tác vẫn duy trì >91,2%, giản đồ XRD chứng minh cấu trúc tinh thể $REFeO_3$ không hề bị biến tính hay rửa trôi ion sắt.
Implications đa chiều
- Về lý thuyết: Minh chứng tính khả thi của việc sử dụng hỗn hợp tự nhiên đa cation REE thu hồi để cải biến cấu trúc điện tử của Perovskite mà không cần sử dụng đơn chất tinh khiết đắt đỏ.
- Về phương pháp luận: Cung cấp quy trình phân tích và tối ưu hóa khép kín từ đánh giá E-waste thô đến sản phẩm nano chức năng ứng dụng thực tế.
- Về ứng dụng công nghiệp: Mở ra giải pháp xử lý nước thải dệt nhuộm và hóa chất công nghiệp bằng vật liệu xúc tác giá thành thấp chế tạo từ rác thải công nghệ.
- Về chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học - thực tiễn cho Bộ Tài nguyên và Môi trường hoàn thiện các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về định mức tái chế E-waste theo Quyết định 16/2015/QĐ-TTg.
Limitations và Future Research
Nghiên cứu tồn tại một số giới hạn khoa học cần được mở rộng:
- Quy mô thực nghiệm: Toàn bộ quy trình hòa tách và tổng hợp Sol-Gel mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (mẻ 50–100g bột nam châm), chưa thiết lập mô hình dòng chảy liên tục (continuous flow) ở quy mô pilot.
- Biến thiên thành phần nguyên liệu: Tỷ lệ các nguyên tố $Nd/Pr/Dy/Tb$ phụ thuộc vào lô ổ cứng HDD thu gom từ các hãng sản xuất khác nhau, đòi hỏi kiểm soát chất lượng đầu vào chặt chẽ.
- Đối tượng chất ô nhiễm: Hoạt tính quang xúc tác mới chỉ được kiểm định trên chất màu mô hình Methylene Blue; chưa đánh giá toàn diện trên các hợp chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy thực tế (POPs, dược phẩm, thuốc trừ sâu).
- Khí hydro phát sinh: Phản ứng hòa tách giải phóng khí $H_2$, đòi hỏi thiết kế hệ thống thông gió và thu hồi khí an toàn trong công nghiệp.
Chương trình nghiên cứu tương lai (Future Agenda):
- Nâng cấp hệ thống phản ứng thủy luyện lên quy mô pilot 10 kg/mẻ có tuần hoàn axit.
- Ứng dụng vật liệu nano $REFeO_3$ làm catot trong pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs) và chế tạo màng cảm biến khí độc hại ($CO, NO_2, C_2H_5OH$).
- Mở rộng nghiên cứu thu hồi REE từ các đối tượng E-waste khác như màn hình LED/LCD và pin xe điện NiMH/Li-ion.
Tác động và ảnh hưởng
- Học thuật: Công trình tiên phong tại Việt Nam tích hợp chuỗi giá trị "Thu hồi E-waste $\rightarrow$ Vật liệu Nano Perovskite $\rightarrow$ Xử lý môi trường", tạo tiền đề cho các công bố quốc tế thuộc danh mục ISI/Scopus.
- Kinh tế - Công nghiệp: Đánh giá sơ bộ chi phí hóa chất cho thấy việc thu hồi REE từ nam châm HDD tiết kiệm hơn 45% chi phí nguyên liệu so với việc nhập khẩu muối REE tinh khiết để sản xuất xúc tác quang.
- Chính sách & Xã hội: Giảm thiểu áp lực bãi chôn lấp chất thải nguy hại, ngăn ngừa phát tán kim loại nặng ($Pb, Hg, Cd$) vào nguồn nước ngầm, thúc đẩy ngành công nghiệp tái chế chất thải rắn tại Việt Nam theo định hướng kinh tế tuần hoàn.
Đối tượng hưởng lợi
- Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chuẩn hóa về quy hoạch thực nghiệm (MODDE 5), công nghệ Sol-Gel tổng hợp oxit phức hợp và cơ chế Photo-Fenton dị thể.
- Doanh nghiệp tái chế E-waste: Sở hữu công nghệ thu hồi tổng REE bằng $H_2SO_4$ loãng với vốn đầu tư thấp, không đòi hỏi hệ thống chiết dung môi đắt tiền.
- Ngành dệt nhuộm & Xử lý nước thải: Tiếp cận nguồn vật liệu xúc tác quang giá rẻ, có độ bền cơ lý hóa cao và khả năng tái sinh vượt trội.
- Cơ quan quản lý nhà nước: Có dữ liệu thực chứng tin cậy để ban hành chính sách ưu đãi đầu tư cho các dự án tái chế công nghệ cao.
Câu hỏi chuyên sâu
-
Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì? Đó là việc mở rộng thuyết tinh thể Perovskite đa nguyên tố ($REFeO_3$) bằng cách chứng minh rằng hỗn hợp cation đất hiếm không phân tách ($Nd, Pr, Dy, Tb$) hoàn toàn có thể cùng chiếm giữ vị trí nút mạng A mà không gây phá vỡ pha cấu trúc trực thoi, đồng thời tạo ra hiệu ứng cộng hưởng điện tử làm tăng mật độ sai hỏng oxy, gia tăng hoạt tính quang xúc tác Photo-Fenton dị thể.
-
Cải tiến phương pháp luận so với các nghiên cứu tiền nhiệm? So với phương pháp clo hóa nhiệt độ cao $500–1000^\circ C$ của Uda và phương pháp chiết xuất dung môi hữu cơ đa bậc của Sato & Wannachod, luận án đã đơn giản hóa quy trình bằng giải pháp "hòa tách chọn lọc bằng $H_2SO_4$ loãng + kết tủa muối kép sunfat/oxalat", cắt giảm 60% công đoạn và loại bỏ hoàn toàn nguy cơ phát thải dung môi hữu cơ độc hại.
-
Phát hiện bất ngờ nhất trong quá trình thực nghiệm là gì? Đó là vật liệu Perovskite $REFeO_3$ tổng hợp từ hỗn hợp REE thu hồi thể hiện hoạt tính phân hủy Methylene Blue cao hơn và độ rộng vùng cấm hẹp hơn ($E_g \approx 2,12\text{ eV}$) so với vật liệu $NdFeO_3$ tinh khiết tổng hợp từ hóa chất thương mại tinh khiết ($E_g \approx 2,35\text{ eV}$), chứng minh ưu thế vượt trội của hiệu ứng đồng pha tạp tự nhiên từ nguồn phế liệu.
-
Luận án có cung cấp quy trình tái lặp thực nghiệm (replication protocol) không? Có. Toàn bộ thông số tiền xử lý nhiệt ($700^\circ C$), nồng độ axit ($H_2SO_4$ 2,5M), tỷ lệ $RE:Fe:\text{Citric Acid} = 1:1:1,5$, giá trị pH tạo gel ($\text{pH} = 8$), nhiệt độ thiêu kết ($700^\circ C$) và ma trận tối ưu hóa MODDE 5 đều được lượng hóa chi tiết và minh bạch.
-
Định hướng nghiên cứu 10 năm tiếp theo từ kết quả luận án? Phát triển hệ thống pilot tự động hóa thu hồi REE quy mô công nghiệp; thử nghiệm phủ màng mỏng $REFeO_3$ trên chất nền xốp xử lý nước thải liên tục; và ứng dụng vật liệu này trong công nghệ lưu trữ năng lượng và cảm biến khí thông minh.
Kết luận
- Nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình công nghệ khép kín thu hồi tổng kim loại đất hiếm ($Nd, Pr, Dy, Tb$) từ nam châm NdFeB trong hơn 400 ổ cứng máy tính HDD thải bỏ.
- Tối ưu hóa thành công quá trình hòa tách bằng $H_2SO_4$ loãng qua phần mềm MODDE 5, đạt hiệu suất thu hồi REE >96,5% và độ tinh khiết muối oxalat >98,2%.
- Tổng hợp thành công vật liệu nano Perovskite đơn pha $REFeO_3$ kích thước 35–50 nm bằng phương pháp Sol-Gel Citrate thân thiện môi trường.
- Xác lập cơ chế quang xúc tác Photo-Fenton dị thể với hiệu suất phân hủy chất màu Methylene Blue đạt 98,6%, độ bền xúc tác ổn định qua 5 chu kỳ tái sử dụng.
- Giải quyết hài hòa bài toán kép: xử lý triệt để chất thải nguy hại E-waste và chế tạo vật liệu nano chức năng xử lý môi trường nước, đóng góp thiết thực cho nền kinh tế tuần hoàn và mục tiêu phát triển bền vững.
Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bội LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trong luận án này là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 22 tháng 01 năm 2021 Tập thể hướng dẫn TÁC GIẢ GS. Mai Thanh Tùng GS.
Huỳnh Trung Hải Phạm Khánh Huy ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học đó là GS. Mai Thanh Tùng và GS. Huỳnh Trung Hải, những người Thầy đã gợi mở cho tôi các ý tưởng khoa học trong nghiên cứu và luôn tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Đặc biệt cảm ơn Bộ môn Quản lý Môi trường, Bộ môn Công nghệ Điện hóa và Bảo vệ Kim loại - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Bộ môn Địa sinh thái và Công nghệ môi trường - Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã giúp đỡ tôi rất nhiều về cơ sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm… để tôi có thể hoàn thành tốt công trình nghiên cứu của mình.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo, anh, chị, em và các bạn đồng nghiệp thuộc Bộ môn Quản lý Môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Bộ môn Công nghệ Điện hóa và Bảo vệ Kim loại - Viện Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Bộ môn Địa sinh thái và Công nghệ môi trường - Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tạo điều kiện giúp đỡ và động viên để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Viện Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Khoa Môi trường - Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân luôn động viên về tinh thần, vật chất để tôi có động lực trong công việc, nghiên cứu và hoàn thành bản luận án tiến sĩ. Hà Nội, ngày 22 tháng 1 năm 2021 TÁC GIẢ Phạm Khánh Huy iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.
ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.v DANH MỤC CÁC BẢNG. vii DANH MỤC CÁC HÌNH. viii MỞ ĐẦU. Lý do thực hiện đề tài.
Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của luận án. Phạm vi nghiên cứu của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.
Kết quả mới của luận án. Chất thải điện, điện tử và thành phần đất hiếm trong thiết bị điện, điện tử. Chất thải điện, điện tử. Thành phần kim loại và kim loại đất hiếm trong thiết bị điện, điện tử.
Thu hồi kim loại đất hiếm trong chất thải điện, điện tử. Phương pháp thu hồi tái sử dụng trực tiếp. Thu hồi bằng phương pháp hỏa luyện. Thu hồi bằng phương pháp hóa học.
Thu hồi bằng phương pháp màng. Giới thiệu vật liệu Perovskite và phương pháp tổng hợp. Cấu trúc của vật liệu Perovskite. Các phương pháp tổng hợp vật liệu Perovskite.
Ứng dụng của vật liệu perovskite đất hiếm. Ứng dụng chế tạo vật liệu thiết bị cảm biến. Ứng dụng làm vật liệu điện cực trong pin nhiên liệu oxit rắn SOFCs.3 Ứng dụng trong tấm pin năng lượng mặt trời. Ứng dụng vật liệu perovskite trong xử lý môi trường.5 Cơ chế xúc tác quang xử lý nước thải của vật liệu Perovskite.
33 Kết luận chương 1. THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ. Đối tượng và hóa chất nghiên cứu. Quy trình nghiên cứu.
Nội dung các hoạt động nghiên cứu.1 Tiền xử lý mẫu. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hòa tách và thu hồi. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hòa tách. Các yếu tố ảnh hưởng đến thu hồi đất hiếm.
Tối ưu hóa quá trình hòa tách để thu hồi kim loại đất hiếm. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu perovskite bằng phương pháp Sol - Gel. Nghiên cứu hoạt tính phân hủy chất màu xanh methylen (MB). Phương pháp phân tích.
60 Kết luận chương 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Quá trình tiền xử lý thu hồi nam châm từ ổ cứng thải bỏ. Hòa tách, thu hồi kim loại đất hiếm từ nam châm.
Ảnh hưởng của nhiệt độ nung xử lý nam châm. Ảnh hưởng của nồng độ axit và thời gian hòa tách tới hiệu suất hòa tách. Ảnh hưởng của kích thước hạt bột nam châm tới hiệu suất hòa tách. Ảnh hưởng tỉ lệ rắn/lỏng đến hiệu suất hòa tách.
Thu hồi tổng kim loại đất hiếm bằng phương pháp kết tủa. Tối ưu hóa quá trình hòa tách để thu hồi kim loại đất hiếm. Đánh giá sơ bộ chi phí hóa chất cho quá trình thu hồi. Đặc tính vật liệu Perovskite tổng hợp từ muối đất hiếm thu hồi.
Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng tới quy trình tổng hợp vật liệu. Cấu trúc và thành phần của vật liệu. Hình thái và đặc trưng vật lý của vật liệu. Tính chất quang xúc tác của vật liệu.
Đánh giá hoạt tính quang xúc tác trong phân hủy MB. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang xúc tác. So sánh hoạt tính quang xúc tác của hai vật liệu REFeO3 và NdFeO3. 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO.
115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 129 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ (Brunauer-Emmett- BET Teller) C Nồng độ mol chất ban đầu CHLB Cộng hòa liên bang E-waste Chất thải điện tử (Electronic-waste) Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray EDX spectroscopy) Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (Environmental EPA Protection Agency) FCC Chất xúc tác lỏng (Fluid Catalytic Cracking) H Hiệu suất quá trình hòa tách HDD Ổ đĩa cứng (Hard disk drive) hν Photon ánh sáng Io Cường độ ban đầu của nguồn sáng I Cường độ ánh sáng sau khi đi qua dung dịch IA Cường độ ánh sáng bị hấp thu bởi dung dịch Ir Cường độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvet và dung dịch Phương pháp phổ khối plasma (Inductively coupled ICP - MS plasma mass spectrometry) Liên minh quốc tế về hóa học ứng dụng (International IUPAC Union of Pure Applied Chemistry) IT Công nghệ thông tin (Information technology) L Chiều dày lớp dung dịch mà ánh sáng đi qua Khối lượng bột nam châm đất hiếm hay khối lượng kim m loại trong mẫu bột ban đầu Khối lượng bột nam châm đất hiếm hay khối lượng kim mnc loại có trong dung dịch sau hòa tách MB Xanh metylen (Metylen blue) N Số Avogadro (số phân tử/mol) nm Dung lượng hấp phụ (mol/g) Hỗn hợp kim loại đất hiếm có trong nam châm (Rare earth RE element) Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning SEM Electron Microscopy) SOFCs Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid oxide fuel cells) t1 Chỉ số từ trường đo được còn lại sau khi nung to Chỉ số từ trường đo được trước khi nung Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal TGA gravimetric analysis) vi TV Ti vi (Television) Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (United Nations UNEP Environment Programme) Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (Ultraviolet– UV-Vis visible spectroscopy) XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray powder diffraction) vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Danh mục các nhóm chất thải điện, điện tử. Lượng và loại thiết điện tử thải và được tái chế tại Mỹ.
Lượng thiết bị điện tử sinh hoạt thải bỏ tại Trung Quốc năm 2011. Khối lượng trung bình của chất thải điện tử gia dụng tại Việt Nam. Tốc độ tăng trưởng thiết bị điện tử tại Việt Nam từ 2014 đến 2020. Phân chia nhóm nguyên tố kim loại đất hiếm.
Phần trăm các nguyên tố kim loại đất hiếm được ứng dụng. Thành phần hóa học có trong một số loại bột huỳnh quang. Lượng kim loại đất hiếm có trong màn hình LCD và đèn LED. Thành phần kim loại và đất hiếm chủ yếu trong loại ắc quy NiMH.
Hàm lượng kim loại có trong nam châm đất hiếm. Dự báo sự gia tăng một số thiết bị sử dụng kim loại đất hiếm trong công nghệ trên thế giới. Mức tăng trưởng ứng dụng kim loại đất hiếm trên thế giới. Tổng quan các phương pháp tái chế nam châm đất hiếm.
Kết quả sử dụng dung môi hữu cơ để chiết tách kim loại đất hiếm từ hỗn hợp dung dịch muối kim loại đất hiếm hòa tách. Thời gian tạo gel và pH với một số chất xúc tác. Hóa chất cơ bản được sử dụng trong quá trình thí nghiệm. Ma trận kế hoạch mô hình thực nghiệm.
Giá trị α và số thực nghiệm điểm tâm tính trước cho loại mô hình. Ma trận kế hoạch thực nghiệm và hàm mục tiêu. Khối lượng các bộ phận trong ổ cứng máy tính. Hàm lượng kim loại trong mẫu bột nam châm.
Kết quả hàm lượng kim loại trong muối oxalat. Giá trị hiệu suất của kế hoạch quy hoạch thực nghiệm. Giá trị hệ số hồi quy tính toán bằng phần mềm MODDE 5. Chi phí và lượng hóa chất dùng thu hồi kim loại đất hiếm.
Đặc trưng vật lý của vật liệu REFeO3. Đặc trưng vật lý của vật liệu REFeO3 theo chế độ nung. Đặc trưng vật lý của vật liệu REFeO3 và NdFeO3. 96 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.
Lượng chất thải điện tử trên toàn cầu và dự báo tới năm 2021. Phần trăm trọng lượng các thành phần trong chất thải điện, điện tử. Thống kê và dự báo lượng ổ cứng HDD tới năm. Quy trình thu hồi tái sử dụng trực tiếp nam châm.
Quy trình thu hồi nam châm đất hiếm trong trong ổ cứng máy tính. a) Quy trình thu hồi đất hiếm từ ắc quy NiMH, b) Hợp kim NiCo và kim loại đất hiếm thu hồi bằng phương pháp hỏa luyện. Cơ chế vận chuyển cùng chiều (a) và vận chuyển ngược chiều (b) của các ion đất hiếm qua màng. Công thức hóa học của hợp chất perovskite đất hiếm và cấu trúc perovskite lập phương lý tưởng.
Các quá trình xảy ra trong phương pháp nghiền phản ứng. Sơ đồ quy trình tổng quát tổng hợp bằng phương pháp sol-gel. Ảnh hưởng pH đến cấu trúc của gel trong quá trình gel hóa. Cấu tạo hoạt động của pin nhiên liệu rắn SOFCs.
Cấu tạo phân tử xanh methylen. Cơ chế phân hủy hợp chất hữu cơ của vật liệu perovskite. Cơ chế phân hủy của xanh methylen thu được từ phân tích GC- MS. Ổ đĩa cứng và bộ phận nam châm sau khi được tách riêng.
Sơ đồ nghiên cứu chung của luận án. Sơ đồ quy trình nghiên cứu tổng thể. Quy trình tiền xử lý nam châm. Sơ đồ quy trình thực nghiệm hòa tách và thu hồi kim loại đất hiếm.
Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu perovskite ferrit đất hiếm. Phổ phát xạ của đèn thủy ngân cao áp 125W.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Phạm Khánh Huy (2021). Thu hồi & ứng dụng kim loại đất hiếm từ thiết bị điện tử [Luận án tiến sĩ, trường đại học bách khoa hà nội]. LuanAn.net. https://luanan.net/ky-thuat-dien-dien-tu/thu-hoi-ung-dung-kim-loai-dat-hiem-tu-thiet-bi-dien-tu
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Thu hồi & ứng dụng kim loại đất hiếm từ thiết bị điện tử" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án tiến sĩ nghiên cứu thu hồi, định hướng ứng dụng kim loại đất hiếm trong thiết bị điện tử. Góp phần phát triển công nghệ bền vững.
Luận án "Thu hồi & ứng dụng kim loại đất hiếm từ thiết bị điện tử" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại trường đại học bách khoa hà nội. Năm bảo vệ: 2021.
Luận án "Thu hồi & ứng dụng kim loại đất hiếm từ thiết bị điện tử" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Thu hồi & ứng dụng kim loại đất hiếm từ thiết bị điện tử" thuộc chuyên ngành khoa học và công nghệ môi trường. Danh mục: Kỹ Thuật Điện - Điện Tử.
Luận án "Thu hồi & ứng dụng kim loại đất hiếm từ thiết bị điện tử" có bao nhiêu trang?
Luận án "Thu hồi & ứng dụng kim loại đất hiếm từ thiết bị điện tử" có 143 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Thu hồi & ứng dụng kim loại đất hiếm từ thiết bị điện tử" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.