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

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 công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tập thể hướng dẫn TÁC GIẢ PGS. Hoàng Thị PGS.

Mai Nguyễn Thị Thu Huyền Bích Thủy Thanh Tùng 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 PGS. Hoàng Thị Bích Thủy và PGS. Mai Thanh Tùng. Thầy cô là những người 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 Công nghệ Điện hóa và Bảo vệ kim loại, Bộ môn Hóa vô cơ đại cương - Viện Kỹ thuật Hóa học; Viện Khoa học và Công nghệ môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Khoa Kỹ thuật hoá học, trường Đại học Strathclyde, vương quốc Anh đã giúp đỡ tôi rất nhiều về cơ sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm, các kỹ thuật phân tích… để tôi 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 Công nghệ Điện hóa và Bảo vệ kim loại - Viện Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 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, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người thân luôn động viên về tinh thần, thời gian và vật chất để tôi có động lực trong công việc và nghiên cứu khoa học.

Hà Nội, ngày. TÁC GIẢ Nguyễn Thị Thu Huyền MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT. iv DANH MỤC HÌNH. vii DANH MỤC BẢNG.

Tái chế đồng từ bùn thải sản xuất bản mạch điện tử (Printed circuit board - PCB). Bùn thải quá trình sản xuất PCB. Các phương pháp tái chế đồng. Phương pháp hỏa luyện.

Phương pháp thủy luyện. Quá trình thủy luyện thu hồi đồng. Quá trình hòa tách. Quá trình điện phân.

Lý thuyết điện phân thu hồi đồng. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện phân thu hồi đồng công nghiệp. Thiết bị điện phân thu hồi đồng. Tối ưu hóa quá trình hòa tách và mô hình hóa quá trình điện phân thu hồi đồng.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Chuẩn bị thí nghiệm. Mẫu nghiên cứu. Chế độ thí nghiệm và các thông số cần xác định.

Hòa tách đồng từ bùn thải quá trình sản xuất bản mạch điện tử. Quy trình thí nghiệm hòa tách đồng. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách. Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình hòa tách.

Chiết tách thu dung dịch đồng sạch. Điện phân thu hồi đồng từ dung dịch chiết tách. Quy trình thí nghiệm điện phân thu hồi đồng. Khảo sát chế độ điện phân trong thiết bị điện cực phẳng.

Khảo sát chế độ điện phân trong thiết bị Porocell. Các thông số quá trình điện phân cần xác định. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp điện hóa.

Các phương pháp phân tích. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis). Phương pháp phổ khối Plasma cảm ứng (Inductively Coupled Plasma emission Mass Spectrometry - ICP-MS). Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction – XRD).

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM). Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). Phương pháp quy hoạch thực nghiệm. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

Quá trình hòa tách đồng từ bùn thải sản xuất bản mạch điện tử. Khảo sát đặc tính của mẫu bùn thải nghiên cứu. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách đồng từ bùn thải quá trình sản xuất bản mạch điện tử. Ảnh hưởng của nồng độ axit H2SO4.

Ảnh hưởng của lượng rắn/lỏng (số gam bùn thải/số ml dung dịch axit). Ảnh hưởng của thời gian hòa tách. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ khác. Tối ưu hóa các điều kiện của quá trình hòa tách đồng bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.

Xây dựng kế hoạch thực nghiệm. Xác định hiệu suất hòa tách đồng bằng thực nghiệm. Xây dựng phương trình hồi quy. Đánh giá sự tác động qua lại lẫn nhau giữa các yếu tố và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất hòa tách.

Tối ưu hóa các điều kiện của quá trình hòa tách đồng. Quá trình chiết tách loại tạp sắt. Quá trình điện phân thu hồi đồng. Đánh giá dung dịch điện phân bằng phương pháp bậc điện thế.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân trong thiết bị bản cực phẳng. Nhiệt độ điện phân. Khoảng cách anốt – catốt. Điện phân thu hồi đồng theo bậc dòng điện.

Phân tích chất lượng lớp kết tủa đồng thu hồi. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân trong thiết bị Porocell. Dòng điện phân. Lưu lượng dòng chảy.

Chất lượng đồng thu hồi. Điện phân với dung dịch thực. Mô hình hóa quá trình điện phân. Xây dựng mô hình hệ điện phân.

Xây dựng mô hình tính. Xác định các thông số đối với dung dịch điện phân ban đầu 105 3. Thông số nhiệt động. Thông số động học.

Kết quả tính mô phỏng toán học. 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 120 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 𝑎𝐶𝑢2+ Hoạt độ ion Cu2+ 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 Gradient nồng độ 𝑑𝑥 D Hằng số khuếch tán (đơn vị bề mặt/đơn vị thời gian) 𝐸𝑒0 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 iv 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 v 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 vi DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.

Sơ đồ quy trình sản xuất bản mạch điện tử 5 Hình 1. Sơ đồ quy trình kết tủa xử lý nước thải 5 Hình 1. Phân bố nồng độ chất phản ứng theo khoảng cách đến điện 16 cực và thời gian điện phân (t1 < t2 < t3) Hình 1. Các khu vực của đường cong phân cực catốt 18 Hình 1.

Hệ thiết bị điện phân Porocell 22 Hình 1. Loại đồng khỏi dung dịch rượu whiskey bằng Porocell 22 Hình 1. Quy trình công nghệ xử lý bùn thải luận văn lựa chọn 30 Hình 2. Sơ đồ quy trình thí nghiệm hòa tách đồng từ bùn thải sản 33 xuất bản mạch điện tử Hình 2.

Sơ đồ thí nghiệm quy trình chiết tách đồng từ dung dịch 36 hòa tách Hình 2. Sơ đồ quy trình thí nghiệm thu hồi đồng từ dung dịch hòa 37 tách mô phỏng Hình 2. Thiết bị điện phân bản cực phẳng và các thông số thiết bị 38 Hình 2. Thiết bị điện phân Porocell và các thông số thiết bị 38 Hình 2.

Chế độ đặt dòng thay đổi sau mỗi nửa giờ điện phân 40 Hình 2. Đường Tafel của nhánh anốt và catot của đường cong 44 phân cực dòng – thế Hình 2. Thiết bị đo điện hóa Autolab PGSTAT 302N 45 Hình 3. Hình thái bề mặt của mẫu bùn thải 50 Hình 3.

Phổ tán xạ năng lượng tia X của mẫu bùn thải 51 Hình 3. Đường chuẩn xác định nồng độ của dung dịch hòa tách 51 bằng HNO3 Hình 3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn thải 52 Hình 3. Đồ thị đường chuẩn thể hiện mối quan hệ giữa độ hấp thụ 54 với bước song và nồng độ Hình 3.

Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách tại các giá trị nồng độ 55 H2SO4 khác nhau vii Hình 3. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách tại các giá trị lượng 55 rắn/lỏng khác nhau Hình 3. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách tại các thời gian khác 56 nhau Hình 3. Đồ thị biểu diễn hiệu suất của phương trình và thực nghiệm 64 Hình 3.

Ảnh hưởng tương quan của nồng độ và lượng rắn/lỏng 65 (thời gian hòa tách 60 phút) Hình 3.