Tóm tắt luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phương pháp điện hóa

MỞ ĐẦU<br /> 1. Tính cấp thiết của đề tài:<br /> Hiện nay, ngành công nghiệp điện tử đang phát triển mạnh mẽ, đồng thời cũng<br /> thải ra môi trường một lượng lớn chất thải [9, 14, 16]. Bùn thải là sản phẩm thu được<br /> thu từ quá trình kết tủa nước thải công nghiệp[9]. Theo số liệu thống kê, châu Âu<br /> phát thải ra khoảng 105 tấn chất thải mỗi năm [14] và của toàn thế giới là 10 6 tấn<br /> [16]. Phương pháp xử lý bùn thải chính hiện nay là chôn lấp, tuy nhiên cách này sẽ<br /> gây ra ô nhiễm môi trường thứ cấp. Hơn nữa, lượng kim loại, đặc biệt là đồng, trong<br /> bùn thải chứa hàm lượng khá cao (khoảng 10-30%) [19, 35, 71]. Bên cạnh đó, các<br /> nguồn tài nguyên thiên nhiên trên thế giới ngày càng bị thu hẹp, việc khai thác mỏ<br /> và chế biến khoáng sản đem lại những tác động vô cùng to lớn với môi trường. Chính<br /> vì vậy, việc nghiên cứu để thu hồi các nguyên liệu, mà cụ thể ở đây là thu hồi đồng<br /> từ bùn thải của quá trình sản xuất bản mạch điện tử đem lại nhiều lợi ích, không chỉ<br /> trên khía cạnh kinh tế mà cả trên khía cạnh bảo vệ môi trường và nguồn lợi tự nhiên.<br /> Có nhiều phương pháp để thu hồi kim loại như kết tủa, xử lý bằng plasma, hỏa<br /> luyện, thuỷ luyện...[31, 32, 34-38, 40, 41, 44-46, 50, 51, 55, 63, 65, 78, 81, 101] nhưng<br /> công nghệ thuỷ luyện (gồm hòa tách và điện phân) lại cho thấy ưu điểm vượt trội khi<br /> tỷ lệ thu hồi cao, năng lượng tiêu thụ thấp, đồng thu được có độ tinh khiết cao và là<br /> công nghệ được đánh giá là thân thiện với môi trường [28, 35-37, 55, 62, 103].<br /> Song song với quá trình thực nghiệm điện phân thu hồi đồng, việc mô hình hóa<br /> quá trình này cũng được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm [13, 24, 25, 58,<br /> 66, 79, 84, 98-99]. Ưu điểm nổi trội của việc mô hình hóa là giúp chúng ta tính toán<br /> được các thông số quá trình điện phân như điện thế thùng, tỷ lệ thu hồi, năng lượng<br /> tiêu thụ riêng... khi thay đổi thành phần dung dịch và chế độ điện phân. Ngoài ra, nó<br /> còn giúp chúng ta hiểu về bản chất động học, nhiệt động học của quá trình điện phân.<br /> Có nhiều phương pháp để mô phỏng, việc mô phỏng dựa trên công cụ Matlab vừa<br /> đơn giản, vừa có những nghiên cứu sâu hơn về các quá trình điện hóa nên đã được<br /> sử dụng trong luận án.<br /> Với mục tiêu xử lý môi trường và thu hồi kim loại từ nguồn bùn thải điện tử, luận<br /> án “Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng<br /> phương pháp điện hóa” tập trung nghiên cứu thu hồi đồng từ bùn thải của quá trình<br /> sản xuất bản mạch điện tử bằng công nghệ thuỷ luyện với các bước công nghệ cụ<br /> thể là hòa tách, chiết tách và điện phân thu hồi triệt để đồng (nồng độ Cu2+ sau thu<br /> hồi còn nhỏ hơn 2ppm), đồng thời xây dựng mô hình toán học cho quá trình điện<br /> phân đó. Ngoài ra, mục tiêu của việc thu hồi kim loại đồng từ bùn thải không chỉ<br /> phục vụ mục tiêu kinh tế mà chúng tôi đề cao mục tiêu môi trường, kết tủa tối đa<br /> lượng đồng có trong dung dịch sau hòa tách trước khi thải ra môi trường. Đối với<br /> quy trình điện phân bằng điện cực phẳng thông thường, việc kết tủa đồng trong dung<br /> dịch có giới hạn. Mật độ dòng điện kết tủa đồng phụ thuộc vào nồng độ kim loại có<br /> trong dung dịch, khi nồng độ đồng trong dung dịch giảm tới một giới hạn nhất định,<br /> cần phải giảm mật độ dòng điện phân để tránh hiện tượng quá dòng giới hạn gây<br /> 1<br /> <br /> thoát khí, giảm hiệu suất dòng điện và kết tủa dạng bột bở. Một trong những giải<br /> pháp cho vấn đề này là thiết bị điện phân hỗn hợp kết hợp giữa thiết bị điện phân<br /> bản cực phẳng và thiết bị điện cực xốp (Thiết bị điện phân Porocell) [100-102].<br /> Nội dung của luận án:<br /> - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách đồng từ bùn thải quá trình<br /> sản xuất bản mạch điện tử.<br /> - Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện của quá trình hòa tách đồng bằng phương<br /> pháp quy hoạch thực nghiệm.<br /> - Nghiên cứu quá trình điện phân thu hồi đồng trong hệ thiết bị điện phân hỗn hợp<br /> (thiết bị điện phân bản cực phẳng và thiết bị điện phân Porocell).<br /> - Nghiên cứu mô hình hóa quá trình điện phân thu hồi đồng.<br /> Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:<br /> Luận án đã nghiên cứu một cách có hệ thống quy trình công nghệ tái chế đồng<br /> từ bùn thải của quá trình sản xuất bản mạch điện tử bằng phương pháp thuỷ luyện.<br /> Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình hòa tách, chiết tách và quá<br /> trình điện phân thu hồi đồng đã được tiến hành nghiên cứu. Ngoài ra, luận án còn tối<br /> ưu hóa quá trình hòa tách bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và mô hình<br /> hóa quá trình điện phân thu hồi đồng. Các kết quả nghiên cứu của luận án là các số<br /> liệu mới, có giá trị về mặt lý luận cũng như thực tiễn. Luận án đóng góp kiến thức<br /> vào cơ sở dữ liệu khoa học trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý môi trường bằng phương<br /> pháp điện hóa. Luận án cũng có tính thực tiễn cao bởi xử lý bùn thải điện tử đang là<br /> nhu cầu cấp thiết của cả thế giới, cũng như ở Việt Nam. Công nghệ đưa ra không chỉ<br /> giúp thu hồi được một lượng đồng đáng kể có giá trị kinh tế cao, tái sử dụng được<br /> axit cho quá trình hòa tách và chiết tách bùn thải nhiều lần (do nồng độ đồng rất nhỏ<br /> cỡ ppm). Ngoài ra, nó còn giải quyết được khía cạnh bảo vệ môi trường bằng cách<br /> lắp mô hình hệ điện phân vào đầu ra của đường nước thải trong các xí nghiệp để xử<br /> lý nước thải công nghiệp chứa kim loại, đảm bảo nước sau quá trình điện phân đạt<br /> tiêu chuẩn xả thải của kim loại nặng theo QCVN 40:2011.<br /> Điểm mới của luận án:<br /> - Luận án đã đưa ra công nghệ xử lý bùn thải của quá trình sản xuất bản mạch điện<br /> tử một cách hệ thống đảm bảo yêu cầu về môi trường (hàm lượng đồng sau quá trình<br /> xử lý đạt ngưỡng xả thải theo QCVN 40:2011), đồng thời có điện năng tiêu thụ riêng<br /> thấp (khoảng 1,6kWh/kg đồng).<br /> - Đề xuất hệ thiết bị điện phân hỗn hợp để song song xử lý dung dịch thải chứa Cu2+,<br /> đưa nồng độ ion đồng về ngưỡng cho phép xả thải ra môi trường (20%), Ca, Fe, Mg, Ni…<br /> 2.2. Chế độ thí nghiệm và các thông số cần xác định<br /> - Hòa tách đồng từ bùn thải quá trình sản xuất bản mạch điện tử: Khảo sát ảnh<br /> hưởng của: nồng độ axit; lượng rắn/lỏng; nhiệt độ; kích thước hạt; tốc độ khuấy trộn;<br /> thời gian hòa tách.<br /> - Tối ưu hóa quá trình hòa tách bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.<br /> - Chiết tách thu dung dịch đồng sạch (loại tạp kim loại).<br /> - Nghiên cứu quá trình điện phân thu hồi kim loại trong hệ điện phân hỗn hợp<br /> (bản cực phẳng – Porocell). Xây dựng mô hình tính toán các thông số quá trình trên<br /> thiết bị điện phân bản cực phẳng.<br /> - Thu hồi đồng từ dung dịch hòa tách sử dụng hệ điện phân hỗn hợp.<br /> 2.3. Các thông số cần xác định<br /> - Đối với quá trình hòa tách: Hiệu suất quá trình hòa tách<br /> - Đối với quá trình điện phân: Tỷ lệ thu hồi đồng, hiệu suất dòng điện, điện thế<br /> thùng, năng lượng tiêu thụ riêng, độ tinh khiết của kim loại thu hồi.<br /> 2.4. Các phương pháp nghiên cứu<br /> Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án gồm: phương pháp bậc<br /> điện thế, phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis), phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS), phổ<br /> 3<br /> <br /> hấp thụ nguyên tử (AAS), nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ<br /> tán xạ năng lượng tia X (EDX) và phương pháp quy hoạch thực nghiệm.<br /> <br /> CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 3.1. Quá trình hòa tách đồng từ bùn thải sản xuất bản mạch điện tử<br /> 3.1.1. Khảo sát đặc tính của mẫu bùn thải nghiên cứu<br /> <br /> Hình 3.1. Hình thái bề mặt của mẫu<br /> bùn thải<br /> <br /> Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bùn<br /> thải<br /> <br /> Hàm lượng các nguyên tố trong mẫu bùn thải xác định bởi các phép đo khác<br /> nhau được trình bày trên bảng 3.1.<br /> Bảng 3.1. Thành phần các nguyên tố trong mẫu bùn thải<br /> <br /> Nguyên tố<br /> <br /> Thành<br /> phần (%)<br /> <br /> Cu<br /> Fe<br /> Ca<br /> Si<br /> C<br /> O<br /> Khác<br /> <br /> 21,74<br /> 4,29<br /> 10,04<br /> 1,91<br /> 15,62<br /> 41,25<br /> 5,15<br /> <br /> Nồng độ<br /> dung dịch<br /> (mg/l)<br /> 4308<br /> 848<br /> 2072<br /> -<br /> <br /> Thành<br /> phần (%)<br /> 21,54<br /> 4,24<br /> 10,36<br /> -<br /> <br /> Nồng độ<br /> dung dịch<br /> (mg/l)<br /> 4224<br /> -<br /> <br /> Thành<br /> phần (%)<br /> 21,12<br /> -<br /> <br /> Đồng tồn tại trong mẫu bùn dưới dạng hợp chất CuCO3 vô định hình, với<br /> hàm lượng lớn chiếm 21% cần được thu hồi để tăng giá trị kinh tế và giảm ô nhiễm<br /> môi trường.<br /> <br /> 4<br /> <br /> 3.1.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách đồng từ bùn thải<br /> quá trình sản xuất bản mạch điện tử<br /> 3.1.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4<br /> <br /> Hình 3.5. Đồ thị đường chuẩn thể hiện mối<br /> quan hệ giữa độ hấp thụ và nồng độ ở<br /> bước sóng max = 805nm<br /> <br /> Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa<br /> tách tại các giá trị nồng độ H2SO4 khác<br /> nhau<br /> <br /> Điều kiện hòa tách: Nồng độ axit 0,4M; 0,6M; 0,8M; 1,0M; 1,2M và 1,4M;<br /> lượng rắn/lỏng 12%; thời gian 60 phút; tốc độ khuấy 600 vòng/phút, 25oC; kích<br /> thước hạt < 0,1mm. Khoảng nồng độ axit phù hợp cho quá trình hòa tách đồng từ<br /> bùn thải công nghiệp là 0,8M đến 1,2M.<br /> 3.1.2.2. Ảnh hưởng của lượng rắn/lỏng (số gam bùn thải/số ml dung dịch axit)<br /> Điều kiện hòa tách: Nồng<br /> độ axit 1,0M; lượng rắn/lỏng 6%,<br /> 8%, 10%, 12%, 14%, 16%; thời<br /> gian 60 phút; tốc độ khuấy 600<br /> vòng/phút, 25oC; kích thước hạt<br /> < 0,1mm.<br /> Khoảng lượng rắn/lỏng phù<br /> hợp cho quá trình hòa tách là 10%<br /> đến 14%.<br /> Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hòa tách tại<br /> các giá trị lượng rắn/lỏng khác nhau<br /> <br /> 5<br /> <br />