Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất cadimi kim loại từ bã cadimi.

- NGUYỄN HỒNG QUÂN NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CADIMI KIM LOẠI TỪ BÃ CADIMI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.
- Đặng Văn Hảo Hà Nội - 2015 2 LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ vật liệu, Bộ môn Vật liệu kim loại màu và Compozit đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
- Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2015 Tác giả Nguyễn Hồng Quân 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất cadimi kim loại từ bã cadimi” là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
- Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam.
- Trên thế giới.
- Cơ sở hóa lý của quá trình hòa tách bã cadimi.
- Nhiệt động học của quá trình hòa tách bã cadimi.
- Động học quá trình hòa tách.
- Hòa tách bã cadimi.
- Làm sạch dung dịch sau hòa tách.
- Khử tạp chất kim loại kiềm.
- Phƣơng pháp điện phân kim loại.
- Thiết bị nghiên cứu.
- Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Mẫu nghiên cứu.
- Bã cadimi.
- Nghiên cứu quá trình hòa tách.
- Ảnh hƣởng của nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách.
- Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách.
- Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách.
- Kết luận quá trình hòa tách.
- Nghiên cứu quá trình làm sạch dung dịch.
- Nghiên cứu quá trình điện phân.
- Ảnh hƣởng của phụ gia đến hiệu suất điện phân.
- Ảnh hƣởng của nồng độ cadimi đến hiệu suất điện phân.
- Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân.
- Ảnh hƣởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân.
- Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất điện phân.
- 59 6 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Sản lƣợng các nƣớc sản xuất cadimi trên thế giới.
- 19 Bảng 2.2: Trị số pH thủy phân của một số ion kim loại.
- 40 Bảng 3.3: Ảnh hƣởng của nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách.
- 42 Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách.
- 44 Bảng 3.5: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách.
- 45 Bảng 3.6: Thành phần hóa học của bã sau hòa tách.
- 47 Bảng 3.8: Dung dịch sau hòa tách lần 2.
- 47 Bảng 3.9: Ảnh hƣởng của phụ gia đến hiệu suất điện phân.
- 49 Bảng 3.10: Ảnh hƣởng của nồng độ Cd2+ đến hiệu suất điện phân.
- 50 Bảng 3.11: Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân.
- 52 Bảng 3.12: Ảnh hƣởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân.
- 53 Bảng 3.13: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất điện phân.
- 54 7 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sản xuất và tiêu thụ cadimi trên thế giới .
- 13 Hình 1.2: Sản xuất và tiêu thụ cadimi từ năm .
- 13 Hình 1.3: Giá cadimi kim loại từ 7-12-2012 đến 29-11-2013.
- 15 Hình 1.4: Lƣợng sản xuất Cd mới và lƣợng tái sinh từ .
- 16 Hình 2.1: Quan hệ giữa nồng độ ion và pH kết tủa.
- 26 Hình 2.2: Sự phụ thuộc giữa điện thế phóng điện của ion H+ và OH- vào pH.
- 31 Hình 3.1: Thiết bị hòa tách.
- 34 Hình 3.2: Thiết bị chỉnh lƣu.
- 35 Hình 3.3: Bơm tuần hoàn dung dịch.
- 35 Hình 3.4: Bể điện phân.
- 36 Hình 3.5: Cực dƣơng bằng chì.
- 36 Hình 3.6: Cực âm bằng nhôm.
- 37 Hình 3.7: Sơ đồ công nghệ dự kiến.
- 38 Hình 3.8: Ảnh hƣởng của nồng độ axit đến hiệu suất hòa tách.
- 43 Hình 3.9: Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách.
- 44 Hình 3.10: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách.
- 45 Hình 3.11: Cực âm khi không có phụ gia.
- 49 Hình 3.12: Cực âm khi có phụ gia.
- 50 Hình 3.13: Ảnh hƣởng của nồng độ Cd đến hiệu suất điện phân.
- 51 Hình 3.14: Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến hiệu suất điện phân.
- 52 Hình 3.15: Ảnh hƣởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất điện phân.
- 53 Hình 3.16: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất điện phân.
- 54 Hình 3.17: Ảnh hƣởng của nhiệt độ.
- 55 Hình 3.18: Cadimi kim loại thỏi.
- Có thể thấy một số khoáng vật hiếm chứa cadimi nhƣ Greenockit (CdS) và Hawlegite, Cadmosite (CdSe), Monteponite (CdO) và Otavite (CdCO3), tuy vậy thành phần khoáng này chứa hàm lƣợng cadimi thấp, khó sử dụng để làm nguyên liệu sản xuất kim loại cadimi.
- Nguyên liệu chính để sản xuất cadimi kim loại là bã thải cadimi – đồng trong quá trình luyện kẽm.
- Tuy nhiên, cho đến nay bã cadimi tại nhà máy kẽm điện phân Thái Nguyên vẫn chỉ thu gom và bán với giá tƣơng đối thấp mà chƣa có công nghệ để sản xuất kim loại cadimi nhằm mục đích tăng thêm giá trị của sản phẩm cũng nhƣ giải quyết đƣợc vấn đề môi trƣờng.
- Bã cadimi bao gồm rất nhiều tạp chất kim loại khác nhƣ: Cu, Sn, Pb,… Trên thế giới, thƣờng sử dụng phƣơng pháp thủy luyện, hòa tách bã cadimi trong dung dịch axit sunfuric, khử chất tạp sau đó đem điện phân dung dịch để thu hồi đƣợc cadimi kim loại.
- Quy trình trên gồm ba bƣớc chính: hòa tách bã cadimi để loại bỏ một phần tạp chất, dung dịch chứa cadimi tiếp tục đƣợc làm sạch tạp chất đến khi đạt tiêu chuẩn cho quá trình điện phân thu hồi kim loại cadimi.
- Luận văn đề xuất quy trình công nghệ sản xuất cadimi kim loại từ bã cadimi và tập trung nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình điện phân dung dịch cadimi.
- Mặc dù thuộc chu kỳ 7 nhƣng cadimi giống kim loại chuyển tiếp 3d (chu kỳ 4) và 4d (chu kỳ 5) ở khả năng tạo phức chất, nhất là với amoniac, amin, ion halogenua, ion xianua.
- khác với kim loại chuyển tiếp ở tính chất mềm, dễ nóng chảy và không thể hiện hóa trị biến đổi.
- Cadimi là kim loại màu trắng bạc nhƣng trong không khí ẩm dần dần bị bao phủ bởi lớp oxit nên mất dần ánh kim.
- Trong thiên nhiên, cadimi có 6 đồng vị ổn định, 27 đồng vị phóng xạ và 8 trạng thái đồng phân trong đó Cd114 chiếm 28%, Cd112 chiếm 24,2%, đặc biệt đồng vị bền Cd113 chiếm 12,2% nhƣng có tiết diện bắt nơtron rất lớn nên cadimi kim loại đƣợc dùng để làm thanh chỉnh dòng nơtron trong lò phản ứng nguyên tử.
- Cadimi kim loại Cadimi có tính chất hóa học gần giống kẽm.
- Chế tạo pin Ni – Cd chiếm 75% lƣợng cadimi sản xuất ra - Mạ kim loại, quá trình mạ cũng giống nhƣ mạ Cr và Ni đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp mạ điện.
- Tác dụng của cadimi là tăng tính dãn dài và tính dễ dát mỏng của các kim loại đó.
- Đó là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất cadimi.
- Trên thế giới Kim loại cadimi đƣợc phát hiện bởi Friedrich Strohmeyer tại Đức năm 1817.
- Strohmeyer đã tìm thấy nguyên tố mới trong tạp chất của cacbonat kẽm và trong khoảng 100 năm sau đó thì Đức là nƣớc sản xuất lớn duy nhất đối với kim loại này.
- Việc sản xuất tại Mỹ bắt đầu từ năm 1907 nhƣng cadimi đã không đƣợc sử dụng rộng rãi cho đến tận sau khi Đại chiến thế giới thứ I kết thúc.
- Theo nhƣ thống kê của Cục thống kê kim loại thế giới (WBMS), trong năm 2004 thế giới sản xuất đƣợc khoảng 20000 tấn kim loại cadimi, trong đó khoảng 16500 tấn (chiếm 82,5%) đƣợc thu hồi từ nguồn nguyên liệu chính, khoảng 17,5% còn lại là tái sinh từ pin Ni – Cd.
- 13 Tiêu thụ cadimi kim loại hàng năm phụ thuộc chủ yếu vào ngành công nghiệp sản xuất pin Ni-Cd.
- Đỉnh cao của sản xuất cadimi kim loại vào năm 1997 tƣơng ứng với đỉnh cao của sản xuất pin Ni-Cd trên thế giới.
- Theo Cục thống kê kim loại thế giới, mức sản xuất và tiêu thụ cadimi trên toàn thế giới đƣợc thể hiện trong hình 1.1 và hình .
- Hình 1.1: Sản xuất và tiêu thụ cadimi trên thế giới Hình 1.2: Sản xuất và tiêu thụ cadimi từ năm Sau năm 2000, tình hình sản xuất và tiêu thụ cadimi trên thế giới giảm một cách rõ rệt.
- Nguyên nhân là do giảm lƣợng sản xuất cũng nhƣ tiêu thụ từ nguồn nguyên liệu chính ở châu Âu, trong thời gian này các nƣớc trong khu vực châu Âu đã thắt chặt hành lang tiêu thụ và sản xuất các sản phẩm từ cadimi.
- Nhiều nhà máy sản xuất kẽm/cadimi đã phải tạm dừng sản xuất.
- Cũng theo Cục thống kê kim loại thế giới đánh giá, nguồn kim loại cadimi sản xuất chính ở châu Á (Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc), ở châu Mỹ (Canada và Mexico), còn lại một ít ở châu Âu và châu Úc.
- Trong hai năm gần đây, đã thống kê đƣợc các nƣớc đứng đầu trên thế giới về sản xuất cadimi (bảng 1.1) [9].
- Bảng 1.1: Sản lƣợng các nƣớc sản xuất cadimi trên thế giới TT Quốc gia Năm Trung Quốc Hàn Quốc Nhật Bản Kazactan Canada Mexico Nga 810 750 8 Ấn Độ 584 660 9 Mĩ Hà Lan 600 11 Đức 440 12 Peru 400 13 Oxtraylia 360 14 Các nƣớc khác 2300 15 Nhƣ vậy, năm 2012 tổng sản lƣợng kim loại cadimi trên toàn thế giới khoảng 21000 tấn và nƣớc đứng đầu thế giới về công nghiệp sản xuất kim loại cadimi là Trung Quốc (5600 tấn).
- Trên hình 1.3 thể hiện giá cadimi (giá FOB) trên thị trƣờng từ ngày 7-12-2012 đến .
- Giá cadimi kim loại (99,95% Cd) khoảng 2050 USD/tấn (tháng 11-2013) cao hơn kẽm (1950 USD/ tấn, giá ngày13-12-2013).
- Điều đó cho thấy, giá trị của kim loại cadimi là khá lớn.
- Nếu sản xuất cadimi kim loại đƣợc áp dụng vào thực tế nhà máy sẽ mang lại lợi ích kinh tế cao.
- Hình 1.3: Giá cadimi kim loại từ 7-12-2012 đến Khi công nghiệp năng lƣợng phát triển, nhất là công nghệ sản xuất pin Ni – Cd và các sản phẩm sử dụng năng lƣợng mặt trời thì nhu cầu sử dụng cadimi kim loại tăng.
- Tuy nhiên, do tính chất độc hại của kim loại cadimi cùng với các hợp chất của nó khiến cho phạm vi tiêu thụ bị hạn chế nhiều, nhất là khu vực châu Âu.
- Hiện tại, nguồn kim loại cadimi sản xuất từ bã thải đồng trong quá trình điện phân tinh luyện kẽm vẫn là chủ yếu, nhƣng trong tƣơng lai gần thế giới đã và đang chuyển dần hƣớng nghiên cứu về tái chế từ pin Ni – Cd.
- Trên hình 1.4 thể hiện sản lƣợng sản xuất cadimi mới và sản lƣợng cadimi tái sinh [7].
- 16 Hình 1.4: Lƣợng sản xuất Cd mới và lƣợng tái sinh từ Trong những năm gần đây sản lƣợng cadimi tái sinh ngày càng lớn chứng tỏ nhu cầu tái sinh kim loại này là quan trọng, nó góp phần cải thiện môi trƣờng cũng nhƣ tiết kiệm đƣợc nguồn tài nguyên khoáng sản

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt