- ĐỘ NG H Ọ C QUÁ TRÌNH THU H ỒI ĐỒ NG KIM LO Ạ I T Ừ BÙN TH Ả I NHÀ MÁY BO M ẠCH ĐIỆ N T Ử B ẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỆ N PHÂN. - Phƣơng pháp điện phân đƣợ c th ự c hi ện để kh ả o sát các thông s ố ảnh hƣởng đế n t ốc độ thu h ồi đồ ng. - K ế t qu ả phân tích Cu, pH, clorua trong bùn thải lần lƣợt là 19,5. - Dung dịch ngâm chiết dùng cho điện phân có Cu 2+ là 19,6 g/L, pH=3,0, clorua là 20,1 g/L. - Các dữ liệu thực nghiệm về ảnh hƣởng của khoảng cách, tốc độ khuấy, mật độ dòng lên vận tốc thu hồi đồng bằng phƣơng pháp điện phân từ bùn thải nhà máy bo mạch điệ n t ử đã đƣợ c th ự c hi ệ n. - K ế t qu ả nghiên c ứu đã cho thấ y v ớ i kho ả ng cách kh ả o sát mm cho thấy không ảnh hƣởng đáng kể đến hằng số vận tốc, cụ thể k 1 dao động phút -1 , k 2 là 0,0004 L/(g.phút). - Với vận tốc khuấy khảo sát 200, 300 và 400 vòng/phút cho thấy khi tốc độ khuấy tăng thì k giảm, với k 1 từ 0,010 về 0,007 phút -1 , với k 2 từ 0,0010 về 0,0006 L/(g.phút). - Với mật độ dòng tăng thì h ằ ng s ố k tăng. - vớ i k 1 tăng 0,0038 lên 0,0059 phút -1 ứ ng v ớ i m ật độ dòng 262, 430 A/m 2 , v ớ i k 2 tăng t ừ 0,0002 lên 0,00067 L/(g.phút) v ớ i m ật độ dòng A/m 2 . - K ế t qu ả cũng xác đị nh h ằ ng s ố t ố c độ k 0 cho phản ứng bậc 2 là 0,00007 L/(g.phút).. - T ừ khóa: điện phân. - hằng số vận tốc. - mật độ dòng, thu hồi đồng.. - Do vậy việc thu hồi đồng trong bùn thải của quá trình sản xuất bo mạch điện tử không chỉ có ý nghĩa về mặt môi trƣờng mà còn giá trị kinh tế và tận dụng tài nguyên.. - Có nhiều phƣơng pháp đƣợc sử dụng để thu hồi kim loại đồng nhƣ hóa học (kết tủa, tách bằng dung môi chọn lọc, tạo phức, trao đổi ion, vv), vật lý (nghiền, tách bằng điện trƣờng, tách từ trƣờng), điện hóa, kết h ợp (trao đổ i ion – điệ n phân) trong đó phƣơng pháp điệ n phân thân thi ệ n v ới môi trƣờng hơn và chi phí th ấp hơn [1,3,4]. - Bùn th ải sau thu đƣợ c hòa tách b ằ ng dung d ị ch axit sulfuric là giai đoạn đầ u c ủa phƣơng pháp thu hồi bằng điện phân [3]. - Cơ chế động học quá trình điện phân thu hồi kim loại đồng, nói chung,. - Trong trƣờng hợp kiểm soát vận chuyển điện tử, phần trăm đồng thu hồi tăng tuyến tính theo thời gian, trong khi đó, kiểm soát truyền khối thì hiệu suất dòng giảm theo thời gian và sự giảm nồng độ của kim loại sẽ theo cấp số nhân theo thời gian [6]. - Theo Khattab và cộng sự báo cáo rằng các đƣờng cong mô tả động học của việc giảm nồng độ đồng trong chất điện phân là tuyến tính sau đó chuyển thành theo cấp số nhân theo thời gian [5].. - Với mật độ dòng catốt nhỏ, sự kết tủa điện hóa theo phản ứng Cu 2. - Cu bị khống chế bởi sự chuyển điện tích, nhƣng khi tăng mật độ dòng cao thì động học quá trình kết tủa trên lại bị khống chế bởi sự chuyển chất – động học khuyếch tán [7]. - Tuy nhiên, các nghiên cứu về động học quá trình thu hồi đồng kim loại từ bùn thải đồng ở Việt Nam còn h ạ n ch ế, do đó, khả o sát các y ế u t ố nhƣ kho ả ng cách b ản điệ n c ự c, t ốc độ khu ấ y, m ật độ dòng ảnh hƣở ng đế n v ậ n t ố c thu h ồi đồ ng b ằng phƣơng pháp điệ n phân là c ầ n thi ế t.. - VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phƣơng pháp thu mẫ u. - 2.2 Phƣơng pháp phân tích. - Mẫu bùn đồng đƣợc cân, hòa tan bằng axit sulfuric 1M, định mức, lọc để xác định hàm lƣợng clorua bằng phƣơng pháp Morh theo TCVN6194:1996, xác định hàm lƣợng đồ ng theo TCVN pH theo ASTM D1293-95 bằng máy đo pH của Trans Instruments HP 9010.. - Nƣớ c s ử d ụ ng trong quá trình thí nghiệm đƣợc lọc bằng máy lọc nƣớc siêu sạch Model: EASYpure II RF (Thermo Scientific – USA) [8].. - Lắng, lọc trƣớc khi phân tích hay sử dụng cho điện phân.. - Các phản ứng thu hồi đồng bằng phƣơng pháp điện phân [9].. - Bố trí thí nghiệm thu hồi đồng bằng phƣơng pháp điện phân đƣợc mô phỏng theo Giannopoulou và cộng sự [9,10]. - Thể tích dung dịch điện phân là 800mL, các cực âm (catốt) đƣợc sử dụng là các tấm đồng hình chữ nhật có kích thƣớc: chiều dài 140 mm, rộng 60 mm và dày 2 mm (phần chìm trong dung dịch là 70mm x 60 mm), các cực dƣơng (anốt) là các tấm inox 316 và. - có kích thƣớc tƣơng tự nhƣ của catốt, dung dịch điện phân đƣợc khuấy trộn bằng máy khuấy từ, nguồn một chiều đƣợc cấp từ DC: 0 – 12 V &. - Mô hình thí nghiệm. - Ba thông s ố đã đƣợ c kh ả o nghi ệ m l ần lƣợt để xác đị nh độ ng h ọ c quá trình điện phân đồ ng g ồ m kho ả ng cách điện cực (12. - 40 mm), tốc độ khuấy vòng/phút) và mật độ dòng điện và 786 A/m 2 ) [11]. - Trong quá trình điện phân các mẫu đƣợc thu nhận sau mỗi 15 phút để phân tích đồng bằng phƣơng pháp chuẩn độ, các thông số điện thế cũng đƣợc ghi nhận [11]. - Phƣơng trình động học bậc 1 [12,5]. - Công thức 1 Phƣơng trình động học bậc 2 [13]:. - Công thức 2 k 1 (1/phút) và k 2 (L/g.phút)là hằng số vận tốc bậc 1, 2 (1/phút). - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. - ảng 1 Kết quả xác định các thông số hóa lý bùn và dung dịch điện phân. - STT Các thông số Đơn vị tính Kết quả SD. - 2 Hàm lƣợng Cu % 19,5 0,2. - Kết quả cũng tƣơng đồng với nghiên cứu của Ribeiro và cộng sự, mẫu bùn đồng trong sản xuất bo mạch điệ n t ử có hàm lƣợ ng Cu >. - Kết quả nghiên cứu (Bảng 2, Hình 1), cho thấy khi mật độ dòng là 262 A/m 2 , tốc độ khuấy 200 vòng/phút không thay đổi, với các khoảng cách 12. - 40 mm, thì các đƣờng biểu diễn động học quá trình điện phân thu hồi Cu đều tuân theo mô hình động học bậc 1 với mối tƣơng quan rất chặt, R 2 dao động k ế t qu ả tính toán C 0 dao độ ng g/L, x ấ p x ỉ v ớ i giá tr ị th ự c nghi ệ m 18,1 g/L và h ằ ng s ố t ố c độ k 1 thay đổ i t ừ 0,006 v ề 0,0059 phút -1 là r ấ t nh ỏ (B ả ng 2). - D ữ li ệ u nghiên c ứ u cũng hoàn toàn phù h ợ p với mô hình động học bậc 2 với kết quả ƣớc tính hằng số k 2 =0,004 L/(g.phút) không thay đổi và nồng độ C 0 tính toán dao động g/L. - Kết quả nghiên cứu cũng phù hợp với các nghiên cứu trƣớc đó là khoảng cách ảnh hƣởng không lớn đến vận tốc thu hồi đồng [15,16,9]. - Các kết quả nghiên cứu đã xác nh ậ n kho ảng cách điệ n c ự c 25 mm cho C 0 g ầ n v ớ i k ế t qu ả th ự c nghi ệm hơn so vớ i các kho ả ng cách khác.. - Khi so sánh điện thế, kết quả nghiên cứu cho thấy khoảng cách 40. - 1,2 V, điều này đƣợc lý giải do điện trở bình điện phân giảm khi giảm khoảng cách, tuy nhiên, từ 25 mm về 12 mm có sự tăng nhẹ do hiện tƣợng phóng điện [17]. - Từ kết quả nghiên cứu có thể khẳng định khoảng cách 25 mm là lựa chọn tối ƣu về tốc độ và điện năng tiêu thụ (điện thế nhỏ nhất).. - ảng 2 Các thông số động học theo khoảng cách. - Khoảng cách Động học bậc 1 Động học bậc 2. - Kết quả phân tích thống kê sự sai khác các giá trị trung bình cho thấy khi thay đổi khoảng cách mm, hằng số tốc độ k 1 , k 2 sự sai khác không có ý nghĩa thống kê Hình 1.. - Hình 1 iểu đồ biểu diễn hằng số k1 và k2 theo khoảng cách, các chữ gống nhau thể hiện sai khác không có ý nghĩa thống kê. - Hằng số vận tốc k 2, L/(g.phút) Hằng số vận tốc k 1, phút-1. - Khoảng cách các điện cực, mm k1. - Kết quả dữ liệu nghiên cứu, (Bảng 3, Hình 2) cho thấy với khoảng cách các bản điện cực là 25 mm và mật độ dòng là 262 A/m 2 không đổi, khi thay đổi tốc độ khuấy vòng/phút, các đƣờng biểu diễn động học quá trình điện phân thu hồi Cu đều tuân theo mô hình động học bậc 1 với mối tƣơng quan, dao động hằng số vận tốc k 1 giảm lần lƣợt là và 0,007 phút -1 , thay đổi không lớn, kết quả ƣớc tính C 0 dao động g/L, thấp hơn giá trị thực nghiệm. - Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy mô hình động học bậc 2 phù hợp hơn để giải thích động học quá trình điện phân thu hồi đồng khi thay đổi tốc độ khuấy 200, 300 và 400 vòng/phút với k 2 giảm lần lƣợt lần lƣợt là và 0,0006 L/(g.phút), R 2 là 0,91 và 0,95 và C 0 ƣớc tính dao động g/L xấp xỉ kết quả thực nghiệm (B ả ng 3). - Nhƣ vậ y c ả k 1 và k 2 đề u gi ả m khi tăng tốc độ khu ấ y, k ế t qu ả nghiên c ứ u phù h ợ p v ớ i nghiên c ứ u c ủ a Ngô &. - Theo Giannopoulou và c ộ ng s ự để h ệ th ống điệ n phân ho ạt độ ng hi ệ u qu ả , điều kiện khuấy thích hợp cần đƣợc duy trì nhằm cải thiện điều kiện truyền khối trong hệ điện phân.. - Tuy nhiên, khi tốc độ khuấy càng nhanh thì các hạt đồng kết tinh ở dạng rất mịn, làm bề mặt catốt bị che sẽ tăng mật độ dòng trên catốt góp phần làm giảm hiệu suất dòng, giảm tốc độ thu hồi [3,9]. - Qua kết quả thực nghiệm cũng cho th ấ y t ốc độ thu h ồ i Cu ph ụ thu ộ c r ấ t l ớ n vào t ốc độ ph ả n ứ ng trên b ề m ặ t cat ốt thông qua các bƣớ c hấp phụ và tạo mầm [18].. - Bảng 3 Các thông số động học theo tốc độ khuấy Tốc độ khuấy,. - vòng/phút. - Động học bậc 1 Động học bậc 2. - Hình 2 Ảnh hƣởng tốc độ khuấy lên hằng số vận tốc, các chữ khác nhau thể hiện sai khác có ý nghĩa thống kê Kết quả phân tích thống kê cho thấy khi tăng tốc độ từ 200 vòng/phút lên 300 vòng /phút hằng số tốc độ k 1 và k 2 đều giảm, khác biệt có ý nghĩa thống kê, trong khi từ 300 đến 400 vòng/phút, độ giảm không có ý nghĩa thống kê (Hình 2). - Tốc độ khuấy 200 vòng/phút là tốc độ khuấy phù hợp nhất với k 1 và k 2 lớn nhất.. - Tốc độ khuấy, vòng/phút. - Tốc độ khuấy, vòng/phút Hằng số k1 Hằng số k2 a a. - Kh ả o sát m ật độ dòng. - Với khoảng cách các bản điện cực là 25 mm và tốc độ khuấy 200 vòng/phút không đổi, các kết quả nghiên cứu (Bảng 4, Hình 3), cho thấy khi thay đổi mật độ dòng thì các đƣờng biểu diễn động học quá trình điện phân thu hồi Cu theo mô hình động học bậc 1 với mối tƣơng quan rất chặt, R 2 dao động với hằng số k 1 tăng theo mật độ dòng, kết quả tƣơng đồng với nghiên cứu trƣớc đó của Khattab và cộng sự [5], tuy nhiên, kết quả ƣớc tính C 0 cho thấy chỉ với mật độ dòng 262 và 430 A/m 2 là xấp xỉ với kết quả thực nghiệm, do vậy, mô hình động học bậc 1 chỉ phù hợp ở mật độ dòng 262 và 430 A/m 2 . - Đối với mô hình động học bậc 2, kết quả nghiên cứu cho thấy là phù hợp với mật độ dòng 260, 430 và 524 A/m 2 với R 2 dao động k 2 tăng lần lƣợt và 0,00067 (L/g.phút), kết quả nghiên c ứu đƣợ c lý gi ải nhƣ trong trình bày củ a Holze, tăng mật độ dòng c ao thì độ ng h ọ c quá trình k ế t t ủ a trên l ạ i b ị kh ố ng ch ế b ở i s ự chuy ể n ch ấ t – độ ng h ọ c khuy ế ch tán [7], tuy nhiên khi m ật độ dòng quá cao 786 A/m 2 cho C 0 ƣớc tính rất khác so với kết quả thực nghiệm.. - ảng 4 Các thông số động học theo mật độ dòng điện Mật độ dòng,. - Hình 3 Ảnh hƣởng mật độ dòng lên hằng số vận tốc, các chữ khác nhau thể hiện sai khác có ý nghĩa thống kê K ế t qu ả phân tích th ố ng kê cho th ấ y khi m ật độ dòng tăng cá c h ằ ng s ố t ốc độ k 1 tăng , khác bi ệt có ý nghĩa thống kê, trong khi k 2 tăng có ý nghĩa thống kê với mật độ dòng 262, 524 và 786 A/m 2 , trong khi sự thay đổi giữa 262 và 430 A/m 2 hay giữa 430 và 524 A/m 2 là không có ý nghĩa thống kê.. - Khi vẽ biểu đồ hằng số vận tốc bậc 2 (k 2 ) theo mật độ dòng (CD), đƣờng biểu diễn cho thấy hằng số vận t ố c k 2 thay đổ i theo m ật độ dòng có d ạng hàm mũ (Hình 4), kế t qu ả cũng tƣơng tự nhƣ trong nghiên cứ u. - Hằng số vận tốc k 2, L/(g.hút) Hằng số vận tốc k 1, phút-1. - Mật độ dòng CD, A/m2 Hằng số k2. - Hằng số k1. - Hằng số vận tốc cho quá trình thu hồi đồng bằng điện hóa có thể đƣợc mô tả theo phƣơng trình sau:. - Với CD là mật độ dòng A/m 2 và α là hệ số độ dốc của đƣờng thẳng lnK theo CD.. - Hình 4 iểu diễn hằng số tốc độ k2 và lnk2 theo mật độ dòng. - Giá trị của k 0 (là giá trị của k khi CD = 0) dƣờng nhƣ độc lập với nồng độ ban đầu của đồng trong dung dịch [5], (Hình 4), cho thấy hệ số α là độ dốc của đƣờng thẳng lnK theo CD là kết quả cũng tƣơng đồng với nghiên cứu của Khattab và cộng sự xác định giá trị α =-0,0041với C 0 >. - 250mg/L [5] và tính toán cho giá trị k 0 là 0,00007 L/(g.phút). - Kết quả cho thấy hằng số vận tốc tăng lên khi mật độ dòng tăng, kết quả phù hợp với các nghiên cứu trƣớc [5]. - Kết quả cũng cho thấy hằng số vận tốc theo mật độ dòng phù hợp với mô hình loại Arrhenius (k=A.e -Ea/RT ) với mối tƣơng quan rất chặt R . - Kết quả quan sát thực nghiệm cho thấy khi tăng mật độ dòng bề mặt đồng bám vào catốt càng thô, khả năng bám dính kém, điều này đƣợ c lý gi ải do không có đủ th ời gian để phát tri ể n c ấ u trúc tinh th ể khi t ố c độ tạo mầm cao [19] và có thể dẫn đến các hạt mịn và giảm cấu trúc mạng tinh thể [20]. - Do đó, một lựa chọn mật độ dòng tối ƣu đƣợc yêu cầu để thiết lập sự cân bằng giữa chất lƣợng đồng dính bám lên bề mặt và tốc độ thu hồi, tùy thuộc vào mong muốn của ngƣời vận hành.. - Từ các kết quả nghiên cứu trên, cho phép rút ra một số kết luận nhƣ sau:. - Kết quả phân tích thành phần trong bùn thải có đồng 19,5%, pH 10,1, clorua là 20,2. - Kết quả phân tích dung dịch ngâm chiết có hàm lƣợng Cu 2+ là 19,6g/L, pH=3,0, clorua là 20,1g/L. - Các dữ liệu thực nghiệm về ảnh hƣởng của khoảng cách, tốc độ khuấy, mật độ dòng lên vận tốc thu hồi đồng bằng phƣơng pháp điện phân từ bùn thải nhà máy bo mạch điện tử dựa trên các mô hình động học bậc 1, bậc 2. - Với khoảng cách khảo sát mm cho thấy không ảnh hƣởng đáng kể đến hằng số vận tốc, cụ thể k 1 dao động phút -1 , k 2 là 0,0004 L/(g.phút). - Với mật độ dòng tăng thì hằng số k tăng. - với k 1 tăng 0,0038 lên 0,0059 phút -1 ứng với mật độ dòng 262, 430 A/m 2 , v ớ i k 2 tăng từ 0,0002 lên 0,00067 L/(g.phút) v ớ i m ật độ dòng A/m 2. - Hằng số k 2, L/(g.phút). - Mật độ dòng, /m2 Hằng số k2 Lnk2. - Nguyễn, "Nghiên cứu thu hồi Cu từ xúc tác thải của quá trình chuyển hóa Co nhiệt độ thấp của Nhà máy Đạm Phú Mỹ,". - Thu hồi đồng kim loại từ bùn thải nhà máy bo mạch điện tử bằng phƣơng pháp điện phân trong dung dịch amoniac, vol. - Huyền, "Nghiên cứu thu hồi kim loại đồng từ bùn thải công nghiệp điện tử bằng phƣơng pháp điện hóa,"
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt