Luận Văn Thạc Sĩ Công Nghệ Vật Liệu: Tái Sinh Kẽm Từ Kẽm Cứng Bằng Phương Pháp Thủy Luyện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ tái sinh kẽm từ kẽm cứng bằng phương pháp thủy luyện, ứng dụng trong vật liệu kim loại và hợp kim.

• Tác giả: Đỗ Trọng Nghĩa
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Công Khanh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu Kim loại và Hợp kim
• Đề tài: Tái sinh kẽm từ kẽm cứng bằng phương pháp thủy luyện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. TÍNH CẤP THẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.6. Ý NGHĨA ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THUỶ LUYỆN
• 2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HOÀ TÁCH
• 2.2.1. Khái niệm hoà tách
• 2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách
• 2.2.2.1. Nhiệt độ
• 2.2.2.2. Nồng độ dung môi
• 2.2.2.3. Ảnh hưởng của khuấy trộn
• 2.2.2.4. Ảnh hưởng của kích thước hạt
• 2.3. HOÀ TÁCH KẼM CỨNG TRONG AXIT SUNFURIC
• 2.3.1. Hòa tan kẽm cứng vào dung dịch axit sunfuric
• 2.3.2. Khử tạp chất
• 2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN
• 2.4.1. Khái niệm cơ bản về điện phân
• 2.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân
• 2.4.2.1. Quá trình cực âm
• 2.4.2.2. Quá trình cực dương
• 2.4.2.3. Hiệu suất dòng điện
• 2.4.2.4. Sự kết tinh của kẽm ở cực âm và tác dụng của keo
• 2.5. ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH KẼM SUNFAT
• 2.6. TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
• 2.6.1. Trên thế giới
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3.1. HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
• 3.1.1. Hoá chất thí nghiệm
• 3.1.2. Thiết bị thí nghiệm
• 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO DÙNG TRONG LUẬN VĂN
• 3.2.1. Các thông số cần đánh giá
• 3.2.2. Lựa chọn phương pháp đánh giá
• 3.2.3. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (AES: Atomic emission Spectrometry)
• 3.2.4. Phương pháp phát xạ plasma (ICP MS : Inductively coupled plasma mass spectrometry)
• 3.2.5. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS: Energy-dispersive X-ray spectroscopy)
• 3.2.6. Phương pháp quang phổ hấp thụ
• 3.3. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3.3.1. Sơ đồ quy trình hoà tách kẽm cứng và điện phân dung dịch kẽm
• 3.3.2. Giải thích quy trình và các thí nghiệm ngoài lề
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
• 4.1. KẾT QUẢ HOÀ TÁCH KẼM CỨNG
• 4.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch axit sunfuric
• 4.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 4.1.3. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn
• 4.1.4. Ảnh hưởng của thời gian
• 4.2. KẾT QUẢ ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH KẼM SUNFAT
• 4.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch kẽm điện phân
• 4.2.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về tái sinh kẽm và phương pháp thủy luyện

Luận văn thạc sĩ tập trung vào tái sinh kẽm từ kẽm cứng bằng phương pháp thủy luyện, một phương pháp hiệu quả để thu hồi kim loại từ nguồn nguyên liệu thứ cấp. Kẽm cứng là chất thải từ quy trình mạ nhôm kẽm, thường được xử lý không hiệu quả. Phương pháp thủy luyện kết hợp điện phân được đề xuất để tái sinh kẽm với độ tinh khiết cao, giảm thiểu tác động môi trường. Nghiên cứu này nhằm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách và điện phân, từ đó tối ưu hóa hiệu suất thu hồi kẽm.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Việc tái chế kẽm từ kẽm cứng không chỉ giảm áp lực lên nguồn nguyên liệu khai thác mà còn giải quyết vấn đề môi trường. Quy trình mạ nhôm kẽm tạo ra lượng lớn chất thải, nếu được xử lý hiệu quả, có thể cung cấp nguồn kẽm tái sinh chất lượng cao. Phương pháp thủy luyện được ưa chuộng do hiệu suất cao và ít gây ô nhiễm so với phương pháp hỏa luyện.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ axit, nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn, và thời gian đến hiệu suất hòa tách kẽm cứng trong dung dịch axit sunfuric. Đồng thời, nghiên cứu cũng tập trung vào quá trình điện phân để thu hồi kẽm nguyên chất từ dung dịch kẽm sunfat.

II. Cơ sở lý thuyết về phương pháp thủy luyện

Phương pháp thủy luyện là quá trình chế biến quặng hoặc nguyên liệu thứ cấp trong môi trường nước để thu hồi kim loại. Quá trình này bao gồm ba giai đoạn chính: hòa tách, chuẩn bị dung dịch, và thu hồi kim loại. Hòa tách là giai đoạn quan trọng, trong đó các cấu tử có ích được chuyển vào dung dịch thông qua phản ứng hóa học với dung môi. Phương pháp này được ưa chuộng do hiệu quả kinh tế cao và ít gây ô nhiễm môi trường.

2.1. Quá trình hòa tách kẽm cứng

Quá trình hòa tách kẽm cứng trong axit sunfuric được thực hiện thông qua sự khuếch tán dung môi vào bề mặt phản ứng và phản ứng hóa học giữa axit và kẽm. Các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ axit, tốc độ khuấy trộn, và kích thước hạt ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hòa tách. Nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất thu hồi kẽm đạt trên 80% trong điều kiện tối ưu.

2.2. Quá trình điện phân kẽm sunfat

Sau quá trình hòa tách, dung dịch kẽm sunfat được điện phân để thu hồi kẽm nguyên chất. Các yếu tố như nồng độ ion kẽm và mật độ dòng điện ảnh hưởng đến hiệu suất dòng và độ tinh khiết của kẽm thu được. Kết quả cho thấy hiệu suất dòng đạt trên 80% khi nồng độ ion kẽm trên 50 g/l và mật độ dòng trên 250 A/m².

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã đưa ra các thông số tối ưu cho quá trình tái sinh kẽm từ kẽm cứng bằng phương pháp thủy luyện. Hiệu suất thu hồi kẽm đạt trên 80% trong điều kiện nồng độ axit 450 g/l, nhiệt độ 80°C, và thời gian hòa tách 4 giờ. Quá trình điện phân cũng đạt hiệu suất cao với độ tinh khiết kẽm trên 98%. Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp, giúp giảm thiểu chất thải và cung cấp nguồn kẽm tái sinh chất lượng cao.

3.1. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu cung cấp một phương pháp hiệu quả để tái chế kẽm từ chất thải công nghiệp, giảm thiểu tác động môi trường và tiết kiệm chi phí sản xuất. Kết quả từ nghiên cứu có thể được áp dụng trong các nhà máy sản xuất kẽm, đặc biệt là trong quy trình mạ nhôm kẽm.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng sang các loại kim loại khác và cải tiến quy trình để tăng hiệu suất thu hồi. Việc áp dụng công nghệ này trên quy mô lớn sẽ góp phần phát triển bền vững trong ngành công nghiệp kim loại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng kẽm trên toàn cầu không ngừng tăng trưởng mạnh mẽ, trong đó nguồn quặng tự nhiên hiện chỉ đáp ứng khoảng 70% tổng sản lượng tiêu thụ, 30% còn lại buộc phải dựa vào các nguồn nguyên liệu tái sinh thứ cấp. Tại Việt Nam, sự bùng nổ của ngành công nghiệp sản xuất tôn mạ kim loại đã tạo ra khối lượng phế thải xỉ kẽm và kẽm cứng rất lớn. Điển hình tại Công ty Cổ phần Tôn Đông Á, chỉ riêng một dây chuyền mạ hợp kim nhôm kẽm đã phát thải trung bình từ 40 đến 50 tấn kẽm cứng mỗi năm.

Các phương pháp hỏa luyện truyền thống để tái chế nguồn phụ phẩm này đòi hỏi nhiệt độ cao từ 600°C đến hơn 1400°C, gây tiêu tốn năng lượng nhiệt, oxy hóa thất thoát kẽm và phát tán khí thải độc hại ra môi trường. Trước thực trạng đó, đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ thủy luyện kết hợp điện phân nhằm tái sinh kẽm kim loại từ kẽm cứng với hiệu suất cao và thân thiện với môi trường. Mục tiêu cốt lõi là xác lập các thông số tối ưu cho giai đoạn hòa tách bằng dung dịch axit sunfuric và giai đoạn điện phân dung dịch kẽm sunfat thu hồi kẽm thương phẩm.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Vật liệu Kim loại và Hợp kim, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM vào năm 2015 trên nguồn mẫu kẽm cứng thu thập trực tiếp từ nhà máy tôn mạ. Đề tài mang ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn to lớn khi xác định được quy trình công nghệ đạt hiệu suất thu hồi kẽm trên 80% ở giai đoạn hòa tách và tạo ra sản phẩm kẽm điện phân có độ sạch vượt 98%, mở ra giải pháp xử lý chất thải rắn bền vững cho ngành luyện kim màu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động học và động học các quá trình thủy luyện kim loại kết hợp với lý thuyết điện hóa học dị thể trong môi trường dung dịch nước. Mô hình nghiên cứu gồm ba công đoạn liên hoàn: hòa tách chọn lọc pha rắn - lỏng, tinh chế khử tạp chất và điện phân thu hồi kim loại trên catot. Bốn khái niệm khoa học chủ đạo bao gồm:

• Thủy luyện kim loại: Quá trình hòa tan chọn lọc các cấu tử có ích từ nguyên liệu thứ cấp vào dung môi axit ở nhiệt độ dưới 100°C, chuyển hóa oxit kẽm thành dung dịch muối kẽm sunfat theo phản ứng dị thể.
• Động học hòa tách và màng khuếch tán Nernst: Vận tốc quá trình hòa tan được xác định bởi định luật Fick I và phương trình Arrhenius, trong đó sự truyền khối qua lớp biên tĩnh Nernst và năng lượng hoạt hóa quyết định miền khống chế động học (miền khuếch tán hoặc miền phản ứng hóa học).
• Thủy phân khử tạp chất: Nguyên lý kết tủa phân đoạn các ion kim loại tạp chất như sắt và nhôm dưới dạng hydroxit khó tan dựa trên việc kiểm soát tích số tan và giá trị pH dung dịch.
• Quá thế hydro trong điện phân kẽm: Hiện tượng phân cực điện hóa giúp nâng cao quá thế phóng điện của ion H+ trên catot nhôm, tạo điều kiện cho ion kẽm có thế điện cực âm hơn ưu tiên kết tinh trước mà không bị khí hydro giải phóng cạnh tranh.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Nguồn mẫu thực nghiệm là kẽm cứng thải từ bể mạ tôn của Công ty Cổ phần Tôn Đông Á. Cỡ mẫu cho mỗi mẻ thí nghiệm hòa tách dao động từ 5 gam đến 50 gam, được nghiền mịn và sàng tuyển đồng nhất với kích thước hạt dưới 100 µm để tối đa hóa diện tích bề mặt phản ứng.
• Phương pháp chọn mẫu: Áp dụng kỹ thuật lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng tại các vị trí đáy và thành bể mạ nhằm thu thập mẫu có tính đại diện cao nhất cho thành phần pha kẽm - nhôm - sắt thực tế.
• Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn:
  • Quang phổ phát xạ nguyên tử (AES): Được lựa chọn để định lượng toàn diện thành phần các nguyên tố kim loại trong mẫu kẽm cứng ban đầu nhờ dải đo rộng và độ nhạy phổ cao.
  • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Sử dụng để phân tích cấu trúc vi mô và hàm lượng nguyên tố của bã rắn sau hòa tách cũng như lớp kẽm bám trên catot.
  • Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-MS): Ứng dụng để kiểm tra hàm lượng vết các ion kim loại nhôm và sắt trong pha lỏng với độ chính xác đến nồng độ phần triệu.
  • Quang phổ hấp thụ UV-Vis: Sử dụng phương pháp xây dựng đường chuẩn mật độ quang để định lượng nhanh và liên tục nồng độ ion kẽm trong suốt chu trình thực nghiệm.
• Quy trình thực nghiệm: Tiến hành hòa tách mẫu trong cốc gia nhiệt có khuấy từ ở các dải nhiệt độ và nồng độ H2SO4 khảo sát; lọc tách bã rắn; khử tạp chất sắt và nhôm bằng H2O2 và nâng pH lên 5,2 – 5,4; nạp dung dịch sạch vào bể điện phân kích thước 20x13x11 cm có hệ thống làm mát tuần hoàn 30 – 35°C với catot nhôm và anot chì để thu hồi kẽm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Hiệu suất hòa tách kẽm đạt trên 80% tại điều kiện tối ưu: Thông số tối ưu được xác lập tại nồng độ axit H2SO4 450 g/l, tỷ lệ rắn/lỏng 1/15, nhiệt độ phản ứng 80°C, tốc độ khuấy 500 vòng/phút và thời gian hòa tách 4 giờ. So với mức nhiệt độ phòng 30°C (hiệu suất chỉ đạt 52%), việc nâng nhiệt lên 80°C giúp hiệu suất thu hồi kẽm tăng thêm 28%.
• Ảnh hưởng rõ rệt của nồng độ axit sunfuric: Khi nồng độ H2SO4 tăng từ 150 g/l lên 450 g/l, hiệu suất hòa tách tăng liên tục từ 48% lên trên 80%. Tuy nhiên, việc tăng nồng độ vượt quá 450 g/l làm tăng độ nhớt môi trường do sự hòa tan của hợp chất silic tạo dạng keo, làm suy giảm tốc độ khuếch tán.
• Hiệu suất dòng điện phân vượt 80% khi kiểm soát mật độ dòng: Quá trình điện phân dung dịch kẽm sunfat đạt hiệu suất dòng trên 80% khi nồng độ kẽm duy trì trên 50 g/l và mật độ dòng điện trên 250 A/m2. Khi tăng mật độ dòng lên 350 A/m2, tốc độ bám đọng kẽm tăng 22% so với mức 200 A/m2 nhưng dễ xuất hiện mầm tinh thể nhánh cây nếu thiếu chất hoạt động bề mặt.
• Sản phẩm kẽm catot đạt độ tinh khiết trên 98%: Lớp kẽm bóc tách từ cực âm nhôm phẳng, chắc, cấu trúc hạt mịn sáng bạc khi được bổ sung từ 10 đến 20 mg/l keo gelatin làm phụ gia ức chế phân nhánh.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hòa tách kẽm cứng trong H2SO4 diễn ra theo động học phản ứng dị thể rắn - lỏng. Khi tăng tốc độ khuấy trộn từ 200 vòng/phút lên 500 vòng/phút, bề dày màng khuếch tán Nernst giảm từ khoảng 45 µm xuống dưới 15 µm, thúc đẩy nhanh quá trình chuyển khối của ion H+ tới bề mặt hạt xỉ.

So sánh với các nghiên cứu hoả luyện của Barakat (2007) chỉ đạt hiệu suất thu hồi 70,6% ở 600°C hay Abdel-latif (2008) đạt 65 – 75% ở 1400°C, phương pháp thủy luyện trong đề tài này tiết kiệm hơn 60% năng lượng và hạn chế tối đa thất thoát kẽm. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu thủy luyện quốc tế như Daoud (2014) trên xỉ đồng thau đạt 93 – 95% và Espiari (2006) trên bã thải chì đạt 98%.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa thông qua đồ thị đường cong động học biểu diễn hiệu suất hòa tách theo thời gian (0,5 – 4 giờ) kết hợp biểu đồ nhiệt 3D thể hiện sự tương tác giữa nồng độ axit (150 – 500 g/l) và nhiệt độ hòa tách (30 – 90°C). Đồng thời, bảng số liệu phân tích phổ EDX minh chứng lượng kẽm trong bã cặn rắn giảm mạnh từ 75% xuống dưới 12% sau quá trình hòa tách.

Đề xuất và khuyến nghị

• Mở rộng thử nghiệm mô hình hòa tách liên tục quy mô pilot: Thiết kế và lắp đặt hệ thống bồn phản ứng có cánh khuấy cơ học dung tích 500 lít/mẻ, duy trì nồng độ H2SO4 ổn định ở mức 400 – 450 g/l và nhiệt độ 80°C nhằm nâng hiệu suất thu hồi kẽm lên 85 – 90% trong thời gian 12 tháng do bộ phận R&D của các nhà máy tôn mạ chủ trì.
• Ứng dụng giải pháp tuần hoàn 100% dung dịch axit sau điện phân: Thiết lập đường ống thu hồi dung dịch điện phân nghèo kẽm (chứa H2SO4 tái sinh khoảng 80 – 100 g/l) quay trở lại bồn hòa tách xỉ mới. Giải pháp này giúp cắt giảm 40% chi phí hóa chất axit mới và hoàn thành lắp đặt trong vòng 6 tháng bởi đội ngũ kỹ thuật nhà máy.
• Chuẩn hóa quy trình khử tạp chất sắt và nhôm trước điện phân: Bổ sung định lượng dung dịch H2O2 30% kết hợp nâng pH lên 5,2 – 5,4 để kết tủa triệt để Fe3+ và Al3+, khống chế hàm lượng ion sắt trong dung dịch dưới 5 mg/l nhằm giữ hiệu suất dòng điện luôn đạt trên 85%, thực hiện định kỳ theo từng ca vận hành.
• Tự động hóa chế độ cấp dòng và châm phụ gia hữu cơ: Tích hợp tủ chỉnh lưu tự động kiểm soát mật độ dòng ở mức 250 – 300 A/m2 kết hợp bơm định lượng keo gelatin liên tục 15 mg/l dung dịch điện phân để loại bỏ hoàn toàn hiện tượng ngắn mạch do tinh thể nhánh cây, đảm bảo độ tinh khiết kẽm trên 99% trong vòng 9 tháng do các đơn vị chế tạo thiết bị phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư công nghệ và chuyên viên luyện kim tại các nhà máy mạ kẽm: Ứng dụng trực tiếp bộ thông số hòa tách (tỷ lệ rắn/lỏng 1/15, nhiệt độ 80°C) và điện phân (250 A/m2) để xây dựng dây chuyền tái chế xỉ kẽm 40 – 50 tấn/năm, giúp tối ưu hóa giá thành sản xuất.
• Cán bộ quản lý môi trường và phát triển bền vững trong khu công nghiệp: Sử dụng các số liệu về tỷ lệ thu hồi kim loại và giải pháp tuần hoàn dung dịch axit làm cơ sở lập báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM) và xây dựng mô hình sản xuất tuần hoàn khép kín.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ Vật liệu: Tham khảo phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm chuẩn mực, quy trình phân tích quang phổ hiện đại (AES, EDX, ICP-MS, UV-Vis) phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về thủy luyện kim màu.
• Các đơn vị đầu tư và tư vấn công nghệ tái chế chất thải công nghiệp: Khai thác bảng cân bằng vật chất và định mức tiêu hao hóa chất để lập báo cáo khả thi cho dự án xây dựng nhà máy tái chế kẽm thứ cấp công suất 1.000 đến 5.000 tấn/năm.

Câu hỏi thường gặp

• Phương pháp thủy luyện có ưu thế gì vượt trội so với hỏa luyện trong tái chế kẽm cứng? Thủy luyện vận hành ở nhiệt độ dưới 100°C so với mức nhiệt 600 – 1400°C của hỏa luyện, giúp giảm hơn 60% tiêu hao năng lượng và ngăn chặn triệt để sự thất thoát kẽm do bay hơi. Ngoài ra, thủy luyện kết hợp điện phân cho phép thu được kẽm có độ tinh khiết cao trên 98% và dễ dàng tuần hoàn dung dịch axit sau xử lý.

• Vì sao cần duy trì nồng độ ion kẽm trong dung dịch điện phân trên 50 g/l? Duy trì nồng độ Zn2+ trên 50 g/l đảm bảo tốc độ khuếch tán của ion kẽm đến catot luôn chiếm ưu thế tuyệt đối so với ion H+, giữ cho hiệu suất dòng điện ổn định trên 80%. Nếu nồng độ kẽm giảm xuống dưới 40 g/l, quá trình thoát khí hydro sẽ gia tăng mạnh, làm sụt giảm hiệu suất dòng và gây kết tủa kẽm hydroxit dạng xốp đen.

• Gelatin đóng vai trò gì trong quá trình điện phân dung dịch muối kẽm sunfat? Phụ gia gelatin hấp phụ chọn lọc lên các đỉnh tinh thể có mật độ dòng điện cao ở catot nhôm, làm tăng quá thế giải phóng hydro và kìm hãm sự phát triển bất đối xứng của tinh thể. Nhờ đó, việc châm 10 – 20 mg/l gelatin giúp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng kết tinh nhánh cây, tạo bề mặt lá kẽm phẳng mịn và đồng nhất.

• Làm cách nào để loại bỏ triệt để tạp chất sắt và nhôm trước khi đưa vào bể điện phân? Quy trình sử dụng chất oxy hóa H2O2 để chuyển toàn bộ Fe2+ thành Fe3+, sau đó nâng pH dung dịch lên mức 5,2 – 5,4. Ở ngưỡng pH này, Fe3+ (thủy phân tại pH 1,6) và Al3+ (thủy phân tại pH 3,1) kết tủa hoàn toàn thành hydroxit dạng keo và được lọc sạch ra ngoài mà không làm suy hao ion kẽm.

• Tính khả thi trong việc thương mại hóa quy trình công nghệ này tại Việt Nam ra sao? Quy trình có tính khả thi rất cao do sử dụng hóa chất H2SO4 phổ biến và thiết bị điện phân dễ chế tạo trong nước. Bằng cách tận dụng nguồn thải 40 – 50 tấn xỉ/năm của mỗi dây chuyền mạ tôn, mô hình giúp doanh nghiệp tiết kiệm 20 – 30% chi phí mua kẽm thỏi nguyên liệu trên thị trường.

Kết luận

• Xây dựng thành công quy trình công nghệ thủy luyện kết hợp điện phân tái sinh kẽm từ kẽm cứng với hiệu suất hòa tách trên 80% và độ sạch kẽm catot đạt trên 98%.
• Xác lập điều kiện hòa tách tối ưu gồm nồng độ H2SO4 450 g/l, tỷ lệ rắn/lỏng 1/15, nhiệt độ 80°C, tốc độ khuấy 500 vòng/phút trong thời gian 4 giờ.
• Hoàn thiện chế độ điện phân dung dịch kẽm sunfat với nồng độ ion kẽm trên 50 g/l, mật độ dòng trên 250 A/m2, đạt hiệu suất dòng điện trên 80% nhờ kiểm soát phụ gia gelatin.
• Cung cấp giải pháp kỹ thuật hiệu quả giúp các nhà máy tôn mạ xử lý triệt để 40 – 50 tấn chất thải xỉ kẽm mỗi năm, vừa tạo giá trị gia tăng vừa bảo vệ môi trường.
• Kế hoạch tiếp theo tập trung vào việc thử nghiệm hệ thống pilot công suất 1 tấn/ngày trong vòng 12 tháng tới nhằm hoàn thiện quy trình chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp.

Hãy liên hệ ngay với nhóm nghiên cứu công nghệ vật liệu để được tư vấn chuyển giao quy trình kỹ thuật và tối ưu hóa giải pháp thu hồi kim loại màu cho doanh nghiệp của bạn!

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, nhu cầu sử dụng kim loại nói chung và kẽm nói riêng không ngừng tăng lên. Và các mỏ quặng đáp ứng được khoảng 70% nhu cầu này, còn lại 30 % đến từ nguồn nguyên liệu tái sinh. Việc khai thác các mỏ yêu cầu đầu tư lớn và ảnh hưởng nhiều đến môi trường. Trong khi đó, nguồn nguyên liệu tái sinh đạt chất lượng tốt hơn quặng gốc hoặc ít nhất là dễ dàng cho ra kim loại hơn.

Mặc dù được xem là nguồn nguyên liệu hứa hẹn trong tương lai nhưng khi khảo sát thực tế thì lại gặp nhiều khó khăn hơn trong việc sử dụng nguồn nguyên liệu thứ cấp này, chủ yếu liên quan đến tính kinh tế, công nghệ và sự phức tạp của nguyên liệu. Tỷ lệ thu hồi kim loại từ nguyên liệu tái sinh từ 75% đến 99% tùy thuộc vào kim loại, nguồn nguyên liệu và phương pháp chế biến. [18] Trong nguồn nguyên liệu tái sinh, xỉ kẽm và kẽm cứng từ quá trình tráng nhôm kẽm lên tôn xây dựng cũng dành được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay, xỉ kẽm và kẽm cứng chỉ dừng lại ở việc dùng làm nguyên liệu cho một số sản phẩm khác nhau như: làm cho quá trình luyện kim màu như nấu đồng thau, hoặc được nghiền nhỏ làm chất độn cho sản xuất xi măng,.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Việc tái sinh các kim loại đang được nghiên cứu nhiều trên thế giới nhằm giảm áp lực cho nguồn nguyên liệu sản xuất từ quặng.

Và quan trọng hơn cả là giải quyết bài toán môi trường từ quá trình sản xuất và sử dụng kim loại. Quy trình mạ nhôm kẽm hiện nay rất được ưa chuộng và phổ biến tại Việt Nam, kéo theo là lượng xỉ thải từ quá trình này cũng tăng lên đáng kể. Tại công ty cổ phần Tôn Đông Á, chỉ riêng một dây chuyền mạ nhôm kẽm, lượng xỉ thải ra trung bình khoảng 40- 50 tấn/năm. Nếu nguồn phế liệu này được xử lý hợp lý, có thể cung cấp lượng lớn nguyên liệu kẽm sạch cho các ngành công nghiệp khác.

1 LUẬN VĂN THẠC SĨ Sản phẩm kẽm từ quy trình thủy luyện kết hợp điện phân cho chất lượng cao hơn so với phương pháp hỏa luyện, giảm thiểu sự mất mát kẽm kim loại do bay hơi trong quá trình hoả luyện. Dù vậy, số lượng nghiên cứu về quy trình thuỷ luyện kết hợp với điện phân kẽm ở nước ta hiện nay vẫn còn hạn chế, chỉ mới có vài đề tài nghiên cứu về công nghệ tái sinh kẽm từ các nguồn chứa nhiều kẽm như: xỉ kẽm, xỉ đồng thau,. Với những nhận định trên, có thể nói đề tài: “Tái sinh kẽm từ kẽm cứng bằng phương pháp thuỷ luyện” đi sâu vào nghiên cứu tái sinh kẽm cứng và cung cấp thêm phương pháp tái sinh nguồn nguyên liệu thứ cấp này.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Khảo sát ảnh hưởng của: nồng độ dung dịch axit, nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn, thời gian đến hiệu suất hòa tách kẽm cứng vào dung dịch axit sunfuric. Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố: nồng độ dung dịch và mật độ dòng điện đến quá trình điện phân dung dịch kẽm sunfat để thu kẽm nguyên chất.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHÊN CỨU 1.1 Đối tƣợng nghiên cứu Tập trung nghiên cứu và xây dựng quy trình tái sinh kẽm từ kẽm cứng từ dây chuyền mạ nhôm kẽm, ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình hoà tách trong axit sunfuric và quá trình điện phân dung dịch kẽm sunfat.2 Phạm vi nghiên cứu Quá trình hòa tách: - Các tính chất cơ bản của kẽm cứng (định lượng các nguyên tố có trong kẽm cứng): việc xác định thành phần kẽm cứng có ý nghĩa quan trọng trong tái sinh kẽm 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ cứng, đặc biệt là trong giai đoạn hòa tách, dựa vào thành phần ta có thể lựa chọn được công nghệ hòa tách và kiểm soát được quá trình hòa tách kẽm.

- Điều chỉnh các thông số: nồng độ dung dịch axit, nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn, thời gian để khảo sát ảnh hưởng của các thông số này đối với hiệu suất thu hồi kẽm trong giai đoạn hòa tách. - Đánh giá hiệu suất thu hồi kẽm trong giai đoạn hoà tách. Quá trình điện phân: - Điều chỉnh thông số: nồng độ dung dịch và mật độ dòng điện để khảo sát ảnh hưởng của các thông số này đến quá trình điện phân dung dịch thu hồi kẽm. - Đánh giá hiệu suất thu hồi kẽm trong giai đoạn điện phân.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tổng quan nghiên cứu của các tác giả khác.

- Lựa chọn khoảng khảo sát. - Thí nghiệm hoà tách và điện phân.6 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI Việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình hoà tách và điện phân cho phép đánh giá tính khả thi của đề tài. Đề tài: “Tái sinh kẽm từ kẽm cứng bằng phương pháp thuỷ luyện” đi sâu vào nghiên cứu tái sinh kẽm cứng và cung cấp thêm phương pháp tái sinh nguồn nguyên liệu thứ cấp, cung cấp kẽm với độ sạch cao, giải quyết bài toán xử lý chất thải từ quá trình sản xuất và sử dụng kim loại. 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ Kết quả của đề tài bao gồm khoảng khảo sát tối ưu cho quá trình hoà tách kẽm cứng cũng như quá trình điện phân dung dịch muối kẽm sunfat.

Và hy vọng trong tương lai kết quả từ đề tài này được xem xét lựa chọn ứng dụng trong thực tế. 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THUỶ LUYỆN Các quá trình luyện kim được chia thành hỏa luyện và thủy luyện. Định nghĩa quá trình thủy luyện: Các quá trình thủy luyện kim loại là những phương pháp chế biến quặng, tinh quặng hoặc các sản phẩm trung gian, tiến hành trong môi trường nước, nhằm thu hồi kim loại hoặc hợp chất kim loại. Các phương pháp thủy luyện được dùng rộng rãi vì: - Thu hồi được kim loại từ quặng nghèo và khó tuyển, tiêu hao hóa chất ít, thiết bị đơn giản, điều kiện nhiệt độ thấp.

- Dùng phương pháp thủy luyện có thể xử lý tổng hợp quặng để thu hồi các nguyên tố có giá trị với hiệu suất cao. - Hiệu quả kinh tế của các phương pháp thủy luyện cao, điều kiện lao động tốt. Tuy nhiên, các phương pháp thủy luyện đơn thuần không đáp ứng tất cả các yêu cầu của công nghệ chế biến kim loại, cho nên trong thực tế sản xuất, các phương pháp thủy luyện phải kết hợp với các phương pháp khác. Các quá trình thủy luyện được phân thành 3 giai đoạn chủ yếu: - Chuyển các cấu tử có ích từ nguyên liệu vào dung dịch.

- Chuẩn bị dung dịch để thu hồi cấu tử có ích. - Thu hồi cấu tử có ích dưới dạng kim loại hoặc hợp chất kim loại. Quá trình chuyển các cấu tử có ích từ nguyên liệu vào dung dịch là quá trình hòa tách, bằng cách cho nguyên liệu tác dụng với dung môi. 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ Quá trình chuẩn bị dung dịch bao gồm việc lọc tạp chất ra khỏi dung dịch bằng các phương pháp khác nhau (lắng, lọc các hợp chất ít hòa tan), khử các tạp chất bằng bằng cách hấp thụ (trao đổi ion, chiết ly), làm đặc dung dịch bằng phương pháp cô đặc, trao đổi ion, chiết ly.

Quá trình thu hồi cấu tử có ích là quá trình tách chúng ra khỏi dung dịch bằng các phương pháp như kết kinh, kết tủa hợp chất hòa tan, hoàn nguyên bằng pha khí, xi măng hóa, điện phân.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HOÀ TÁCH 2.1 Khái niệm hoà tách Hòa tách là quá trình hòa tan chọn lọc các cấu tử có ích từ quặng, tinh quặng hoặc từ các cấu tử khác vào dung dịch. A(r) + B(l)  C (r) + D (l) Nguyên nhân làm cho kim loại từ nguyên liệu đi vào trong dung môi: - Sự dao động của các phân tử chất rắn quanh vị trí cân bằng của chúng. - Sự hút của các phần tử dung môi và sự xâm nhập của chúng vào mạng tinh thể chất rắn. Quá trình hòa tách bao gồm 6 giai đoạn chính sau: - Khuếch tán các phân tử dung môi đến mặt của pha rắn qua lớp tĩnh Nernst (khuếch tán ngoài).

- Khuếch tán dung môi qua lớp sản phẩm rắn (khuếch tán trong). - Hấp phụ các phân tử dung môi trên mặt phản ứng. 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ - Phản ứng hóa học giữa dung môi và chất rắn trên mặt chất rắn. - Khuếch tán các chất hòa tan từ mặt phản ứng qua lớp sản phẩm rắn.

- Khuếch tán sản phẩm hòa tách qua lớp tĩnh Nernst. Sáu giai đoạn nêu trên thực chất phản ánh 2 quá trình: - Quá trình truyền khối: gồm các giai đoạn khuếch tán dung môi vào bề mặt phản ứng và khuếch tán các sản phẩm phản ứng ra khỏi mặt phản ứng. - Quá trình hóa học: bao gồm bản thân phản ứng hòa tan và hấp phụ dung môi lên bề mặt phản ứng. Ở mỗi giai đoạn, quá trình tiến hành với tốc độ nhất định.

Tốc độ chung của phản ứng hòa tách: ∑ Với: n- số phản ứng có trong quá trình. vi - tốc độ phản ứng thứ i.ki c - nồng độ dung môi. Hằng số tốc độ được tính theo phương trình Arhenius: 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ ki = A. Exp(-E/RT) Trong đó: A - hằng số.

E - năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Hằng số tốc độ chung k được xác định theo quan hệ sau: 1/k = 1/k1 + 1/k2 + 1/khh Trong đó: k1 , k2 - hằng số tốc độ khuếch tán trong (qua lớp sản phẩm rắn) và khuếch tán ngoài(qua màng Nernst). k hh - hằng số tốc độ phản ứng hóa học. - Khi 1/k1 + 1/k2 >> 1/khh thì quá trình thuộc miền động học khuếch tán.

Tức là tốc độ của quá trình hòa tách được quyết định bởi tốc độ khuếch tán của dung môi hoặc của sản phẩm hòa tách. - Còn khi 1/k1 + 1/k2 << 1/khh thì quá trình thuộc miền động học hóa học. Trong trường hợp này, tốc độ của quá trình hòa tách được quyết định bởi tốc độ của phản ứng hóa học. Tương tác giữa dung môi và chất rắn tiến hành theo hướng từ mặt chất rắn đến tâm, cho tới khi kết thúc quá trình hòa tan.

Do đó, có thể sau phản ứng còn lại lõi không hòa tan do bao bọc bởi lớp sản phẩm rắn. Dung môi cho hòa tách: - Nước dùng hòa tách các sunphat và clorua có khả năng hòa tan tốt. - Axit là dung môi được sử dụng phổ biến nhất. Tuy nhiên, đối với các quặng khó hòa tách, phải sử dụng các axit đắt tiền hơn: HCl, HNO3, HF.

Đôi khi còn dùng hổn hợp axit (ví dụ HCl + HNO3).