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).
