Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản xuất thiết bị và bản mạch điện tử tại Việt Nam trong hơn một thập kỷ qua đã thu hút nguồn vốn đầu tư trực tiếp nước ngoài lên đến hàng tỷ USD. Tuy nhiên, đi kèm với sự tăng trưởng kinh tế là áp lực xử lý chất thải nguy hại ngày càng lớn. Bùn thải từ các nhà máy sản xuất bo mạch điện tử chứa hàm lượng kim loại nặng rất cao, trong đó đồng chiếm tỷ trọng từ 12% đến 26% và sắt chiếm khoảng 1% đến 5%. Hiện nay, phương pháp xử lý bùn thải phổ biến tại các cơ sở trong nước chủ yếu là phối trộn đóng kén, hóa rắn bằng xi măng hoặc chôn lấp. Những giải pháp này không thể thu hồi kim loại quý, làm suy giảm dung tích lưu trữ và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm thứ cấp nghiêm trọng cho môi trường đất và nguồn nước ngầm.

Nghiên cứu được triển khai nhằm đánh giá thực trạng xử lý chất thải nguy hại tại Nhà máy xử lý chất thải Minh Tân (thành phố Hải Phòng) - đơn vị được cấp phép xử lý với công suất tối đa 73.000 tấn chất thải mỗi năm. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, xác lập điều kiện công nghệ tối ưu cho quy trình thủy luyện và tính toán thiết kế hệ thống thu hồi đồng dưới dạng muối đồng sunfat tinh khiết từ bùn thải sản xuất bản mạch điện tử của Công ty TNHH Universal Scientific Industrial Việt Nam. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 01/2021 đến tháng 09/2021. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn, giúp thu hồi trên 90% hàm lượng đồng có giá trị thương phẩm cao và giảm thiểu tải lượng chất thải nguy hại cần chôn lấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết động học hòa tách dị thể pha rắn - lỏng trong công nghệ thủy luyện kim loại và nguyên lý kết tinh dung dịch muối bão hòa. Cơ chế hòa tách dựa trên phản ứng phân hủy các hợp chất hydroxit và cacbonat đồng trong môi trường axit vô cơ theo phương trình phản ứng trao đổi ion. Động học hòa tách phụ thuộc chặt chẽ vào gradient nồng độ tác nhân phản ứng, diện tích bề mặt tiếp xúc của hạt bùn, nhiệt độ phản ứng và cường độ khuấy trộn thủy lực.

Lý thuyết kết tinh mô tả quá trình chuyển pha của phân tử muối đồng sunfat từ trạng thái hòa tan sang dạng mầm tinh thể ngậm nước khi dung dịch được làm nguội dần từ 70°C xuống 25°C. Đề tài vận dụng 4 khái niệm khoa học cốt lõi: bùn thải nguy hại ngành điện tử (chứa 18% đến 21% Cu), hiệu suất hòa tách ion kim loại, hệ số quá bão hòa kết tinh muối đồng sunfat pentahydrat và cơ chế hấp thụ khí thải axit bằng dung dịch kiềm theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 19:2009/BTNMT.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm sử dụng 20 kg mẫu bùn thải đại diện thu gom từ trạm xử lý nước thải sản xuất bo mạch của Công ty TNHH Universal Scientific Industrial Việt Nam. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ kỹ thuật lấy mẫu hỗn hợp nhiều điểm, sấy khô ở nhiệt độ 100°C trong 60 phút để loại bỏ độ ẩm bề mặt, sau đó nghiền mịn và rây đồng nhất kích thước hạt.

Nghiên cứu lựa chọn phương pháp trắc quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến trên máy đo chuyên dụng tại bước sóng cực đại 805 nm để xác định nồng độ ion đồng. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là nhờ độ nhạy quang học cao, thời gian phân tích mẫu nhanh dưới 5 phút, độ lặp lại chính xác và không đòi hỏi quy trình tách chiết phức tạp.

Thực nghiệm hòa tách được bố trí khảo sát đơn biến với 5 dải nồng độ axit sunfuric từ 0,6M đến 1,4M, tỷ lệ khối lượng rắn/lỏng từ 8g/100mL đến 16g/100mL, thời gian phản ứng từ 20 đến 90 phút, nhiệt độ từ 25°C đến 100°C và tốc độ khuấy từ 40 đến 80 vòng/phút. Quá trình kết tinh được thử nghiệm ở tốc độ khuấy 60 đến 90 vòng/phút trong thời gian từ 1 đến 2 giờ. Toàn bộ chuỗi thí nghiệm được thực hiện liên tục từ tháng 01/2021 đến tháng 09/2021 tại phòng thí nghiệm chuyên sâu của Nhà máy Minh Tân.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích thành phần ban đầu cho thấy bùn thải điện tử chứa hàm lượng đồng rất cao, dao động từ 18% đến 21%, hàm lượng sắt từ 3% đến 5% và canxi từ 1% đến 3%. Điều này khẳng định bùn thải là nguồn tài nguyên thứ cấp dồi dào để tái chế kim loại.

Thực nghiệm hòa tách xác định điều kiện tối ưu đạt được khi sử dụng dung dịch axit sunfuric nồng độ 1,0M, tỷ lệ rắn/lỏng 10g/100mL, thời gian hòa tách 60 phút ở nhiệt độ phòng 25°C với tốc độ khuấy 60 vòng/phút. Tại điều kiện này, hiệu suất hòa tách đồng đạt mức 92% đến 96%, cao hơn khoảng 27% so với khi sử dụng nồng độ axit 0,6M (chỉ đạt khoảng 65% đến 68%).

Quá trình kết tinh dung dịch đồng sạch cho thấy khối lượng tinh thể muối đồng ngậm nước đạt giá trị tối ưu ở tốc độ khuấy 60 vòng/phút sau 90 phút làm nguội. Kéo dài thời gian kết tinh lên 120 phút chỉ làm tăng khối lượng tinh thể thêm dưới 1,2%, không mang lại hiệu quả kinh tế. Tinh thể muối sau khi lọc và vắt ly tâm ở tốc độ 600 vòng/phút trong 60 phút đạt trạng thái muối bão hòa khô ráo, hàm lượng tạp chất sắt trong sản phẩm chỉ chiếm khoảng 0,103%, hoàn toàn đạt tiêu chuẩn thương phẩm công nghiệp.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hòa tách diễn ra mạnh mẽ nhờ phản ứng của axit sunfuric với các hợp chất chứa đồng giải phóng ion Cu2+ vào dung dịch. Tuy nhiên, khi tăng nồng độ axit lên mức 1,4M hoặc tăng tỷ lệ rắn vượt quá 14g/100mL, hiệu suất hòa tách có xu hướng chững lại hoặc giảm nhẹ. Hiện tượng này được giải thích do nồng độ axit quá đậm đặc thúc đẩy tốc độ phản ứng tạo bọt khí CO2 cục bộ, làm các hạt bùn kết tụ bám dính vào nhau và giảm diện tích tiếp xúc hiệu dụng pha rắn - lỏng.

Kết quả nghiên cứu hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế về việc sử dụng axit sunfuric ở nồng độ xấp xỉ 0,84M đến 1,0M để tối ưu chi phí hóa chất mà vẫn đảm bảo hiệu suất thu hồi trên 90%.

Dữ liệu thực nghiệm được minh chứng rõ nét qua đường chuẩn quang phổ tuyến tính ở bước sóng 805 nm với hệ số tương quan cao, cùng các đồ thị biểu diễn sự suy giảm hiệu suất hòa tách khi tỷ lệ rắn/lỏng vượt quá 10g/100mL. Các bảng tính toán cân bằng vật chất và năng lượng đã cung cấp thông số đầu vào chính xác để thiết kế kích thước bồn hòa tách và bồn kết tinh cơ giới hóa ở quy mô công nghiệp tại nhà máy.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và tính toán công nghệ, các giải pháp kỹ thuật và quản lý được đề xuất cụ thể như sau:

  • Đầu tư lắp đặt hệ thống thủy luyện cơ giới hóa đồng bộ gồm bồn hòa tách composite chịu axit và bồn kết tinh có cánh khuấy điều tốc, nhằm đạt mục tiêu thu hồi tối thiểu 90% kim loại đồng từ bùn thải điện tử, hoàn thành thi công và chạy thử trong quý 2 năm 2023 do Ban Giám đốc Nhà máy xử lý chất thải Minh Tân chỉ đạo thực hiện.
  • Chuẩn hóa quy trình vận hành kỹ thuật bằng cách cố định nồng độ axit sunfuric ở mức 1,0M, duy trì tỷ lệ rắn/lỏng 10g/100mL trong thời gian hòa tách 60 phút ở nhiệt độ 25°C, giúp cắt giảm 15% lượng hóa chất tiêu hao trong giai đoạn 2023 - 2024 do Đội ngũ kỹ sư vận hành nhà máy phụ trách.
  • Xây dựng hệ thống xử lý khí thải cục bộ gồm tháp hấp thụ đệm phun dung dịch kiềm natri hydroxit ngược chiều, nhằm trung hòa triệt để 100% hơi axit sunfuric và khí cacbonic phát sinh, đảm bảo nồng độ xả thải đạt cột B theo QCVN 19:2009/BTNMT trong vòng 6 tháng kể từ khi lắp đặt do Bộ phận an toàn môi trường nghiệm thu.
  • Mở rộng hợp tác ký kết hợp đồng thu gom bùn thải với ít nhất 15 doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện tử lớn tại các khu công nghiệp Hải Phòng, Bắc Ninh và Thái Nguyên, hướng tới nâng công suất xử lý đạt 2.500 tấn bùn thải mỗi năm vào cuối năm 2024 do Phòng Kinh doanh triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, là tài liệu tham khảo hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư công nghệ môi trường và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy xử lý chất thải công nghiệp: Ứng dụng trực tiếp bản vẽ thiết kế bồn hòa tách, bồn kết tinh và thông số vận hành ly tâm 600 vòng/phút để cải tạo, nâng cấp dây chuyền xử lý bùn thải kim loại tại cơ sở.
  • Lãnh đạo và quản lý môi trường tại các doanh nghiệp sản xuất bản mạch điện tử: Hiểu rõ đặc tính dòng thải chứa 18% đến 21% đồng để xây dựng phương án phân loại nguồn thải, tối ưu hóa chi phí ký hợp đồng xử lý chất thải nguy hại với các đơn vị tái chế.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và thanh tra tài nguyên môi trường: Sử dụng các số liệu thực tế về định mức tiêu hao hóa chất và kiểm soát phát thải theo Thông tư 02/2022/TT-BTNMT phục vụ công tác thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường và cấp giấy phép môi trường.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ hóa học: Khai thác phương pháp đo quang UV-Vis ở bước sóng 805 nm và mô hình động học hòa tách làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu về tái chế tài nguyên từ chất thải nguy hại.

Câu hỏi thường gặp

Hàm lượng kim loại đồng có trong bùn thải sản xuất bản mạch điện tử chiếm tỷ lệ bao nhiêu? Theo kết quả phân tích thực nghiệm từ mẫu bùn thải công nghiệp điện tử, hàm lượng đồng chiếm tỷ lệ rất cao từ 18% đến 21% khối lượng khô. Tỷ lệ này cao gấp hàng chục lần so với quặng đồng tự nhiên (thường chỉ 0,5% đến 2%), đi kèm với 3% đến 5% sắt và 1% đến 3% canxi.

Tại sao công nghệ thủy luyện lại ưu việt hơn hỏa luyện trong việc thu hồi đồng từ bùn thải? Phương pháp thủy luyện phản ứng ở điều kiện nhiệt độ thường khoảng 25°C, tiêu tốn ít năng lượng hơn rất nhiều so với hỏa luyện vốn đòi hỏi nung chảy ở nhiệt độ trên 1.250°C. Thủy luyện không làm phát sinh lượng lớn xỉ thải và khí thải độc hại, đồng thời đạt hiệu suất thu hồi muối đồng sạch trên 92%.

Các thông số vận hành tối ưu nhất cho quá trình hòa tách đồng là gì? Điều kiện hòa tách tối ưu được xác lập gồm: dung dịch axit sunfuric nồng độ 1,0M, tỷ lệ khối lượng rắn/lỏng là 10g/100mL, thời gian phản ứng 60 phút ở nhiệt độ phòng 25°C kết hợp tốc độ khuấy trộn 60 vòng/phút, cho hiệu suất trích ly đồng cao nhất mà tiết kiệm hóa chất.

Sản phẩm muối đồng thu hồi có đạt tiêu chuẩn chất lượng để bán ra thị trường không? Muối đồng sunfat ngậm nước thu được sau quá trình kết tinh và vắt ly tâm 600 vòng/phút trong 60 phút có độ tinh khiết cao. Tạp chất sắt chỉ chiếm tỷ lệ khoảng 0,103%, hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật để ứng dụng làm hóa chất xử lý nước, sản xuất phân bón vi lượng và diệt khuẩn trong nông nghiệp.

Lượng khí thải axit phát sinh trong quá trình hòa tách được xử lý bằng cách nào? Toàn bộ hơi axit sunfuric và khí cacbonic sinh ra từ phản ứng hòa tách được quạt hút gom kín vào tháp hấp thụ đệm. Tại đây, dòng khí tiếp xúc ngược chiều với dung dịch kiềm natri hydroxit phun sương áp lực cao, giúp trung hòa hoàn toàn axit và đảm bảo khí thải đầu ra đạt chuẩn QCVN 19:2009/BTNMT cột B.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện hiện trạng quản lý 73.000 tấn chất thải nguy hại mỗi năm tại Nhà máy Minh Tân, khẳng định sự cần thiết của việc đầu tư công nghệ tái chế bùn thải điện tử.
  • Xác định chính xác đặc tính bùn thải của Công ty Universal Scientific Industrial Việt Nam chứa 18% đến 21% đồng, là nguồn tài nguyên có giá trị kinh tế lớn.
  • Xác lập bộ thông số hòa tách tối ưu bằng dung dịch axit sunfuric 1,0M với tỷ lệ rắn/lỏng 10g/100mL trong 60 phút, đem lại hiệu suất thu hồi đồng đạt trên 92%.
  • Hoàn thiện quy trình kết tinh dung dịch bão hòa và vắt ly tâm 600 vòng/phút, tạo ra sản phẩm muối đồng sunfat pentahydrat chất lượng cao với hàm lượng tạp chất sắt chỉ 0,103%.
  • Tính toán thiết kế hoàn chỉnh hệ thống thiết bị hòa tách, kết tinh và tháp hấp thụ khí thải kiềm đạt chuẩn môi trường QCVN 19:2009/BTNMT cột B.

Công trình đóng góp một giải pháp công nghệ hoàn chỉnh, giải quyết đồng thời bài toán bảo vệ môi trường và thu hồi tài nguyên kim loại quý trong sản xuất công nghiệp. Bước tiếp theo của dự án là chế tạo thử nghiệm hệ thống mô hình bán công nghiệp công suất 500 kg bùn/mẻ trong quý 3 năm 2023. Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu quan tâm vui lòng liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc tra cứu toàn văn tài liệu để nhận chuyển giao công nghệ xử lý bùn thải điện tử tiên tiến này.