Tách đồng từ dung dịch ăn mòn thải bằng chiết ly lỏng

 
Kiều Quang Phúc – Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
1. Mở đầu 
Dung dịch ăn mòn thải là một dạng phế thải có hàm lượng đồng cao. Dung dịch này được thải ra trong quá trình sản xuất bản mạch in phục vụ ngành công nghiệp điện tử. Hàng năm, ước tính có hàng trăm nghìn mét vuông mạch in được sản xuất tại Việt Nam, tương đương hàng chục nghìn mét khối dung dịch đồng clorua thải. Trung bình sản xuất mỗi mét vuông mạch in thải ra từ 1,5 – 3,5 lít dung dịch. Trong khi nguyên liệu quặng đồng đang ngày càng cạn kiệt thì dung dịch đồng clorua thải là một nguồn nguyên liệu tốt để thu hồi và tái sinh đồng kim loại. Với hàm lượng đồng trong dung dịch cao (100 – 150 g/l), việc xử lý thu hồi đồng trong dung dịch là tất yếu.
Đồng trong dung dịch thải có thể được thu hồi bằng nhiều phương pháp như xi măng hóa, điện phân, kết tủa oxit, chiết ly. Trong đó, chiết ly kết hợp với điện phân (SX-EW) thu hồi đồng là phương pháp hiện được cho là tốt nhất để xử lý dung dịch ăn mòn thải có chứa đồng.
Phương pháp SX-EW sử dụng dung môi hữu cơ có chứa chất chiết để hấp thụ đồng từ dung dịch thải. Đồng trong pha hữu cơ sau đó được giải chiết vào dung dịch (thường là dung dịch sunphat) và được thu hồi bằng điện phân. Phương pháp này cho phép thu hồi đồng từ nhiều loại nguyên liệu như quặng đồng oxit nghèo, phế liệu chứa đồng, dung dịch đồng thải... ở bất kỳ quy mô nào. Thủy luyện đồng trong đó có áp dụng công đoạn SX-EW hiện đang sản xuất khoảng 20% tổng sản lượng đồng của thế giới.
Trong nghiên cứu này, đồng kim loại được nghiên cứu chiết tách ra khỏi dung dịch thải chứa đồng thải ra từ dây chuyền sản xuất bảng mạch điện tử. Quá trình chiết sử dung chất chiết Arcoga M5640 của hãng CYTEC (USA) trong dung môi dầu hỏa. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chiết như pH của dung dịch đưa vào chiết, hàm lượng chất chiết trong pha hữu cơ, hàm lượng đồng trong dung dịch ban đầu cũng như thời gian chiết được quan tâm nghiên cứu.
2. Thực nghiệm
Dung dịch ăn mòn thải có chứa đồng được lấy từ dây chuyền sản xuất mạch điện tử của Công ty Cổ phần Sản xuất Điện tử Thành Long (tỉnh Bắc Ninh). Kết quả phân tích một số thành phần trong dung dịch được trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1. Hàm lượng của một số thành phần chính trong dung dịch ăn mòn thải
STT Thành phần Hàm lượng, g/l
1 Cu 101,48
2 HCl 60,22
3 Al 0,097
4 Ca 0,264
5 Fe 0,035
6 Pb 0,051
7 Zn 0,047
Chất chiết đồng sử dụng là Arcoga M5640 của hãng CYTEC (Mỹ), dung môi hữu cơ lựa chọn là dầu hỏa.
Dung dịch ăn mòn thải chứa đồng được pha loãng, điều chỉnh pH bằng cách cho thêm bột CaCO3 cho tới khi đạt được độ pH cần thiết cho quá trình thực nghiệm.
Pha hữu cơ sử dụng trong quá trình chiết ly được tạo thành bằng cách hòa tan chất chiết Arcoga M5640 trong dung môi dầu hỏa.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Ảnh hưởng của pH dung dịch tới quá trình chiết
Trước tiên, thực nghiệm chiết ly được tiến hành với dung dịch đầu vào không điều chỉnh pH để xác định khả năng hấp phụ đồng của pha hữu cơ trong môi trường axit. Dung dịch ăn mòn thải ban đầu có chứa 60,22 g/l HCl và 101,48 g/l Cu được đưa vào chiết ly cùng với pha hữu cơ là dầu hỏa có chứa 25% thể tích chất chiết Acorga M5640. Tỉ lệ dung dịch/pha hữu cơ là 1/1 và thời gian chiết ly 05 phút.
Kết quả cho thấy đồng trong dung dịch gần như không đi vào pha hữu cơ. Hàm lượng đồng trong pha hữu cơ chỉ đạt 1,98 g/l. Hàm lượng axit quá cao (hay pH của dung dịch ban đầu rất thấp) có thể ảnh hưởng xấu tới quá trình chiết. Do đó, điều chỉnh pH dung dịch là cần thiết để nâng cao hiệu quả của quá trình chiết.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của pH dung dịch tới quá trình chiết, pH của dung dịch trước chiết ly được điều chỉnh thay đổi từ pH = 1 tới pH = 3. Dung dịch sau khi đã được điều chỉnh pH được đưa vào chiết ly với pha hữu cơ chứa 25% chất chiết, tỉ lệ dung dịch/pha hữu cơ là 1/1, thời gian chiết ly 05 phút.
Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi dung dịch đồng clorua được điều chỉnh tới pH = 1 bằng bột CaCO3 và tiến hành chiết thì hàm lượng Cu đi vào trong pha hữu cơ đạt 9,88 g/l. Hàm lượng Cu này cao hơn nhiều lần so với hàm lượng Cu trong pha hữu cơ khi không điều chỉnh pH dung dịch. Khi pH của dung dịch tăng lên 1,5 thì nồng độ Cu trong pha hữu cơ cũng tăng lên 10,62 g/l. Tiếp theo trong khoảng pH = 1,5 – 3, hàm lượng Cu hấp thụ vào pha hữu cơ gần như không tăng thêm.
Như vậy, để quá trình chiết đạt hiệu quả cao thì pH dung dịch đồng clorua ban đầu phải ≥ 1. Các kết quả này cũng phù hợp với các công bố trước, khi sử dụng chất chiết Acorga M5640 thì dung dịch có pH > 1 là phù hợp.
3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ chất chiết trong pha hữu cơ
Tỉ lệ chất chiết là yếu tố quyết định trực tiếp đến mức độ đồng được hấp thụ vào pha hữu cơ. Tỉ lệ chất chiết càng nhiều thì lượng đồng hấp thụ được vào mỗi đơn vị thể tích pha hữu cơ càng lớn. Tuy nhiên, tỉ lệ chất chiết trong pha hữu cơ quá cao có thể dẫn đến pha hữu cơ kém linh động và tỉ trọng lớn, từ đó gây ra một số vấn đề như lắng tách pha kém, dễ tạo thành màng bởi các chất rắn lơ lửng bị giữ lại trong pha hữu cơ. Thông thường, tỉ lệ chất chiết trong pha hữu cơ được sử dụng từ 8 ÷ 35% theo thể tích tùy vào hàm lượng đồng trong dung dịch cần thu hồi.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ chất chiết trong pha hữu cơ tới quá trình chiết ly đồng, tỉ lệ chất chiết được thay đổi từ 5 ÷ 35% thể tích. Các điều kiện thực nghiệm khác như hàm lượng đồng trong dung dịch đầu vào là 101,48 g/l, pH = 1,5, tỉ lệ thể tích dung dịch/pha hữu cơ là 1/1, tốc độ khuấy 300 v/p và thời gian chiết là 05 phút.
Kết quả cho thấy khi tăng tỉ lệ chất chiết trong khoảng 5 – 25 % thì lượng đồng được hấp phụ vào pha hữu cơ cũng tăng. Trong khoảng này, nồng độ đồng trong pha hữu cơ tăng tuyến tính với tỉ lệ chất chiết. Tỉ lệ chất chiết phù hợp được chọn cho các thực nghiệm tiếp theo là 25%. Với tỉ lệ này lượng đồng lớn nhất được hấp thụ được vào pha hữu cơ đạt 10,62 g/l và rất dễ dàng tách pha hữu cơ ra khỏi dung dịch.
3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng Cu trong dung dịch tới quá trình chiết
Các thông số khác của quá trình chiết được cố định trước: pha hữu cơ chứa 25% chất chiết, tỉ lệ thể tích dung dịch/pha hữu cơ là 1/1, tốc độ khuấy 300 v/p và thời gian chiết là 05 phút. Các kết quả thu được được trình bày trên Hình 3.
Kết quả thu được cho thấy, lượng đồng được pha hữu cơ hấp thụ tăng mạnh khi tăng hàm lượng đồng trong dung dịch từ 5g/l lên 10 g/l. Lượng đồng hấp thụ tăng gần mức tới hạn của pha hữu cơ và gần như không thay đổi khi đồng trong dung dịch thay đổi từ 20 g/l đến 80 g/l. Hiệu suất của quá chiết được tính toán cho thấy tại hàm lượng đồng trong dung dịch là 10 g/l thì hiệu suất của quá trình chiết là lớn nhất (~96%). Hiệu suất chiết khi đó dạt khoảng 96%.
3.4. Ảnh hưởng của thời gian chiết
Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian khuấy (chiết), các thông số chiết khác được cố định trước: dung dịch ban đầu có hàm lượng đồng là 10 g/l, pH = 1,5, pha hữu cơ chứa 25% chất chiết, tỉ lệ thể tích dung dịch/pha hữu cơ là 1/1, tốc độ khuấy 300 v/p và thời gian chiết được thay đổi từ 10 s đến 90 s.
Kết quả cho thấy, chỉ với khoảng thời gian khuấy rất ngắn (10 s) hiệu suất chiết đã đạt khoảng 70%. Hiệu suất chiết đạt mức lớn nhất (96%) sau khoảng 60 s. Như vậy, quá trình chiết xảy ra rất nhanh hay thời gian cần thiết để phần lớn đồng trong dung dịch chuyển vào pha hữu cơ là rất ngắn. Đây cũng là một trong những ưu điểm lớn khi sử dụng chất chiết M5640.
4. Kết luận
Thực nghiệm nghiên cứu tách đồng từ dung dịch ăn mòn bảng mạch điện tử thải bằng phương pháp chiết ly sử dụng chất chiết Acorga M5640 được thực hiện. Kết quả bước đầu cho thấy, có thể tiến hành chiết ly hiệu quả với pH của dung dịch ban đầu khoảng 1,5, tỉ lệ chất chiết trong pha hữu cơ là 25% thể tích, hàm lượng đồng trong dung dịch ban đầu là 10 g/l và thời gian chiết ≥ 60 s.
Nghiên cứu cho thấy, có thể sử dụng phương pháp chiết ly sử dụng chất chiết M5640 để tách đồng từ dung dịch ăn mòn bảng mạch điện tử thải. Hiệu quả của quá trình chiết ly phụ thuộc rất lớn vào pH của dung dịch ban đầu cũng như lượng chất chiết đưa vào chiết ly. Hàm lượng đồng trong dung dịch đưa vào chiết ly và thời gian chiết (thời gian khuấy để tạo tiếp xúc giữa pha hữu cơ và dung dịch) cũng ảnh hưởng tới hiệu suất của quá trình chiết.

Đối tác
MO MIEN NAM
Vimluki
cie
Bộ Công thương
Doi tac 5