Nghiên cứu công nghệ tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò điện hồ quang thép phế liệu

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ - LUYỆN KIM





BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẬN THU MỘT SỐ
NGUYÊN TỐ CÓ ÍCH TRONG BỤI LÒ ĐIỆN HỒ
QUANG LUYỆN THÉP PHẾ LIỆU



Chủ nhiệm đề tài: ThS. Đỗ Hồng Nga






7649
02/02/2010


HÀ NỘI - 2010

NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

TT Họ và tên Chuyên môn Cơ quan
1 Đỗ Hồng Nga Th.S Luyện kim màu Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim
2 Ngô Ngọc Định KS Luyện kim màu Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim
3 Trần Thị Hiến Th.S Tuyển khoáng Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim
4 Nguyễn Hồng Quân KS Luyện kim màu Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim
5 Nguyễn Hòa An KS Luyện kim Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim
6 Nguyễn Văn Tích KS Cơ khí Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim




















Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
2

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 5
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 5
1.1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 7
1.2. VÀI NÉT VỀ CÔNG NGHỆ LUYỆN THÉP BẰNG LÒ ĐIỆN HỒ
QUANG Ở VIỆT NAM 7

1.3. TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9
1.3.1. Đặc điểm và phạm vi sử dụng hợp chất kim loại cần thu hồi 9
1.3.2. Lý thuyết quá trình hòa tách 10
1.3.3. Lý thuyết quá trình làm sạch dung dịch hòa tách 11
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC CHUẨN BỊ
14

2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14
2.2. MẪU NGHIÊN CỨU 14
2.3. NGUYÊN VẬT LIỆU HÓA CHẤT DÙNG CHO NGHIÊN CỨU 15
2.4. THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 15
2.5. CÔNG TÁC PHÂN TÍCH 15
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 17
3.1. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 17
3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 18
3.2.1. Nghiên cứu thành phần vật chất 18
3.2.2. Nghiên cứu quá trình hòa tách bằng dung dịch H
2
SO
4

19
3.2.3. Nghiên cứu quá trình làm sạch dung dịch hòa tách 24
3.2.4. Nghiên cứu quá trình kết tủa kẽm bazơ cacbonat 27
3.2.5. Nghiên cứu quá trình nung kết tủa nhận kẽm oxit 30
3.2.6. Nghiên cứu xử lý bã sau hòa tách để thu hồi chì, sắt 33
3.3. THÍ NGHIỆM QUY MÔ MỞ RỘNG TRONG PHÒNG THÍ
NGHIỆM 35

Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
3
3.4. VÀI NÉT VỀ ĐỊNH HƯỚNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG 36
3.4.1. Định hướng xử lý chất thải khí 36
3.4.2. Định hướng xử lý chất thải rắn 36
3.4.3. Định hướng xử lý chất thải lỏng 37
3.5. TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 37
3.5.1. Tóm tắt các thông số công nghệ 37
3.5.2. Sơ đồ công nghệ kiến nghị 38
3.5.3. Dự kiến sơ bộ tiêu hao nguyên, nhiên vật liệu 40
3.6. ĐỊNH HƯỚNG ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 41
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44


Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
4
MỞ ĐẦU
Ở Việt Nam, phần lớn thép được sản xuất bằng lò điện hồ quang. Thép
phế liệu là một trong những nguồn nguyên liệu chính để tái sản xuất thép.

Hàng năm, từ các nhà máy luyện thép phế liệu thải ra hàng ngàn tấn bụi lò.
Thành phần chủ yếu của bụi lò này là ôxit sắt, ôxit kẽm và ôxit kim loại màu
khác như chì, đồng, Bụi lò hồ quang chứa một số nguyên tố có tính chất độc
hại, nếu bị phát tán ra môi trường sẽ gây ô nhiễm nên thường phải có biện
pháp xử lý đặc biệt. Tuy nhiên, loại bụi này lại chứa một số nguyên tố có ích
(đặc biệt là kẽm) với hàm lượng khá cao nên vấn đề đặt ra là cần phải thu hồi
chúng.
Hiện nay, bụi lò điện hồ quang của các nhà máy sản xuất thép tại Việt
Nam chưa có biện pháp xử lý tập trung và hiệu quả. Chúng được thu gom lạ
i
với khối lượng lớn, bán cho thị trường Trung Quốc. Điều này gây lãng phí
nguồn tài nguyên trong nước.
Nhằm tìm ra hướng công nghệ xử lý bụi lò hồ quang luyện thép phế
liệu một cách kinh tế để thu hồi một số nguyên tố có ích, hạn chế chất thải rắn
chứa các nguyên tố ảnh hưởng lớn đến môi trường, tận thu nguồn tài nguyên
quý giá và đa dạng hóa thị trường sản phẩm, B
ộ Công Thương cho phép Viện
Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim triển khai đề tài “Nghiên cứu công
nghệ tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò điện hồ quang luyện thép
phế liệu” theo quyết định số 6363/QĐ - BCT ký ngày 02 tháng 12 năm 2008.
Kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa thực tiễn, làm cơ sở cho việc định
hướng xử lý hiệu quả nguồn phế liệu này với m
ục tiêu:
- Xây dựng quy trình công nghệ tận thu một số nguyên tố có ích từ bụi lò
hồ quang luyện thép phế liệu.
- Sản phẩm nhận được là: ZnO 95 - 97 % đáp ứng tiêu chuẩn cho một số
lĩnh vực như: sơn, cao su, gốm sứ ; hợp chất sắt (Fe ≥ 55 %) đáp ứng tiêu
chuẩn luyện kim đen; hợp chất chì (Pb > 20%) cung cấp cho nhà máy
luyện chì.

Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Sản lượng thép thế giới tăng trưởng rất nhanh, đặc biệt trong nửa sau
của thế kỷ XX đến nay, năm 2006 đạt 1.240 triệu tấn/năm. Cùng với sự tăng
sản lượng thép, sản lượng bụi từ lò hồ quang cũng gia tăng. Thành phần của
bụi phụ thuộc chủ yếu vào nguyên liệu nấu luy
ện. Bụi lò điện hồ quang có dải
thành phần rộng. Bảng 1 dưới đây chỉ ra thành phần hóa học chính của bụi lò
hồ quang 1 và bụi lò hồ quang 2 được lấy từ nhà máy luyện thép DongKook
và InChon – Hàn Quốc (9).
Bảng 1. Thành phần hóa học chủ yếu của bụi lò hồ quang ở Hàn Quốc
Thành phần, % Bụi lò hồ quang 1 Bụi lò hồ quang 2
Zn 15,9 26,7
Fe 37,7 32,3
Pb 1,85 3,16
Mn 1,16 0,94
Ca 0,73 3,64
Cr 0,28 0,11
Mg 0,16 0,55
Cu 0,30 0,20
Ni 0,03 0,01
Cd 0,02 0,03
As - 0,13
Al 1.12 0,39
Na 2,27 1,54
K 3,02 2,20

Si 1,83 1,13
Cl 6,14 4,81
S 0,55 0,62
P 0,06 0,12
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
6
Ở nước ngoài, việc nghiên cứu xử lý bụi lò hồ quang chủ yếu nhằm thu
hồi kẽm. Các phương pháp chính được sử dụng là hoả luyện và thuỷ luyện.
- Hỏa luyện:
+ Đối với bụi trong sản xuất thép cacbon hay thép hợp kim thấp có
công nghệ phổ biến như ESINEX. Với bụi trong sản xuất thép hợp kim cao
cũng có nhiều công nghệ thu hồi như Scan Dust Plasma Process, B.U.S
Process …Giải pháp này tận dụng được bụ
i, không phải chôn lấp nhưng cần
thêm năng lượng để vận chuyển, vê viên hay thiêu kết bụi [6]. Sản phẩm
chính thu được là Zn kim loại.
+ Hỏa luyện bụi lò hồ quang trong lò ống quay: hiệu suất thu hồi kẽm
cao nhưng kẽm ôxit thu được thô, giá trị kinh tế thấp, tiêu tốn nhiều năng
lượng vì phải vê viên, thiêu kết.
- Thủy luyện:
Môi trường để thủy luyện bụi lò hồ quang có thể là kiềm hoặ
c axit. Một
số phương pháp dưới đây đã được nghiên cứu để áp dụng cho đối tượng này.
+ Hòa tách bụi lò hồ quang trong môi trường kiềm [7] với nồng độ
dung dịch hòa tách NaOH: 250 -260g/l, thời gian: 30 phút, nhiệt độ: 80
0
C, tỷ
lệ L/R: 9, tốc độ khuấy: 90 v/phút. Hiệu suất hòa tách kẽm và chì đạt 80 –
85%. Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản, mức đầu tư thấp, có

thể thực hiện ở quy mô từ nhỏ đến lớn. Tuy nhiên, phương pháp này có một
nhược điểm lớn là bùn thải sau quá trình hòa tách chứa chủ yếu là sắt ôxit và
kiềm gây ô nhiễm môi trường.
+ Hòa tách bụi lò hồ quang trong môi trường axit HCl nh
ằm clorua hóa
các kim loại màu và các ôxýt của chúng [8],[9]. Một phần sắt bị hòa tan vào
trong dung dịch. Làm sạch các tạp chất thu được dung dịch kẽm clorua sạch.
Điện phân dung dịch thu được kẽm kim loại. Ưu điểm của phương pháp này
là hiệu suất hòa tách khá cao (~95%) nhưng nhược điểm là ô nhiễm môi
trường do hơi HCl tạo ra trong quá trình sản xuất.
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
7
+ Hòa tách bụi lò hồ quang trong môi trường axit H
2
SO
4
với điều kiện
nhiệt độ và áp suất thường [11],[12]. Ưu điểm của phương pháp này là dung dịch
hòa tách nồng độ không cần cao nhưng nhược điểm lớn nhất là sắt tồn tại trong
dung dịch sau hòa tách ở dạng keo jarosite (có công thức chung là
(K,Na)Fe
2
(SO
4
)
3
(OH)
6
) gây khó khăn cho khâu lắng, lọc và làm sạch dung dịch.

Để khắc phục nhược điểm này, người ta hòa tách bụi lò hồ quang trong điều kiện
áp suất cao [13]. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thiết bị chịu được áp suất
và nhiệt độ cao. Dung dịch kẽm sunfat sau quá trình làm sạch được điện phân
thành kẽm kim loại.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Đã có một số công trình nghiên cứu về tận thu và tái sinh phế liệu chứa
kẽm (bã kẽm, tro kẽm mạ nóng ), tận thu và tái sinh phế liệu chứa chì (ắc
quy), tận thu một số nguyên tố có ích Sn, Bi, Au… trong bùn dương cực quá
trình điện phân tinh luyện thiếc v.v
Ở Việt Nam, vẫn chưa có một công trình nào đề cập tới việc nghiên
cứu tận thu các nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang luyện thép phế của các
nhà máy sản xuất thép trong nước. Hiện nay, chúng được thu gom lại với khối
lượng lớn rồi bán sang thị
trường Trung Quốc.
1.2. VÀI NÉT VỀ CÔNG NGHỆ LUYỆN THÉP BẰNG LÒ ĐIỆN HỒ
QUANG Ở VIỆT NAM
Trong sản xuất thép lò điện, đầu vào gồm nguyên liệu (sắt thép phế, sắt
xốp, gang lỏng, vôi, than …), năng lượng (ôxy, than, khí thiên nhiên, điện
năng, dầu …), nước và các vật tư khác (điện cực grafit, vật liệu chịu lửa …).
Hiện nay, ngành thép của nước ta đang sử dụng hoàn toàn công nghệ lò
đi
ện. Điều này xuất phát từ việc thiếu gang lỏng (cơ sở sản xuất gang lớn nhất
nước ta là Công ty gang thép Thái Nguyên cũng chỉ sản xuất được khoảng
200.000 tấn gang/năm). Các cơ sở sản xuất phôi thép trong nước được thống
kê trên bảng 2.

Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
8
Bảng 2. Các cơ sở sản xuất phôi thép trong nước [6].

TT Nhà máy
Dung lượng lò
(tấn/mẻ)
Công suất thiết kế
(10
3
tấn/năm)
I Tổng công ty thép Việt Nam 1.100
1 Thép Lưu Xá 30 225
2 Thép Gia Sàng 9x4 75
3 Cơ khí gang thép 12 30
4 Thép Đà Nẵng 15 60
5 Thép Biên Hòa 20 90
6 Thép Thủ Đức 12 60
7 Thép Nhà Bè 12 60
8 Thép Phú Mỹ 70 500
II Các đơn vị ngoài VNSteel 1.100
1 Công ty Thép Hòa Phát 20x2 200
2 Công ty CP Kim khí Hưng Yên 20x2 200
3 Công ty Thép Vạn Lợi 30 200
4 Công ty CP Thép Đình Vũ 20x2 200
5 Các cơ sở khác 300
Tổng cộng 2.200
Nguồn: Hiệp hội Thép Việt Nam
Khí thải lò điện hồ quang có dải thành phần tương đối rộng. Thành
phần chính là bụi, kim loại nặng, SO
2
, NOx, CO
2
và các chất hữu cơ bay hơi.

Lượng bụi chứa trong khí thải lò điện hồ quang là 14-20 kg/tấn thép cacbon
và 6-15 kg/tấn thép hợp kim. Như vậy, hàng năm từ lò điện hồ quang thải ra
khoảng 13.200 - 44.000 tấn bụi (nếu lò sử dụng hết công suất thiết kế). Bụi
thu được khi xử lý khí thải bằng túi vải từ các lò điện hồ quang sản xuất thép
trong nước có thành phần hoá học tiêu biể
u như trong bảng 3.


Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
9
Bảng 3. Thành phần hoá học của bụi lò điện hồ quang sản xuất thép
trong nước, % [6]
Cấu tử Bụi từ sản xuất thép cacbon Bụi từ sản xuất thép hợp kim
Fe
tổng
25 – 50 30 - 40
SiO
2
1,5 – 5 7 - 10
CaO 4 – 15 5 - 17
Al
2
O
3
0,3 – 0,7 1 - 4
MgO 1 – 5 2 - 5
P
2
O

5
0,2 – 0,6 0,01 – 0,1
MnO 2,5 – 5,5 3 - 6
Cr
2
O
3
0,2 – 1 10 - 20
Na
2
O 1,5 – 1,9 -
K
2
O 1,2 – 1,5 -
Zn 10 – 35 2 – 10
Pb 0,8 – 6 0,5 - 2

Trước đây, bụi lò hồ quang được thu gom và chôn lấp trong điều kiện
nghiêm ngặt. Hiện nay, một phần bụi này được quay trở lại phối liệu với tinh
quặng sắt và trợ dung. Sau khi thiêu kết, chúng được dùng làm nguyên liệu
cho lò cao.
Cũng có một vài nhà máy tái sử dụng bụi làm nguyên liệu cho lò điện
luyện phôi thép. Khi đó, bụi chứa chủ yếu sắt và kẽm quay trở lại đi vào thép
lỏng. Tái sử
dụng bụi làm tăng tiêu hao điện năng mà mức độ sử dụng cũng chỉ
có giới hạn nhất định, không tận thu được kẽm và một số nguyên tố có ích
khác. Ngoài ra còn ảnh hưởng đến quá trình vận hành cũng như tuổi thọ của lò.
1.3. TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.3.1. Đặc điểm và phạm vi sử dụng hợp chất kim loại cần thu hồi
Kẽm oxyt là loạ

i bột màu trắng, ánh vàng, bền nhiệt, khi nung nóng
chuyển sang màu vàng chanh, để nguội lại chuyển màu như cũ. Kẽm oxyt
được ứng dụng trong một số ngành công nghiệp như: cao su, sơn, gốm sứ,
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
10
gạch lát, thủy tinh, làm chất phụ gia, nguyên liệu sản xuất phốt phát kẽm, đặc
biệt là có thể ứng dụng trong y học.
Sắt ôxyt Fe
2
O
3
có màu nâu đỏ, nhiệt độ chảy 1565
0
C, nhiệt độ sôi
2000
0
C. Bột sắt ôxyt được ứng dụng rộng rãi trong phân bón, sơn dầu, gốm,
vật liệu xây dựng và vật liệu chịu lửa. Đặc biệt chúng còn được sử dụng để
sản xuất hợp kim thép cao cấp.
Chì sunfat là loại bột hoặc tinh thể màu trắng, không tan trong nước,
được sử dụng trong ngành công nghiệp cao su, sản xuất muối chì….
Đồng là nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp. Xét về khối
lượng tiêu thụ, đồ
ng xếp hàng thứ ba trong các kim loại, chỉ sau thép và
nhôm. Do tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, độ bền khá cao nên đồng và hợp kim
đồng được sử dụng rộng rãi làm dây dẫn điện trong các thiết bị điện công
nghiệp và dân dụng. Ngoài ra, đồng và hợp kim đồng còn được sử dụng nhiều
trong chế tạo máy, xây dựng, sản xuất điện cực Các hợp chất đồng như
đồng oxit, đồ

ng sunfat, đồng oxyclorua cũng được sử dụng rộng rãi trong
các lĩnh vực như nông nghiệp, đóng tàu, bảo quản gỗ
1.3.2. Lý thuyết quá trình hòa tách
Cũng giống như quá trình hòa tách các nguyên liệu khác, hòa tách bụi lò
hồ quang trong dung môi là quá trình phản ứng dị thể giữa pha rắn và pha lỏng.
Hiệu suất của quá trình hoà tách không chỉ phụ thuộc vào khâu chuẩn bị
nguyên liệu, nhiệt độ, thời gian mà còn phụ thuộc vào cả dung môi hoà tách. Lựa
chọn dung môi hoà tách phải
đáp ứng những yêu cầu chủ yếu sau đây: giá thành
rẻ, dễ tái sinh, khả năng hoà tan vừa nhanh vừa có tính chọn lọc cao.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ hoà tan như: nồng độ dung
môi hoà tách, nhiệt độ, tỷ lệ lỏng/rắn, độ hạt, tính chất của chất hoà tan
Khi hòa tách bụi lò hồ quang trong dung dịch axit clohydric, một số
phản ứng chủ yếu xảy ra nh
ư sau [5]:
ZnO + 2HCl = ZnCl
2
+ H
2
O (1)
ZnFe
2
O
4
+ 2HCl = ZnCl
2
+ Fe
2
O
3

+ H
2
O (2)
FeO + 2HCl = FeCl
2
+ H
2
O (3)
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
11
Khi hòa tách bụi lò hồ quang trong dung dịch axit sunfuric, một số
phản ứng chủ yếu xảy ra như sau [7],[8]:
ZnO + H
2
SO
4
= ZnSO
4
+ H
2
O (4)
ZnFe
2
O
4
+ 4H
2
SO
4

= ZnSO
4
+ Fe
2
(SO
4
)
3
+ 4H
2
O (5)
ZnFe
2
O
4
+ H
2
SO
4
= ZnSO
4
+ Fe
2
O
3
+ H
2
O (6)
FeO + H
2

SO
4
= FeSO
4
+ H
2
O (7)
PbO + H
2
SO
4
= PbSO
4
↓+ H
2
O (8)
CuO + H
2
SO
4
= CuSO
4
+ H
2
O (9)
Dung dịch sau hòa tách chứa muối của các kim loại dễ tan vào axit
như: Zn, Fe, Cu,… Để có thể thu hồi hoặc làm sạch các nguyên tố này, dung
dịch sau hòa tách phải được xử lý bằng các phương pháp khác nhau.
1.3.3. Lý thuyết quá trình làm sạch dung dịch hòa tách
Dựa vào tính chất của kim loại hòa tan, quá trình xử lý để thu hồi

nguyên tố trong dung dịch hoặc loại bỏ chúng khỏi dung dịch chủ yếu được
tiến hành bằng 2 phương pháp: Phương pháp thủy phân và phương pháp
ximăng hóa.
Phương pháp thủy phân là phương pháp chuyển các ion kim loại thành
các hyđroxyt khó tan hoặc có độ tan rất nhỏ tách khỏi dung dịch theo phản
ứng:
Me
n+
+ nOH
-
= Me(OH)
n
↓ (10)
Bảng 4: Giá trị thủy phân và tích số độ tan của một số ion kim loại
Ion kim loại Tích số độ tan pH thủy phân
Mg
2+
1,1.10
-4
8,4
Cd
2+
1,2.10
-5
7,0
Fe
2+
1,6.10
-16
6,7

Zn
2+
4,5.10
-17
5,9
Cu
2+
5,6.10
-20
4,5
Al
3+
2,9.10
-9
3,1
Fe
3+
4.10
-38
1,6

Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
12
Trong dung dịch sau hòa tách bụi lò điện hồ quang, sắt tồn tại chủ yếu
ở dạng FeSO
4
, Fe
2
(SO

4
)
3
, đồng ở dạng CuSO
4
. Để khử sắt, người ta thường
dùng phương pháp thủy phân với tác nhân điều chỉnh pH là ZnO. Vì sắt II chỉ
bị thủy phân và kết tủa khi nồng độ của nó rất lớn và nồng độ của ZnSO
4
rất
nhỏ hay khi pH > 8,5. Nên để khử sắt II

trong dung dịch dễ dàng hơn, người
ta thường tiến hành ôxy hóa sắt II thành sắt III bằng KMnO
4
có mặt H
2
O
2

trong dung dịch sau khi hòa tách. Nguyên lý quá trình này xảy ra theo phản
ứng sau:
10FeSO
4
+ 8H
2
SO
4
+ 2KMnO
4

= 5Fe
2
(SO
4
)
3
+ 2MnSO
4
+ K
2
SO
4
+8H
2
O (11)
Fe
3+
+ 3OH
-
= Fe(OH)
3
↓ (12)
Sắt (III) hydroxit bắt đầu kết tủa ở độ pH = 1,7 do đó, nếu khống chế
độ pH ở 4,5 thì đảm bảo kết tủa xảy ra thuận lợi. Lượng dư KMnO
4
được xử
lý bằng kẽm kim loại theo phản ứng:
5Zn + 2KMnO
4
+ 8H

2
SO
4
= 5ZnSO
4
+ K
2
SO
4
+ 2MnSO
4
+ 8H
2
O (13)
Trong quá trình điều chỉnh pH để kết tủa nhằm loại các tạp chất, đồng
sunfat bị thủy phân khi pH = 4,5 theo phản ứng:
CuSO
4
+ 2H
2
O ↔ Cu(OH)
2
+ H
2
SO
4
(14)
Tuy nhiên, phản ứng này xảy ra rất chậm, nên để thu hồi triệt để đồng
trong dung dịch kẽm sunfat, dùng phương pháp ximăng hóa với tác nhân là
kẽm kim loại.

Quá trình khử tạp chất hay thu hồi nguyên tố có ích bằng phương pháp
ximăng hóa là quá trình thay thế kim loại trong dung dịch bằng một kim loại
khác, dựa trên phản ứng điện hóa giữa ion kim loại cần thu hồi với kim loại
mới đưa từ ngoài vào.
++
+→+
xy
yMexMeyMexMe
2
0
1
0
21
(15)
Phản ứng (15) chỉ xảy ra khi năng lượng tự do của hệ giảm xuống, tức
là thế điện cực của kim loại dùng để xi măng hóa âm hơn so với kim loại
được xi măng hóa:
12
MeMe
ϕ
ϕ
< (16)
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
13
Mức độ và tốc độ khử tạp phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và
hoạt tính của kẽm, nồng độ kim loại có ích trong dung dịch … Nhiệt độ ảnh
hưởng rất lớn đến tốc độ ximăng hóa. Tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ phản
ứng, tăng khả năng khuếch tán của các ion kim loại, làm giảm sự phân cực ,
do đó làm tă

ng tốc độ ximăng hóa.
Bảng 5: Thế điện cực của một số kim loại
Cực điện
Thế điện cực f
0
, V
Zn
2+
/Zn -0,762
Fe
2+
/Fe -0,441
Cd
2+
/Cd -0,401
Cu
2+
/Cu +0,344
Al
3+
/Al -1,330

Trong quá trình thu hồi nguyên tố có ích từ dung dịch kẽm sunfat bằng
phương pháp xi măng hóa, để tránh tạp chất bên ngoài vào, người ta dùng
chính kẽm làm tác nhân xi măng hóa. Như vậy, các nguyên tố có thể thu hồi
được là nguyên tố có thế điện cực lớn hơn thế điện cực của kẽm.
Khi cho kẽm kim loại vào dung dịch có mặt ion đồng, sẽ xảy ra phản
ứng xi măng hóa:
Cu
2+

+ Zn = Cu + Zn
2+
(17)
Phản ứng (17) xảy ra ngay trên bề mặt của kẽm đưa vào. Tốc độ phản
ứng phụ thuộc vào diện tích bề mặt của kim loại kẽm thay thế. Để cường hóa
quá trình này, người ta dùng kẽm dạng bột và dung dịch được khuấy trộn.

Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
14
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC
CHUẨN BỊ
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Việc lựa chọn đúng phương pháp nghiên cứu là điều rất quan trọng. Đề
tài chọn phương pháp nghiên cứu là:
- Nghiên cứu lý thuyết, tổng quan các vấn đề liên quan;
- Đánh giá chọn lựa phương pháp tiếp cận;
- Kế thừa các công trình nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước;
- Thực hiện các thí nghiệm để tìm ra các thông số công ngh
ệ hợp lý. Qua
đó, đề xuất quy trình công nghệ thích hợp xử lý bụi lò hồ quang để tận
thu một số nguyên tố có ích dưới dạng ZnO, PbSO
4
, sắt (Fe
2
O
3
+
Fe(OH)
3

) và Cu.
Về lý thuyết, có thể xử lý bụi lò hồ quang để thu hồi nguyên tố có ích
bằng hai phương pháp: Hỏa luyện và thủy luyện.
Khi dùng phương pháp hỏa luyện, hiệu suất thu hồi kim loại có thể cao
hơn nhưng sản phẩm thu được thô, giá trị thương mại thấp. Mặt khác, bụi lò
hồ quang dạng bột, nếu xử lý trong lò quay chi phí năng lượng sẽ tăng lên do
phải vê viên, thiêu kết.
Hướ
ng công nghệ thích hợp xử lý loại bụi này là dùng phương pháp
thủy luyện. Đây cũng là phương pháp chủ đạo được các nhà máy sản xuất
kẽm trên thế giới áp dụng vì tính hiệu quả kinh tế cũng như quy mô áp dụng.
Với một số ưu điểm đã nêu ở trên, đề tài chọn công nghệ thủy luyện để
nghiên cứu, dung môi hòa tách là axit sunfuric vì đây là loại dung môi có tính
năng hòa tách tốt, giá thành rẻ và dễ ki
ếm.
2.2. MẪU NGHIÊN CỨU
Mẫu nghiên cứu của đề tài là 200 kg bụi lò hồ quang luyện thép phế
liệu của Công ty Cổ phần Thép Hòa Phát. Đây là đơn vị có 02 lò điện hồ
quang luyện thép với dung tích mỗi lò là 20 tấn/mẻ. Nếu sử dụng hết công
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
15
suất thiết kế lò thì sản lượng thép mỗi năm là 200.000 tấn/năm và lượng bụi
tương ứng thải ra khoảng 2.800 - 4.000 tấn bụi lò hồ quang/năm.
2.3. NGUYÊN VẬT LIỆU HÓA CHẤT DÙNG CHO NGHIÊN CỨU
- Axit H
2
SO
4
loại P và kỹ thuật

- Bột kẽm oxyt 96,0 %.
- Bột kẽm kim loại 99,0 %.
- MnO
2
, KMnO
4
, H
2
O
2

- Na
2
CO
3
, NH
4
OH
2.4. THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
Đề tài đã sử dụng một số thiết bị chính là:
- Tủ sấy mẫu 0 – 300
0
C (Trung Quốc)
- Hệ thống thiết bị hòa tách nhiệt độ 0-100
0
C
- Lò nung nhiệt độ t
0

max

1200
0
C (Anh)
- pH mét Hanna (Italia)
- Máy tuyển từ từ trường cao
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị hòa tách được trình bày trên hình 1.
2.5. CÔNG TÁC PHÂN TÍCH
Công tác phân tích được thực hiện tại Trung tâm phân tích Hóa- lý
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim, Trung tâm phân tích Khoáng
sản Cục Địa chất Khoáng sản.








Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
16


1. Động cơ khuấy, 2. Cánh khuấy, 3. Dung dịch hòa tách, 4. Que thăm,
5. Nhiệt kế, 6. Phễu cấp liệu, 7. Dầu ổn nhiệt, 8. Mẫu nghiên cứu

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị hòa tách

Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

17
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
3.1. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
Như đã trình bày ở trên, hướng công nghệ để xử lý bụi lò điện hồ
quang là phương pháp thủy luyện với dung môi hòa tách là axit H
2
SO
4
. Sơ đồ
công nghệ dự kiến được nêu trong hình 2.

Hình 2. Sơ đồ công nghệ dự kiến
Bã hòa tách

Hòa tách
Dd H
2
SO
4
Trung hòa
ZnO

Dung dịch
Nung
Sản phẩm ZnO

ZnCO
3

Na
2
CO

3

Fe hydroxit
Xử lý
Sản phẩm
PbSO
4
Ximăng hóa
Bột Zn

Cu
Bãi thải

Kết tủa
Bụi lò điện hồ quang
Chuẩn bị liệu
MnO
2
Bãi thải

Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
18
3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.2.1. Nghiên cứu thành phần vật chất
Với từng đối tượng khác nhau, việc nghiên cứu thành phần vật chất là
rất quan trọng. Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, biết được hàm lượng
cũng như dạng tồn tại của vật chất trong mẫu, có thể làm sáng tỏ hoặc rút
ngắn đi một hay nhiều công đoạn.
Mẫu sau khi được gia công, giản lược, tiến hành l

ấy mẫu công nghệ đi
phân tích độ ẩm và thành phần vật chất. Kết quả cho thấy rằng: mẫu có độ ẩm
là 7%.
3.2.1.1. Thành phần hóa học
Kết quả phân tích thành phần hóa học được trình bày trong bảng 6.
Bảng 6. Thành phần hóa học của bụi lò điện hồ quang Hòa Phát, %
Zn Fe Pb Cu Ca Mg
24,4 26,8 2,9 0,15 4,35 2,5

3.2.1.2. Thành phần khoáng vật
Đề tài đã sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen để xác định dạng
tồn tại của các hợp chất có trong bụi lò điện hồ quang Hòa Phát. Kết quả
thành phần khoáng vật được trình bày trên bảng 7 (xem hình biểu diễn nhiễu
xạ Rơnghen phần phụ lục).
Bảng 7. Thành phần khoáng vật của bụi lò điện hồ quang Hòa Phát
Thành phần khoáng vật Hàm lượng, %
Zincite – ZnO 34-36
Franklinite – Zn
0.945
Fe
1.78
O
4
27-29
Ôxyt chì – PbO 5-7
Quartz – SiO
2
4-6
FeSi 6-8

Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
19
Nhận xét chung về bụi lò điện hồ quang Hòa Phát
Từ kết quả phân tích thành phần hóa học và khoáng vật cho thấy rằng,
trong số các nguyên tố có ích có mặt trong mẫu nghiên cứu, chiếm hàm lượng
lớn nhất là kẽm. Tuy nhiên, kẽm nằm ở dạng hợp chất với sắt (kẽm ferrit)
cũng khá lớn. Vì vậy, để thu hồi kẽm từ hợp chất này một cách triệt để cần
phải có biện pháp nhằm khống chế sắt không tan nhiều vào trong dung dị
ch
chứa kẽm. Hàm lượng chì có mặt trong mẫu không cao nhưng cần thu hồi vì
liên quan đến vấn đề môi trường. Canxi và magiê không gây khó khăn cho
khâu hòa tách nhưng gây tổn thất axit sunfuric.
Từ những nhận định trên đây, việc nghiên cứu xử lý bụi lò điện hồ
quang dự kiến thu hồi kẽm (ZnO), chì (PbSO
4
), đồng Cu, sắt (Fe
3+
).
3.2.2. Nghiên cứu quá trình hòa tách bằng dung dịch H
2
SO
4

Đây là quá trình hòa tách chọn lọc. Mục tiêu của quá trình này là hòa
tan triệt để một số kim loại cần thu hồi: kẽm, đồng, chì và hòa tan giới hạn sắt
để sắt nằm lại trong bã không hòa tan, giúp cho quá trình làm sạch dung dịch
sau này xảy ra thuận lợi hơn.
Thực hiện quá trình này nhằm lựa chọn được thông số tối ưu ảnh

hưởng tới hiệu suất hòa tách như: nhiệt độ, thời gian, nồng độ dung dị
ch axit,
tỷ lệ lỏng/rắn.
Thao tác thực nghiệm được thực hiện như sau: Mẫu bụi lò điện hồ
quang với khối lượng như nhau được hòa tách trong dung dịch H
2
SO
4
(pha
chế từ H
2
SO
4
98% và nước). Sau đó, lọc để tách lấy dung dịch trong và bã rắn
không tan. Phần bã rắn được sấy khô, cân và đưa đi phân tích. Qua kết quả
phân tích bã ta tính được hiệu suất quá trình hòa tách.
3.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách
Chế độ thí nghiệm như sau:
- Nhiệt độ (
0
C): 50, 60, 70 và 80.
- Thời gian: 60 phút
- Nồng độ dung dịch: 10% H
2
SO
4

- Tỷ lệ L/R: 6
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

20
- Tốc độ khuấy: 120 v/phút
- Khối lượng mẫu: 100 g
Kết quả được trình bày trong bảng 8 và biểu diễn trên hình 3.
Bảng 8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách
Thành phần bã hòa tách, g Hiệu suất hòa tách, %
Nhiệt độ,
0
C
Zn Cu Zn Cu
50 2,99 0,076 87,75 49,17
60 2,67 0,052 89,04 65,22
70 2,41 0,045 90,12 70,00
80 2,38 0,045 90,23 70,19

Zn
Cu
0
20
40
60
80
100
40 50 60 70 80 90
Nhiệt độ,
0
C
Hiệu suất, %

Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách

Từ kết quả nghiên cứu cho thấy: Khi tăng nhiệt độ, hiệu suất hòa tách
kẽm và đồng tăng lên. Ở nhiệt độ 70
0
C cho hiệu suất hòa tách kẽm đạt ~ 90%
và đồng là 70%. Nhiệt độ tăng lên 80
0
C, hiệu suất tăng không đáng kể. Vì
vậy, chọn nhiệt độ hòa tách thích hợp là 70
0
C.
3.2.2.2. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách
Chế độ thí nghiệm như sau:
- Thời gian (phút): 60, 90, 120 và 150.
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
21
- Nhiệt độ: 70
0
C
- Nồng độ dung dịch: 10% H
2
SO
4

- Tỷ lệ L/R: 6
- Tốc độ khuấy: 120 v/phút
- Khối lượng mẫu: 100 g
Kết quả được trình bày trong bảng 9 và biểu diễn trên hình 4.
Bảng 9. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách
Thành phần bã hòa tách, g Hiệu suất hòa tách, %

Thời gian,
phút
Zn Cu Zn Cu
60 2,41 0,045 90,12 70,00
90 1,28 0,009 94,75 94,00
120 0,94 0,004 96,15 97,33
150 0,90 0,004 96,31 97,33

Zn
Cu
0
20
40
60
80
100
30 60 90 120 150 180
Thời gian, phút
Hiệu suất, %

Hình 4. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách
Từ kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, kéo dài thời gian, hiệu suất hòa
tách tăng. Tuy nhiên, khi hòa tách ở thời gian 150 phút hiệu suất hòa tách kẽm
là 96,15 % tăng không đáng kể so với khi hòa tách ở 120 phút hiệu suất hòa
tách kẽm là 96,31 %. Hiệu suất hòa tách đồng không thay đổi. Vì vậy, chọn
thời gian hòa tách phù hợp là 120 phút.
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
22
3.2.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến hiệu suất hòa tách

Chế độ thí nghiệm như sau:
- Nồng độ dung dịch (%): 6, 8, 10, 12.
- Nhiệt độ: 70
0
C
- Thời gian: 120 phút
- Tỷ lệ L/R: 6
- Tốc độ khuấy: 120 v/phút
- Khối lượng mẫu: 100 g
Kết quả được trình bày trong bảng 10 và biểu diễn trên hình 5.
Bảng 10. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến hiệu suất hòa tách
Thành phần bã hòa tách, g Hiệu suất hòa tách, %
Nồng độ dung dịch,
%
Zn Cu Zn Cu
6 4,07 0,096 83,32 36,00
8 2,40 0,024 90,16 84,00
10 0,94 0,004 96,15 97,33
12 0,92 0,003 96,23 98,00
Zn
Cu
0
20
40
60
80
100
468101214
Nồng độ dung dịch, %
Hiệu suất, %

Hình 5. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến hiệu suất hòa tách
Kết quả nghiên cứu cho thấy: tăng nồng độ dung dịch hòa tách hiệu
suất hòa tách kim loại tăng nhanh. Tuy nhiên, tăng nồng độ lên quá 10%, hiệu
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
23
suất hòa tách tăng không đáng kể. Vì vậy, chọn nồng độ dung dịch hòa tách
phù hợp là 10%.
3.2.2.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn đến hiệu suất hòa tách
Chế độ thí nghiệm như sau:
- Tỷ lệ lỏng/rắn: 4, 5, 6, 7
- Nhiệt độ: 70
0
C
- Thời gian: 120 phút
- Tỷ lệ L/R: 6
- Tốc độ khuấy: 120 v/phút
- Khối lượng mẫu: 100 g
Kết quả được trình bày trong bảng 11 và biểu diễn trên hình 6.
Bảng 11. Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn đến hiệu suất hòa tách
Thành phần bã hòa tách, g Hiệu suất hòa tách, %
Tỷ lệ L/R
Zn Cu Zn Cu
4 1,82 0,013 92,54 91,33
5 1,64 0,008 93,28 94,66
6 0,94 0,004 96,15 97,33
7 0,93 0,0035 96,19 98,00
Zn
Cu

50
60
70
80
90
100
345678
Tỷ lệ L/R
Hiệu suất, %

Hình 6. Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn đến hiệu suất hòa tách
Nghiên cứu CN tận thu một số nguyên tố có ích trong bụi lò hồ quang
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
24
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: Khi tỷ lệ này thấp hơn 6 sẽ cho hiệu
suất hòa tách kẽm và đồng đều không cao. Khi tỷ lệ này cao hơn 6 thì hiệu
suất hòa tách kẽm và đồng tăng nhưng không đáng kể. Chọn tỷ lệ L/R hợp lý
nhất là 6.
Tổng hợp chế độ hòa tách tối ưu:

- Nhiệt độ: 70
0
C
- Thời gian: 120 phút
- Nồng độ dung dịch: 10% H
2
SO
4
- Tỷ lệ lỏng/rắn: 6
3.2.3. Nghiên cứu quá trình làm sạch dung dịch hòa tách

Mục tiêu của công đoạn này là tách Fe, thu hồi Cu và dung dịch kẽm
sunfat có độ sạch đạt yêu cầu trước khi tiến hành các công đoạn tiếp theo.
Quá trình thực nghiệm được thực hiện như sau: Mẫu dung dịch sau hòa
tách được lọc bỏ bã. Điều chỉnh pH bằng ZnO đến các pH nghiên cứu. Độ pH
được xác định bằng pH mét. Dung dịch sau khi lọc được phân tích các kim
lo
ại có mặt như Fe, Cu. Tiếp tục tiến hành ximăng hóa bằng kẽm kim loại để
thu hồi đồng có trong dung dịch. Sau khi lọc, phân tích hàm lượng sắt, đồng
còn lại trong dung dịch. Từ các kết quả phân tích, xác định được hiệu suất quá
trình làm sạch dung dịch để thu hồi đồng.
Bảng 12. Nồng độ các nguyên tố có trong dung dịch sau hòa tách
Hàm lượng các nguyên tố (g/l)
Mẫu
Zn Cu Fe
Dung dịch sau hòa tách 39,10 0,245 3,06

3.2.3.1. Ảnh hưởng của độ pH đến quá trình tách sắt, thu hồi đồng
Trước khi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng độ pH dung dịch đến quá
trình làm sạch dung dịch, đã tiến hành ôxy hóa Fe(II) lên Fe(III) bằng KMnO
4

với sự có mặt của H
2
O
2
.
Chế độ thí nghiệm như sau: