Tìm hiểu về ứng dụng của công nghệ điện hóa trong quá trình luyện và tinh chế kim loại đồng

Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG

STT

Hình

Nội dung

Trang

1

1

2

2

Đồ đồng sớm nhất của người châu Á
4
tìm thấy ở Việt Nam
Hiện vật sắt Cồn Rang (trái) và công cụ và vũ khí 5
bằng sắt (phải)

3

3

Quy trình xử lý quặng và tinh chế vàng

7

4

4

Quá trình nhiệt luyện hợp kim sắt

9

5

5

Sơ đồ công nghệ của một quá trình nhiệt luyện

10

6

6

Sơ đồ sản xuất gang lò cao

13

7

7

Lò luyện thép

14

8

8

Sơ đồ lưu trình thủy luyện kẽm

20

9

9

Bể điện phân đồng

24

LỜI MỞ ĐẦU

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

Điện hóa là tên gọi một lĩnh vực trong hóa học, nghiên cứu về mối liên
hệ giữa các quá trình hóa học và dòng điện. Một phản ứng hóa học xảy ra

khi có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học có một hiệu điện thế,
đây là những quá trình điện hóa. Trong các quá trình này luôn tồn tại đồng
thời hai hiện tượng: oxy hóa và oxy hóa khử (phản ứng oxy hóa khử).
Ngày nay Ðiện Hóa Học phát triển rất mạnh cả về lý thuyết lẫn ứng
dụng sự quang điện phân, các nguồn điện năng mới với hệ điện cực và dung
dịch làm từ những vật liệu hoàn toàmới. Ngoài ra những qui luật của điện
hóa còn được vận dụng có kết quả vào những quá trình xảy ra trong cơ thể
sống đó là Sinh Ðiện Hóa Học.
Kim loại là vật liệu vô cùng quan trọng trong đời sống sinh hoạt và sản
xuất của xã hội loại người từ xưa đến nay. Cùng với sự phát triển kinh tế xã
hội thì vai trò của kim loại đối với con người ngày càng tăng cũng như
những yêu cầu kĩ thuật ngày càng cao. Để sản xuất kim loại có rất nhiều
phương pháp như thủy luyện, nhiệt luyện, điện phân,…Tuy nhiên để có
được kim loại có nhiều ưu điểm như : có độ tinh khiết cao, tiết kiệm được
nguyên vật liệu, tiết kiệm thời gian, đem hiệu quả kinh tế lớn,.. thì ứng dụng
kĩ thuật công nghệ Điện hóa trong quá trình sản xuất và tinh chế kim loại là
một trong những lựa chọn được ưu tiên hàng đầu. Đề tài trong đồ án nhập
môn kĩ thuật hóa học là : Tìm hiểu về ứng dụng của công nghệ Điện Hóa
trong quá trình luyện và tinh chế kim loại đồng.

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

CHƯƠNG I : VÀI NÉT LỊCH SỬ CỦA NGÀNH LUYỆN KIM
Kim loại bắt đầu dược sử dụng vào hơn 3000 năm trước công nguyên.
Việc lần đầu tiên luyện ra kim loại từ quặng có ý nghĩa quan trọng không
kém việc tìm ra lửa.
Các kim loại được con người sử dụng sớm nhất là vàng và đồng vì có thể

tìm thấy chúng ở dạng kim loại tự sinh. Người ta thu được vàng ở Atxyri, Ai
Cập, Babylon, Hy Lạp. Đối với đồng, các vùng quặng chính được khai thác
nằm ở Tây Ban Nha, Trung Quốc, Nhật Bản và Ai Cập. Sau vàng và đồng là
thiếc, chì và thủy ngân. Các kim loại này thu được một cách ngẫu nhiên khi
đốt lửa trại (quặng tiếp xúc với than ở nhiệt độ cao) do chúng dễ bị hoàn
nguyên ở khoáng vật oxit. Thiếc là kim loại đầu tiên được luyện ra ở Trung
Quốc.

Hình 1: Đồ đồng sớm nhất của người châu Á tìm thấy ở Việt Nam

Về sau người ta biết sử dụng hợp kim đồng với thiếc gọi là đồng thanh.
Đồng thanh cứng và bền, thuận tiện cho việc chế tạo công cụ lao động, vũ
khí và đồ thờ cúng. Việc sản xuất hợp kim này đã mở ra một thời đại mới,
gọi là thời đại đồ đồng, đánh dấu bước nhảy vọt về lực lượng sản xuất.Sắt
cũng được sử dụng từ thời cổ xưa ở Ai Cập, Atxyri, Trung Quốc ở dạng
thiên thạch. Về sau con người đã luyện ra được sắt từ quặng. Người ta cho
rằng sắt được luyện ra đầu tiên ở vùng Capcadơ và chỉ được sử dụng rộng
rãi cách đây 1200-1500 TCN. Trong thiên nhiên quặng sắt nhiều hơn và giàu
hơn các quặng đồng và thiếc. Vì vậy, sắt dần dần thay thế đồng thanh và trở
thành kim loại được sử dụng nhiều nhất( thời đại đồ sắt).

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

Hình 2:Hiện vật sắt Cồn Rang (trái) và công cụ và vũ khí bằng sắt (phải)

Trước thế kỉ 18, loài người chỉ biết 10 kim loại quen biết từ thời cổ xưa
là: vàng, đồng, sắt, chì, thiếc, antimon, kẽm, bitmut, thủy ngân. Đến thế kỉ

18 số kim loại đã biết lên tới 20, đến thế kỉ 19 lên tới 50 và hiện nay là gần
80.
Trước thế kỉ 19 lượng kim loại sử dụng không đáng kể. Đến thế kỉ 19, do
việc phát triển ngành chế tạo máy, kim loại trở thành vần đề lớn và do đó
ngành công nghiệp sản xuất ra chúng, tức là ngành luyện kim, bắt đầu phát
triển mạnh. Sang thế kỉ 20 đặc biệt những năm gần đây công nghiệp sản
xuất nhôm phát triển với nhịp độ nhanh. Trước đây titan, xiriconi, crôm
chưa có dấu hiệu gì có thể ứng dụng trong thực tế vì khó thu được ở dạng
kim loại sạch. Gần đây các kim loại đó và hàng loại các kim loại quý hiếm
khác đã trở thành nhu yếu trong công nghiệp hiện đại.

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

Sang thế kỉ 20, ở nước ta ngành luyện kim xem như mới được định
hình và bước đầu đã sản xuất ra một số kim loại như gang, thép, thiếc, chì,
antimon và vàng, bạc.

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

CHƯƠNG II: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP LUYỆN KIM THÔNG
THƯỜNG
Luyện kim là lĩnh vực khoa học kĩ thuật và ngành công nghiệp điều
chế các kim loại từ quặng hoặc từ các nguyên liệu khác, chế biến các hợp
kim, gia công phôi kim loại bằng áp lực, bằng cách thay đổi các thành phần

hoá học và cấu trúc để tạo ra những tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng.
Luyện kim xuất hiện từ thời xa xưa (luyện đồng), còn từ giữa thiên niên
kỷ 2 TCN, đã có luyện sắt từ quặng.
II.1. Các quá trình trong kỹ thuật luyện kim
Luyện kim bao gồm các quá trình:














Xử lý quặng (nghiền, tuyển, đóng bánh, vê viên để chuẩn bị tách kim loại
khỏi quặng); Quặng được đóng bánh nhằm tăng cường độ bền và có kích
thước phù hợp cho quá trình luyện kim trong lò.
Tách kim loại ra khỏi quặng và các vật liệu.
Làm sạch kim loại (tinh luyện).
Sản xuất kim loại và hợp kim.
Sản xuất bột kim loại (sạch) và những loại Cacbit để phục vụ cho các quá
trình chế tạo vật liệu tổ hợp (composite) có cơ tính đặc biệt vượt trội so
với các Kim loại, hợp kim thông thường.
Chế tạo các ferro (hoặc silicon mangan..) và hợp kim trung gian phục vụ
cho luyện kim.

Đúc là quá trình đông đặc kim loại lỏng trong các loại khuôn (khuôn cát,
khuôn kim loại, khuôn đúc liên tục...) một số sản phẩm đúc có thể sử
dụng được ngay hoặc tạo ra phôi cho quá trình gia công biến dạng khác
(cán, rèn dập...).
Cán là quá trình biến dạng dẻo phôi kim loại giữa 2 trục tròn xoay. Sản
phẩm có hình học đơn giản (tròn, vằn, vuông, thoi...) đến phức tạp (đường
ray, chữ U I...)
Hình 3: Quy trình xử lý quặng và tinh chế vàng

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

Nhiệt luyện bao gồm Nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội. Tùy vào cách nung
nóng, cách giữ nhiệt và làm nguội ta có các công đoạn "Tôi" "Ram" Ủ" là những
nguyên công chủ đạo của nhiệt luyện. Ngoài ra còn các quá trình "thấm" để đạt
được cơ tính bề mặt theo nhu cầu. Hầu hết các sản phẩm gia công cơ khí không
thể sử dụng ngay nếu không qua nhiệt luyện.
Gia công hoá nhiệt và cơ nhiệt đối với kim loại.
Tráng phủ bề mặt sản phẩm kim loại để bảo vệ hoặc trang trí và khuếch tán
những kim loại và phi kim loại khác và bề mặt sản phẩm.
II.2. Các kiểu luyện

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

Có hai công nghệ luyện kim thông dụng: hỏa luyện và điện luyện

Hỏa luyện là quá trình hoàn nguyên kim loại ở nhiệt độ cao (Hỏa), phản ứng
hoàn nguyên chủ yếu là nhờ các chất có ái lực hóa học mạnh để tách kim loại ra
khỏi hợp chất của nó trong quặng. Từ đó ta thu được kim loại.
Ví dụ: quá trình hoàn nguyên sắt trong lò cao nhờ:
- Hoàn nguyên trực tiếp bởi Cacbon rắn nằm trong lò, chủ yếu phản ứng
này xảy ra ở trong Nồi Lò. Phản ứng này không phải là phản ứng chủ đạo trong
lò do Cacbon rắn không đủ linh động để có thể hoàn nguyên lượng lớn quặng
trong lò.
- Hoàn nguyên gián tiếp bởi CO. Than Cốc phản ứng khí hóa trong điều
kiện thiếu oxy trong lò cao sẽ sản sinh ra CO (còn gọi là khí hoàn nguyên) khí
CO di chuyển rất linh động trong lò đi sâu vào lõi của quặng để hoàn nguyên
các oxit sắt.
Điện luyện quá trình luyện và tinh luyện kim loại có sử dụng điện phân.
Điện luyện hay còn gọi là thủy luyện là quá trình thu hồi kim loại sạch
bằng các phản ứng hoàn nguyên ở nhiệt độ thấp trong dung môi hóa chất (nhiệt
độ thường nhỏ hơn 100°C). Nguyên tắc: dùng các chất, hợp chất tan trong nước
để đẩy kim loại sạch ra khỏi chất hợp chất của nó. Đấy là cách thu hồi kim loại
sạch đạt đến 99,99% hoặc cao hơn. Mỗi kim loại có một chế độ điện luyện khác
nhau bao gồm rất nhiều các thông số kỹ thuật như: I (cường độ dòng); U (điện
áp); T° (nhiệt độ) ... VD: điện phân nhôm sạch từ nhôm kỹ thuật ta đưa vào lò
điện phân muối nóng chảy 3 lớp sẽ thu được nhôm sạch 99.99%.
II.3. Phương pháp nhiệt
II.3.1. Sơ bộ về quá trình nhiệt luyện
Nhiệt luyện là quá trình hoàn nguyên kim loại trong môi trường có
chất oxy hóa mạnh như C, H2... để tách kim loại ra khỏi hợp chất của nó
trong quặng. Phản ứng hoàn nguyên thường tỏa nhiệt.

Hình 4: Quá trình nhiệt luyện hợp kim sắt

GVHD:TS Đặng Trung Dũng

Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

Phương
thường dùng
chế các kim
bình (với các
yếu chỉ cần
oxit đã tự
thành kim loại

pháp này
để điều
loại trung
kim loại
đun nóng
phân hủy
và oxi).

Có thể
chia quá
trình nhiệt luyện thành 3 giai đoạn chính: nung, giữ nhiệt, làm nguội. Khi
nung, tổ chức vật liệu sẽ thay đổi theo nhiệt độ, tuỳ thời điểm nâng, hạ nhiệt
với các tốc độ khác nhau mà nhiệt luyện với các phương pháp khác nhau sẽ
cho ra kim loại có tính chất khác nhau. Bất kỳ một hình thức nhiệt luyện nào
cũng bao gồm ba yếu tố quan trọng đó là: nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt
và tốc độ làm nguội từ nhiệt độ quy định đến nhiệt độ bình thường.

Hình 5: Sơ đồ công nghệ của một quá trình nhiệt luyện

Như vậy, trong nhiệt luyện có hai vấn đề quan trọng là nhiệt độ và
thời gian. Trong quá trình nhiệt luyện nếu thay đổi nhiệt độ và thời gian thì
cơ lý tính của chi tiết sẽ thay đổi rất nhiều. Ngoài ra còn phải kể đến tốc độ
nung nóng, tốc độ làm nguội. Vì vậy chế độ nhiệt luyện nào cũng bao gồm
các thông số sau:
- Nhiệt độ nung: là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung nóng.

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

- Thời gian giữ nhiệt: là thời gian cần thiết để duy trì kim loại ở
nhiệt độ nung.
- Tốc độ nguội nguội: là độ giảm của nhiệt độ theo thời gian sau thời
gian giữ nhiệt, tính ra 0 C/s.
- Tốc độ nung nóng chất vật liệu mong muốn.
Ưu điểm:
- Quy trình kĩ thuật không quá phức tạp, dễ thực hiện.
- Có thể làm ra tính chất của kim loại mà ta mong muốn như: dẻo, cứng…
- Tăng tuổi thọ, tăng độ cứng, tính chịu ăn mòn, độ dẻo dai và độ bền của
vật liệu.
- Sản xuất trong quy mô lớn.
-Cải thiện tính công nghệ (rèn, dập, gia công cắt, tính chịu mài, tính hàn…),
từ tính, điện tính…
Nhược điểm:
- Do cần lượng nhiệt lớn nên tiêu tốn khá nhiều năng lượng.
- Gây ô nhiễm môi trường.
II.3.2. Luyện kim đen - ứng dụng phương pháp nhiệt luyện

 Khái niệm: Luyện kim đen là sản xuất ra gang và thép (là hợp kim của sắt và
cacbon).
 Vai trò:
- Luyện kim đen là một trong những ngành quan trọng nhất của công
nghiệp nặng. Sản phẩm chính của nó là gang và thép, nguyên liệu cơ bản
cho ngành công nghiệp cơ khí và gia công kim loại để tạo ra tư liệu sản
xuất, công cụ lao động, thiết bị toàn bộ và cả vật phẩm tiêu dùng. Ngành
luyện kim đen còn cung cấp những cấu kiện bằng sắt- thép cho ngành xây
dựng. Hiện nay, nhu cầu sử dụng kim loại đen đang ngày càng tăng lên cùng
với sự phát triển của khoa học kĩ thuật và xã hội, ngành luyện kim đen càng
đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân.

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

- Kim loại đen chiếm khoảng 90% tổng khối lượng kim loại sản xuất ra
trên thế giới. Chính sự thông dụng của nó trong sản xuất và đời sống đã làm
tăng thêm tầm quan trọng của ngành công nghiệp
II.3.2.1. Quá trình sản xuất gang

Hình 6: Sơ đồ sản xuất gang lò cao

Gang là hợp kim của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ
2-5%, ngoài ra còn có một lượng nhỏ các nguyên tố khác như Si, Mn, ...
Gang cứng và dòn hơn sắt.
Có hai loại gang: gang trắng và gang xám. Gang trắng dùng để luyện
thép, gang xám dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước…

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

-Nguyên liệu sản xuất gang là quặng sắt, thí dụ quặng manhetit (chứa
Fe3O4); quặng than cốc (than đã được tinh chế); không khí giàu oxi và một
số chất phụ gia khác như đá vôi CaCO3…
- Nguyên tắc sản xuất gang: Dùng cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độ
cao trong lò luyện kim.
- Quá trình sản xuất gang trong lò luyện kim (lò cao).
Quặng sắt, than cốc, đá vôi có kích thước vừa phải được đưa qua miệng lò
cao và xếp thành từng lớp.
Không khí nóng thổi từ 2 bên lò từ dưới lên.
C + O2 → CO2
C + CO2 → 2CO
Nhờ có khí cacbon monoxit khử oxit sắt:
3CO +Fe2O3 → 2Fe +3 CO2
Sắt nóng chảy hòa tan một ít cacbon tạo thành gang.
Ngoài ra trong quặng lẫn tạp chất như MnO2, SiO2 cũng đều bị khử thành
đơn chất.
Đá vôi phân hủy thành CaO rồi oxit hóa một số tạp chất có lẫn trong quặng
như SiO2 thành xỉ. Xỉ nhẹ nổi lên trên và đưa ra ngoài khỏi cửa lò
CaO + SiO2→ CaSiO3
II. 3.2.2. Quá trình sản xuất thép
Thép là hợp kim của sắt với cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàm
lượng cacbon chiếm dưới 2%.
-Thép có nhiều tính chất lí, hóa quý hơn sắt. Thép được dùng làm vật liệu
xây dựng, chế tạo máy, dụng cụ lao động…
- Nguyên liệu sản xuất thép là gang, sắt phế liệu, khí oxi.

- Nguyên tắc sản xuất thép là oxi hóa một số kim loại, phi kim để loại ra
khỏi gang phần lớn các nguyên tố cacbon, silic, mangan...
- Quá trình luyện thép được thực hiện trong lò Bet-xơ-me. Khí oxi
oxi hóa các nguyên tố trong gang như C, Mn, Si…

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

Sản phẩm thu được là thép.

Hình 7:
thép

Lò luyện

II.3.2.3.
trình sản
đồng

Quá
xuất

Đầu tiên
quặng tinh
sulphua
đồng được
thiêu khử
bớt

lưu huỳnh
nhận được thiêu phẩm và khí SO2. Sau đó luyện thiêu phẩm ra sten đồng,
còn khí SO2 đem đi sản xuất axit sulphuaric. Đem sten đồng đi thổi luyện ra
đồng thô, sau đó đem đồng thô đi tinh luyện bằng phương pháp hỏa tinh
luyện để nhận đồng dương cực. Đem đồng dương cực đi đúc thành tấm đồng
dương cực. Điện phân đồng dương cực nhận được đồng âm cực( chính là
đồng thương phẩm). Dưới đây là các phản ứng cơ bản của công nghệ hỏa
luyện cổ điển
- Công đoạn thiêu khử bớt lưu huỳnh:
Đầu tiên có phản ứng phân ly:
4CuFeS2 → 2Cu2S + 4FeS + 2S
Sau đó có các phẩn ứng oxy hóa một phần :
2S

+ 2O2

Cu2S +

→

2O2 →

4FeS + 7O2

→

3FeS + O2 →

2SO2
2CuO

+

2 Fe2O3

+ 4SO2

Fe3O4

SO2

+ 3SO2

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

- Công đoạn luyện ra sten đồng: Mục đích tạo ra sản phẩm sten giàu
đồng sau khi tách khỏi các tạp chất Fe3O4, để cho nó đi vào pha xỉ. Để làm
được điều đó phải cho thêm trợ dung thạch anh và vôi để tạo xỉ cùng với
Fe3O4
3Fe3O4 + FeS

+ 5SiO2

= 5[(FeO)2. SiO2] + SO2

Khi luyện sten trong lò phản xạ xỉ có thành phần : (CaOx)(FeOy)(SiO2)z.
thường xỉ có thành phần : 45% FeO, 32-35% SiO2, 5% CaO , còn lại các

chất khác.
Công đoạn thổi luyện sten đồng ra đồng thô:
Ban đầu phản ứng oxy hóa tạo xỉ sắt:
2FeS + 2O2 + SiO2 → 2FeO. SiO2 + 2SO2
Giai đoạn thổi luyện thứ hai:
2 Cu2S

+ 3O2

→

2Cu2O +2 SO2

Giai đoạn thổi luyện thứ 3 :
Cu2S

+

2Cu2O →

4Cu + SO2

- Tinh luyện đồng thô bằng phương pháp hỏa tinh luyện nhận đồng dương
cực: Khử các tạp chất dựa vào ái lực hóa học khác nhau của các kim loại đối
với oxy và độ hòa tan thấp của đa số các oxyt tạp chất trong đồng lỏng. Ái
lực của các tạp chất với oxy ở 1200oC sắp xếp theo thứ tự như sau: Zn, Fe,
Sn, As, Ni, Sb, Pb, Bi, S, Cu, Te, Se, Ag, Au. Chín nguyên tố đầu có ái lực
với oxy lớn hơn đồng. Khi oxy hóa đồng lỏng bằng phương pháp thổi luyện
không khí, do hàm lượng các tạp chất rất nhỏ so với hàm lượng đồng nên sẽ
xảy ra phản ứng oxy hóa đồng trước

2Cu

+ 1/2 O2 → Cu2O

Sau đó oxy trong Cu2O lại oxy hóa các tạp chất kể trên ( ký hiệu là Me)
theo phản ứng:
Cu2O +

Me → 2Cu

+ MeO

Các oxit tạp chất MeO được tham gia tạo xỉ và khử đi. Trên thực tế thứ
tự oxy hóa các tạp chất không phù hợp với dãy ái lực hóa học đối với oxy
mà phụ thuộc vào độ hòa tan của chúng trong đồng, nồng độ, độ bay hơi, số

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

lượng oxy được cung cấp, sự tạo thành các hợp chất với đồng và các yếu tố
khác nữa.
Sau các quá trình nhiệt luyện, sản phẩm thu được là đồng thô có hàm
lượng đồng kim loại nằm trong khoảng từ 95% đến 97%. Để sản xuất được
kim loại đồng sạch, có hàm lượng đồng kim loại lớn hơn 99,99% ứng dụng
cho thực tế sản xuất, đồng thô cần trải qua công đoạn tinh chế (thường bằng
phương pháp điện luyện - sẽ được giới thiệu chi tiết trong chương 3).
II.4. Phương pháp thủy luyện( ( điện luyện )
II.4.1 Sơ bộ về phương pháp thủy luyện

Định nghĩa: 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 (dung môi) nhằm thu hồi kim loại hoặc các hợp chất trung
gian.
Phương pháp thủy luyện còn gọi là phương pháp ướt, được dùng để
điều chế các kim loại hoạt động hóa học thấp như Au, Ag, Hg, Cu…Cơ sở
của phương pháp này là dùng nhũng dung dịch thích hợp như dung dịch
H2SO4, NaOH, NaCN…khi hòa tan kim loại hoặc hợp chất của kim loại và
tách ra khi phần không tan có trong quặng. Sau đó các ion kim loại trong
dung dịch được khử bằng kim loại có tính khử mạnh hơn, như Fe, Zn…
Thủy luyện được tiến hành có pha loãng dung dịch nước hay muối
nóng chảy tham gia, nhờ phản ứng hóa điện mà tách kim loại ra khỏi nước
hoặc dung dịch muối nóng chảy. Về mặt hóa lý có thể coi cơ sở của phương
pháp này là hóa điện hoặc điện phân.
Phương pháp thủy luyện được sử dụng rộng rãi để sản xuất hàng loạt kim
loại như: kẽm, vàng, bạc, plantin, đồng, niken, nhôm, uranium, vonfram,
molipden, tantan, niobi, vanadi, beredi và các kim loại đất hiếm.
Có thể chia quá trình thủy luyện thành 3 giai đoạn chính:
+ Chuyển các cấu tử cần tách từ nguyên liệu vào dung dịch. Đây là
quá trình chuyển các cấu tử cần tách vào dung dịch bằng cách cho nguyên
liệu tương tác chọn lọc với các hóa chất trong dung dịch nước.
+ Chuẩn bị dung dịch để thu hồi cấu tử có ích. Lọc dung dịch khỏi
các tạp chất bằng các phương pháp khác nhau (lắng, lọc các hợp chất ít hòa

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

tan), khử các tạp chất bằng cách hấp thụ (trao đổi ion, chiết ly), làm đặc

dung dịch (theo hàm lượng cấu tử cần thu hồi) bằng phương pháp cô, trao
đổi ion hoặc chiết ly sử dụng các dung môi hữu cơ.
+ Thu hồi cấu tử dưới dạng kim loại hoặc hợp chất kim loại. Là quá
trình tách cần thu hồi ra khỏi dung dịch bằng các phương pháp khác nhau
như kết tinh, kết tủa hợp chất ít hòa tan, hoàn nguyên bằng pha khí, xi măng
hóa, điện phân.
 Ưu điểm của thủy luyện:
Quá trình thủy luyện đảm bảo thu hồi kim loại từ quặng nghèo và khó
tuyển, tiêu hao ít hóa chất, thiết bị đơn giản, điều kiện quá trình diễn ra trong
nhiệt độ thấp.
Có thể xử lý tổng hợp quặng để thu hồi các nguyên tố có giá trị với hiệu suất
thu hồi cao. Ví dụ có thể thu hồi indi, tali khi sản xuất kẽm; thu hồi gali khi
sản xuất alumin; thu hồi molipden khi sản xuất vonfram...
Hiệu quả kinh tế khá cao, nhất là khi áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật.
Điều kiện lao động tương đối tốt.
 Nhược điểm:
Đầu tư khá lớn, quy trình phức tạp và đòi hỏi quá trình quản lý phức tạp.
Phương pháp này thích hợp với các loại quặng nghèo, khó tuyển và đa kim.
II.4.2. Ứng dụng của quá trình thủy luyện
II.4.2.1. Thủy luyện đồng
Thủy luyện đồng là phương pháp luyện kim dựa trên các nguyên lý về
hòa tách, kết tủa hóa học và điện hóa nhằm xử lý quặng đồng, thu hồi đồng
kim loại. Nó được dùng đối với các dạng quặng đồng sau đây: quặng đồng
oxit nghèo chứa ít vàng bạc; quặng đồng tự nhiên và nước mỏ ở vùng
khoáng sản đồng.
Hiện nay thủy luyện đồng mới chiếm khoảng 10 - 15% lượng đồng
được sản xuất ra hằng năm. Tuy nhiên, cùng với yêu cầu xử lý ngày càng
nhiều quặng đồng oxit nghèo, sự dồi dào của các sản phẩm hóa học và yêu
cầu bảo vệ môi trường, phương pháp thủy luyện đồng sẽ ngày càng hoàn
thiện và phát triển.

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

Những ưu điểm của công nghệ thủy luyện đồng hiện đại là khắc phục được
những nhược điểm của công nghệ hoả luyện như:
-

Thải phát tán khí SO2.

-

Bão hoà thị trường axit sulphuaric.

-

Chi phí đầu tư cao.

-

Phải hạn chế các tạp chất (As, Sb, Bi).

Khả năng xử lý tinh quặng chất lượng thấp cũng như tinh quặng nhiều
tạp chất, tức là có hiệu quả hơn để xử lý tinh quặng tạp.
Chi phí đầu tư thấp. Chi phí đầu tư đặc biệt thấp đối với nhà máy có
quy mô sản xuất nhỏ hơn hoả luyện.
Với công nghệ thủy luyện hiện đại có thể áp dụng với quy mô nhỏ,
không nhất thiết phải lớn như công nghệ hỏa luyện hiện đại.

-

Có thể xây nhà máy ngay tại mỏ.

1.1.1.1 II.4.2.2. Thủy luyện kẽm
Ra đời từ những năm đầu thế kỉ 20, thủy luyện kẽm với dung môi axit
sunfuric đã nhanh chóng trở thành phương pháp chính trong sản xuất kẽm
trên thế giới. Phản ứng cơ bản của quá trình hòa tách kim loại kẽm oxit hay
bột thiêu oxi hóa có dạng sau:
ZnO + H2SO4 →ZnSO4 + H2O
Cùng với kẽm còn có các kim loại tạp cũng đi vào dung dịch sunfat như
Cu, Cd, Co… Do đó dung dịch sau hòa tách được đem đi khử tạp và thu hồi
các nguyên tố tạp chất có ích khác.

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

Hình 8: Sơ đồ lưu trình thủy luyện kẽm

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA KĨ THUẬT ĐIỆN HÓA TRONG VIỆC
ĐIỆN PHÂN TINH CHẾ KIM LOẠI ĐỒNG
Sau hỏa tinh luyện, đồng đỏ thu được vẫn còn chứa 0,2 – 0,7% tạp chất
và hầu như toàn bộ kim loại quý có trong đồng thô. Để nâng cao độ sạch của

đồng (99,95 – 99,99%) và thu hồi các kim loại quý, đồng đỏ được đưa đi
điện phân tinh luyện.
Điện phân tinh luyện đồng là phương pháp điện phân với cực dương hòa
tan. Nó dựa trên cơ sở hòa tan điện hóa đồng từ cực dương và kết tủa đồng
sạch ở cực âm trong bể điện phân với dung dịch điện li là CuSO4 và H2SO4.
Các tạp chất hoặc là không bị hòa tan từ cực dương (do điện thế phóng
điện của chúng dương hơn của đồng) hoặc là tập trung trong dung dịch điện
phân (do điện thế phóng điện của chúng âm hơn của kim loại đồng). Kết quả
là người ta thu được đồng cực có độ sạch cao và bùn cực dương chứa các
kim loại quý.
Cực dương là đồng thu được sau khi hỏa tinh luyện thường có chiều dày
25 – 50mm, cân nặng 150 – 350kg. Cực âm là lá đồng sạch có chiều dày, 0,5
– 0,6mm. Dung dịch điện phân là dung dịch CuSO4 và H2SO4..
Ở cực dương, đồng hòa tan vào dung dịch chủ yếu ở dạng cation:
Cu2+: Cu – 2e → Cu2+
Các kim loại như: Zn, Ni, Pb, As, Sn, và Bi cũng bị hòa tan vào dung
dịch như đồng.
Các kim loại quý như Au, Ag; các tạp chất Cu2S, Cu2Se, Cu2Te không
hòa tan vào dung dịch mà ở lại bùn cực dương.
Ở cực âm, ngược lại, cation Cu2+ từ cực dương phóng điện đẻ thành đồng
kim loại, bám lên cực âm:
Cu2+ + 2e → Cu
Các tạp chất cùng hòa tan với dung dịch đồng nhưng do điện thế phóng
điện âm hơn đồng nên không phóng điện kết tủa lên cực âm mà vẫn nằm lại
dung dịch. Vì vậy, trong quá trình điện phân, dung dịch bị bẩn do tích lũy
tạp chất. Để tránh các tạp chất cùng phóng điện ở cực âm làm bẩn đồng cực

GVHD:TS Đặng Trung Dũng

Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

âm, sau một thời gian nhất định, cần lấy một phần dung dịch điện phân để
khử tạp chất.
Để cải thiện bề mặt cực âm và chống đoản mạch, người ta cho vào dung
dịch điện phân các phụ gia như: hồ dán, keo, dầu, bã xenlulo với số lượng từ
0,1 đến 30g/t Cu.
Bể điện phân có dạng hình hộp bằng gỗ, bên trong lót chì hay bằng bê
tông cốt thép, bên trong lót nhựa chịu axit.

Hình 9: Bể điện phân đồng

Trong bể điện phân, người ta dùng từ 20 đến 40 cực dương. Số lượng
cực âm lớn hơn cực dương một cái và đặt song song với cực dương. Bể
thường có chiều dài 3 – 3,5m; rộng 1,2 – 1,5m và sâu 1 – 1,2m.
Điện áp cần cho phân xưởng điện phân phụ thuộc vào số bể mắc nối
tiếp nhau. Điện áp rơi trên day dẫn chiếm 10 – 16% của tổng điện áp. Tròn
thực tế, điện áp của phân xưởng điện phân ít khi vượt quá 500V. Điện áp này
được cung cấp do máy phát điện một chiều, hoặc máy phát điện xoay chiều
với chỉnh lưu công suất lớn.
Để khuấy trộn tốt với dung dịch điện phân, người ta cho nó tuần hoàn
qua các bể với tốc độ 5 – 6 giờ, dung dịch trong bể được đổi mới một lần.
Tốc độ tuần hoàn trung bình dung dịch là ~ 0,02m3/ph. Nhiệt độ trong bể

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

được duy trì ở 50 – 55oC. Thành phần trung bình của dung dịch diện phân là

30 – 40 gCu/l và ~ 200g H2SO4/l.
Thao tác trong bể điện phân, cần hạn chế hiện tượng phân cực. Đó là sự
giảm đáng kể điện áp bể do tốc độ khuếch tán các ion trong dụng dich không
theo kịp tốc đọ hòa tan và kết tủa ở hai cực. Khi cường độ dòng điện tăng
lên, tốc độ hòa tan đồng ở cực dương và kết tủa ở cực âm sẽ lớn hơn tốc độ
khuếch tán các ion đồng trong dung dịch. Do đó ở lớp dung dịch gần cực
dương, nồng đọ Cu2+ sẽ cao hơn nồng độ trung bình., còn lớp dung dịch ở
gần cực âm, nồng độ dung dịch lại bé hơn nồng độ trung bình. Thế cực
dương sẽ tăng lên, thế cực âm sẽ giảm di so với thế cân bằng ban đầu. Giữa
các cực sẽ xuất hiện chênh lệch điện thế, chống lại điện áp bên ngoài. Khi
ấy, để đảm bảo điện áp bình thường của bể, cần tăng điện áp bên ngoài, tức
là tăng tiêu hao điện năng. Sự phân cực còn tạo điều kiện cho các ion tạp
cũng phóng điện, làm bẩn đồng cực âm.
Các biện pháp hạn chế làm phân cực là tăng nhiệt độ của dung dịch và
khuấy trộn (tuần hoàn) tốt dung dịch.
Thành phần của đồng cực âm sau tinh luyện điện phân được trình bày
ở bảng sau:
Bảng 3: Thành phần của đồng trước và sau tinh luyện điện phân
Cu

Ag

Hàm
lượng
sản
phẩm

Au

Se

Te

Bi

As

Sb

Pb

Ni

Fe

Các nguyên tố, %

Trước
tinh
luyện

99,399,8

00,17

0
-0,00
5

0 -0,03

0
-0,003

00,01

00,05

00,04

00,04

00,5

0,0020,03

Sau
tinh
luyện

>99,95

0,0007

Vết

0,0002

0,0001

0,0001

0,0002

0,0002

0,0003

0,001

0,002

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

III.1. Các chỉ tiêu KTKT chủ yếu của điện phân tinh luyện đồng
Điện áp một bể là u = 0,3 – 0,4V
Cường độ dong điện của bể là: I= 7000 – 15000A
Hiệu suất dòng điện của quá trình điện phân với cực dương hòa tan này cao hơn
hẳn so với điện phân có cực dương không hòa tan. Nó thường đạt n = 92 – 95%
Mật độ dòng điện trung bình dao động từ 170 đến 250 A/m2.
Tiêu hao điện năng của quá trình điện phân tinh luyện rất nhỏ so với điện phân
tinh luyện đồng từ dung dịch. Nó chỉ bằng 1/10, tức là từ 250 – 300 kWh/s
đồng.
Tỉ lệ đồng phân bố vào cực âm là 98,51%; vào dung dich là 1,42% và vào bùn
cực dương 0,07%. Vàng được phân bố vào bùn cực dương là 98,4% và đồng vào
cực âm là 1,6%.
III.2. Các phương hướng phát triển tinh luyện đồng

Dùng mật độ dòng điện cao để tăng mạnh năng suất của bể điện phân.
Mật độ có thể tăng tới 500A/m2. Muốn tăng mật độ dòng thì phải giải quyết vấn
đề tuần hoàn dung dịch thật tốt. Để hoàn thiện việc tuần hoàn dung dịch, người
ta đã phải tăng chiều dài của bể, tới 11m dài và bố trí các cực sao cho pháp
tuyến của bề mặt các cực vuông góc với hướng chuyển động của dung dịch tuần
hoàn. Như vậy cho phép gạt bỏ các màng không tan trên bề mặt các cực và bùn
cực dương bám vào bề mặt các cực. Tốc độ tuần hoàn cũng tăng lên tới 5 – 6
m3/h (bình thường là 0,9 – 1,5 m3/h).
Nghiên cứu áp dụng các dung dịch điện phân mới, như dung dịch chứa
CuCl2 và HCl
Dùng phương pháp điện phân trong đồng lỏng, để khử tốt các tạp á kim
như: S2, O2, Se, Te. Ở đây cực âm được làm bằng graphit, cực dương là ống
graphit nhúng vào lớp mỏng của muối BaCl2. Dung dịch điện phân là đồng lỏng.
Khi điện phân, các chất tạp á kim để trên chạy về cực dương và được hòa tan
giữ lại ở lớp BaCl2 lỏng.

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

KẾT LUẬN
Sau thời gian thực hiện đồ án một cách nghiêm túc dưới sự hướng dẫn
cụ thể, tận tình của TS.Đặng Trung Dũng cùng các thầy cô bộ môn Công
nghệ điện hóa và bảo vệ kim loại và sự cố gắng, trách nhiệm của mỗi thành
viên trong nhóm. Hiện nay chúng em đã hoàn thành đồ án: Tìm hiểu về ứng
dụng của công nghệ điện hóa trong quá trình luyện và tinh chế kim loại
đồng.
Qua quá trình làm đồ án này là khoảng thời gian vô cùng quý giá với
chúng em.Sau khi hoàn thành đồ án chúng em đã nắm bắt được sơ lược về

Điện hóa, một số quá trình luyện và tinh chế kim loại, đặc biệt là việc ứng
dụng của công nghệ điện hóa trong quá trình luyện và tinh chế kim loại
đồng. Đồ án không chỉ giúp chúng em có những kiến thức bổ ích phục vụ
cho công việc học tập sau này mà còn giúp chúng em có thêm kĩ năng làm
việc nhóm, kĩ năng làm một đồ án và còn được quen biết các thầy cô bộ
môn Điện hóa và bảo vệ kim loại.
Tuy nhiên do trình độ hiểu biết về kiến thức thực tế và khả năng bao
quát còn hạn chế và thời gian có hạn nên bản đồ án này không tránh khỏi sai
sót. Rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô, các anh chị cùng
các bạn để chúng em có thêm kinh nghiệm và kiến thức để giúp chúng em
trong quá trình học tập và công tác sau này.

GVHD:TS Đặng Trung Dũng


Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học năm 2017

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[ 1 ] - GS.TS. Đinh Phạm Thái – PGS.PTS.Lê Xuân Khương –
PGS.PTS.Phạm Kim Dinh – Luyện Kim loại màu và quý hiếm – Nhà xuất
bản giáo dục
[ 2 ]- Lê Đức Trí – Điện phân thoát kim loại –Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội 2003.

GVHD:TS Đặng Trung Dũng