Đề tài cuộc thi nghiên cứu khoa học khảo sát thành phần kim loại và định hướng thu hồi kim loại đồng trên bản mạch máy tính
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.31 MB, 34 trang )
TRƯỜNG THPT LƯƠNG THẾ VINH
HUỲNH VĂN PHI
TRẦN NGUYỄN THÚY VI
KHẢO SÁT THÀNH PHẦN KIM LOẠI VÀ
ĐỊNH HƯỚNG THU HỒI KIM LOẠI ĐỒNG
TRÊN BẢN MẠCH MÁY TÍNH
Lĩnh vực HÓA HỌC
ĐỀ TÀI CUỘC THI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
ThS. NGUYỄN HỮU TRỨ
AN GIANG, 2017
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, quý thầy cô bộ môn Trường
trung học phổ thông Lương Thế Vinh đã truyền đạt những kiến thức và tạo mọi
điều kiện để nhóm nghiên cứu có thể hoàn thành tốt dự án này.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Trần Quốc Tuyến và thầy cô tổ
Hóa - Sinh, những người đã luôn cận kề cho lời góp ý động viên và chỉ dẫn tận tình.
Tiếp theo, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Hữu Trứ, đã tận tình
giúp đỡ và hướng dẫn nhóm trong suốt thời gian thực hiện dự án; Thầy Lê Minh
Triều Phòng thiết bị thí nghiệm Hóa Học đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để chúng
tôi hoàn thành dự án.
Xin cảm ơn các bạn lớp 11A4, 10A3 đã giúp đỡ, động viên mình thực hiện
đề tài được tốt nhất. Chúc các bạn luôn học tốt.
Cuối cùng gửi lời cảm ơn đến gia đình, là nguồn động viên chính luôn ủng
hộ tinh thần và tạo điều kiện vật chất để chúng tôi hoàn thành tốt dự án này.
Trân trọng.
An Phú, Ngày 29 tháng 11 năm 2017
Học sinh 1: Huỳnh Văn Phi.
Học sinh 2: Trần Nguyễn Thúy Vi.
i
TÓM TẮT
Bản mạch máy tính được tháo gỡ các linh kiện, cắt nhỏ thành mảnh 2cm2,
dùng máy nghiền đập xoay nhuyễn thành bột có kích thước hạt khoảng vài trăm
micromet. Bột bản mạch máy tính được hòa tan trong HNO3 7M trong 24h, sau đó
lọc lấy dung dịch phân tích hàm lượng ion đồng có trong dung dịch. Tiến hành điện
phân dung dịch thu hồi đồng với các dòng điện lần lượt 350mA, 500mA, 800mA,
1000mA.
Kim loại đồng được thu hồi từ bản mạch máy tính (PCB) bằng phương pháp
điện phân dung dịch, với điện cực âm là đồng nguyên chất và điện cực dương là
thép mạ platin, kết quả thu được đồng tinh khiết bám trên điện cực âm. Ở nhiệt độ
phòng, kim loại đồng được thu hồi đạt hiệu suất khoảng 91% với dòng điện áp vào
quá trình điện phân là 1000mA.
Ngoài ra, kim loại thiếc và chì được định hướng thu hồi tạo hợp kim hàn chì,
làm giảm thiểu sự ảnh hưởng của ion kim loại nặng đến môi trường nước.
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i
TÓM TẮT ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... v
DANH MỤC BIỂU BẢNG ................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... vii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU.................................................................................. 1
1.1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 1
1.3. Nội dung nghiên cứu........................................................................................ 1
1.4. Tổng quan về chất thải điện tử ......................................................................... 2
1.4.1. Phân loại chất thải điện tử............................................................................. 2
1.4.2. Đặc điểm và cấu tạo của chất thải điện tử .................................................... 2
1.5. Các phương pháp phân tích ............................................................................. 4
1.5.1. Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) [2] .......................................... 4
1.5.2. Phương pháp quang phổ cảm ứng cao tần Plasma (ICP) ............................. 4
1.5.3. Phương pháp quét thế đường cong tuyến tính (LSV) ................................... 5
1.6. Phương pháp thu hồi kim loại [4] .................................................................... 6
1.6.1. Xử lý cơ học [5] ............................................................................................ 6
1.6.2. Phương pháp nhiệt luyện .............................................................................. 6
1.6.3. Phương pháp điện phân [6] ........................................................................... 7
1.7. Định hướng phát triển của đề tài ..................................................................... 7
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................... 9
2.1 Hóa chất và dụng cụ.......................................................................................... 9
2.1.1 Hóa Chất ........................................................................................................ 9
2.1.2 Dụng cụ, thiết bị............................................................................................. 9
2.2 Quy trình xử lý bản mạch máy tính ................................................................ 10
iii
2.2.1 Quy trình xử lý cơ học và hòa tách bản mạch máy tính ............................... 11
2.2.2. Khảo sát thành phần kim loại bằng phương pháp ICP ................................ 11
2.3. Quy trình điện phân ....................................................................................... 12
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN....................................................... 14
3.1. Thành phần khối lượng của bản mạch máy tính ............................................ 14
3.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp thử quang phổ cảm ứng cao tần (ICP) 15
3.3. Kết quả thu hồi đồng bằng phương pháp điện phân ...................................... 16
3.3.1. Kim loại đồng được thu hồi trên điện cực .................................................. 16
3.3.2. Hiệu suất quá trình thu hồi đồng bằng phương pháp điện phân ................. 19
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................... 21
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 22
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 23
iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1. Cấu tạo bản mạch điện tử ........................................................... 3
Hình 1-2. Lá đồng mỏng trên bản mạch máy tính. ..................................... 3
Hình 1-3. Bản mạch máy tính ..................................................................... 3
Hình 1-4. Nguyên lý làm việc máy huỳnh quang tia X .............................. 4
Hình 1-5. Sơ đồ hệ thống ICP-OES [3] ...................................................... 5
Hình 1-6. Các phương pháp xử lý chất thải điện tử .................................... 6
Hình 1-7. Sơ đồ điện phân dung dịch ......................................................... 7
Hình 2- 1. Quy trình xử lý bản mạch máy tính ......................................... 10
Hình 2-2. Máy nghiền đập (Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh)
....................................................................................................................11
Hình 2-3. Sơ đồ hòa tách bột bản mạch máy tính ......................................11
Hình 2-4. Hệ điện cực điện phân dung dịch. ............................................ 12
Hình 2-5. Hệ điện cực sau khi điện phân thu hồi kim loại ....................... 13
Hình 3-1. Bản mạch máy tính trước và sau xử lý ..................................... 14
Hình 3-2. Kết quả phân tích bằng phương pháp ICP-OES ....................... 15
Hình 3-3. Điện cực đồng nguyên chất ...................................................... 17
Hình 3-4. Sơ đồ điện phân thu hồi đồng ở các dòng điện (1) 350mA, (2)
500mA, (3) 800mA, (4) 1000mA. ............................................................. 17
Hình 3-5. Điện cực sau khi điện phân thu hồi đồng kim loại ................... 18
Hình 3-6. Cân điện cực sau khi điện phân thu hồi kim loại ..................... 18
Hình 3-7. Hiệu suất thu hồi đồng ở cường độ dòng điện khác nhau ........ 20
v
DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 3-1. Khối lượng bản mạch máy tính ............................................ 14
Bảng 3-2. Thành phần kim loại trên điện cực sau điện phân ................ 16
Bảng 3-3. Điện phân dung dịch mẫu với cường độ dòng điện khac nhau.
................................................................................................................ 18
Bảng 3-4. Hiệu suất quá trình điện phân với cường độ dòng điện khác
nhau ........................................................................................................ 19
Bảng 3-5. Chế độ làm việc của dung dịch điện phân mạ đồng (thu hồi
kim loại đồng) [8] .................................................................................. 20
vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PCB
XRF
LSV
ICP
EU
Bản mạch máy tính
Phương pháp phổ huỳnh quang tia X
Quét thế đường cong tuyến tính
Phương pháp cảm ứng cao tần ghép nối khối phổ
Liên minh Châu Âu
vii
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay trên thế giới, sự phát triển của khoa học kỹ thuật được thống kê từng
giờ, từng ngày. Bên cạnh đó, các thiết bị công nghệ thông tin hiện đại được ra đời
thay thế cho các thiết bị cũ. Nhu cầu sử dụng những thiết bị công nghệ thông tin cá
nhân được thay thế bằng những chiếc smartphone, laptop, máy tính bản mới, tivi
hiện đại và những thiết bị khác... Tuy nhiên, rác thải từ các thiết bị cũ hoặc bị lỗi
cũng tăng lên một cách nhanh chóng gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.
Trong đó, bản mạch máy tính được tạo bởi các vật liệu như nhựa, sợi, gốm…
và các kim loại như Đồng, Vàng, Niken, Thiếc [1]. Ngoài ra, nhiều kim loại có
trong bo mạch máy tính, như Chì và Cadimi ảnh hưởng đến sức khỏe con người và
môi trường. Do đó, thu hồi kim loại từ bo mạch máy tính là một vấn đề quan trọng,
không chỉ làm giảm sự ô nhiễm môi trường mà còn thu được giá trị kinh tế từ việc
thu hồi kim loại. Thu hồi đồng tinh khiết từ bản mạch máy tính có giá trị kinh tế
nhất, đáng kể trên thị trường.
Trước đây, việc xử lý rác thải điện tử được xem là vấn đề cấp bách và cần
thiết, với các phương pháp sàng lọc phân loại linh kiện điện tử và phần còn lại được
chôn lấp. Vì vậy, đề tài này mở rộng nghiên cứu với phương pháp điện phân dung
dịch thu hồi đồng tinh khiết, vừa mang lại lợi nhuận kinh tế vừa làm giảm thiểu sự
ô nhiễm môi trường.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Khảo sát thành phần kim loại có trên bản mạch máy tính, từ đó nghiên cứu
phương pháp phù hợp thu hồi đồng tinh khiết, nhằm tăng giá trị kinh tế đồng thời
đáp ứng yêu cầu giảm thiểu sự ảnh hưởng đến môi trường từ rác thải điện tử.
Đề tài được thực hiện với hy vọng kiểm chứng kết quả thực nghiệm với lý
thuyết và là cơ sở hướng đến quy trình sản xuất kim loại đồng trong công nghiệp
sản xuất.
1.3. Nội dung nghiên cứu
Bản mạch máy tính được tháo hết các linh kiện và cắt thành mảnh nhỏ khoảng
2cm , sau đó đem nghiền đập bằng máy thành dạng bột (hạt khoảng vài trăm
micromet).
2
Trang 1
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
Mẫu bột bản mạch hòa tan vào HNO3 7M, sau đó đem dung dịch thu được
phân tích hàm lượng ion kim loại bằng phương pháp cảm ứng cao tần (ICP), điện
phân dung dịch thu hồi kim loại đồng với cực âm là đồng và điện cực dương là
thép mạ platin.
1.4. Tổng quan về chất thải điện tử
1.4.1. Phân loại chất thải điện tử
Một phương pháp phân loại được chấp nhận rộng rãi trên thế giới của Liên
minh Châu Âu (EU), chất thải điện tử được chia làm 10 nhóm bao gồm:
Các thiết bị sử dụng trong gia đình có kích thước lớn (lò nướng, tủ lạnh).
Các thiết bị sử dụng trong gia đình có kích thước nhỏ (máy nướng bánh,
máy hút bụi).
Các thiết bị văn phòng, phương tiện thông tin liên lạc (máy vi tính, máy in,
điện thoại, máy fax).
Các trò chơi giải trí điện tử (TV, đầu đĩa).
Các thiết bị chiếu sáng (chủ yếu là các loại đèn).
Các thiết bị điện (máy khoan, máy cắt cỏ).
Các thiết bị thể thao và giải trí (trò chơi điện tử, máy tập thể dục).
Các máy móc thiết bị y tế.
Các thiết bị kiểm soát, theo dõi an ninh.
Các hệ thống máy tự động…
Bản mạch điện tử là một chi tiết quan trọng và không thể thiếu trong hầu hết
thiết bị điện, điện tử; kim loại chiếm đến 30% về khối lượng (vàng, bạc, đồng, thiếc,
chì…). Trong đó, chì là chất rất độc, đồng và thiếc cũng có thể đe dọa tới sức khỏe
con người nếu nồng độ đủ lớn.
1.4.2. Đặc điểm và cấu tạo của chất thải điện tử
Chất thải điện tử ở dạng rắn không đồng nhất và có thành phần phức tạp về
vật chất. Chất thải điện và điện tử chứa hơn 1000 chất khác nhau, trong đó có nhiều
kim loại nặng, chất phóng xạ cũng như các chất độc thứ cấp.
Theo Trung tâm Quản lý chất thải và Nguồn tài nguyên Châu Âu, sắt và thép
là các nguyên liệu phổ biến nhất trong các thiết bị điện và điện tử và chiếm hơn 50%
tổng lượng chất thải điện và điện tử. Nhựa là thành phần nhiều thứ hai chiếm xấp
xỉ 21% ; kim loại khác bao gồm cả kim loại quý hiếm (Al, Zn, Cu, Pb, Sn, Cr, Au,
Ag, Pt, Pd …) chiếm xấp xỉ 13% tổng trọng lượng chất thải điện và điện tử.
Một bản mạch máy tính được sử dụng để hỗ trợ kết nối điện tử và linh kiện
điện tử bằng cách sử dụng đường dẫn, hoặc dấu vết, khắc từ tấm đồng tráng lên
Trang 2
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
một chất nền cách điện. Bản mạch máy tính chứa các linh kiện điện tử, đế cắm, khe
cắm với bo mạch mở rộng khác.
Bản mạch bao gồm một tấm bản thành phần chủ yếu là nhựa cứng trên đó
được phủ lớp đồng mỏng và gắn các linh kiện khác. Phần bản mạch bao gồm các
tấm đồng được dát mỏng (loại 142g đồng/30.5 cm2) và các tấm sợi thủy tinh với
lớp phủ bên ngoài bằng hợp kim hàn (40% chì, 60% thiếc) độ dày khoảng 0.01 mm
để chống axit và dễ hàn.
Hình 1-1. Cấu tạo bản mạch điện tử
Bản mạch cấu tạo bởi nhiều lớp, một lớp nhựa tổng hợp được đặt giữa tạo
thành lõi, chất dính làm tăng độ bám dính của hai lớp đồng.
Hình 1-2. Lá đồng mỏng trên bản mạch máy tính.
Thành phần linh kiện được gắn vào bản mạch và tạo mối dẫn truyền bởi các
hợp kim hàn (40% chì, 60% thiếc) màu sáng bạc như hình 1-3.
Hình 1-3. Bản mạch máy tính
Trang 3
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
1.5. Các phương pháp phân tích
1.5.1. Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) [2]
Phương pháp XRF là kỹ thuật quang phổ được sử dụng chủ yếu với các mẫu
rắn, trong đó sự phát xạ tia X thứ cấp được sinh ra bởi sự kích thích các điện tử của
mẫu bằng nguồn phát tia X, dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra mà phân tích
được thành phần hóa học của vật rắn, thông thường có thể định danh các nguyên tố
từ Natri đến Urani.
Hình 1-4. Nguyên lý làm việc máy huỳnh quang tia X
Nguyên lý: khi bắn tia X mang năng lượng lớn vào mẫu so với năng lượng
liên kết các lớp electron cấu tạo nên nguyên tử, xảy ra hiện tượng electron các lớp
electron bao quanh nhân (lớp K, M..) bị bắn ra. Do bị trống nên các photon lớp kế
tiếp nhẩy trở lại để lấp các lỗ trống mà photon bị đẩy ra ngoài. Sự chuyển dịch các
photon mang năng lượng này sẽ phát ra năng lượng – phát sáng gọi là hiện tượng
Huỳnh quang. Mỗi nguyên tố phát xạ sẽ có một phổ khác nhau, và cường độ màu
sẽ đặc trưng cho hàm lượng các nguyên tố trong mẫu, từ đó sẽ định tính và định
lượng được các nguyên tố có trong mẫu phân tích.
Phương pháp XRF có độ chính xác cao, có khả năng phân tích đồng thời nhiều
nguyên tố, mẫu phân tích không bị phá hủy.
1.5.2. Phương pháp quang phổ cảm ứng cao tần Plasma (ICP)
Hệ thống gồm nguồn ICP (nguồn cảm ứng cao tần) nhiệt độ cao, hệ quang
học, hệ đầu dò, hệ thống điều khiển khí sử dụng cho Plasma, hệ thống an toàn và
bơm nhu động.
Toàn bộ hệ thống thiết bị được điều khiển hoàn toàn bằng máy vi tính, bao
Trang 4
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
gồm cả tốc độ dòng khí, lưu lượng dòng khí và các thiết bị phụ trợ thông qua phần
mềm Winlab32 hoặc tương đương.
Hình 1-5. Sơ đồ hệ thống ICP-OES [3]
Phương pháp này nhằm xác định các nguyên tố kim loại có trong mẫu với độ
nhạy:
- < 0,1 ppb : Li, ,Be, Mg, Ca, Sc, Fe, Sr, Cd, Ba.
- 0,1 – 1 ppb : Na, Al, K, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, Ru,
Ag, In, La, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, Au, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm.
- 1 – 10 ppb : B, C, Si, P, S, Ga, As, Se, Rb, Sn, Sb, Te, Cs, Os, Tl, Pb, Bi, Ce,
Nd, Th, U.
-
> 10 ppb : Cl, Br, I.
1.5.3. Phương pháp quét thế đường cong tuyến tính (LSV)
Phương pháp quét thế đường cong tuyến tính LSV (Linear Sweep
Voltammetry) là một dạng phương pháp quét thế đơn giản. Trong phương pháp này,
thông qua sự thay đổi thế áp vào người ta thu được các dòng tương ứng theo thời
gian.
Hệ điện cực thường sử dụng trong phương pháp LSV gồm 3 loại: điện cực
làm việc (WE-Working electrode), điện cực so sánh (RE- Reference Electrode) và
điện cực đối (CE-Counter electrod). Trong đó, điện cực làm việc là nơi quá trình
oxi hóa khử diễn ra, điện cực so sánh được dùng để điều chỉnh các giá trị điện thế
áp vào và điện cực đối thường được cấu tạo từ vật liệu trơ. Phương pháp này dùng
để xác định thế oxi hóa hoặc khử thông qua đồ thị LSV.
Trang 5
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
1.6. Phương pháp thu hồi kim loại [4]
Hình 1-6. Các phương pháp xử lý chất thải điện tử
1.6.1. Xử lý cơ học [5]
Giai đoạn đầu của quá trình xử lý rác thải điện tử, dùng các biện pháp cơ học
để phân loại, nghiền, tách các thành phần thô có trong rác thải:
- Máy cắt, máy nghiền đập: làm giảm kích thước bản mạch, tăng diện tích tiếp
xúc thuận lợi cho quá trình hòa tách ở giai đoạn tiếp theo.
- Rây, lưới lọc: sàng lọc mẫu sau khi nghiền.
- Tuyển nổi, tuyển trọng lực: dựa trên tỉ khối các thành phần có trên bản mạch
để phân loại.
Tùy vào đặc điểm kim loại cần thu hồi và điều kiện phòng thí nghiệm, có thể
dùng các phương pháp thu hồi kim loại thích hợp và thân thiện với môi trường.
1.6.2. Phương pháp nhiệt luyện
Phương pháp nhiệt luyện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp để điều
chế những kim loại có độ hoạt động hóa học trung bình như Zn, Cr, Fe, Sn, Pb,…
Cơ sở của phương pháp này là khử những ion kim loại trong các hợp chất
dạng oxit kim loại ở nhiệt độ cao bằng chất khử mạnh như: C, CO, H2 hoặc Al, kim
loại kiềm hoặc kiềm thổ.
Nhiệt luyện được xem là phương pháp truyền thống thu hồi kim loại màu
cũng như các kim loại quí hiếm có trong rác thải điện tử trong hai thập kỷ qua.
Phương pháp này bao gồm các giai đoạn nghiền cơ học (cho rác vào các máy cơ,
nghiền thành các mảnh vụn nhỏ), sau đó đem đốt trong lò nung hoặc trong bồn nấu
chảy kim loại để loại bỏ nhựa, những oxit khó nóng chảy sẽ kết thành dạng xỉ, sau
đó đem khử oxit của kim loại cần thu hồi bằng C, H2, CO, Al…
Trang 6
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
1.6.3. Phương pháp điện phân [6]
Phương pháp điện phân được dùng để điều chế hầu hết các kim loại, từ những
kim loại có độ hoạt động hóa học cao đến trung bình và thấp. Cơ sở của phương
pháp này là dùng dòng điện một chiều để khử các ion kim loại. Tác nhân khử là
cực âm có tính khử mạnh hơn các tác nhân khử hóa học.
Phương pháp điện phân thường dùng để:
Điều chế kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Al…bằng cách điện phân
những hợp chất (muối, bazơ, oxit) nóng chảy của chúng.
Điều chế kim loại có tính khử trung bình và yếu như Zn, Cu,..bằng cách điện
phân dung dịch muối của chúng.
Ưu điểm lớn nhất của phương pháp điện phân có tính chọn lọc và độ tinh
khiết kim loại thu hồi cao.
Hình 1-7. Sơ đồ điện phân dung dịch
1.7. Định hướng phát triển của đề tài
Tại Việt Nam hiện nay, chất thải điện tử đã được liệt vào danh sách những
chất thải nguy hại nhưng chưa được phân loại tách riêng khỏi các loại chất thải rắn
khác, công ty Môi trường đô thị chưa quản lý được nguồn phát sinh loại chất thải
Trang 7
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
này cũng như chưa hề có thống kê chính xác lượng chất thải điện tử phát sinh hằng
năm. Cách thức người dân chôn lấp chất thải điện tử đi theo một truyền thống xấu.
Vì vậy, định hướng của đề tài mong muốn phát triển hệ thống tái chế kim loại
thân thiện với môi trường và có hiệu quả tốt, thu hồi đồng tinh khiết và định hướng
thu hồi đồng thời thiếc và chì (hợp kim hàn) bằng phương pháp điện phân, góp
phần tăng giá trị kinh tế từ rác thải đồng thời làm giảm ô nhiễm môi trường từ chất
thải điện tử.
Trang 8
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1 Hóa chất và dụng cụ
2.1.1 Hóa Chất
-
Axit nitric 63%, xuất xứ Trung Quốc.
Bản mạch máy tính.
Natri hidroxit, xuất xứ Trung Quốc.
Giấy lọc.
Nước cất.
2.1.2 Dụng cụ, thiết bị
-
Máy nghiền đập, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
Cân điện tử, Max 100g.
Cân Nhơn Hòa 2kg.
Máy kiểm nghiệm ion kim loại ICP, Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường
chất lượng Cần Thơ (Catech).
Cốc Thủy tinh 100ml, 250ml, 500ml.
Bình định mức 100ml.
Ống đong 100ml, 20ml.
Phiễu.
Dụng cụ điện phân dung dịch.
Trang 9
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
2.2 Quy trình xử lý bản mạch máy tính
Sơ đồ quy trình xử lý bản mạch máy tính như Hình 2-1.
Hình 2- 1. Quy trình xử lý bản mạch máy tính
Trang 10
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
2.2.1 Quy trình xử lý cơ học và hòa tách bản mạch máy tính
Bản mạch máy tính cũ được làm sạch bụi, cân xác định khối lượng. Sau đó
tháo gỡ các linh kiện, rửa sạch bản mạch và để khô. Tiếp đến, đem bản mạch đã
tháo linh kiện cân xác định khối lượng; dùng kìm lớn cắt bản mạch đến kích thước
khoảng 2x2 cm.
Nghiền mẫu bằng máy nghiền đập bản mạch Hình 2-2, thành bột kích thước
hạt khoảng 0,2-0,4 mm.
Hình 2-2. Máy nghiền đập (Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh)
Cân 50 gam mẫu bột thu được đem hòa tan trong 100ml HNO3 7M, ngâm ở
nhiệt độ phòng trong 24h, sau đó định mức lên 200ml rồi tiến hành lọc bằng giấy
lọc như Hình 2-3.
Hình 2-3. Sơ đồ hòa tách bột bản mạch máy tính
2.2.2. Khảo sát thành phần kim loại bằng phương pháp ICP
Dung dịch mẫu bột sau khi hòa tan trong HNO3 7M trong 24h, lọc lấy phần
dung dịch đi phân tích cảm ứng cao tần (ICP).
Lấy 200ml dung dịch mẫu đem đi phân tích ICP ở trung tâm kỹ thuật tiêu
Trang 11
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
chuẩn đo lường chất lượng Cần Thơ nhằm xác định hàm lượng ion kim loại có
trong mẫu. Việc xác định hàm lượng ion kim loại đồng có trong mẫu là rất quan
trọng đối với quá trình điện phân thu hồi đồng tinh khiết. Từ số liệu phân tích ICP
thu được, có thể dự đoán được thời gian điện phân kết thúc để thu hồi kim loại đồng
tinh khiết không bị lẫn các kim loại khác.
2.3. Quy trình điện phân
Hệ điện phân dung dịch gồm: điện cực âm (catot) là đồng nguyên chất, cực
dương (anot) là thép mạ platin như Hình 2-4.
Hình 2-4. Hệ điện cực điện phân dung dịch.
Chuẩn bị điện cực: chà sạch, rửa, để khô, cân điện cực
Dùng giấy nhám chà sạch điện cực.
Rửa điện cực lần lượt bằng nước và ancol.
Để điện cực đến khô.
Cân điện cực, ghi nhận khối lượng điện cực đồng trước khi điện phân.
Điện phân
Trích 100ml dung dịch mẫu sau khi lọc cho vào cốc.
Gắn hệ điện cực: điện cực âm (catot) là đồng nguyên chất, cực dương (anot)
là thép mạ platin.
Quá trình hóa học cơ bản xảy ra trên điện cực
- Cực âm : Cu2+ + 2e Cu
- Cực dương : 2H2O O2 + 4H+ + 4e
Kết thúc quá trình điện phân
Nâng 2 điện cực lên rửa sạch điện cực bằng nước rồi ngắt điện.
Tháo điện cực để khô, đem cân xác định khối lượng điện sau khi điện phân.
Trang 12
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
Hình 2-5. Hệ điện cực sau khi điện phân thu hồi kim loại
Dòng điện áp vào hệ điện phân lần lượt ở các cường độ dòng điện khác nhau
350mA, 500mA, 800mA và 1000mA. Khối lượng đồng thoát ra bám trên điện cực
tuân theo định luật Faraday.
𝐴. 𝐼. 𝑡
𝑚 =
𝑛. 𝐹
Trong đó:
m: khối lượng đồng thu được trên điện cực (gam)
A: khối lượng mol nguyên tử đồng thu được trên điện cực.
n: số electron mà ion đồng nhận.
t: thời gian điện phân (giây)
F: hằng số Faraday 96.500
Trang 13
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
3.1. Thành phần khối lượng của bản mạch máy tính
Bản mạch máy tính sau khi tháo rời các linh kiện, tiến hành cắt nhỏ 2x2 cm
rồi nghiền đập bằng máy thành dạng bột (hạt có kích thước vài trăm micromet) như
Hình 3-1.
Hình 3-1. Bản mạch máy tính trước và sau xử lý
Khối lượng mẫu sau mỗi quá trình xử lý cơ học có sự thay đổi được thể hiện
trong Bảng 3-1.
Bảng 3-1. Khối lượng bản mạch máy tính
Khối lượng (g)
Thành phần (%)
Bản mạch máy tính
550
100,00
Bản mạch máy tính sau khi gỡ
bỏ linh kiện
240
43,64
Bản mạch máy tính cắt nhỏ
kích thước (2x2cm)
240
43,64
Bột bản mạch sau khi nghiền
230
41,82
Thành phần
Thành phần chính của bản mạch máy tính là các linh kiện điện tử (chiếm
khoảng 56% khối lượng bản mạch), phần bản mạch tái chế để thu hồi kim loại
chiếm khoảng 44% khối lượng. Quá trình xử lí cơ học nghiền đập thu được 230g
bột bản mạch, chiếm khoảng 42% khối lượng bản mạch ban đầu.
Quá trình xử lý cơ học nhằm làm tăng diện tích tiếp xúc của bột bản mạch
trong quá trình hòa tách bằng HNO3 7M, đây là một trong những yếu tố quan trọng
làm tăng hiệu suất quá trình điện phân.
Trang 14
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
3.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp thử quang phổ cảm ứng cao
tần (ICP)
Mẫu được ngâm trong dung dịch HNO3 7M trong 24h, lấy 200ml tiến hành
phân tích bằng phương pháp thử quang phổ cảm ứng cao tần nhằm mục đích định
lượng ion kim loại đồng có trong dung dịch, kết quả từ phép phân tích cho thấy
hàm lượng ion đồng có trong mẫu là 17050,00 mg/L, với kết quả này cho thấy hàm
lượng ion đồng có trong mẫu tương đối cao.
Hình 3-2. Kết quả phân tích bằng phương pháp ICP-OES
Trang 15
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
Ngoài ra, mẫu dung dịch còn chứa nhiều thành phần kim loại [7] như Bảng
3-2, điều này cho thấy bản mạch máy tính chứa nhiều thành phần kim loại khác
nhau.
Bảng 3-2. Thành phần kim loại trên điện cực sau điện phân
% khối lượng
Kim loại
Cu
97,6
Pb
1,08
Sn
0,62
Fe
0,33
Zn
0,25
As
0,01
Ni
0,04
Cd
0,02
Cr
0,01
Tuy nhiên, số liệu thí nghiệm hàm lượng kim loại trong dung dịch khác với
số liệu lý thuyết, lý do có thể là :
- Mỗi nghiên cứu tiến hành trên các mẫu vật liệu từ các nhà sản xuất khác
nhau, thời điểm sản xuất khác nhau.
- Từ quá trình xử lý bản mạch điện tử.
-
Thiết bị phòng thí nghiệm cũng ảnh hưởng lớn đến kết quả nghiên cứu.
3.3. Kết quả thu hồi đồng bằng phương pháp điện phân
3.3.1. Kim loại đồng được thu hồi trên điện cực
Mẫu dung dịch sau khi phân tích bằng phương pháp thử quang phổ cảm ứng
cao tần (ICP) nhằm xác định hàm lượng ion kim loại đồng, tiến hành lấy 100ml
dung dịch mẫu điện phân trong 30 phút, diện tích điện cực âm là đồng nguyên chất
S điện cực = 2cm x 7cm, khoảng cách giữa hai điện cực trong quá trình điện phân d =
3 - 4cm.
Trang 16
HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi
(2) Trần Nguyễn Thúy Vi
HDKH: ThS. Nguyễn Hữu Trứ
Hình 3-3. Điện cực đồng nguyên chất
Tiến hành điện phân dung dịch như Hình 3-4 ở các cường độ dòng điện khác
nhau : (1) 350mA, (2) 500mA, (3) 800mA, (4) 1000mA.
Hình 3-4. Sơ đồ điện phân thu hồi đồng ở các dòng điện (1) 350mA, (2) 500mA,
(3) 800mA, (4) 1000mA.
Trang 17
