báo cáo vật liệu điện vật liệu kim loại dẫn điện đồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
------

BÁO CÁO VẬT LIỆU ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
Đề Tài : Kim Loại Dẫn Điện Đồng
GVHD: Phạm Xuân Hổ
SVTH:


Mục lục
A. GIỚI THIỆU
I. Sự dẫn điện trong vật dẫn …………………………………...2
II. Kim loại dẫn điện tốt: …..…………………………………...3
B. KIM LOẠI ĐỒNG
I. Tên và kí hiệu :
1. Vị trí trong bảng tuần hoàn ...…………………………6
2. Tính chất vật lý ...………………………………………6
II. Mạng tinh thể của đồng
………………………………………7

III. Ứng dụng của các vật liệu kim loại đồng trong vật liệu đẫn
điện hiện nay
1. Một số sản phẩm dây dẫn đồng …………………………..8

2. Công nghệ luyện đồng ..…………………,………………11

1


A. GIỚI THIỆU

I. Sự dẫn điện trong vật dẫn
Khái niệm :
-Dẫn điện là sự dich chuyển có hướng của các hạt mang điện dưới tác dụng của
điện trường ngoài để hình thành nên dòng điện. dòng điện có chiều cùng chiều với các
hạt mang điện tích dương và ngược chiều với các hạt mang điện tích âm
-Độ dẫn điện còn gọi là điện dẫn suất hay suất dẫn điện (σ )
-Điện trở là đại lượng thể hiện mức độ cản trở dòng điện của vật đang cho dòng
điện chạy qua thường gọi là trở kháng
Dưới đây là số liệu điện trở suất của một số vật liệu
Vật liệu

Điện trở suất
(Ωm) ở 200C

Hệ số nhiệt điện
trở(K−1)

Bạc[3]

1,59×10−8

0,0038

Đồng[3]

1,72×10−8

0,0039

Vàng[3]

2,44×10−8

0,0034

Nhôm[3]

2,82×10−8

0,0039

Tungsten[3]

5,6×10−8

0,0045

Hợp
kim Cu-Zn[3]

0,8×10−7

0,0015

Sắt[3]

1,0×10−7

0,005

Bạch kim[3]

1,1×10−7

0,00392

Chì[3]

2,2×10−7

0,0039

2


Mangan[4]

4,4×10−7

0,000002

Constantan[5]

4,9×10−7

0,00001

Thủy ngân[5]

9,8×10−7

0,0009

Nichrome[3][6]

1,10×10−6

0,0004

Cacbon[3][7]

3,5×10−5

-0,0005

Gecmani[3][7]

4,6×10−1

-0,048

Silic[3][7]

6,40×102

-0,075

II. Kim loại dẫn điện tốt:
Bạc
Kí hiệu hóa học: Ag

Khả năng dẫn điện: Cao nhất
Tính chất: Là kim loại mềm, dễ uốn.
Công dụng: Tuy có khả năng dẫn điện cao nhất nhưng vì giá thành đắt đỏ mà
người ta hiếm khi ứng dụng bạc cho ngành công nghiệp điện. Thay vào đó bạc được
dùng để đúc tiền, tráng gương và làm đồ trang sức.

Đồng
Kí hiệu hóa học: Cu
Tính chất: Là kim loại mềm, dễ uốn và tạo hình.
Công dụng: Hiện nay, đồng được xem là vật chất chế tạo dây dẫn điện phổ biến nhất.
Không chỉ vậy, các đồ gia dụng hoặc mỹ nghệ cũng được sản xuất từ đồng như: chảo,
3


tượng đúc, que hàn,… Một số hợp chất của đồng thường tồn tại ở dạng màu xanh lam,
xanh lục nên được dùng làm thuốc nhuộm trong các xí nghiệp vải.

Vàng
Kí hiệu hóa học: Au
Tính chất: dẫn nhiệt và điện tốt, khó bị oxi hóa, tính thẩm mỹ cao.
Công dụng: Hầu hết trên thế giới hiện nay không chú ý nhiều đến tính năng dẫn điện
của vàng mà thay vào đó là dùng làm đơn vị trao đổi giá trị tiền tệ và trang sức. Tuy
nhiên, đối với những người lao động thường xuyên làm việc với điện và nạn nhân bị
điện giật cần cởi bỏ trang sức vàng ra khỏi cơ thể để tránh dòng điện nhanh chóng lan
nhanh khắp toàn cơ thể đe dọa đến tính mạng cá nhân.

Nhôm
Kí hiệu hóa học: Al
Tính chất: Dẻo, khó bị oxi hóa, nhiệt độ nóng chảy cao
Công dụng: Trong một số trường hợp, nhôm được chế tạo làm dây dẫn điện. Tuy

nhiên với đặc tính chịu nhiệt cao của mình mà nhôm thường được ứng dụng rộng rãi
4


trong các công trình kiến trúc như vách ngăn xây dựng, chế tạo tôn lợp mái nhà, cột,
trụ nhà,...

Sắt
Kí hiệu hóa học: Fe
Tính chất: Là một trong những kim loại phổ biến lâu đời nhất trên Trái Đất, có tính
thù hình, cứng và rắn chắc.
Công dụng: Có thể nói rằng tính đến thời điểm hiện tại thì sắt chính là kim loại được
sử dụng nhiều nhất trong đời sống của con người. Hầu như trong mọi lĩnh vực và
ngành nghề đều cần đến sự ứng dụng của sắt như chế tạo công cụ lao động: cuốc,
xẻng, gậy,… chế tạo đồ gia dụng như tủ, bàn, giường, cầu thang,… và đặc biệt là
trong ngành sản xuất ô tô hoặc các công trình xây dựng kiến trúc thì không thể có kim
loại nào thay thế được sắt trong việc tạo độ cứng, chắc chắn cho công trình hoặc sản
phẩm.

Nhưng hiện nay, đồng được xem là vật chất chế tạo dây dẫn điện phổ biến nhất vì giá
thành hợp lý cho viêc sử dụng vào nghành công nghiệp điện.

5


B KIM LOẠI ĐỒNG
I. Tên và kí hiệu
Đồng là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Cu và số
nguyên tử bằng 29.
a. Vị trí trong bảng tuần hoàn

- Cấu hình e nguyên tử: 29Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1.
- Vị trí: ô 29, chu kỳ 4, nhóm IB.
- Cấu hình e của các ion:
Cu+: 1s22s22p63s23p63d10

Cu2+: 1s22s22p63s23p63d9

Đồng nằm trong nhóm 11 của bảng tuần hoàn nên chúng có nhiều thuộc tính giống
nhau: chúng có 1 electron trong phân lớp s1 nằm trước nhóm d10 và được đặc trưng bởi
tính dẻo và dẫn điện cao. Các orbital được lấp đầy các electron trong các nguyên tố
này không đóng góp nhiều vào các tương tác nội nguyên tử, chủ yếu ảnh hưởng bởi
các electron phân lớp s thông qua các liên kết kim loại. Trái ngược với các kim loại
mà phân lớp d không được lấp đầu bởi các electron, các liên kết kim loại trong đồng
thiếu các đặc điểm của liên kết cộng hóa trị và chúng tương đối yếu. Điều này giải
thích tại sao các tinh thể đồng riêng biệt có độ dẻo cao và độ cứng thấp. Ở quy mô
lớn, việc thêm vào các khuyết tật trong ô mạng tinh thể như ranh giới hạt, sẽ làm cản
trở dòng vật liệu dưới áp lực nén từ đó làm tăng độ cứng của nó. Ví dụ, đồng thường
được đưa ra thị trường ở dạng polycrystalline hạt mịn, dạng này có độ cứng lớn hơn
dạng monocrystalline.
b. Tính chất vật lý
Độ cứng thấp của đồng giúp giải thích một phần tính dẫn điện cao của
nó(59.6×106 S/m) và cũng như tính dẫn nhiệt cao, các tính chất này được xếp hạng thứ
2 trong số những kim loại nguyên chất có tính chất tương tự ở nhiệt độ phòng (trong
số các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ có bạc có độ dẫn điện cao hơn). Đặc
điểm này là do điện trở suất đối với sự vận chuyển electron trong các kim loại ở nhiệt
độ phòng chủ yếu bắt nguồn từ sự tán xạ của electron đối với dao động nhiệt của
mạng tinh thể, mà điện trở xuất này tương đối yếu đối với cho một kim loại mềm. Mật
độ dòng thấm tối đa của đồng trong không khí ngoài trời vào khoảng 3,1×106 A/m2,
vượt trên giá trị này nó bắt đầu nóng quá mức.
Đồng có mạng tinh thể lập phương tâm diện, màu đỏ, dẻo, dễ kéo sợi, dát mỏng. Dẫn

điện và nhiệt tốt chỉ kém bạc, t0nc = 10830C, D = 8,98 g/cm3.
6


II. Mạng tinh thể của đồng
Một cấu trúc tinh thể là một sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử trong tinh thể. Một
cấu trúc tinh thể gồm có một ô cơ sở và rất nhiều các nguyên tử sắp xếp theo một cách
đặc biệt; vị trí của chúng được lặp lại một cách tuần hoàn trong không gian ba chiều
theo một mạng Bravais. Kích thước của ô đơn vị theo các chiều khác nhau được gọi là
các thông số mạng hay hằng số mạng. Tùy thuộc vào tính chất đối xứng của ô đơn vị
mà tinh thể đó thuộc vào một trong các nhóm không gian khác nhau. Cấu trúc và đối
xứng của tinh thể có vai trò rất quan trọng với tính dẫn điện của đồng
Ô đơn vị là một cách sắp xếp của các nguyên tử trong không gian ba chiều, nếu ta lặp
lại nó thì nó sẽ chiếm đầy không gian và sẽ tạo nên tinh thể. Vị trí của các nguyên tử
trong ô đơn vị được mô tả bằng một hệ đơn vị hay còn gọi là một hệ cơ sở bao gồm ba
thông số tương ứng với ba chiều của không gian ( x , y , z )
.
Đối với mỗi cấu trúc tinh thể, tồn tại một ô đơn vị quy ước, thường được chọn để
mạng tinh thể có tính đối xứng cao nhất. Tuy vậy, ô đơn vị quy ước không phải luôn
luôn là lựa chọn nhỏ nhất. Ô cơ sở mới là một lựa chọn nhỏ nhất mà từ đó ta có thể
tạo nên tinh thể bằng cách lặp lại ô nguyên tố
Đòng có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm diện

Từ đó suy ra
Và có hai nguyên tử trong một ô cở sở
Mật độ nguyên tử bằng số nguyên tử trong 1 ô cở sở nhân với số ô có trong 1 đơn vị
thể tích : NN = (1/ a³) * Số nguyên tử / 1 ô
a là hằng số mạng
=> : NN = (1/ (0.3615*10^(-9)) ³)*2 =4.233*10^28 ( hằng số mạng của đồng
là a = 0.3615nm )

Mật độ e− bằng số e− trong một nguyên tử nhân với số nguyên tử trong một đơn vị
thể tích : Ne = NN * số e− / nguyên tử
=>

Ne = (4.233*10^28

) * 1 = 4.233*10^28 (Cu , Ag, Au : 1 e− / nguyên tử
Al : 3 e− / nguyên tử )

7


III. Ứng dụng của các vật liệu kim loại đồng trong vật liệu đẫn
điện hiện nay
1. Một số sản phẩm dây dẫn đồng:
Dây đơn
Là loại dây dẫn chỉ có một sợ cứng, bằng đồng (hoặc nhôm) có thể là dây dẫn hoặc
thông thường có bọc lớp cách điện bằng chất dẻo PVC hoặc cao su lưu hóa, có loại
bọc thêm lớp vải tẩm nhựa đường.
Loại dây này được dùng rất phổ biến dẫn điện trong nhà, và được sản xuất với tiết
diện không quá 10mm2 (cỡ dây Ø 30/10)
Dây Liên Xô có mã hiệu: πP

Dây đơn mềm
Là loại dây dẫn có bọc cách điện bằng nhựa PVC hoặc cao su lưu hóa, có ruột bằng
đồng, gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính 0.2mm xoắn lại nên rất mềm dẻo. Dây đơn
mềm được sử dụng đi dây trong báng phân phối điện, các đầu dây ra ngoài các mảy
điện, dây dấn điện trên ô tô…
Dây Liên Xô có mã hiệu: πPA

8


Dây đôi
Gồm 2 dây dẫn ruột đồng, mềm, được bọc cách điện song song với nhau, chất cách
điện là nhựa PVC hoặc cao su lưu hóa. Nhờ dây dẫn được cấu tạo bởi nhiều sợi có
đường kính nhỏ 0,2mm nên mềm dẻo dễ di động.
Công dụng : dùng dẫn điện cho các thiết bị điện cần di động, không cố định, đồ dùng
điện trong sinh hoạt như quạt để bàn, tủ lạnh, máy thu thanh, thu hình…
Dây Liên Xô có mã hiệu: ππB

Các thông số của dây đôi mềm

Dây xoắn mềm
Loại dây dẫn mềm có 2 hoặc nhiều dây dẫn được cách điện với nhau. Mỗi ruột dây
dẫn được cấu tạo bởi nhiều sợi dây có tiết diện nhỏ được xoắn lại với nhau, do đó dây
dẫn có tính mềm dẻo và vững chắc. Loại dây này mềm dẻo hơn loại dây đôi, với chất
9


cách điện cao su chịu nhiệt và được bọc thêm vải coton ở ngoài tăng cường sự vững
chắc về cơ, chịu sự tiếp xúc nhiệt nên dùng làm dây dẫn cho bàn ủi điện, bếp điện.
Với loại dây xoắn có ống bọc ngoài cao su hoặc nhựa PVC được sứ dụng làm dây dẫn
cho các thiết bị điện di động, chịu được sự va chạm về cơ nên an toàn điện cho người
sử dụng. Như máy khoan điện cầm tay, máy tiện, máy công cụ và các máy móc dùng
trong sinh hoạt…

Cấu tạo của dây xoắn mềm
Dây cáp
Là loại dây dẫn tải dòng điện lớn, có bọc cách điện cao su lưu hóa hoặc chất nhựa

PVC. Ruột bằng đổng, được cấu tạo bởi nhiều dây đơn nên có thể mềm hơn, để lắp
đặt đường dây. Thường dùng làm đường dây tải chính, trong khu nhà tập thể, xí
nghiệp có thể đặt trèn buli hoặc đi trong óng.
(Theo tiêu chuẩn TCVN 2103-77 và tiêu chuẩn cơ sở Bộ CKLK sốTC9-79).

Thông số của dây dẫn bằng đồng bọc nhựa dẻo, loại dây cứng
Ghi chú: Dòng điện tải sẽ tính giảm đi khi dây dẫn loại này được đặt trong ống

10


Dây cáp bọc giáp
Các loại dây dẫn đơn cứng hoặc dây cáp có bọc cách điện được bố trí hai hoặc nhiều
dây trong cùng một vỏ bọc chung bao ngoài bằng cao su hoặc nhựa PVC hoặc ruban
kim loại sắt, kẽm hay nhôm đều gọi là dây cáp bọc giáp. Sự chịu đựng va chạm về cơ
tùy thuộc vật liệu vỏ bọc ngoài cùng bảo vệ các dây dẫn chứa ở bên trong.
Các loại dây cáp bọc giáp này được sử dụng đặt cố định hoặc nơi có sự rung chuyển
thường xuyên như đường dây đẫn điện đến các máy công cụ, máy cưa bảo, máy
tiện… Khi lắp đăt không cần đi trong ống, vì lớp vò bọc ngoài thay thế cho ống luồn
đáy.
Không nên sứ dụng dây cáp bọc giáp đi ngầm, lắp kín trong tưởng và các chỗ nối dây
phải nối tại hộp nối
Trong trường hợp tổng quát, nên chọn mật độ dòng cho phép trong dây dẫn để dây
không bị nóng lên và sụt áp nhiều trên đường dây theo bảng sau:
Tiết diện dây
< 5mm2

Mật độ dòng
5A/mm2

6 => 15mm2

4A/mm2

16 =>50mm2

3A/mm2

51 =>100mm2

2A/mm2

101 =>
200mm2

1,5A/mm2

> 200mm2

1A/mm2

11


2. Công nghệ luyện đồng
a .Công nghệ luyện đồng:
a.1.Các công nghệ luyện đồng chủ yếu trên thế giới:
Công nghệ luyện đồng trên thế giới có thể phân chia ra hai loại: công nghệ cổ điển và
công nghệ hiện đại. Trong công nghệ cổ điển có hai công nghệ: Công nghệ hỏa luyện
và công nghệ thủy luyện

a.1.1.Công nghệ hỏa luyện cổ điển:
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 đi thổi luyện ra đồng thô, sau đó đem đồng thô đi tinh luyện
bằng phương pháp hỏa tinh luyện dể 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 + S2

Sau đó có các phẩn ứng oxy hóa một phần

S2 + 2O2 →

(1)

2SO2

(2)

Cu2S + 2O2 →

2CuO

+ SO2

(3)

4FeS + 7O2 →

2 Fe2O3

+ 4SO2

(4)

3FeS + 5O2 →

Fe3O4

+ 3SO2 (5)

- 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

+ SiO2

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

(6)

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:
12


Ban đầu phản ứng oxy hóa tạo xỉ sắt:
2FeS + O2 + SiO2 = 2FeO. SiO2 + 2SO2

(7)

Giai đoạn thổi luyện thứ hai:
2Cu2S

+ O2

→

2 Cu2O

+ 2SO2

(8)

Giai đoạn thổi luyện thứ ba:
Cu2S

+

Cu2O

→

6Cu + 2SO2

(9)

- 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
12000C 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

(10)

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

(Me)

=

2Cu + (MeO)

(11)

Các oxyt 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 cới oxy mà phụ thuộc vào độ
hòa tan của chúng trong đồng, nồng độ, độ bay hơi, số lượng oxy được cung cấp, sự
tạo thành các hợp chất với đồng và các yếu tố khác nữa.
Điện phân đồng dương cực nhận đồng catot thương phẩm
Điện phân tinh luyện đồng mục đích nâng cao chất lượng đồng từ ( 99,1-99,7%Cu)
lên đồng Catot (99,99%Cu), đồng thời thu hồi thêm kim loại quý như vàng. Áp dụng
phương pháp điện phân trong dung dịch trong dung dịch axit. Khi điện phân cực
dương là đồng dương cực, cực âm là tấm cái đồng. Các phản ứng điện hóa xảy ra như
sau:
- Phản ứng cực dương: Đồng tan ra

Cu -2e → Cu 2+
Cu -e → Cu +

(12)
(13)

- Phản ứng cực âm: Ion Cu 2+ phóng điện và được hoàn nguyên về đồng kim loại
Cu2+ + 2e → Cu

(14)

Khi điện phân tại cực dương các nguyên tố có điện thế dương hơn đồng như: Ag,
Au, chúng ở lại cực dương ở dạng hợp kim hoặc hợp chất không hòa tan vì khó bị oxy
hóa đi vào dung dịch, trở thành bùn dương cực.
a.1.2.Công nghệ thủy luyện cổ điển:
13

Đây là công nghệ chủ yếu để xử lý quặng đồng oxyt và quặng đồng hỗn hợp. Công
nghệ này có các công đoạn: Nghiền quặng, hòa tách trong dung dịch axit sulphuric và
phụ gia, làm sạch dung dịch khỏi các tạp chất, điện phân chiết tách nhận được đồng
Catot. Nói chung trong quặng đồng oxyt thường có một số khoáng vật sau:
Malachite CuCO3•Cu(OH)2
Chrysocolla
CuO·SiO2·2H2O

Azurite

2CuCO3·Cu(OH)2

Khi hòa tách bằng H2SO4 xảy ra các phản ứng cơ bản sau:
CuCO3.Cu(OH)2+ 2H2SO4 + 2H2O

=

2CuSO4.5H2O+ CO2

(17)

CuSiO3.2H2O + H2SO4 +2H2O

=

CuSO4.5H2O+ SiO2

(18)

3CuSO4.5H2O + 2CO2

(19)

2CuCO3·Cu(OH)2 + 3H2SO4 + H2O =

Từ đó nhận được dung dịch 3CuSO4.5H2O . Tuy nhiên dung dịch này còn chứa nhiều
tạp chất ví dụ như SiO2, Fe, Cl- , nên cần phải làm sạch trước khi điện phân.
a.1.3.Công nghệ hỏa luyện hiện đại:
Trong những năm gần đây, do việc thông qua các đạo luật về hạn chế chất thải vào khí
quyển nên người ta nghiên cứu áp dụng công nghệ luyện đồng hiện đại. Cơ chế phản
ứng quá trình luyện đồng hiện đại vẫn tuân thủ những cơ chế quá trình luyện đồng cổ
điển, chỉ khác về chủng loại thiết bị và các công đoạn dài dòng của luyện cổ điển được
cô đọng lại trong một vài thiết bị chủ yếu. Đặc biệt các công đoạn luyện sơ cấp ban
đầu. Bây giờ có xu hướng chỉ thực hiện trong một hoặc hai thiết bị.
14


Luyện trong trạng thái lơ lửng: Luyện lơ lửng Outokumpu, Luyện lơ lửng Inco
Luyện trong bể chất lỏng: Quá trình Worcra, Quá trình Noranda, Quá trình Misubishi,
Quá trình IsaSmelt, luyện bể lỏng trong lò phản xạ, luyện bể lỏng trong lò thổi
Teniente cải tiến,
Quá trình thổi luyện: Thổi luyện lò Peirco-Smit
a.1.4.Công nghệ thủy luyện hiện đại:
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 phức 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

Các quá trình thủy luyện hiện đại có thể được phân nhóm theo môi trường thuỷ luyện
như sau:
-

Quá trình sulphát

-

Quá trình sulphát/clorua

-

Quá trình clorua (và bromit)

Quá trình sulphát: Các quy trình dựa trên môi trường sulfat và nói chung là sử dụng
oxy để oxy hóa là những công nghệ được thiết lập phổ biến nhất để hoà tách quặng
đồng.Gồm có các quá trình: Activox, Nenatech, Dynatec, AAC/UBC, Placer Dome,
Biocop, Bactech/Mintek, Geocoat
Quá trình sulphát/clorua: Cho thêm chất clorua vào hoà tách sulphat để cải thiện động
học hoà tách và làm giảm nhiệt độ hoà tách thấp hơn. Gồm có các quá trình:
Quá trình Noranda Antlerite:

15


Quá trình được phát triển bởi Noranda vào cuối năm 1970 để xử lý tinh quặng
chanlcopyrite. Công nghệ này dựa vào sự chuyển đổi đồng thành khoáng vật antlerite
CuSO4.2Cu(OH)2. Các bước hoà tách bao gồm:
1-chuyển đổi chanlcopyrite và các khoáng vật sulphua đồng khác thành khoáng vật
antlerite, hematite và lưu huỳnh nguyên tố bằng xử lý với dung dịch sulphat-clorua
đồng ở 135-145 oC và áp suất oxy 200 psi
2- Hoà tách bã antlerite bằng axit sulphuaric ở PH 2,5 tạo thành chất điện giải cho
điện phân đồng
Quá trình BHAS:
Nhà máy luyện kim Broken Hill Associated Smelters Pty Ltd. (BHAS) ở Port Pirie,
Australia đã phát triển để xử lý sten sulphua đồng chì với dung dịch axit bão hoà oxy
có chứa cả sulphat và clorua. Quá trình được uỷ quyền vào năm 1984. Trong quá trình
này: đồng được hoà tan, còn chì còn lại trong ở dạng bã rắn sulphat chì và lưu huỳnh

nguyên tố được quay vòng chuyển đi luyện ở nhà máy luyện chì. Sau khi hoà tan gần
100% bạc ở lại bã hoà tách khoảng 15g/l clorua, nhưng có một số lượng đáng kể đã
hoà tan ở nồng độ clorua cao. Việc cho thêm clorua là cần thiết vì nó làm cho hiệu
suất chiết tách đồng thoả mãn. Nếu không cho thêm clorua thì hiệu suất chiết tách
đồng chỉ đạt 30%, trong khi đó nếu chỉ cho thêm hơn 10g/l clorua thì suất chiết tách
đồng tăng đột ngột lên 95%. Quá trình này đã được vận hành thương mại trong nhiều
năm qua nhưng hiện nay nó không còn hoạt động
Quá trình CESL :
Quá trình CESL được phát triển bởi Teck-Cominco. Chất dung môi hoà tách của quá
trình tương tự quá trình Noranda Antlerite , có nghĩa là dùng dung môi hỗn hợp
sulphat-clorua đồng, nhiệt độ khoảng 150oC, áp suất oxy hoá 200 psi, sau đó hoà tách
bằng axits để hoà tan antlerite. Trong quá trình 10-25% oxy hoá thành sulphat , số
sulphua còn lại chuyển đổi thành lưu huỳnh nguyên tố. Sắt được kết tủa ở dạng
hematite
Quá trình Halide:
Quá trình hoà tách clorua xử lý sulphide đồng đã nhận được nhiều sự chú ý trong thập
kỷ qua. DS Flett gần đây đã xem xét quá trình thuỷ luyện clorua xử lý các sulphua
phức tạp . Quá trình thuỷ luyện clorua( và bromide). Quá trình clorua có một số ưu
điểm khác biệt hơn quá trinh sulphat:
- nhanh hơn, tạo nên hoà tách khí quyển thực tế hơn
- Hầu như tất cả các sulphides được ôxi hóa thành nguyên tố lưu huỳnh.
- Độ hòa tan của các kim loại cao hơn dẫn đến khối lượng dung dịch thu đựơc cho các
bước tiếp theo nhỏ hơn.
Những khó khăn của quá trình là:
16


Do dùng môi trường hoà tách clorua nên tính ăn mòn thiết bị mạnh hơn, điều đó
dẫn đến chi phí đầu tư và chi phí sửa chữa cao
-

Không thể điện phân trực tiếp dung dịch clorua nhận đồng catot

Clorua sắt 3 là dung môi hoà tách ưa thích nhất trong quá trình clorua. Trong hầu hết
các quá trình clorua đồng được thu hồi bằng chiết tách điện phân. Nếu trong quá trình
chiết tách chuyển đồng clorua thành đồng sulphat thì có thể sử dụng điện phân để kết
tủa thu hồi đồng. Có thể điện phân dung dịch clorua đồng nhận bột đồng trong quá
trình lắng (Clear process). Trong dung dịch clorua, ion đồng được phóng điện thường
ở dạng đa hoá trị hơn là hoá trị 2 và phản ứng xảy ra trên anot thường là oxy hoá ion
đồng hơn là giải phóng clo. Do đó nhu cầu năng lượng cho điện phân dung dịch clorua
đồng có khả năng được giảm đáng kể so với điện phân dung dịch sulfat. Hoà tách oxy
hoá dung dịch nồng độ clo cao thì bạc hoà tan một số, còn vàng ở lại trong bã hoà
tách. Bạc có thể thu hồi bằng ximăng hoá cùng với đồng, nếu như đồng được thu hồi
bằng chiết tách/điện phân. Thu hồi vàng từ bã hoà tách nằng xianua hoa trực tiếp lại
khó khăn do có tồn tại lưu huỳnh nguyên tố trong nó. Pyrite nói chung hoà tan không
đáng kể, cho nên bất kỳ một lượng vàng nào liên kết với nó sẽ không thu hồi được
Quá trình CLEAR
Quá trình CLEAR đã được vận hành theo công nghệ hoà tách/điện phân tại xưởng
Arizona ở Mỹ công suất 100.000 tấn đồng ca tôt/năm từ năm 1976 tới năm 1982 .
Tinh quặng được hoà tách ngược dòng hai giai đoạn. Đầu tiên dùng dung dịch clorua
đồng hai trạng thái nóng ở áp suất khí quyển sản sinh ra dung dịch clorua đồng một.
Sau khi làm trong, dung dịch cái hoà tách được gửi đi tới xưởng điện phân đồng.
Đồng được kết tủa đưới dạng bột tại xưởng điện phân. Bã hoà tách từ giai đoạn đầu
tiên được hoà tách trong điều kiện mạnh mẽ hơn ( nhiệt độ 145 oC , dư áp suất oxy),
để thu hồi đồng trong bã dùng ion sắt làm chất hoà tan chủ yếu. Trong giai đoạn hoà
tách thứ hai: Một số lưu huỳnh sulphua cũng được oxy hoá thành sulphat mà có thể
loại bỏ nó bằng kết tủa dưới dạng thạch cao.
Quá trìng CYMET:
Trong quá trình CYMET, tinh quặng đồng sulphide đã phải chịu hoà tách ngược dòng
đến hai giai đoạn trong dung dịch FeCl3/ CuCl2 /NaCl. Sắt được loại bỏ khỏi dung

dịch dưới dạng chất jarosites và oxyt-hydrroxyt sắt khác nhau trong giai đoạn hoà
tách thứ hai. Đồng được thu hồi bằng hoàn nguyên hydrro trong bình phản ứng tần sôi
sau khi kết tinh clorua đồng một(CuCl). Sản phẩm đồng được nấu chảy thành thỏi.
Quá trìng Cuprex :
Trong quá trình này tinh quặng đồng sulphua được hoà tách hai giai đoạn bằng dung
dịch NaCl /FeCl3 để tạo thành dung dịch CuCl2 . Đồng được thu hồi bằng chiết táchđiện phân dưới dạng bột. Clo được sinh ra ở anot được thu hồi và dùng để tái oxy hoá
Cu2Cl2 đã được sinh ra trong quá trình điện phân tại vùng catot. Sự có mặt của đồng
dung dung dịch điện giải đã cải tạo được thu hồi bằng chiết tách và đưa quay vòng lại
17


cho công đoạn chiết. Nước muối giải chiết được dùng làm chất điện giải anot trong bể
điện phân màng ngăn.
Quá trình Outokumpu (Hydrocopper):Outokumpu mới đây phát triển quá trình hoà
tách clorua mới gọi là quá trình HydroCopper . Trong quá trình này chalcopyrite được
hoà tan ở áp suất khí quyển clorua đồng hai và muối ăn. Đồng được thu hồi từ dung
dịch clorua đồng sạch dưói dạng oxyt đồng một bằng cách cho kết tủa dung dịch với
soda. Các hoá chất sử dụng: soda, clo để oxy hoá dung dịch hoà tách, hyđro để hoàn
nguyên oxyt đồng đến kim loại. Khí hyđro được sản xuất từ nước biển dùng lại bằng
công nghệ điện phân clorua-kali . Sản phẩm bột đồng sạch được nấu chảy đúc thành
tấm. Quá trình này đã được phát triển thành patent củaOutokumpu. Outokumpu tuyên
bố rằng: chi phí năng lượng có thể được giảm xuống còn khoảng 1.300 kWh / t Cu.
Để chứng minh công nghệ, Outokumpu là xây dựng một nhà máy thí điểm tại Pori,
Phần Lan
Quá trình Intec [22, 23]
Cơ chế của quá trình Intec này cũng rất sáng tạo. Những cấu tử chính của dung dịch
hoà tách là NaCl, bromit và dung môi, BrCl2_ được sinh ra bởi phản ứng anot trong
bể điện phân độc đáo. Hoà tách trong áp suất khí quyển, dùng không khí làm chất oxy
hoá. Hoà tách 3 giai đoạn. Đồng được hoà tan trong giai đoạn 1 và 2. Hoà tan vàng
trong giai đoạn 3. Hiệu suất chiết tách đồng đạt 98% trong vòng 12h. Trong điều kiện

hoà tách giai đoạn 3, vàng đã hoà tan được thu hồi trực tiếp bằng các bon hoạt tính.
Sau khi phân tách rắn lỏng bã hoà tách được vớt ra, còn dung dịch mới tạo thành được
làm sạch qua một số công đoạn. Đầu tiên chuyển toàn bộ đồng trong dung dịch thành
đồng sulphat bằng cho dung dịch tiếp xúc với bột đồng. Trong bước thứ hai bạc được
khử từ dung dịch bằng quá trình hỗn hống thuỷ ngân, sử dụng thuỷ ngân cho thêm
nhôm. Bước cuối cùng là trung hoà bằng vôi đến PH bằng 4,0-4,5 để kết tủa các tạp
chất dưới dạng bã. Điện phân dung dịch nhận được đồng dạng nhánh cây . Đem đồng
nhánh cây đi rửa, làm khô trong môi trường khí trơ rồi nấu chảy, đúc thành tấm. Quá
trình đã được thử nghiệm ở quy mô pilot đối với một số loại tinh quặng. Pirit không bị
hoà tan đáng kể, vì thế vàng liên kết với pirit không được thu hồi

b . Sản suất đồng ở Việt Nam:
Khoáng sản quặng đồng: Mỏ đồng Sinh Quyền có trữ lượng: 50 triệu tấn quặng
nguyên khai với hàm lượng Cu: 1,07%, vàng 0,5 g/tấn, bạc 0,48g/tấn, lưu huỳnh
2,25%, sắt 16,66%. Công nghệ tuyển khoáng kết hợp tuyển nổi và tuyển từ. Sau khi
tuyển thu được các sản phẩm: quặng tinh đồng 42.000 tấn/năm( hàm lượng Cu ≥
25%), manhetit 113.000 tấn/năm ( hàm lượng Fe ≥ 65%), quặng tinh lưu huỳnh
19.600 tấn/năm (hàm lượng S ≥ 36%)
Nhà máy luyện đồng Lài Cai: Nhà máy đi vào hoạt động tháng 8/2008. Năm 20092010 chạy 60% công suất thiết kế. Đến năm 2011 đi vào hoạt động đạt công suất thiết
kế.
18


Nhà máy luyện đồng Lài Cai áp dụng công nghệ luyện Thủy Khẩu Sơn. Đây là công
nghệ bản quyền của Trung Quốc, thiết bị đồng bộ của trung Quốc. Cần phải thấy rằng
đây không phải là công nghệ luyện cổ điển, mà cũng không phải công nghệ luyện hiện
đại như công nghệ luyện bể lỏng hoặc công nghệ luyện lơ lửng. Vì công suất nhà máy
quá nhỏ so với thế giới nên không thể chọn công nghệ hiện đại cho dù với gam thiết bị
nhỏ nhất. Vì vậy Trung quốc đã chọn công nghệ luyện Thủy Khẩu Sơn choViệt Nam.
Công nghệ này xuất phát từ một nhà máy luyện chì của Trung Quốc mang tên Thủy

Khẩu Sơn. Bản chất của công nghệ là sử dụng lò luyện Thủy Khẩu Sơn thay cho hai lò
luyện trong dây chuyền thiết bị luyện cổ điển như: lò thiêu khử bớt lưu huỳnh, lò điện
luyện ra sten. Công nghệ này có ưu điểm có thể thiết kế chế tạo lò có công suất nhỏ
phù hợp với nguồn quặng Việt Nam

Các công đoạn gồm có:

-

Chuẩn bị liệu

Nấu luyện trong lò Thủy Khẩu Sơn nhận sten đồng( lò Φ3100x 12000mm) và
sinh ra xỉ lò Thủy Khẩu Sơn ( Khối lượng xỉ 19.950 tấn/năm và hàm lượng đồng trong
xỉ 3% Cu), khí lò Thủy Khẩu Sơn (7022,5 m3/h)
Thổi luyện sten đồng trong lò chuyển (Φ2400x5200mm) nhận được đồng thô và
xỉ lò chuyển, khí lò chuyển (9638,28 m3/h)
Khí của hai lò Thủy Khẩu Sơn và lò chuyển được đưa đi làm sạch và sản xuất
axit sulphuric
Xỉ lò Thủy Khẩu Sơn ( 3% Cu) được làm nguội, rồi đưa đi gia công, tuyển thu
lại quặng tinh đồng
Đồng thô được đưa đi tinh luyện trong lò phản xạ( mỗi ngày ra lò 28 tấn đồng
dương cực) bằng phương pháp hỏa tinh luyện để tách các tạp chất: Fe, Pb, Bi, Sb, As
để sản xuất tấm dương cực hợp quy cách. Đồng dương cực có hàm lượng 99,5% Cu.
Xỉ lò phản xạ dương cực có hàm lượng đồng rất cao phải đưa về luyện lại trong lò
chuyển. Khói lò phản dương cực có hàm lượng SO2 rất nhỏ, sau khi qua đốt cháy lần
hai đem thải vào khí quyển qua ống khói
Đồng dương cực đem đi điện phân nhận được đồng âm cực(99,95%Cu) và bùn
dương cực.
Xử lý bùn dương cực thu các kim loại quý: Bạc , vàng thỏi . Theo thiết kế sau
khi luyện kim sẽ thu được đồng kim loại 10.000 tấn/năm, axit sulphuaric (H2SO4)

40.000 tấn/năm, Sản phẩm là đồng catot đạt 99, 97% Cu

19


Dưới đây là một số hình ảnh về nhà máy luyện đồng Lào Cai

Lò Thùy Khẩu Sơn

Máy Đúc Đồng
20


Bể Điện Phân Đồng
*. Vấn đề đang tồn tại ở nhà máy luyện đồng:
Hàng năm tại nhà máy luyện đồng Lào Cai thải ra khoảng trên 20 ngàn tấn xỉ thải có
hàm lượng Au ≈ 0,2 g/t; Ag ≈ 0,2 g/t và Cu ≈ 0,9 % ngoài ra còn nhiều nguyên tố khác
như REO, S … Vì vậy cần tìm ra giải pháp công nghệ để thu hồi.

21