Tái sinh kẽm từ kẽm cứng bằng phương pháp thủy luyện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỖ TRỌNG NGHĨA

TÁI SINH KẼM TỪ KẼM CỨNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUỶ LUYỆN

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Mã số: 60.520309

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÁI SINH KẼM TỪ KẼM CỨNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUỶ LUYỆN

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

GVHD: TS. HUỲNH CÔNG KHANH
HV: ĐỖ TRỌNG NGHĨA
MSHV: 12054943

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2015

Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. HUỲNH CÔNG KHANH
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Đỗ Trọng Nghĩa

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 11-01-1989

Nơi sinh:.Bình Dƣơng

Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu kim loại và hợp kim

MSHV: 12054943

I. TÊN ĐỀ TÀI:
TÁI SINH KẼM TỪ KẼM CỨNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP THUỶ LUYỆN.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Khảo sát các thơng số ảnh hƣởng đến q trình hồ tách xỉ kẽm bằng axit sunfuric.
Khảo sát các thông số ảnh hƣởng đến quá trình điện phân dung dịch kẽm sunfat.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HUỲNH CÔNG KHANH

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. 07 . năm 2015...
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN

Với tất cả lịng kính trọng và biết ơn, em xin gửi đến thầy TS. Huỳnh Công Khanh
lời cảm ơn chân thành, thầy đã tận tình hƣớng dẫn và chỉ dạy em trong suốt quá trình
thực hiện luận văn này.
Em xin cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô trong Khoa Công Nghệ Vật Liệu, Trƣờng
ĐH Bách Khoa Tp.HCM. Đặc biệt là quý thầy cô trong Bộ Môn Công nghệ vật liệu Kim
Loại và Hợp Kim đã tận tình chỉ dạy, cung cấp kiến thức hữu ích trong suốt thời gian học
tập và nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS.Trần Văn Khải - Trƣởng phịng thí nghiệm Bộ
môn Vật liệu kim loại và thầy ThS.Lƣu Tuấn Anh – Trƣởng phịng thí nghiệm Bộ mơn
Cơ sở - Khoa Công nghệ vật liệu đã tạo điều kiện cho em tiến hành thí nghiệm tại Bộ
mơn.
Em cũng xin cảm ơn các anh chị, bạn bè cùng khóa đặc biệt là bạn Lƣơng Thị
Quỳnh Anh đã giúp đỡ và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu.
Nhân đây, em cũng xin cảm ơn Công ty Cổ Phần Tôn Đông Á đã giúp đỡ em
trong quá trình tham quan và lấy mẫu tại nhà máy.
Con xin cảm ơn bố mẹ đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tiến
hành làm luận văn.
Mặc dù em đã hoàn thành luận văn này với tất cả sự cố gắng và năng lực của
mình, tuy nhiên luận văn khơng tránh khỏi cịn những thiếu sót, rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp ý kiến từ quý thầy cô và các bạn.

Đỗ Trọng Nghĩa


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Việc tái sinh kim loại từ nguồn nguyên liệu thứ cấp đã được nghiên cứu nhiều,
nhằm giúp giảm áp lực cho nguồn nguyên liệu từ khai thác mỏ, giải quyết bài tốn mơi
trường trong khai thác và sử dụng kim loại.
Trong luận văn, tập trung nghiên cứu tái sinh kẽm từ kẽm cứng, chất thải từ quy
trình mạ nhơm kẽm.
Trong giai đoạn hồ tách, tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
hồ tách kẽm cứng trong dung dịch axit sunfuric như nhiệt độ,nồng độ dung dịch axit, tốc
độ khuấy trộn và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số này đến hiệu suất thu hồi kẽm.
Kết quả cho thấy hiệu suất thu hồi cao (>80%) trong điều kiện nồng độ dung dịch axit
450g/l, tỉ lệ rắn/lỏng : 1/15, nhiệt độ 80 0C , thời gian hoà tách 4h, tốc độ khuấy trộn 500
vịng/phút.
Khảo sát các thơng số mật độ dịng, nồng độ ion kẽm ảnh hưởng đến hiệu suất
dòng trong quá trình điện phân dung dịch kẽm sunfat. Kết quả cho thấy hiệu suất dòng
đạt trên 80% khi nồng độ ion hơn 50 gZn/l, và mật độ dòng trên 250 A/m2. Tuy nhiên với
mật độ dịng q cao thì dễ sinh ra kết tinh nhánh cây. Độ tinh khiết đạt được trên 98%
Đề tài đưa ra một lựa chọn cho việc tái sinh kẽm từ kẽm cứng, và hy vọng trong
tương lai, kết quả từ đề tài được xem xét lựa chọn ứng dụng trong thực tế.


MỤC LỤC ...........................................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................vii
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU.....................................................................................................1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ...............................................................................................................1
1.2 TÍNH CẤP THẾT CỦA ĐỀ TÀI...................................................................................1

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU..........................................................................................2
1.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU..............................................................2
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu.............................................................................................2
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu................................................................................................2
1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................................3
1.6 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI.........................................................................................................3
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................5
2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THUỶ LUYỆN.................................................................5
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q TRÌNH HỒ TÁCH........................................................6
2.1.1 Khái niệm hoà tách..........................................................................................6
2.1.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hịa tách..................................................9
2.1.2.1 Nhiệt độ.............................................................................................9
2.1.2.2 Nồng độ dung mơi............................................................................9
2.1.2.3 Ảnh hƣởng của khuấy trộn.............................................................10
i


2.1.2.4 Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt.........................................................10
2.2 HỒ TÁCH KẼM CỨNG TRONG AXIT SUNFURIC............................................11
2.2.1 Hòa tan kẽm cứng vào dung dịch axit sunfuric.............................................11
2.2.2 Khử tạp chất...................................................................................................12
2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN.....................................................14
2.3.1 Khái niện cơ bản về điện phân ......................................................................14
2.3.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình điện phân.............................................15
2.3.2.1 Quá trình cực âm..............................................................................15
2.3.2.2 Quá trình cực dƣơng........................................................................17
2.3.2.3 Hiệu suất dòng điện.........................................................................17
2.3.2.4 Sự kết tinh của kẽm ở cực âm và tác dụng của keo.........................19
2.4 ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH KẼM SUNFAT..............................................................20
2.5 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

ĐẾN ĐỀ TÀI.....................................................................................................................21
2.5.1 Trên thế giới...................................................................................................21
2.5.2 Trong nƣớc.....................................................................................................29
CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM...............................................34
3.1 HOÁ CHẤT VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM................................................................34
3.1.1 Hố chất thí nghiệm.......................................................................................34
3.1.2 Thiết bị thí nghiệm.........................................................................................34
ii


3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO DÙNG TRONG LUẬN VĂN........................................37
3.2.1 Các thông số cần đánh giá.............................................................................37
3.2.2 Lựa chọn phƣơng pháp đánh giá....................................................................37
3.2.3 Phƣơng pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (AES: Atomic emission
Spectrometry).....................................................................................................................37
3.2.4 Phƣơng pháp phát xạ plasma (ICP MS : Inductively coupled plasma mass
spectrometry).....................................................................................................................38
3.2.5 Phƣơng pháp phổ tán sắc năng lƣợng tia X (EDS: Energy-dispersive X-ray
spectroscopy).....................................................................................................................39
3.2.6 Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ ..................................................................39
3.3 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM............................................................................46
3.3.1 Sơ đồ quy trình hồ tách kẽm cứng và điện phân dung dịch kẽm.................46
3.3.2 Giải thích quy trình và các thí nghiệm ngồi lề.............................................46
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN.....................................................................56
4.1 KẾT QUẢ HOÀ TÁCH KẼM CỨNG........................................................................56
4.1.1 Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch axit sunfuric ..........................................56
4.1.2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ.................................................................................57
4.1.3 Ảnh hƣởng của tốc độ khuấy trộn..................................................................58
4.1.4 Ảnh hƣởng của thời gian ..............................................................................61
4.2 KẾT QUẢ ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH KẼM SUNFAT............................................62

4.2.1 Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch kẽm điện phân.......................................62
4.2.2 Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện..................................................................64
iii


CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................66
5.1 KẾT LUẬN..................................................................................................................66
5.2 KIẾN NGHỊ.................................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................68
PHỤ LỤC..............................................................................................................................

iv


DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Quy trình tái sinh kẽm từ xỉ kẽm và bụi kẽm [7].............................................. 22
Hình 2.2: Quy trình đề xuất trình tự tách kẽm, đồng, sắt và nhơm từ xỉ luyện đồng[13]. 25
Hình 2.3 Sơ đồ quá trình hồ tách xỉ kẽm[4].....................................................................30
Hình 2.4: Sơ đồ tổng thể q trình[5]................................................................................32
Hình 3.1: Cân điện tử ...................................................................................................... 34
Hình 3.2: Máy khuấy và nung từ......................................................................................35
Hình 3.3: Máy đo pH cần tay và dung dịch chuẩn pH4.....................................................35
Hình 3.4: Máy điện phân. .................................................................................................36
Hình 3.5: Bố trí bể điện phân............................................................................................36
Hình 3.6: Máy phát xạ plasma ICP-MS (Agilent Technologies 7500 tại khoa Kỹ thuật
hoá học – Đh Bách khoa-DHQGTPHCM)........................................................................39
Hình 3.7: Đường chuẩn biểu diễn quan hệ mật độ quang và nồng độ dung dịch.............41
Hình 3.8: Máy đo quang phổ hấp thụ................................................................................43
Hình 3.9: Cuvet thạch anh 1cm (a cho sai trình tự, b đúng trình tự)...............................43

Hình 3.10 : Đồ thị đường chuẩn kẽm.................................................................................45
Hình 3.11: Sơ đồ quá trình thuỷ luyện kẽm cứng..............................................................46
Hình 3.12: Phổ EDS thành phần ngun tố trong cặn sau hồ tách lần 1.........................49
Hình 3.13 : Q trình khử tạp chất....................................................................................52
Hình 3.14: Kết quả thí nghiệm thăm dò............................................................................53

v


Hình 3.15: (a)kết tinh nhánh cây và (b) lớp kẽm bóc ra ở cực âm....................................54
Hình 4.1 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến hiệu suất thu hồi............................................56
Hình 4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi...................................................58
Hình 4.3 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến hiệu suất thu hồi....................................59
Hình 4.4 Ảnh hưởng khuấy trộn bằng H2 đến hiệu suất thu hồi........................................60
Hình 4.5 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi..................................................61
Hình 4.6: Ảnh hưởng của nồng độ ion kẽm đến hiệu suất dịng. ......................................63
Hình 4.7: Ảnh hưởng của mật độ dòng đến hiệu suất dòng...............................................64

vi


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần xỉ sử dụng trong nghiên cứu [13].................................................. 24
Bảng 2.2: Thành phần tro kẽm[17]....................................................................................27
Bảng 2.3: Thơng số q trình điện phân[17].................................................................... 28
Bảng 2.4: Kết quả khảo sát các nghiên cứu trên thế giới...................................................33
Bảng 3.1: Kết quả đo quang mẫu đường chuẩn.................................................................44
Bảng 3.2 : Kết quả đo quang mẫu kiểm tra đường chuẩn..................................................45
Bảng 3.3: Thành phần nguyên tố kẽm cứng......................................................................47

Bảng 4.1 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến hiệu suất thu hồi............................................56
Bảng 4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi...................................................57
Bảng 4.3 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến hiệu suất thu hồi....................................59
Bảng: 4.4 Ảnh hưởng khuấy trộn bằng H2 đến hiệu suất thu hồi......................................60
Bảng 4.5 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi.................................................61
Bảng 4.6: Ảnh hưởng của nồng độ ion kẽm đến hiệu suất dòng.......................................62
Bảng 4.7: Ảnh hưởng của mật độ dòng đến hiệu suất dòng..............................................64

vii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, nhu cầu sử dụng kim loại nói chung và kẽm nói riêng khơng ngừng tăng
lên. Và các mỏ quặng đáp ứng được khoảng 70% nhu cầu này, còn lại 30 % đến từ nguồn
nguyên liệu tái sinh. Việc khai thác các mỏ yêu cầu đầu tư lớn và ảnh hưởng nhiều đến
mơi trường. Trong khi đó, nguồn ngun liệu tái sinh đạt chất lượng tốt hơn quặng gốc
hoặc ít nhất là dễ dàng cho ra kim loại hơn. Mặc dù được xem là nguồn nguyên liệu hứa
hẹn trong tương lai nhưng khi khảo sát thực tế thì lại gặp nhiều khó khăn hơn trong việc
sử dụng nguồn nguyên liệu thứ cấp này, chủ yếu liên quan đến tính kinh tế, công nghệ và
sự phức tạp của nguyên liệu.
Tỷ lệ thu hồi kim loại từ nguyên liệu tái sinh từ 75% đến 99% tùy thuộc vào kim
loại, nguồn nguyên liệu và phương pháp chế biến. [18]
Trong nguồn nguyên liệu tái sinh, xỉ kẽm và kẽm cứng từ quá trình tráng nhôm
kẽm lên tôn xây dựng cũng dành được nhiều sự quan tâm nghiên cứu.
Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay, xỉ kẽm và kẽm cứng chỉ dừng lại ở việc dùng
làm nguyên liệu cho một số sản phẩm khác nhau như: làm cho quá trình luyện kim màu
như nấu đồng thau, hoặc được nghiền nhỏ làm chất độn cho sản xuất xi măng,...

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việc tái sinh các kim loại đang được nghiên cứu nhiều trên thế giới nhằm giảm áp
lực cho nguồn nguyên liệu sản xuất từ quặng. Và quan trọng hơn cả là giải quyết bài tốn
mơi trường từ q trình sản xuất và sử dụng kim loại.
Quy trình mạ nhơm kẽm hiện nay rất được ưa chuộng và phổ biến tại Việt Nam,
kéo theo là lượng xỉ thải từ quá trình này cũng tăng lên đáng kể. Tại công ty cổ phần Tôn
Đông Á, chỉ riêng một dây chuyền mạ nhôm kẽm, lượng xỉ thải ra trung bình khoảng 4050 tấn/năm. Nếu nguồn phế liệu này được xử lý hợp lý, có thể cung cấp lượng lớn
nguyên liệu kẽm sạch cho các ngành công nghiệp khác.

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Sản phẩm kẽm từ quy trình thủy luyện kết hợp điện phân cho chất lượng cao hơn
so với phương pháp hỏa luyện, giảm thiểu sự mất mát kẽm kim loại do bay hơi trong quá
trình hoả luyện.
Dù vậy, số lượng nghiên cứu về quy trình thuỷ luyện kết hợp với điện phân kẽm ở
nước ta hiện nay vẫn cịn hạn chế, chỉ mới có vài đề tài nghiên cứu về công nghệ tái sinh
kẽm từ các nguồn chứa nhiều kẽm như: xỉ kẽm, xỉ đồng thau,...
Với những nhận định trên, có thể nói đề tài: “Tái sinh kẽm từ kẽm cứng bằng
phương pháp thuỷ luyện” đi sâu vào nghiên cứu tái sinh kẽm cứng và cung cấp thêm
phương pháp tái sinh nguồn nguyên liệu thứ cấp này.
1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Khảo sát ảnh hưởng của: nồng độ dung dịch axit, nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn, thời
gian đến hiệu suất hòa tách kẽm cứng vào dung dịch axit sunfuric .
Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố: nồng độ dung dịch và mật độ dòng điện
đến quá trình điện phân dung dịch kẽm sunfat để thu kẽm nguyên chất.
1.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHÊN CỨU
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu

Tập trung nghiên cứu và xây dựng quy trình tái sinh kẽm từ kẽm cứng từ dây
chuyền mạ nhôm kẽm, ảnh hưởng của các yếu tố đến q trình hồ tách trong axit
sunfuric và q trình điện phân dung dịch kẽm sunfat.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
Quá trình hịa tách:
- Các tính chất cơ bản của kẽm cứng (định lượng các nguyên tố có trong kẽm
cứng): việc xác định thành phần kẽm cứng có ý nghĩa quan trọng trong tái sinh kẽm

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

cứng, đặc biệt là trong giai đoạn hịa tách, dựa vào thành phần ta có thể lựa chọn được
cơng nghệ hịa tách và kiểm sốt được q trình hịa tách kẽm.
- Điều chỉnh các thơng số: nồng độ dung dịch axit, nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn,
thời gian để khảo sát ảnh hưởng của các thông số này đối với hiệu suất thu hồi kẽm trong
giai đoạn hòa tách.
- Đánh giá hiệu suất thu hồi kẽm trong giai đoạn hồ tách.
Q trình điện phân:
- Điều chỉnh thơng số: nồng độ dung dịch và mật độ dòng điện để khảo sát ảnh
hưởng của các thông số này đến quá trình điện phân dung dịch thu hồi kẽm.
- Đánh giá hiệu suất thu hồi kẽm trong giai đoạn điện phân.
1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Tổng quan nghiên cứu của các tác giả khác.
- Lựa chọn khoảng khảo sát.
- Thí nghiệm hoà tách và điện phân.
1.6 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI
Việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết q trình hồ tách và điện phân cho phép đánh giá
tính khả thi của đề tài.

Đề tài: “Tái sinh kẽm từ kẽm cứng bằng phương pháp thuỷ luyện” đi sâu vào
nghiên cứu tái sinh kẽm cứng và cung cấp thêm phương pháp tái sinh nguồn nguyên liệu
thứ cấp, cung cấp kẽm với độ sạch cao, giải quyết bài toán xử lý chất thải từ quá trình sản
xuất và sử dụng kim loại.

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Kết quả của đề tài bao gồm khoảng khảo sát tối ưu cho q trình hồ tách kẽm
cứng cũng như quá trình điện phân dung dịch muối kẽm sunfat. Và hy vọng trong tương
lai kết quả từ đề tài này được xem xét lựa chọn ứng dụng trong thực tế.

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THUỶ LUYỆN
Các quá trình luyện kim được chia thành hỏa luyện và thủy luyện.
Định nghĩa quá trình thủy luyện: 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, nhằm thu hồi kim loại hoặc hợp chất kim loại.
Các phương pháp thủy luyện được dùng rộng rãi vì:
- Thu hồi được kim loại từ quặng nghèo và khó tuyển, tiêu hao hóa chất ít, thiết bị
đơn giản, điều kiện nhiệt độ thấp.
- Dùng phương pháp thủy luyện có thể xử lý tổng hợp quặng để thu hồi các
nguyên tố có giá trị với hiệu suất cao.

- Hiệu quả kinh tế của các phương pháp thủy luyện cao, điều kiện lao động tốt.
Tuy nhiên, các phương pháp thủy luyện đơn thuần không đáp ứng tất cả các yêu
cầu của công nghệ chế biến kim loại, cho nên trong thực tế sản xuất, các phương pháp
thủy luyện phải kết hợp với các phương pháp khác.
Các quá trình thủy luyện được phân thành 3 giai đoạn chủ yếu:
- Chuyển các cấu tử có ích từ nguyên liệu vào dung dịch.
- Chuẩn bị dung dịch để thu hồi cấu tử có ích.
- Thu hồi cấu tử có ích dưới dạng kim loại hoặc hợp chất kim loại.
Q trình chuyển các cấu tử có ích từ ngun liệu vào dung dịch là q trình hịa
tách, bằng cách cho nguyên liệu tác dụng với dung môi.

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Quá trình chuẩn bị dung dịch bao gồm việc lọc tạp chất ra khỏi dung dịch bằng
các phương pháp khác nhau (lắng, lọc các hợp chất ít hòa tan), khử các tạp chất bằng
bằng cách hấp thụ (trao đổi ion, chiết ly), làm đặc dung dịch bằng phương pháp cơ đặc,
trao đổi ion, chiết ly.
Q trình thu hồi cấu tử có ích là q trình tách chúng ra khỏi dung dịch bằng các
phương pháp như kết kinh, kết tủa hợp chất hịa tan, hồn ngun bằng pha khí, xi măng
hóa, điện phân.

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q TRÌNH HỒ TÁCH
2.1.1 Khái niệm hồ tách
Hịa tách là q trình hịa tan chọn lọc các cấu tử có ích từ quặng, tinh quặng hoặc
từ các cấu tử khác vào dung dịch.
A(r) + B(l)  C (r) + D (l)
Nguyên nhân làm cho kim loại từ nguyên liệu đi vào trong dung môi:

- Sự dao động của các phân tử chất rắn quanh vị trí cân bằng của chúng.
- Sự hút của các phần tử dung môi và sự xâm nhập của chúng vào mạng tinh thể
chất rắn.
Q trình hịa tách bao gồm 6 giai đoạn chính sau:
- Khuếch tán các phân tử dung môi đến mặt của pha rắn qua lớp tĩnh Nernst
(khuếch tán ngồi).
- Khuếch tán dung mơi qua lớp sản phẩm rắn (khuếch tán trong).
- Hấp phụ các phân tử dung môi trên mặt phản ứng.

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

- Phản ứng hóa học giữa dung môi và chất rắn trên mặt chất rắn.
- Khuếch tán các chất hòa tan từ mặt phản ứng qua lớp sản phẩm rắn.
- Khuếch tán sản phẩm hòa tách qua lớp tĩnh Nernst.
Sáu giai đoạn nêu trên thực chất phản ánh 2 quá trình:
- Quá trình truyền khối: gồm các giai đoạn khuếch tán dung môi vào bề mặt phản
ứng và khuếch tán các sản phẩm phản ứng ra khỏi mặt phản ứng.
- Q trình hóa học: bao gồm bản thân phản ứng hịa tan và hấp phụ dung mơi lên
bề mặt phản ứng.
Ở mỗi giai đoạn, quá trình tiến hành với tốc độ nhất định. Tốc độ chung của phản
ứng hịa tách:
∑

Với: n- số phản ứng có trong q trình.
vi - tốc độ phản ứng thứ i.
Vi = c.ki
c - nồng độ dung mơi.

Hằng số tốc độ được tính theo phương trình Arhenius:

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

ki = A. Exp(-E/RT)

Trong đó:

A - hằng số.
E - năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

Hằng số tốc độ chung k được xác định theo quan hệ sau:
1/k = 1/k1 + 1/k2 + 1/khh
Trong đó:

k1 , k2 - hằng số tốc độ khuếch tán trong (qua lớp sản phẩm rắn) và

khuếch tán ngoài(qua màng Nernst).
k hh - hằng số tốc độ phản ứng hóa học.
- Khi 1/k1 + 1/k2 >> 1/khh thì quá trình thuộc miền động học khuếch tán. Tức là
tốc độ của q trình hịa tách được quyết định bởi tốc độ khuếch tán của dung mơi hoặc
của sản phẩm hịa tách.
- Cịn khi 1/k1 + 1/k2 << 1/khh thì quá trình thuộc miền động học hóa học. Trong
trường hợp này, tốc độ của quá trình hịa tách được quyết định bởi tốc độ của phản ứng
hóa học.
Tương tác giữa dung mơi và chất rắn tiến hành theo hướng từ mặt chất rắn đến

tâm, cho tới khi kết thúc q trình hịa tan. Do đó, có thể sau phản ứng cịn lại lõi khơng
hịa tan do bao bọc bởi lớp sản phẩm rắn.
Dung môi cho hòa tách:
- Nước dùng hòa tách các sunphat và clorua có khả năng hịa tan tốt.
- Axit là dung mơi được sử dụng phổ biến nhất. Tuy nhiên, đối với các quặng khó
hịa tách, phải sử dụng các axit đắt tiền hơn: HCl, HNO3, HF. Đơi khi cịn dùng hổn hợp
axit (ví dụ HCl + HNO3).

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

- Bazơ cũng được dùng hòa tách nhiều loại quặng (ví dụ bauxit hịa tách trong
kiềm NaOH hoặc dùng hydroxit amoni để hòa tách Ni từ laterit hoặc từ quặng sunphua).
- Dung dịch muối dùng hòa tách một số loại quặng (dung dịch NaCO3 có thể hịa
tan seelit chứa vonfram hoặc quặng uran). Natri xianua là dung mơi điển hình dùng để
hịa tan vàng, bạc dưới dạng các phức xianua dễ tan.
2.1.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình hịa tách
2.1.2.1 Nhiệt độ
Tốc độ của phần lớn các phản ứng hóa học trong q trình hịa tách đều tăng khi
tăng nhiệt độ.
Với q trình hịa tách thuộc miền động học hóa học thì ảnh hưởng của nhiệt độ
đến tốc độ phản ứng rất mạnh (cụ thể qua phương trình Arhenius ). Cịn đối với q trình
thuộc miền động học khuếch tán thì hệ số khuếch tán D tỉ lệ bậc nhất với nhiệt độ T.
Khi tăng nhiệt độ, tốc độ của phản ứng hóa học tăng nhanh hơn tốc độ khuếch tán.
2.1.2.2 Nồng độ dung môi
Nồng độ dung môi ảnh hường rất lớn đến tốc độ hòa tách, cụ thể là trong miền
động học khuếch tán. Có thể nêu ảnh hưởng của nồng độ dung mơi C đến tốc độ hịa tách
(dG/dτ) thơng qua phương trình biểu thị định luật Fick I :

dG/dτ = (C - Cbm).dF/δ
Trong đó:
-

δ - chiều dày lớp khuếch tán Nernst,

-

D - hệ số khuếch tán,

-

F - diện tích bề mặt pha rắn,

-

Cbm - nồng độ dung môi trên bề mặt pha rắn.

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.1.2.3 Ảnh hƣởng của khuấy trộn
Trong điều kiện hòa tách thuộc phạm vi động học khuếch tán thì tốc độ phụ thuộc
rất nhiều vào tốc độ khuấy trộn.
Nhìn chung, khi hịa tách có khuấy thì sự xáo trộn của hạt rắn trong dung môi xảy
ra mảnh liệt, đặc biệt là khi trọng lượng riêng phần của pha rắn và pha lỏng chênh lệch
nhau nhiều.
Có thể nói, tốc độ hòa tách tỷ lệ với tốc độ khuấy trộn. Tuy nhiên, tới một tốc độ

khuấy trộn nào đó, các hạt rắn bắt đầu bám sát dung dịch làm cho tác dụng của khuấy
trộn khơng cịn rõ rệt.
2.1.2.4 Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt
Kích thước hạt quặng có ảnh hưởng lớn đến tốc độ hịa tách. Kích thước hạt càng
bé thì tỷ số diện tích bề mặt trên đơn vị trọng lượng càng cao, tức là diện tích mặt tiếp
xúc lớn, do đó tốc độ hịa tách cao.
Hoạt tính bề mặt của các hạt khơng những phụ thuộc vào kích thước hạt, mà cịn
phụ thuộc vào hình dạng, tính chất vật lý của quặng. Diện tích bề mặt thực của các hạt
xốp, xù xì, nứt nẻ lớn hơn diện tích bề mặt thực của hạt nhẳn, đặc.
Tuy nhiên, cần lưu ý là trong hịa tách khơng nên dùng các hạt mịn, vì làm cho độ
nhớt của dung dịch tăng lên, hạt sẽ ở trạng thái huyền phù và dạng keo, gây khó khăn cho
q trình lắng đọng và làm sạch dung dịch. Kích thước hạt thực tế sử dụng trong cơng
nghiệp thường khoảng 0.1 - 0.2 mm.
Ngồi các yếu tố trên, tốc độ của q trình hịa tách cịn bị ảnh hưởng bởi dạng tồn
tại của khoáng vật trong quặng, tỷ số rắn/lỏng...

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.2 HOÀ TÁCH KẼM CỨNG TRONG AXIT SUNFURIC
2.2.1 Hòa tan kẽm cứng vào dung dịch axit sunfuric
Thủy luyện xỉ kẽm là q trình luyện có sự tham gia của dung dịch nước và tiến
hành ở nhiệt độ thấp hơn 100 oC, đầu tiên là hòa tan kẽm cứng trong dung môi axit
sunfuric, tách các tạp chất ra khỏi dung dịch sunfat kẽm, sau đó điện phân dung dịch kẽm
để thu hồi kẽm kim loại.
Trong thành phần nguyên liệu kẽm cứng, ngồi thành phần kẽm cịn có các tạp
chất nhơm, sắt, silic,…
Các thành phần khác có các dạng tồn tại khác nhau trong dung dịch axit sunfuric:

- Kẽm: kẽm trong kẽm cứng tồn tại chủ yếu là oxit kẽm, trong axit sunfuric bị hòa
tan theo phản ứng:
ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O + Q
Độ hòa tan oxit kẽm trong dung môi phụ thuộc vào hàm lượng axit trong dung
môi nước. Sunfat kẽm dễ tan trong nước, phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch.
- Nhôm: nhôm ở dạng tự do hoặc hợp chất chỉ tan một lượng nhỏ vào dung dịch
theo phản ứng:
Al2O3 + H2SO4 = Al2(SO4)3 + H2O
- Sắt: sắt phần chủ yếu tồn tại ở dạng Fe2O3 tự do hoặc kết hợp và một ít ở dạng
FeO, Fe3O4,…. Oxit sắt II hòa tan tốt trong dung mơi axit lỗng, oxit sắt III khơng tan.
- Silic: silic oxit tồn tại tự do hoặc liên kết hợp chất (MeO.SiO2). SiO2 tự do rất
khó tan, nhưng ở dạng hợp chất dễ bị phân hủy thành SiO2 dạng keo làm khó lắng và lọc.
ZnO.SiO2 + H2SO4 = ZnSO4 + SiO2 + H2O

11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hàm lượng silic trong dung dịch phụ thuộc vào hàm lượng silic oxit trong xỉ và
nồng độ axit.
Tóm lại: khi tiến hành hịa tan xỉ vào dung dịch axit sunfuric ngồi kẽm, cịn có
các tạp chất khác cũng tan vào dung dịch, có ảnh hưởng xấu đến q trình điện phân. Dó
đó, muốn đạt được hiệu quả điện phân thì phải tiến hành khử tốt các tạp chất.
2.2.2 Khử tạp chất
Để khử tạp chất trong dung dịch hồ tách, tuỳ vào tính chất mà chia thành bốn
phương pháp chính:
- Khử tạp chất bằng thuỷ phân: khử sắt, nhơm,…
- Khử tạp chất bằng xi măng hố: khử đồng, coban, niken,…
- Khử tạp bằng hoá học: khử coban, clo, flo,...

- Khử tạp bằng rút một lượng nhất định dung dịch bẩn thay bằng dung dịch sạch:
khử kim loại kiềm.
Nguyên lý phương pháp thủy phân là biến các ion tạp chất thành các hydroxit khó
tan tách khỏi dung dịch theo phản ứng:
Me n+ + nOH - = Me(OH)n
Độ pH kết tủa của các hydroxit như sau:
pH =
Trong đó:

-

-

+

LMe(OH)n = aMen+ . aOH- = exp (

) là tích số tan;

KW = là tích số ion của H2O tức là aH+ . aOHαMe(OH)n là độ hòa tan.

12