Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử và đề xuất phương án thu hồi oxide đồng công ty fujitsu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
XW

VÕ THANH HIẾU

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI
SẢN XUẤT BOARD MẠCH ĐIỆN TỬ VÀ
ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THU HỒI OXIDE ĐỒNG
CÔNG TY FUJITSU

CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
MÃ SỐ NGÀNH : 2.10.00

LUẬN ÁN THẠC SĨ

TP.HCM,Tháng 12-2005


1

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – KHOA MÔI TRƯỜNG
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TIẾN SĨ. NGUYỄN VĂN PHƯỚC

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 ĐƯC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG CHẤM VÀ BẢO VỆ LUẬN
VĂN THẠC SỸ KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Ngày

Tháng

năm


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XHCN VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN CAO HỌC
Họ và tên
: Võ Thanh Hiếu
Ngày, tháng năm sinh
: 15 – 05 - 1973
Nơi sinh
: Tây Ninh
Chuyên ngành
: Công Nghệ Hóa Học

Khóa
: K 14 (2003) Mã số học viên: 00503116
I.
TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất Board mạch điện tử và đề xuất
phương án thu hồi Oxýt đồng – Côngty Fujitsu
II.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu công nghệ xử lý hiện tại, từ đó tìm ra hóa chất xử lý mới thu hồi tận thu
oxide đồng từ nước thải, đáp ứng được các yêu cầu sau:
• Nước thải sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN–5945– 1995)
• Chuyển toàn bộ (100%) bùn từ chất thải rắn sang dạng tái sinh được
III.
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
:
IV.
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU :
V.
HỌ TÊN VÀ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TIẾN SĨ. NGUYỄN VĂN PHƯỚC

VI.

HỌ TÊN VÀ CÁN BỘ NHẬN XÉT: ( Ghi họ tên và chữ ký )
Cán bộ phản biện 01
Cán bộ phản biện 02

Đề cương cao học đã thông qua hội đồng chuyên ngành.
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
PHÒNG CHUYÊN MÔN

CHỦ NHIỆM NGÀNH


3

LỜI CẢM ƠN

Trước hết Em xin bày tỏ lòng biết ơn Thầy
TIẾN SĨ. NGUYỄN VĂN PHƯỚC đã tận tình chỉ đạo hướng dẫn
Em hoàn thành công trình nghiên cứu này.

Em xin chân thành cám ơn Quý Thầy Cô Trường ĐH Quốc Gia
TP. Hồ Chí Minh – Khoa Công Nghệ Hóa Học, Phòng Lý Sau Đại
Học đã truyền đạt kiến thức cho Em

Xin cám ơn Ban Lãnh Đạo Công Ty Fujtisu Việt Nam đã hỗ trợ
nguyên vật liệu, cơ sở vật chất trong suốt thời gian nghiên cứu.

Cám ơn các tác giả, các nhà khoa học đi trước đã cung cấp
cho Em kiến thức, tài liệu tham khảo

Tác giả
Võ Thanh Hiếu


4

TÓM TẮT NỘI DUNG
Tập đoàn Fujitsu Nhật Bản là tập đoàn hàng đầu về sản xuất máy tính và
thiết bị viễn thông, có tổng cộng 450 nhà máy phân bố trên toàn thế giới. Tại Việt

Nam Fujitsu đầu tư vào năm 1996 với nhiều trang thiết bị hiện đại phục vụ sản
xuất. Fujisu Việt Nam cũng là doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài tiêu biểu
của Trung ương, tỉnh Đồng Nai thuộc cả hai lónh vực sản xuất và xử lý môi
trường. Chín năm liền dẫn đầu xuất khẩu, toàn bộ nước thải, khí thải đều được xử
lý đạt tiêu chuẩn loại A theo qui định của chính phủ Việt Nam.
Tuy nhiên, với sự phát triển ngày càng cao của khoa học kỹ thuật, với yêu
cầu ngày càng cao của công tác bảo vệ môi trường, bảo tồn tài nguyên thiên
nhiên mục tiêu của tập đoàn là đến năm 2010 toàn bộ tất cả các nhà máy thuộc
tập đoàn Fujitsu trên thế giới phải đạt được “100% sản phẩm xanh” có nghóa là
sản xuất nhưng không thải ra chất thải nguy hại môi trường, 100% chất thải phải
được tái sinh phục vụ tái sản xuất hay chuyển mục đích sử dụng khác.
Đề tài “Nghiên Cứu Công Nghệ Sản Xuất Nước Thải Sản Xuất Board Mạch
Điện Tử Và Đề Xuất Phương Án Thu Hồi Oxýt Đồng Công Ty Fujitsu” cũng
không ngoài chiến lược trên, là một trong những công trình nhằm giảm thiểu
lượng chất thải rắn tại Công ty Fujitsu Việt Nam, cụ thể là hiện nay thành phần
kim loại nặng chứa trong nước thải của nhà máy chủ yếu là đồng (tồn tại ở dạng
ion Cu2+). Sau khi qua xử lý bằng sulphat sắt FeSO4 và hydrô canxi Ca(OH)2 toàn
bộ đồng kim loại được kết tủa ở dạng chất thải rắn với hàm lượng đồng tương đối
cao dao động trong khoảng từ 20–30% thành phần khối lượng khô. Nhưng không
tái sinh được mà thuê đem đi chôn lấp ở nhà máy xử lý chất thải nguy hại
Sonadezi Đồng Nai với khối lượng trên dưới 120 tấn/tháng


5

Nguyên nhân chính của việc không thể tái sinh đồng được là do bùn lẫn
nhiều oxýt sắt chiếm khoảng 10%, nhưng việc tách sắt ra khỏi hợp chất đồng là
rất tốn kém và không hiệu quả, chi phí quá trình tái sản xuất đồng cao hơn giá
đồng sản phẩm.
Sau khi tiến hành nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải công nghiệp hiện

tại của nhà máy, kết hợp với kết quả thực nghiệm đã tìm ra được hóa chất mới có
khả năng thay thế được hóa chất đang sử dụng hiện tại có khả năng giảm tối thiểu
tối đa lượng tạp chất từ 10% xuống còn từ 0.5 – 1.0% và lượng tạp chất này là
chất dễ tan, dễ dàng tách loại ra khỏi đồng kim loại trong quá trình tái sinh.
Ngoài ra hóa chất mới cũng hoàn toàn đáp ứng được các chỉ tiêu môi trường khác
được qui định bởi tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945 – 1995 và hệ thống tiêu
chuẩn quản lý môi trường quốc tế ISO -14001.
Vấn đề sau cùng nhưng cũng rất quan trọng là giá thành hóa chất này chấp
nhận được, thành phần cũng chỉ là các hóa chất cơ bản dễ tìm, khi áp dụng thực tế
không những chỉ có lợi về mặt môi trường mà còn có ý nghóa về mặt kinh teá.


6

SUMMARY CONTENT
The Fujitsu Inc. Japan is the leading Company of Computers and Telecom
products, including total 450 factory belong to and set up over all country in the
world. In Vietnam, the factory was built in 1996 with many modern equipment
for manufacturing and environment treating purpose. Therefore, Fujitsu is the
typical company of Vietnam goverment and DongNai province for exporting and
environment treating, and has continuouly 9 times stand on the first exports
company from 1997 to 2005. All wastewaters, waste gases of factory were
treated and discharge to environment folowing to TCVN 5945 – 1995 level A.
However, with the high speed development of Engineering and Scientific,
with the continue improves of environment reserving day by day. The Fujitsu Inc
has the target that, ‘by the year 2010, all the factory in the world belong to
Fujitsu Inc must have been reached that 100% green products’, that means all
waste must be cycling, other word is “Zero emission”.
The theme “Research Wastewater Treatment Engineering of Printed
Circuit Board Product and Suppose the New Apply method Treatment for

Recycling Oxide Copper – Fujitsu Vietnam Company” is among of program
above. The research target is reduced the solid waste of Fujitsu Vietnam about
120 ton/month, this is the sludge generated during industrial wastewater
treatment process, the component of industrial sludge contents of organic sludge,
heavies metal oxide such as ferrous oxide (10% dry weigh), lime and copper
oxide.
In the present, the main reason caused sludge can’t be recycling is ferrous
impurity about 10%, the ferrous compound is difficult to remove during recycling


7

copper, therefore, it increases the recycling manufacturing cost and make the
cycling not effective.
After detail investigating all current wastewater treatment engineering
and combine with research result in Lab, we find out the new chemical has
ability been replaced current chemical, but it can reducing the impurity contents
in solid waste from 10% to 0.5-1.0%, and the remaining impurity in solid be easy
removed during copper cycling by solutes. Beside that the new treatment method
also conformity other investigating items belong to Vietnamese Standard TCVN
5945-1995 and International Environment Management Certificate ISO 14001.
The last one, but more important that the new chemical apply cost is reasonable,
not only reached environment target but also economic benefit reached.


8

MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn

Tóm tắt nội dung
Mục lục
Danh sách các bảng
Chương 1: Mở Đầu
1.1. Tình hình phát triển chung của ngành sản xuất bảng mạch
in điện tử

15

1.2. Mục tiêu của đề tài

16

1.3. Nội dung đề tài
1.4. Phương pháp nghiên cứu

17

Chương 2: Tổng quan công nghệ xử lý nước thải công nghiệp
chứa kim loại nặng
2.1. Phương pháp trao đổi ion

18

2.1.1. Vật liệu trao đổi ion
2.1.2. Cơ chế quá trình trao đổi ion

19

2.1.3. Giới thiệu nhựa trao đổi ion

20

2.2. Phương pháp điện hóa

21

2.3. Phương pháp hóa học

22

2.3.1. Biện pháp trung hòa
2.3.2. Phương pháp trộn trung hòa

23

2.3.3. Phương pháp lọc nước thải axít qua vật liệu trung hòa
2.3.4. Trung hòa bằng khí axít
2.4. Oxi hóa - khử

24
25


9

2.4.1. Oxi hóa bằng Clo

26

2.4.2. Oxi hóa bằng oxy già
2.4.3. Oxi hóa bằng piroluzit MnO2
2.4.3. Ô zôn hóa
2.4.5. Một số phản ứng điển hình
2.5. Xử lý bằng phương pháp khử

31
32

2.6. Phương pháp kết tủa hóa học
2.6.1. Sơ đồ công nghệ
2.6.2. Kết tủa kim loại
2.7. Phương pháp lọc thẩm thấu ngược (RO)

34

2.8. Phương pháp tạo hạt

36

2.8.1. Mô tả công nghệ
2.8.2. Các yếu tố ảnh hưởng

37

Chương 3: Giới thiệu nhà máy các vấn đề môi trường
và công nghệ xử lý hiện tại
3.1. Giới thiệu nhà máy

38

3.2. Các vấn đề môi trường

39

3.3. Khí thải
3.4. Chất thải
3.4.1. Chất thải sinh hoạt
3.4.1. Chất thải công nghiệp
3.5. Vấn đề trọng tâm – Nước thải

40

3.5.1. Nước thải sinh hoạt
3.5.2. Nước thải công nghiệp
3.6. Công nghệ xử lý nước thải công nghiệp hiện tại của nhà máy Fujitsu


10

3.6.1. Xử lý nước thải đậm đặc

41

3.6.1.1. Thuyết minh công nghệ
3.6.1.2. Sơ đồ thiết bị

42

3.6.1.3. Ví dụ quy trình xử lý nước thải permanganate đậm đặc

3.6.2. Xử lý nước thải loãng
3.6.2.1. Sơ đồ công nghệ
3.6.2.2. Thuyết minh công nghệ

46

3.6.2.3. Sơ đồ thiết bị

47

3.6.4. Cơ chế phản ứng
3.6.5. Bảng kiểm tra nước thải sau khi xử lý
3.7. Các hạn chế trong công nghệ xử lý hiện tại

53

Chương 4: Phân tích đề xuất phương án thu hồi kim loại đồng
4.1. Các loại nước thải

55

4.2. Các đối tượng nghiên cứu
4.3. Lựa chọn phương án
4.3.1. Chọn phương án
4.3.2. Vai trò từng loại hóa chất
4.3.2.1. Clorua canxi
4.3.2.2. Clorua sắt
4.3.2.3. Axít photphoric
4.3.2.3. Chất ức chế tảo
4.3.3. Ứng dụng

59

Chương 5: Mô hình nghiên cứu – Nội dung thí nghiệm
5.1. Mô hình nghiên cứu
5.2. Mô tả mô hình thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo đạc

60


11

5.2.1. Mô tả mô hình thí nghiệm
5.2.2. Dụng cụ thí nghiệm, thiết bị đo đạc
5.3. Đối tượng nghiên cứu
5.4. Hóa chất sử dụng cho thí nghiệm

63

5.5. Trình tự thí nghiệm
5.5.1. Phương hướng thí nghiệm
5.5.2. Tiến hành thí nghiệm
5.5.2.1. Xác định pH tối ưu
5.5.2.2. Xác định lượng hóa chất sử dụng tối ưu

67

5.5.2.3. Xác định thời gian phản ứng tối ưu
Chương 6: Kết quả thí nghiệm và bàn luận
6.1. Kết quả thí nghiệm

71

6.1.1. Kết quả phân tích bùn sau khi xử lý
6.1.2. Kết quả phân tích nước thải sau khi xử lý
6.2. Bàn luận
6.2.1. Xây dựng chế độ vận hành theo phương án đề xuất

74

6.2.2. Cơ chế phản ứng
6.2.3. Tính lượng hóa chất trong xử lý liên tục
6.2.4. Ứng dụng của oxít đồng
6.3. Hiệu quả kinh tế
6.3.1. Chi phí xử lý theo phương pháp hiện tại
6.3.2. Chi phí theo phương án đề xuất
6.3.3. Ý nghóa về mặt môi trường
6.4. Kiến nghị

78


12

Phụ lục
1. Kết quả thí nghiệm

80

2. Quy trình xác định hàm lượng ẩm của bùn

82

2.1. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm

83

2.2. Hóa chất thí nghiệm
3. Quy trình thí nghiệm xác định hàm lượng đồng trong bùn
3.1. Phá mẫu

84

3.2. Đo mẫu
3.3. Tính kết quả
5. Các hình ảnh thí nghiệm

85

Tài liệu tham khảo

90

Lý lịch trích ngang

92


13

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các dạng nhựa trao đổi ion

28

Bảng 2.2. Kích thước các loại lọc RO

34

Bảng 3.1. Thống kê rác thải nguy hại

40

Bảng 3.2. Các loại rác thải tái sinh

40

Bảng 3.3. Các giai đoạn xử lý nước thải đậm đặc permanganate

43

Bảng 3.4. Kết quả kiểm tra nước thải đã xử lý

52

Bảng 3.5. Thống kê lượng hóa chất dùng cho xử lý

54

Bảng 3.6. Kết quả phân tích bùn

54

Bảng 4.1. Kết quả phân tích thành phần nước thải

55

Bảng 4.2. Kết quả phân tích thành phần nước thải

57

Bảng 5.1. Kết quả phân tích nước thải chứa đồng

62

Bảng 5.2. Tóm tắt các thí nghiệm cần xác định

65

Bảng 5.3. Kết quả khảo sát pH phản ứng tối ưu

67

Bảng 5.4. Kết quả khảo sát lượng hóa chất sử dụng tối ưu

68

Bảng 5.5. Kết quả khảo sát thời gian phản ứng tối ưu

69

Bảng 5.6. Tính nồng độ hoá chất sử dụng

70

Bảng 5.7. Thời gian phản ứng tối ưu

70

Bảng 6.1. Tổng hợp các điều kiện phản ứng tối ưu

71

Bảng 6.2. Kết quả phân tích thành phần bùn sau xử lý hiện tại

72

Bảng 6.3. Kết quả phân tích thành phần bùn sử dụng hóa chất mới

72

Bảng 6.4. Kết quả xử lý nước thải hiện tại

73

Bảng 6.5. Kết quả xử lý nước thải theo điều kiện thí nghiệm

73

Bảng 6.6. Thống kê lượng bùn thải chứa kim loại

74

Bảng 6.7. Chi phí xử lý hiện tại

78


14

Bảng 6.8. Chi phí xử lý theo phương án đề nghị

78

Bảng 6.9. Tóm tắt các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường

79


15

Chương 1

Chương 1: Mở đầu
1.1. Tình hình phát triển chung ngành công nghiệp sản xuất bảng mạch
in điện tử.
Trong những năm gần đây ngành công nghiệp sản xuất bảng mạch in phục vụ
cho công nghệ điện tử – viễn thông không ngừng phát triển mạnh mẽ, nhất là ở
các quốc gia Đông Nam Á và đặc biệt là Trung Quốc.
Việt Nam trong những năm đầu thập niên 90 hầu như nghành công nghiệp

này chưa phát triển, nếu có chỉ là các tổ hợp nhỏ gia công chế tạo những bảng
mạch đơn giản dùng sản xuất các mạch quảng cáo là chủ yếu. Mãi đến năm 1996
nhà máy sản xuất bảng mạch in với công nghệ cao (high tech) mới được tập đoàn
máy tính – viễn thông lớn thứ 02 thế giới là Fujitsu Nhật Bản đưa vào đầu tư sản
xuất tại Việt Nam, khu công nghiệp Biên Hòa II – Đồng Nai với công suất ban
đầu là 10,000 m2 board mạch /tháng.
Cho đến nay sau hơn 10 năm đưa vào hoạt động công suất nhà máy Fujitsu
Việt Nam đã được nâng công suất lên 22,500 – 25,000 m2 board mạch/tháng và
dự kiến đến năm 2010 sẽ là 45,000 m2/tháng.
Nếu như năm 1996 ở Việt Nam chỉ có nhà máy Fujitsu thì ngày nay ngành
công nghiệp này đã bắt đầu phát triển và lan rộng với sự tham gia của các tập
đoàn công ty nước ngoài: Nikko Nhật Bản đầu tư ở Bình Dương, Mitani Nhật Bản
ở khu công nghiệp Long Bình Đồng Nai, Sumitomo Nhật Bản ở miền Bắc, Nissei
Nhật Bản ở khu công nghiệp Linh Trung Tp. Hồ chí Minh, ngoài ra còn có nhiều
doanh nghiệp tập đoàn công ty Hàn Quốc, Đài Loan ngoài ra các tập đoàn công
ty khác như IBM, HP và Intel của Hoa kỳ đang trong giai đoạn thăm dò đầu tư.

1.2. Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử – đề xuất phương án thu hối đồng oxít


16

Chương 1

Bên cạnh những lợi ích kinh tế mà ngành công nghiệp này mang lại còn có
mặt tiêu cực là vấn đề môi trường bởi vì ngành công nghiệp này tiêu thụ một khối
lượng lớn kim loại màu ( Cu, Ni, Au, Cr…) làm nguyên liệu sản xuất đồng thời
cũng thải ra môi trường một lượng nước thải ô nhiễm tương ứng bởi chính các kim
loại đó. Đây là một gánh nặng môi trường mà nếu như ngay từ bây giờ chúng ta

không có phương án giải quyết thì ngày càng có nhiều lượng rác thải công
nghiệp, chất thải rắn để lại cho thế hệ tương lai sau này.
Từ những yêu cầu, nguyên nhân bức xúc trên công tác ngiên cứu tìm ra một
giải pháp xử lý nước thải thu hồi tái sinh kim loại, nhằm mục đích phục vụ tái sản
xuất hay ứng dụng sản xuất trong các ngành công nghiệp khác là cực kỳ có ý
nghóa. Không đơn giản chỉ là vấn đề kinh tế mà còn bảo vệ môi môi trường, tiết
kiệm nguồn tài nguyên khan hiếm.

1.3. Nội dung đề tài
Về nội dung, đề tài tập trung nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải chứa
kim loại nặng của nhà máy, nghiên cứu cơ chế xử lý để từ đó tìm ra được hóa chất
mới thay thế sao cho vừa có khả năng thu hồi được đồng kim loại chứa trong nước
thải vừa đảm bảo chất lượng xử lý nước thải theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam
(TCVN 5945 – 1995) để từ đó làm cơ sở đề nghị phương pháp xử lý mới vừa thu
hồi được đồng, giảm lượng chất thải rắn tiết kiệm bảo tồn nguồn tài nguyên thiên
nhiên ngày càng khan hiếm mang lợi lợi ích kinh tế thiết thực.
Đề tài tham vọng sẽ tái sinh toàn bộ kim loại đồng chứa trong nước thải.
Đồng kim loại sau khi xử lý sẽ chuyển về dưới dạng bùn thô sau đó dùng làm
nguyên liệu cho ngành sản xuất thu hồi tái chế nguyên liệu đồng nguyên chất
cũng như ứng dụng trong các ngành sản xuất khác như sản xuất muối đồng, bột
màu… Đây cũng là chiến lược, mục tiêu theo đuổi của tập đoàn, công ty Fujitsu

Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử – đề xuất phương án thu hối đồng oxít


17

Chương 1

trong lộ trình giảm thiểu chất thải rắn công nghiệp, tăng cường sản xuất “sản

phẩm xanh” phục vụ đời sống.

1.4. Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu của luận án sẽ là phỏng theo mô hình thực tế hiện
tại của nhà máy Fujitsu Việt Nam, sử dụng ngay lượng nước thải tại nhà máy làm
đối tượng thí nghiệm để từ đó nếu thành công sẽ đem áp dụng tại công ty mà sẽ
không phải đầu tư thêm thiết bị công nghệ nào. Kết quả nghiên cứu, khảo sát chủ
yếu là kim loại đồng được đo đạc kiểm tra trên máy hấp thu phổ nguyên tử AAS
hiệu Shimazu 6200 là phương pháp khá hiện đại và chính xác hiện nay, ngoài ra
các chỉ tiêu khác cũng được thực hiện tại phòng thí nghiệm của công ty với những
thiết bị phân tích tiên tiến, hiện đại.

Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử – đề xuất phương án thu hối đồng oxít


18

Chương 2

Chương 2: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI
CÔNG NGHIỆP CHỨA KIM LOẠI NẶNG
Hiện nay với tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ xử lý nước thải đã
có nhiều thành tựu vượt bậc nhằm mục đích xử lý triệt để, hạn chế tối đa mức độ
ô nhiễm môi trường từ các ngành công nghiệp.
Trong công nghiệp sản xuất các Board mạch điện tử mối quan tâm hàng
đầu của xử lý nước thải công nghiệp là hàm lượng kim loại nặng bởi lẽ ngành
công nghiệp này sử dụng một khối lượng rất lớn đồng lá nguyên chất dùng làm
nguyên liệu sản xuất.
Để xử lý nước thải chứa kim loại nặng có nhiều phương pháp: Trao đổi ion,
phương pháp hóa học, phương pháp lọc thẩm thấu ngược ( RO ), điện phân…

2.1

Phương pháp trao đổi ion. (Tài liệu tham khảo: 3)
Phương pháp trao đổi ion dùng để tách loại các kim loại nặng ( kẽm, đồng,

crom, niken, chì, thủy ngân, cadimi, vanadi, mangan…) các hợp chất của arsen,
phốtpho, xyanua và các chất phóng xạ. Phương pháp này cho phép thu hồi các
chất có giá trị với độ làm sạch nước cao. Trao đổi ion được ứng dụng rộng rãi để
khử muối, làm mềm nước trong nước cấp.
Bản chất của trao đổi ion, là quá trình tương tác các dung dịch với pha rắn có
tính chất trao đổi các ion chứa trong nó bằng các ion khác có trong dung dịch. Các
chất cấu thành pha rắn này được gọi là ionit. Chúng không tan trong nước. Các
ionit hấp thu ion dương được gọi là cationit và các ionit hấp thu ion âm gọi là
anionit. Nếu ionit vừa trao đổi cation vừa trao đổi anion người ta gọi là ionit lưỡng
tính. Cationit có tính axit còn aionit có tính kiềm.

Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử – đề xuất phương án thu hối đồng oxít


Chương 2

19

Khả năng hấp thu của ionit đặc trưng bởi dung lượng trao đổi, nó được xác
định bằng đương lượng ion hấp thu bởi một đơn vị khối lượng hay thể tích ionit.
Dung lượng trao đổi được chia thành dung lượng toàn phần, tónh, động. Dung
lượng toàn phần là dung lượng chất được hấp phụ khi bão hòa hoàn toàn một đơn
vị khối lượng hay thể tích ionit. Dung lượng tónh là dung lượng trao đổi của ionit
khi cân bằng trong điều kiện làm việc cho trước. Dung lượng tónh thường nhỏ hơn

dung lượng toàn phần. Dung lượng động là dung lượng trao đổi của ionit đến giai
đoạn trượt qua của các ion trong nước lọc. Dung lượng động thường nhỏ hơn dung
lượng tónh.
2.1.1

Vật liệu trao đổi ion

Vật liệu có tính năng trao đổi ion có thể là tự nhiên hay tổng hợp, có nguồn
gốc vô cơ hay hữu cơ. Chúng được coi là nguồn tích trữ các ion và có thể trao đổi
được với bên ngoài. Chất trao đổi ion đề cập ở đây là dạng rắn không tan trong
nước và hầu hết trong các dung môi hữu cơ. Trên bề mặt chất rắn tồn tại các
nhóm chức, trong từng nhóm chức chứa hai thành phần tích điện: của nhóm chức
cố định và của ion linh động có thể trao đổi được. Cấu trúc của chúng có thể mô
tả như sau:
Bảng 2.1 các dạng nhựa trao đổi ion
Dạng chất trao đổi ion Mạng chất rắn

Điện tích nhóm chức

Ion linh
động

Cationit

Vô cơ, hữu cơ

m

Dương

Anionit

Vô cơ, hữu cơ

Dương

m

Lưỡng tính

Vô cơ, hữu cơ

m, dương

m , dương

Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử – đề xuất phương án thu hối đồng oxít


Chương 2

20

Các ionit tự nhiên vô cơ là zeolit, đất sét, đá bồ tác (fensfat).. các chất này
có tính chất trao đổi cation là do chúng chứa các nhôm silicat dạng
Na2.Al2O3.nSiO2.mH2O . Các chất flo apatit [Ca5(PO4)3F] cũng có tính chất trao
đổi ion.
Các chất vô cơ tổng hợp là các silicagel, pecmutit (chất làm mềm nước),
các oxít và hydroxit khó tan của một vài kim loại có trong môi trường kiềm.
Pecmutit được điều chế bằng cách các hợp chất chứa nhôm silic, nó có tính chất

trao đổi cation.
Các ionit hữu cơ tự nhiên là các chất axit mùn của đất và than. Chúng có
tính axit yếu, không bền hóa học và cơ học cũng như dung lượng trao đổi nhỏ
(đặc biệt trong môi trường trung tính).
Các ionit nhân tạo là các nhựa trao đổi ion với bề mặt phát triển. Các nhựa
tổng hợp là các chất cao phân tử, các gốc hydrocacbon của chúng tạo thành mạng
lưới không gian với các nhóm ion định vị trên đó ví dụ: RSO3H, ROH. Trong đó
R- mạng lưới không gian, H- ion đối kháng, SO3- ion gốc.
2.1.2

Cơ chế của quá trình trao đổi ion

Phản ứng trao đổi ion diễn ra như sau:
Khi tiếp xúc với cationit:
RSO3H + NaCl

RSO3Na

+ HCl

Khi tiếp xúc với anionit:
ROH +

HCl

RCl

+ H2O

Phản ứng này xảy ra cho đến khi đạt cân bằng ion. Vận tốc xác lập cân

bằng phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài và bên trong: chế độ thủy động của chất
lỏng, nồng độ của các ion trao đổi, cấu trúc hạt ionit, khả năng thấm đối với ion.
Quá trình trao đổi ion có thể tiến hành qua một số giai đoạn:
Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử – đề xuất phương án thu hối đồng oxít


Chương 2

21

• Vận chuyển ion A từ trong lòng chất lỏng đến bề mặt ngoài màng biên
bao quanh hạt ionit.
• Khuếch tán các ion qua lớp biên
• Vận chuyển ion qua bề mặt phân chia pha vào hạt nhựa
• Khuếch tán ion A vào trong hạt nhựa đến các nhóm trao đổi ion
• Phản ứng trao đổi ion A & B
• Khuếch tán ion B trong hạt đến bề mặt phân chia pha trong màng biên
• Khuếch tán ion B qua màng
• Khuếch tán ion B vào trong lòng chất lỏng.
Phản ứng:
mA + RmB

mRA

+

B

Vận tốc trao đổi ion được xác định bởi giai đoạn chậm nhất: khuếch tán màng
lỏng hoặc khuếch tán trong hạt ionit. Phản ứng hóa học trao đổi ion xảy ra nhanh

và không xác định vận tốc quá trình.
2.1.3

Nhựa trao đổi ion.

Là vật liệu quan trọng nhất trong quá trình trao đổi ion, nó là dạng gel không
tan trong nước do cấu trúc mạng không gian 03 chiều của polymer mạng carbon.
Trong mạng polymer có chứa các nhóm chức: -SO3-2, -COO-, -PO3-2, …đối với
cationit và các nhóm chức: -NH3+, RNH2+, NR2H+, NR3+…đối với anionit.
Mạng polymer có tính kỵ nước, ngược lại các nhóm chức trong mạng có tính
ưa nước. Polymer mạch thẳng có chứa các nhóm chức trên tan trong nước, nhựa
trao đổi ion không tan nhờ cấu trúc mạng tinh thể 03 chiều, nó cũng không tan
trong hầu hết các dung môi. Nhựa trao đổi ion có độ trương nở khi ngậm dung
môi, nó có lỗ xốp khá lớn.

Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử – đề xuất phương án thu hối đồng oxít


22

Chương 2

Độ bền của nhựa phụ thuộc nhiều vào cấu trúc mạng và mức độ liên kết
ngang. Một trong những nguyên nhân gây hư hỏng nhựa là nhiệt và chất oxy hóa
hóa học. Các anionit bắt đầu mất hoạt tính khi nhiệt độ > 600C.
Sau một thời gian thực hiện quá trình trao đổn ion nhựa bị bão hòa và bắt đầu
mất dần hoạt tính, để phục hồi khả năng trao đổi ion của nhựa người ta dùng dung
dịch axít (H2SO4, HCl, NaCl ) để phục hồi Cationit với nồng độ từ 2 – 8% và dung
dịch kiềm NaOH để phục hồi anionit với nồng độ từ 2 – 6%

2.2

Phương pháp điện hóa. ( tài liệu tham khảo: 3)
Để xử lý các tạp chất tan và phân tán trong nước thải có thể áp dụng các

quá trình oxi hóa dương cực, khử âm cực, đông tụ điện, kết tụ điện, điện thẩm
tích. Tất cả các quá trình diễn ra trên điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua
nước thải. Các phương pháp điện hóa cho phép thu hồi các sản phẩm giá trị từ
nước thải với công nghệ tương đối đơn giản, dễ tự động hóa và không sử dụng các
tác chất hóa học.
Điểm yếu của phương pháp này là tiêu hao nhiều năng lượng.
Trong thùng điện phân, trên điện cực dương diễn ra quá trình oxi hóa điện hóa
(các ion cho anod điện tử), còn trên điện cực âm diễn ra sự kết hợp các điện tử
(phản ứng khử).
Các quá trình này được nghiên cứu để làm sạch nước thải khỏi các tạp chất
tan: xyanua, sunfoxyanua, amin, alcol, aldehyt, hợp chất nitơ, thuốc nhuộm, azo,
sulfua, mercaptan…trong quá trình oxi hóa điện hóa các chất trong nước thải phân
rã hoàn toàn thành CO2, NH3 và H2O hoặc tạo thành các chất đơn giản hơn
không độc hại. Các chất này có thể xử lý tiếp tục bằng các phương pháp khác.
Anod có thể là các vật liệu không tan bởi điện phân: grafit, macnetit
(Fe3O4) các dioxit chì, mangan và các ruteni được bao phủ lên titan.
Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử – đề xuất phương án thu hối đồng oxít


Chương 2

23

Catod được chế tạo từ moliplen, hợp kim vonfram với sắt hoặc niken, từ
grafit, thép không rỉ và các kim loại khác được phủ bằng moliplen, vonfram hoặc

hợp kim của chúng. Ngoài quá trình oxi hóa và khử, đồng thời còn xảy ra các quá
trình tuyển nổi điện, đông tụ diện, điện li.
Nước thải chứa xyanua hình thành trong các nhà máy chế tạo máy, dụng cụ
đo, luyện kim loại màu, luyện kim loại đen và công nghiệp hóa học. Trong thành
phần nước, ngoài các xyanua đơn giản (KCN, NaCN). Còn có các xyanua kẽm,
đồng , sắt và các hợp kim loại khác, nồng độ của chúng dao động trong khoảng 10
– 600 mg/l. thông thường pH của nước thải này khoảng từ 8 – 12.
Sự oxi hóa anod các xyanua xảy ra theo phản ứng:
CN-

+ OH- - e-

CNO- + H2O

CNO- + H2O

NH4+

+ CO32-

Quá trình oxi hóa có thể tiếp tục với sự tạo thành nitơ:
CNO- + OH- - e-

CO2 +

N2

+ H2O

Để tăng độ dẫn điện của nước thải và giảm chi phí năng lượng người ta

cho thêm NaCl vào nước. Nếu nồng độ CN- 1g/l thì cho thêm 20 – 30g/l NaCl.
Trong quá trình này anod bằng grafit còn catod bằng thép. Điều kiện oxi hóa tối
ưu: mật độ dòng 3 – 4 A/dm2 , khoảng cách giữa điện cực là 3cm, vận tốc nước
3m/h, pH 8 – 9. hiệu quả xử lý khoảng 100%.
Sự phá vỡ các xyanua diễn ra do oxihóa điện hóa trên anod và oxi hóa bởi
clo, sinh ra trên anod do phân rã NaCl. Quá trình như sau:
2Cl-

-

CN-

+

2eCl2

2CNO- + 3Cl2

Cl2
+

OH-

+ 4OH-

CNO2CO2

+ Cl2
+ N2

+

H2O

+ 6Cl- +2H2O

Các sulfoxyanua phân hủy như sau:
Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử – đề xuất phương án thu hối đồng oxít


Chương 2

24

CNS-

+ 10 OH-

- e-

CNO-SO42-

+ 5H2O

Các sulfur ion khi pH = 7 bị oxi hóa đến sulfate. Khi pH thấp có thể tạo
nguyên tố lưu huỳnh (S)
Khử catod được úng dụng để xử lý các kim loại nặng: Pb2+, Sn2+, Hg+,
Cu2+, As3+, Cr6+.
Men+

+

ne-

Me0

Khi đó kim loại được lắng trên catod và có thể được thu hồi, ví dụ khi khử
các hợp chất của Crôm đã đạt hiệu quả làm sạch cao, nồng độ giảm từ 1000 đến
1mg/l. chi phí điện năng 0.12 kWh/m3.
Khi điện phân nước thải chứa H2CrO7 , điều kiện tối ưu pH = 2, còn mật độ
dòng điện 0.2 – 2 A/dm2. Phản ứng diễn ra như sau:
Cr2O7

+ 14H+

+ 12 e-

2Cr3+

+

7H2O

Catod dùng để xử lý các kim loại trong trường hợp này được điều chế từ
hỗn hợp than và lưu huỳnh với tỷ lệ C : S từ 80 : 20 đến 20 : 80 các thông số khác
của quá trình xử lý các ion trên là pH < 7 và mật độ dòng điện 2,5 A/dm2 . các ion
này được láng dưới dạng sulfur hoặc bisulfur không tan.
Khi khử nitrate amoni trên điện cực grafit, nó chuyển thành phân tử nitơ khi đun
nóng:
NH4NO3 + 2H+ + 2eNH4NO2

NH4NO2
N2

+
+

H2O
2H2O

Các chất hữu cơ có độc tính cao là do trong phân tử của nó có chứa các
nguyên tử halogen, nhóm aldehyt, amin và nitơ. Phản ứng khử có thể tách loại
được các nguyên tử này:
RCl

+ 2e- + H+

R-H

+ Cl-

Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sản xuất board mạch điện tử – đề xuất phương án thu hối đồng oxít