Hoàn thiện công nghệ sản xuất đồng tấm điện phân chất lượng cao từ nước đồng Clorua

ThS. Kiều Quang Phúc
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

Trong công nghệ sản xuất bảng mạch điện tử, công đoạn in, khắc các đường mạch thường sử dụng dung dịch axit HCl kết hợp với H2O2 để hòa tan đồng thừa từ đó sinh ra nước thải chứa đồng clorua. Việc nghiên cứu công nghệ hợp lý để thu hồi đồng từ nguồn nước thải này là vấn đề cấp thiết đặt ra hiện nay. Năm 2018, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim (VIMLUKI) đã triển khai nghiên cứu và hoàn thành xuất sắc đề tài cấp Bộ Công Thương “Nghiên cứu công nghệ thu hồi đồng kim loại từ dung dịch CuCl2 thải của các nhà máy sản xuất mạch điện tử”. Để có cơ sở đưa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất, VIMLUKI tiếp tục được Bộ Công Thương tin tưởng giao thực hiện Dự án sản xuất thử nghiệm “Hoàn thiện công nghệ và sản xuất thử nghiệm đồng kim loại từ dung dịch ăn mòn bảng mạch thải chứa đồng” (thời gian từ tháng 1 năm 2020 đến tháng 6 năm 2022) với mục tiêu hoàn thiện công nghệ trên quy mô bán công nghiệp. Tính đến cuối năm 2021, dự án đã triển khai và hoàn thành phần lớn các nội dung chính, thu được các kết quả như sau:
1. Hoàn thiện, làm chủ công nghệ
Trong nghiên cứu khoa học, việc đưa kết quả nghiên cứu từ quy mô phòng thí nghiệm (PTN) phát triển lên sản xuất thử nghiệm là một bước dài. Thực tế khi triển khai Dự án sản xuất thử nghiệm cũng đã gặp phải một số thách thức không nhỏ trong công nghệ như sau:
+  Ảnh hưởng của nồng độ clorua cao trong dung dịch gây giảm hiệu suất chiết: Trong quá trình chiết liên tục ở quy mô sản xuất thử nghiệm, nồng độ clorua trong dung dịch thường trong khoảng từ 180 ÷ 200 g/l. Kết quả cho thấy khi chiết ở nồng độ clorua cao hiệu suất chiết bị suy giảm khoảng 25% so với khi chiết ở PTN (nồng độ clorua 100 g/l). Vấn đề này xảy ra do ở nồng độ clorua cao, đồng trong dung dịch tồn tại dưới dạng các ion phức như CuCl+, [CuCl3]- , [CuCl 4]2-. Các ion phức của đồng với Cl- vẫn được chất chiết hấp thụ nhưng cần dùng nhiều phân tử chất chiết hơn. Nắm được quy luật này, để đạt công suất chiết theo mục tiêu đặt ra, cần tăng nồng độ chất chiết trong pha hữu cơ. Cụ thể khi tăng nồng độ chất chiết từ 25% như nghiên cứu ở PTN lên mức 35%  thì mới đảm bảo năng suất của hệ thống sản xuất thử nghiệm như thiết kế.                     
+ Sự cuốn theo của nước trong pha hữu cơ: Cuốn theo (entrainment) là khái niệm mô tả hiện tượng tách pha không hoàn toàn khi mà trong dòng pha hữu cơ ra khỏi bể lắng vẫn tồn tại một lượng nước nhỏ. Vấn đề là lượng nước bị cuốn theo thường rất nhỏ, khó quan sát được ở quy mô PTN. Ở quy mô sản xuất lớn hơn, lượng nước cuốn theo pha hữu cơ đưa tạp chất sang dung dịch điện phân và lâu dần gây nên những ảnh hưởng rất xấu. Sự cuốn theo được biết đến là hiện tượng không tránh khỏi ở tất cả hệ thống chiết đồng trên thế giới và người ta luôn tìm cách hạn chế vấn đề này.
Ở thực tế hệ thống sản xuất thử nghiệm, ban đầu nồng độ nước cuốn theo pha hữu cơ đo đạc được ở mức 0,084%. Tức là với lượng pha hữu cơ tuần hoàn là 29 m3/24 giờ thì lượng dung dịch bị cuốn theo lên tới hơn 20 lít. Sau khi dùng thêm các biện pháp để tăng cường tách pha trong bể lắng thì lượng nước cuốn theo giảm xuống còn 0,017%, kết hợp thêm một công đoạn rửa pha hữu cơ bằng nước trước khi giải chiết thì Dự án đã giải quyết được vấn đề ô nhiễm clo trong dung dịch điện phân và cho phép hệ thống vận hành ổn định.
 
+ Vấn đề tuổi thọ của điện cực chì: Điện phân dung dịch đồng sử dụng cực dương là hợp kim chì – thiếc. Trong quá trình điện phân nếu thực hiện đúng cách, trên bề mặt điện cực luôn có một lớp oxit PbO2 bảo vệ ngăn cản sự ăn mòn và tuổi thọ điện cực được kéo dài lên tới vài năm. Tuy nhiên trong thực tế vận hành, có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng gây phá hủy oxit bảo vệ khiến cho điện cực chì bị hư hỏng nhanh chóng có thể kể đến như: thành phần hóa học, cấu tạo tinh thể, ảnh hưởng của Cl-, nhiệt độ thay đổi đột ngột, chế độ vận hành liên tục hay gián đoạn… Trải qua nhiều lần chỉnh sửa, rút kinh nghiệm, đến nay Dự án đã làm chủ được công nghệ chế tạo cũng như vận hành điện cực chì mới. Cụ thể, để chế tạo điện cực chì cần trải qua các công đoạn là:
Nấu chảy, kim hóa ® Đúc phôi ® Cán ® Cắt ® Lắp ráp ® Tiền xử lý
Trong đó, để kéo dài tuổi thọ của điện cực chì thì việc khống chế kích thước hạt trong khâu đúc rót và cán là rất quan trọng. Đồng thời, khâu tiền xử lý cũng cần thiết để lớp oxit chì tạo thành bám chắc hơn.
 

 
Vượt qua nhiều khó khăn thách thức, đến nay Dự án đã hoàn toàn làm chủ công nghệ chiết, điện phân thu hồi đồng từ dung dịch đồng clorua ở tất cả các công đoạn. Phần lớn chu trình công nghệ có thể hoạt động bán tự động giảm bớt khó nhọc cho người vận hành. Cụ thể quy trình công nghệ của dự án sau khi hoàn thiện như sau:
 
2. Tự thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị
Chiết là công nghệ mới, chưa từng được ứng dụng trong thu hồi đồng từ nước đồng clorua ở nước ta. Do vậy toàn bộ dây chuyền thiết bị phục vụ dự án sản xuất thử nghiệm đã được tính toán, thiết kế và chế tạo mới dựa theo các thông số công nghệ thu được từ thực tế nghiên cứu tại PTN và nghiên cứu hoàn thiện trên quy mô mở rộng. Với lợi thế đã từng chế tạo hệ thống thiết bị liên tục ở quy mô thí nghiệm nhỏ, việc phát triển lên hệ thống quy mô 200 kg đồng/ngày đêm không gặp nhiều khó khăn. 100% các thiết bị của dự án được chế tạo hoặc mua mới từ nguồn trong nước. Một số hình ảnh về hệ thống thiết bị chiết  - điện phân công suất 200 kg đồng/ngày đêm như sau:
 

Hệ thống trung hòa axit bằng đá vôi

3. Một số kết quả ban đầu của Dự án
Dự án đã hoàn thành nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và đưa hệ thống thiết bị trong “Nhà máy điện phân đồng thu nhỏ”, hoạt động liên tục, ổn định, thu được sản phẩm đồng kim loại hàm lượng 99,95% từ tháng 6 năm 2021. Tuy nhiên, do đại dịch covid 19 bùng phát khiến thành phố Hà Nội phải áp dụng các biện pháp giãn cách xã hội, nên trong một thời gian dự án đã phải tạm dừng hoạt động theo các chỉ thị của thành phố. Đến thời điểm cuối năm 2021, dự án đã sản xuất và tiêu thụ được khối lượng 20 tấn đồng tấm điện phân đạt chất lượng >99,95% Cu cho thị trường trong nước và được khách hàng, đối tác đánh giá cao. Hiện tại, nhóm thực hiện vẫn đang tiếp tục nỗ lực nhằm đạt mục tiêu hoàn thành dự án theo kế hoạch.
 
Một số hình ảnh sản phẩm và kết quả kiểm tra chất lượng sản phẩm của dự án:


4. Kết luận
Chiết – điện phân là phương pháp thu hồi đồng có tính chọn lọc, rất thích hợp để xử lý những loại nguyên liệu lẫn nhiều tạp chất và cho ra sản phẩm đồng kim loại giá trị cao. Việc nghiên cứu và triển khai thành công dự án sản xuất thử nghiệm là một bước tiến lớn để đưa công nghệ chiết vào thu hồi đồng từ nước thải đồng clorua quy mô công nghiệp. Ngoài ra công nghệ này cũng có tiềm năng lớn để mở rộng ứng dụng vào sản xuất đồng từ các loại quặng nghèo và bùn thải chứa đồng khác.

Đối tác
MO MIEN NAM
Vimluki
cie
Bộ Công thương
Doi tac 5