Hòa tách chọn lọc thu hồi kẽm oxit từ xỉ, bụi trong quá trình nấu đồng thau

 

1. Đặt vấn đề
Ở nước ta, hầu hết các làng nghề đúc đồng đều có xỉ đúc đồng trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên lượng xỉ này vẫn chưa được xử lý để thu hồi các kim loại có ích như kẽm, đồng. Hiện nay, việc xử lý các chất thải trong quá trình nấu hợp kim đồng nói chung và đồng thau nói riêng ở Việt Nam được chia thành hai dạng chính:
Đối với các cơ sở sản xuất nhỏ, sản lượng xỉ thấp thì thường thải trực tiếp ra bãi thải, gây ảnh hưởng đến môi trường vì trong thành phần xỉ có chứa các chất ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe con người.
Đối với các cơ sở sản xuất lớn, sản lượng cao và có khả năng mở rộng mô hình sản xuất thì có các biện pháp thu gom, tập kết vào bãi thải rắn tập trung, sau đó xử lý nhằm tận thu các kim loại có giá trị kinh tế, đồng thời giảm tác hại của các chất thải này trước khi thải ra môi trường.
Tuy nhiên, các cơ sở nấu đúc ở nước ta có quy mô không lớn, do vậy các cơ sở này thường không tự xử lý cũng như tái sử dụng xỉ mà được các đơn vị xử lý chất thải thu gom. Thực tế cho thấy, xỉ đúc đồng vẫn bị xuất lậu sang Trung Quốc gây ảnh hưởng đến môi trường, lãng phí tài nguyên và kinh tế.
Vì vậy, xử lý xỉ đồng thải tại các làng nghề đúc đồng của Việt Nam là một nhu cầu cần thiết và cấp bách hiện nay.
Bài viết này đề cập hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp hòa tách chọn lọc để hòa tách chọn lọc kẽm ra khỏi thành phần xỉ, bụi của làng nghề.
2. Cơ sở lý thuyết
Xỉ, bụi của quá trình nấu đúc đồng là hỗn hợp chứa chủ yếu là kẽm, đồng, nhôm, silic... Thành phần và khối lượng xỉ, bụi nhận được phụ thuộc và đặc tính và thành phần nguyên liệu được sử dụng.
Trong công nghiệp dùng dung dịch axit sunfuric loãng để hòa tan. Kẽm và đồng ở trong xỉ, bụi tồn tại chủ yếu ở dạng oxit và một phần ở dạng kim loại. Khi sử dụng dung dịch axit sunfuric để hòa tách xỉ, bụi thì các kim loại chính sẽ bị hòa tan vào dung dịch theo các phản ứng sau:
                        Zn H₂SO₄ = ZnSO₄ H₂                                                               (1)
                        ZnO H₂SO₄ = ZnSO₄ H₂O                                                         (2)
                        Cu H₂SO₄ = CuSO₄ H₂                                                              (3)
                        CuO H₂SO₄ = CuSO₄ H₂O                                                        (4)
Đồng kim loại ít tan vào trong dung dịch, đồng oxit dễ tan trong axit sunfuric tuy nhiên, ở pH 4,5 - 5 thì bị thủy phân hoặc không hòa tan vào dung dịch. Bằng phương pháp sử dụng dung dịch trung tính để hòa tách, ta có thể tách riêng được kẽm vào trong dung dịch.
Từ dung dịch kẽm sunfat, sử dụng xoda để kết tủa kẽm cacbonat sau đó lọc rửa và nung nhận kẽm oxit.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Thành phần hóa học mẫu nghiên cứu
Kết quả phân tích thành phần hóa học thể hiện trong bảng 1.
Bảng 1. Thành phần hóa học mẫu xỉ đồng

 

Thành phần chủ yếu của xỉ là kẽm, đồng, nhôm, ngoài ra còn một số tạp khác. Kết quả phân tích thành phần xỉ cho thấy rằng sử dụng phương pháp hòa tách trung tính nhằm thu hồi kẽm là phù hợp.
3.2. Nghiên cứu hòa tách mẫu xỉ đồng
Để nghiên cứu hòa tách chọn lọc mẫu xỉ, bụi trong quá trình nấu đồng, lựa chọn dung môi hòa tách là axit sunfuric, tỉ lệ rắn/lỏng của quá trình hòa tách là 1/5. Sau mỗi thí nghiệm tiến hành lọc rửa, sấy khô bã, phân tích hàm lượng kẽm còn lại để xác định hiệu suất tách kẽm vào dung dịch.
a. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hòa tách
Lựa chọn thời gian hòa tách là 4h, nhiệt độ hòa tách là 60 ^oC, nồng độ pH của dung dịch hòa tách được thí nghiệm thay đổi từ 3,5 – 5,5. Để duy trì pH của dung dịch ổn định, liên tục kiểm tra pH và bổ sung lượng axit vào dung dịch hòa tách.
Nghiên cứu cho thấy khi pH tăng từ 3,5 đến 5,5 thì hiệu suất hòa tách kẽm giảm dần từ 66,6% xuống 50,5%, hiệu suất tách đồng giảm từ 5,3% xuống tới 0% khi pH = 5. Do đó để hiệu suất tách kẽm cao và đồng không hòa tan vào dung dịch, chọn pH = 4,5 để hòa tách xỉ, bụi.
b. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách
Lựa chọn pH = 4,5, nhiệt độ hòa tách 60^oC, thời gian hòa tách được nghiên cứu thay đổi từ 3h, 4h, 5h, 6h, 7h.
Kết quả cho thấy, khi tăng thời gian hòa tách từ 3 – 6h, hiệu suất hòa tách kẽm liên tục tăng theo từ 50,9 tới 68,82%; khi tăng tiếp thời gian hòa tách đến 7h thì hiệu suất hòa tách tăng chậm hơn. Kết quả thí nghiệm đã lựa chọn được thời gian hòa tách là 6h.
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách
Lựa chọn điều kiện thí nghiệm như sau: pH hòa tách là 4,5, thời gian hòa tách 6h, nhiệt độ hòa tách được nghiên cứu thay đổi từ 55 – 75 ^oC.
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, với nhiệt độ hòa tách là tăng từ 65 đến 75⁰C thì hiệu suất hòa tách tăng không nhiều, vì vậy lựa chọn nhiệt độ hòa tách là 65 ^oC, khi đó hiệu suất hòa tách đạt 68,82 %.
Từ các thí nghiệm nghiên cứu hòa tách chọn lọc xỉ, bụi của quá trình nấu đồng thau đã lựa chọn được chế độ hòa tách như sau:
- Nhiệt độ hòa tách: 65^oC
- Thời gian hòa tách: 6h.
- Độ pH khi hòa tách: pH = 4,5.
- Tỉ lệ rắn/lỏng: 1/5.
- Hiệu suất hòa tách chọn lọc kẽm là 68,82%.
3.3. Kết tủa và nung thu hồi kẽm oxit.
a. Kết tủa kẽm cacbonat
Dung dịch kẽm sunfat sau hòa tách chọn lọc được kết tủa với dung dịch Na₂CO₃. Trong quá trình kết tủa luôn luôn khuấy đều dung dịch, kiểm tra pH của dung dịch, khi pH đạt 6,5 thì dừng quá trình kết tủa, lọc rửa sản phẩm kẽm cacbonat. Với pH kết tủa là 6,5, hiệu suất kết tủa kẽm từ dung dịch đạt 95,47%.
b. Nung kẽm cacbonat
Kẽm cacbonat thu được mang sấy khô và nung ở nhiệt độ 600 ^oC trong thời gian 2 giờ.
Sản phẩm sau nung phân tích thành phần kẽm và một số tạp chất, kết quả sản phẩm kẽm oxit thu hồi từ xỉ, bụi của quá trình nấu đồng thau như trong bảng 2.
Bảng 2. Thành phần kẽm oxit thu hồi bằng phương pháp hòa tách chọn lọc xỉ, bụi

 

Từ bảng 2, ta thấy rằng, kẽm oxit thu được từ quá trình hòa tách chọn lọc đạt chất lượng >95% ZnO, sản phẩm này có thể sử dụng cho các ngành cao su, sơn, gốm sứ trong nước.
4. Kết luận
Bằng phương pháp hòa tách chọn lọc, kết hợp quá trình kết tủa và nung đã sản xuất ra kẽm oxit đạt chất lượng 95,47% ZnO. Hiệu suất của quá trình hòa tách đạt 68,82%, dung dịch kẽm sunfat thu được không cần phải làm sạch tạp chất. Đây là ưu điểm của phương pháp hòa tách chọn lọc. Tuy nhiên, hiệu suất hòa tách chưa cao, lượng kẽm còn lại trong xỉ còn tương đối nhiều.
Để xử lý thu hồi triệt để kẽm và đồng có trong xỉ, bụi cần kết hợp các phương pháp kỹ thuật khác nhau.