Vai trò sinh h cọ ..................................................................................................17
MỞ ĐẦU
Sự gia tăng nhanh chóng của lượng chất thải từ các thiết bị điện, điện tử
trong vài năm gần đây đang được các nhà Khoa học cũng như kinh tế trên thế
giới quan tâm đặc biệt. Các thiết bị điện, điện tử là những vật dụng hữu ích phục
vụ cuộc sống con người, nhưng khi thải bỏ lại là chất thải nguy hại cần phải có
biện pháp xử lý đặc biệt. Ở Việt Nam, Bộ Tài nguyên môi trường đang được thủ
tướng giao soạn thảo quyết định về trách nhiệm của các nhà sản xuất, nhập khẩu,
phân phối và tiêu dùng phải thu gom, xử lý các thiết bị điện tử hỏng, hết hạn sử
dụng.
Bản mạch là một bộ phận thiết yếu trong thiết bị điện, điện tử có chứa
lượng lớn kim loại có giá trị. Theo ước tính chứa khoảng 10% đồng và nhiều kim
loại có giá trị khác. Điều đó cũng chỉ ra rằng, nếu thu hồi kim loại trong đó thì sẽ
tiết kiệm được tài nguyên và có giá trị kinh tế. Ước tính khoảng 50.000 tấn bản
mạch điện tử được sản xuất mỗi năm ở Anh và chỉ 15% được thu hồi, còn lại
85% được chôn lấp.
Đồng là kim loại chiếm tỉ lệ lớn nhất trong tổng số kim loại có trong bản
mạch và ứng dụng nhiều trong đời sống. Do vậy, việc thu hồi Cu trong bản mạch
thải bỏ không chỉ có ý nghĩa về mặt môi trường mà còn có giá trị kinh tế và bảo
vệ tài nguyên. Chính vì vậy, trong luận văn này chúng tôi đi sâu vào tìm hiểu và
bước đầu “Nghiên cứu qui trình công nghệ xử lý, thu hồi Cu từ bản mạch
điện tử thải bỏ”.
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về chất thải điện tử [1, 12]
1.1.1 Định nghĩa về chất thải điện tử (E-Waste)
Hiện nay vẫn chưa có một định nghĩa chính xác nào về chất thải điện tử do
tính đa dạng và phức tạp của các sản phầm điện tử. Mỗi quốc gia có định nghĩa
và giải thích riêng về chất thải điện tử. Theo OECD (tổ chức hợp tác và phát
triển kinh tế) thì tất cả các thiết bị sử dụng năng lượng điện để vận hành khi đã
hết khả năng sử dụng đều được coi là chất thải điện tử (E-Waste).
Một cách tổng quát: Chất thải điện tử (CTĐT) bao gồm toàn bộ các thiết
Tụ điện,
máy biến thế
Gây ung thư, ảnh hưởng đến
hệ thần kinh, hệ miễn dịch,
tuyến nội tiết
Tetrabrombi
sphenol-A
(TBBA)
Polybrombip
Chất chống cháy cho nhựa
(nhựa chịu nhiệt, cáp cách
điện)
TBBA được dùng rộng rãi
Gây tổn thương lâu dài đến
sức khỏe, gây ngộ độc sâu
khi cháy
3
henyl (PBB)
Diphenylete
(PBDE)
trong chất chống bắt lửa của
bản mạch máy in và phủ lên
các bộ phận khác
Polybrom
clo
flocacbon
Trong bộ phận làm lạnh, bột
cách điện
Khi cháy gây nhiễm độc
Polyvinyl
Li Pin liti Gây nổ nếu ẩm
Hg
Trong đèn hình màn hình LCD,
pin kiềm và công tắc
Gây ngộ độc cấp tính và
mãn tính
Ni
Pin Ni-Cd sạc lại hoặc trong
màn hình CRT
Gây dị ứng
Các nguyên
tố đất hiếm (
Y, Eu)
Lớp huỳnh quang màn hình
CRT
Gây độc với da và mắt
Se (trong máy phô tô cũ)
Lượng lớn sẽ gây hại cho
sức khỏe
Kẽm sunfua
Các bộ phận bên trong màn
hình CRT, trộn với nguyên tố
đất hiếm
độc nếu nuốt phải
Các chất độc
hữu cơ
Thiết bị hội tụ ánh sáng, màn
hình tinh thể lỏng LCD
5
Hình 1: Hình ảnh bản mạch điện tử thải
2
) và các tấm sợi thủy tinh với lớp phủ bên ngoài bằng hợp kim hàn
(37% chì, 63% thiếc) độ dày khoảng 0.0005 inh để chống axit và dễ hàn. Hình
dưới cấu tạo cơ bản của một bản mạch:
7
Với bản mạch nhiều lớp (một bản mạch với 2 lớp đồng) một mảnh nhựa
tổng hợp được đặt giữa tạo thành lõi cách điện, có chất dính bổ xung sẽ dính chặt
2 lớp đồng bên trên và bên dưới vào. Hình dưới là hình ảnh các lớp nhựa:
Hình 3: Cấu tạo lớp lõi
Lá đồng là một tấm bản mỏng được đặt trên bề mặt nhựa và được bám
chắc vào bằng chất dính.
Hình 4: Lớp đồng
Để bảo vệ đồng chống lại các tác động của môi trường người ta phủ lên lá
đồng một lớp bọc đồng mỏng bằng thuỷ tinh có tác dụng bao bọc và bảo vệ lớp
đồng bên trong.
Hình 2: Cấu tạo cơ bản
của một bản mạch.
8
Hình 6: Hình ảnh các mối hàn và
tụ điện
Hình 5: Mô tả lớp vỏ bọc đồng
Để gắn các thành phần vào bản mạch và tạo
mối dẫn truyền thì người ta thường sử dụng các hợp
kim hàn. Trên hình 3 ta thấy trên bản mạch có vô số
các mối hàn được tạo bởi các hợp kim hàn gồm (40%
chì, 60% thiếc) màu sáng bạc. Hình bên chỉ ra vị trí
của các hợp kim này
Hình 7: Mô tả lớp hợp kim hàn trên bản mạch
Trên đây chỉ là hình ảnh cấu tạo của một bản mạch cơ bản, ngoài ra còn có
một số thành phần khác như màng che phủ mối hàn, các rãnh và các bờ gồ ghề
sau:
Bảng 3: Thành phần kim loại
Thành phần kim loại Phần trăm khối lượng
Đồng 16
Hợp kim hàn ( thiếc và chì) 4
Thành phần sắt và các ferit ( từ lõi máy biến thế) 3
Niken 2
Bạc 0.05
Vàng 0.03
Platin 0.01
Các kim loại khác ở lượng vết bao gồm bismut… < 0.01
Lưu ý là thành phần các kim loại trên chỉ có tính chất tương đối do tính
chất phức tạp của nguồn gốc bản mạch ví dụ như từ máy tính, ti vi, điện thoại di
10
động hay các thiết bị khác hoặc của các hãng sản xuất ra sản phẩm khác nhau,
chúng thay đổi theo năm và có xu hướng ít đi do công nghệ sản xuất phát triển
giúp tiết kiệm nguyên liệu hay yêu cầu bảo vệ môi trường.
1.3 Tác động môi trường và sức khỏe của chất thải điện tử
Các thiết bị điện, điện tử chứa những chất khác nhau đòi hỏi sự xử lý tốt
trong suốt quá trình thu hồi và tái sinh vật liệu, để ngăn chặn những rủi ro cho
người công nhân, cộng đồng và môi trường.
1.3.1 Các chất nguy hại trong chất thải điện tử [13]
1.3.1.1 Đồng
Đồng được sử dụng phổ biến nhất trong các bản mạch điện tử. Đồng từ
mảnh vỡ điện tử chứa Be, bởi vì tính độc cho sức khỏe của Be nên phải được
giữa lại trong thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí. Nếu đồng trong mảnh vỡ
điện tử được xay nghiền ra để thu hồi vật liệu thì bụi phải được kiểm soát và
giữa lại. Quá trình xay nghiền có thể giải phóng Be chứa trong bụi.
Đồng là vi lượng cần thiết cho con người, không có mối lo ngại nào cho
sức khỏe và không có khả năng phân chia như tác nhân gây ung thư. Ở nồng độ
3
.
1.3.1.4 Berili
Be được sử dụng để thêm vào hợp kim Cu và Ni ( lớn nhất là 2%) làm lò
xo hoặc công tắc điện. Oxit Beri được sử dụng trong một vài thiết bị điện tử như
thiết bị hạ nhiệt. Một lượng nhỏ oxit có thể được tìm thấy trong sự tái sinh hàng
điện tử và được quay vòng hoặc giải phóng từ môi trường. Be chứa trong hợp
kim Cu-Be (98%Cu, ≤ 2% Be) được sử dụng ở những điểm hàn nối với sợi kim
loại bên ngoài và những thiết bị với lượng rất nhỏ. Be chứa trong hợp kim Cu-Be
với đặc tính đàn hồi có ích trong các thiết bị kết nối. Trong quá trình nấu chảy
kim loại, Be có thể được giải phóng từ khối lượng bị nấu chảy.
Hít phải bụi, khói chứa Be có thể gây rối loạn phổi mãn tính, be có thể trở
thành tác nhân gây ung thư ở người. US.EPA giới hạn lượng Be mà các khu
12
công nghiệp có thể thải vào khí quyển là 0,001µg/m
3
trung bình 30 ngày 1đợt.
giới hạn ở khu vực làm việc là 2µg/m
3
trong 8h/ngày.
1.3.1.5 Cadimi
Trong thành phần tấm bản mạch cadimi xuất hiện trong những thành phần
như là những điện trở lát mỏng, bộ phận dò hồng ngoại, chất bán dẫn, ngoài ra
còn được xử dụng như một chất ổn định trong chất dẻo làm bản mạch...Những
hỗn hợp Cadimi và Cadimi tích lũy trong cơ thể con ngừời, đặc biệt trong thận.
Cadimi xâm nhập vào cơ thể qua con đường hít thở hoặc ăn uống. Chu kì bán
phân hủy của Cadimi là 30 năm vì vậy Cadimi có thể dễ dàng tích lũy lại trong
cơ thể đến lượng mà gây ra những triệu chứng sự đầu độc.
1.3.1.6 Thuỷ ngân
Trong các tấm bản mạch có chứa một lượng thuỷ ngân ở bộ phận ngắt
hơi sương đọc hại. Việc sử dụng axit đậm đặc (nước cường thủy) để thu hồi vàng
trong các linh kiện điện tử là rất nguy hại. Việc đốt các dây dẫn để thu hồi đồng
thải vào không khí ượng lớn chất khí độc hại, ảnh hưởng đến sức khỏe con
người.
1.3.3 Suy thoái chất lượng môi trường [3]
Khối lượng lớn CTĐT sẽ gây hại đến môi trường theo 2 khía cạnh sau:
Một là vấn đề ô nhiễm môi trường do chính bản thân chúng gây ra khi bị
phân rã và biến đổi sau khi tương tác với các thành phần khác của môi trường.
14
Việc chôn lấp cũng như thiêu hủy CTĐT đều giải phóng ra môi trường nhiều hóa
chất độc hại. Nếu xử lý bằng phương pháp chôn lấp thì vừa tốn diện tích mặt
bằng vừa gây ô nhiễm đất, nước. Nếu xử lý bằng phương pháp thiêu hủy thì vừa
tốn nhiên liệu vừa gây ô nhiếm không khí.
Hai là vấn đề khai thác quá mức các nguồn tài nguyên nhằm sản xuất ra
các mặt hàng điện tử khác thế hệ mới thay thế cho những mặt hàng lỗi thời bị
thải bỏ. Đồng thời là việc cải tiến và thay thế máy móc thiết bị công nghệ sản
xuất các mặt hàng điện tử mới. Để làm ra một chiếc PC, con người thải ra môi
trường lượng lớn chất thải nặng gấp 10 lần. Mặt khác việc không tận dụng để tái
chế các phần có ích còn lại trong CTĐT đã gây lãng phí hàng triệu tấn vật chất
và đồng thời lại gây tốn kém năng lượng và một khối lượng vật chất khác phải
khai thác từ tự nhiên.
1.4 Thuộc tính và ứng dụng của đồng [2, 21]
1.4.1 Tính chất vật lý của đồng
Đồng có lẽ là kim loại được con người sử dụng sớm nhất do các đồ đồng
có niên đại khoảng năm 8700 trước công nguyên (TCN) đã được tìm thấy. Ngoài
việc tìm thấy đồng trong các loại quặng khác nhau, người ta còn tìm thấy đồng ở
dạng kim loại (đồng tự nhiên) ở một nơi.
Đồng là một kim loại có màu vàng ánh đỏ, có độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt
cao (trong số đa các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ có bạc có độ dẫn
điện cao hơn), tỷ khối 8920kg/m
2
.
Đồng tác dụng với dung dịch HI và dung dịch HCN đậm đặc và giải
phóng ra H
2
:
2Cu + 2 HI = 2 CuI + H
2
↑
2Cu + 4HCN = 2H{Cu(CN)
2
} + H
2
↑
Đồng tan trong axit nitric và axit sunfuric đặc.
3Cu + 8HNO
3 (l)
= 3Cu(NO
3
)
2
+ 2 NO
↑
+ 4H
2
O
Cu + 2H
2
2
+ 2H
2
O = 2{Cu(NH
3
)
4
}(OH)
2
Đồng có phản ứng hóa học với muối mà kim loại đứng sau Cu trong dãy
điện hóa như Fe
3+
, Pb…
Fe
2
(SO
4
)
3
+ Cu = CuSO
4
+ 2FeSO
4
1.4.3 Ứng dụng của đồng và hợp chất của nó
16
Đồng có thể tìm thấy như ở tự nhiên trong dạng khoáng chất. Các khoáng
chất chẳng hạn như cacbonat azurit (2CuCO
3
Cu(OH)
2
sạch nước.
Vai trò sinh học
Đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho các loài động, thực vật bậc
cao. Đồng được tìm thấy trong một số loại enzym, bao gồm nhân đồng của
cytochrom c oxidas, enzym chứa Cu-Zn superoxid dismutas, và nó là kim loại
trung tâm của chất chuyên chở ôxy hemocyanin. Máu của cua móng ngựa (cua
vua) Limulus polyphemus sử dụng đồng thay vì sắt để chuyên chở ôxy.
17
Theo tiêu chuẩn RDA của Mỹ về đồng đối với người lớn khỏe mạnh là 0,9
mg/ngày.
Đồng được vận chuyển chủ yếu trong máu bởi protein trong huyết tương
gọi là ceruloplasmin. Đồng được hấp thụ trong ruột non và được vận chuyển tới
gan bằng liên kết với albumin.
Một bệnh gọi là bệnh Wilson sinh ra bởi các cơ thể mà đồng bị giữ lại, mà
không tiết ra bởi gan vào trong mật. Căn bệnh này, nếu không được điều trị, có
thể dẫn tới các tổn thương não và gan.
Người ta cho rằng kẽm và đồng là cạnh tranh về phương diện hấp thụ
trong bộ máy tiêu hóa vì thế việc ăn uống dư thừa một chất này sẽ làm thiếu hụt
chất kia.
Các nghiên cứu cũng cho thấy một số người mắc bệnh về thần kinh như
bệnh schizophrenia có nồng độ đồng cao hơn trong cơ thể. Tuy nhiên, hiện vẫn
chưa rõ mối liên quan của đồng với bệnh này như thế nào (là do cơ thể cố gắng
tích lũy đồng để chống lại bệnh hay nồng độ cao của đồng là do căn bệnh này
gây ra).
1.4.4 Độc tính của đồng
Mọi hợp chất của đồng là những chất độc. Đồng kim loại ở dạng bột là
một chất dễ cháy 30g sulfat đồng có khả năng gây chết người. Đồng trong nước
với nồng độ lớn hơn 1mg/lít có thể tạo vết bẩn trên quần áo hay các đồ vật được
giật giũ trong nước đó. Nồng độ an toàn của đồng trong nước uống đối với con
người dao động theo từng nguồn, nhưng có xu hướng nằm trong khoảng 1,5 -
Tuy nhiên lựa chọn một thiết bị phù hợp đòi hỏi các kiểm nghiệm quy mô nhỏ
bởi vì sự dễ bong tự nhiên của các sản phẩm. Ngoài ra người ta còn sử dụng
phương pháp tuyển nổi, sử dụng một lượng nhỏ các chất tạo bọt như dầu thông,
creozol hay các chất có cực yếu khác. Mẫu được cho vào thùng khuấy. Một hỗn
hợp được tách ra bao gồm thành phần ơtécti bao gồm 55% khối lượng mảnh
đồng và 45% khối lượng các tấm sợi thuỷ tinh, được nghiền vụn trong bình. Qua
trình tách cơ học cơ bản được mô tả trên hình 8 [6, 7]
20
Hình 8: Sơ đồ khối của quá trình tuyển tách cơ học
Phương pháp tách cơ học do không có sự can thiệp của nước hay tác nhân
hoá học nào nên sẽ phát sinh khói bụi và tiếng ồn. Vì vậy cần có sự kết hợp các
phương pháp và có giải pháp xử lý những vấn đề phát sinh.
CTĐT
Máy nghiền,
búa lắc
Thiết bị
sang rây
Phân đoạn nhựa
Đĩa nén, cối xay
Quá trình
sàng, rây
Quá trình
sàng lọc
Tách tĩnh điện
Phân đoạn nhựaPhân đoạn đồng
21
1.5.2 Các phương pháp nhiệt luyện [1, 6]
Đốt là quá trình oxy hóa chất thải ở nhiệt độ cao. Theo các tài liệu kỹ thuật
thì khi thiết kế lò đốt chất thải phải đảm bảo 4 yêu cầu cơ bản: cung cấp đủ oxy
cho quá trình nhiệt phân bằng cách đưa vào buồng đốt một lượng không khí dư;
chế như chi phí đầu tư, vận hành, xử lý khí thải lớn, dễ tạo ra các sản phẩm phụ
nguy hiểm. Các sản phẩm làm giàu (tập trung nhiều kim loại) bằng phương pháp
nhiệt luyện sẽ được áp dụng rộng rãi bởi các công ty tái chế ở những nước phát
triển, nhưng do tính đa dạng của các chất có trong chất thải diện tử nên việc đốt
sẽ kèm theo nguy cơ phát sinh và phát tán các chất ô nhiễm và chất độc hại làm
ô nhiễm khí quyển. Các nghiên cứu ở các nhà máy thiêu chất thải rắn đô thị cho
thấy đồng có trongbản mạch in và dây đóng vai trò chất xúc tác cho tạo thành
dioxinkhi các chất chống cháy bị đốt. Các chất chống cháy có brominat đó khi
phơi ra ở nhiệt độ thấp (600-800
0
C) có thể phát sinh dioxin polybrominat
(PBDD) và furan (PBDF) cực độc. PVC có thể có trong chất thải điện tử với
lượng lớn là chất ăn món cao khi đốt cháy và cũng tạo thành dioxin. Phương
pháp nhiệt luyện còn dẫn đến hao hụt các giá trị của các nguyên tố vết có thể tận
thu được khi phân loại và xử lý tách riêng đồng thời tiêu hao một lượng lớn
năng lượng.
23
1.5.3 Các phương pháp thuỷ luyện [1, 11]
Phương pháp thuỷ luyện chính là công nghệ xử lý hóa – lý. Công nghệ xử
lý hóa - lý là sử dụng các quá trình biến đổi vật lý, hóa học để làm thay đổi tính
chất của chất thải nhằm mục đích chính là giảm thiểu khả năng nguy hại của chất
thải đối với môi trường. Công nghệ này rất phổ biến để thu hồi, tái chế chất thải.
Một số biện pháp hóa - lý thông dụng trong xử lý chất thải như sau:
Kết tủa, trung hòa: dựa trên phản ứng tạo sản phẩm kết tủa lắng giữa chất
bẩn và hóa chất để tách kết tủa ra khỏi dung dịch. Quá trình này thường được
ứng dụng để tách các kim loại nặng trong chất thải lỏng ở dạng hydroxyt kết tủa
hoặc muối không tan. Ví dụ như việc tách Cr, Ni trong nước thải mạ điện nhờ
phản ứng giữa Ca(OH)
2
với các Cr
2
SO
4
và H
2
O
2
thì 100% Cu được
hoà tan, phần cặn còn lại được ngâm chiết với dung dịch (NH
4
)
2
S
2
O
3,
CuSO
4
và
NH
4
OH thì 15% Ag, 10% Au được hoà tan.
24
Hình 10: Sơ đồ khối quá trình Ngâm chiết tách kim loại.
Một trong những quy trình thu hồi kim loại được các nhà hoá học của
Khoa Hóa – trường ĐHKHTN nghiên cứu là sử dụng các tác nhân hoá học trong
phương pháp thuỷ luyện. Để tách đồng ra khỏi dung dịch còn lại sau khi đã tách
thiếc và chì thì ta chỉ cần đưa pH của dung dịch lên pH=12-14. Với môi trường
bazơ mạnh ion Cu
2+
,
ZnSO
4
…
(NH
4
)
2
S
2
O
3
0.2M
CuSO
4
0.02M
NH
4
OH 0.4M
40
0
C, 24÷45h
pH=10, V=1L
25
Copyright: Tài liệu đại học ©