Khảo sát thành phần kim loại trong bảng mạch điện tử phế thải và thu hồi kim loại đồng bằng phương pháp điện hóa - NCS. Trần Thị Phương Thảo

Tên đề tài luận án: Khảo sát thành phần kim loại trong bảng mạch điện tử phế thải và thu hồi kim loại đồng bằng phương pháp điện hóa
Ngành: Hoá lý thuyết và Hoá lý 
Mã số ngành: 62440119
Họ tên nghiên cứu sinh: Trần Thị Phương Thảo
Khóa đào tạo: 2013
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Nhị Trự và PGS. TS. Trần Văn Mẫn
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 
1. Tóm tắt luận án 
Trong luận án này trình bày kết quả khảo sát thành phần kim loại trong bảng mạch điện tử phế thải (WPCBs). Trên cơ sở đó đề xuất, nghiên cứu khả năng xử lý WPCBs bằng acid và base để thu hồi kim loại đồng bằng kỹ thuật điện phân. Luận án gồm ba nội dung chính sau đây:
- (i) Phân tích hàm lượng các nguyên tố kim loại bằng phương pháp phân tích khối phổ ghép plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS) của ba loại có trong WPCBs phổ biến nhất: điện thoại, máy vi tính, tivi. Kết quả đánh giá cho thấy hàm lượng % khối lượng các kim loại giảm dần: Cu>Al>Fe>Sn>Zn>Mn>Pb>Cr>Ag>Au, trong đó Cu chiếm hàm lượng kim loại cao nhất (7,08-24,11%). Nghiên cứu cũng cho thấy xu hướng biến đổi của các kim loại trong WPCBs nhờ những tiến bộ của kỹ thuật điện tử và yêu cầu của luật pháp môi trường. Đánh giá sơ bộ về hàm lượng và giá trị kim loại trong WPCBs là cơ sở để chọn thu hồi kim loại đồng, cũng như chứng tỏ tiềm năng của các nguyên tố khác, đặc biệt là các kim loại đất hiếm (REE).  
- (ii) Nghiên cứu khả năng và hiệu quả thu hồi đồng bằng kỹ thuật điện hoá thông qua việc xây dựng quy trình hòa tách bột WPCBs trong HNO3 7 M; đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân thu hồi kim loại đồng từ dung dịch này. Trong luận án đã tiến hành xác định hàm lượng đồng trong dung dịch hòa tách bằng phương pháp vôn - ampe hòa tan anod (ASV); tính toán hệ số khuếch tán của ion Cu2+ trong dung dịch dựa vào phương trình Randles - Sevcik thông qua kỹ thuật quét thế vòng tuần hoàn (CV). Chất lượng sản phẩm đồng thu được trên cathod và chì dioxide trên anod được khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong phương pháp thu hồi đồng bằng hoà tách acid hiệu suất dòng đạt đến 97,16  0,01%;  tuy nhiên, hiệu suất thu hồi kim loại đồng còn thấp (26,67  0,53%).
- (iii) Xây dựng quy trình thực hiện đồng thời điện phân - hòa tách thu hồi kim loại đồng trong môi trường base (amoniac). Đã thực hiện chế tạo điện cực anod từ WPCBs phù hợp cho việc điện phân; tiến hành khảo sát tính chất anod WPCBs, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân, chất lượng sản phẩm đồng thu hồi trong môi trường base. Thông qua kỹ thuật quét thế tuần hoàn (CV) và tổng trở (EIS), đã khảo sát diễn biến điện hoá của anod WPCBs trong dung dịch amoniac; tính toán được hệ số khuếch tán của ion [Cu(NH3)4]2+ (trong dung dịch) và ion [Cu(NH3)4]2+ (tại bề mặt điện cực WPCBs). Kết quả nghiên cứu cho thấy, động học của quá trình điện phân - hòa tách WPCBs trong dung dịch amoniac phụ thuộc vào miền khuếch tán.
2. Những kết quả mới của luận án 
- (i) Trên cơ sở khảo sát toàn diện hàm lượng kim loại trong WPCBs đã cho thấy thành phần kim loại và xu hướng biến đổi của chúng trong các thiết bị điện tử phổ biến (điện thoại, máy vi tính và tivi) ở giai đoạn sau khi Chỉ thị RoHS được áp dụng; xác định được thành phần có ý nghĩa kinh tế để khai thác của các kim loại kỹ thuật chủ yếu như Au, Sn, Cu, Al, Ag, Pd..., đặc biệt là các kim loại chiến lược như nguyên tố đất hiếm.
- (ii) Đã chứng tỏ thu hồi được kim loại đồng từ WPCBs bằng phương pháp điện hoá kết hợp đồng thời điện kết tủa trên cathod và hoà tách trên anod WPCBs, sử dụng anod là điện cực màng chứa 80% khối lượng bột WPCBs, 10% khối lượng bột than hoạt tính và 10% khối lượng polyme kết dính. Thực hiện điện phân - hòa tách trong dung dịch gồm               NH3 3 M + (NH4)2SO4 0,5 M + CuSO4 0,1 M (pH 9,48). Với chế độ điện phân trong 30 phút, mật độ dòng 15 mA/cm2, nhiệt độ 25 oC, tốc độ khuấy 400 vòng/phút đạt hiệu suất dòng 94,46  0,39% và hiệu suất thu hồi 82,88  5,47%. Sản phẩm thu được chứa 93,25% đồng và 6,75% oxy. 
- (iii) Tính toán được hệ số khuếch tán của ion [Cu(NH3)4]2+ (trong dung dịch)                              D = 16,47.10-8 cm2/s theo CV và ion [Cu(NH3)4]2+ (tại bề mặt điện cực màng WPCBs)         D = 1,01.10-8 cm2/s theo EIS. Hai kết quả D cùng với khảo sát điện hoá (bằng CV, các đường cong phân cực cathod và anod, EIS) dung dịch base khi bổ sung muối CuSO4 vào hệ đã chứng tỏ động học của quá trình điện phân phụ thuộc vào miền khuếch tán.
3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn hay những vấn đề còn bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu
- Tái sử dụng nguồn kim loại trong WPCBs giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đem lại hiệu quả kinh tế cho xã hội. 
- Góp phần hoàn thiện hướng nghiên cứu thu hồi đồng từ WPCBs cho ngành tái chế chất thải của Việt Nam với phương pháp điện hóa là một trong các phương pháp đạt hiệu suất cao. 
- Cần có thử nghiệm trên các dung dịch khác có khả năng tạo phức với kim loại muốn thu hồi như thiosulfat, citrat, peptit… Khảo sát các khoảng thế khác nhau để thu hồi nhiều kim loại trong cùng môi trường.
- Khả năng thu hồi hồi REE từ WPCBs - tiềm năng to lớn cho ngành công nghệ vật liệu trong tình trạng khan hiếm nguồn REE tự nhiên.