Xem mẫu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC&CÔNG NGHỆ VN
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
NGÔ HUY KHOA
NGÔ HUY KHOA
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TẠP CHẤT VÀ
MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN CHẤT LƯỢNG NIKEN ĐIỆN
PHÂN VỚI NGUỒN BỔ SUNG CACBONAT BAZO NIKEN
Chuyên ngành: Kim loại học
Mã số: 62.44.01.29
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội, 2016
Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học vật liệu, Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học
1. PGS.TS Phạm Đức Thắng
2. PGS.TS Nguyễn Sơn Lâm
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước
họp tại Viện Khoa học vật liệu vào hồi……giờ….., ngày……
tháng….. năm 2016.
Có thể tìm luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia Hà Nội.
- Thư viện Viện Khoa học vật liệu.
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam.
2
MỞ ĐẦU
Niken là kim loại có nhiều tính chất hóa học quan trọng và được
ứng dụng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân. Trong đó, khoảng
65% được sử dụng làm thép không rỉ, 12% được dùng làm siêu hợp
kim, 23% còn lại được sử dụng trong luyện thép, pin sạc, chất xúc
tác, mạ điện và trong các ngành công nghiệp hóa chất khác. Ở Việt
Nam, nguồn tài nguyên niken rất ít, tập trung ở một số tỉnh miền núi
phía Bắc như Sơn La, Yên Bái,…, mặt khác nguồn quặng này cũng
chỉ tập trung ở một số nước vì vậy có thể coi kim loại này là một
trong những kim loại xuất khẩu chiến lược.
Khảo sát cho thấy Việt Nam chỉ có công ty Cổ phần Vật liệu
và môi trường sản xuất niken từ bã thải công nghiệp mạ. Hiện nay, ta
chưa sản xuất niken từ quặng mặc dù ở Sơn La đang có dự án sản
xuất niken, coban, đồng tại mỏ Bản Phúc, song dự án này vẫn chỉ
dừng lại ở khâu khai thác và tuyển quặng. Do đặc thù niken là kim
loại khó chế biến nên việc nghiên cứu đầy đủ về điện phân niken còn
rất ít ở Việt Nam, việc nghiên cứu sâu ảnh hưởng của tạp chất đến độ
sạch của niken kim loại tinh luyện từ hỗn hợp muối cacbonat bazo
niken lại càng ít.
Xuất phát từ những thực tế đó mà luận án “Nghiên cứu ảnh
hưởng của tạp chất và một số yếu tố đến chất lượng niken điện phân
với nguồn bổ sung cacbonat bazo niken” đã được đặt ra nhằm hoàn
thiện quy trình công đoạn cuối cùng để đạt được sản phẩm niken
sạch đạt tiêu chuẩn công nghiệp.
Đối tượng nghiên cứu của luận án là dung dịch sunfat niken
điều chế bằng phương pháp hòa tan trực tiếp sten niken (luyện từ
tinh quặng niken mỏ Bản Phúc-Sơn La) thành dung dịch muối
sunfat. Dung dịch này sau khi khử tạp chất được kết tủa thành muối
cacboanat bazo làm nguyên liệu điện phân niken.
Mục tiêu của luận án: Lý giải được tính ưu việt của việc chọn
cacbonat bazo niken so với một số hợp chất niken khác để làm
nguyên liệu bổ sung ion niken. Tìm được giới hạn của tạp chất đồng
và sắt, lý giải ảnh hưởng của nó đến chất lượng niken điện phân và
đưa ra giải pháp hạn chế hai tạp chất này. Tìm ra một số nguyên
nhân bong nứt niken điện phân do ảnh hưởng của tạp phi kim và đưa
ra giải pháp xử lý. Đưa ra thông số công nghệ tối ưu để điện phân
niken với nguồn bổ sung muối cacbonat bazo niken.
3
Phương pháp nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu trên cơ sở thực
nghiệm. Các mẫu dịch được phân tích bằng phương pháp AAS,
phương pháp đo đường cong phân cực, giản đồ cân bằng E-pH, phân
tích X-RAY,...
Nội dung nghiên cứu: Xây dựng giản đồ trạng thái E-pH và điều
chế dung dịch điện phân; Nghiên cứu tách tạp chất đồng và sắt ra
khỏi dung dịch; Nghiên cứu chế tạo nguyên liệu phục vụ cho điện
phân niken; Nghiên cứu ảnh hưởng của các tạp chất.
Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án là một công trình khoa
học kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, kết quả nghiên cứu của luận
án sẽ được ứng dụng vào công đoạn cuối của quy trình công nghệ
sản xuất niken từ bã thải công nghiệp mạ hoặc từ quặng niken.
Chứng minh được dùng muối cacbonat bazo niken làm nguyên liệu
bổ sung ion niken cho quá trình điện phân có nhiều ưu điểm hơn so
với các nguyên liệu dễ hòa tan khác. Luận án cũng đã có một số lý
giải về hiện tượng bong nứt trong quá trình điện phân niken và đã
đưa ra biện pháp xử lý
Bố cục luận án: Luận án gồm 104 trang, bao gồm: Phần mở đầu;
3 chương nội dung và 63 hình vẽ, đồ thị; 24 bảng; phần kết luận và
cuối cùng là danh sách tài liệu tham khảo. Kết quả chính của luận án
được công bố trong 4 bài báo trong các tạp chí trong nước, một bài
trong hội nghị trong nước và cuối cùng có một công trình được đăng
ký sở hữu trí tuệ được chấp nhận đơn năm 2015.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Các công nghệ luyện niken
1.1.1. Cacbonyl hóa quặng sunfua niken, đồng
Các bước để tinh luyện quặng sunfua đa kim niken, đồng:
- Loại đất đá ra khỏi quặng bằng phương pháp tuyển nổi để được
tinh quặng chứa đến 10% Cu và niken
- Đốt tinh quặng trong lò thiêu nhiều tầng giống lò đốt pirit của
dây chuyền sản xuất axit sunfuric để giảm bớt S trong tinh quặng
- Nấu chảy sản phẩm của lò đốt trên trong lò phản xạ. Sau khi loại
thêm S và tách xỉ ra, sản phẩm thu được chứa 16% Cu và Ni, gần
ứng với thành phần Cu2S+Ni2S3+FeS (sten thô).
- Nấu chảy sản phẩm của lò phản xạ với chất chảy ở trong lò thổi
(kiểu lò Bexeme) và thổi không khí. Sau khi tách xỉ, sản phẩm thu
được chứa khoảng 80% Cu và Ni (sten tinh).
4
- Tách đồng bằng phương pháp nấu luyện 2 lần sten tinh với hợp
chất Na2SO4 để tạo muối kép mNa2S.nCu2S nổi lên phía trên. Muối
kép này được vớt ra, còn lại dưới đáy lò là hỗn hợp giàu niken.
- Khử Na2S trong môi trường kiềm thu được hỗn hợp giàu đồng
và hỗn hợp giàu niken. Hai hỗn hợp này được nấu chảy đúc thành
anot
- Điện phân riêng rẽ 2 loại anot trên thu được đồng và niken.
Dung dịch điện phân giàu đồng và niken là sản phẩm phát sinh trong
quá trình điện phân được chuyển sang bộ phận hoàn nguyên thành
đồng và niken
Sau đó người ta lại hoàn nguyên bột sten tinh thành mismetal và
dùng khí CO để hóa hơi niken thành khí tetracacbonyl niken
Ni(CO)4. Khí này được nhiệt phân ở nhiệt độ 2000C thành bột niken.
Bột niken được đưa đi nấu chảy rồi đúc thành thỏi và cán thành tấm
niken thương phẩm. Sau cacbonyl hóa niken, đồng còn nằm lại trong
mixmetal sẽ được đưa sang công đoạn hỏa tinh luyện thành đồng thô
rồi tiếp tục điện phân thành đồng tinh.
1.1.2. Thủy tinh luyện quặng phong hóa chứa đồng và niken
Có 2 phương pháp thủy luyện chính:
Hòa tách trong axit để thu hồi dung dịch muối niken và đồng.
Phương pháp này dùng cho quặng nghèo, thực thu thấp và dung dịch
hòa tách chứa nhiều tạp chất.
Hòa tách trong dung môi amoni theo phương pháp Caron hoặc
phương pháp Becher. Các kết quả nghiên cứu cho thấy có thể hòa
tách niken và đồng trong dung môi amoni đạt hiệu suất thực thu lên
tới 86%. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là phải thiêu
và hoàn nguyên các hạt oxit kim loại với khối lượng quặng đầu vào
rất lớn, tốn kém nhiều nhiên liệu, hiệu quả kinh tế khá thấp.
1.1.3. Thủy luyện quặng đa kim niken có đồng, sắt và coban
Chế biến quặng niken có chứa đồng và coban bằng phương pháp
thủy tinh luyện hết sức phức tạp. Để chế biến loại quặng này cần một
liên hiệp các nhà máy hóa chất khác nhau bao gồm nhà máy sản xuất
đồng, sản xuất axit sunfuric, sản xuất sắt III clorua, sản xuất coban
và niken. Quy trình này bao gồm:
- Quặng oxit hoặc niken sulfua đem nghiền sau đó hòa tách
trong clorua.
- Tách đồng và sản xuất axit sunfuric.
5
nguon tai.lieu . vn
VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC&CÔNG NGHỆ VN
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
NGÔ HUY KHOA
NGÔ HUY KHOA
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TẠP CHẤT VÀ
MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN CHẤT LƯỢNG NIKEN ĐIỆN
PHÂN VỚI NGUỒN BỔ SUNG CACBONAT BAZO NIKEN
Chuyên ngành: Kim loại học
Mã số: 62.44.01.29
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội, 2016
Công trình được hoàn thành tại: Viện Khoa học vật liệu, Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học
1. PGS.TS Phạm Đức Thắng
2. PGS.TS Nguyễn Sơn Lâm
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước
họp tại Viện Khoa học vật liệu vào hồi……giờ….., ngày……
tháng….. năm 2016.
Có thể tìm luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia Hà Nội.
- Thư viện Viện Khoa học vật liệu.
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam.
2
MỞ ĐẦU
Niken là kim loại có nhiều tính chất hóa học quan trọng và được
ứng dụng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân. Trong đó, khoảng
65% được sử dụng làm thép không rỉ, 12% được dùng làm siêu hợp
kim, 23% còn lại được sử dụng trong luyện thép, pin sạc, chất xúc
tác, mạ điện và trong các ngành công nghiệp hóa chất khác. Ở Việt
Nam, nguồn tài nguyên niken rất ít, tập trung ở một số tỉnh miền núi
phía Bắc như Sơn La, Yên Bái,…, mặt khác nguồn quặng này cũng
chỉ tập trung ở một số nước vì vậy có thể coi kim loại này là một
trong những kim loại xuất khẩu chiến lược.
Khảo sát cho thấy Việt Nam chỉ có công ty Cổ phần Vật liệu
và môi trường sản xuất niken từ bã thải công nghiệp mạ. Hiện nay, ta
chưa sản xuất niken từ quặng mặc dù ở Sơn La đang có dự án sản
xuất niken, coban, đồng tại mỏ Bản Phúc, song dự án này vẫn chỉ
dừng lại ở khâu khai thác và tuyển quặng. Do đặc thù niken là kim
loại khó chế biến nên việc nghiên cứu đầy đủ về điện phân niken còn
rất ít ở Việt Nam, việc nghiên cứu sâu ảnh hưởng của tạp chất đến độ
sạch của niken kim loại tinh luyện từ hỗn hợp muối cacbonat bazo
niken lại càng ít.
Xuất phát từ những thực tế đó mà luận án “Nghiên cứu ảnh
hưởng của tạp chất và một số yếu tố đến chất lượng niken điện phân
với nguồn bổ sung cacbonat bazo niken” đã được đặt ra nhằm hoàn
thiện quy trình công đoạn cuối cùng để đạt được sản phẩm niken
sạch đạt tiêu chuẩn công nghiệp.
Đối tượng nghiên cứu của luận án là dung dịch sunfat niken
điều chế bằng phương pháp hòa tan trực tiếp sten niken (luyện từ
tinh quặng niken mỏ Bản Phúc-Sơn La) thành dung dịch muối
sunfat. Dung dịch này sau khi khử tạp chất được kết tủa thành muối
cacboanat bazo làm nguyên liệu điện phân niken.
Mục tiêu của luận án: Lý giải được tính ưu việt của việc chọn
cacbonat bazo niken so với một số hợp chất niken khác để làm
nguyên liệu bổ sung ion niken. Tìm được giới hạn của tạp chất đồng
và sắt, lý giải ảnh hưởng của nó đến chất lượng niken điện phân và
đưa ra giải pháp hạn chế hai tạp chất này. Tìm ra một số nguyên
nhân bong nứt niken điện phân do ảnh hưởng của tạp phi kim và đưa
ra giải pháp xử lý. Đưa ra thông số công nghệ tối ưu để điện phân
niken với nguồn bổ sung muối cacbonat bazo niken.
3
Phương pháp nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu trên cơ sở thực
nghiệm. Các mẫu dịch được phân tích bằng phương pháp AAS,
phương pháp đo đường cong phân cực, giản đồ cân bằng E-pH, phân
tích X-RAY,...
Nội dung nghiên cứu: Xây dựng giản đồ trạng thái E-pH và điều
chế dung dịch điện phân; Nghiên cứu tách tạp chất đồng và sắt ra
khỏi dung dịch; Nghiên cứu chế tạo nguyên liệu phục vụ cho điện
phân niken; Nghiên cứu ảnh hưởng của các tạp chất.
Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án là một công trình khoa
học kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, kết quả nghiên cứu của luận
án sẽ được ứng dụng vào công đoạn cuối của quy trình công nghệ
sản xuất niken từ bã thải công nghiệp mạ hoặc từ quặng niken.
Chứng minh được dùng muối cacbonat bazo niken làm nguyên liệu
bổ sung ion niken cho quá trình điện phân có nhiều ưu điểm hơn so
với các nguyên liệu dễ hòa tan khác. Luận án cũng đã có một số lý
giải về hiện tượng bong nứt trong quá trình điện phân niken và đã
đưa ra biện pháp xử lý
Bố cục luận án: Luận án gồm 104 trang, bao gồm: Phần mở đầu;
3 chương nội dung và 63 hình vẽ, đồ thị; 24 bảng; phần kết luận và
cuối cùng là danh sách tài liệu tham khảo. Kết quả chính của luận án
được công bố trong 4 bài báo trong các tạp chí trong nước, một bài
trong hội nghị trong nước và cuối cùng có một công trình được đăng
ký sở hữu trí tuệ được chấp nhận đơn năm 2015.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Các công nghệ luyện niken
1.1.1. Cacbonyl hóa quặng sunfua niken, đồng
Các bước để tinh luyện quặng sunfua đa kim niken, đồng:
- Loại đất đá ra khỏi quặng bằng phương pháp tuyển nổi để được
tinh quặng chứa đến 10% Cu và niken
- Đốt tinh quặng trong lò thiêu nhiều tầng giống lò đốt pirit của
dây chuyền sản xuất axit sunfuric để giảm bớt S trong tinh quặng
- Nấu chảy sản phẩm của lò đốt trên trong lò phản xạ. Sau khi loại
thêm S và tách xỉ ra, sản phẩm thu được chứa 16% Cu và Ni, gần
ứng với thành phần Cu2S+Ni2S3+FeS (sten thô).
- Nấu chảy sản phẩm của lò phản xạ với chất chảy ở trong lò thổi
(kiểu lò Bexeme) và thổi không khí. Sau khi tách xỉ, sản phẩm thu
được chứa khoảng 80% Cu và Ni (sten tinh).
4
- Tách đồng bằng phương pháp nấu luyện 2 lần sten tinh với hợp
chất Na2SO4 để tạo muối kép mNa2S.nCu2S nổi lên phía trên. Muối
kép này được vớt ra, còn lại dưới đáy lò là hỗn hợp giàu niken.
- Khử Na2S trong môi trường kiềm thu được hỗn hợp giàu đồng
và hỗn hợp giàu niken. Hai hỗn hợp này được nấu chảy đúc thành
anot
- Điện phân riêng rẽ 2 loại anot trên thu được đồng và niken.
Dung dịch điện phân giàu đồng và niken là sản phẩm phát sinh trong
quá trình điện phân được chuyển sang bộ phận hoàn nguyên thành
đồng và niken
Sau đó người ta lại hoàn nguyên bột sten tinh thành mismetal và
dùng khí CO để hóa hơi niken thành khí tetracacbonyl niken
Ni(CO)4. Khí này được nhiệt phân ở nhiệt độ 2000C thành bột niken.
Bột niken được đưa đi nấu chảy rồi đúc thành thỏi và cán thành tấm
niken thương phẩm. Sau cacbonyl hóa niken, đồng còn nằm lại trong
mixmetal sẽ được đưa sang công đoạn hỏa tinh luyện thành đồng thô
rồi tiếp tục điện phân thành đồng tinh.
1.1.2. Thủy tinh luyện quặng phong hóa chứa đồng và niken
Có 2 phương pháp thủy luyện chính:
Hòa tách trong axit để thu hồi dung dịch muối niken và đồng.
Phương pháp này dùng cho quặng nghèo, thực thu thấp và dung dịch
hòa tách chứa nhiều tạp chất.
Hòa tách trong dung môi amoni theo phương pháp Caron hoặc
phương pháp Becher. Các kết quả nghiên cứu cho thấy có thể hòa
tách niken và đồng trong dung môi amoni đạt hiệu suất thực thu lên
tới 86%. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là phải thiêu
và hoàn nguyên các hạt oxit kim loại với khối lượng quặng đầu vào
rất lớn, tốn kém nhiều nhiên liệu, hiệu quả kinh tế khá thấp.
1.1.3. Thủy luyện quặng đa kim niken có đồng, sắt và coban
Chế biến quặng niken có chứa đồng và coban bằng phương pháp
thủy tinh luyện hết sức phức tạp. Để chế biến loại quặng này cần một
liên hiệp các nhà máy hóa chất khác nhau bao gồm nhà máy sản xuất
đồng, sản xuất axit sunfuric, sản xuất sắt III clorua, sản xuất coban
và niken. Quy trình này bao gồm:
- Quặng oxit hoặc niken sulfua đem nghiền sau đó hòa tách
trong clorua.
- Tách đồng và sản xuất axit sunfuric.
5