Đồ án nhập môn kĩ thuật hóa học được trình bày theo form chuẩn .Là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn khi trình bày một mẫu đồ án chuẩn. Nội dung phù hợp với trình độ kiến thức của sinh viên mới vào ngành kĩ thuật hóa học.
Trang 1DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
1 1 Đồ đồng sớm nhất của người châu Á
tìm thấy ở Việt Nam
4
bằng sắt (phải)
5
5 5 Sơ đồ công nghệ của một quá trình nhiệt luyện 10
LỜI MỞ ĐẦU
Trang 2Điện hóa là tên gọi một lĩnh vực trong hóa học, nghiên cứu về mối liên
hệ giữa các quá trình hóa học và dòng điện Một phản ứng hóa học xảy rakhi có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học có một hiệu điện thế,đây là những quá trình điện hóa Trong các quá trình này luôn tồn tại đồngthời hai hiện tượng: oxy hóa và oxy hóa khử (phản ứng oxy hóa khử)
Ngày nay Ðiện Hóa Học phát triển rất mạnh cả về lý thuyết lẫn ứngdụng sự quang điện phân, các nguồn điện năng mới với hệ điện cực và dungdịch làm từ những vật liệu hoàn toàmới Ngoài ra những qui luật của điệnhóa còn được vận dụng có kết quả vào những quá trình xảy ra trong cơ thểsống đó là Sinh Ðiện Hóa Học
Kim loại là vật liệu vô cùng quan trọng trong đời sống sinh hoạt và sảnxuất của xã hội loại người từ xưa đến nay Cùng với sự phát triển kinh tế xãhội thì vai trò của kim loại đối với con người ngày càng tăng cũng nhưnhững yêu cầu kĩ thuật ngày càng cao Để sản xuất kim loại có rất nhiềuphương pháp như thủy luyện, nhiệt luyện, điện phân,…Tuy nhiên để cóđược kim loại có nhiều ưu điểm như : có độ tinh khiết cao, tiết kiệm đượcnguyên vật liệu, tiết kiệm thời gian, đem hiệu quả kinh tế lớn, thì ứng dụng
kĩ thuật công nghệ Điện hóa trong quá trình sản xuất và tinh chế kim loại làmột trong những lựa chọn được ưu tiên hàng đầu Đề tài trong đồ án nhập
môn kĩ thuật hóa học là : Tìm hiểu về ứng dụng của công nghệ Điện Hóa
trong quá trình luyện và tinh chế kim loại đồng.
Trang 3CHƯƠNG I : VÀI NÉT LỊCH SỬ CỦA NGÀNH LUYỆN KIM
Kim loại bắt đầu dược sử dụng vào hơn 3000 năm trước công nguyên.Việc lần đầu tiên luyện ra kim loại từ quặng có ý nghĩa quan trọng khôngkém việc tìm ra lửa
Các kim loại được con người sử dụng sớm nhất là vàng và đồng vì có thểtìm thấy chúng ở dạng kim loại tự sinh Người ta thu được vàng ở Atxyri, AiCập, Babylon, Hy Lạp Đối với đồng, các vùng quặng chính được khai thácnằm ở Tây Ban Nha, Trung Quốc, Nhật Bản và Ai Cập Sau vàng và đồng làthiếc, chì và thủy ngân Các kim loại này thu được một cách ngẫu nhiên khiđốt lửa trại (quặng tiếp xúc với than ở nhiệt độ cao) do chúng dễ bị hoànnguyên ở khoáng vật oxit Thiếc là kim loại đầu tiên được luyện ra ở TrungQuốc
Hình 1: Đồ đồng sớm nhất của người châu Á tìm thấy ở Việt Nam
Về sau người ta biết sử dụng hợp kim đồng với thiếc gọi là đồng thanh.Đồng thanh cứng và bền, thuận tiện cho việc chế tạo công cụ lao động, vũkhí và đồ thờ cúng Việc sản xuất hợp kim này đã mở ra một thời đại mới,gọi là thời đại đồ đồng, đánh dấu bước nhảy vọt về lực lượng sản xuất.Sắtcũng được sử dụng từ thời cổ xưa ở Ai Cập, Atxyri, Trung Quốc ở dạngthiên thạch Về sau con người đã luyện ra được sắt từ quặng Người ta chorằng sắt được luyện ra đầu tiên ở vùng Capcadơ và chỉ được sử dụng rộngrãi cách đây 1200-1500 TCN Trong thiên nhiên quặng sắt nhiều hơn vàgiàu hơn các quặng đồng và thiếc Vì vậy, sắt dần dần thay thế đồng thanh
Trang 4Hình 2:Hiện vật sắt Cồn Rang (trái) và công cụ và vũ khí bằng sắt (phải)
Trước thế kỉ 18, loài người chỉ biết 10 kim loại quen biết từ thời cổ xưa là: vàng, đồng, sắt, chì, thiếc, antimon, kẽm, bitmut, thủy ngân Đến thế kỉ
18 số kim loại đã biết lên tới 20, đến thế kỉ 19 lên tới 50 và hiện nay là gần 80
Trước thế kỉ 19 lượng kim loại sử dụng không đáng kể Đến thế kỉ 19, doviệc phát triển ngành chế tạo máy, kim loại trở thành vần đề lớn và do đóngành công nghiệp sản xuất ra chúng, tức là ngành luyện kim, bắt đầu pháttriển mạnh Sang thế kỉ 20 đặc biệt những năm gần đây công nghiệp sảnxuất nhôm phát triển với nhịp độ nhanh Trước đây titan, xiriconi, crômchưa có dấu hiệu gì có thể ứng dụng trong thực tế vì khó thu được ở dạngkim loại sạch Gần đây các kim loại đó và hàng loại các kim loại quý hiếmkhác đã trở thành nhu yếu trong công nghiệp hiện đại
Trang 5Sang thế kỉ 20, ở nước ta ngành luyện kim xem như mới được định hình và bước đầu đã sản xuất ra một số kim loại như gang, thép, thiếc, chì, antimon và vàng, bạc.
Trang 6CHƯƠNG II: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP LUYỆN KIM THÔNG
THƯỜNG
Luyện kim là lĩnh vực khoa học kĩ thuật và ngành công nghiệp điều
chế các kim loại từ quặng hoặc từ các nguyên liệu khác, chế biến các hợpkim, gia công phôi kim loại bằng áp lực, bằng cách thay đổi các thành phầnhoá học và cấu trúc để tạo ra những tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng.Luyện kim xuất hiện từ thời xa xưa (luyện đồng), còn từ giữa thiên niên
kỷ 2 TCN, đã có luyện sắt từ quặng
II.1 Các quá trình trong kỹ thuật luyện kim
Luyện kim bao gồm các quá trình:
khỏi quặng); Quặng được đóng bánh nhằm tăng cường độ bền và có kíchthước phù hợp cho quá trình luyện kim trong lò
trình chế tạo vật liệu tổ hợp (composite) có cơ tính đặc biệt vượt trội sovới các Kim loại, hợp kim thông thường
cho luyện kim
khuôn kim loại, khuôn đúc liên tục ) một số sản phẩm đúc có thể sửdụng được ngay hoặc tạo ra phôi cho quá trình gia công biến dạng khác(cán, rèn dập )
phẩm có hình học đơn giản (tròn, vằn, vuông, thoi ) đến phức tạp (đườngray, chữ U I )
Trang 7Hình 3: Quy trình xử lý quặng và tinh chế vàng
Nhiệt luyện bao gồm Nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội Tùy vào cách nungnóng, cách giữ nhiệt và làm nguội ta có các công đoạn "Tôi" "Ram" Ủ" là nhữngnguyên công chủ đạo của nhiệt luyện Ngoài ra còn các quá trình "thấm" để đạtđược cơ tính bề mặt theo nhu cầu Hầu hết các sản phẩm gia công cơ khí khôngthể sử dụng ngay nếu không qua nhiệt luyện
Gia công hoá nhiệt và cơ nhiệt đối với kim loại
Tráng phủ bề mặt sản phẩm kim loại để bảo vệ hoặc trang trí và khuếch tánnhững kim loại và phi kim loại khác và bề mặt sản phẩm
Trang 8II.2 Các kiểu luyện
Có hai công nghệ luyện kim thông dụng: hỏa luyện và điện luyện
Hỏa luyện là quá trình hoàn nguyên kim loại ở nhiệt độ cao (Hỏa), phản ứng
hoàn nguyên chủ yếu là nhờ các chất có ái lực hóa học mạnh để tách kim loại rakhỏi hợp chất của nó trong quặng Từ đó ta thu được kim loại
Ví dụ: quá trình hoàn nguyên sắt trong lò cao nhờ:
- Hoàn nguyên trực tiếp bởi Cacbon rắn nằm trong lò, chủ yếu phản ứngnày xảy ra ở trong Nồi Lò Phản ứng này không phải là phản ứng chủ đạo trong
lò do Cacbon rắn không đủ linh động để có thể hoàn nguyên lượng lớn quặngtrong lò
- Hoàn nguyên gián tiếp bởi CO Than Cốc phản ứng khí hóa trong điềukiện thiếu oxy trong lò cao sẽ sản sinh ra CO (còn gọi là khí hoàn nguyên) khí
CO di chuyển rất linh động trong lò đi sâu vào lõi của quặng để hoàn nguyêncác oxit sắt
Điện luyện quá trình luyện và tinh luyện kim loại có sử dụng điện phân.
Điện luyện hay còn gọi là thủy luyện là quá trình thu hồi kim loại sạchbằng các phản ứng hoàn nguyên ở nhiệt độ thấp trong dung môi hóa chất (nhiệt
độ thường nhỏ hơn 100°C) Nguyên tắc: dùng các chất, hợp chất tan trong nước
để đẩy kim loại sạch ra khỏi chất hợp chất của nó Đấy là cách thu hồi kim loạisạch đạt đến 99,99% hoặc cao hơn Mỗi kim loại có một chế độ điện luyện khácnhau bao gồm rất nhiều các thông số kỹ thuật như: I (cường độ dòng); U (điệnáp); T° (nhiệt độ) VD: điện phân nhôm sạch từ nhôm kỹ thuật ta đưa vào lòđiện phân muối nóng chảy 3 lớp sẽ thu được nhôm sạch 99.99%
II.3 Phương pháp nhiệt
II.3.1 Sơ bộ về quá trình nhiệt luyện
Nhiệt luyện là quá trình hoàn nguyên kim loại trong môi trường có
trong quặng Phản ứng hoàn nguyên thường tỏa nhiệt
Trang 9Hình 4: Quá trình nhiệt
yếu chỉ cần đun nóng oxit đã tự phân hủy thành kim loại và oxi)
nhiệt, làm nguội Khi nung, tổ chức vật liệu sẽ thay đổi theo nhiệt độ, tuỳthời điểm nâng, hạ nhiệt với các tốc độ khác nhau mà nhiệt luyện với cácphương pháp khác nhau sẽ cho ra kim loại có tính chất khác nhau Bất kỳmột hình thức nhiệt luyện nào cũng bao gồm ba yếu tố quan trọng đó là:nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội từ nhiệt độ quy địnhđến nhiệt độ bình thường
Hình 5: Sơ đồ công nghệ của một quá trình nhiệt luyện
Như vậy, trong nhiệt luyện có hai vấn đề quan trọng là nhiệt độ vàthời gian Trong quá trình nhiệt luyện nếu thay đổi nhiệt độ và thời gian thì
cơ lý tính của chi tiết sẽ thay đổi rất nhiều Ngoài ra còn phải kể đến tốc độnung nóng, tốc độ làm nguội Vì vậy chế độ nhiệt luyện nào cũng bao gồmcác thông số sau:
- Nhiệt độ nung: là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung nóng
Trang 10- Thời gian giữ nhiệt: là thời gian cần thiết để duy trì kim loại ởnhiệt độ nung.
- Tốc độ nguội nguội: là độ giảm của nhiệt độ theo thời gian sau thời
- Tốc độ nung nóng chất vật liệu mong muốn
Ưu điểm:
- Quy trình kĩ thuật không quá phức tạp, dễ thực hiện.
- Có thể làm ra tính chất của kim loại mà ta mong muốn như: dẻo, cứng…
- Tăng tuổi thọ, tăng độ cứng, tính chịu ăn mòn, độ dẻo dai và độ bền của vật liệu.
- Sản xuất trong quy mô lớn.
-Cải thiện tính công nghệ (rèn, dập, gia công cắt, tính chịu mài, tính hàn…),
từ tính, điện tính…
Nhược điểm:
- Do cần lượng nhiệt lớn nên tiêu tốn khá nhiều năng lượng.
- Gây ô nhiễm môi trường.
II.3.2 Luyện kim đen - ứng dụng phương pháp nhiệt luyện
cacbon)
- Luyện kim đen là một trong những ngành quan trọng nhất của côngnghiệp nặng Sản phẩm chính của nó là gang và thép, nguyên liệu cơ bảncho ngành công nghiệp cơ khí và gia công kim loại để tạo ra tư liệu sảnxuất, công cụ lao động, thiết bị toàn bộ và cả vật phẩm tiêu dùng Ngànhluyện kim đen còn cung cấp những cấu kiện bằng sắt- thép cho ngành xâydựng Hiện nay, nhu cầu sử dụng kim loại đen đang ngày càng tăng lên cùngvới sự phát triển của khoa học kĩ thuật và xã hội, ngành luyện kim đen càngđóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân
Trang 11- Kim loại đen chiếm khoảng 90% tổng khối lượng kim loại sản xuất ratrên thế giới Chính sự thông dụng của nó trong sản xuất và đời sống đã làmtăng thêm tầm quan trọng của ngành công nghiệp
II.3.2.1 Quá trình sản xuất gang
Hình 6: Sơ đồ sản xuất gang lò cao
Gang là hợp kim của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ2-5%, ngoài ra còn có một lượng nhỏ các nguyên tố khác như Si, Mn, Gang cứng và dòn hơn sắt
Có hai loại gang: gang trắng và gang xám Gang trắng dùng để luyệnthép, gang xám dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước…
Trang 12-Nguyên liệu sản xuất gang là quặng sắt, thí dụ quặng manhetit (chứa
- Nguyên tắc sản xuất gang: Dùng cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độcao trong lò luyện kim
- Quá trình sản xuất gang trong lò luyện kim (lò cao)
Quặng sắt, than cốc, đá vôi có kích thước vừa phải được đưa qua miệng lòcao và xếp thành từng lớp
Không khí nóng thổi từ 2 bên lò từ dưới lên
C + CO2 → 2CONhờ có khí cacbon monoxit khử oxit sắt:
Sắt nóng chảy hòa tan một ít cacbon tạo thành gang
đơn chất
Đá vôi phân hủy thành CaO rồi oxit hóa một số tạp chất có lẫn trong quặng
II 3.2.2 Quá trình sản xuất thép
Thép là hợp kim của sắt với cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàmlượng cacbon chiếm dưới 2%
-Thép có nhiều tính chất lí, hóa quý hơn sắt Thép được dùng làm vật liệuxây dựng, chế tạo máy, dụng cụ lao động…
- Nguyên liệu sản xuất thép là gang, sắt phế liệu, khí oxi
- Nguyên tắc sản xuất thép là oxi hóa một số kim loại, phi kim để loại rakhỏi gang phần lớn các nguyên tố cacbon, silic, mangan
- Quá trình luyện thép được thực hiện trong lò Bet-xơ-me Khí oxi
Trang 13sản xuất axit sulphuaric Đem sten đồng đi thổi luyện ra đồng thô, sau đóđem đồng thô đi tinh luyện bằng phương pháp hỏa tinh luyện để nhận đồngdương cực Đem đồng dương cực đi đúc thành tấm đồng dương cực Điệnphân đồng dương cực nhận được đồng âm cực( chính là đồng thương phẩm).Dưới đây là các phản ứng cơ bản của công nghệ hỏa luyện cổ điển
- Công đoạn thiêu khử bớt lưu huỳnh:
Đầu tiên có phản ứng phân ly:
4CuFeS2 → 2Cu2S + 4FeS + 2S Sau đó có các phẩn ứng oxy hóa một phần :
2S + 2O2 → 2SO2
Cu2S + 2O2 → 2CuO + SO2 4FeS + 7O2 → 2 Fe2O3 + 4SO2 3FeS + O2 → Fe3O4 + 3SO2
- Công đoạn luyện ra sten đồng: Mục đích tạo ra sản phẩm sten giàu
Trang 14được điều đó phải cho thêm trợ dung thạch anh và vôi để tạo xỉ cùng với
Fe3O4
3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5[(FeO)2 SiO2] + SO2
chất khác
Công đoạn thổi luyện sten đồng ra đồng thô:
Ban đầu phản ứng oxy hóa tạo xỉ sắt:
2FeS + 2O2 + SiO2 → 2FeO SiO2 + 2SO2 Giai đoạn thổi luyện thứ hai:
Sn, As, Ni, Sb, Pb, Bi, S, Cu, Te, Se, Ag, Au Chín nguyên tố đầu có ái lựcvới oxy lớn hơn đồng Khi oxy hóa đồng lỏng bằng phương pháp thổi luyệnkhông khí, do hàm lượng các tạp chất rất nhỏ so với hàm lượng đồng nên sẽxảy ra phản ứng oxy hóa đồng trước
2Cu + 1/2 O2 → Cu2O
theo phản ứng:
Cu2O + Me → 2Cu + MeO Các oxit tạp chất MeO được tham gia tạo xỉ và khử đi Trên thực tế thứ
tự oxy hóa các tạp chất không phù hợp với dãy ái lực hóa học đối với oxy
mà phụ thuộc vào độ hòa tan của chúng trong đồng, nồng độ, độ bay hơi, sốlượng oxy được cung cấp, sự tạo thành các hợp chất với đồng và các yếu tốkhác nữa
Trang 15Sau các quá trình nhiệt luyện, sản phẩm thu được là đồng thô có hàm
lượng đồng kim loại nằm trong khoảng từ 95% đến 97% Để sản xuất đượckim loại đồng sạch, có hàm lượng đồng kim loại lớn hơn 99,99% ứng dụngcho thực tế sản xuất, đồng thô cần trải qua công đoạn tinh chế (thường bằngphương pháp điện luyện - sẽ được giới thiệu chi tiết trong chương 3)
II.4 Phương pháp thủy luyện( ( điện luyện )
II.4.1 Sơ bộ về phương pháp thủy luyện
Định nghĩa: Các quá trình thủy luyện kim loại là những phương phápchế biến quặng, tinh quặng, hoặc các sản phẩm trung gian, tiến hành trongmôi trường nước (dung môi) nhằm thu hồi kim loại hoặc các hợp chất trunggian
Phương pháp thủy luyện còn gọi là phương pháp ướt, được dùng đểđiều chế các kim loại hoạt động hóa học thấp như Au, Ag, Hg, Cu…Cơ sởcủa phương pháp này là dùng nhũng dung dịch thích hợp như dung dịch
tách ra khi phần không tan có trong quặng Sau đó các ion kim loại trongdung dịch được khử bằng kim loại có tính khử mạnh hơn, như Fe, Zn… Thủy luyện được tiến hành có pha loãng dung dịch nước hay muốinóng chảy tham gia, nhờ phản ứng hóa điện mà tách kim loại ra khỏi nướchoặc dung dịch muối nóng chảy Về mặt hóa lý có thể coi cơ sở của phươngpháp này là hóa điện hoặc điện phân
Phương pháp thủy luyện được sử dụng rộng rãi để sản xuất hàng loạt kimloại như: kẽm, vàng, bạc, plantin, đồng, niken, nhôm, uranium, vonfram,molipden, tantan, niobi, vanadi, beredi và các kim loại đất hiếm
Có thể chia quá trình thủy luyện thành 3 giai đoạn chính:
+ Chuyển các cấu tử cần tách từ nguyên liệu vào dung dịch Đây làquá trình chuyển các cấu tử cần tách vào dung dịch bằng cách cho nguyênliệu tương tác chọn lọc với các hóa chất trong dung dịch nước
+ Chuẩn bị dung dịch để thu hồi cấu tử có ích Lọc dung dịch khỏicác tạp chất bằng các phương pháp khác nhau (lắng, lọc các hợp chất ít hòatan), khử các tạp chất bằng cách hấp thụ (trao đổi ion, chiết ly), làm đặc
Trang 16dung dịch (theo hàm lượng cấu tử cần thu hồi) bằng phương pháp cô, traođổi ion hoặc chiết ly sử dụng các dung môi hữu cơ.
+ Thu hồi cấu tử dưới dạng kim loại hoặc hợp chất kim loại Là quátrình tách cần thu hồi ra khỏi dung dịch bằng các phương pháp khác nhaunhư kết tinh, kết tủa hợp chất ít hòa tan, hoàn nguyên bằng pha khí, xi mănghóa, điện phân
Quá trình thủy luyện đảm bảo thu hồi kim loại từ quặng nghèo và khótuyển, tiêu hao ít hóa chất, thiết bị đơn giản, điều kiện quá trình diễn ra trongnhiệt độ thấp
Có thể xử lý tổng hợp quặng để thu hồi các nguyên tố có giá trị với hiệu suấtthu hồi cao Ví dụ có thể thu hồi indi, tali khi sản xuất kẽm; thu hồi gali khisản xuất alumin; thu hồi molipden khi sản xuất vonfram
Hiệu quả kinh tế khá cao, nhất là khi áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật.Điều kiện lao động tương đối tốt
Đầu tư khá lớn, quy trình phức tạp và đòi hỏi quá trình quản lý phức tạp.Phương pháp này thích hợp với các loại quặng nghèo, khó tuyển và đa kim
II.4.2 Ứng dụng của quá trình thủy luyện
II.4.2.1 Thủy luyện đồng
Thủy luyện đồng là phương pháp luyện kim dựa trên các nguyên lý vềhòa tách, kết tủa hóa học và điện hóa nhằm xử lý quặng đồng, thu hồi đồngkim loại Nó được dùng đối với các dạng quặng đồng sau đây: quặng đồngoxit nghèo chứa ít vàng bạc; quặng đồng tự nhiên và nước mỏ ở vùngkhoáng sản đồng
Hiện nay thủy luyện đồng mới chiếm khoảng 10 - 15% lượng đồngđược sản xuất ra hằng năm Tuy nhiên, cùng với yêu cầu xử lý ngày càngnhiều quặng đồng oxit nghèo, sự dồi dào của các sản phẩm hóa học và yêucầu bảo vệ môi trường, phương pháp thủy luyện đồng sẽ ngày càng hoànthiện và phát triển
Những ưu điểm của công nghệ thủy luyện đồng hiện đại là khắc phục được