Đề tài cuộc thi nghiên cứu khoa học khảo sát thành phần kim loại và định hướng thu hồi kim loại đồng trên bản mạch máy tính

Kim loại đồng được thu hồi từ bản mạch máy tính PCB bằng phương pháp điện phân dung dịch, với điện cực âm là đồng nguyên chất và điện cực dương là thép mạ platin, kết quả thu được đồng t

ĐỀ TÀI CUỘC THI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC ThS NGUYỄN HỮU TRỨ

AN GIANG, 2017

i

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, quý thầy cô bộ môn Trường

trung học phổ thông Lương Thế Vinh đã truyền đạt những kiến thức và tạo mọi

điều kiện để nhóm nghiên cứu có thể hoàn thành tốt dự án này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Trần Quốc Tuyến và thầy cô tổ

Hóa - Sinh, những người đã luôn cận kề cho lời góp ý động viên và chỉ dẫn tận tình

Tiếp theo, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Hữu Trứ, đã tận tình

giúp đỡ và hướng dẫn nhóm trong suốt thời gian thực hiện dự án; Thầy Lê Minh

Triều Phòng thiết bị thí nghiệm Hóa Học đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để chúng

tôi hoàn thành dự án

Xin cảm ơn các bạn lớp 11A4, 10A3 đã giúp đỡ, động viên mình thực hiện

đề tài được tốt nhất Chúc các bạn luôn học tốt

Cuối cùng gửi lời cảm ơn đến gia đình, là nguồn động viên chính luôn ủng

hộ tinh thần và tạo điều kiện vật chất để chúng tôi hoàn thành tốt dự án này

Trân trọng

An Phú, Ngày 29 tháng 11 năm 2017

Học sinh 1: Huỳnh Văn Phi Học sinh 2: Trần Nguyễn Thúy Vi

dùng máy nghiền đập xoay nhuyễn thành bột có kích thước hạt khoảng vài trăm

lọc lấy dung dịch phân tích hàm lượng ion đồng có trong dung dịch Tiến hành điện phân dung dịch thu hồi đồng với các dòng điện lần lượt 350mA, 500mA, 800mA, 1000mA

Kim loại đồng được thu hồi từ bản mạch máy tính (PCB) bằng phương pháp điện phân dung dịch, với điện cực âm là đồng nguyên chất và điện cực dương là thép mạ platin, kết quả thu được đồng tinh khiết bám trên điện cực âm Ở nhiệt độ phòng, kim loại đồng được thu hồi đạt hiệu suất khoảng 91% với dòng điện áp vào quá trình điện phân là 1000mA

Ngoài ra, kim loại thiếc và chì được định hướng thu hồi tạo hợp kim hàn chì, làm giảm thiểu sự ảnh hưởng của ion kim loại nặng đến môi trường nước

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BIỂU BẢNG vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 1

1.4 Tổng quan về chất thải điện tử 2

1.4.1 Phân loại chất thải điện tử 2

1.4.2 Đặc điểm và cấu tạo của chất thải điện tử 2

1.5 Các phương pháp phân tích 4

1.5.1 Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) [2] 4

1.5.2 Phương pháp quang phổ cảm ứng cao tần Plasma (ICP) 4

1.5.3 Phương pháp quét thế đường cong tuyến tính (LSV) 5

1.6 Phương pháp thu hồi kim loại [4] 6

1.6.1 Xử lý cơ học [5] 6

1.6.2 Phương pháp nhiệt luyện 6

1.6.3 Phương pháp điện phân [6] 7

1.7 Định hướng phát triển của đề tài 7

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 9

2.1 Hóa chất và dụng cụ 9

2.1.1 Hóa Chất 9

2.1.2 Dụng cụ, thiết bị 9

2.2 Quy trình xử lý bản mạch máy tính 10

2.3 Quy trình điện phân 12

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 14

3.1 Thành phần khối lượng của bản mạch máy tính 14

3.2 Kết quả phân tích bằng phương pháp thử quang phổ cảm ứng cao tần (ICP) 15 3.3 Kết quả thu hồi đồng bằng phương pháp điện phân 16

3.3.1 Kim loại đồng được thu hồi trên điện cực 16

3.3.2 Hiệu suất quá trình thu hồi đồng bằng phương pháp điện phân 19

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

PHỤ LỤC 23

v

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Cấu tạo bản mạch điện tử 3

Hình 1-2 Lá đồng mỏng trên bản mạch máy tính 3

Hình 1-3 Bản mạch máy tính 3

Hình 1-4 Nguyên lý làm việc máy huỳnh quang tia X 4

Hình 1-5 Sơ đồ hệ thống ICP-OES [3] 5

Hình 1-6 Các phương pháp xử lý chất thải điện tử 6

Hình 1-7 Sơ đồ điện phân dung dịch 7

Hình 2- 1 Quy trình xử lý bản mạch máy tính 10

Hình 2-2 Máy nghiền đập (Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh) 11

Hình 2-3 Sơ đồ hòa tách bột bản mạch máy tính 11

Hình 2-4 Hệ điện cực điện phân dung dịch 12

Hình 2-5 Hệ điện cực sau khi điện phân thu hồi kim loại 13

Hình 3-1 Bản mạch máy tính trước và sau xử lý 14

Hình 3-2 Kết quả phân tích bằng phương pháp ICP-OES 15

Hình 3-3 Điện cực đồng nguyên chất 17

Hình 3-4 Sơ đồ điện phân thu hồi đồng ở các dòng điện (1) 350mA, (2) 500mA, (3) 800mA, (4) 1000mA 17

Hình 3-5 Điện cực sau khi điện phân thu hồi đồng kim loại 18

Hình 3-6 Cân điện cực sau khi điện phân thu hồi kim loại 18

Hình 3-7 Hiệu suất thu hồi đồng ở cường độ dòng điện khác nhau 20

Bảng 3-2 Thành phần kim loại trên điện cực sau điện phân 16 Bảng 3-3 Điện phân dung dịch mẫu với cường độ dòng điện khac nhau.

vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ICP Phương pháp cảm ứng cao tần ghép nối khối phổ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay trên thế giới, sự phát triển của khoa học kỹ thuật được thống kê từng giờ, từng ngày Bên cạnh đó, các thiết bị công nghệ thông tin hiện đại được ra đời thay thế cho các thiết bị cũ Nhu cầu sử dụng những thiết bị công nghệ thông tin cá nhân được thay thế bằng những chiếc smartphone, laptop, máy tính bản mới, tivi hiện đại và những thiết bị khác Tuy nhiên, rác thải từ các thiết bị cũ hoặc bị lỗi cũng tăng lên một cách nhanh chóng gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Trong đó, bản mạch máy tính được tạo bởi các vật liệu như nhựa, sợi, gốm…

và các kim loại như Đồng, Vàng, Niken, Thiếc [1] Ngoài ra, nhiều kim loại có trong bo mạch máy tính, như Chì và Cadimi ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Do đó, thu hồi kim loại từ bo mạch máy tính là một vấn đề quan trọng, không chỉ làm giảm sự ô nhiễm môi trường mà còn thu được giá trị kinh tế từ việc thu hồi kim loại Thu hồi đồng tinh khiết từ bản mạch máy tính có giá trị kinh tế nhất, đáng kể trên thị trường

Trước đây, việc xử lý rác thải điện tử được xem là vấn đề cấp bách và cần thiết, với các phương pháp sàng lọc phân loại linh kiện điện tử và phần còn lại được chôn lấp Vì vậy, đề tài này mở rộng nghiên cứu với phương pháp điện phân dung dịch thu hồi đồng tinh khiết, vừa mang lại lợi nhuận kinh tế vừa làm giảm thiểu sự

ô nhiễm môi trường

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát thành phần kim loại có trên bản mạch máy tính, từ đó nghiên cứu phương pháp phù hợp thu hồi đồng tinh khiết, nhằm tăng giá trị kinh tế đồng thời đáp ứng yêu cầu giảm thiểu sự ảnh hưởng đến môi trường từ rác thải điện tử

Đề tài được thực hiện với hy vọng kiểm chứng kết quả thực nghiệm với lý thuyết và là cơ sở hướng đến quy trình sản xuất kim loại đồng trong công nghiệp sản xuất

1.3 Nội dung nghiên cứu

Bản mạch máy tính được tháo hết các linh kiện và cắt thành mảnh nhỏ khoảng 2cm2, sau đó đem nghiền đập bằng máy thành dạng bột (hạt khoảng vài trăm micromet)

HDKH: ThS Nguyễn Hữu Trứ HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi (2) Trần Nguyễn Thúy Vi

Trang 2

phân tích hàm lượng ion kim loại bằng phương pháp cảm ứng cao tần (ICP), điện phân dung dịch thu hồi kim loại đồng với cực âm là đồng và điện cực dương là thép mạ platin

1.4 Tổng quan về chất thải điện tử

1.4.1 Phân loại chất thải điện tử

Một phương pháp phân loại được chấp nhận rộng rãi trên thế giới của Liên minh Châu Âu (EU), chất thải điện tử được chia làm 10 nhóm bao gồm:

 Các thiết bị sử dụng trong gia đình có kích thước lớn (lò nướng, tủ lạnh)

 Các thiết bị sử dụng trong gia đình có kích thước nhỏ (máy nướng bánh, máy hút bụi)

 Các thiết bị văn phòng, phương tiện thông tin liên lạc (máy vi tính, máy in, điện thoại, máy fax)

 Các trò chơi giải trí điện tử (TV, đầu đĩa)

 Các thiết bị chiếu sáng (chủ yếu là các loại đèn)

 Các thiết bị điện (máy khoan, máy cắt cỏ)

 Các thiết bị thể thao và giải trí (trò chơi điện tử, máy tập thể dục)

1.4.2 Đặc điểm và cấu tạo của chất thải điện tử

Chất thải điện tử ở dạng rắn không đồng nhất và có thành phần phức tạp về vật chất Chất thải điện và điện tử chứa hơn 1000 chất khác nhau, trong đó có nhiều kim loại nặng, chất phóng xạ cũng như các chất độc thứ cấp

Theo Trung tâm Quản lý chất thải và Nguồn tài nguyên Châu Âu, sắt và thép

là các nguyên liệu phổ biến nhất trong các thiết bị điện và điện tử và chiếm hơn 50% tổng lượng chất thải điện và điện tử Nhựa là thành phần nhiều thứ hai chiếm xấp

xỉ 21% ; kim loại khác bao gồm cả kim loại quý hiếm (Al, Zn, Cu, Pb, Sn, Cr, Au,

Ag, Pt, Pd …) chiếm xấp xỉ 13% tổng trọng lượng chất thải điện và điện tử

Một bản mạch máy tính được sử dụng để hỗ trợ kết nối điện tử và linh kiện điện tử bằng cách sử dụng đường dẫn, hoặc dấu vết, khắc từ tấm đồng tráng lên

một chất nền cách điện Bản mạch máy tính chứa các linh kiện điện tử, đế cắm, khe cắm với bo mạch mở rộng khác

Bản mạch bao gồm một tấm bản thành phần chủ yếu là nhựa cứng trên đó được phủ lớp đồng mỏng và gắn các linh kiện khác Phần bản mạch bao gồm các tấm đồng được dát mỏng (loại 142g đồng/30.5 cm2) và các tấm sợi thủy tinh với lớp phủ bên ngoài bằng hợp kim hàn (40% chì, 60% thiếc) độ dày khoảng 0.01 mm

để chống axit và dễ hàn

Hình 1-1 Cấu tạo bản mạch điện tử

Bản mạch cấu tạo bởi nhiều lớp, một lớp nhựa tổng hợp được đặt giữa tạo thành lõi, chất dính làm tăng độ bám dính của hai lớp đồng

Hình 1-2 Lá đồng mỏng trên bản mạch máy tính

Thành phần linh kiện được gắn vào bản mạch và tạo mối dẫn truyền bởi các hợp kim hàn (40% chì, 60% thiếc) màu sáng bạc như hình 1-3

Hình 1-3 Bản mạch máy tính

HDKH: ThS Nguyễn Hữu Trứ HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi (2) Trần Nguyễn Thúy Vi

Trang 4

1.5 Các phương pháp phân tích

1.5.1 Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) [2]

Phương pháp XRF là kỹ thuật quang phổ được sử dụng chủ yếu với các mẫu rắn, trong đó sự phát xạ tia X thứ cấp được sinh ra bởi sự kích thích các điện tử của mẫu bằng nguồn phát tia X, dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra mà phân tích được thành phần hóa học của vật rắn, thông thường có thể định danh các nguyên tố

từ Natri đến Urani

Hình 1-4 Nguyên lý làm việc máy huỳnh quang tia X

Nguyên lý: khi bắn tia X mang năng lượng lớn vào mẫu so với năng lượng liên kết các lớp electron cấu tạo nên nguyên tử, xảy ra hiện tượng electron các lớp electron bao quanh nhân (lớp K, M ) bị bắn ra Do bị trống nên các photon lớp kế tiếp nhẩy trở lại để lấp các lỗ trống mà photon bị đẩy ra ngoài Sự chuyển dịch các photon mang năng lượng này sẽ phát ra năng lượng – phát sáng gọi là hiện tượng Huỳnh quang Mỗi nguyên tố phát xạ sẽ có một phổ khác nhau, và cường độ màu

sẽ đặc trưng cho hàm lượng các nguyên tố trong mẫu, từ đó sẽ định tính và định lượng được các nguyên tố có trong mẫu phân tích

Phương pháp XRF có độ chính xác cao, có khả năng phân tích đồng thời nhiều nguyên tố, mẫu phân tích không bị phá hủy

1.5.2 Phương pháp quang phổ cảm ứng cao tần Plasma (ICP)

Hệ thống gồm nguồn ICP (nguồn cảm ứng cao tần) nhiệt độ cao, hệ quang học, hệ đầu dò, hệ thống điều khiển khí sử dụng cho Plasma, hệ thống an toàn và bơm nhu động

Toàn bộ hệ thống thiết bị được điều khiển hoàn toàn bằng máy vi tính, bao

gồm cả tốc độ dòng khí, lưu lượng dòng khí và các thiết bị phụ trợ thông qua phần mềm Winlab32 hoặc tương đương

Hình 1-5 Sơ đồ hệ thống ICP-OES [3]

Phương pháp này nhằm xác định các nguyên tố kim loại có trong mẫu với độ nhạy:

- < 0,1 ppb : Li, ,Be, Mg, Ca, Sc, Fe, Sr, Cd, Ba

- 0,1 – 1 ppb : Na, Al, K, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, Ru,

Ag, In, La, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, Au, Pr, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm

- 1 – 10 ppb : B, C, Si, P, S, Ga, As, Se, Rb, Sn, Sb, Te, Cs, Os, Tl, Pb, Bi, Ce,

Nd, Th, U

- > 10 ppb : Cl, Br, I

1.5.3 Phương pháp quét thế đường cong tuyến tính (LSV)

Phương pháp quét thế đường cong tuyến tính LSV (Linear Sweep Voltammetry) là một dạng phương pháp quét thế đơn giản Trong phương pháp này, thông qua sự thay đổi thế áp vào người ta thu được các dòng tương ứng theo thời gian

Hệ điện cực thường sử dụng trong phương pháp LSV gồm 3 loại: điện cực

làm việc (WE-Working electrode), điện cực so sánh (RE- Reference Electrode) và

điện cực đối (CE-Counter electrod) Trong đó, điện cực làm việc là nơi quá trình oxi hóa khử diễn ra, điện cực so sánh được dùng để điều chỉnh các giá trị điện thế

áp vào và điện cực đối thường được cấu tạo từ vật liệu trơ Phương pháp này dùng

để xác định thế oxi hóa hoặc khử thông qua đồ thị LSV

HDKH: ThS Nguyễn Hữu Trứ HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi (2) Trần Nguyễn Thúy Vi

Trang 6

1.6 Phương pháp thu hồi kim loại [4]

Hình 1-6 Các phương pháp xử lý chất thải điện tử 1.6.1 Xử lý cơ học [5]

Giai đoạn đầu của quá trình xử lý rác thải điện tử, dùng các biện pháp cơ học

để phân loại, nghiền, tách các thành phần thô có trong rác thải:

- Máy cắt, máy nghiền đập: làm giảm kích thước bản mạch, tăng diện tích tiếp xúc thuận lợi cho quá trình hòa tách ở giai đoạn tiếp theo

- Rây, lưới lọc: sàng lọc mẫu sau khi nghiền

- Tuyển nổi, tuyển trọng lực: dựa trên tỉ khối các thành phần có trên bản mạch

để phân loại

Tùy vào đặc điểm kim loại cần thu hồi và điều kiện phòng thí nghiệm, có thể dùng các phương pháp thu hồi kim loại thích hợp và thân thiện với môi trường

1.6.2 Phương pháp nhiệt luyện

Phương pháp nhiệt luyện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp để điều chế những kim loại có độ hoạt động hóa học trung bình như Zn, Cr, Fe, Sn, Pb,…

Cơ sở của phương pháp này là khử những ion kim loại trong các hợp chất dạng oxit kim loại ở nhiệt độ cao bằng chất khử mạnh như: C, CO, H2 hoặc Al, kim loại kiềm hoặc kiềm thổ

Nhiệt luyện được xem là phương pháp truyền thống thu hồi kim loại màu cũng như các kim loại quí hiếm có trong rác thải điện tử trong hai thập kỷ qua Phương pháp này bao gồm các giai đoạn nghiền cơ học (cho rác vào các máy cơ, nghiền thành các mảnh vụn nhỏ), sau đó đem đốt trong lò nung hoặc trong bồn nấu chảy kim loại để loại bỏ nhựa, những oxit khó nóng chảy sẽ kết thành dạng xỉ, sau

đó đem khử oxit của kim loại cần thu hồi bằng C, H2, CO, Al…

1.6.3 Phương pháp điện phân [6]

Phương pháp điện phân được dùng để điều chế hầu hết các kim loại, từ những kim loại có độ hoạt động hóa học cao đến trung bình và thấp Cơ sở của phương pháp này là dùng dòng điện một chiều để khử các ion kim loại Tác nhân khử là

cực âm có tính khử mạnh hơn các tác nhân khử hóa học

Phương pháp điện phân thường dùng để:

 Điều chế kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Al…bằng cách điện phân

những hợp chất (muối, bazơ, oxit) nóng chảy của chúng

 Điều chế kim loại có tính khử trung bình và yếu như Zn, Cu, bằng cách điện phân dung dịch muối của chúng

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp điện phân có tính chọn lọc và độ tinh khiết kim loại thu hồi cao

Hình 1-7 Sơ đồ điện phân dung dịch 1.7 Định hướng phát triển của đề tài

Tại Việt Nam hiện nay, chất thải điện tử đã được liệt vào danh sách những chất thải nguy hại nhưng chưa được phân loại tách riêng khỏi các loại chất thải rắn khác, công ty Môi trường đô thị chưa quản lý được nguồn phát sinh loại chất thải

HDKH: ThS Nguyễn Hữu Trứ HSTH: (1) Huỳnh Văn Phi (2) Trần Nguyễn Thúy Vi

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất và dụng cụ

- Máy nghiền đập, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

- Cân điện tử, Max 100g

- Cân Nhơn Hòa 2kg

- Máy kiểm nghiệm ion kim loại ICP, Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng Cần Thơ (Catech)