Tái sinh kẽm từ bụi lò điện hồ quang luyện thép phế liệu bằng hòa tách với axit sunfuric

Kết quả của quá trình nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn, làm cơ sở cho việc định hướng xử lý hiệu quả nguồn phế liệu này.

Recovery of zinc from electric – Are furnace dust by leaching with aqueous sulphuric acid

Th.S Đỗ Hồng Nga
Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ – luyện kim

Tóm tắt

    Bài báo đưa ra quy trình công nghệ thu hồi kẽm từ bụi lò hồ quang luyện thép phế liệu. Sản phẩm tạo ra là kẽm ôxit đạt hàm lượng ZnO từ 95 – 97% đáp ứng tiêu chuẩn cho một số lĩnh vực như: sơn, cao su, gốm sứ… Kết quả của quá trình nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn, làm cơ sở cho việc định hướng xử lý hiệu quả nguồn phế liệu này.

Abstract

    The paper introduces a technical process for recovery of zinc from EFD. The 95-97% recovery zinc oxide meets technical standards for painting, ceramic, rubber production. Results of the study provide a basic for determination of the waste treatment in pratice.

1. Mở đầu

    Có khá nhiều công trình nghiên cứu tái sinh kẽm từ phế liệu [1,2,3]. Bụi lò điện hồ quang là một nguồn phế liệu chứa khá nhiều kẽm và các kim loại có ích khác [4]. Việc thu hồi kẽm từ bụi lò điện hồ quang luyện thép phế liệu đã được nghiên cứu và thực nghiệm bằng phương pháp thủy luyện với tác nhân hòa tách là dung dịch kiềm [5]. Tuy nhiên, phổ biến hơn cả là hòa tách bằng axit [6,7,8,9] và đặc biệt là ở điều kiện hòa tách cao áp [10]. Hiện nay, bụi lò điện hồ quang của các nhà máy sản xuất thép tại Việt Nam chưa có biện pháp xử lý tập trung và hiệu quả. Chúng được thu gom lại với khối lượng lớn, bán cho thị trường Trung Quốc. Điều này gây lãng phí nguồn tài nguyên trong nước [4].

2. Thực nghiệm

2.1. Đối tượng nghiên cứu

    Mẫu nghiên cứu là 200 kg bụi lò hồ quang luyện thép phế liệu của Công ty Cổ phần Thép Hòa Phát. Đây là đơn vị có 02 lò điện hồ quang luyện thép với dung tích mỗi lò là 20 tấn/mẻ. Nếu sử dụng hết công suất thiết kế lò thì sản lượng thép mỗi năm là 200.000 tấn/năm và lượng bụi tương ứng thải ra khoảng 2.800 – 4.000 tấn bụi lò hồ quang/năm [4].

2.2. Thiết bị nghiên cứu

– Tủ sấy mẫu 0
– 300°C (Trung Quốc)
– Hệ thống thiết bị hòa tách nhiệt độ 0-100°C
– Lò nung nhiệt độ t 0 max 1200°C (Anh)
– pH mét Hanna (Italia)

2.3. Thành phần vật chất mẫu nghiên cứu

2.3.1. Thành phần hóa học

    Kết quả phân tích thành phần hóa học được trình bày trong bảng 1.

Bảng 1. Thành phần hóa học của bụi lò điện hồ quang Hòa Phát, %

Zn	Fe	Pb	Cu	Ca	Mg
24,4	26,8	2,9	0,15	4,35	2,5

2.3.2. Thành phần khoáng vật

    Đã sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen để xác định dạng tồn tại của các hợp chất có trong bụi lò điện hồ quang Hòa Phát. Kết quả thành phần khoáng vật được trình bày trên bảng 2.

Thành phần khoáng vật	Hàm lượng, %
Zincite – ZnO	34-36
Franklinite – Zn0.945Fe1.78O4	27-29
Ôxyt chì – PbO	5-7
Quartz – SiO2	4-6
FeSi	6-8

 Bảng 2. Thành phần khoáng vật của bụi lò điện hồ quang Hòa Phát

    Nhận xét chung về bụi lò điện hồ quang Hòa Phát Từ kết quả phân tích thành phần hóa học và khoáng vật cho thấy rằng, trong số các nguyên tố có ích có mặt trong mẫu nghiên cứu, chiếm hàm lượng lớn nhất là kẽm. Tuy nhiên, kẽm nằm ở dạng hợp chất với sắt (kẽm ferrit) cũng khá lớn. Vì vậy, để thu hồi kẽm từ hợp chất này một cách triệt để cần phải có biện pháp nhằm khống chế sắt không tan nhiều vào trong dung dịch chứa kẽm. Hàm lượng chì có mặt trong mẫu không cao nhưng cần thu hồi vì liên quan đến vấn đề môi trường. Canxi và magiê không gây khó khăn cho khâu hòa tách nhưng gây tổn thất axit sunfuric. Từ những nhận định trên đây, việc nghiên cứu xử lý bụi lò điện hồ quang dự kiến thu hồi kẽm (ZnO), chì (PbSO₄), đồng Cu, sắt (Fe³⁺).

3. Kết quả và thảo luận

    Về lý thuyết, có thể xử lý bụi lò hồ quang để thu hồi kẽm bằng hai phương pháp: Hỏa luyện và thủy luyện. Khi dùng phương pháp hỏa luyện, hiệu suất thu hồi kim loại có thể cao hơn nhưng sản phẩm thu được thô, giá trị thương mại thấp. Mặt khác, bụi lò hồ quang dạng bột, nếu xử lý trong lò quay chi phí năng lượng sẽ tăng lên do phải vê viên, thiêu kết. Hướng công nghệ thích hợp xử lý loại bụi này là dùng phương pháp thủy luyện. Đây cũng là phương pháp chủ đạo được các nhà máy sản xuất kẽm trên thế giới áp dụng vì tính hiệu quả kinh tế cũng như quy mô áp dụng.

3.1. Nghiên cứu quá trình hòa tách bằng dung dịch H₂SO₄

3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách

    Chế độ thí nghiệm như sau:

– Nhiệt độ ( ^oC): 50, 60, 70 và 80.
– Thời gian: 60 phút
– Nồng độ dung dịch: 10% H₂SO₄
– Tỷ lệ L/R: 6
– Tốc độ khuấy: 120 v/phút
– Khối lượng mẫu: 100 g

    Kết quả được trình bày trong bảng 3.

Nhiệt độ, oC	Thành phần bã hòa tách, g		Hiệu suất hòa tách, %
	Zn	Cu	Zn	Cu
50	2,99	0,076	87,75	49,17
60	2,67	0,052	89,04	65,22
70	2,41	0,045	90,12	70,00
80	2,38	0,045	90,23	70,19

Bảng 3. ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất hòa tách

    Từ kết quả nghiên cứu cho thấy: Khi tăng nhiệt độ, hiệu suất hòa tách kẽm và đồng tăng lên. ở nhiệt độ 70°C cho hiệu suất hòa tách kẽm đạt ~ 90% và đồng là 70%. Nhiệt độ tăng lên 80°C, hiệu suất tăng không đáng kể. Vì vậy, chọn nhiệt độ hòa tách thích hợp là 70°C.

3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách

    Chế độ thí nghiệm như sau:

– Thời gian (phút): 60, 90, 120 và 150.
– Nhiệt độ: 70°C
– Nồng độ dung dịch: 10% H₂SO₄
– Tỷ lệ L/R: 6
– Tốc độ khuấy: 120 v/phút
– Khối lượng mẫu: 100 g

    Kết quả được trình bày trong bảng 4.

Thời gian, phút	Thành phần bã hòa tách, g		Hiệu suất hòa tách, %
	Zn	Cu	Zn	Cu
60	2,41	0,045	90,12	70,00
90	1,28	0,009	94,75	94,00
120	0,94	0,004	96,15	97,33
150	0,90	0,004	96,31	97,33

 Bảng 4. ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hòa tách

    Từ kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, kéo dài thời gian, hiệu suất hòa tách tăng. Tuy nhiên, khi hòa tách ở thời gian 150 phút hiệu suất hòa tách kẽm là 96,31% tăng không đáng kể so với khi hòa tách ở 120 phút hiệu suất hòa tách kẽm là 96,15%. Hiệu suất hòa tách đồng không thay đổi. Vì vậy, chọn thời gian hòa tách phù hợp là 120 phút.

3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến hiệu suất hòa tách

    Chế độ thí nghiệm như sau:

– Nồng độ dung dịch (%): 6, 8, 10, 12.
– Nhiệt độ: 70°C
– Thời gian: 120 phút
– Tỷ lệ L/R: 6
– Tốc độ khuấy: 120 v/phút
– Khối lượng mẫu: 100 g

    Kết quả được trình bày trong bảng 5.

Nồng độ dung dịch, %	Thành phần bã hòa tách, g		Hiệu suất hòa tách, %
	Zn	Cu	Zn	Cu
6	4,07	0,096	83,32	36,00
8	2,40	0,024	90,16	84,00
10	0,94	0,004	96,15	97,33
12	0,92	0,003	96,23	98,00

Bảng 5. ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến hiệu suất hòa tách

    Kết quả nghiên cứu cho thấy: tăng nồng độ dung dịch hòa tách hiệu suất hòa tách kim loại tăng nhanh. Tuy nhiên, tăng nồng độ lên quá 10%, hiệu suất hòa tách tăng không đáng kể. Vì vậy, chọn nồng độ dung dịch hòa tách phù hợp là 10%.