Sáng kiến kinh nghiệm Khảo sát thành phần kim loại và định hướng thu hồi kim loại đồng trên bản mạch máy tính

TRƯỜNG THPT LƯƠNG THẾ VINH
HUỲNH VĂN PHI TRẦN NGUYỄN THÚY VI
KHẢO SÁT THÀNH PHẦN KIM LOẠI VÀ ĐỊNH HƯỚNG THU HỒI KIM LOẠI ĐỒNG TRÊN BẢN MẠCH MÁY TÍNH
Lĩnh vực HÓA HỌC
ĐỀ TÀI CUỘC THI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC ThS. NGUYỄN HỮU TRỨ
AN GIANG, 2017
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.
Bản mạch máy tính được tháo gỡ các linh kiện, cắt nhỏ thành mảnh 2cm2, dùng máy nghiền đập xoay nhuyễn thành bột có kích thước hạt khoảng vài trăm micromet. Bột bản mạch máy tính được hòa tan trong HNO3 7M trong 24h, sau đó 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.
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
Lý do chọn đề tài	1
Mục tiêu nghiên cứu	1
Nội dung nghiên cứu	1
Tổng quan về chất thải điện tử	2
Phân loại chất thải điện tử	2
Đặc điểm và cấu tạo của chất thải điện tử	2
Các phương pháp phân tích	4
Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) [2]	4
Phương pháp quang phổ cảm ứng cao tần Plasma (ICP)	4
Phương pháp quét thế đường cong tuyến tính (LSV)	5
Phương pháp thu hồi kim loại [4]	6
Xử lý cơ học [5]	6
Phương pháp nhiệt luyện	6
Phương pháp điện phân [6]	7
Định hướng phát triển của đề tài	7
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM	9
Hóa chất và dụng cụ	9
Hóa Chất	9
Dụng cụ, thiết bị	9
Quy trình xử lý bản mạch máy tính	10
Quy trình xử lý cơ học và hòa tách bản mạch máy tính	11
Khảo sát thành phần kim loại bằng phương pháp ICP	11
Quy trình điện phân	12
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN	14
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
Kết quả thu hồi đồng bằng phương pháp điện phân	16
Kim loại đồng được thu hồi trên điện cực	16
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
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
DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 3-1. Khối lượng bản mạch máy tính	14
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.
.	18
Bảng 3-4. Hiệu suất quá trình điện phân với cường độ dòng điện khác nhau	19
Bảng 3-5. Chế độ làm việc của dung dịch điện phân mạ đồng (thu hồi kim loại đồng) [8]	20
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PCB	Bản mạch máy tính
XRF	Phương pháp phổ huỳnh quang tia X LSV	Quét thế đường cong tuyến tính
ICP	Phương pháp cảm ứng cao tần ghép nối khối phổ EU	Liên minh Châu Âu
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
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.
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.
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).
Mẫu bột bản mạch hòa tan vào HNO3 7M, sau đó đem dung dịch thu được 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.
Tổng quan về chất thải điện tử
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).
Các máy móc thiết bị y tế.
Các thiết bị kiểm soát, theo dõi an ninh.
Các hệ thống máy tự động
Bản mạch điện tử là một chi tiết quan trọng và không thể thiếu trong hầu hết thiết bị điện, điện tử; kim loại chiếm đến 30% về khối lượng (vàng, bạc, đồng, thiếc, chì). Trong đó, chì là chất rất độc, đồng và thiếc cũng có thể đe dọa tới sức khỏe con người nếu nồng độ đủ lớn.
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
Các phương