Nghiên cứu quy trình công nghệ xử lý, thu hồi Cu từ bản mạch điện tử thải bỏ

Vai trò sinh h cọ ..................................................................................................17
MỞ ĐẦU
Sự gia tăng nhanh chóng của lượng chất thải từ các thiết bị điện, điện tử
trong vài năm gần đây đang được các nhà Khoa học cũng như kinh tế trên thế
giới quan tâm đặc biệt. Các thiết bị điện, điện tử là những vật dụng hữu ích phục
vụ cuộc sống con người, nhưng khi thải bỏ lại là chất thải nguy hại cần phải có
biện pháp xử lý đặc biệt. Ở Việt Nam, Bộ Tài nguyên môi trường đang được thủ
tướng giao soạn thảo quyết định về trách nhiệm của các nhà sản xuất, nhập khẩu,
phân phối và tiêu dùng phải thu gom, xử lý các thiết bị điện tử hỏng, hết hạn sử
dụng.
Bản mạch là một bộ phận thiết yếu trong thiết bị điện, điện tử có chứa
lượng lớn kim loại có giá trị. Theo ước tính chứa khoảng 10% đồng và nhiều kim
loại có giá trị khác. Điều đó cũng chỉ ra rằng, nếu thu hồi kim loại trong đó thì sẽ
tiết kiệm được tài nguyên và có giá trị kinh tế. Ước tính khoảng 50.000 tấn bản
mạch điện tử được sản xuất mỗi năm ở Anh và chỉ 15% được thu hồi, còn lại
85% được chôn lấp.
Đồng là kim loại chiếm tỉ lệ lớn nhất trong tổng số kim loại có trong bản
mạch và ứng dụng nhiều trong đời sống. Do vậy, việc thu hồi Cu trong bản mạch
thải bỏ không chỉ có ý nghĩa về mặt môi trường mà còn có giá trị kinh tế và bảo
vệ tài nguyên. Chính vì vậy, trong luận văn này chúng tôi đi sâu vào tìm hiểu và
bước đầu “Nghiên cứu qui trình công nghệ xử lý, thu hồi Cu từ bản mạch
điện tử thải bỏ”.
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về chất thải điện tử [1, 12]
1.1.1 Định nghĩa về chất thải điện tử (E-Waste)
Hiện nay vẫn chưa có một định nghĩa chính xác nào về chất thải điện tử do
tính đa dạng và phức tạp của các sản phầm điện tử. Mỗi quốc gia có định nghĩa
và giải thích riêng về chất thải điện tử. Theo OECD (tổ chức hợp tác và phát
triển kinh tế) thì tất cả các thiết bị sử dụng năng lượng điện để vận hành khi đã
hết khả năng sử dụng đều được coi là chất thải điện tử (E-Waste).
Một cách tổng quát: Chất thải điện tử (CTĐT) bao gồm toàn bộ các thiết
bị, dụng cụ, máy móc điện, điện tử cũ, hỏng, lỗi thời không được sử dụng nữa
cũng như các phế liệu, phế phẩm thải ra trong quá trình sản xuất, lắp ráp và tiêu
thụ.
1.1.2 Thành phần vật chất của chất thải điện tử
Chất thải điện tử là một loại chất thải rắn không đồng nhất và phức hợp về
vật chất và thành phần. Để phát triển hệ thống tái chế thân thiện môi trường và
có hiệu quả điều quan trọng là phân loại và nhận dạng vật liệu có giá trị, các chất
nguy hại tiếp theo là các đặc trưng vật lý của luồng chất thải điện tử. Chất thải
điện và điện tử chứa hơn 1000 chất khác nhau, trong đó có nhiều chất độc hại
như : chì, thuỷ ngân, asen, cadmium, selennium, chất chống cháy có khả năng
2
tạo ra dioxin khi cháy. Theo quan điểm tái chế có thể phân loại theo 2 nhóm:
1.1.2.1 Thành phần vật chất chung có giá trị
Theo Trung tâm Các vấn đề Quản lý Tài nguyên và Chất thải Châu Âu
(ETC/RWM), 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.
1.1.2.2 Các thành phần và các chất nguy hại
Chất thải điện và điện tử gồm rất nhiều thành phần có kích cỡ và hình
dạng khác nhau, trong đó có một số thành phần có chứa các chất nguy hại cần
được xử lý riêng.
Bảng 1. Các chất độc hại trong rác thải điện, điện tử
Chất độc hại Nguồn gốc
Tác hại đối với môi trường
và cơ thể sống
Polyclo
biphenyl
(PCB)
Tụ điện,
máy biến thế
Gây ung thư, ảnh hưởng đến
hệ thần kinh, hệ miễn dịch,
tuyến nội tiết
Tetrabrombi
sphenol-A
(TBBA)
Polybrombip
Chất chống cháy cho nhựa
(nhựa chịu nhiệt, cáp cách
điện)
TBBA được dùng rộng rãi
Gây tổn thương lâu dài đến
sức khỏe, gây ngộ độc sâu
khi cháy
3
henyl (PBB)
Diphenylete
(PBDE)
trong chất chống bắt lửa của
bản mạch máy in và phủ lên
các bộ phận khác
Polybrom
clo
flocacbon
Trong bộ phận làm lạnh, bột
cách điện
Khi cháy gây nhiễm độc
Polyvinyl
clorua
(PVC)
Cáp cách điện
Cháy ở nhiệt độ cao sinh ra
dioxin và furan
As
Lượng nhỏ ở dạng gali asenua,
bên trong các diod phát quang
Gây ngộ độc cấp tính và
mãn tính
Ba Chất thu khí màn hình CRT Gây nổ nếu ẩm ướt
Be Bộ chỉnh lưu, bộ phận phát tia Độc nếu nuốt phải
Cd
Pin Ni-Cd sạc lại, lớp huỳnh
quang (đèn hình CRT), mực
máy in và trống, máy
photocopy
( trống máy photo)
Độc cấp tính và mãn tính
4
Cr(VI) Băng và đĩa ghi dữ liệu
Độc cấp tính và mãn tính,
gây dị ứng
Galli asenua Diod phát quang Tổn thương đến sức khỏe
Pb
Màn hình CRT, pin, bản mạch
máy in
Gây độc với hệ thần kinh,
thận, mất trí nhớ đặc biệt
với trẻ em
Li Pin liti Gây nổ nếu ẩm
Hg
Trong đèn hình màn hình LCD,
pin kiềm và công tắc
Gây ngộ độc cấp tính và
mãn tính
Ni
Pin Ni-Cd sạc lại hoặc trong
màn hình CRT
Gây dị ứng
Các nguyên
tố đất hiếm (
Y, Eu)
Lớp huỳnh quang màn hình
CRT
Gây độc với da và mắt
Se (trong máy phô tô cũ)
Lượng lớn sẽ gây hại cho
sức khỏe
Kẽm sunfua
Các bộ phận bên trong màn
hình CRT, trộn với nguyên tố
đất hiếm
độc nếu nuốt phải
Các chất độc
hữu cơ
Thiết bị hội tụ ánh sáng, màn
hình tinh thể lỏng LCD
5
Hình 1: Hình ảnh bản mạch điện tử thải
bỏ
Bụi màu
Hộp màu máy in laser, máy
photocopy
Gây độc đến hệ hô hấp
Chất phóng
xạ
Thiết bị y tế, detector Gây ung thư
1.2 Giới thiệu về bản mạch điện tử [1, 16, 17]


6
Bản mạch ra đời cùng với các thiết bị điện và điện tử và chúng đóng vai
trò quan trọng trong các thiết bị này. Bản mạch điện tử được sử dụng chủ yếu để
kết nối giữa những thành phần như những mạch điện, những điện trở và đầu nối.
1.2.1 Cấu tạo của bản mạch điện tử
Bản mạch điện tử trong tiếng anh là motherboard hay main board, logic
board, systemboard gọi chung là printed circuit board (PCB). Một board mạch
in, hoặc PCB, máy móc được sử dụng để hỗ trợ kết nối điện tử và linh kiện điện
tử bằng cách sử dụng con đường dẫn, hoặc dấu vết, khắc từ tấm đồng tráng lên
một chất nền không dẫn điện. Bản mạch điện tử là bản mạch in có chứa các linh
kiện điện tử ngoài ra còn có đế cắm, khe cắm các bo mạch mở rộng khác. Bản
mạch bao gồm một tấm bản thành phần chủ yếu là nhựa cứng trên đó được phủ
đồng và gắn các thành phần khác.Có một vài chất cách điện khác nhau mà có thể
được chọn để cung cấp cho cách ly các giá trị khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu
của mạch. Những vật liệu cách điện được sử dụng trong công nghệ bản mạch
điện là FR-4 (lưới thuỷ tinh và nhựa epoxy), FR-5 (lưới thuỷ tinh và nhựa epoxy)

Phần bản mạch bao gồm các tấm đồng được dát mỏng (loại 142g
đồng/30.5 cm
2
) và các tấm sợi thủy tinh với lớp phủ bên ngoài bằng hợp kim hàn
(37% chì, 63% thiếc) độ dày khoảng 0.0005 inh để chống axit và dễ hàn. Hình
dưới cấu tạo cơ bản của một bản mạch:
7
Với bản mạch nhiều lớp (một bản mạch với 2 lớp đồng) một mảnh nhựa
tổng hợp được đặt giữa tạo thành lõi cách điện, có chất dính bổ xung sẽ dính chặt
2 lớp đồng bên trên và bên dưới vào. Hình dưới là hình ảnh các lớp nhựa:
Hình 3: Cấu tạo lớp lõi
Lá đồng là một tấm bản mỏng được đặt trên bề mặt nhựa và được bám
chắc vào bằng chất dính.
Hình 4: Lớp đồng
Để bảo vệ đồng chống lại các tác động của môi trường người ta phủ lên lá
đồng một lớp bọc đồng mỏng bằng thuỷ tinh có tác dụng bao bọc và bảo vệ lớp
đồng bên trong.
Hình 2: Cấu tạo cơ bản
của một bản mạch.
8
Hình 6: Hình ảnh các mối hàn và
tụ điện
Hình 5: Mô tả lớp vỏ bọc đồng
Để gắn các thành phần vào bản mạch và tạo
mối dẫn truyền thì người ta thường sử dụng các hợp
kim hàn. Trên hình 3 ta thấy trên bản mạch có vô số
các mối hàn được tạo bởi các hợp kim hàn gồm (40%
chì, 60% thiếc) màu sáng bạc. Hình bên chỉ ra vị trí
của các hợp kim này
Hình 7: Mô tả lớp hợp kim hàn trên bản mạch
Trên đây chỉ là hình ảnh cấu tạo của một bản mạch cơ bản, ngoài ra còn có
một số thành phần khác như màng che phủ mối hàn, các rãnh và các bờ gồ ghề
trên bản mạch để gắn các thiết bị.
1.2.2 Thành phần chủ yếu của bản mạch
9
Trong bản mạch có thể chia ra làm 2 thành phần chính sau: thành phần
nhựa và thành phần kim loại.
Thành phần nhựa cấu tạo nên tấm bản chiếm sấp xỉ 70% khối lượng của
toàn mạch, được tạo ra từ hỗn hợp những hợp chất bao gồm chất độn, nhựa
cứng, chất chống cháy các chất màu, chất xúc tác … Thành phần cụ thể như sau:
Bảng 2: Thành phần chất cách điện
Chất độn
(thường là
SiO
2
)
Nhựa cứng Chất hoá
rắn
( đuôi NH
2
)
Chất chống
cháy
Chất xúc
tác
Hợp chất
màu
65-75% 20-30% 2-6% 1-10% 0,6-1,0% 0,5%
Trong bản mạch chứa khoảng gần 28% kim loại trong đó có những kim
loại không chưa sắt như Cu, Al, Sn… Độ thuần khiết của các kim loại này cao
hơn 10 lần thành phần của chúng trong các quặng khoáng vật thu được từ tự
nhiên. Các thành phần chủ yếu của bản mạch điện tử bao gồm các xấp xỉ như
sau:
Bảng 3: Thành phần kim loại
Thành phần kim loại Phần trăm khối lượng
Đồng 16
Hợp kim hàn ( thiếc và chì) 4
Thành phần sắt và các ferit ( từ lõi máy biến thế) 3
Niken 2
Bạc 0.05
Vàng 0.03
Platin 0.01
Các kim loại khác ở lượng vết bao gồm bismut… < 0.01
Lưu ý là thành phần các kim loại trên chỉ có tính chất tương đối do tính
chất phức tạp của nguồn gốc bản mạch ví dụ như từ máy tính, ti vi, điện thoại di
10
động hay các thiết bị khác hoặc của các hãng sản xuất ra sản phẩm khác nhau,
chúng thay đổi theo năm và có xu hướng ít đi do công nghệ sản xuất phát triển
giúp tiết kiệm nguyên liệu hay yêu cầu bảo vệ môi trường.
1.3 Tác động môi trường và sức khỏe của chất thải điện tử
Các thiết bị điện, điện tử chứa những chất khác nhau đòi hỏi sự xử lý tốt
trong suốt quá trình thu hồi và tái sinh vật liệu, để ngăn chặn những rủi ro cho
người công nhân, cộng đồng và môi trường.
1.3.1 Các chất nguy hại trong chất thải điện tử [13]
1.3.1.1 Đồng
Đồng được sử dụng phổ biến nhất trong các bản mạch điện tử. Đồng từ
mảnh vỡ điện tử chứa Be, bởi vì tính độc cho sức khỏe của Be nên phải được
giữa lại trong thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí. Nếu đồng trong mảnh vỡ
điện tử được xay nghiền ra để thu hồi vật liệu thì bụi phải được kiểm soát và
giữa lại. Quá trình xay nghiền có thể giải phóng Be chứa trong bụi.
Đồng là vi lượng cần thiết cho con người, không có mối lo ngại nào cho
sức khỏe và không có khả năng phân chia như tác nhân gây ung thư. Ở nồng độ
cao nó có thể gây viêm đường hô hấp và ruột. Ở nồng độ rất cao nó có thể làm
tổn thương gan và thận.
Giới hạn của đồng trong nước uống là 1,3ppm. Trong khói là 0,1mg/m
3

bụi là 1mg/m
3
trong khu vực làm việc 8h/ngày và 40h/tuần.
1.3.1.2 Chì
Chì thường được tìm thấy trong những linh kiện điện và điện tử, được sử
dụng với lượng rất nhỏ, dưới dạng hợp kim Pb-Sn, thành phần liên kết các linh
kiện điện tử. Hợp kim Pb-Sn được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện và điện
tử. Chì có thể được lấy lại từ chất thải hợp kim, nhưng tái sinh hợp kim Pb-Sn có
11
thể cực kì nguy hiểm bởi vì giải phóng dioxin, Be, As, isocyanat và chì cũng
giống vậy. Một lượng nhỏ những hợp chất chì được sử dụng trong một vài phần
nhựa, chì vẫn được sử dụng trong PVC bọc kim loại (2-5%) và ứng dụng này của
chì dần không được sử dụng nữa. Chì này không được tái sinh nhưng được giải
phóng nếu những dây kim loại bị đốt cháy.
Chì là một chất độc thần kinh tích lũy và có khả năng gây ung thư. Theo
US.EPA chì trong không khí không được quá 1,5µg/m
3
trung bình trong ba
tháng, trong nước uống không quá 15ppb.
1.3.1.3 Thiếc
Thiếc chiếm một lượng nhỏ trong hợp kim Pb-Sn được sử dụng trong sợi
vi mạch.
Thiếc vô cơ không đáng lo ngại cho sức khỏe và không có khả năng phân
chia như một tác nhân gây ung thư.
Thiếc giới hạn trong khu vực làm việc là 2mg/m
3
.
1.3.1.4 Berili
Be được sử dụng để thêm vào hợp kim Cu và Ni ( lớn nhất là 2%) làm lò
xo hoặc công tắc điện. Oxit Beri được sử dụng trong một vài thiết bị điện tử như
thiết bị hạ nhiệt. Một lượng nhỏ oxit có thể được tìm thấy trong sự tái sinh hàng
điện tử và được quay vòng hoặc giải phóng từ môi trường. Be chứa trong hợp
kim Cu-Be (98%Cu, ≤ 2% Be) được sử dụng ở những điểm hàn nối với sợi kim
loại bên ngoài và những thiết bị với lượng rất nhỏ. Be chứa trong hợp kim Cu-Be
với đặc tính đàn hồi có ích trong các thiết bị kết nối. Trong quá trình nấu chảy
kim loại, Be có thể được giải phóng từ khối lượng bị nấu chảy.
Hít phải bụi, khói chứa Be có thể gây rối loạn phổi mãn tính, be có thể trở
thành tác nhân gây ung thư ở người. US.EPA giới hạn lượng Be mà các khu
12
công nghiệp có thể thải vào khí quyển là 0,001µg/m
3
trung bình 30 ngày 1đợt.
giới hạn ở khu vực làm việc là 2µg/m
3
trong 8h/ngày.
1.3.1.5 Cadimi
Trong thành phần tấm bản mạch cadimi xuất hiện trong những thành phần
như là những điện trở lát mỏng, bộ phận dò hồng ngoại, chất bán dẫn, ngoài ra
còn được xử dụng như một chất ổn định trong chất dẻo làm bản mạch...Những
hỗn hợp Cadimi và Cadimi tích lũy trong cơ thể con ngừời, đặc biệt trong thận.
Cadimi xâm nhập vào cơ thể qua con đường hít thở hoặc ăn uống. Chu kì bán
phân hủy của Cadimi là 30 năm vì vậy Cadimi có thể dễ dàng tích lũy lại trong
cơ thể đến lượng mà gây ra những triệu chứng sự đầu độc.
1.3.1.6 Thuỷ ngân
Trong các tấm bản mạch có chứa một lượng thuỷ ngân ở bộ phận ngắt
mạch. Thuỷ ngân nhiễm vào cơ thể ở mức cao có thể tác động vào não, thận và
có thể chuyển vào tuyến sữa mẹ thông qua đó tác động đến trẻ em mới sinh. Nó
được lưu trữ trong chất béo của động vât.
1.3.1.7 Chất chống cháy trong phần nhựa (Brominated Flame Retardants)
Trong các sản phẩm điện, điện tử các hợp chất chống cháy được sử dụng
rất phổ biến. Chúng gồm nhiều loại khác nhau tùy vào loại sản phẩm và nhà sản
xuất. Một vài hợp chất chống cháy khi cho vào thì tác dụng ngăn chặn ngọn lửa
là do tính chất chống sự cháy của nó (nó như một bức tường ngăn lửa), một số
khác thì lại cho vào như một chất hỗ trợ làm tăng khả năng chống cháy của nhựa
(tạo ra các liên kết bền chặt hơn bên trong nhựa). Đa số các phụ gia này đều chứa
các loại chất độc, trong đó nổi lên là các chất chống cháy. Lấy ví dụ là các chất
chống cháy như PBDEs được cho là tác nhân phá hoại tuyến nội tiết, cản trở sự
13
phát triển bình thường của trẻ em và các động vật, PBBs được cho là chất làm
gia tăng nguy cơ ung thư máu và tiêu hóa. Đây chỉ là hai trong số rất nhiều các
hợp chất chống cháy được tìm thấy trong thành phần nhựa của các sản phẩm
điện, điện tử. Như vậy việc làm sao phân loại rồi đưa ra các biện pháp loại bỏ
hoặc hạn chế độ độc của các hợp chất chống cháy là rất cần thiết.
Một số chất chống cháy được tìm thấy trong các bản mạch như là:
2,4-Dibromophenol, 2,6-Dibromophenol, Triphenylphosphate,
o-Cresylphosphate, m-Cresylphosphate, Tetrabromobisphenol.
1.3.2 Suy giảm sức khỏe và khả năng lao động của con người [3]
Rất nhiều người dân trong vùng thu gom, tái chế và chôn lấp CTĐT, đặc
biệt là trẻ em và công nhân làm việc tại những cơ sở thu gom, tái chế và chôn lấp
CTĐT kém chất lượng đã mắc những bệnh liên quan đến đường hô hấp và bệnh
ngoài da, nhiều người khác bị ung thư.
Tại các bãi CTĐT, lao động chính là trẻ em và phụ nữ thu gom, phân loại
và đập vỡ các thiết bị, làm chảy các mối hàn chì để tháo rời các chip máy tính và
đem bán. Chì được nung nóng trên chảo và năng lượng nhiệ làm bay hơi các kim
loại độc như chì, cadimi, thủy ngân…giải phóng chúng vào không khí dưới dạng
hơi sương đọc hại. Việc sử dụng axit đậm đặc (nước cường thủy) để thu hồi vàng
trong các linh kiện điện tử là rất nguy hại. Việc đốt các dây dẫn để thu hồi đồng
thải vào không khí ượng lớn chất khí độc hại, ảnh hưởng đến sức khỏe con
người.
1.3.3 Suy thoái chất lượng môi trường [3]
Khối lượng lớn CTĐT sẽ gây hại đến môi trường theo 2 khía cạnh sau:
Một là vấn đề ô nhiễm môi trường do chính bản thân chúng gây ra khi bị
phân rã và biến đổi sau khi tương tác với các thành phần khác của môi trường.
14
Việc chôn lấp cũng như thiêu hủy CTĐT đều giải phóng ra môi trường nhiều hóa
chất độc hại. Nếu xử lý bằng phương pháp chôn lấp thì vừa tốn diện tích mặt
bằng vừa gây ô nhiễm đất, nước. Nếu xử lý bằng phương pháp thiêu hủy thì vừa
tốn nhiên liệu vừa gây ô nhiếm không khí.
Hai là vấn đề khai thác quá mức các nguồn tài nguyên nhằm sản xuất ra
các mặt hàng điện tử khác thế hệ mới thay thế cho những mặt hàng lỗi thời bị
thải bỏ. Đồng thời là việc cải tiến và thay thế máy móc thiết bị công nghệ sản
xuất các mặt hàng điện tử mới. Để làm ra một chiếc PC, con người thải ra môi
trường lượng lớn chất thải nặng gấp 10 lần. Mặt khác việc không tận dụng để tái
chế các phần có ích còn lại trong CTĐT đã gây lãng phí hàng triệu tấn vật chất
và đồng thời lại gây tốn kém năng lượng và một khối lượng vật chất khác phải
khai thác từ tự nhiên.
1.4 Thuộc tính và ứng dụng của đồng [2, 21]
1.4.1 Tính chất vật lý của đồng
Đồng có lẽ là kim loại được con người sử dụng sớm nhất do các đồ đồng
có niên đại khoảng năm 8700 trước công nguyên (TCN) đã được tìm thấy. Ngoài
việc tìm thấy đồng trong các loại quặng khác nhau, người ta còn tìm thấy đồng ở
dạng kim loại (đồng tự nhiên) ở một nơi.
Đồng là một kim loại có màu vàng ánh đỏ, có độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt
cao (trong số đa các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ có bạc có độ dẫn
điện cao hơn), tỷ khối 8920kg/m
3
, độ cứng 3.0.
 Trạng thái vật chất: rắn
 Điểm nóng chảy: 1357.6K (1984.3F)
 Điểm sôi: 2840K (4653F)
 Nhiệt bay hơi: 300.3kJ/mol
15
 Nhiệt nóng chảy: 13.06kJ/mol
 Áp suất hơi: 0.505Pa tại 1358K
1.4.2 Tính chất hóa học
Về mặt hóa học đồng là kim loại kém hoạt động hóa học. Ở nhiệt độ
thường và trong không khí, đồng bị bao phủ một màng màu đỏ gồm đồng kim
loại và đồng(I) oxit. Oxit này được tạo nên bởi phản ứng:
2Cu + O
2
+ 2H
2
O = 2Cu(OH)
2
Cu(OH)
2
+ Cu = Cu
2
O + H
2
O
Nhiệt độ thường đồng không tác dụng với flo bởi màng CuF
2
được tạo nên
rất bền sẽ bảo vệ đồng. Với clo đồng tác dụng khi đun nóng tạo nên muối CuCl
2
.
Đồng tác dụng với dung dịch HI và dung dịch HCN đậm đặc và giải
phóng ra H
2
:
2Cu + 2 HI = 2 CuI + H
2


2Cu + 4HCN = 2H{Cu(CN)
2
} + H
2


Đồng tan trong axit nitric và axit sunfuric đặc.
3Cu + 8HNO
3 (l)
= 3Cu(NO
3
)
2
+ 2 NO

+ 4H
2
O
Cu + 2H
2
SO
4 (đ)
= CuSO
4
+ SO
2



+ 2 H
2
O
Khi có mặt của oxi không khí, đồng có thể tan trong dung dịch HCl và
dung dịch NH
3
đặc.
2Cu + 2H
2
SO
4
+ O
2
= 2 CuSO
4
+ 2 H
2
O
2Cu + 8NH
3
+ O
2
+ 2H
2
O = 2{Cu(NH
3
)
4
}(OH)
2
Đồng có phản ứng hóa học với muối mà kim loại đứng sau Cu trong dãy
điện hóa như Fe
3+
, Pb…
Fe
2
(SO
4
)
3
+ Cu = CuSO
4
+ 2FeSO
4
1.4.3 Ứng dụng của đồng và hợp chất của nó
16
Đồng có thể tìm thấy như ở tự nhiên trong dạng khoáng chất. Các khoáng
chất chẳng hạn như cacbonat azurit (2CuCO
3
Cu(OH)
2
) và malachit
(CuCO
3
Cu(OH)
2
) là các nguồn nguyên liệu để sản xuất đồng, cùng với các
sulfua như chalcopyrit (CuFeS
2
), bornit (Cu
5
FeS
4
), covellit (CuS), chalcocit
(Cu
2
S) và các ôxít như cuprit (Cu
2
O)
Đồng là vật liệu dễ dát mỏng, dễ uốn, có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt
tốt, vì vậy nó được sử dụng một cách rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm:
• Dây điện, que hàn đồng, tay nắm và các đồ vật khác trong xây dựng nhà
cửa, đúc tượng: Ví dụ tượng Nữ thần Tự Do, chứa 81,3 tấn (179.200 pao) đồng
hợp kim.
• Cuộn từ của nam châm điện, động cơ, đặc biệt là các động cơ điện, động
cơ hơi nước của Watt, Rơ le điện, dây dẫn điện giữa các bảng mạch và các
chuyển mạch điện, Việc sử dụng đồng trong các mạch IC đã trở nên phổ biến
hơn để thay thế cho nhôm vì độ dẫn điện cao của nó.
• Các hợp chất, chẳng hạn như dung dịch Fehling, có ứng dụng trong phân
tích hóa học.
• Đồng (II) Sulfat được sử dụng như là thuốc bảo vệ thực vật và chất làm
sạch nước.
Vai trò sinh học
Đồng là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho các loài động, thực vật bậc
cao. Đồng được tìm thấy trong một số loại enzym, bao gồm nhân đồng của
cytochrom c oxidas, enzym chứa Cu-Zn superoxid dismutas, và nó là kim loại
trung tâm của chất chuyên chở ôxy hemocyanin. Máu của cua móng ngựa (cua
vua) Limulus polyphemus sử dụng đồng thay vì sắt để chuyên chở ôxy.
17
Theo tiêu chuẩn RDA của Mỹ về đồng đối với người lớn khỏe mạnh là 0,9
mg/ngày.
Đồng được vận chuyển chủ yếu trong máu bởi protein trong huyết tương
gọi là ceruloplasmin. Đồng được hấp thụ trong ruột non và được vận chuyển tới
gan bằng liên kết với albumin.
Một bệnh gọi là bệnh Wilson sinh ra bởi các cơ thể mà đồng bị giữ lại, mà
không tiết ra bởi gan vào trong mật. Căn bệnh này, nếu không được điều trị, có
thể dẫn tới các tổn thương não và gan.
Người ta cho rằng kẽm và đồng là cạnh tranh về phương diện hấp thụ
trong bộ máy tiêu hóa vì thế việc ăn uống dư thừa một chất này sẽ làm thiếu hụt
chất kia.
Các nghiên cứu cũng cho thấy một số người mắc bệnh về thần kinh như
bệnh schizophrenia có nồng độ đồng cao hơn trong cơ thể. Tuy nhiên, hiện vẫn
chưa rõ mối liên quan của đồng với bệnh này như thế nào (là do cơ thể cố gắng
tích lũy đồng để chống lại bệnh hay nồng độ cao của đồng là do căn bệnh này
gây ra).
1.4.4 Độc tính của đồng
Mọi hợp chất của đồng là những chất độc. Đồng kim loại ở dạng bột là
một chất dễ cháy 30g sulfat đồng có khả năng gây chết người. Đồng trong nước
với nồng độ lớn hơn 1mg/lít có thể tạo vết bẩn trên quần áo hay các đồ vật được
giật giũ trong nước đó. Nồng độ an toàn của đồng trong nước uống đối với con
người dao động theo từng nguồn, nhưng có xu hướng nằm trong khoảng 1,5 -
2mg/lít. Mức cao nhất có thể chịu được về đồng theo DRI trong chế độ ăn uống
đối với người lớn theo mọi nguồn đều là 10mg/ngày.
18
1.5 Các phương pháp tái chế, thu hồi nguyên liệu từ bản mạch [1, 6, 7, 14,
18]
Hiện nay có nhiều loại công nghệ khác nhau để xử lý CTĐT. Mặc dù vậy,
mỗi công nghệ chỉ có khả năng ứng dụng tốt trong một phạm vi nhất định. Ở
nhiều nước tiên tiến, người ta thường xử lý chất thải này bằng cách kết hợp
nhiều quy trình công nghệ khác nhau. Thành phần kim loại trong bản mạch rất
phức tạp và có thể thay đổi tuỳ thuộc vào từng mẫu. Bản mạch khi thua mua về
sau khi gỡ bỏ tháo các linh kiện điện tử còn chứa rất nhiều kim loại có giá trị như
đồng, vàng, bạc, platin. Ngoài ra còn có các kim loại nặng khác gây ô nhiễm yêu
cầu chúng ta cần được thu hồi và xử lý trước khi thải bỏ ra môi trường. Dưới đây
là một số phương pháp tái chế bản mạch đã được sử dụng.
1.5.1 Các phương pháp phân loại và xử lý cơ học
Đây là khâu ban đầu không thể thiếu trong quy trình xử lý chất thải. Biện
pháp này sẽ làm tăng hiệu quả tái chế và xử lý ở các bước tiếp theo. Các công
nghệ dùng để phân loại, xử lý cơ học chất thải bao gồm: cắt, nghiền, sàng, tuyển
từ, tuyển khí nén… Ví dụ, các loại chất thải có kích thước lớn và thành phần
khác nhau phải được phân loại ngay khi tiếp nhận.
Một trong những phương pháp cơ học phổ biến thường được dùng là
tuyển trọng lực trên cơ sở dựa vào tỷ khối khác nhau của các thành phần tạo nên
bản mạch.
Nguyên tắc: Để tách các tấm đồng ra khỏi các tấm sợi thuỷ tinh, có thể tách
trọng lực hoặc dùng phương pháp tuyển nổi. Khối lượng riêng của các tấm sợi
thuỷ tinh được nung đến 350
0
C trong 15 phút là khoảng đến 2.73. Vì khối lượng
riêng của đồng kim loại là 8.92, nên việc tách trọng lực có thể thực hiện được.
19
Tuy nhiên lựa chọn một thiết bị phù hợp đòi hỏi các kiểm nghiệm quy mô nhỏ
bởi vì sự dễ bong tự nhiên của các sản phẩm. Ngoài ra người ta còn sử dụng
phương pháp tuyển nổi, sử dụng một lượng nhỏ các chất tạo bọt như dầu thông,
creozol hay các chất có cực yếu khác. Mẫu được cho vào thùng khuấy. Một hỗn
hợp được tách ra bao gồm thành phần ơtécti bao gồm 55% khối lượng mảnh
đồng và 45% khối lượng các tấm sợi thuỷ tinh, được nghiền vụn trong bình. Qua
trình tách cơ học cơ bản được mô tả trên hình 8 [6, 7]
20
Hình 8: Sơ đồ khối của quá trình tuyển tách cơ học
Phương pháp tách cơ học do không có sự can thiệp của nước hay tác nhân
hoá học nào nên sẽ phát sinh khói bụi và tiếng ồn. Vì vậy cần có sự kết hợp các
phương pháp và có giải pháp xử lý những vấn đề phát sinh.
CTĐT
Máy nghiền,
búa lắc
Thiết bị
sang rây
Phân đoạn nhựa
Đĩa nén, cối xay
Quá trình
sàng, rây
Quá trình
sàng lọc
Tách tĩnh điện
Phân đoạn nhựaPhân đoạn đồng
21
1.5.2 Các phương pháp nhiệt luyện [1, 6]
Đốt là quá trình oxy hóa chất thải ở nhiệt độ cao. Theo các tài liệu kỹ thuật
thì khi thiết kế lò đốt chất thải phải đảm bảo 4 yêu cầu cơ bản: cung cấp đủ oxy
cho quá trình nhiệt phân bằng cách đưa vào buồng đốt một lượng không khí dư;
khí dư sinh ra trong quá trình cháy phải được duy trì lâu trong lò đốt đủ để đốt
cháy hoàn toàn (thông thường ít nhất là 4 giây); nhiệt độ phải đủ cao (thông
thường cao hơn 1.0000C); yêu cầu trộn lẫn tốt các khí cháy - xoáy.
Để làm giàu các kim loại trong bo mạch điện tử, phương pháp tiền xử lý
bao gồm quá trình cơ khí, tách loại, cắt, nghiền nhỏ, tuyển nổi, và quá trình
nhiệt. Nhiều tác giả đã tổng hợp tình hình tái chế chất thải điện và điện tử ở Hàn
Quốc hiện nay. Đặc biệt là việc tái chế các kim loại quý từ chất thải bản mạch
điện tử. Ở Hàn Quốc vào thời điểm hiện nay, việc ứng dụng tập trung vào làm
giàu các kim loại bằng phương pháp nhiệt và tách loại. Tuy nhiên, hiệu quả làm
giàu kim loại của các thử nghiệm này là không cao, các tác giả cũng chứng tỏ
rằng việc mất các kim loại quý do bị cô trong giai đoạn cháy (các phần không
kim loại)
Các tấm bắt đầu bộc lộ một vài dấu hiệu của sự tách lớp từ nhiệt độ 250
0
C,
nhưng khoảng nhiệt độ tốt nhất để sự tách lớp xảy ra hoàn toàn là 325 đến
350
0
C và thời gian tại nhiệt đó là 15 đến 30 phút. Khi một mẻ 135g mảnh bản
mạch được nung trong lò nung kín ở nhiệt độ 350
0
C trong 15 phút, khối lượng
mất khoảng 18.7%. Bằng cách bóc các tấm đồng từ các tấm sợi thuỷ tinh và tách
chúng một cách thủ công, các mảnh đồng chiếm đến 55% khối lượng và các tấm
sợi thủy tinh là 45% khối lượng sản phẩm đã nung. Điều này có nghĩa là đồng có
trong mẫu bản mạch trước khi đựơc nung là 45%.
22
Hình 9: Sơ đồ công nghệ nhiệt luyện
Công nghệ thiêu đốt có nhiều ưu điểm như khả năng tận dụng nhiệt, xử lý
triệt để khối lượng, sạch sẽ, không tốn đất để chôn lấp nhưng cũng có một số hạn
chế như chi phí đầu tư, vận hành, xử lý khí thải lớn, dễ tạo ra các sản phẩm phụ
nguy hiểm. Các sản phẩm làm giàu (tập trung nhiều kim loại) bằng phương pháp
nhiệt luyện sẽ được áp dụng rộng rãi bởi các công ty tái chế ở những nước phát
triển, nhưng do tính đa dạng của các chất có trong chất thải diện tử nên việc đốt
sẽ kèm theo nguy cơ phát sinh và phát tán các chất ô nhiễm và chất độc hại làm
ô nhiễm khí quyển. Các nghiên cứu ở các nhà máy thiêu chất thải rắn đô thị cho
thấy đồng có trongbản mạch in và dây đóng vai trò chất xúc tác cho tạo thành
dioxinkhi các chất chống cháy bị đốt. Các chất chống cháy có brominat đó khi
phơi ra ở nhiệt độ thấp (600-800
0
C) có thể phát sinh dioxin polybrominat
(PBDD) và furan (PBDF) cực độc. PVC có thể có trong chất thải điện tử với
lượng lớn là chất ăn món cao khi đốt cháy và cũng tạo thành dioxin. Phương
pháp nhiệt luyện còn dẫn đến hao hụt các giá trị của các nguyên tố vết có thể tận
thu được khi phân loại và xử lý tách riêng đồng thời tiêu hao một lượng lớn
năng lượng.
23
1.5.3 Các phương pháp thuỷ luyện [1, 11]
Phương pháp thuỷ luyện chính là công nghệ xử lý hóa – lý. Công nghệ xử
lý hóa - lý là sử dụng các quá trình biến đổi vật lý, hóa học để làm thay đổi tính
chất của chất thải nhằm mục đích chính là giảm thiểu khả năng nguy hại của chất
thải đối với môi trường. Công nghệ này rất phổ biến để thu hồi, tái chế chất thải.
Một số biện pháp hóa - lý thông dụng trong xử lý chất thải như sau:
Kết tủa, trung hòa: dựa trên phản ứng tạo sản phẩm kết tủa lắng giữa chất
bẩn và hóa chất để tách kết tủa ra khỏi dung dịch. Quá trình này thường được
ứng dụng để tách các kim loại nặng trong chất thải lỏng ở dạng hydroxyt kết tủa
hoặc muối không tan. Ví dụ như việc tách Cr, Ni trong nước thải mạ điện nhờ
phản ứng giữa Ca(OH)
2
với các Cr
3+
(khử từ Cr
6+
) và Ni
2+
tạo ra kết tủa Cr(OH)
3
,
Ni(OH)
2
lắng xuống, lọc tách ra đem xử lý tiếp để trở thành Cr
2
O
3
và NiSO
4
được sử dụng làm bột màu, mạ Ni.
Oxy hóa - khử: là quá trình sử dụng các tác nhân oxy hóa - khử để tiến
hành phản ứng oxy hóa - khử, chuyển chất thải độc hại thành không độc hại hoặc
ít độc hại hơn.
Nhóm các nhà nghiên cứu của Đại học Bách khoa Hà Nội và Trường Đại
học Khoa học ứng dụng Tây Bắc Thụy Sỹ đã nghiên cứu thu hồi đồng bằng
phương pháp ngâm chiết sử dụng CN
-
, Cl
-
, NaOH. Trong nghiên cứu này, Cu,
Ag, Au được hoà tan chọn lọc từ bản mạch in điện tử thải của máy tính xách tay
có chứa vàng vào trong dung dịch. Bản mạch được nghiền nhỏ, tách sắt bằng
nam châm. Sau đó thực hiện ngâm chiết với H
2
SO
4
và H
2
O
2
thì 100% Cu được
hoà tan, phần cặn còn lại được ngâm chiết với dung dịch (NH
4
)
2
S
2
O
3,
CuSO
4

NH
4
OH thì 15% Ag, 10% Au được hoà tan.
24
Hình 10: Sơ đồ khối quá trình Ngâm chiết tách kim loại.
Một trong những quy trình thu hồi kim loại được các nhà hoá học của
Khoa Hóa – trường ĐHKHTN nghiên cứu là sử dụng các tác nhân hoá học trong
phương pháp thuỷ luyện. Để tách đồng ra khỏi dung dịch còn lại sau khi đã tách
thiếc và chì thì ta chỉ cần đưa pH của dung dịch lên pH=12-14. Với môi trường
bazơ mạnh ion Cu
2+
sẽ chuyển hoàn toàn sang dạng Cu(OH)
2
kết tủa màu xanh,
Bản mạch in
điện tử thải bỏ
Xử lý sơ bộ
tới 3×3cm
Tách Fe bằng
nam châm
Nghiền nhỏ
tới 1mm
Bước 1: Ngâm chiết
với H
2
SO
4
+ H
2
O
Au, Ag, PbSO
4
Bước 2: Ngâm chiết
với S
2
O
3
2-
Ag, Au….
CuSO
4
,
ZnSO
4

(NH
4
)
2
S
2
O
3
0.2M
CuSO
4
0.02M
NH
4
OH 0.4M
40
0
C, 24÷45h
pH=10, V=1L
25