Nghiên cứu khả năng xử lý, thu hồi một số kim loại trong tấm pin mặt trời thải

Mở đầu

Ngành năng lượng trên thế giới đang chứng kiến sự dịch chuyển nhanh chóng, từ năng lượng truyền thống sang năng lượng tái tạo, nguồn năng lượng sạch và vô tận. Phát triển năng lượng tái tạo là điều cần thiết để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu. Sản xuất và lắp đặt tấm quang điện được phát triển mạnh từ đầu những năm 2000 (Tao & Yu, 2015). Đến cuối năm 2020, tổng công suất tấm quang điện tích lũy lắp đặt trên toàn thế giới là 760,4 GW, trong đó 20 quốc gia có công suất lắp đặt tấm quang điện vượt quá 1GW, gồm Trung Quốc (48,2 GW), Liên minh châu Âu (19,6 GW), Hoa Ký (19,2 GW), Việt Nam (11,1 GW) - IEA PVPS, 2020. Hiện điện mặt trời đã đứng ở vị trí thứ 3 về tổng công suất lắp đặt, chỉ sau thủy điện và điện gió. Dự báo công suất lắp đặt trên toàn thếu giới sẽ tăng lên 2.630 GW vào năm 2030, và đạt 6.400 GW vào năm 2050. 

Việt Nam là một trong mười nước có công suất lắp đặt điện mặt trời nhiều nhất tính đến năm 2020. Nhu cầu năng lượng ở Việt Nam đang tiếp tục tăng khoảng 8,5% mỗi năm. Tính đến cuối năm 2020, Việt Nam có 152 dự án điện mặt trời lắp đặt tại mặt đất đi vào hoạt động với tổng công suất là 9,07GW. Bên cạnh đó công suất điện mặt trời mái nhà là 9,18GW.

Mặc dù, điện mặt trời đã phát triển và đạt công suất khá lớn, nhưng nhiều quốc gia trên thế giới và cả Việt Nam chưa có các chính sách riêng về xử lý và tái chế pin mặt trời thải. Một trong những nguyên nhân của vấn đề này là điện mặt trời chỉ mới phát triển với công suất đáng kể trong một vài thập niên gần đây, trong khi đó thời gian hoạt động của các tấm pin mặt trời lại khá dài, nên đến nay lượng các tấm pin mặt trời thải chưa nhiều, chưa gây ra ảnh hưởng lớn đến môi trường. Tuy nhiên, trong tương lai tấm pin mặt trời thải ngày càng nhiều, có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường và lãng phí tài nguyên. 

Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Pin mặt trời thải

Tấm pin mặt trời thải dạng silicon được sử dụng trong nghiên cứu có kích thước 30 x 35 x 1,7 cm, 15 W, 6 V. Tấm pin mặt trời thải dạng silicon được sử dụng trong nghiên cứu này có thành phần bao gồm khung nhôm (10%), kính cường lực (74%), EVA (5,5%), Tedlar (3,5%), keo dính (1%), silicon (5%) và kim loại (1%). Thành phần kim loại trong tấm pin mặt trời được trình bày trong Bảng 1.

Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm

Nghiên cứu đã sử dụng các thiết bị hiện đại, có độ chính xác cao trong quá trình chế tạo vật liệu và phân tích tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Công nghệ môi trường, bao gồm: Máy đo quang phổ phát xạ ICP-MS 7700x - Agilent; thiết bị quang phổ hồng ngoại NEXUS 670, Nicolet, Mỹ; cân phân tích ADAM, Mỹ, độ chính xác cỡ 10-5 mg và 10-2 mg; tủ nung Memmert, Đức có điều khiển nhiệt độ lên tới 11000C; bếp gia nhiệt Jenway - 1000, Anh có khuấy từ và gia nhiệt tự động; máy đo pH meter D-71 Horiba - Nhật, hiển thị thang đo pH -2 đến 16,00.

Phương pháp thực nghiệm

Tiền xử lý tấm pin mặt trời thải: Các tấm pin mặt trời đã được tháo rời khung nhôm và hộp điện. Sau đó, đun nóng ở 450oC trong 30 phút sẽ tách được thủy tinh, EVA, các kim loại và dây dẫn. 

 Quá trình tách chiết các thành phần trong tấm pin mặt trời thải:

HNO3 được sử dụng để hòa tách Ag, Pb, Cu ra khỏi các kim loại khác bằng cách tạo ra các kết tủa. Để tối ưu hóa điều kiện thí nghiệm thì nghiên cứu thay đổi các điều kiện: Thời gian phản ứng (thay đổi từ 1 giờ đến 5 giờ), tỷ lệ chất rắn/chất lỏng (thay đổi từ 1/10 đến 1/50), nồng độ axit (thay đổi từ 1M đến 6M), nhiệt độ thực hiện hòa tách (thay đổi từ 25oC đến 80oC). Mẫu kết tủa sau hòa tách được lọc bằng màng lọc 0,45 µm và được pha loãng bằng HNO3 1% dành cho máy phân tích ICP. Mỗi dung dịch trước và sau phản ứng được thực hiện phân tích 3 lần và tính kết quả trung bình. 

Để tách Ag thực hiện bằng cách thêm vào dung dịch NaCl nồng độ 30% để tạo ra kết tủa màu trắng AgCl. Tỷ lệ về thể tích giữa dung dịch chứa Ag và dung dịch hòa tách là 1:1. Sau đó kết tủa được lọc và rửa với nước đề ion. Kết tủa được hòa tan trong nước, thêm đường saccarôzơ C12H22O11 và NaOH để thu được kết tủa tối màu. Tỷ lệ về khối lượng giữa đường và AgCl kết tủa là 2:1 và tỷ lệ khối lượng giữa NaOH và AgCl kết tủa là 2,5:1. Dung dịch chứa kết tủa tối màu được lọc và tách Ag kết tủa, sau đó rửa sạch và sấy khô ở 105oC đến khối lượng không đổi.

Để tách đồng từ dây điện thực hiện bằng cách: Thiêu đốt các tấm pin mặt trời bằng cách chuyển các tấm pin mặt trời phế thải vào lò nung ở 450oC trong 30 phút với tốc độ 15oC/phút, sau khi loại bỏ phần tro tạp, phần chất rắn chứa dây đồng được thu gom và tiến hành nung ở 750oC trong khoảng thời gian 7 giờ, sau đó thu phần tro chứa đồng và hỗn hợp bột Pb-Sn; Lọc tách chất rắn chứa đồng bằng cách lọc tách phần bột chứa Pb-Sn thu phần cặn đồng dạng sợi mảnh, sau đó, rửa sạch phần cặn bằng nước khử ion và cồn isopropyl, thu được phần chất rắn chứa đồng; Phân tách đồng ra khỏi hỗn hợp bằng cách chuyển phần chất rắn chứa đồng vào trong dung dịch HNO3 nồng độ 5M, tỷ lệ giữa chất rắn và dung dịch axit là 1/30 (trọng lượng/thể tích) và khuấy trong 3 giờ để hòa tan phần đồng, sau khi lọc bỏ phần chất rắn không tan, bổ sung dung dịch NaOH nồng độ 3M dư để thu CuO kết tủa. Thu bột đồng tinh sạch bằng cách bổ sung phần CuO kết tủa vào dung dịch axit H2SO4 2M, tỷ lệ giữa CuO và dung dịch axit là 1/20 (trọng lượng/thể tích) để hòa tan hoàn toàn CuO kết tủa, sau đó, bổ sung bụi kẽm với lượng vừa đủ để thu phần kết tủa, sau khi lọc, rửa sạch bằng nước khử ion, sấy khô ở 100oC đến khi khối lượng không đổi thu được đồng tinh sạch dạng bột mịn.

Thu hồi Pb bằng cách: Thêm dung dịch NaOH 5M tạo ra kết tủa Pb(OH)2, kết tủa này được lọc ra khỏi dung dịch. Pb(OH)2 được đun nóng ở 500oC trong 1 giờ tạo ra chì oxit PbO. Thêm dung dịch Na2S 5M vào dung dịch HNO3 để loại bỏ Pb trong dung dịch. Pb kết tủa thành PbS.

Phương pháp phân tích

Các kim loại được xác định bằng phương pháp ICP theo APHA

Kết quả và thảo luận

Ảnh hưởng của nồng độ HNO3 đến hiệu suất thu hồi kim loại 

Nồng độ HNO3 thay đổi từ 1 – 6 M. Điều kiện thực hiện thí nghiệm thay đổi nồng độ HNO3, thời gian hòa tách 3 giờ, với tỷ lệ rắn/chất lỏng (trọng lượng/thể tích) là 1/30 (g/ml) và thực hiện ở nhiệt độ 60oC. Kết quả Hình 1 cho thấy, nồng độ của HNO3 ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất thu hồi kim loại. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hiệu suất tách các kim loại tốt nhất ở pH bằng 5. Dùng HNO3 tách Cu rất hiệu quả, đạt 90%, trong khi đó tách Ag kém nhất, đạt hiệu quả tách tối đa là 80% ở điều kiện pH thích hợp nhất là 5. 

Ảnh hưởng của thời gian hòa tách đến hiệu suất thu hồi kim loại

Thời gian phản ứng là một trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất chiết tách các kim loại có trong pin mặt trời. Hình 2 cho thấy, hiệu quả hòa tách từ việc điều chỉnh thời gian phản ứng giữa axit HNO3 và các kim loại trong pin mặt trời thải, điều kiện thí nghiệm là cố định nồng độ HNO3 là 5M, tỷ lệ chất rắn/chất lỏng (trọng lượng/thể tích) là 1/30 (g/ml) và ở nhiệt độ 60oC. Thời gian phản ứng đã được thay đổi từ 60 phút đến 240 phút. Kết quả cho thấy, sau 180 phút (3 giờ), các kim loại có trong pin mặt trời có hiệu suất thu hồi đạt hiệu quả cao lần lượt là 82%; 91% và 81% tương ứng với chì, đồng và Ag và sau đó có xu hướng cân bằng. Do đó, điều kiện tối ưu của thời gian phản ứng được chọn là 180 phút (3 giờ).

Ảnh hưởng của tỷ lệ chất rắn/chất lỏng (trọng lượng/thể tích) đến hiệu suất thu hồi kim loại

Hình 3 cho thấy, hiệu suất thu hồi kim loại thay đổi khi thay đổi tỷ chất rắn/chất lỏng (trọng lượng/thể tích). Tỷ lệ chất rắn/chất lỏng (trọng lượng/thể tích) được thay đổi tỷ lệ từ 1/10 đến 1/50 (g/ml). Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, hiệu quả tách các kim loại có trong pin mặt trời đạt hiệu quả tối ưu khi thay đổi tỷ lệ chất rắn/chất lỏng là 1/30 (g/ml). Kết quả cho thấy hiệu suất thu hồi kim loại đạt được lần lượt là 85; 90 và 81% tương ứng với Pb, Cu và Ag. Do đó, điều kiện tối ưu của tỷ lệ chất rắn/chất lỏng là 1/30 (g/ml).

Nhiệt độ là một trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng. Thay đổi nhiệt độ hòa tách kim loại dẫn đến thay đổi hiệu suất thu hồi kim loại. Hình 4 cho thấy, hiệu suất thu hồi kim loại tăng khi tăng nhiệt độ hòa tách. Nhiệt độ được thay đổi từ 25oC đến 80oC. Kết quả thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ hòa tách từ 60oC, hiệu suất tách đạt được hiệu quả tốt nhất và khi tăng nhiệt độ thì hiệu suất cũng không tăng thêm. 

Kết quả Hình 4 cho thấy, với nhiệt độ khoảng 25oC, tương đương với nhiệt độ phòng hiệu suất tách Ag, Pb và Cu thấp, chỉ đạt khoảng trên 55%. Nhưng khi tăng nhiệt độ lên đến 60oC hiệu suất tăng rất nhanh và đạt được hiệu suất thu hồi kim loại tối ưu. Sau đó tăng nhiệt độ tiếp lên đến 75 và 85oC thì hiệu suất tách cả ba kim loại vẫn giữ nguyên không thay đổi. Do đó, điều kiện tối ưu của nhiệt độ phản ứng được chọn là 600C.

Kết luận

Nồng độ HNO3, thời gian hòa tách, nhiệt độ hòa tách và tỷ lệ chất rắn/chất lỏng có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất thu hồi kim loại trong các tấm pin mặt trời thải. Nồng độ HNO3 tối ưu là 5M, hiệu suất thu hồi kim loại lần lượt đạt 81 ; 85 và 90% tương ứng với Ag, Pb và Cu. Nhiệt độ tối ưu trong các thí nghiệm thu hồi kim loại là 60oC. Tỷ lệ giữa chất rắn/chất lỏng (trọng lượng/thể tích) tối ưu để thu hồi được trên 80% đối với các kim loại là 1/30 (g/ml). Quá trình hòa tách và thu hồi các kim loại từ tấm pin mặt trời thải đạt được đồng thời hai mục tiêu là xử lý chất thải và thu được các kim loại từ tấm pin mặt trời nhằm tiết kiệm tài nguyên, tiết kiệm năng lượng. 

• Công nghệ Tuyển quặng Chì – Kẽm bó liều, xã Nam Cường và xã Đồng Lạc, huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn
• THỰC TRẠNG MỎ ĐẤT HIẾM ĐÔNG PAO HIỆN NAY. CHỦ TRƯƠNG CỦA TẬP ĐOÀN TKV, TỔNG CÔNG TY KHOÁNG SẢN –TKV VỀ PHÁT TRIỂN SẢN XUẤT KHOÁNG SẢN ĐẤT HIẾM