Утилизация отработанного раствора травления печатных плат электрохимическим методом Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ИЗВЕСТИЯ

ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 25 2011

IZVESTIA

PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 25 2011

УДК 621.367

УТИЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАННОГО РАСТВОРА ТРАВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

© О. В. ЗОРЬКИНА ПГПУ им В.Г. Белинского, кафедра химии и теории и методики обучения химии e-mail: [email protected]

Зорькина О.В. - Утилизация отработанного раствора травления печатных плат электрохимическим методом // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2011. № 25. С. 697-699. - Предлагается метод утилизации отработанного раствора травления печатных плат. В статье показана возможность разделения металлов при их совместном осаждении. Предложены технологические параметры электрохимического извлечения меди из раствора печатных плат.

Ключевые слова: электролиз, растворы печатных плат, утилизация.

Zorkina O.V. - Disposal of spent etching solutions of printed circuit boards by an electrochemical method // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V.G. Belinskogo. 2011. № 25. P. 697-699. - The method of disposal of spent etching solutions of printed circuit boards is proposed. The article shows the possibility of separating the metals in their joint deposition. Proposed technical parameters of the electrochemical recovery of copper from a solution of printed circuit boards. Keywords: electrolysis, the solutions of printed circuit boards, waste.

Одной из наиболее важных проблем, связанных сростомпромышленныхмош,ностей,являетсяпробле-ма регенерации и утилизация растворов электролитов гальванических производств. В настоящее время утилизация и очистку осуществляется различными методами: реагентым, электролизом, при помощи обратного осмоса, электрофлотацией. Сравнительная характеристика методов приведена в работе Виноградова С. С. [2]. По мнению Виноградова С. С. каждый метод имеет как достоинства, так и недостатки, поэтому в зависимости от объема и состава сточных вод в каждом конкретном случае рекомендуется их комбинация [3].

Известен ряд способов извлечения меди (II) из отработанных растворов травления печатных плат, основанныхнаобработкеэтоготоксичногоотходареа-гентом с последующим осаждением меди (II) в виде малорастворимого в воде соединения меди (II) и отделением осадка от раствора [4,11]. Несколько методов по извлечению меди из растворов предложен Бобровым М. Н. и Храниловым Ю. П. [1]. Авторы предлагают утилизацию отработанного раствора травления печатных плат комбинированным методом.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Объектом исследования являлся модельный отработанный раствор травления печатных плат. Извлечение меди в виде металла из раствора производили электрохимическим методом. Медь в растворе нахо-

диться в виде комплексного соединения - аммиаката меди.

Для приготовления модельного отработанного раствора с концентрацией меди 1, 2 и 5 г/л брались реактивы следующей квалификации «ХЧ» и «Х»: медь металлическая (Cu) ГОСТ 546-88; кристаллогидрат сульфата железа (III) (Fe2(SO4)3.9H2O) ГОСТ 948574; 19 % раствор гидроксида аммония ГОСТ 3760-79. При приготовлении исследуемого раствора использовали две емкости объемом 1000 мл каждая, электромагнитную мешалку, реакцию среды (рН) определяли с помощью милливольтметра марки рН-121. Для проведения электролиза использовали источник постоянного тока Б5-43, электролизер емкостью 250 мл, медный катод площадью 4 см2 и два угольных цилиндрических анода общим объемом 1,766 см3.

Модельный отработанный раствор травления печатных плат готовили при помощи химических реактивов и дистиллированной воды. Медь растворяли в растворе кристаллогидрата сульфата железа (III) по уравнению реакции [1]:

2Fe2(SO4)3 + 2Cu = 4FeSO4 + 2CuSO4 (1)

Приготовленный модельный раствор по составу соответствовалотработанномурастворутравленияпе-чатных плат.

Для извлечения меди, в виде метала без примесей, электролизом из раствора необходимо удалить ионы железа для этого к полученному модельному

• 25 2011

раствору прилили при постоянном перемешивании раствор гидроксида аммония 19 %-ной концентрации [2].

FeSO4 + 2NH4OH = Fe(OH)2 + (NH4)2SO4 (2) Fe2(SO4)3+6NH4OH=2Fe(OIH)3+3(NH4)2S04 (3) Для проведения электролиза гидроксид меди (її) необходи моперевестиврастворимоекомплексное соединение [4,5].

CuS04 + NH40H = Cu(0H)2 + (NH4)2S04; (4) Cu(0IH)2 + NH40H = [Cu(NH3)4](0H)2 (5)

В соответствии с литературными источниками медь может образовывать с аммиаком два вида комплексных соединений [5

Определенные значения рН начала осаждения гидроксидов металлов (меди и железа) хорошо согласуются с данными, приведенными в литературных источниках [6].

Полученную смесь отстаивают, затем надоса-дочную жидкость фильтруют. Полученный осадок гидроксида железа (її) можно использовать в очистке хромовокислых сточных вод от ионов шестивалентного хрома по методике Селицкого г. А.[10]. Из полученного раствора аммиаката меди электролизом извлекают чистую медь.

Электрохимическое извлечения меди производилось в электролизере при плотности тока равной

0,25 - 2 А/дм2, температуре 25 "C. Остаточную концентрацию ионов меди в растворе определяли фотометрическим методом [6].

Математическуюобработкуэкспериментальных данных проводили с использованием ПЭВМ с помощью программного продукта Microsoft Office Exel 2007 и Advanced Grapher 2.2.

результаты эксперимента

Для разработки способа извлечения меди из мо-дельногоотработанногорастворатравлениятребуется найти условия, которые позволяли бы вести электролиз с максимальной производительностью и достижением максимально низких остаточных концентраций меди в растворе после электролиза. В связи с этим исследовали влияние плотности тока и концентраций меди в растворе на выход по току меди, а также на её остаточную концентрацию.

В работе использовался модельный раствор травления, состав приведен в таблице №1.

Таблица №1. Состав модельных растворов травления печатных плат:

m(Cu), г/л m(Fe2(S04)39H20), г V , мл р-ра

1 9,0 1000,0

2 17,5 1000,0

5 43,9 1000,0

На основании материального баланса в [7] получено уравнение, которое позволяет определять от-

носительную долю гидроксида металла а = 100% и иона металла (100 - а) в растворе в зависимости от рН раствора:

“ = *1™* (6)

где z - валентность металла, ПР - произведение растворимости, СМ - исходная концентрация ионов металла в растворе, К,^ - ионное произведение воды, [H+] - концентрация ионов водорода [7].

Рассчитанные по данному уравнению значения рН начала осаждения гидроксидов металлов хорошо согласуются с данными, приведенными в литературных источниках [6] и полученных экспериментально.

При достижении рН=4,87 раствора в осадок выпадает 99,9 % гидроксида железа (III), с дальнейшим подщелачиванием раствора до значения рН равного 6,31 в осадок выпадает 90,2 % гидроксида железа (II). Экспериментально установлено, что при значениях рН для ионов железа (II) - 6,31; и железа (III) -4,87, ионы железа не препятствуют извлечению меди в виде чистого металла из модельного отработанного раствора.

Таблица №2.

Экспериментальное значение рН полного осаждения ионов железа, в виде гидроксидов железа (II) и (III) из модельного раствора

„ рН исходного „ 0,

Ионы рН осаждения а, %

раствора

Fe2+ 2,39 6,31 90,2000

Fe3+ 2,18 4,87 99,9923

Рассчитано и экспериментально установлено, что рН полного растворения осадка гидроксида меди (II) в водном растворе аммиака в зависимости от содержания меди в растворе составляет 10.40 - 10.80, что соответствует расчетным и литературным данным [7].

Полученные данные позволяют разделить гидроксиды металловпри иходновременном осаждении.

При изучении технологических закономерностей извлечения меди из раствора электролизом выявились следующие закономерности. При изменении концентрации ионов меди в растворе от 1 до 5 г/л выход по току металла в зависимости от плотности тока увеличивается от 19,8 до 90,7 %. В соответствии с этим условия, при которых наиболее выгодно вести процесс, это плотность тока Б. = 2 А/дм2 и концентрации ионов меди в растворе 5 г/л.

Равномерность распределения меди по толщине электрода оценивалась визуально. При концентрации ионов меди в растворе 5 г/л выход по току закономерно уменьшался при продолжительности ведения электролиза 5 ч от 76 % до 32 %.

Остаточная концентрация меди, установленная фотометрическим методом, составляет 2,76 мкг/мл,

химия ►►►►►

что значительно меньше ПДК, которое составляет для водоемоврыбохозяйственныхнужд0,001мг/л,дляпи-тьевой воды 1мг/л [9]. Оставшийся в растворе аммиак можно удалить по методике описанной Перелыгиным Ю. П. и соавторами в [8,9], переводом свободного аммиака в магнийамонийфосфатный комплекс.

ВЫВОДЫ

• Экспериментально установлено значение рН осаждения ионов железа в виде гидроксидов в присутствии ионов меди. Для гидроксида железа (II) рН составляет 6,31, для гидроксида железа (III) рН составляет 4,87. При этом в осадок переходит 99,9 % гидроксида железа (III) и 90,2 % гидроксида железа (II);

• Экспериментальноустановлено, что значение рН растворения гидроксида меди (II) в водном растворе аммиака составляет 10.40-10.81,что соответствует теоретически рассчитанным значениям;

• Определены технологические условия электрохимического извлечения меди из модельного отработанного раствора травленияпечатныхплат. Показано, что наиболее эффективное проведение процесса извлечения меди из травильного раствора происходит при плотности тока 2 А/дм2 и концентрации меди в растворе 5 г/л при продолжительности электролиза до четырех часов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бобров М. Н. О возможности извлечения меди из некоторых медьсодержащих отходов. Автореф. дис. ... канд. тех. наук. Н.Новгород, 2009. 25 с.

2. Виноградов С. С. Экологически безопасное гальваническое производство. М.: Глобус, 2002. 352 с.

3. Зельдова А. И. Ресурсосберегающая технология реа-гентной очистки металлосодержащих сточных вод и

утилизации отработанных медноаммиачных раство-ров:Автореферат дис... .канд.тех.наук.Уфа, УГАТУ, 2008. 20 с.

4. Ильин В. А. Технология изготовления печатных плат. Л.: Машиностроение, 1984. 240 с.

5. Кудрявцев В. Н. Виноградов С. С. Обоснованность и необоснованность применения различных перечней ПДК для сточных вод гальванического производства // Гальванотехника и обработка поверхностей-04. Тезисы докладов Российской научнопрактической конференции. - М.: Изд-во РХТУ, 2004. С. 38-39.

6. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Изд. «Химия», 1965. 390 с.

7. Перелыгин Ю. П., Рашевская И. В. Расчет относительной доли ионов металла, перешедшего в не растворимый гидроксид, в зависимости от рН раствора // Журнал прикладной химию. 2006. Т. 79. № 3. С. 482-484.

8. ПерелыгинЮ.П., Зорькина О. В., Флягин А.А., Зуева Т. В. Реагентная технология утилизации высококон-центрированныхрастворов, содержащихионыцинка, кадмия (меди) и аммония // Региональная архитектура и строительство. 2009. № 6. С. 87-91.

9. Перелыгин Ю. П., Флягин А. А., Зуева Т. В., Зорькина О. В. Реагентная технология утилизации растворов, содержащих ионы цинка, кадмия (меди) и аммония // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. Сб. трудов X Межд. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во ПГУАС, 2009. С. 283-285.

10. Селицкий Г. А. Методика расчета технологических параметровэлектрокоагуляционногоспособаочистки сточных вод от ионов тяжелых металлов // Водоснабжение и канализация. 2009. № 4. С. 72-78

11. Флеров В. Н. Химическая технология в производстве радиоэлектронныхдеталей. М.: Радиои связь, 1988.26с.