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

25/03/2024

TN&MTHiệu suất thu hồi kim loại của các tấm pin mặt trời thải bằng chất hòa tách kim loại HNO3 đã được nghiên cứu. Pin mặt trời thải có chứa khoảng 1% các kim loại bao gồm: Al, Cu, Ag, Pb, Antimon, Zn, Sn,… Tuy giá trị kinh tế của việc thu hồi không cao nhưng đem lại giá trị về mặt môi trường rất lớn. Các nghiên cứu được thực hiện bằng cách thay đổi nồng độ HNO3, thời gian hòa tách, nhiệt độ hòa tách và tỷ lệ giữa chất rắn/chất lỏng (trọng lượng/thể tích) để tìm ra được điều kiện thực nghiệm tối ưu. Điều kiện tối ưu để đạt được hiệu suất thu hồi Ag, Pb và Cu là: nồng độ HNO3 5M, thời gian hòa tách 180 phút, nhiệt độ hòa tách 60oC, tỷ lệ chất rắn/chất lỏng (trọng lượng/thể tích) là 1/30 (g/ml).

Từ khóa: Thu hồi kim loại, Pin mặt trời, Tấm quang năng.

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. 

Nếu chỉ áp dụng biện pháp chôn lấp thì cần lượng lớn quỹ đất và nếu chôn lấp không đúng quy định thì có thể gây ô nhiễm môi trường đất, nước do phát sinh kim loại nặng hoặc phát sinh khí thải độc ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người. Hiện nay, một số nước phát triển và đang phát triển có những quy định rất chặt chẽ về chất thải từ các nhà máy điện mặt trời. Đặc biệt, một số nước áp dụng lệnh cấm chôn lấp đối với tấm quang năng và các sản phẩm năng lượng tái tạo khác. Hiệu suất tái chế tấm pin mặt trời có thể lên đến 90%, do vậy, tái chế mang lại nhiều lợi ích về môi trường và tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên. Đối với Việt Nam, khối lượng chất thải từ tấm pin mặt trời ở Việt Nam khá nhỏ so với các nước dẫn đầu tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững, Nhà nước cần sớm nghiên cứu để có chính sách cơ chế phù hợp liên quan tới thu nhận và xử lý rác thải từ tấm pin mặt trời. Nhìn ở góc độ kinh tế tuần hoàn thì đây có thể trở thành cơ hội cho Việt Nam phát triển công nghiệp tái chế tấm pin trong tương lai.
Trên thế giới, đã có nhiều các nghiên cứu về xử lý, thu hồi các kim loại trong tấm pin mặt trời thải. Tuy nhiên, ở Việt Nam chưa quan tâm và chưa có nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Do đó, cần thiết có một phương pháp tái chế, thu hồi kim loại hiệu quả từ các tấm phin mặt trời phế thải phù hợp với điều kiện của Việt Nam, cho phép thu hồi được kim loại từ các tấm pin mặt trời phế thải, góp phần giảm tải cho quá trình xử lý rác thải công nghệ cao này.

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.

Bảng 1. Thành phần của các kim loại trong tấm tế bào quang điện
Nghiên cứu khả năng xử lý, thu hồi một số kim loại trong tấm pin mặt trời thải 

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

Hình 1. Ảnh hưởng của nồng độ HNO3 đến hiệu suất thu hồi kim loại
Nghiên cứu khả năng xử lý, thu hồi một số kim loại trong tấm pin mặt trời thải 

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).

Hình 2. Ảnh hưởng của thời gian hòa tách đến hiệu suất thu hồi kim loại
Nghiên cứu khả năng xử lý, thu hồi một số kim loại trong tấm pin mặt trời thải 

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).

Hình 3. Ảnh hưởng của tỷ lệ chất rắn, chất lỏng đến hiệu suất thu hồi kim loại
Nghiên cứu khả năng xử lý, thu hồi một số kim loại trong tấm pin mặt trời thải 

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.

Hình 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi kim loại
Nghiên cứu khả năng xử lý, thu hồi một số kim loại trong tấm pin mặt trời thải 

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. 

Lời cảm ơn:

Công trình này được hoàn thành với sự hỗ trợ về kinh phí của đề tài cấp cơ sở chọn lọc thuộc Viện Khoa học vật liệu CSCL, 04.09/22-23. 

Tài liệu tham khảo

1.    Jing Tao, Suiran Yu (2015). Review on feasible recycling pathways and technologies of solar photovoltaic modules. Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 141, October 2015, pp. 108-124;

2.    Wei-Sheng Chen, Yen-Jung Chen, Kai-Chieh Yueh, Chii-Pwu Cheng, Tien-Chin Chang (2020). Recovery of valuable metal from Photovoltaic solar cells through extraction. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 720;

3.    Wei-Sheng Chen, Yen-Jung Chen, Cheng-Han Lee, Yi-Jin Cheng, Yu-An Chen, Fan-Wei Liu, Yi-Chung Wang and Yu-Lun Chueh (2021). Recovery of Valuable Materials from the Waste Crystalline-Silicon Photovoltaic Cell and Ribbon. Processes 2021, 9, 712;

4.    Dheeraj Saha, Chitraa, Sushil Kumara (2023). Investigation and recovery of copper from waste silicon solar module. Materials Chemistry and Physics 296, 127205.

DƯƠNG VĂN NAM, PHẠM THỊ HẢI THỊNH, PHAN VĂN TRƯỜNG, LÊ THỊ HẢI NINH

Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 23 (Kỳ 1 tháng 12) năm 2023

Where you can buy Louis Vuitton Replica :

hermes pas cher louis vuitton neverfull replica louis vuitton scarf replica gucci backpack replica louis vuitton outlet nederland dior tasche replica replica chanel wallet louis vuitton duffle bag replica Replica chanel replica chanel wallet louis vuitton messenger bag replica dior tasche replica fake Louis Vuitton shoes replica gucci shoes van cleef replica chanel imitazioni replica celine Louis Vuitton Taschen replica hermes pas cher louis vuitton messenger bag replica LOUIS VUITTON sunglasses replica replica cartier love bracelet replica louis vuitton m40780 louis vuitton imitate kaufen fake louis vuitton tas kopen fake louis vuitton wallet louis vuitton scarf replica chanel imitazioni perfette replica louboutin replica celine replica Louis Vuitton shoes goyard replica cartier love imitazione fake Louis Vuitton shoes gucci scarf replica borse louis vuitton replica replica Louis Vuitton supreme Backpack Louis Vuitton replica replique Sac Louis Vuitton chanel replica louis vuitton keepall replica zaino louis vuitton falso replica Jordan 1 cartier love ring replica dior replica chanel replica fake louis vuitton shoes louis vuitton shoes replica replica louis vuitton wallet imitazioni louis vuitton

Tin tức

Tập đoàn Nhật Bản khởi công dự án nửa tỷ USD từ thông điệp của Thủ tướng

Thủ tướng Phạm Minh Chính: 'Ai có gì góp nấy' để xóa nhà tạm, nhà dột nát cho người nghèo

Thủ tướng Phạm Minh Chính: Cả nước chung tay để xóa nhà tạm, nhà dột nát trên cả nước trong năm 2025

Ủy ban Chỉ đạo quốc gia về thực hiện Chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển Việt Nam tổ chức kỳ họp lần thứ I

Tài nguyên

Nguyên nhân khiến hầm Bãi Gió sạt lở, đường sắt Bắc-Nam tê liệt

Phát hiện thêm 22 hang động lung linh huyền ảo tại Quảng Bình

Khẩn trương khắc phục sự cố sạt lở hầm đường sắt khu vực qua đèo Cả

Những ý kiến được quan tâm tại Hội nghị hướng dẫn thi hành Luật Đất đai năm 2024

Môi trường

Net Zero - cơ hội và thách thức

'Xanh hóa' du lịch, khách muốn có chuyến đi giảm ‘dấu ấn’ môi trường

Khởi động chiến dịch “Nói không với rác nhựa, lưu lại dấu tay xanh" tại Côn Đảo

Ô nhiễm không khí vượt ngưỡng, Hà Nội sẽ phun nước rửa đường trở lại

Video

Kỷ niệm 20 năm Tạp chí Tài nguyên và Môi trường và ra mắt kỷ ra mắt chuyên trang tiếng Anh

Tình yêu Môi trường

Thế giới lo sợ vì biến đổi khí hậu đã “Ngoài tầm kiểm soát” và kêu gọi hành động toàn cầu

Dự án Luật địa chất và khoáng sản sửa đổi khắc phục hạn chế để phát huy nguồn lực khoáng sản

Khoa học

Về khả năng tồn tại các nguồn nước dưới đất ở vùng thềm lục địa nước ta 

Giải pháp xanh bảo vệ, chống sạt lở mái taluy khu đô thị khu vực Đà Lạt

Một số vấn đề xây dựng đội ngũ cán bộ khoa học lĩnh vực tài nguyên nước 

Đề xuất các giải pháp bảo vệ môi trường các hồ cấp nước sinh hoạt trên địa bàn tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu 

Chính sách

Bổ nhiệm Tân Thứ trưởng Bộ Ngoại giao

Phát triển mạng lưới trạm khí tượng thủy văn hiện đại, đồng bộ

Vì sao Công ty TNHH Nông nghiệp Đông Giang bị phạt 80 triệu đồng?

Hà Nội: Đăng ký biến động, mua bán chuyển nhượng bất động sản không gia tăng đột biến

Phát triển

Khó chi trả kinh phí từ bán tín chỉ carbon rừng

Bổ nhiệm Tổng Biên tập Tạp chí Thông tin và Truyền thông

Liên đoàn Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước miền Bắc: 50 năm xây dựng và phát triển 

Bình Dương: Sắp diễn ra Diễn đàn hợp tác kinh tế Horasis Trung Quốc 2024

Diễn dàn

Thời tiết ngày 14/4: Nhiều khu vực có nắng nóng diện rộng và gay gắt

Thời tiết ngày 13/4: Nhiều khu vực trên cả nước nắng nóng, có nơi nắng nóng gay gắt

Thời tiết ngày 12/4: Miền Bắc nắng nóng trở lại, Nam Bộ có nơi gần 40 độ

Duy trì ổn định hoạt động mạng lưới trạm, cảnh báo, dự báo kịp thời các hiện tượng thời tiết nguy hiểm