1 ภาควิชาวิศวกรรมวสัด ุคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลยัเกษตรศาสตร์ 50 ถ.พหลโยธิน เขตจตจุกัร กรุงเทพ 10900 Department of Materials Engineering, Faculty of Engineering, Kasetsart University, 50 Phahonyothin, Chatuchak, Bangkok 10900 โทร. 0-2942-8555 ext. 2116 โทรสาร 0-2549-3422

การสกัดทองแดงและสังกะสีจากสารละลายขี �เตาทองเหลืองด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี Copper and zinc extraction from brass scrap solution by electrochemical method

พิมพ์พิสทุธิK จทิุLน, อมรรัตน์ ภิญโญทรัพย์, ดลธิชา กระจา่งฉาย และราชธีร์ เตชไพศาลเจริญกิจ*

Pimpisut Jutin, Amornrat Pinyosap, Donthicha Krachangchai, and Ratchatee Techapiesancharoenkij*

บทคัดย่อ

โครงงานวิจยันี Vมีวตัถุประสงค์เพืLอศึกษาการสกดัทองแดงและสงักะสีจากสารละลายขี Vเตาทองเหลืองด้วย

กระบวนการทางไฟฟ้าเคมี ทีLความหนาแน่นกระแสและความบริสุทธิKของสารละลายไอออนทองแดงและสงักะสีทีL

ต่างกนั โดยการทดลองแบ่งเป็น 2 ส่วนหลกัคือ (1) การสกดัทองแดงจากสารละลาย 3 ชนิด ได้แก่ สารละลาย

ทองแดงบริสุทธิK สารละลายขี VเตาทีLเหลือและสารละลายตะกอนสีนํ Vาตาลแดง ทีLความเข้มข้นไอออนทองแดงของ

สารละลายทั Vง 3 ชนิดเท่ากบั 1 M อณุหภูมิ 60 oC ช่วงความหนาแน่นกระแสระหว่าง 250 – 500 A/m2 และ (2)

การสกัดสังกะสีจากสารละลาย 2 ชนิด ได้แก่ สารละลายสังกะสีบริสุทธิKและสารละลายสีใสทีLได้หลังจาก

กระบวนการซีเมนเตชนัด้วยสงักะสี ทีLความเข้มข้นไอออนสงักะสีของสารละลายทั Vง 2 ชนิดเท่ากบั 1 M อณุหภูมิ 25 oC ช่วงความหนาแน่นกระแสระหว่าง 375 – 625 A/m2 ผลการทดลองพบว่า (1) ความหนาแน่นกระแสทีLเพิLมขึ Vน

สง่ผลตอ่ความสามารถในการสกดัโลหะทั Vงกรณีทองแดงและสงักะสีจากสารละลายได้เร็วยิLงขึ Vน เนืLองจากไปช่วยเร่ง

การเกิดปฏิกิริยารีดกัชัLนทีLขั Vวแคโทด และ (2)ประสิทธิภาพในการใช้กระแสไฟฟ้า (Current efficiency) ลดลงเมืLอ

ความหนาแน่นกระแสเพิLมขึ Vน โดยกรณีในสารละลายทีLมีความบริสุทธิKมากกว่าจะมีประสิทธิภาพในการใช้

กระแสไฟฟ้าทีLสงูกวา่ โดยความบริสทุธิKของสารละลายอิเลก็โตรไลต์ไมมี่ผลกระทบต่อการสกดัทองแดงมาก โดยค่า

current efficiency ทีLได้สงูเกิน 90% สําหรับการสกดัทองแดงจากสารละลายขี Vเตา ในทางตรงข้ามความบริสทุธิKของ

สารละลายอิเล็กโตรไลท์มีผลกระทบสูงต่อความสามารถในการสกดัสงักะสี โดยค่า current efficiency ของการ

สกดัสงักะสีจากสารละลายสีใสทีLได้จากขี Vเตาทองเหลืองมีคา่ตํLากวา่ 50%

Abstract The objective of this project is to study the extraction of copper and zinc from the brass-scrap solution by electrochemical method under varying current densities and different electrolytes’ ion purities. The experiment was divided into 2 parts including: (1) the Cu extraction from three electrolyte solutions (different Cu-ion purity) including i) pure-Cu ion electrolyte, ii) brass-scrap residual electrolyte and iii) red-brown precipitate electrolyte, with the Cu-ion concentration for all three solutions of 1 M at 60 oC under current density of 275 – 500 A/m2 and (2) the Zn extraction from two electrolyte solutions including i) pure-Zn ion electrolyte and ii) transparent electrolyte obtained after zinc cementation

process, with the Zn-ion concentration for both solutions of 1 M at 25 oC under current density of 375 – 625 A/m2. The experimental results show that an increase in current density results in the faster extraction rates for both Cu and Zn extractions due to the enhancement of the cathodic reduction reaction. The current efficiency for the metal extraction decreases with increasing current density. The higher-purity electrolyte for both Cu and Zn extractions result in higher current efficiency. However, the purity of the Cu-ion electrolyte solutions negligibly affects the extraction efficiency; the current efficiency of higher than 90% could be obtained for the Cu extraction from the brass-scrap residual electrolyte solution (the least Cu-ion purity). On the contrary, the purity of the Zn-ion electrolyte solutions significantly affects the Zn-extraction efficiency. The current efficiency of the Zn extraction from the transparent solution (obtained from the cementation of brass-scrap solution) is as low as 50%.

Keywords: Brass scrap, Copper, Zinc, Cementation, Electrowinning, Hydrometallurgy, Current efficiency *e-mail address: fengrct@ku.ac.th

1. คาํนํา

ในกระบวนการผลิตทองเหลือง ซึLงใช้ทองแดงและสงักะสีเป็นวตัถุดิบหลกัมาหลอมเหลวเป็นเนื Vอเดียวกัน

ในระดบัโมเลกลุจะเกิดโลหะผสมทองเหลืองขึ Vน หลงัจากการหลอมจะเกิดเศษของเหลือเป็นขี Vเตาภายในเตาหลอม

และจากการวิเคราะห์องค์ประกอบของขี Vเตาพบว่ายงัคงมีสงักะสีและทองแดงอยู่จํานวนหนึLง (ทิพากร และ ณัฐธีร์,

2551; วรรณิศา, 2552) หากสามารถสกดัแยกโลหะเหลา่นี Vจากเศษขี Vเตากลบัมาได้ จะเป็นการนําเศษของเหลือทีLไม่

ใช้แล้วกลบัมาเพิLมมลูคา่ได้อีก และยงัเป็นการช่วยลดปริมาณเศษขยะเหลือใช้

การสกดัโลหะนั Vนมีด้วยกนั 2 วิธีคือ วิธี Pyrometallurgy และวิธี Hydrometallurgy (Rosenqvist 1974;

Moore 1990; Evan and DeJonghe 1991) วิธีการอย่างหลงันี Vเป็นการนํากรดมาละลาย (Leaching) แล้วจึงสกดั

แยกส่วนทีLเป็นโลหะทีLต้องการออกมาด้วยการตกตะกอน (Selective precipitation) โดยการนําไปทําซีเมนเตชัLน

(Cementation) ซึLงเป็นกระบวนการแลกเปลีLยนไอออนของโลหะ โดยโลหะทีLมีความเสถียรทีLตํLากว่า (มีค่าศกัย์ไฟฟ้า

รีดกัชัLนมาตรฐานตํLากวา่) จะละลายในสารละลายแทนทีLโลหะทีLมีความเสถียรสงูกว่า (ค่าศกัย์ไฟฟ้ารีดกัชัLนสงูกว่า)

ทําให้ได้โลหะทีLมีความเสถียรสงูกวา่ตกตะกอนออกมา ดงัตวัอย่างการซีเมนเตชนัด้วยการจุ่มละลายสงักะสี (เสถียร

ตํLากวา่) เพืLอให้ได้ตะกอนของทองแดง(เสถียรสงูกวา่)ออกมา ดงัแสดงในสมการ 1:

Cu+2 (aq) + Zn (s) � Zn+2

(aq) + Cu (s) สมการ 1

ซึLงสารละลายทีLเหลือจากการซีเมนเตชัLนเป็นสารละลายทีLมีสงักะสีไอออนเป็นองค์ประกอบหลกั เหมาะต่อ

การนําไปสกัดแยกด้วยไฟฟ้าเคมีในลําดับต่อไป ในส่วนตะกอนทองแดงทีLตกตะกอนออกจากสารละลายด้วย

กระบวนการซีเมนเตชัLน ยงัมีความบริสทุธิKของทองแดงทีLตํLา ต้องนําตะกอนทองแดงดงักลา่วมาทําการละลายในกรด

อีกครั Vง เพืLอนําไปสกดัแยกทองแดงบริสทุธิKด้วยวิธีการทางไฟฟ้าเคมีต่อไป (Rosenqvist 1974; Moore 1990; Evan

and DeJonghe 1991)

กระบวนการสกัดแยกด้วยไฟฟ้าเคมี เป็นการใช้พลังงานไฟฟ้าผลักดันให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัLนทีL

ขั Vวแอโนด และปฏิกิริยารีดกัชัLนทีLขั Vวแคโทด โดยไอออนของโลหะทีLต้องการสกัดแยกจะไปเกิดปฏิกิริยารีดกัชัLนเป็น

ตะกอนโลหะทีLขั Vวแคโทด (สจิุต, 2548) โดยทัLวไปการสกดัแยกทองแดงด้วยวิธีการทางไฟฟ้าเคมีถือเป็นวิธีมาตรฐาน

ทีLไม่ซับซ้อน เนืLองจากทองแดงไอออนมีศักย์ไฟฟ้ารีดักชัLนมาตรฐานทีLสูงกว่าไฮโดรเจนไอออน จึงสามารถ

เกิดปฏิกิริยารีดกัชัLนเปลีLยนรูปเป็นโลหะทองแดงได้ สําหรับกรณีการสกดัแยกสงักะสีด้วยไฟฟ้าเคมีนั Vน เนืLองจาก

ศกัย์ไฟฟ้ารีดกัชัLนมาตรฐานของสงักะสีไอออนมีค่าตํLากว่าของไฮโดรเจนไอออน ดงันั Vนตามหลกัอุณหพลศาสตร์

ปฏิกิริยารีดกัชัLนของไฮโดรเจนไอออนไปเป็นก๊าซไฮโดรเจนจึงมีโอกาสเกิดขึ VนทีLขั Vวแคโทดมากกว่าปฏิกิริยารีดกัชัLน

ของไอออนสังกะสี อย่างไรก็ตามปฏิกิริยารีดักชัLนของไอออนสังกะสีสามารถเกิดขึ Vนได้ทีLขั Vวแคโทด โดยการใช้

พลงังานกระแสไฟฟ้าเข้าไปเร่ง เพืLอให้เกิดคา่ศกัย์ไฟฟ้าเกินตวัของไฮโดรเจน (Hydrogen overvoltage) ทีLสงูขึ Vน ทํา

ให้ปฏิกิริยารีดกัชัLนของไฮโดรเจนไอออนเกิดขึ Vนช้ากว่าปฏิกิริยารีดกัชัLนของสงักะสีไอออน (Rosenqvist 1974, ศิริ

ลกัษณ์, 2545) ทําให้เกิดตะกอนสงักะสีมาเกาะทีLขั Vวแคโทดขึ Vนได้ โดยโลหะทีLนิยมนํามาใช้เป็นขั Vวแคโทดในการสกดั

สงักะสี คือ อะลูมิเนียม เนืLองจาก อะลูมิเนียมมีค่าศกัย์ไฟฟ้ารีดกัชัLนตํLากว่าสังกะสี และอะลูมิเนียมช่วยเพิLมค่า

ศกัย์ไฟฟ้าเกินตวัของไฮโดรเจน (Rosenqvist 1974, ศิริลกัษณ์, 2545) สําหรับโลหะทีLนิยมใช้เป็นขั Vวแอโนดได้แก่

เหลก็ชบุแพลทินมั เนืLองจากมีราคาทีLไมส่งู และแพลทินมัเป็นโลหะทีLเสถียรไม่ละลายและเอื Vอให้เกิดปฏิกิริยาออกซิ

เดชัLนได้เร็ว (ศิริลกัษณ์, 2545)

ในโครงงานวิจัยนี V รายงานผลการศึกษาการสกัดแยกทองแดงและสงักะสีจากขี Vเตาทองเหลือง โดยใช้

กระบวนการ Hydrometallurgy ในการละลายขี Vเตาทองเหลืองด้วยกรดซลัฟิวริกและใช้กระบวนการทางไฟฟ้าเคมี

สําหรับการสกดัแยกทองแดงและสงักะสีทีLบริสุทธิKจากสารละลายกรด รวมทั Vงให้ได้ปริมาณทองแดงและสงักะสี

ภายหลงัการสกดัมากทีLสดุโดยศกึษาอิทธิพลของความหนาแน่นกระแสในช่วงค่าต่างๆ ตามระยะเวลาทีLกําหนดไว้

ในสารละลายทองแดงและสงักะสีทีLบริสทุธิKแตกตา่งกนั

2. อุปกรณ์และวิธีการทดลอง

2.1 การเตรียมและวิเคราะห์สัดส่วนเคมีขี �เตาทองเหลือง ขี VเตาทองเหลืองถูกนํามาอบเพืLอกําจดัความชื Vน และนําไปบดให้ละเอียดต่อด้วยเครืLอง Ball milling เพืLอเพิLมพื VนทีLผิวสมัผัสของขี Vเตา ช่วยเพิLมความสามารถในการละลายให้ดีขึ Vน หลงัจากบดเสร็จสิ Vนจึงทําการร่อนแยกตะกอนขี Vเตาให้เหลือแตเ่ศษขี VเตาทีLมีขนาดทีLต้องการ ขี VเตาทองเหลืองทีLเตรียมในข้างต้น ถูกนําเอาไปวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีด้วยเครืLองวิเคราะห์ X-Ray Fluorescent (XRF) ได้ผลดงัแสดงใน Table 1

Table 1 Chemical composition of the brass scrap used in this study. The chemical analysis was conducted by using X-Ray

Fluorescent (XRF) instrument. ธาตุ ค่าเปอร์เซ็นต์โดย

นํ �าหนัก

สงักะส ี 83.46 ± 2.78 ทองแดง 7.88 ± 1.55

อลมิูเนียม 5.05 ± 1.33 เหล็ก 1.46 ± 0.85

แคลเซียม 1.35 ± 1.12 ตะกัLว 0.43 ± 0.24

โครเมียม 0.22 ± 0.25 ซลัเฟอร์ 0.19 ± 0.07

2.2 การเตรียมสารละลายบริสุทธิL และสารละลายจากขี �เตาทองเหลือง

2.2.1.) เตรียมสารละลายสงักะสีบริสทุธิKความเข้มข้น 1 M โดยละลายผง Zinc sulphate (ZnSO4·7H2O) ในนํ VากลัLนและสารละลายทองแดงบริสทุธิKความเข้มข้น 1 M โดยละลายผง Copper sulphate (Cu2SO4.5H2O) ในนํ VากลัLน

2.2.2.) เตรียมสารละลายจากขี Vเตาทองเหลือง 3 ชนิดคือ (i) สารละลายสีใส (ii) สารละลายขี VเตาทีLเหลือและ (iii) สารละลายตะกอนสนํี Vาตาลแดง

1.) การละลายขี Vเตาทองเหลอืงด้วยกรดซลัฟิวริกความเข้มข้น 1 M ทีLอณุหภมิู 60oC เป็นเวลา 1 ชัLวโมง แล้วจงึนํามากรองจะได้สารละลายสีฟ้าใส และขี�เตาที�เหลือ โดยขี VเตาทีLเหลือยงัมีปริมาณทองแดงอยู่เป็นจํานวนหนึLง

2.) สารละลายสฟ้ีาใสทีLได้ จะนําไปทําการซีเมนเตชัLนโดยทําการละลายสงักะสีในสารละลาย ทําให้เกิดการตกตะกอนของตะกอนสีนํ VาตาลแดงและสารละลายเปลีLยนจากสีฟ้าเป็นสีใสไมมี่ส ี หลงัการซีเมนเตชัLนทําการกรองแยก ได้เป็นสารละลายสีใสและตะกอนสีนํ�าตาลแดง โดยสารละลายสีใสมีไอออนสงักะสีละลายเป็นหลกั และตะกอนสีนํ Vาตาลแดงมีโลหะทองแดงผสมอยู่เป็นหลกั

3.) ตะกอนขี VเตาทีLเหลือ (จากข้อ1.) และตะกอนสีนํ Vาตาลแดง (ข้อ 2.) ถกูนําไปละลายตอ่ด้วยซลัฟิวริกความเข้มข้น 1 Mและมีไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 12% Vol. เป็นตวัเร่งปฏิกิริยา ทีLอณุหภมิู60oC เป็นเวลา 2 ชัLวโมง (ดลธิชา, 2553) จะได้เป็นสารละลายตะกอนขี�เตาที�เหลือและสารละลายตะกอนสีนํ�าตาลแดง โดยสารละลายทั Vงสองชนิดมีทองแดงไอออนเป็นหลกั แตส่ารละลายตะกอนสนํี VาตาลแดงจะมีปริมาณไอออนทองแดงทีLสงูและบริสทุธิK

กวา่สารละลายตะกอนขี VเตาทีLเหลือ ดงันั VนความบริสทุธิKของสารละลายไอออนทองแดงเรียงลําดบัจากมากไปน้อยได้ดงันี V: สารละลายทองแดง

บริสทุธิK > สารละลายตะกอนสนํี Vาตาลแดง > สารละลายตะกอนขี VเตาทีLเหลือ 2.3 การสกัดโดยใช้ไฟฟ้าเคมี 2.3.1.) การสกัดทองแดงด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี ในสารละลาย 3 กรณีคือ (1.) สารละลายทองแดงบริสุทธิK (2.) สารละลายขี VเตาทีLเหลือ และ(3.) สารละลายตะกอนสีนํ Vาตาลแดง ศึกษาทีLความหนาแน่น

กระแสทีL 250, 375 และ 500 (A/m2) อณุหภมิู 60oC เป็นเวลา 4 ชัLวโมง โดยสารละลายทั Vงสามชนิดมีความเข้มข้นของไอออนทองแดงเท่ากนัทีL 1 M

Figure 1 Experimental setup for Electrowinning of Copper

จาก Figure 1 แสดงการติดตั Vงอปุกรณ์และตอ่วงจรไฟฟ้าสําหรับกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี โดยมีทองแดง

เป็นขั Vวแคโทด และเหลก็เคลือบพลาตินัLม (Pt-coated steel) เป็นขั Vวแอโนด สารละลายถกูควบคมุอณุหภูมิด้วย Hot

plate โดยมีการกวน (stir) ด้วยแมกเนติกบาร์เพืLอช่วยให้สารละลายมีความเข้มข้นโดยทัLวถึง และทําการชัLงนํ Vาหนกั

และถ่ายรูปขั VวแคโทดเมืLอครบ 4 ชัLวโมง

2.3.2.) การสกัดสังกะสีด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี ในสารละลาย 2 กรณีได้แก่ (1.) สารละลายสงักะสีบริสทุธิKและ(2.) สารละลายสีใส ทีLความหนาแน่นกระแส 375, 500 และ 625 (A/m2) ในอณุหภูมิห้อง เป็นเวลา 4 ชัLวโมง โดยสารละลายทั Vงสองชนิดมีความเข้มข้นของไอออนสงักะสีเท่ากนัทีL 1 M โดยการสกดัสงักะสีใช้การติดตั Vงและตอ่วงจรไฟฟ้าเช่นเดียวกบัการสกดัทองแดง แต่เปลีLยนใช้อะลมิูเนียมเป็นขั Vวแคโทด และควบคมุอณุหภูมิทีLอณุหภูมิห้อง เนืLองจากค่าศกัย์ไฟฟ้าเกินตวัของไฮโดรเจนจะมีค่าสูงทีLอณุหภูมิตํLา เอื Vอให้ไอออนสงักะสีสามารถเกิดปฏิกิริยารีดกัชนัทีLขั Vวแคโทดได้ดี โดยในการทดลองทําการจดบนัทึกค่าต่างๆ เช่นเดียวกบัการสกดัทองแดงด้วยไฟฟ้าเคมี

3. ผลการทดลองและอภปิราย

3.1 การสกัดทองแดงจากสารละลายด้วยไฟฟ้าเคมี 3.1.1 ผลของความหนาแน่นกระแสต่อปริมาณทองแดงทีTสกัดได้และประสิทธิภาพการใช้ไฟฟ้า Figure 2 แสดงค่านํ VาหนักของทองแดงทีLสกัดได้บนขั Vวแคโทด และประสิทธิภาพการใช้ไฟฟ้า (Current

efficiency) ทีLความหนาแน่นกระแสทีLต่างกนั ของสารละลายทองแดงทั Vง 3 ชนิด โดยประสิทธิภาพการใช้ไฟฟ้าสามารถคํานวณได้จากกฎของฟาราเดย์ (ศิริลกัษณ์, 2545) ทีLกลา่ววา่ “ปริมาณไฟฟ้าทีLผ่านเข้าในเซลล์ เป็นสดัสว่นโดยตรงกบัปริมาณการเปลีLยนแปลงสมมลูของสารทีLเกิดขึ VนทีLขั Vวไฟฟ้าของเซลล์นั Vน” ซึLงนํ VาหนกัทีLได้จากการทดลองเมืLอเทียบกบันํ VาหนกัทีLได้ตามกฏของฟาราเดย์สามารถนํามาคํานวณค่าประสิทธิภาพการใช้ไฟฟ้าได้ โดยหากให้ Qr คือปริมาณไฟฟ้า (Coulombs) เราจะได้คา่ประสิทธิภาพการใช้ไฟฟ้า ดงัแสดงในสมการทีL 2 ด้านลา่ง

Current efficiency = total

r

Q

Q = สมการ 2

Figure 2 The weight (gram) of electro-extracted copper and the current efficiency--v.s.--current density under three different

electrolyte solutions: i) pure-Cu ion electrolyte, ii) brass-scrap residual electrolyte and iii) red-brown precipitate electrolyte

จากผลใน Figure 2 พบวา่เมืLอให้ความหนาแน่นกระแสแก่เซลล์ไฟฟ้ามากขึ Vนช่วยให้นํ VาหนกัของทองแดงทีLสกัดได้บนขั VวแคโทดเพิLมมาก แต่ค่าประสิทธิภาพการใช้กระแสไฟฟ้า (Current efficiency) จะลดลงเมืLอความหนาแน่นกระแสมากขึ Vน แต่ current efficiency โดยรวมยงัถือว่าอยู่เกณฑ์ทีLสงูเกิน 90% ในกรณีของการสกดัทีLความหนาแน่นกระแส 250 A/m2 ทีLได้คา่ current efficiency เกิน 100% นั VนเนืLองจากทองแดงไปเกาะติดทีLขอบก้านของขั VวแคโทดในบริเวณทีLไมต้่องการให้เกิดปฏิกิริยารีดกัชัLนขึ Vนดงัแสดงตวัอย่างใน Figure 3 ซึLงโดยทัLวไปจะทําการทาสีฉนวนไฟฟ้ากนัในบริเวณทีLไมต้่องการให้เกิดปฏิกิริยาไว้ มีความเป็นไปได้ทีLสีฉนวนครอบคลมุไม่ทัLวถึง จึงทําให้เกิดการเกาะติดของทองแดงในบริเวณดงักลา่ว สง่ผลให้คา่ current efficiency เกิน 100%

Figure 3 The area within the circle shows excess coppers that were electro-precipitated along the edge of the cathode

ในส่วนผลกระทบของความบริสุทธิKของสารละลาย พบว่าสารละลายทีLมีความบริสุทธิKสูงขึ Vน ได้ปริมาณทองแดงเกาะทีLขั Vวแคโทดได้มากขึ Vน และมีค่าประสิทธิภาพการใช้กระแสไฟฟ้าทีLเพิLมสูงขึ Vนเช่นเดียวกัน ในขณะทีLสารละลายขี VเตาทีLเหลือให้ผลในการสกดัทองแดงทีLตํLาทีLสดุเนืLองจากมีความบริสทุธิKของทองแดงตํLาสดุ อย่างไรก็ตาม ผลการสกดัทองแดงของสารละลายทั Vงสามกรณีจดัอยู่ในเกณฑ์ทีLน่าพอใจโดยสามารถได้ current efficiency ทีLสงูเกิน 90% ทั Vง 3 กรณี ซึLงเป็นดงัทีLคาด เนืLองจากทองแดงเป็นโลหะทีLเสถียร จึงสามารถสกดัด้วยวิธีทางไฟฟ้าเคมีได้สะดวก แม้ความบริสทุธิKในสารละลายอิเลก็โตรไลต์จะลดลงก็ตาม

3.1.2 การเกาะตัวของทองแดงทีTขั �วแคโทดทีTสารละลายแตกต่างกัน

Figure 4 แสดงภาพการเกาะตัวของทองแดงบนขั Vวแคโทด โดยบริเวณขอบของขั Vวแคโทดมีปริมาณทองแดงเกาะตวักนัอยู่อย่างหนาแน่น เนืLองมาจากบริเวณขอบมีความหนาแน่นกระแสสงู เป็นไปตามสมการความหนาแน่นกระแส i=I/A เมืLอพื VนทีLผิวลดลง ความหนาแน่นกระแสจึงสงูขึ Vน และเมืLอพิจารณาในลกัษณะทิศทางของไอออนทีLเคลืLอนทีLเข้าสู่ผิวขั Vวอิเล็กโทรดจะพบว่าบริเวณพื Vนผิวด้านหน้าและด้านหลงัของขั Vวแคโทด ไอออนสามารถเคลืLอนทีLเข้ามาเกาะติดได้ในมมุช่วงกว้าง 180o ในขณะทีLบริเวณด้านข้างของขั Vวอิเล็กโทรด ไอออนสามารถเคลืLอนทีLเข้าสู่ขั Vวได้ช่วงทีLกว้างกว่านัLนคือ 360o ทําให้บริเวณขอบด้านข้างของขั Vวแคโทดมีฟลกัซ์ของไอออน (นัLนก็คือความหนาแน่นกระแส) เข้ามาเกาะมากกวา่บริเวณด้านหน้า (ด้านหนัหน้าเข้าหาขั Vวแอโนด) และด้านหลงัของขั Vวแคโทด

Figure 4 Pictures showing the copper precipitations on the cathodes from three electrolyte solutions: i) pure-Cu ion electrolyte, ii)

red-brown precipitate electrolyte, iii) brass-scrap residual electrolyte

สีของทองแดงทีLสกดัได้จากสารละลายขี Vเตาจะเป็นสทีองแดงปนดํา เมืLอเทียบกบัทองแดงทีLสกดัได้จากสารละลายทองแดงบริสทุธิK เนืLองจากในสารละลายจากขี VเตามีธาตชุนิดอืLนปนอยู่ด้วย

3.1.3 การวิเคราะห์ตะกอนทีTสกัดได้ เพืTอหาโครงสร้างผลึกด้วยเครืTอง X-ray Diffraction (XRD) และปริมาณองค์ประกอบเคมีด้วยเครืTอง Scanning electron microscope (SEM) ทีTมี Energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) ผลการวิเคราะห์โครงสร้างผลกึของตะกอนทีLเกาะบนขั Vวแคโทด (ทีLความหนาแน่นกระแส 500 A/m2) ด้วย

เทคนิค X-ray diffraction สําหรับกรณีของสารละลาย 2 ชนิด ได้แก่สารละลายขี VเตาทีLเหลือและสารละลายตะกอน

นํ Vาตาลแดง แสดงใน Figure 5 โดยผล XRD แสดงให้เห็นว่าธาตอุงค์ประกอบหลกัของตะกอนทีLสกัดได้จากกรณี

สารละลายทั Vงสองชนิดมีทองแดงเป็นโครงสร้างหลกั โดยไมพ่บโครงสร้างสารประกอบอืLนเจือปน

Figure 5 Crystal structure analyses on the precipitates electro-extracted from (a) brass-scrap residue electrolyte and (b) red-

brown precipitate electrolyte by X-Ray Diffraction (XRD)

ผลการวิเคราะห์องค์ประกอบเคมีของตะกอนทีLสกัดได้ (ทีLความหนาแน่นกระแส 500 A/m2) ของ

สารละลายทั Vง 3 ชนิด ด้วยเครืLอง SEM/EDS แสดงใน Table 2 พบว่าตะกอนทองแดงทีLได้จากสารละลายทองแดง

บริสทุธิKมีธาตแุปลกปลอมอืLนๆเพียง 1 ธาตไุด้แก่ซลัเฟอร์ ซึLงน่าจะเจือปนมากจากสารละลายกรดซลัฟิวริก สําหรับ

ในกรณีตะกอนทองแดงทีLสกดัจากสารละลายสีนํ Vาตาลแดงและสารละลายขี VเตาทีLเหลือนั Vน พบว่ามีธาตแุปลกปลอม

อืLนเพิLมขึ Vนมาได้แก่ ซิลิกอน ซึLงเป็นธาตุทีLแปลกปลอมมาจากกากขี VเตาเริLมต้น โดยภาพรวมปริมาณสัดส่วน

เปอร์เซน็ต์โดยนํ VาหนกัของทองแดงทีLได้จากสารละลายทั Vง 3 ชนิดมีคา่ใกล้เคียงกนัทีL 90 – 93 %

Table 2 Chemical composition of the copper extracted from the cathode. The chemical analysis was conducted by using

Scanning electron microscope (SEM) with Energy Dispersive X-Ray Spectrometer (EDS)

ธาต ุ สดัสว่นเปอร์เซ็นต์โดยนํ Vาหนกั ขั Vวแคโทดกรณีใน

สารละลายทองแดงบริสทุธิK

ขั Vวแคโทดกรณีในสารละลายตะกอน

สีนํ Vาตาลแดง

ขั Vวแคโทดกรณีในสารละลายขี VเตาทีL

เหลือ Cu 90.83 93.86 91.29 S 9.17 2.81 3.12 Si - 3.33 3.27 Cl - - 2.36

3.2 การสกัดสังกะสีจากสารละลายด้วยไฟฟ้าเคมี 3.2.1 ผลของความหนาแน่นกระแสต่อนํ �าหนักและประสิทธิภาพการใช้ไฟฟ้า ในเวลา 4 ชัTวโมง Figure 6 แสดงผลของนํ VาหนกัตะกอนสงักะสีทีLสกดัได้ทีLขั Vวแคโทดและประสทิธิภาพการใช้ไฟฟ้า สําหรับความหนาแน่นกระแสทีLตา่งกนั ในกรณีของสารละลายสงักะสบีริสทุธิKและสารละลายสีใส (จากการละลายขี VเตาทองเหลืองและซีเมนเตชัLน)

จากผลการสกดัสงักะสีจากสารละลายสงักะสีบริสทุธิK พบวา่เมืLอความหนาแน่นกระแสเพิLมขึ Vน นํ VาหนกัของตะกอนสงักะสีทีLสกดัได้ทีLขั VวแคโทดเพิLมสงูขึ Vน โดย Current efficiency ในการสกดัสงักะสีสามารถทําได้สงูถึง 99% ในกรณีของความหนาแน่นกระแสเท่ากบั 375 A/m2แต่ค่า Current efficiency มีค่าลดลงหากเพิLมความหนาแน่นกระแส เนืLองจากเมืLออตัราการสกดัเพิLมเร็วขึ Vน ปริมาณไอออนสงักะสีเกาะทีLขั Vวแคโทดมากขึ Vน ปริมาณความเข้มข้นไอออนสงักะสีในสารละลายลดลงทําให้ประสิทธิภาพในการสกดัสงักะสีลดตํLาลง และเมืLอเวลาผ่านไปสงักะสีจะไปเกาะและบดบังทีLขั VวแคโทดซึLงเป็นอะลูมิเนียมซึLงมีค่าศกัย์ไฟฟ้ารีดกัชัLนมาตรฐานตํLากว่าสงักะสี ทําให้ขั Vวแคโทดดงักลา่วมีคา่ศกัย์ไฟฟ้ามาตรฐานเพิLมเข้าใกล้สงักะสี และสง่ผลให้คา่ศกัย์ไฟฟ้าเกินตวัของไฮโดรเจนลดตํLาลง ทําให้มีโอกาสในการเกิดปฏิกิริยารีดกัชัLนของไอออนไฮโดรเจนได้สงูขึ Vน และการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีทีLขั Vวแคโทดของไอออนสงักะสีลดลง เนืLองจากมีการแย่งชิงการเกิดปฏิกิริยารีดกัชัLนระหว่างไฮโดรเจนไอออนและสงักะสีไอออน ทีLเป็นเช่นนี Vเพราะสงักะสีมีคา่ศกัย์ไฟฟ้ารีดกัชนัมาตรฐานตํLากวา่คา่ศกัย์ไฟฟ้ารีดกัชัLนมาตรฐานของไฮโดรเจน

Figure 6 Weight (gram) of Zinc electro-extracted precipitates and current efficiency –vs.—current density for 2 different electrolyte

solutions: (i) pure-Zn ion electrolyte and (ii) Transparent electrolyte solution obtained after Zn cementation

สําหรับกรณีการสกดัสงักะสีจากสารละลายสีใสจากกากขี Vเตาทองเหลือง พบว่าประสิทธิภาพในการสกัดสงักะสีลดตํLาลง โดย Current efficiency สงูสดุทีLได้มีค่าตํLาเพียง 50% นอกจากนี VลกัษณะของตะกอนทีLสกดัได้มีสีดํา ซึLงแตกตา่งจากตะกอนสงักะสีทีLสกดัได้จากสารละลายสงักะสีบริสทุธิKทีLมีสีเทา (ดงัแสดงใน Figure 6) แสดงให้เห็นว่าความบริสุทธิKของสารละลายสีใสยังไม่เพียงพอ และประสิทธิภาพของการสกัดสงักะสีมีความอ่อนไหวต่อความบริสทุธิKของสารละลายมาก (แตกตา่งจากกรณีของการสกดัทองแดง) ซึLงหากต้องการเพิLมประสิทธิภาพในการสกดัสงักะสีจากสารละลายขี Vเตาทองเหลือง ควรจะมีการเพิLมขั Vนตอนการทํา Selective precipitation เพืLอสกดัธาตุโลหะอืLนๆออกไปจากสารละลายเพืLอเพิLมความบริสทุธิKของสารละลายสงักะสี 3.2.2 การเกาะตัวสังกะสีทีTขั �วแคโทดในกรณีสารละลายแตกต่างกัน

Figure 7 แสดงภาพของโลหะได้จากการสกดัสงักะสีและเกาะตวับนขั Vวแคโทด โดยลกัษณะการเกาะตวัของโลหะทีLขั Vวแคโทดกรณีสารละลายสีใส มีการเกาะตวักนัอยู่อย่างหลวมๆ และเมืLอทําการเกาะลอกสามารถทําโดยง่าย อาจเป็นเพราะวา่โลหะทีLมาเกาะตวัทีLขั Vวแคโทดไมไ่ด้มีเพียงสงักะสีแต่มีธาตอืุLนปนมาเกาะด้วย ส่งผลให้การเกาะตวัเป็นแบบร่อน ทําให้เกิดมีตะกอนสีดําตกอยู่บริเวณก้นแก้วบีกเกอร์ ซึLงเกิดจากการหลดุร่อนของโลหะทีLเกาะตวักนัไม่

แน่นบนขั Vวแคโทด ซึLงแตกต่างจากการสกัดสังกะสีจากสารละลายสังกะสีบริสุทธิKทีLไม่มีการหลุดร่อนของโลหะออกมาจากขั Vวแคโทด

Figure 7 The precipitations of Zn on cathodes electro-extracted from (i) pure-Zn ion electrolyte and (ii) Transparent electrolyte

solution obtained after Zn cementation

ด้านหน้าของขั VวแคโทดทีLหนัหน้าเข้าหาขั Vวแอโนด (ด้านหน้า) มีปริมาณการเกาะตวัของสงักะสีทีLขั Vวมากกว่าด้านหลัง เนืLองมาจากด้านหน้าของขั Vวแคโทดสามารถถ่ายเทอิเล็กตรอนได้โดยตรงกับขั Vวแอโนด ซึLงปริมาณของไอออนสงักะสีสามารถเคลืLอนทีLได้ง่ายกว่าด้านหลงั ซึLงข้อสงัเกตนี Vสามารถสงัเกตเห็นในลกัษณะเดียวกบัการสกัดทองแดงด้วยไฟฟ้าเคมี

สีของขั VวตะกอนทีLเกาะบนขั VวแคโทดกรณีสารละลายสงักะสีบริสุทธิKมีสีเทา ซึLงแสดงถึงลกัษณะสีหลกัของสงักะสี ในกรณีของตะกอนเกาะบนขั Vวแคโทดสกดัจากสารละลายสีใส เป็นตะกอนทีLมีสีเทาปนดํา เนืLองมาจากว่าในสารละลายสีใสมีสารอืLนปนอยู่ด้วย จึงทําให้เกิดการแย่งชิงกันเกิดปฏิกิริยาของธาตุโลหะอืLนมาเกาะทีLขั Vวแคโทด และเกิดเป็นธาตอืุLนเข้ามาเจือปนในตะกอนโลหะทีLขั Vว 3.2.3 การวิเคราะห์ตะกอนทีTสกัดได้ เพืTอหาโครงสร้างผลึกด้วยเครืTอง X-ray Diffraction (XRD)

Figure 8 XRD analyses on the precipitates attached on the cathode and the black precipitates that fell off the cathode

ในการวิเคราะห์ความบริสทุธิKของตะกอนทีLได้จากสารละลายสีใส โดยนําเอาตะกอนสีเทาปนดําทีLเกาะบนขั VวแคโทดและตะกอนสีดําทีLหลดุตกอยู่บนก้นบีกเกอร์ไปทําการทดสอบหาโครงสร้างผลกึของตะกอนสีดําทีLสกดัจากสารละลายสีใส ด้วยเครืLอง XRD ดงัแสดงผลใน Figure 8 พบว่าสําหรับตะกอนสีเทาดําทีLเกาะติดขั Vวแคโทดมี

โครงสร้างโลหะสงักะสีเป็นหลกั ในขณะทีLตะกอนสีดํามีปริมาณของ CuO ผสมอยู่กบั ZnO ลกัษณะสีดําทีLเกิดขึ Vนน่าจะเนืLองจาก CuO ทีLปนอยู่ในตะกอนนัLนเอง

4. สรุปผลการทดลอง

ความหนาแน่นกระแสทีLเพิLมขึ Vน สง่ผลไปเพิLมปริมาณการสกดัได้ทีLสงูขึ Vนของไอออนโลหะทั Vงกรณีทองแดงและสงักะสี ทีLระยะเวลาการสกดัทีLเท่ากนั แต่ประสิทธิภาพในการใช้กระแสไฟฟ้า (Current efficiency) จะลดลงเมืLอความหนาแน่นกระแสเพิLมขึ VนเนืLองจากความเข้มข้นของไอออนโลหะในสารละลายลดลงเร็วขึ Vน และตะกอนโลหะไปทําการปกคลมุขั Vวแคโทดทําให้การเกาะติดเป็นไปได้ยากขึ Vน

ความสามารถในการสกัดทองแดงจากสารละลายขี VเตาทองเหลืองมีผลทีLใกล้เคียงกบัความสามารถในการสกดัทองแดงจากสารละลายทองแดงบริสทุธิK โดยมีประสิทธิภาพการใช้กระแสไฟฟ้าโดยรวมสงูเกิน 90% และความบริสทุธิKของทองแดงทีLสกดัได้ใกล้เคียงกนั โดยเปอร์เซน็ต์โดยนํ VาหนกัของทองแดงในตะกอนทีLสกดัได้สงูเกิน 90 wt% สําหรับการสกดัจากสารละลายทีLความบริสทุธิKตา่งกนัทั Vงสามชนิด

การสกดัสงักะสีด้วยไฟฟ้าเคมีมีความอ่อนไหวต่อความบริสทุธิKของสารละลายเริLมต้นสงูมาก โดยการสกดัสงักะสีจากสารละลายขี VเตาทองเหลืองมีประสิทธิภาพทีLตํLาเพียง 50% เมืLอเทียบกบัการสกดัสงักะสีจากสารละลายบริสทุธิK ( current efficiency สงูถงึ 99%) โดยสดัสว่นเปอร์เซน็ต์โดยนํ Vาหนกั (Wt%) ของสงักะสีในตะกอนทีLสกดัได้จากสารละลายสงักะสีบริสทุธิKสงูถงึ 82.55 wt% ในขณะทีLตะกอนทีLสกดัจากสารละลายสีใส (จากขี Vเตาทองเหลือง) มีสดัสว่นสงักะสีตํLากวา่ 50 wt%ซึLงหากต้องการเพิLมประสิทธิภาพในการสกดัสงักะสีจากสารละลายขี Vเตาทองเหลือง ควรจะมีการเพิLมขั Vนตอนการทํา Selective precipitation เพืLอสกดัธาตโุลหะอืLนๆออกไปจากสารละลายเพืLอเพิLมความบริสทุธิKของสารละลายสงักะสี

5.กิตตกิรรมประกาศ โครงงานวิจัยนี Vได้รับทุนสนับสนุนจากกองทุนส่งเสริมและพัฒนาการวิจัย คณะวิศวกรรมศาสตร์

มหาวิทยาลยัเกษตรศาสตร์ ผู้ เขียนขอขอบพระคณุ อ.ดร.อภิชาติ โรจนโรวรรณ,อ.ธนวรรธก์ มีศกัดิK และอาจารย์ทุก

ท่านรวมถงึบคุลากรของภาควิชาวิศวกรรมวสัด ุคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลยัเกษตรศาสตร์สําหรับคําแนะนํา

สัLงสอนและให้ความเอื VอเฟืVอในด้านอปุกรณ์รวมทั VงสถานทีLในการปฏิบติัโครงงานวิจยัในครั Vงนี Vจนลลุว่งไปได้ด้วยดี

6.เอกสารอ้างอิง ดลธิชา กระจ่างฉาย. 2553. การใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และกรดไนตริกเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพืTอเพิTม

ประสิทธิภาพการละลายขี �เตาทองเหลืองในกรดซัลฟิวริก. ปริญญานิพนธ์ปริญญาตรี.ภาควิชาวิศวกรรมวสัด ุคณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลยัเกษตรศาสตร์.

ทิพากร จําปาทอง และณัฐธีร์ ชยับวรวิวฒัน์. 2551. การสกัดทองแดงจากขี �เตาการผลิตทองเหลือง.ปริญญานิพนธ์ปริญญาตรี, ภาควิชาวิศวกรรมวสัด,ุ คณะวิศวกรรมศาสตร์, มหาวิทยาลยัเกษตรศาสตร์.

วรรณิศา พรแสน. 2552. การศึกษาการชุบเคลือบ สังกะสี – นิกเกิล โดยไม่ใช้ไฟฟ้าบนแผ่นเหล็กกล้า

คาร์บอนตํTาโดยใช้สารละลายสังกะสีจากขี �เตาทองเหลือง.ปริญญานิพนธ์ปริญญาตรี ภาควิชาวิศวกรรมวสัด ุคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลยัเกษตรศาสตร์.

สจิุต สงวนเรือง. 2548. เคมีทัTวไปเล่ม 3 ทฤษฏี แบบฝึกหกั และเฉลย. ครั VงทีL 1.ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลยัเกษตรศาสตร์. กรุงเทพฯ.

ศิริลกัษณ์ นิวิฐจรรยงค์. 2545. การกัดกร่อนและการเลือกใช้วัสดุ.ครั VงทีL 1.ภาควิชาเคมีอตุสาหกรรม, คณะวิทยาศาสตร์ประยกุต์, สถาบนัเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ, กรุงเทพฯ.

Evans, J.W. and L.C. De Jonghe. 1991. The Production of Inorganics Materials. New York, NY: Macmillan.

Moore, J.J. 1990. Chemical Metallurgy. London, UK: Butterworths. Rosenqvist, T. 1974. Principles of Extractive Metallurgy. New York, NY: McGraw-Hill.