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        從廢鋰離子電池除銅尾渣中浸出鈷鎳試驗(yàn)研究

        2019-08-08 09:28:58陳若葵喬延超謝堂峰
        濕法冶金 2019年4期
        關(guān)鍵詞:影響質(zhì)量

        李 強(qiáng),陳若葵,劉 超,喬延超,陳 歡,謝堂峰

        (湖南邦普循環(huán)科技有限公司,湖南 長沙 410600)

        廢鋰離子電池經(jīng)破碎分選得到電池粉末和銅鋁混合料。粉末中,銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%~5%,用硫酸浸出,浸出液采用硫化沉淀法深度除銅,產(chǎn)生的大量硫化銅渣中鈷、鎳含量較高,部分以硫化物形式存在,難以回收[1-3]。超聲波是一種機(jī)械波,在介質(zhì)中傳播時,會與介質(zhì)相互作用,使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化,從而產(chǎn)生一系列力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和化學(xué)超聲效應(yīng)[4-6]。超聲波在濕法冶金領(lǐng)域主要用于輔助強(qiáng)化浸出[7-11]。針對目前濕法處理廢鋰離子電池除銅尾渣過程中鈷、鎳浸出率低、浸出時間長等問題,試驗(yàn)研究采用超聲波強(qiáng)化浸出,以提高鈷、鎳浸出率,縮短酸浸時間。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

        廢電池除銅尾渣取自湖南邦普循環(huán)科技有限公司,粉末過40目標(biāo)準(zhǔn)篩,除去塊狀物料,在80 ℃下烘干4 h,主要化學(xué)元素分析結(jié)果見表1。

        濃硫酸,鎳標(biāo)準(zhǔn)溶液,鈷標(biāo)準(zhǔn)溶液,均為分析純。

        表1 除銅尾渣元素組成 %

        試驗(yàn)用儀器設(shè)備主要有:XMTD-7000型電熱恒溫水浴鍋(北京永光明儀器廠),JB90-SH型數(shù)顯恒速強(qiáng)力電動攪拌機(jī)(上海標(biāo)本模型廠),SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司),WFX-130A型原子吸收分光光度計(jì)(北分瑞利儀器廠),KQ-500DB型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

        1.2 試驗(yàn)原理與方法

        加熱條件下,用硫酸從除銅尾渣中浸出鈷、鎳的化學(xué)反應(yīng)式為

        (1)

        式中,Me代表鈷、鎳。常規(guī)條件下,鈷、鎳浸出率較低、浸出時間較長。超聲波具有空化作用,在溶液中可快速產(chǎn)生無數(shù)氣泡并內(nèi)爆,在極小空間產(chǎn)生沖擊,使常溫與常壓下的液體介質(zhì)中產(chǎn)生異常高溫,并將液固反應(yīng)界面的液膜層或固膜層剝落下來,借此拓寬化學(xué)反應(yīng)通道,加快化學(xué)反應(yīng)速度,強(qiáng)化物質(zhì)的傳遞過程。

        采用對照試驗(yàn)法,考察超聲波對浸出效果的影響。其中,一組為常規(guī)酸浸,另一組在常規(guī)酸浸中施加超聲波輔助攪拌。

        試驗(yàn)在1 000 mL燒杯中進(jìn)行。首先加入一定量一定濃度的硫酸溶液,水浴加熱至指定溫度,按一定液固體積質(zhì)量比加入原料,機(jī)械攪拌一定時間;對照試驗(yàn)中,施加超聲波輔助攪拌。浸出之后,過濾,干燥,分析濾渣中鈷、鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。鈷、鎳浸出率計(jì)算公式為

        (2)

        式中:η為鈷、鎳浸出率,%;m1為原料中鈷、鎳質(zhì)量,g;m2為濾渣中鈷、鎳質(zhì)量,g。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 單因素條件試驗(yàn)

        2.1.1 浸出溫度對鈷、鎳浸出的影響

        在硫酸濃度2 mol/L、液固體積質(zhì)量比10∶1、超聲功率300 W、攪拌速度500 r/min條件下浸出5 h,考察溫度對鈷、鎳浸出率的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

        圖1 浸出溫度對鈷、鎳浸出率的影響

        由圖1看出,隨溫度升高,鈷、鎳浸出率均提高。這是因?yàn)殡S溫度升高,活化分子數(shù)增加,分子間的化學(xué)碰撞概率加大,反應(yīng)速率加快,從而促進(jìn)鈷、鎳浸出。常規(guī)浸出時:溫度低于80 ℃,鈷、鎳浸出率隨溫度升高而快速提高;溫度升至80 ℃時,鈷、鎳浸出率分別為85%和81%;之后繼續(xù)升溫,二者浸出率變化均不大。超聲波輔助浸出時:溫度低于60 ℃,鈷、鎳浸出率隨溫度升高而顯著提高;溫度高于60 ℃后,鈷、鎳浸出率變化幅度較?。?0 ℃時,鈷、鎳浸出率分別為89%和86%。綜合考慮,確定適宜浸出溫度為80 ℃。

        2.1.2 硫酸濃度對鈷、鎳浸出的影響

        在浸出溫度80 ℃、液固體積質(zhì)量比10∶1、超聲功率300 W、攪拌速度500 r/min條件下浸出5 h,考察硫酸濃度對鈷、鎳浸出率的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

        圖2 硫酸濃度對鈷、鎳浸出率的影響

        由圖2看出,隨硫酸濃度升高,鈷、鎳浸出率提高。這是因?yàn)榱蛩釢舛仍礁?,其氧化性越?qiáng),破壞除銅尾渣結(jié)構(gòu)的能力更強(qiáng),有利于鈷、鎳浸出反應(yīng)發(fā)生。硫酸濃度為2 mol/L時,鈷、鎳浸出率分別為85.73%和81.19%,施加超聲波后分別為89.64%和86.53%。綜合考慮,確定硫酸濃度以2 mol/L為宜。

        2.1.3 液固體積質(zhì)量比對鈷、鎳浸出的影響

        在浸出溫度80 ℃、硫酸濃度2 mol/L、超聲功率300 W、攪拌速度500 r/min條件下浸出5 h,考察液固體積質(zhì)量比對鈷、鎳浸出率的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

        圖3 液固體積質(zhì)量比對鈷、鎳浸出率的影響

        由圖3看出:隨液固體積質(zhì)量比增大,鈷、鎳浸出率提高;常規(guī)浸出時,隨液固體積質(zhì)量比增大,鈷、鎳浸出率快速提高;液固體積質(zhì)量比增至10∶1后,鈷、鎳浸出率提高幅度不大;超聲波輔助浸出時,液固體積質(zhì)量比增至6∶1后,鈷、鎳浸出率提高幅度很小。綜合考慮,確定常規(guī)浸出時液固體積質(zhì)量比為10∶1,超聲波輔助浸出時液固體積質(zhì)量比為8∶1。

        2.1.4 浸出時間對鈷、鎳浸出的影響

        在浸出溫度80 ℃、硫酸濃度2 mol/L、液固體積質(zhì)量比10∶1、超聲功率300 W、攪拌速度500 r/min條件下,考察浸出時間對鈷、鎳浸出率的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

        圖4 浸出時間對鈷、鎳浸出率的影響

        由圖4看出:隨浸出時間延長,鈷、鎳浸出率提高;常規(guī)浸出5 h后,鈷、鎳浸出率趨于穩(wěn)定;超聲波輔助浸出2 h后,鈷、鎳浸出率趨于穩(wěn)定。綜合考慮,超聲波輔助浸出時,浸出時間以2 h為宜。

        2.1.5 攪拌速度對鈷、鎳浸出的影響

        在浸出溫度80 ℃、硫酸濃度2 mol/L、液固體積質(zhì)量比10∶1、超聲功率300 W條件下浸出5 h,考察攪拌速度對鈷、鎳浸出率的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

        圖5 攪拌速度對鈷、鎳浸出率的影響

        由圖5看出:常規(guī)浸出時,隨攪拌速度增大,鈷、鎳浸出率提高,攪拌速度大于500 r/min,鈷、鎳浸出率變化不大;而超聲波輔助浸出時,攪拌速度為100 r/min時,鈷、鎳浸出率分別穩(wěn)定于90%和87%。綜合考慮,超聲波輔助浸出時,攪拌速度為100 r/min即可。

        2.1.6 超聲功率對鈷、鎳浸出的影響

        在浸出溫度80 ℃、硫酸濃度2 mol/L、液固體積質(zhì)量比8∶1、攪拌速度100 r/min條件下浸出2 h,考察超聲功率對鈷、鎳浸出率的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示??梢钥闯?,超聲功率在200~350 W范圍內(nèi),對鈷、鎳浸出率影響不大。

        圖6 超聲功率對鈷、鎳浸出率的影響

        2.2 最優(yōu)條件下的鈷、鎳浸出

        根據(jù)單因素試驗(yàn)確定的超聲輔助浸出優(yōu)化條件(浸出溫度80 ℃,硫酸濃度2 mol/L,液固體積質(zhì)量比8∶1,浸出時間2 h,攪拌速度100 r/min,超聲功率300 W),對廢鋰電池除銅尾渣進(jìn)行超聲輔助酸浸綜合試驗(yàn),結(jié)果表明,鈷、鎳浸出率分別為90%和87%,浸出效果較好。

        3 結(jié)論

        以超聲波輔助硫酸從廢舊鋰電池除銅尾渣中浸出鈷、鎳,可以強(qiáng)化浸出效果,縮短浸出時間,提高鈷、鎳浸出率。適宜條件下,鈷、鎳浸出率可達(dá)90%和87%。此工藝操作簡單,條件可控,浸出效果較好,可用于從類似材料中浸出鈷鎳等有價金屬。

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