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        廢舊磷酸鐵鋰電池粉中鋰的選擇性浸出動力學(xué)

        2022-12-24 07:23:20段金亮阮丁山陳若葵喬延超
        濕法冶金 2022年6期
        關(guān)鍵詞:鋰電池磷酸硫酸

        段金亮,阮丁山,陳若葵,喬延超

        (1.廣東邦普循環(huán)科技有限公司,廣東 佛山 528137;2.廣東省電池循環(huán)利用企業(yè)重點實驗室,廣東 佛山 528137;3.湖南邦普循環(huán)科技有限公司,湖南 長沙 410600)

        磷酸鐵鋰電池被廣泛應(yīng)用[1-2],隨之產(chǎn)生大量廢舊電池,從綠色發(fā)展角度考慮,從中回收有價金屬具有重要意義[3-4]。從廢電池中回收有價金屬的方法主要有火法、生物冶金法和濕法,目前較為成熟工藝為濕法,具有工藝穩(wěn)定性好、選擇性高、能耗小、環(huán)境污染小等優(yōu)點[5-7]。回收第一步是用酸將有價金屬轉(zhuǎn)入溶液,所用酸主要有HCl、HNO3和H2SO4[8-10]。HCl浸出會產(chǎn)生有毒氣體氯氣;HNO3的氧化性強,對設(shè)備要求較高;硫酸價格低廉,配合H2O2的氧化作用,可以促進鋰的浸出,同時也能抑制磷、鐵浸出[11]。

        試驗研究了以H2SO4+H2O2浸出體系從廢舊磷酸鐵鋰電池粉中選擇性浸出鋰,分析了浸出反應(yīng)動力學(xué),以期為廢磷酸鐵鋰電池資源化提供參考。

        1 試驗部分

        1.1 材料與試劑

        廢舊磷酸鐵鋰電池粉:湖南邦普循環(huán)科技有限公司提供。人工切割電池外殼,拆解出極片并干燥處理,極片剪裁并破碎、篩分得到黑色粉末,化學(xué)成分見表1。

        表1 廢舊磷酸鐵鋰電池粉的化學(xué)成分 %

        試劑:濃硫酸(98%)、雙氧水(30%),均為分析純。

        鋰標準溶液,鐵標準溶液,磷標準溶液:0~100 mg/L。

        1.2 試驗設(shè)備與儀器

        電熱恒溫水浴鍋(XMTD-7000型,北京永光明醫(yī)療器械有限公司),増力電動攪拌器(JJ-1型,江蘇金怡儀器科技有限公司),原子吸收分光光度計(WFX-130A型,北京北分瑞利分析儀器(集團)有限責(zé)任公司),電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(101-2EBS型,北京永光明醫(yī)療器械有限公司),分析天平(ME204E型,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司),電感耦合等離子體光譜發(fā)射儀(ICP-OES,美國賽默飛世爾科技公司),掃描電子顯微鏡(Apreo C型,賽默飛世爾科技公司),X-射線衍射儀(Ultima Ⅳ型,日本理學(xué)株式會社)。

        1.3 試驗原理與方法

        用H2SO4+H2O2體系浸出磷酸鐵鋰電池粉,浸出過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為

        Li2SO4+2FePO4·2H2O。

        (1)

        浸出反應(yīng)后,鋰生成硫酸鋰進入溶液,F(xiàn)e、P以FePO4·2H2O形式存在于渣相。

        燒杯中加入一定濃度的H2SO4溶液,置于水浴鍋中升溫至設(shè)定溫度,取50 g磷酸鐵鋰電池粉放入燒杯中,恒溫浸出一定時間后,取出燒杯,過濾,取濾液、濾渣分析其中Li、Fe、P含量,計算浸出率。計算公式為

        (2)

        式中:xB—元素(Li、Fe、P)浸出率,%;ρB—浸出液中元素(Li、Fe、P)質(zhì)量濃度,g/L;V—浸出液體積,L;m—電池粉質(zhì)量,g;wB—電池粉中元素(Li、Fe、P)質(zhì)量分數(shù),%。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 鋰的浸出

        2.1.1 硫酸用量對浸出的影響

        溫度90 ℃,浸出時間60 min,H2O2用量為理論量的3倍,硫酸用量對Li、Fe、P浸出率的影響試驗結(jié)果如圖1所示。

        圖1 硫酸用量對Li、Fe、P浸出率的影響

        由圖1看出,硫酸用量對Li浸出率影響不是很大,而對Fe、P浸出率影響較大;隨硫酸用量增大,F(xiàn)e、P浸出率提高;硫酸用量為理論量1.2倍時,F(xiàn)e、P浸出率都僅為0.45%,Li浸出率為99.87%,此時Li的選擇性浸出效果最好。磷酸鐵鋰晶體結(jié)構(gòu)的主體骨架是由Fe原子與O原子形成的FeO6八面體,使得Fe、P比Li更不易脫出,二者最后以磷酸鐵形式留在渣中。綜合考慮,選擇硫酸用量為理論量的1.2倍。

        2.1.2 浸出時間對浸出的影響

        溫度90 ℃,硫酸用量為理論量的1.2倍,H2O2用量為理論量的3倍,浸出時間對Li、Fe、P浸出率的影響試驗結(jié)果如圖2所示。

        圖2 浸出時間對Li、Fe、P浸出率的影響

        由圖2看出:隨反應(yīng)時間延長,Li浸出率先升高,反應(yīng)60 min時,達99.40%,之后趨于穩(wěn)定;而Fe、P浸出率先降低,反應(yīng)60 min時降至最低,分別為0.36%和0.10%,之后趨于穩(wěn)定。綜合考慮,確定浸出時間為60 min。

        2.1.3 溫度對浸出的影響

        浸出時間60 min,硫酸用量為理論量的1.2倍,H2O2用量為理論量3倍,溫度對Li、Fe、P浸出率的影響試驗結(jié)果如圖3所示。

        圖3 溫度對Li、Fe、P浸出率的影響

        由圖3看出:在40~90 ℃范圍內(nèi),隨溫度升高,Li浸出率逐漸升高,而Fe、P浸出率逐漸降低,說明升溫可促進離子擴散,提高化學(xué)反應(yīng)速率;溫度升至90 ℃時,Li浸出率達98.79%,F(xiàn)e、P浸出率分別低至0.3%和0.6%。綜合考慮,確定浸出溫度以90 ℃為宜。

        2.1.4 H2O2用量對浸出的影響

        溫度90 ℃,浸出時間60 min,硫酸用量為理論量的1.2倍,H2O2用量對Li、Fe、P浸出率的影響試驗結(jié)果如圖4所示。

        圖4 H2O2用量對Li、Fe、P浸出率的影響

        由圖4看出:H2O2的加入促進了反應(yīng)進行,且隨用量增加,Li浸出率升高而Fe、P浸出率下降;H2O2用量為理論量的3倍時,Li、Fe、P浸出率均趨于穩(wěn)定,F(xiàn)e、P浸出率降至最低。綜合考慮,確定適宜的H2O2用量為理論量的3倍。

        2.1.5 攪拌速度對浸出的影響

        溫度90 ℃,浸出時間60 min,硫酸用量為理論量的1.2倍,H2O2用量為理論量的3倍,攪拌速度對Li、Fe、P浸出率的影響試驗結(jié)果如圖5所示。

        圖5 攪拌速度對Li、Fe、P浸出率的影響

        由圖5看出:隨攪拌速度增大,Li浸出率明顯升高,至攪拌速度800 r/min時,基本趨于穩(wěn)定;而Fe、P浸出率變化不大。這表明攪拌速度較小時,對浸出反應(yīng)的外擴散作用明顯,而攪拌速度達一定水平后,其對浸出劑的外擴散影響不大,進而對浸出反應(yīng)影響也不大。綜合考慮,確定攪拌速度為500 r/min。

        2.2 浸出反應(yīng)動力學(xué)分析

        磷酸鐵鋰電池粉在H2SO4+H2O2體系中的浸出反應(yīng)屬于液-固相反應(yīng),浸出過程中,會經(jīng)過一系列物理、化學(xué)過程,其中沿固體相界面附近區(qū)域發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)又稱為區(qū)域化學(xué)反應(yīng)。其過程由以下步驟組成:

        1)反應(yīng)物由流體相通過邊界層向反應(yīng)固體產(chǎn)物表面擴散的外擴散;

        2)反應(yīng)物通過固體產(chǎn)物向反應(yīng)界面擴散的內(nèi)擴散;

        3)反應(yīng)物在反應(yīng)界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng);

        4)生成物由反應(yīng)界面通過固體產(chǎn)物層向邊界層擴散;

        5)生成物通過邊界層向外擴散。

        反應(yīng)過程中,浸出劑與固體磷酸鐵鋰的反應(yīng)界面不斷向核心收縮,而反應(yīng)產(chǎn)物磷酸鐵以及不溶物會附著在磷酸鐵鋰顆粒表面,反應(yīng)過程符合未反應(yīng)收縮核模型的假設(shè)[12-13]。

        浸出過程總速率取決于其中阻力最大步驟,即最慢步驟,或稱為控制步驟。浸出過程中其可能的控制步驟為液膜擴散控制、產(chǎn)物層擴散控制和界面化學(xué)反應(yīng)控制,其反應(yīng)動力學(xué)速率方程分別為[14]:

        x=k1t;

        (3)

        (4)

        (5)

        式中:k1、k2、k3—為液膜擴散控制、產(chǎn)物層擴散控制和界面化學(xué)反應(yīng)控制的表觀速率常數(shù),min-1;x—元素浸出率,%;t—浸出時間,min。

        由5圖看出,攪拌速度大于400 r/min后,攪拌對Li、Fe、P的浸出基本沒有影響,這表明浸出過程中液膜擴散不是控制步驟,而產(chǎn)物層擴散、界面化學(xué)反應(yīng)可能是控制步驟。

        圖6 不同溫度下,與t之間的關(guān)系

        根據(jù)Arrhenius方程[15],以不同溫度下lnk2、lnk3分別對1/T作圖,得到產(chǎn)物層擴散和界面化學(xué)反應(yīng)模型的Li浸出反應(yīng)的Arrhenius曲線,如圖7所示。

        a—產(chǎn)物層擴散控制模型;b—界面化學(xué)反應(yīng)控制模型。

        由圖7看出:產(chǎn)物層擴散模型和界面化學(xué)反應(yīng)模型的Li浸出反應(yīng)活化能分別為11.753 9 kJ/mol和22.58 kJ/mol。當(dāng)反應(yīng)受產(chǎn)物層擴散控制時,其表觀活化能通常在4~12 kJ/mol之間[16];當(dāng)反應(yīng)受界面化學(xué)反應(yīng)控制時,其活化能通常大于40 kJ/mol[17]。這說明,H2SO4+H2O2體系浸出Li的過程主要受產(chǎn)物層擴散控制。

        2.3 物料的表征

        磷酸鐵鋰電池粉中含有黏結(jié)劑PVDF、導(dǎo)電材料乙炔黑和負極材料石墨,浸出過程中,這些物質(zhì)幾乎不參與反應(yīng),而磷酸鐵鋰與硫酸、雙氧水反應(yīng)后生成磷酸鐵沉淀和可溶性鋰鹽。對最優(yōu)條件下的黑灰色浸出渣的形貌和組成進行分析,結(jié)果如圖8所示。由圖8(a)、(b)看出:浸出后,類球狀正極材料已不存在,浸出渣為疏松多孔顆粒團聚體,且顆粒分布均勻。由圖8(c)、(d)看出:磷酸鐵鋰電池粉主要由LiFePO4和C組成,而浸出渣主要由FePO4·2H2O和C組成,說明Li進入了浸出液。

        圖8 磷酸鐵鋰電池粉浸出前、后的SEM照片(a、b)和XRD圖譜(c、d)

        3 結(jié)論

        以H2SO4+H2O2體系從廢磷酸鐵鋰電池粉中選擇性浸出鋰的反應(yīng)符合未反應(yīng)收縮核模型,浸出過程受液固反應(yīng)產(chǎn)物層擴散控制,表觀活化能為11.753 9 kJ/mol。適宜條件下,鋰得到選擇性浸出,浸出渣主要成分為FePO4·2H2O和C。

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