從廢鋰離子電池除銅尾渣中浸出鈷鎳試驗(yàn)研究

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(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??；80 ℃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。可以看出，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。