CN108493508A - 铝空气电池电解液中铝的回收方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝空气电池电解液中铝的回收方法及系统，属于铝空气电池回收技术领域。本发明提供的铝空气电池电解液中铝的回收方法，在铝空气电池使用的循环过程中对电解液中的铝进行回收，通过控制电解液的苛性比和温度梯度，使电解液中的铝酸钠分解成Al(OH)3沉淀，以固态Al(OH)3为原料，通过冶炼过程获得金属铝，降低了生产难度，工艺简单，成本较低；本发明将除去Al(OH)3沉淀后的氢氧化钠电解液进行循环利用，避免Al(OH)3沉淀在铝电极表面，防止其抑制铝空气电池的反应活性，提高铝空气电池的使用寿命；本发明所述系统，对设备要求不高，适合大规模化生产，将Al(OH)3沉淀生产得到金属铝，作为铝空气电池的负极，解决了目前从铝酸钠不便转换成金属铝的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于铝空气电池回收技术领域，具体涉及一种铝空气电池电解液中铝的回收方法及系统。
背景技术
随着科技的快速发展，人们的日常生活中充斥着各种各样的一次电池或二次电池，电池的使用给我们的生活带来了极大的便捷，但是废弃电池释放出来重金属离子、电解液会污染土壤和水资源。纵观当今的一次电池或二次电池，除铅蓄电池比较容易回收电池主体元素(铅金属)外，其它的都比较难。电池使用的各种金属都要通过复杂的冶炼过程才能够获得，而对冶炼过程而言，宁可从原矿做起，而不愿意从废电池做起，因为原矿所含杂质简单，分离比较容易，而废电池的杂质复杂，较难分离。
铝空气电池因其能量密度高、制作成本低、环保无毒、储运便捷安全，成为了理想的储能设备，在动力电池、储能领域具有广泛的应用前景。在铝空气电池使用过程中，作为铝空气电池的主体元素(铝金属)，会和电解液中的氢氧化钠反应，得到铝酸钠。目前，通常是从使用后的铝空气电池电解液中回收铝元素，即以铝酸钠为原料回收金属铝，其生产难度较大，工艺复杂，且成本较高；在铝空气电池工作过程中，铝与电解液的反应产物会生成Al(OH)3沉淀在铝电极表面，阻碍铝电极与电解液的接触，降低铝空气电池的反应活性，从而缩短铝空气电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝空气电池电解液中铝的回收方法及系统，以解决现有从使用后铝空气电池电解液中回收铝难度大，工艺复杂，成本高的问题，同时避免铝与电解液的反应产物生成Al(OH)3沉淀在铝电极表面，以提高铝空气电池的使用寿命。
本发明提供的这种铝空气电池电解液中铝的回收方法，包括以下步骤：
(1)在预定温度下使铝空气电池进行放电，铝电极在电解液中发生电化学溶解，得到含铝酸钠的电解液；
(2)将步骤(1)所得含铝酸钠的电解液抽取到电解液沉淀池内，降低电解液的温度，添加晶种使电解液中的铝酸钠分解，固液分离后得到氢氧化钠电解液和Al(OH)3沉淀；
(3)将步骤(2)所得氢氧化钠电解液进行除杂处理，然后返回至步骤(1)所述铝空气电池中，以循环利用氢氧化钠电解液；
(4)循环步骤(1)～(3)，使铝空气电池的放电过程持续进行，将步骤(2)所得Al(OH)3沉淀制备得到金属铝，作为铝空气电池的负极。
其中，苛性比为溶液中氧化钠的摩尔数与氧化铝的摩尔数之比，即αK＝n(Na2O)/n(Al2O3)。
优选的，所述步骤(1)中，控制铝空气电池电解液初期的苛性比αK≥5.0，随着铝空气电池放电过程的进行，电解液的苛性比αK降低，铝空气电池末期的苛性比αK≥1.0。
优选的，所述步骤(2)中，铝酸钠发生分解时，电解液的苛性比αK也会自然发生变化，初期低而末期高，控制沉淀池内电解液的苛性比αK为1.0～2.0。
优选的，所述铝空气电池的负极为铝电极，正极为市售催化薄膜空气电极，电解液为含氢氧化钠的溶液。
优选的，所述氢氧化钠溶液的浓度为1.5M～3M。
优选的，所述步骤(1)中，在25～50℃的温度下使铝空气电池进行放电。
优选的，所述步骤(2)中，降低电解液的温度至0～20℃，所述晶种为固体Al(OH)3。
优选的，所述步骤(3)中，氢氧化钠电解液通过循环泵返回至步骤(1)中作为铝空气电池电解液。
优选的，所述步骤(4)中，Al(OH)3沉淀制备得到金属铝，通过以下方式实现：
S1.利用蒸馏水将Al(OH)3沉淀清洗干净，置于干燥箱内烘干，得到干燥后的沉淀物；
S2.将干燥后的沉淀物置于马弗炉内进行煅烧处理，得到纯净的Al2O3粉末；
S3.将纯净的Al2O3粉末通过熔盐电解处理，得到铝金属，经浇铸轧制后制成铝电极，作为铝空气电池的负极。
优选的，所述步骤S1中，Al(OH)3沉淀的烘干温度为60～90℃，烘干时间为6～12h。
优选的，所述步骤S2中，马弗炉的煅烧温度为150～200℃，煅烧时间为5～8h。
本发明还提供所述铝空气电池电解液中铝的回收方法所采用的系统，包括铝空气电池、电解液沉淀池、电解液除杂装置和循环泵，所述铝空气电池上设有电解液出口和电解液入口，所述铝空气电池的电解液出口和电解液沉淀池的入口端连接，所述电解液沉淀池设有出液口和出料口，所述电解液沉淀池的出液口与电解液除杂装置的进料口连接，电解液除杂装置的出料口与循环泵的入口端连接，循环泵的出口端与所述铝空气电池的电解液入口连接，所述电解液沉淀池的出料口用于Al(OH)3沉淀的排出。
进一步，所述系统还包括清洗搅拌机、干燥箱、马弗炉、电解池和铝铸轧机，所述清洗搅拌机的入口端与电解液沉淀池的出料口连接，清洗搅拌机的出口端与干燥箱的入口端连接，干燥箱的出口端与马弗炉的入口端连接，马弗炉的出口端与电解池的入口端连接，电解池的出口端与铝铸轧机的入口端连接，铝铸轧机的出口端与所述铝空气电池连接，所述铝铸轧机用于将电解池生产的金属铝制备得到铝电极，用于铝空气电池的负极。
进一步，所述干燥箱为鼓风干燥箱或真空干燥箱。
进一步，所述马弗炉为箱式炉、管式炉、坩埚炉中的一种。
在铝空气电池内，铝电极进行阳极过程，生成铝酸钠溶液，铝空气电池放电过程如下：
正极：
负极：Al-3e+4OH-→Al(OH)4 -
电池：
在电解液沉淀池内，降低电解液的温度，在有晶种的条件下电解液中的铝酸钠分解，生成NaOH和Al(OH)3沉淀：
NaAl(OH)4→NaOH+Al(OH)3(s)
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
(1)本发明所述铝空气电池电解液中铝的回收方法，在铝空气电池使用的循环过程中对电解液中的铝进行回收，通过控制电解液的苛性比和温度梯度，使电解液中的铝酸钠分解成Al(OH)3沉淀，以固态Al(OH)3为原料，通过冶炼过程获得金属铝，降低了生产难度，其工艺简单，且成本较低，以便实现循环经济，保障铝空气电池的可持续发展。
(2)本发明所述铝空气电池电解液中铝的回收方法，将除去Al(OH)3沉淀后的氢氧化钠电解液进行循环利用，避免Al(OH)3沉淀在铝电极表面，防止其抑制铝空气电池的反应活性，以提高铝空气电池的使用寿命。
(3)本发明所述系统，对设备要求不高、成本较低，适合大规模产业化生产，将Al(OH)3沉淀生产得到金属铝，作为铝空气电池的负极，解决了目前从铝酸钠不便转换成金属铝的技术问题，具有重要的经济和社会意义。
附图说明
图1为本发明铝空气电池电解液中铝的回收方法的设备连接示意图。
图2为本发明铝空气电池使用的循环经济示意图。
图中：1-铝空气电池；2-电解液沉淀池；3-电解液除杂装置；4-循环泵；5-清洗搅拌机；6-干燥箱；7-马弗炉；8-电解池；9-铝铸轧机。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
本发明提供的这种铝空气电池电解液中铝的回收方法，包括以下步骤：
(1)铝空气电池的负极为铝电极，正极为市售催化薄膜空气电极，电解液为含氢氧化钠的溶液，控制铝空气电池电解液的初期苛性比αK为5.0，在30℃下使铝空气电池进行放电，铝电极在电解液中发生电化学溶解，得到含铝酸钠的电解液；
(2)将步骤(1)所得含铝酸钠的电解液抽取到电解液沉淀池内，控制初期苛性比αK为1.5，降低电解液的温度至10℃，使电解液中的铝酸钠分解，固液分离后得到氢氧化钠电解液和Al(OH)3沉淀；
(3)将步骤(2)所得氢氧化钠电解液进行除杂处理，然后通过循环泵返回至步骤(1)所述铝空气电池中，以循环利用氢氧化钠电解液；
(4)循环步骤(1)～(3)，使铝空气电池的放电过程持续进行，将步骤(2)所得Al(OH)3沉淀通过以下方式制备得到金属铝：
S1.利用蒸馏水将Al(OH)3沉淀清洗干净，置于鼓风干燥箱中，80℃保温10h，得到干燥后的沉淀物；
S2.将干燥后的沉淀物置于马弗炉内进行煅烧处理，在160℃的温度下保温6h，得到纯净的Al2O3粉末；
S3.将纯净的Al2O3粉末通过熔盐电解处理，得到铝金属，经浇铸轧制后制成铝电极，作为铝空气电池的负极。
本发明利用铝空气电池放电过程的特点控制和选择铝空气电池的电解液初期苛性比αK为5.0，电解液末期苛性比αK为1.5；利用铝酸钠溶液分解时苛性比的规律控制和选择电解液沉淀池内电解液初期苛性比αK为1.5，沉淀池电解液末期苛性比αK为2。
如图1所示，本发明铝空气电池电解液中铝的回收方法所采用的系统，包括铝空气电池1、电解液沉淀池2、电解液除杂装置3和循环泵4，铝空气电池1上设有电解液出口101和电解液入口102，铝空气电池的电解液出口101和电解液沉淀池的入口端201连接，电解液沉淀池2设有出液口202和出料口203，电解液沉淀池的出液口202与电解液除杂装置3的进料口连接，电解液除杂装置3的出料口与循环泵4的入口端连接，循环泵4的出口端与铝空气电池的电解液入口102连接，电解液沉淀池的出料口203用于Al(OH)3沉淀的排出。
本发明铝空气电池电解液中铝的回收方法所采用的系统，还包括清洗搅拌机5、干燥箱6、马弗炉7、电解池8和铝铸轧机9，清洗搅拌机5的入口端与电解液沉淀池的出料口203连接，清洗搅拌机5的出口端与干燥箱6的入口端连接，干燥箱6的出口端与马弗炉7的入口端连接，马弗炉7的出口端与电解池8的入口端连接，电解池8的出口端与铝铸轧机9的入口端连接，铝铸轧机9的出口端与铝空气电池1连接，铝铸轧机用于将电解池生产的金属铝制备得到铝电极，作为铝空气电池的负极。
本发明实施例中干燥箱采用鼓风干燥箱。
本发明实施例中马弗炉采用箱式炉。
随着铝空气电池反应的进行，在铝空气电池中，铝电极在高苛性比的电解液中发生电化学溶解生成铝酸钠；在电解液沉淀池内，控制较低的苛性比，降低电解液的温度，使铝酸钠钠溶液分解生成固态氢氧化铝，然后将电解液循环利用，铝电极最终全部溶解在电解液中，固态氢氧化铝通过冶炼过程获得金属铝，作为铝空气电池的负极，以便实现循环经济，保障铝空气电池的可持续发展，如图2所示。
本发明的设备连接示意图中只列明了主要设备，在工程实践中存在需增加配套主工艺设备的其他小型换热器、泵、阀门等并未在本工艺流程中一一具名，但其都属于本发明工艺的应用范围，不影响本发明的创新实质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铝空气电池电解液中铝的回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在预定温度下使铝空气电池进行放电，铝电极在电解液中发生电化学溶解，得到含铝酸钠的电解液；
(2)将步骤(1)所得含铝酸钠的电解液抽取到电解液沉淀池内，降低电解液的温度，添加晶种使电解液中的铝酸钠分解，固液分离后得到氢氧化钠电解液和Al(OH)3沉淀；
(3)将步骤(2)所得氢氧化钠电解液进行除杂处理，然后返回至步骤(1)所述铝空气电池中，以循环利用氢氧化钠电解液；
(4)循环步骤(1)～(3)，使铝空气电池的放电过程持续进行，将步骤(2)所得Al(OH)3沉淀制备得到金属铝，作为铝空气电池的负极。
2.根据权利要求1所述铝空气电池电解液中铝的回收方法，其特征在于，所述步骤(1)中，控制铝空气电池电解液初期的苛性比αK≥5.0，随着铝空气电池放电过程的进行，电解液的苛性比αK降低，铝空气电池末期的苛性比αK≥1.0。
3.根据权利要求1所述铝空气电池电解液中铝的回收方法，其特征在于，所述步骤(2)中，控制电解液沉淀池中电解液的苛性比αK为1.0～2.0。
4.根据权利要求1所述铝空气电池电解液中铝的回收方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在25～50℃的温度下使铝空气电池进行放电。
5.根据权利要求1所述铝空气电池电解液中铝的回收方法，其特征在于，所述步骤(2)中，降低电解液的温度至0～20℃，所述晶种为固体Al(OH)3。
6.根据权利要求1所述铝空气电池电解液中铝的回收方法，其特征在于，所述步骤(4)中，Al(OH)3沉淀制备得到金属铝，通过以下方式实现：
S1.利用蒸馏水将Al(OH)3沉淀清洗干净，置于干燥箱内烘干，得到干燥后的沉淀物；
S2.将干燥后的沉淀物置于马弗炉内进行煅烧处理，得到纯净的Al2O3粉末；
S3.将纯净的Al2O3粉末通过熔盐电解处理，得到铝金属，经浇铸轧制后制成铝电极，作为铝空气电池的负极。
7.根据权利要求6所述铝空气电池电解液中铝的回收方法，其特征在于，所述步骤S1中，Al(OH)3沉淀的烘干温度为60～90℃，烘干时间为6～12h。
8.根据权利要求6所述铝空气电池电解液中铝的回收方法，其特征在于，所述步骤S2中，马弗炉的煅烧温度为150～200℃，煅烧时间为5～8h。
9.一种根据权利要求1～8中任一项所述铝空气电池电解液中铝的回收方法所采用的系统，其特征在于，包括铝空气电池(1)、电解液沉淀池(2)、电解液除杂装置(3)和循环泵(4)，所述铝空气电池(1)上设有电解液出口(101)和电解液入口(102)，所述铝空气电池的电解液出口(101)和电解液沉淀池的入口端(201)连接，所述电解液沉淀池(2)设有出液口(202)和出料口(203)，所述电解液沉淀池的出液口(202)与电解液除杂装置(3)的进料口连接，电解液除杂装置(3)的出料口与循环泵(4)的入口端连接，循环泵(4)的出口端与所述铝空气电池的电解液入口(102)连接，所述电解液沉淀池的出料口(203)用于Al(OH)3沉淀的排出。
10.根据权利要求9所述铝空气电池电解液中铝的回收方法所采用的系统，其特征在于，所述系统还包括清洗搅拌机(5)、干燥箱(6)、马弗炉(7)、电解池(8)和铝铸轧机(9)，所述清洗搅拌机(5)的入口端与电解液沉淀池的出料口(203)连接，清洗搅拌机(5)的出口端与干燥箱(6)的入口端连接，干燥箱(6)的出口端与马弗炉(7)的入口端连接，马弗炉(7)的出口端与电解池(8)的入口端连接，电解池(8)的出口端与铝铸轧机(9)的入口端连接，铝铸轧机(9)的出口端与所述铝空气电池(1)连接，所述铝铸轧机(9)用于将电解池生产的金属铝制备得到铝电极，用于铝空气电池的负极。
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