CN113277489A - 利用磷铁废料制备高纯度磷酸铁的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用磷铁废料制备高纯度磷酸铁的方法,先将磷铁废料与酸溶液混合进行溶解浸出,向浸出液加入铁粉除铜,再加入氟化物除铝,固液分离,向滤液加入离子交换树脂进行深度除杂,得到精制磷铁液,向精制磷铁液中加入磷源或铁源调整铁磷比,加入碱液调节pH,再搅拌反应,得到二水磷酸铁,将二水磷酸铁进行焙烧,即得磷酸铁。本发明工艺简单,磷酸铁的回收率大于98%,整个过程不会引入过多的杂质离子,对溶液进行两步除杂即可得到精制磷铁液,后续再对磷酸铁进行焙烧可除去磷酸铁中可分解的杂质,从而得到纯度较高的磷酸铁,产品杂质含量低于300ppm。
Description
技术领域
本发明属于磷酸铁制备技术领域,具体涉及一种利用磷铁废料制备高纯度磷酸铁的方法。
背景技术
磷酸铁锂作为新能源电动车用动力型锂离子电池的正极材料,具有很大的应用前景,而在制备磷酸铁锂的工艺中,采用磷酸铁作为前驱体是制备高性能的磷酸铁锂正极材料的常用工艺。
然而,目前市售磷酸铁的制备工艺多种多样,主要是采用均相沉淀法、固相合成法、水热合成法、溶胶-凝胶法等方法制备而成,主流的这些方法虽然可以合成纯度较高的磷酸铁产品,但是它们也存在很多缺陷,如耗时长、能耗高等。
若能将电池拆解得到的含磷铁的废料用来作为制备磷酸铁的原料,不仅可以减少对环境的污染,又可以实现资源的循环利用,具有非常重要的意义。然而,目前的这种工艺并不成熟,存在磷酸铁产品杂质多,纯度不高的缺点。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出一种利用磷铁废料制备高纯度磷酸铁的方法,能够获得较高纯度的磷酸铁。
根据本发明的一个方面,提出了一种利用磷铁废料制备高纯度磷酸铁的方法,包括以下步骤:
S1:将磷铁废料与酸溶液混合进行溶解浸出,固液分离,得到浸出液;
S2:向所述浸出液加入铁粉除铜,再加入氟化物,固液分离;
S3:向步骤S2得到的滤液加入离子交换树脂进行深度除杂,得到精制磷铁液;
S4:向所述精制磷铁液中加入磷源或铁源调整铁磷比,加入碱液,再搅拌反应,得到二水磷酸铁;
S5:将所述二水磷酸铁进行焙烧,即得磷酸铁产品。
其中,离子交换树脂的作用是吸附除杂,除去滤液中的其它金属杂质,如镍、钴、锰等;氟化物可以沉降浸出液中的铝和锂。
在本发明的一些实施方式中,步骤S1中,所述磷铁废料为磷酸铁锂电池粉、磷酸铁锂极片粉、磷酸铁废料或磷酸铁锂和镍钴锰酸锂混合废料中的至少一种;所述磷铁废料中铁含量大于20%,磷含量大于13%。
在本发明的一些实施方式中,步骤S1中,所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸或磷酸中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中,步骤S1中,所述酸溶液的浓度为1.0-8.0mol/L。当体系中酸浓度较低时,反应动力不足,当酸浓度过高时,液相覆盖在反应物表面,抑制了固相反应物的分散,不利于磷铁进入液相中。
在本发明的一些优选的实施方式中,所述酸溶液为硫酸;所述酸溶液的浓度为1.0-5.0mol/L。
在本发明的一些实施方式中,步骤S1中,所述酸溶液与所述磷铁废料的液固比为(3-10):1ml/g。浸出的液固比对于磷铁废料的浸出效率来说非常重要,当液固比过大,将导致铁、磷浓度降低,不利于后续的回收处理,能耗较高,但当液固比降低时,离子扩散速率降低,从而影响浸出效果。
在本发明的一些优选的实施方式中,所述酸溶液与所述磷铁废料的液固比为(3-6):1ml/g。
在本发明的一些实施方式中,步骤S1中,所述浸出的温度为40-90℃,浸出的时间为30-300min。温度升高可以使得反应的初始驱动力增大,对化学反应速率和离子扩散速率有一定促进作用,但当温度过高时,浸出液的蒸发量大幅增加,会对设备的要求增大,所以在得到高的金属浸出率的同时又要保证安全性。
在本发明的一些优选的实施方式中,所述浸出的温度为50-80℃,浸出的时间为60-240min。
在本发明的一些实施方式中,步骤S2中,加入铁粉除铜的反应温度为20-85℃,反应的时间为30-240min,加入铁粉的量为反应理论所需1-4倍。除铜反应方程式:Cu2++Fe=Cu+Fe2+,根据溶液中铜的含量,利用除铜方程式计算理论需要加入多少铁粉,然后根据实际反应需求加入理论所需的1-4倍。
在本发明的一些优选的实施方式中,加入铁粉除铜的反应温度为20-65℃,反应的时间为30-150min,加入铁粉的量为反应理论所需1-2.5倍。
在本发明的一些实施方式中,步骤S2中,所述氟化物为氟化钠、氟化钾、氟化镁或氟化钙中的至少一种。本发明采用氟化物除铝直接一步沉淀使得铝以氟化铝的形式除去,步骤简单。
在本发明的一些实施方式中,步骤S2中,加入氟化物除铝的反应温度为20-90℃,反应的时间为30-240min,加入氟化物的量为反应理论所需1-4倍。除铝反应方程式:Al3++3F-+9H2O=AlF3·9H2O↓,根据溶液中铝的含量,利用除铝方程式计算理论需要加入多少氟化物,然后根据实际反应需求加入理论所需的1-4倍。
在本发明的一些优选的实施方式中,加入氟化物除铝的反应温度为40-80℃,反应的时间为30-150min,加入氟化物的量为反应理论所需1-2.5倍。
在本发明的一些实施方式中,步骤S2中,固液分离后向滤液加入适量的弱氧化剂进行氧化,将亚铁氧化为三价铁,有利于后续进行树脂的深度除杂。
在本发明的一些实施方式中,步骤S3中,所述离子交换树脂为螯合有二乙酸亚胺基的弱酸型大孔阳离子交换树脂(Tulsion CH-90Na),主要将镍钴锰除掉。
在本发明的一些实施方式中,步骤S4中,所述磷源为磷酸、磷酸铵、磷酸氢二胺或磷酸二氢铵中的至少一种;所述铁源为二水合草酸亚铁、醋酸亚铁、硫酸亚铁或硫酸铁中的至少一种。磷源和铁源的加入量根据溶液中的磷铁含量来调整。
在本发明的一些实施方式中,步骤S4中,加入碱液调节pH至3.05-4.93;所述碱液为氢氧化钠或氨水中的至少一种。磷铁废料浸出后,浸出液中主要含有的离子包括:H+、Fe3 +、SO4 2-、PO4 3-和OH-等,调节溶液的PH值,可能生成的的沉淀有Fe(OH)3、FePO4·2H2O和Li3PO4,因此,在使用碱溶液调节PH值时,要想得到FePO4·2H2O,PH值对于此工艺来说最为关键。
在本发明的一些优选的实施方式中,加入碱液调节pH至3.05-4.05。
在本发明的一些实施方式中,步骤S4中,所述反应的温度为20-90℃,反应的时间为30-300min。
在本发明的一些优选的实施方式中,步骤S4中,所述反应的温度为30-80℃,反应的时间为60-240min。
在本发明的一些实施方式中,步骤S5中,所述焙烧的温度为200-800℃,焙烧的时间为2-12h。
在本发明的一些优选的实施方式中,所述焙烧的温度为250-700℃,焙烧的时间为2-8h。
根据本发明的一种优选的实施方式,至少具有以下有益效果:
本发明先将磷铁废料用酸溶解浸出,使得废料中的金属离子全部进到溶液中,再对溶液进行初步除铜、除铝,除掉溶液中的部分金属杂质,再经除杂树脂进行深度除杂,除掉溶液中剩余的金属杂质,将除杂后得到的精制磷铁液进行沉淀,焙烧得到纯度较高的磷酸铁产品。本发明工艺简单,磷酸铁的回收率大于98%,整个过程不会引入过多的杂质离子,对溶液进行两步除杂即可得到精制磷铁液,后续再对磷酸铁进行焙烧可除去磷酸铁中可分解的杂质,从而得到纯度较高的磷酸铁,产品杂质含量低于300ppm。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明,其中:
图1为本发明实施例1的工艺流程示意图;
图2为本发明实施例1制备的磷酸铁放大5000倍的SEM图;
图3为本发明实施例1制备的磷酸铁放大50000倍的SEM图;
图4为本发明实施例1制备的磷酸铁的XRD图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述,以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然,所描述的实施例只是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例,基于本发明的实施例,本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例,均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例以磷酸铁锂电池粉为原料制备了高纯度磷酸铁,具体过程为:
S1:将100g磷酸铁锂电池粉与2.0mol/L的硫酸溶液以液固比为5∶1ml/g混合,在浸出温度为80℃下反应180min,反应结束后,固液分离,保存滤液;
S2:向步骤S1得到的滤液中加入反应理论所需1.5倍的还原铁粉,在温度为30℃下反应60min,液固分离后再向滤液中加入反应理论所需2倍的氟化物,在温度为60℃下反应120min,固液分离;
S3:将步骤S2得到的滤液再经离子交换树脂进行深度除杂得到精制磷铁液;
S4:向精制磷铁液中加入20ml的1.5mol/L的磷酸,调整铁磷比,同时加入氨水调节pH至3.5,在温度为60℃的状态下搅拌反应240min,过滤干燥得到二水磷酸铁;
S5:将二水磷酸铁在温度为400℃下焙烧3h,获得高纯度的磷酸铁产品。
图1为本实施例的工艺流程图,原料加入酸溶液浸出,滤液加还原铁粉除铜,加氟化物除铝,再加离子交换树脂深度除杂,过滤后滤液加磷源和碱液进行沉淀反应,再高温焙烧得到磷酸铁产品。
图2和3为本实施例制备的磷酸铁在不同倍数下的SEM图,由图中可以看出,合成的磷酸铁的颗粒大小分布较为均匀,主要是由片状一次粒子长大形成2-3μm的二次类球状颗粒,形成粒度为5-6μm的团聚体。
图4为本实施例制备的磷酸铁的XRD图,从图中可以看出,制备的磷酸铁XRD图与标准卡片(PDF#29-0715)谱图相比,特征峰一一吻合,无其它杂峰存在,其衍射峰尖锐,特征峰明显,说明制备的磷酸铁纯度高,结晶性好。
本实施例的原料磷酸铁锂电池粉中各元素的含量如表1所示。
表1
成分 | Li | Fe | P | Cu | Al | O、C、H及其他杂质 |
含量(%) | 2.51 | 22.45 | 13.15 | 1.17 | 1.05 | 59.89 |
磷酸铁产品的检测结果表明,该产品各项指标均符合HG/T 4701—2014,具体检测数据参见表1。
表2
检测项目 | 标准值 | 实测值 |
铁(Fe),wt% | 29.0-30.0 | 29.26 |
磷(P),wt% | 16.2-17.2 | 16.20 |
铁磷比(Fe∶P) | 0.97-1.02 | 1.0015 |
钙(Ca),wt% | ≤0.005 | 0.001 |
镁(Mg),wt% | ≤0.005 | 0.0026 |
钠(Na),wt% | ≤0.01 | 0.0001 |
钾(K),wt% | ≤0.01 | 0.0001 |
铜(Cu),wt% | ≤0.005 | 0.0001 |
铝(Al),wt% | ≤0.01 | 0.0035 |
锌(Zn),wt% | ≤0.005 | 0.0001 |
镍(Ni),wt% | ≤0.005 | 0.004 |
硫酸盐(以SO<sub>4</sub>计),wt% | ≤0.01 | 0.0095 |
氯化物(以Cl计),wt% | ≤0.01 | 0.0005 |
实施例2
本实施例以磷酸铁废料为原料制备了高纯度磷酸铁,具体过程为:
S1:将100g磷酸铁废料与1.5mol/L的硫酸溶液以液固比为5∶1ml/g混合,在浸出温度为80℃下反应120min,反应结束后,固液分离,保存滤液;
S2:向步骤S1得到的滤液中加入反应理论所需2倍的还原铁粉,在温度为40℃下反应90min,液固分离后再向滤液中加入反应理论所需1.5倍的氟化物,在温度为65℃下反应90min,固液分离;
S3:将步骤S2得到的滤液再经离子交换树脂进行深度除杂得到精制磷铁液;
S4:向精制磷铁液中加入20ml的1.5mol/L的磷酸,调整铁磷比,同时加入氨水调节pH至3.5,在温度为60℃的状态下搅拌反应240min,过滤干燥得到二水磷酸铁;
S5:将二水磷酸铁在温度为450℃下焙烧2.5h,获得高纯度的磷酸铁产品。
本实施例的原料磷酸铁废料中各元素的含量如表3所示。
表3
成分 | Fe | P | O、H及其他杂质 |
含量(%) | 36.43 | 20.31 | 43.26 |
磷酸铁产品的检测结果表明,该产品各项指标均符合HG/T 4701—2014,具体检测数据参见表4。
表4
实施例3
本实施例以磷酸铁锂和镍钴锰酸锂混合废料为原料制备了高纯度磷酸铁,具体过程为:
S1:将100g磷酸铁锂和镍钴锰酸锂混合废料与2.5mol/L的硫酸溶液以液固比为5∶1ml/g混合,在浸出温度为80℃下反应180min,反应结束后,固液分离,保存滤液;
S2:向步骤S1得到的滤液中加入反应理论所需1.2倍的还原铁粉,在温度为40℃下反应60min,液固分离后再向滤液中加入反应理论所需2倍的氟化物,在温度为70℃下反应90min,固液分离;
S3:将步骤S2得到的滤液再经离子交换树脂进行深度除杂得到精制磷铁液;
S4:向精制磷铁液中加入30ml的1.5mol/L的磷酸,调整铁磷比,同时加入氨水调节pH至3.5,在温度为60℃的状态下搅拌反应240min,过滤干燥得到二水磷酸铁;
S5:将二水磷酸铁在温度为500℃下焙烧2h,获得高纯度的磷酸铁产品。
本实施例的原料磷酸铁废料中各元素的含量如表5所示。
表5
成分 | Li | Fe | P | Cu | Al | Ni | Co | Mn | O、C、H及其他杂质 |
含量(%) | 6.32 | 21.67 | 13.45 | 2.31 | 1.67 | 4.57 | 8.61 | 4.26 | 37.14 |
磷酸铁产品的检测结果表明,该产品各项指标均符合HG/T 4701—2014,具体检测数据参见表6。
表6
表7为实施例1-3制得磷酸铁产品中磷和铁元素的回收率。
表7
实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
磷的回收率(%) | 98.35 | 98.68 | 98.13 |
铁的回收率(%) | 98.52 | 99.08 | 98.93 |
回收率η计算公式为:η=1-(m1/2沉淀后液)/(mω1/2)
式中:η为相应元素的收率(%);m1/2分別为Fe、P在沉淀后液中的质量(g);m为反应原料的质量(g),ω1/2为原料中Fe、P的质量分数(%)。
从表7可以看出,采用本发明方法制备的磷酸铁,其磷和铁的回收率都大于98%。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明,但是本发明不限于上述实施例,在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外,在不冲突的情况下,本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (10)
1.一种利用磷铁废料制备高纯度磷酸铁的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将磷铁废料与酸溶液混合进行溶解浸出,固液分离,得到浸出液;
S2:向所述浸出液加入铁粉除铜,再加入氟化物,固液分离;
S3:向步骤S2得到的滤液加入离子交换树脂进行深度除杂,得到精制磷铁液;
S4:向所述精制磷铁液中加入磷源或铁源调整铁磷比,加入碱液调节pH,再搅拌反应,得到二水磷酸铁;
S5:将所述二水磷酸铁进行焙烧,即得所述磷酸铁。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S1中,所述磷铁废料为磷酸铁锂电池粉、磷酸铁废料或磷酸铁锂和镍钴锰酸锂混合废料中的至少一种;所述磷铁废料中铁含量大于20%,磷含量大于13%。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S1中,所述酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸或磷酸中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S1中,所述酸溶液的浓度为1.0-8.0mol/L;所述酸溶液与所述磷铁废料的液固比为(3-10):1ml/g。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S1中,所述浸出的温度为40-90℃,浸出的时间为30-300min。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S2中,所述氟化物为氟化钠、氟化钾、氟化镁或氟化钙中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S4中,所述磷源为磷酸、磷酸铵、磷酸氢二胺或磷酸二氢铵中的至少一种;所述铁源为二水合草酸亚铁、醋酸亚铁、硫酸亚铁或硫酸铁中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S4中,加入碱液调节pH至3.05-4.93;所述碱液为氢氧化钠或氨水中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S4中,所述反应的温度为20-90℃,反应的时间为30-300min。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S5中,所述焙烧的温度为200-800℃,焙烧的时间为2-12h。
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