CN113321236A - 一种利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉的方法，将废旧锌锰电池经过拆解、分类，在真空条件下，将获得的混有铅、镉、锰的锌皮经过蒸发气化和硫化过程，在惰性气体骤冷以及加热室和冷凝室温差梯度下制得硫化锌超细粉体。本发明可有效回收利用废旧锌锰电池，同时也可应用到含锌成分较高的粗锌废料回收，本发明在减少环境重金属锌污染的同时制备出高附加值产品，具有成本低、易操作、高效、环境友好等特点。

Description

一种利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉的方法
技术领域
本发明属于环境保护与资源循环综合利用领域的固体废弃物资源化高值化回收，涉及固体废弃物中锌的资源化回收以及超细硫化锌粉体的制备，具体涉及一种利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉的方法。
背景技术
锌锰电池由于价格低廉、温度适用性宽、便于携带、便于组合、便于储存等优点，而作为使用最为普遍的一次性电池被广泛应用于各种电器。虽然经过多年的科技快速发展，锌锰电池的微汞化、无汞化基本已达成，对环境的破坏程度大大降低，但因为被逐渐锈蚀漏液，废旧锌锰电池中锌、锰、废碱等的存在仍然对环境尤其是水和土壤造成了污染，严重威胁着人类的身体健康。但另一方面，锌锰电池中的锌、锰等金属元素可被提取出来、进行资源化，将废旧锌锰电池转化为高附加值产品。因此，无论是从环境保护，还是从资源利用以及经济增长角度来看，高效合理地回收利用废旧锌锰电池显得至关重要。
目前废旧锌锰电池回收利用实际采用的方法多为先用物理方法将电池分解、然后通过粉筛或分拣将锌皮、铜帽、电解质等分类回收，研究也主要聚焦于用化学方法浸取电解质中的有用元素或者化合物，分离的锌皮多洗净后被重新铸成锌锭，因此利用废旧锌锰电池的锌质外壳制成有更高附加值的物质尚有较大研究余地。
硫化锌是具有368kJ·mol-1的禁带宽度的电子过剩的本征态半导体，当掺入锌时，在n型产物中的禁带宽度只有24kJ·mol-1。它具有压电和热电性质，是具有340nm最大波长的光导体。硫化锌作为一种宽带隙半导体，体相材料的带隙为3.75eV，3nm的硫化锌颗粒的带隙为4.13eV，发生明显的蓝移，是一种有潜力的光子材料。当固态硫化锌受到紫外辐射(低于335nm)、阴极射线、x射线、r辐射以及电场(电荧光)激发时会产生辐射，即它的光学性质是显著的。如果控制加入不同的活化剂，激发的辐射光波长还可以改变。所以，硫化锌是一种非常重要的荧光材料，在早期被用于X射线和电子束的探测，同时在制造阴极射线管、显示器、红外光学材料等领域中有重要应用。随着社会对高性能光学和电学性质仪器的发展，具有独特光学性能和电学性能的半导体材料硫化锌超细粉将会受到广泛重视，并且未来市场需求广阔。
发明内容
本发明针对现有回收废旧锌锰电池技术不足、回收产品附加值低的现状，以解决废旧锌锰电池所造成的资源浪费和环境污染问题为目的，提出了一种简单高效、几乎无污染的利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉体的方法。本发明创新性地提出一种以废旧锌锰电池锌皮为原料，在真空条件下，采用加热蒸发气化同时硫化、通入惰性气体骤冷的方法制备高纯度高分散的超细硫化锌粉体。本发明方法在封闭系统中进行，无杂质引入，得到的产品纯度高；无污染物排放，不会造成环境污染，实现废旧锌锰电池高效、无污染、高值化回收。
本发明利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉体的方法中，在真空条件下，采用加热蒸发气化同时硫化、通入惰性气体骤冷的方法处理废旧锌锰电池的锌皮，制备硫化锌超细粉体。
本发明提供了一种利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉的方法，将通过破碎筛分工艺从废旧锌锰电池中得到的锌皮放入真空炉加热室进行加热，同时在加热室前放硫化剂，通过控制加热室和冷凝室温度、氮气压强、冷凝距离以及收集基底等运行条件，使得锌皮在真空条件下，经过蒸发、气化分离和硫化，然后在惰性气体骤冷以及加热室和冷凝室温差梯度下，制得硫化锌超细粉。
所述方法具体包括以下步骤：
步骤(1)：将从废旧锌锰电池中获得的锌皮置于容器中，然后置于真空炉加热室中，同时将装有硫化剂的容器置于加热室中；
步骤(2)：待真空炉密封后启动真空系统抽气，使得真空炉内的压力为0.01～20Pa；
步骤(3)：打开氮气系统，通入氮气至真空炉内压强为1000～5000Pa并保持恒定，同时启动真空电炉电源，以升温速率5～10℃/min分别将真空炉加热室和真空炉冷凝室加热到600～750℃和300～450℃，保持时间0.5～1.5h；
步骤(4)：在惰性气体骤冷以及加热室和冷凝室温度差梯度下，在真空炉冷凝室内，于冷凝距离10～70cm处平放收集基底，收集冷凝的硫化锌蒸汽，直至冷却至室温，得到硫化锌超细粉。
本发明在步骤(1)之前还包括预处理步骤：将废旧锌锰电池经破碎和分离工艺得到锌皮。同时还分离得到铜帽、碳棒、塑料、纸和含Mn电解质等。
进一步地，
所述步骤(1)中，所述容器优选地为耐高温的坩埚。
所述步骤(1)中，所述装有锌皮的容器与装有硫化剂的容器在真空炉加热室中的具体位置没有特别要求。
所述步骤(1)中，所述硫化剂包括但不限于硫粉，还可以是其他硫化剂，如硫代硫酸钠；优选地，为硫粉。
所述步骤(1)中，所述硫化剂与锌皮的摩尔比为2：1-1：1；优选地，为2：1。
所述步骤(2)中，所述真空炉内的压力优选为10Pa。
所述步骤(3)中，所述通入氮气至真空炉内压强优选为1200Pa。
所述步骤(3)中，优选地，以10℃/min的升温速率分别将反应室和冷凝室加热至600℃和450℃，并保持1h。
所述步骤(4)中，所述“惰性气体骤冷”是指通入20℃的氮气。
所述步骤(4)中，所述基底为冷凝收集片，其包括100～400目不锈钢网、光滑石英片、氧化铝纤维丝等；优选地，为光滑石英片。
所述步骤(4)中，所述的硫化锌超细粉为立方晶系的闪锌矿结构和六方晶系的纤锌矿结构，其纯度高于95％，粒径在10～100nm。
本发明中加热室中的硫化锌蒸汽随惰性气体进入真空炉冷凝室，利用惰性气体骤冷以及加热室和冷凝室的温度差，冷凝得到硫化锌超细粉。
在一个具体实施方式中，所述方法具体包括以下步骤：
(1)将废旧锌锰电池经破碎和分离工艺得到锌皮、铜帽、碳棒、塑料、纸和含Mn电解质；
(2)从步骤(1)中获得的锌皮置于耐高温的坩埚中，把坩埚放到真空炉加热室，同时在加热室前用坩埚装有足够的硫粉；
(3)系统密封后启动真空系统抽气，使得真空炉内的压力为0.01～20Pa；
(4)打开氮气系统，通入氮气至系统内压强为1000～5000Pa并保持恒定，同时启动真空电炉电源，以升温速率5～10℃/min分别将加热室和冷凝室加热到600～750℃和300～450℃，保持时间0.5～1.5h；
(5)在惰性气体骤冷以及加热室和冷凝室温度差梯度下，在真空炉冷凝室内，于冷凝距离10～70cm处平放收集基底收集冷凝的硫化锌蒸汽，直至冷却至室温，得到硫化锌超细粉。
本发明还提供了由上述方法制备得到的硫化锌超细粉。
所述硫化锌超细粉为立方晶系的闪锌矿结构或六方晶系的纤锌矿结构，其纯度高于95％，粒径为10～100nm。
本发明还提供了所述硫化锌超细粉在白色的颜料及玻璃、发光粉、橡胶、塑料、发光油漆等中的应用。
本发明回收方法，使得废旧锌锰电池中的锌得到高值化回收利用，促进了有限资源的循环利用的同时，也缓解了废旧锌锰电池给人类及环境带来潜在重金属污染的危害。
本发明方法的反应原理体现在锌蒸气的硫化反应上，在反应过程中，锌的硫化速率与蒸发速率两者之间容易实现平衡，即，本发明方法的技术突破在于实现废弃锌皮中锌的蒸发与硫化同步发生，进而在载气骤冷的条件下，制得形貌均一的纳米硫化锌粉。
本发明利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉的方法，具有工艺稳定、易操作、简便、高效、流程短、环境友好等特点。结合其他研究，废旧锌锰电池的各个组分都能得到妥善的资源化处理；相比于传统的破碎分拣方法回收废旧锌锰电池中锌并重新铸成锌锭的方法，本发明的回收方法通过添加硫化剂，可以完全改变产品的性质，使得产物的高附加值方面优势突出：硫化锌超细粉具有优良的荧光效应、光电效应及电致发光功能，在电学、磁学、光学、力学和催化等领域呈现出许多优异的性能。
附图说明
图1为本发明利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉的方法的示意流程图。
图2是本发明方法制得的粒径10～100nm的超细硫化锌粉体的扫描电子显微镜照片。
图3是本发明方法制得的超细硫化锌粉体的能谱图。
图4为本发明方法制得的超细硫化锌粉体的XRD图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
图1为本发明利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉的方法的示意流程图。如图1所示，首先将废旧锌锰电池拆解分拣，将得到的锌皮拣出。废旧锌锰电池分解后的其他组成部分同样分类回收、资源化处理以避免环境污染。然后将所得到的锌皮置于坩埚放入真空炉加热室，同时在加热室前方用坩埚放置硫粉，通过控制适宜的运行条件，在真空条件下，锌皮经蒸发气化、硫化和惰性气体骤冷等过程，得到纯度>95％以上的硫化锌超细粉体。
其中，“适宜的运行条件”是指加热温度600～750℃、冷凝温度300～450℃、惰性气体氮气压强为1000～5000Pa、冷凝距离为10～70cm。
实施例1
首先将废旧锌锰电池经常规工艺进行破碎筛分，将得到的锌皮用坩埚承载放入真空炉的加热室中，同时用坩埚装适量硫粉(硫粉与锌皮的摩尔比为2:1)置于锌皮所在加热室的前方。在冷凝室放入石英片作为收集基底。真空炉中具体分布见图1所示。真空炉密闭后启动抽真空泵组排尽炉内的空气，使得炉内的真空度处于10Pa，避免金属在加热过程中被氧化。然后通入氮气使系统压强保持1200Pa，打开反应室和冷凝室的加热开关，以10℃/min的升温速率分别将反应室和冷凝室加热至600℃和450℃，并保持60min。锌皮中的锌经蒸发气化后被硫蒸气硫化成硫化锌蒸气，硫化锌蒸气随氮气流进入冷凝室，由于氮气的分散、冷却作用以及加热室和冷凝室之间巨大的温度差值，进入冷凝室的硫化锌蒸气最终冷凝在石英片上。待系统冷却至室温后，将石英片上的白色粉末刮下收集即得到超细硫化锌粉体。
图2是收集到的超细硫化锌粉样品的扫描电镜照片。从照片中可以看出所制备的超细硫化锌粉半径整体介于10-100纳米之间。
图3的能谱图和图4的X-射线衍射图表明本发明实施例1所制备的超细硫化锌粉体纯度很高，呈立方晶系的闪锌矿结构和六方晶系的纤锌矿结构。
实施例2-实施例5
首先将废旧锌锰电池经常规工艺进行破碎筛分，将得到的锌皮用坩埚承载放入真空炉的加热室中，同时用坩埚装适量硫粉(硫粉与锌皮的摩尔比为2:1)置于锌皮所在加热室的前方。在冷凝室放入石英片作为收集基底。真空炉密闭后启动抽真空泵组排尽炉内的空气，使得炉内的真空度处于10Pa，避免金属在加热过程中被氧化。然后通入氮气使系统压强保持1200Pa，打开反应室和冷凝室的加热开关，控制加热温度低于600℃或高于750℃，冷凝温度低于300℃(具体见下表1)。锌皮中的锌经蒸发气化后被硫蒸气硫化成硫化锌蒸气，硫化锌蒸气随氮气流进入冷凝室，由于氮气的分散、冷却作用以及加热室和冷凝室之间巨大的温度差值，进入冷凝室的硫化锌蒸气最终冷凝在石英片上。待系统冷却至室温后，将石英片上的白色粉末刮下收集，所得硫化锌粉粒径均不在10-100nm范围内，具体见表1。
表1
Figure BDA0002611665580000051
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离本发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (11)

1.一种利用废旧锌锰电池锌皮制备硫化锌超细粉的方法，其特征在于，将从废旧锌锰电池中得到的锌皮放入真空炉加热室进行加热，同时在加热室前放硫化剂，通过控制加热室和冷凝室温度、氮气压强、冷凝距离以及收集基底，使得锌皮在真空条件下，经过蒸发气化分离和硫化，然后在惰性气体骤冷以及加热室和冷凝室温差梯度下，制得硫化锌超细粉。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：将从废旧锌锰电池中得到的锌皮置于容器中，然后放到真空炉加热室，同时将装有硫化剂的容器置于所述真空炉加热室中；
步骤(2)：待真空炉密封后启动真空系统抽气，使得真空炉内的压力为0.01～20Pa；
步骤(3)：打开氮气系统，通入氮气至真空炉内压强为1000～5000Pa并保持恒定，同时启动真空电炉电源，以升温速率5～10℃/min分别将真空炉加热室和真空炉冷凝室加热到600～750℃和300～450℃，保持时间0.5～1.5h；
步骤(4)：在惰性气体骤冷以及加热室和冷凝室温度差梯度下，在所述真空冷凝室内，于冷凝距离10～70cm处平放收集基底，收集冷凝的硫化锌蒸汽，直至冷却至室温，得到硫化锌超细粉末。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将废旧锌锰电池经破碎和分离工艺得到锌皮。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述硫化剂包括硫粉、硫代硫酸钠。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述硫化剂与锌皮的摩尔比为(2:1-1:1)。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述基底为冷凝收集片，其包括100～400目不锈钢网、光滑石英片、氧化铝纤维丝。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述硫化锌的回收率达到95％以上。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述硫化锌超细粉为立方晶系的闪锌矿结构或六方晶系的纤锌矿结构，其纯度高于95％，粒径为10～100nm。
9.如权利要求1-8之任一项所述方法制备得到的硫化锌超细粉。
10.如权利要求9所述的硫化锌超细粉，其特征在于，所述硫化锌超细粉为立方晶系的闪锌矿结构或六方晶系的纤锌矿结构，其纯度高于95％，粒径为10～100nm。
11.如权利要求9或10所述的硫化锌超细粉在白色的颜料、玻璃、发光粉、橡胶、塑料中的应用。
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