CN113603583A - 一种生产乙醛酸和联产锂离子电池材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产乙醛酸和联产锂离子电池材料的方法，特别是以废旧三元锂离子电池正极材料为催化剂，用空气和硝酸协同氧化乙二醛水溶液生产乙醛酸，同时联产锂离子电池材料的方法，解决现有技术硝酸消耗量大和乙醛酸选择性不佳的问题；同时解决废旧三元锂离子电池材料还原浸取问题,技术方案包括废旧三元锂离子电池材料还原浸取、乙醛酸生产和锂离子电池材料制备三部分。本发明与现有硝酸氧化工艺相比，氧气和硝酸协同进行催化氧化，使氧化反应过程稳定进行，生成乙醛酸的选择性大幅提高；生产乙醛酸和联产锂离子电池材料，同时解决了废旧三元锂离子电池材料还原浸取和催化剂回收利用问题。

Description

一种生产乙醛酸和联产锂离子电池材料的方法

技术领域

本发明涉及一种生产乙醛酸和联产锂离子电池材料的方法，特别是以废旧三元锂离子电池正极材料为催化剂，用空气和硝酸协同氧化乙二醛水溶液生产乙醛酸，同时联产锂离子电池材料的方法，属于化工和新能源材料领域。

背景技术

乙醛酸是一种用途广泛的精细化学品，主要用于对羟基苯海因、香兰素和羟基膦羧酸等医药化工产品生产。乙醛酸工业生产方法主要有乙二醛氧化法、草酸还原法和顺酐臭氧化法等。乙二醛氧化法可采用各种的氧化剂在酸性条件下氧化乙二醛水溶液制备乙醛酸，而在碱性或中性条件下催化氧化也有研究，由于乙二醛的岐化反应，乙醛酸选择性不高，常用的氧化剂主要有硝酸、氮氧化物、氯气、空气及其组合。目前工业生产中采用以硝酸和空气组合的乙二醛氧化法生产乙醛酸，其化学反应式如下：

10CHOCHO+10HNO₃+3O₂ =7CHOCOOH+2(COOH)₂+2CO₂+7NO₂+3NO +6H₂O

工业生产中为了提高氧化反应速度，需要维持反应液中硝酸质量百分浓度为3%-6%，认为硝酸质量百分浓度为2%以下时，主要表现为酸性，已没有太多氧化性，氧化温度为45-55℃。由于硝酸氧化反应属于引发类型的反应，生产过程很不稳定，氧化反应的选择性也不高，产物乙醛酸很容易进一步氧化生成草酸和分解为二氧化碳，同时硝酸被还原为不能循环利用的氮气和氧化亚氮。

改进的硝酸氧化法工艺是在反应液中加入了盐酸或硫酸，在强酸性条件和温度50-60℃下，只要维持反应液中硝酸质量百分浓度为1.0%-1.5%，氧化反应就能自动引发，乙醛酸生产过程比较稳定，氧化反应的选择性也能提高，但盐酸或硫酸存在时生产设备腐蚀严重，加入的大量盐酸或硫酸分离除去比较困难。

中国专利CN101462946(2009-06-24)公开采用钒、铬和铌盐等作为氧化催化剂氧化乙二醛制备乙醛酸。中国专利CN108003008B(2020-07-12)公开采用纳米TiO₂和纳米SiO2包覆的磷钨酸和硅钨酸等固体酸催化剂，用空气和硝酸二种氧化剂协同氧化乙二醛水溶液生产乙醛酸。中国专利CN109896949A(2019-06-18)公开采用纳米ZrO2包覆的钙钛矿催化剂，用空气和硝酸二种氧化剂协同氧化乙二醛水溶液生产乙醛酸。中国专利CN109292766A(2019-02-10公开用稀硝酸-盐酸氧化活性石墨制备氧化石墨烯，用乙二醛还原活性氧化石墨烯，同时生产活性石墨烯和乙醛酸二种产品。现有氧化乙二醛制备乙醛酸工艺存在的硝酸消耗量大和乙醛酸选择性不够理想的问题，技术改进空间仍然很大。

废旧三元锂离子电池湿法回收利用过程中，遇到了镍钴锰酸锂正极材料的溶解或浸取难题。因为镍钴锰酸锂是高价态镍钴锰氧化物的固溶体，必须有还原剂存在时才能为酸碱水溶液溶解或浸取。专利公开了各种无机和有机还原剂以及络合剂用于废旧三元锂离子电池正极材料还原浸取，经典方法是采用稀硫酸和双氧水的混合溶液溶解或浸取，以双氧水作为还原剂。

乙二醛水溶液是一种性能优良的还原剂，可以代替柠檬酸、葡萄糖或氨基酸等有机络合物还原剂，可用于还原浸取废旧三元锂离子电池正极材料；三元锂离子电池材料镍钴锰（M=Ni、Co、Mn）同样是优良的乙二醛氧化催化剂，还原浸取过程的化学反应式如下。

CHOCHO+2LiMO₂+6HNO₃=CHOCOOH+2M(NO₃)₂+2LiNO₃+3H₂O。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产乙醛酸和联产锂离子电池材料的方法，特别是以废旧三元锂离子电池正极材料为催化剂，用空气和硝酸协同氧化乙二醛水溶液生产乙醛酸，同时联产锂离子电池材料的方法，解决现有技术硝酸消耗量大和乙醛酸选择性不佳的问题；同时解决废旧三元锂离子电池材料还原浸取问题。

本发明采取的技术方案包括废旧三元锂离子电池材料还原浸取、乙醛酸生产和锂离子电池材料制备三部分, 所述废旧三元锂离子电池材料是回收的正极材料粉末，其金属质量组成为Ni 15%-20%、Co 15%-18%、Mn 10%-18%、Li 2%-6%、Al 2%-5%、Cu 0.2%-1%、Fe0.1%-0.5%。

本发明中废旧三元锂离子电池材料还原浸取的技术方案为：

（1）在氧化反应器中加入质量百分浓度为40%的乙二醛、去离子水和废旧三元锂离子电池正极材料，控制投料摩尔比为：乙二醛:过渡金属=1：0.5-2, 在40-50℃下搅拌反应4-8h；

（2）然后加入硝酸调节水溶液pH值为1-2，得到乙二醛浓度3-6mol/L，含过渡金属催化剂浓度0.5-2mol/L和硝酸浓度0.1-0.3mol/L的正极材料的浸取液。

本发明中乙醛酸生产的技术方案为：

（1）在硝酸计量槽中加入质量百分浓度为50%的硝酸，将反应液加热到40-45℃，通过气体分布器通入压缩空气，空气流量为2-5L/min﹒L，控制原料累计投料摩尔比为：乙二醛：过渡金属：硝酸=1：0.2-0.3：0.2-0.3；

（2）向氧化反应器中滴加50%的硝酸溶液，0.5-1h后氧化反应引发，反应温度开始上升和产生棕色气体，用冷却水控制反应温度为40-45℃，在4-8h内完成硝酸滴加过程；

（3）加完硝酸0.5-1h后反应液中硝酸和乙二醛的质量浓度降低到0.5%以下，在1-2h将反应液升温到55-60℃，继续通空气氧化，使反应液中硝酸质量浓度降低到0.2%以下，乙二醛的质量浓度降低到0.1%以下时停止通空气和搅拌；

（4）将反应液澄清0.2-0.5h，过滤分离催化剂,可供循环使用或者后处理；

（5）反应液转入阳离子和阴离子混合树脂吸附塔中，离子交换残余的镍钴锰锂离子；用10%的硝酸溶液脱附后循环使用；

（6）反应液进入浓缩器中真空浓缩到乙醛酸浓度为50%-51%，再转入结晶器中于-2-2℃下冷却结晶草酸1-2h；

（7）分离母液中析出的草酸结晶，得到乙醛酸产品的质量指标为：乙醛酸50%-51%，草酸0.4%-0.7%，乙二醛0.1%-0.2%，重金属0-0.01%，灼烧残渣0.05-0.1%，乙醛酸产率82%-85%，草酸产率3%-5%。

本发明中锂离子电池材料制备的技术方案为：

（1）将氧化反应液中的过渡金属催化剂镍钴锰锂以草酸盐形态沉淀出来；

（2）过滤分离析出的镍钴锰锂草酸盐沉淀，用碳酸铵水溶液浸渍，转化为镍钴锰锂碳酸盐沉淀，干燥后可作为镍钴锰碳酸盐的锂离子电池材料产品销售；

（3）用碳酸铵溶液浸取转化镍钴锰锂碳酸盐沉淀，用锰系锂离子筛选择性吸附溶液中微溶性的碳酸锂盐，用盐酸水溶液浸渍再生，用碳酸钠沉淀分离，母液浓缩得到电池级碳酸锂产品；

（4）将草酸铵水溶液浓缩，结晶分离草酸铵结晶，草酸铵母液循环利用。

本发明的原理是废旧三元锂离子电池正极材料还原浸取形成了可溶性的过渡金属镍钴锰铜铁催化剂，它们形成了过渡金属硝酸盐，使硝酸在低浓度和较低温度下也能氧化乙二醛，从而能克服盐酸或硫酸腐蚀生产设备和分离困难的问题。过渡金属催化剂分子能优先吸附溶液中的乙二醛分子，使其在催化剂表面优先氧化，减少了乙醛酸的进一步氧化，从而使生成乙醛酸的选择性大幅提高。过渡金属催化剂含有可变价镍钴锰铜铁配位离子，具有氧化还原性质，络合吸附空气中的氧气就能进行催化氧化。过渡金属离子能够络合吸附NO气体分子，使其容易氧化再生为NO₂气体分子。过渡金属催化剂，使硝酸在氧化反应中还原为可循环利用的NO₂+NO，而不是N₂或N₂O，从而能降低硝酸氧化剂的消耗量90%以上。空气和硝酸二种氧化剂具有协同作用，既保证氧化反应速度比较高，又降低了硝酸消耗。

本发明中乙醛酸含量测定采用亚硫酸氢钠加成法；乙二醛含量测定采用先中和反应液，然后用过量氢氧化钠溶液歧化的方法测定；草酸含量测定采用先形成草酸钙沉淀，再用高锰酸钾法测定；重金属含量采用硫代乙酰胺比色法。

本发明中采用的原料乙二醛、硝酸、乙醚、钨酸钠、钼酸钠、硅酸钠、磷酸钠、过氧化氢、正硅酸乙酯、钛酸四丁酯和十六烷基三甲基溴化铵等均为化学试剂。原料废旧三元锂离子电池正极材料是网购工业品和自拆废旧三元锂离子电池获得。

本发明的有益效果体现在：

（1）与现有硝酸氧化工艺相比，氧气和硝酸协同进行催化氧化，使氧化反应过程稳定进行，生成乙醛酸的选择性大幅提高；

（2）与现有硝酸氧化工艺相比，氧气和硝酸协同进行催化氧化，硝酸消耗量降低90%以上，降低了尾气回收系统投资和运行成本；

（3）生产乙醛酸和联产锂离子电池材料，同时解决了废旧三元锂离子电池材料还原浸取和催化剂回收利用问题。

具体实施方式

本发明的目的是采用以下方式实现的，下面结合实施例详细说明：

实施例1

在氧化反应器中加入质量百分浓度为40%的乙二醛580g、去离子水580 g和废旧三元锂离子电池正极材料150g，废旧三元锂离子电池材料是回收的正极材料粉末，其金属质量组成为Ni 15%、Co15%、Mn14%、Li 2%、Al 2%、Cu 0.2%、Fe 0.1%。 在40-50℃下搅拌反应4h；然后加入质量浓度50%的硝酸调节水溶液pH值为1-2，得到乙二醛浓度3.6mol/L，含过渡金属催化剂浓度1.4mol/L和硝酸浓度0.1mol/L的正极材料的浸取液。

在硝酸计量槽中加入质量百分浓度为50%的硝酸，将反应液加热到40-45℃，通过气体分布器通入压缩空气，空气流量为2-5L/min﹒L，控制原料累计投料摩尔比为：乙二醛：过渡金属：硝酸=1：0.2-0.3：0.2-0.3；向氧化反应器中滴加50%的硝酸溶液，0.5-1h后氧化反应引发，反应温度开始上升和产生棕色气体，用冷却水控制反应温度为40-45℃，在4-8h内完成硝酸滴加过程；加完硝酸0.5-1h后反应液中硝酸和乙二醛的质量浓度降低到0.5%以下，在1-2h将反应液升温到55-60℃，继续通空气氧化，使反应液中硝酸质量浓度降低到0.2%以下，乙二醛的质量浓度降低到0.1%以下时停止通空气和搅拌；将反应液澄清0.2-0.5h，过滤分离催化剂,可供循环使用或者后处理；反应液转入阳离子和阴离子混合树脂吸附塔中，离子交换残余的镍钴锰锂离子；用10%的硝酸溶液脱附后循环使用；反应液进入浓缩器中真空浓缩到乙醛酸浓度为50%-51%，再转入结晶器中于-2-2℃下冷却结晶草酸1-2h；分离母液中析出的草酸结晶，得到乙醛酸产品的质量指标为：乙醛酸50%-51%，草酸0.4%-0.7%，乙二醛0.1%-0.2%，重金属0-0.01%，灼烧残渣0.05-0.1%，乙醛酸产率82%-85%，草酸产率3%-5%。

将氧化反应液中的过渡金属催化剂镍钴锰锂以草酸盐形态沉淀出来；过滤分离析出的镍钴锰锂草酸盐沉淀，用碳酸铵水溶液浸渍，转化为镍钴锰锂碳酸盐沉淀，干燥后可作为镍钴锰锂碳酸盐的锂离子电池材料产品销售。用碳酸铵溶液浸取转化镍钴锰锂碳酸盐沉淀，用锰系锂离子筛选择性吸附溶液中微溶性的碳酸锂盐，用盐酸水溶液浸渍再生，用碳酸钠沉淀分离，母液浓缩得到电池级碳酸锂产品；将草酸铵水溶液浓缩，结晶分离草酸铵结晶，草酸铵母液循环利用。

Claims (5)

1.一种生产乙醛酸和联产锂离子电池材料的方法，其特征是以废旧三元锂离子电池正极材料为催化剂，用空气和硝酸协同氧化乙二醛水溶液生产乙醛酸，同时联产锂离子电池材料的方法，解决现有技术硝酸消耗量大和乙醛酸选择性不佳的问题；同时解决废旧三元锂离子电池材料还原浸取问题。

2.权利要求1所述的一种生产乙醛酸和联产锂离子电池材料的方法，其特征是技术方案包括废旧三元锂离子电池材料还原浸取、乙醛酸生产和锂离子电池材料制备三部分, 所述废旧三元锂离子电池材料是回收的正极材料粉末，其金属质量组成为Ni 15%-20%、Co15%-18%、Mn 10%-18%、Li 4%-8%、Al 2%-5%、Cu 0.2%-1%、Fe 0.1%-0.5%。

3.权利要求1所述的一种生产乙醛酸和联产锂离子电池材料的方法，其特征是废旧三元锂离子电池材料还原浸取的技术方案为：

（1）在氧化反应器中加入质量百分浓度为40%的乙二醛、去离子水和废旧三元锂离子电池正极材料，控制投料摩尔比为：乙二醛:过渡金属=1：0.5-2, 在40-50℃下搅拌反应4-8h；

（2）然后加入硝酸调节水溶液pH值为1-2，得到乙二醛浓度3-6mol/L，含过渡金属催化剂浓度0.5-2mol/L和硝酸浓度0.1-0.3mol/L的正极材料的浸取液。

4.权利要求1所述的一种生产乙醛酸和联产锂离子电池材料的方法，其特征是乙醛酸生产的技术方案为：

（1）在硝酸计量槽中加入质量百分浓度为50%的硝酸，将反应液加热到40-45℃，通过气体分布器通入压缩空气，空气流量为2-5L/min﹒L，控制原料累计投料摩尔比为：乙二醛：过渡金属：硝酸=1：0.2-0.3：0.2-0.3；

（2）向氧化反应器中滴加50%的硝酸溶液，0.5-1h后氧化反应引发，反应温度开始上升和产生棕色气体，用冷却水控制反应温度为40-45℃，在4-8h内完成硝酸滴加过程；

（3）加完硝酸0.5-1h后反应液中硝酸和乙二醛的质量浓度降低到0.5%以下，在1-2h将反应液升温到55-60℃，继续通空气氧化，使反应液中硝酸质量浓度降低到0.2%以下，乙二醛的质量浓度降低到0.1%以下时停止通空气和搅拌；

（4）将反应液澄清0.2-0.5h，过滤分离催化剂,可供循环使用或者后处理；

（5）反应液转入阳离子和阴离子混合树脂吸附塔中，离子交换残余的镍钴锰锂离子；用10%的硝酸溶液脱附后循环使用；

（6）反应液进入浓缩器中真空浓缩到乙醛酸浓度为50%-51%，再转入结晶器中于-2-2℃下冷却结晶草酸1-2h；

（7）分离母液中析出的草酸结晶，得到乙醛酸产品的质量指标为：乙醛酸50%-51%，草酸0.4%-0.7%，乙二醛0.1%-0.2%，重金属0-0.01%，灼烧残渣0.05-0.1%，乙醛酸产率82%-85%，草酸产率3%-5%。

5.权利要求1所述的一种生产乙醛酸和联产锂离子电池材料的方法，其特征是锂离子电池材料制备的技术方案为：

（1）将氧化反应液中的过渡金属催化剂镍钴锰锂以草酸盐形态沉淀出来；

（2）过滤分离析出的镍钴锰锂草酸盐沉淀，用碳酸铵水溶液浸渍，转化为镍钴锰锂碳酸盐沉淀，干燥后可作为镍钴锰碳酸盐的锂离子电池材料产品销售；

（3）用碳酸铵溶液浸取转化镍钴锰锂碳酸盐沉淀，用锰系锂离子筛选择性吸附溶液中微溶性的碳酸锂盐，用盐酸水溶液浸渍再生，用碳酸钠沉淀分离，母液浓缩得到电池级碳酸锂产品；

（4）将草酸铵水溶液浓缩，结晶分离草酸铵结晶，草酸铵母液循环利用。