CN116443833A - 从废旧电池中回收多组分的回收方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种从废旧电池中回收多组分的回收方法,包括:将废旧电池拆解收集废磷铁渣;将收集的废磷铁渣进行酸浸处理得到含磷铁铜铝的初始酸浸液;将铁粉加入初始酸浸液中进行除铜处理得到除铜酸浸液和铜单质产品;向除铜酸浸液中加还原剂、并调节pH为2.5~3进行除铝处理得到除铝酸浸液和含铝渣;将含铝渣进行酸溶后得到含铝酸溶液,调节pH为10~14进行沉淀反应后固液分离得到氢氧化亚铁固体渣和含铝滤液,将含铝滤液进行沉铝处理得到磷酸铝产品;调节除铝酸浸液的磷铁比≥1、且pH为1.5~2,同时加氧化剂后进行沉铁处理,沉淀物焙烧得到磷酸铁产品。本申请可以实现铜、铝和铁等元素的高效率回收利用,应用前景好。

Description

从废旧电池中回收多组分的回收方法
技术领域
本申请属于电池材料回收技术领域,尤其涉及一种从废旧电池中回收多组分的回收方法。
背景技术
磷酸铁锂作为目前主流动力电池使用的电极材料之一,主要具有以下特点:理论比容量高(室温下为170mAh/g),稳定的橄榄石晶型结构,热稳定性好、电压平台稳;良好的循环使用性能,经过数千次循环后,其放电容量依旧能达到起始容量的80%。使用磷酸铁锂的锂离子电池,其退役后仍含有较高容量的可利用元素如锂等,因此这种退役后的锂离子电池又称为“城市矿山”。若高效回收退役锂离子电池中的各元素,既能避免有效废旧电池对环境和人体健康带来的不利影响,又能实现贵金属资源的高效回收利用。
目前,大部分企业只回收磷酸铁锂电池中的锂,其余部分以废渣(即废磷铁渣)的形式一并处理,用于堆肥、建筑材料等。然而,随着近年原材料涨价,这种废磷铁渣料的回收价值也在逐渐提升。这种废磷铁渣中一般仍会含有部分氧化铝和氧化铜等杂质,若采用无机酸浸泡等形式对其进行回收,这些杂质将以离子的形式一并存在于溶液中,其含量对后续磷酸铁产品的制备产生较大的影响,同时也大大影响了再生电池的性能,因此,在湿法回收工艺中如何去除铝、铜等杂质离子以提高磷酸铁纯度是亟待解决的问题。
目前,电池粉除铝的方法有树脂法除铝,例如CN113800494 A的中国专利文献公开了一种从废旧磷酸铁锂电池材料酸浸出液中选择性回收铝的方法,其采用膦酸基阳离子螯合树脂选择性吸附分离废旧磷酸铁锂电池材料酸浸出液中铝。该方法虽然能够选择性提取铝,但是阳离子螯合树脂用量大,而且引入了新的杂质离子,吸附和脱附的酸碱用量极大,对生产成本大大增加,无法应用于工业生产中。另外也有用有机物络合物沉淀除铝,例如CN113880063 A的中国专利文献公开了废旧磷酸铁锂提锂后磷铁渣的除铝方法,其选用吡啶甲酸类化合物、喹啉甲酸类化合物和异喹啉-3-甲酸类化合物作为除铝剂。虽然这些有机除铝剂有效地去除铝杂质,但是除铝剂不能回收利用,生成的有机络合物沉淀只能以废渣的形式处理,经济利用价值大大降低。
因此,急需寻求一种可以对废旧电池中的废磷铁渣进行更好的回收的方法。
发明内容
本申请的目的在于提供一种废旧电池中多组分的回收方法,旨在解决如何更有效地回收废旧电池中废磷铁渣的技术问题。
为实现上述申请目的,本申请采用的技术方案如下:
本申请提供一种从废旧电池中回收多组分的回收方法,包括:
将废旧电池拆解收集废磷铁渣;
将收集的废磷铁渣进行酸浸处理得到含磷铁铜铝的初始酸浸液;
向铁粉加入初始酸浸液中进行除铜处理得到除铜酸浸液和铜单质产品;
向除铜酸浸液中加还原剂,然后调节pH为2.5~3进行除铝处理得到除铝酸浸液和含铝渣;
将含铝渣进行酸溶后得到含铝酸溶液,调节含铝酸溶液的pH为10~14进行沉淀反应后固液分离得到氢氧化亚铁固体渣和含铝滤液,将含铝滤液进行沉铝处理得到磷酸铝产品;
调节除铝酸浸液的磷铁比≥1、且pH为1.5~2,同时加氧化剂后进行沉铁处理,将沉铁处理得到的沉淀物焙烧得到磷酸铁产品;
回收方法回收到的多组分包括:铜单质产品、磷酸铝产品和磷酸铁产品。
在一实施例中,将收集的废磷铁渣进行酸浸处理得到含磷铁铜铝的初始酸浸液的步骤包括:按照液固比为1:(4~10)将无机酸液与废磷铁渣混合,然后在40~90℃的条件下酸浸反应2~12h,过滤得到碳粉和初始酸浸液。
在一实施例中,将铁粉加入初始酸浸液中进行除铜处理得到除铜酸浸液和铜单质产品的步骤包括:按照铁粉与初始酸浸液中铜离子的摩尔比为1.2~1.5:1的计量向初始酸浸液中加入铁粉,然后在40~90℃的条件下还铜反应1~5h,过滤得到除铜酸浸液和铜单质产品。
在一实施例中,向除铜浸液中加还原剂、并调节pH为2.5~3进行除铝处理得到除铝酸浸液和含铝渣的步骤包括:
按照还原剂与除铜酸浸液中三价铁离子的摩尔比为1.2~1.5:1,向除铜酸浸液中加入还原剂,然后加入碱试剂调节除铜酸浸液的pH为2.5~3,在40~90℃的条件下反应1~5h,过滤得到除铝酸浸液和含铝渣。
在一实施例中,还原剂选自铁粉和亚硫酸钠中的至少一种;
和/或,碱试剂选自氢氧化钠和碳酸钠中的至少一种。
在一实施例中,调节含铝酸溶液的pH为10~14进行沉淀反应的步骤包括:
将碳酸钠和氢氧化钠中的至少一种加入含铝酸溶液中使含铝酸溶液的pH为10~14,然后在40~90℃的条件下进行沉淀反应。
在一实施例中,将含铝滤液进行沉铝处理得到磷酸铝产品的步骤包括:
调节含铝滤液的磷铝比为1:0.98~1.05、pH为3.5~5.5后进行沉铝反应,然后过滤得到所述磷酸铝产品。
在一实施例中,用磷酸调节所述含铝滤液的磷铝比为1:0.98~1.05,用硫酸调节所述含铝滤液的pH为3.5~5.5;和/或,
沉铝反应包括在70~90℃的条件下反应1~4h。
在一实施例中,调节除铝酸浸液的磷铁比≥1、pH为1.5~2,同时加氧化剂后进行沉铁处理的步骤包括:
测量除铝酸浸液中的实际磷铁比,然后加入三价铁盐或磷源调节除铝酸浸液的磷铁比至1~1.02:1;
向磷铁比为1~1.02:1的除铝酸浸液中加入无机碱液调节pH至1.5~2,然后按照还原剂与除铝酸浸液中二价铁的摩尔比为1~2:1的计量,向除铝酸浸液中加入所述氧化剂,在40~90℃的条件下反应3~5h;其中,氧化剂选自双氧水、过硫酸钠、液氧和压缩空气中的至少一种。
在一实施例中,将沉铁处理得到的沉淀物进行焙烧的步骤包括:将沉淀物在200~800℃的条件下进行焙烧2~12h。
本申请提供的从废旧电池中回收多组分的回收方法,主要是从废旧电池拆解收集的废磷铁渣中回收铜单质单品、磷酸铝产品以及磷酸铁产品,具体地,该回收方法中将废旧电池拆解收集的废磷铁渣原料经过酸浸处理得到初始酸浸液后对酸浸液进行除铜处理得到铜单质单品,而除铜后的除铜酸浸液通过与还原剂和pH参数的结合进行除铝得到除铝酸浸液和含铝渣,含铝渣经过酸溶、调pH和沉铝处理得到高纯度的磷酸铝产品,而除铝酸浸液经过一定条件的沉铁处理可以得到高纯度的磷酸铁产品。因此,本申请的上述回收方法,基本可以将废旧电池中的废磷铁渣中各多组分回收,实现铜、铝和铁等元素的高效率回收利用,而且产品纯度高,整个工艺基本没有废渣产生,具有很好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的从废旧电池中回收多组分的回收方法对流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
本申请中,术语“和/或”,描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B的情况。其中A,B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中,“至少一种”是指一种或者多种,“多种”是指两种或两种以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达,是指的这些项中的任意组合,包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。
应理解,在本申请的各种实施例中,上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,部分或全部步骤可以并行执行或先后执行,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量,也可以表示各组分间重量的比例关系,因此,只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地,本申请实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,用来将目的如物质彼此区分开,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如,在不脱离本申请实施例范围的情况下,第一XX也可以被称为第二XX,类似地,第二XX也可以被称为第一XX。由此,限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例提供一种从废旧电池中回收多组分的回收方法,回收方法回收到的多组分包括:铜单质产品、磷酸铝产品和磷酸铁产品;如图1所示,该回收方法包括如下步骤:
S01:将废旧电池拆解收集废磷铁渣;
S02:将收集的废磷铁渣进行酸浸处理得到含磷铁铜铝的初始酸浸液;
S03:将铁粉加入初始酸浸液中进行除铜处理得到除铜酸浸液和铜单质产品;
S04:向除铜酸浸液中加还原剂,然后调节pH为2.4~3进行除铝处理得到除铝酸浸液和含铝渣;
S05:将含铝渣进行酸溶后得到含铝酸溶液,调节含铝酸溶液的pH为10~14进行沉淀反应后固液分离得到氢氧化亚铁固体渣和含铝滤液,将含铝滤液进行沉铝处理得到磷酸铝产品;
S06:调节除铝酸浸液的磷铁比≥1、且pH为1.5~2,同时加入氧化剂后进行沉铁处理,将沉铁处理得到的沉淀物进行焙烧得到磷酸铁产品。
本申请实施例提供的从废旧电池中回收多组分的回收方法,其中多组分主要是从收集的废磷铁渣中回收到的铜单质单品、磷酸铝产品以及磷酸铁产品。具体地,该回收方法中将废旧电池拆解收集的废磷铁渣原料经过酸浸处理得到初始酸浸液后对酸浸液进行除铜处理得到铜单质单品,而除铜后的除铜酸浸液通过还原剂和pH参数的结合进行除铝得到除铝酸浸液和含铝渣,含铝渣经过酸溶、调pH和沉铝处理得到高纯度的磷酸铝产品,而除铝酸浸液经过一定条件的沉铁处理可以得到高纯度的二水磷酸铁。具体地,其中除铝处理过程中加入有还原剂可以让除铜酸浸液中的铁元素保持在二价铁的状态、同时在pH为2.5~3的特定条件下进行,使三价铝相对二价铁先沉淀,从而使铝铁更好地分离,后续除铝酸浸液经过磷铁比≥1、且pH为1.5~2的条件沉铁处理从而可以得到高纯度的磷酸铁产品,含铝渣经过酸溶、调pH和沉铝处理得到高纯度的磷酸铝产品。综上,本申请实施例提供的上述回收方法,可以将废旧电池中废磷铁渣中各多组分回收,实现铜、铝和铁等元素的高效率回收利用,整个工艺基本没有废渣产生,具有很好的应用前景。
对于步骤S01:将废旧电池拆解收集废磷铁渣。
本申请实施例的回收方法对废旧电池中废磷铁渣原料的适应性好,废旧电池中废磷铁渣可以是含碳废磷铁渣或者不含碳废磷铁渣,具体可以是从废旧锂离子电池中拆解收集的废磷酸铁锂正极材料通过锂元素回收工艺后剩下的废磷铁渣,一般含有碳粉以及部分氧化铝和氧化铜等杂质。
在一实施例中,本申请提供的废磷铁渣各元素含量如表1所示。
表1某企业磷酸铁锂废旧电池黑粉提锂后废磷铁渣主要元素含量(%)
元素 C Fe Li Cu Al P
含量 38.21 24.63 0.068 0.68 0.98 14.52
对于步骤S02:将废旧电池中收集的废磷铁渣进行酸浸处理得到含磷铁铜铝的初始酸浸液。
废磷铁渣的上述酸浸出处理过程发生以下反应方程式:
FePO4+3H+=Fe3++H3PO4
Al2O3+6H+=2Al3++3H2O;
CuO+2H+=Cu2++H2O。
上述酸浸处理前可以先将收集的废磷铁渣粉碎,形成废磷铁渣粉末以酸浸充分。
在一实施例中,可以用无机酸进行酸浸处理,具体地,将收集的废磷铁渣进行酸浸处理得到含磷铁铜铝的初始酸浸液的步骤包括:按照液固比为1:(4~10)将无机酸液与废磷铁渣混合,然后在40~90℃的条件下酸浸反应2~12h,过滤得到碳粉和初始酸浸液。其中,液固比单位为mL:g,无机酸液选自盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液中的至少一种,以硫酸溶液为例,可以选用2.2~2.6mol/L的硫酸溶液按照上述液固比与废磷铁渣混合进行酸浸,这样可以很好地将废磷铁渣中的铁、铜和铝等高效率浸出。酸浸处理过程中,可以用100~300rpm/min搅拌速度搅拌辅助提高浸出速率,以铁浸出率为98%以上为浸出终点,过滤得到含磷铁铜铝的初始酸浸溶液是相对后续工序处理而言酸浸处理最开始形成的酸浸液,初始酸浸液后续进一步进行除铜、除铝和除铁进行回收。废磷铁渣可以是含碳废磷铁渣或者不含碳废磷铁渣,而对于含碳废磷铁渣,酸浸处理后过滤得到的碳粉通过洗涤可以进一步回收,这样本申请实施例的回收方法回收得到的多产品还包括碳粉。
对于步骤S03:向铁粉加入初始酸浸液中进行除铜处理得到除铜酸浸液和铜单质产品。
除铜处理可以回到铜单质产品,该过程发生以下反应方程式:
Fe+Cu2+=Fe2++Cu。
根据酸浸处理后初始酸浸液中铜离子浓度的含量参数,计算加入铁粉量,使铜离子以铜粉沉淀进行回收,而铜粉中含有过量的铁粉,可以经酸浸液溶解或磁选分离;除铜处理后的除铜酸浸液即为用于除铝处理的待除铝酸浸液。在一实施例中,除铜酸浸液中亚铁离子浓度可以为32~35g/l,铝离子浓度可以为4.2~4.5g/l,磷离子浓度可以为16~20g/l。
在一实施例中,将铁粉加入初始酸浸液中进行除铜处理得到除铜酸浸液和铜单质产品的步骤包括:按照铁粉与初始酸浸液中铜离子的摩尔比为1.2~1.5:1的计量向初始酸浸液中加入铁粉,然后在40~90℃的条件下还铜反应1~5h,过滤得到除铜酸浸液和铜单质产品。向除铜酸浸液中加入铁粉目的是用以置换回收除铜酸浸液中的铜离子,铁粉的加入量与铜离子的化学计量摩尔比约为1.2~1.5:1,体系反应温度约40~90℃,反应时间约1~5小时,具体可以在100~300r/min的搅拌条件下进行还铜反应,还铜反应结束后进行抽滤分离得到除铜后的除铜酸浸液及铜粉。通过在初始酸浸液中加入铁粉实现铜回收,还可以提高后续磷酸铁产品的纯度。
对于步骤S04:向除铜酸浸液中加还原剂,然后调节pH为2.5~3进行除铝处理得到除铝酸浸液和含铝渣。
由于磷酸铁、磷酸亚铁、磷酸铝具有如下参数:
Ksp(Fe3(PO4)2)=1.0×10-38
Ksp(AlPO4·2H2O)=6.9×10-19
Ksp(FePO4·2H2O)=9.91×10-16
由上溶解平衡常数Ksp可知:FePO4·2H2O后于AlPO4·2H2O沉淀,而通过控制体系中铁的浓度和pH值,AlPO4·2H2O可先于Fe3(PO4)2沉淀。因此,除铜酸浸溶液加入还原剂,可以使除铜酸浸液中的铁始终保持在二价铁的状态,防止二价铁离子氧化成三价铁离子,并且该过程可以同时调节pH为2.4~3进行除铝处理,从而使三价铝先于二价铁沉淀,以降低沉铝过程中铁的损失率。
上述除铝过程发生以下反应方程式:
Al3++PO4 3-+2H2O=AlPO4·2H2O
3Fe2++2PO4 3-=Fe3(PO4)2
Fe+2Fe3+=3Fe2+
在一实施例中,向除铜酸浸液中加还原剂、并调节pH为2.5~3进行除铝处理得到除铝酸浸液和含铝渣的步骤包括:按照还原剂与除铜酸浸液中三价铁离子的摩尔比为1.2~1.5:1,向除铜酸浸液中加入还原剂,然后加入碱试剂调节除铜酸浸液的pH为2.5~3,在40~90℃的条件下反应1~5h,过滤得到铝酸浸液和含铝渣。这样可以更好地将铝和铁分离。
进一步地,还原剂可以选自铁粉和亚硫酸钠中的至少一种。调节pH为2.5~3的pH调节剂可以是碱试剂,具体可以选自氢氧化钠和碳酸钠中的至少一种;例如,碳酸钠粉末、饱和碳酸钠溶液、氢氧化钠、氢氧化钠溶液,以及后续沉淀反应得到的氢氧化亚铁固体渣等。沉铝处理过程中可以在100~300r/min的搅拌条件下进行,这样使铝更好地沉淀。
在上述除铝处理过程中,随着生成沉淀的同时,体系的pH随着减小,因此,为了保证除铝的效率,在除铝处理的沉淀过程中可以根据pH的变化情况及时补加碱试剂以维持pH的平衡,具体可以是10~20min回调一次。在上述温度下搅拌30~120min,过滤得到含铝渣和除铝酸浸液。
对于步骤S05:将含铝渣进行酸溶后得到含铝酸溶液,调节含铝酸溶液的pH为10~14进行沉淀反应后固液分离得到氢氧化亚铁固体渣和含铝滤液,将含铝滤液进行沉铝处理得到磷酸铝产品。
在一实施例中,将含铝渣水洗两次后,进行酸溶得到含铝酸溶液。调节含铝酸溶液的pH为10~14进行沉淀反应的步骤包括:将碳酸钠和氢氧化钠中的至少一种加入含铝酸溶液中使含铝酸溶液的pH为10~14,然后在40~90℃的条件下进行沉淀反应。该过程中,加入碱将pH调至10~14使亚铁离子沉淀完全,上述温度条件下搅拌反应更好地使含铝酸溶液中亚铁离子沉淀。过滤得到氢氧化亚铁固体渣,可以用于除铝过程的调pH用。
在一实施例中,将含铝滤液进行沉铝处理得到磷酸铝产品的步骤包括:调节含铝滤液的磷铝比为1:0.98~1.05、pH为3.5~5.5后进行沉铝反应,然后过滤得到磷酸铝产品。其中,含铝滤液加入磷酸调控磷铝比,继续用稀硫酸调pH至磷酸铝沉淀,过滤得到高纯度的磷酸铝。具体地,调节含铝滤液的磷铝比为1:0.98~1.05、pH为3.5~5.5后进行沉铝反应,然后过滤得到所述磷酸铝产品。上述沉铝反应的过程可以包括在70~90℃的条件下反应1~4h,这样可以更好地进行沉铝。
含铝渣的反应方程式如下:
AlPO4·2H2O+4OH-=AlO2 -+4H2O+PO4 3-
Fe2++2OH-=Fe(OH)2
AlO2 -+PO4 3-+4H+=AlPO4·2H2O。
对于步骤S06:调节除铝酸浸液的磷铁比≥1、且pH为1.5~2,同时加有氧化剂后进行沉铁处理,将沉铁处理得到的沉淀物焙烧得到磷酸铁产品。
上述过程中可以先调磷铁比,再调pH值,最后加入氧化剂;或者可以先调磷铁比,再加入氧化剂,最后调pH值。具体顺序没有严格规定,最终目的均是在沉铁处理前保证除铝酸浸液的磷铁比≥1、pH为1.5~2、含有氧化剂。以氧化剂为过氧化氢为例,上述沉铁处理的反应方程式如下:
2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O
Fe3++PO4 3-+4H+=FePO4·2H2O。
在一实施例中,调节除铝酸浸液的磷铁比≥1、pH为1.5~2,同时加氧化剂后进行沉铁处理的步骤包括:
测量除铝酸浸液中的实际磷铁比,然后加入三价铁盐或磷源调节除铝酸浸液的磷铁比至1~1.02:1;向磷铁比为1~1.02:1的除铝酸浸液中加入无机碱液调节pH至1.5~2,然后按照还原剂与除铝酸浸液中二价铁的摩尔比为1~2:1的计量,向除铝酸浸液中加入氧化剂,在40~90℃的条件下反应3~5h;其中,氧化剂选自双氧水、过硫酸钠、液氧和压缩空气中的至少一种。这样的条件下,沉铁处理的反应过程中,磷酸铁沉淀,晶体生长。反应结束后过滤得到沉淀物,沉淀物主要是高纯度的二水磷酸铁。
通过检测除铝酸浸液中的磷铁比的值,根据情况加入三价铁盐、磷源以调节除铝酸浸液溶液中的磷铁比至1~1.02,同时加入还原剂,以双氧水为,双氧水的加入量约为此时溶液中二价铁离子的化学摩尔计量比约为1~2:1。之后将该除铝酸浸液在上述温度条件下反应,具体可以是在100~300r/min的搅拌条件下反应3~5h,最后过滤分离得到二水磷酸铁沉淀物。
进一步地,上述调磷铁比的过程中,三价铁盐选自无水硫酸铁、硫酸铁水合物、无水氯化铁、氯化铁水合物和硝酸铁中的至少一种;磷源选自磷酸、磷酸二氢铵、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸一氢铵、磷酸一氢钠、磷酸钠、磷酸钾和磷酸铵中的至少一种。进一步地,氧化剂选自双氧水、过硫酸钠、液氧和压缩空气中的至少一种。无机碱液可以是氨水、碳酸钠溶液或氢氧化钠溶液等。
在一实施例中,将沉铁处理得到的沉淀物进行焙烧得到磷酸铁产品的具体步骤包括:沉铁处理得到的沉淀物主要成分是二水磷酸铁,将沉铁处理得到的沉淀物在200~800℃的条件下进行焙烧2~12h,这样焙烧后可以得到无水磷酸铁产品,焙烧结束后经过后处理(如粉碎)即得到高纯度无水磷酸铁产品。
综上,本申请实施例提供的上述从废磷铁渣中回收多组分的回收方法,通过过对废旧电池拆解收集的废磷铁渣原料进行多组分回收,可以得到碳粉、铜单质产品、磷酸铝产品和磷酸铁产品等各组分,实现各组分的高纯度回收。该回收方法中,工艺简单,铝沉淀回收的同时可以减少其他杂质的引入,大大降低了生产成本,整个过程基本无废渣产生,且铁依然在整个回收工艺中循环,基本没有损失。因此,本申请实施例的回收方法不仅污染少,而且回收经济价值高,适合于工业大规模生产。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
从废旧电池中回收多组分的回收方法,步骤如下
101,酸浸实验:将废旧电池中收集的1000g含碳废磷铁渣(废旧锂离子电池中拆解收集的废磷酸铁锂正极材料经锂回收工艺后剩下的废磷铁渣,各元素含量如前文表1所示)和2.5mol/l的硫酸,以固液比为1:4混合,然后在80℃条件下300rpm/min搅拌,搅拌浸出时间12h;以铁离子浸出率为98%以上为浸出终点,酸浸结束后过滤得到初始酸浸液和碳粉,碳粉进一步通过洗涤得到388.7g回收碳粉,碳粉中C含量98.3%。
102,除铜实验:取1000ml初始酸浸液(铜离子浓度4.8g/l),加入5.1g还原铁粉,室温(25~30℃)搅拌2h,搅拌速率为150rpm/min,过量的铁粉在酸浸液中溶解,反应结束后铜离子以铜单质产品形式回收,铜回收率99.8%,纯度98.2%,得到的除铜酸浸液中含:亚铁离子浓度34.2g/l,铝离子浓度4.3g/l,磷离子浓度18.6g/l,铜离子浓度小于0.01g/l。
103,除铝实验:取988ml除铜后的除铜酸浸液,加入7.3g还原铁粉,室温搅拌,搅拌速率为200rpm/min,然后加入氢氧化钠溶液,将pH调到2.5,升温至70℃搅拌反应。随着反应的进行,pH下降,15min回调一次,总共搅拌120min。反应结束后过滤得到含铝渣和除铝后的除铝酸浸液,铝的去除率94.5%,铁的损失率4.8%。
104,含铝渣回收实验:将得到的23g含铝渣用水冲洗,加92ml稀硫酸溶解,然后加入氢氧化钠溶液将pH调至11,在80℃条件下搅拌60min,搅拌速率为300rpm/min,使亚铁离子沉淀完全。沉淀完全后过滤得到氢氧化亚铁固体渣和含铝滤液,该氢氧化亚铁固体渣可以于回沉磷酸铝调pH用,而含铝滤液加入磷酸调控磷铝比至1:1.02,继续用稀硫酸调pH至3.5,80℃搅拌60min,搅拌速率为150rpm/min,最后过滤得到磷酸铝产品18.1g,铝的回收率96.2%,纯度98.4%。
105,沉磷酸铁实验:取972ml除铝后的除铝酸浸液加入19.5g含量为85%的磷酸调控铁磷比至1:1.02,用碱液将pH调至1.5,加入22.49g浓度为50%的双氧水,室温搅拌30min,搅拌速率为300rpm/min。然后升温至80℃搅拌3h,得到二水磷酸铁沉淀,晶体生长,最后过滤,焙烧得到89.8g磷酸铁产品,铁磷比0.98,纯度98.4%,铁的总回收率96.6%。
本实施例的回收方法回收到碳粉、铜单质产品、磷酸铝产品、磷酸铁产品。
实施例2
从废旧电池中回收多组分的回收方法,步骤如下
201,酸浸实验:将废旧电池中收集的1000g含碳废磷铁渣(废旧锂离子电池中拆解收集的废磷酸铁锂正极材料经锂回收工艺后剩下的废磷铁渣,各元素含量如前文表1所示)和2.5mol/l的硫酸,以固液比为1:4混合,然后在80℃条件下300rpm/min搅拌,搅拌浸出时间12h;以铁离子浸出率为98%以上为浸出终点,酸浸结束后过滤得到初始酸浸液和碳粉,碳粉进一步通过洗涤得到388.7g回收碳粉,碳粉中C含量98.3%。
202,除铜实验:取1000ml初始酸浸液(铜离子浓度4.8g/l),加入5.1g还原铁粉,室温(25~30℃)搅拌2h,搅拌速率为150rpm/min,过量的铁粉在酸浸液中溶解,反应结束后铜离子以铜单质产品形式回收,铜回收率99.8%,纯度98.2%,得到的除铜酸浸液中含:亚铁离子浓度34.2g/l,铝离子浓度4.3g/l,磷离子浓度18.6g/l,铜离子浓度小于0.01g/l。
203,除铝实验:取988ml除铜后的除铜酸浸液,加入7.3g还原铁粉,室温搅拌,搅拌速率为200rpm/min,然后加入氢氧化钠溶液,将pH调到3.0,升温至70℃搅拌反应。随着反应的进行,pH下降,15min回调一次,总共搅拌120min。反应结束后过滤得到含铝渣和除铝后的除铝酸浸液,铝的去除率98.4%,铁的损失率10.8%。
204,含铝渣回收实验:将29.1g含铝渣用水冲洗,加116ml稀硫酸溶解,然后加入氢氧化钠溶液将pH调至14,在80℃条件下搅拌60min,搅拌速率为300rpm/min,使亚铁离子沉淀完全。沉淀完全后过滤得到氢氧化亚铁固体渣和含铝滤液,该氢氧化亚铁固体渣可以于回沉磷酸铝调pH用,而含铝滤液加入磷酸调控磷铝比至1:1.02,继续用稀硫酸调pH至5.5,80℃搅拌60min,搅拌速率为150rpm/min,最后过滤得到18.8g磷酸铝产品,铝的回收率98%,纯度99.2%。
205,沉磷酸铁实验:取956ml除铝后的除铝酸浸液加入19.2g含量为85%的磷酸调控铁磷比至1:1.02,用碱液将pH调至2,加入22.5g浓度为50%的双氧水,室温搅拌30min,搅拌速率为300rpm/min。然后升温至80℃搅拌3h,得到二水磷酸铁沉淀,晶体生长,最后过滤,焙烧得到87.7g磷酸铁产品,铁磷比1.01,纯度99.3%,铁的总回收率96.6%。
本实施例的回收方法回收到碳粉、铜单质产品、磷酸铝产品、磷酸铁产品。
实施例3
从废旧电池中回收多组分的回收方法,步骤如下
301,酸浸实验:将废旧电池中收集的1000g含碳废磷铁渣(废旧锂离子电池中拆解收集的废磷酸铁锂正极材料经锂回收工艺后剩下的废磷铁渣,各元素含量如前文表1所示)和2.5mol/l的硫酸,以固液比为1:4混合,然后在80℃条件下300rpm/min搅拌,搅拌浸出时间12h;以铁离子浸出率为98%以上为浸出终点,酸浸结束后过滤得到初始酸浸液和碳粉,碳粉进一步通过洗涤得到388.7g回收碳粉,碳粉中C含量98.3%。
302,除铜实验:除铜实验:取1000ml初始酸浸液(铜离子浓度4.8g/l),加入5.1g还原铁粉,室温(25~30℃)搅拌2h,搅拌速率为150rpm/min,过量的铁粉在酸浸液中溶解,反应结束后铜离子以铜单质产品形式回收,铜回收率99.8%,纯度98.2%,得到的除铜酸浸液中含:亚铁离子浓度34.2g/l,铝离子浓度4.3g/l,磷离子浓度18.6g/l,铜离子浓度小于0.01g/l。
303,除铝实验:取988ml除铜后的除铜酸浸液,加入7g还原铁粉,室温搅拌,搅拌速率为200rpm/min,然后加入氢氧化钠溶液,将pH调到3.0,升温至70℃搅拌反应。随着反应的进行,pH下降,15min回调一次,总共搅拌120min。反应结束后过滤得到含铝渣和除铝后的除铝酸浸液,铝的去除率98.4%,铁的损失率10.8%。
304,含铝渣回收实验:将29.1g含铝渣用水冲洗,加116ml稀硫酸溶解,然后加入氢氧化钠溶液将pH调至14,在80℃条件下搅拌60min,搅拌速率为300rpm/min,使亚铁离子沉淀完全。沉淀完全后过滤得到氢氧化亚铁固体渣和含铝滤液,该氢氧化亚铁固体渣可以于回沉磷酸铝调pH用,而含铝滤液加入磷酸调控磷铝比至1:1.05,继续用稀硫酸调pH至5.5,80℃搅拌60min,搅拌速率为150rpm/min,最后过滤得到18.8g磷酸铝产品,铝的回收率98%,纯度99.2%。
305,沉磷酸铁实验:取956ml除铝后的除铝酸浸液加入19.2g含量为85%的磷酸调控铁磷比至1:1.0,用碱液将pH调至2,加入42.5g液氧,室温搅拌30min,搅拌速率为300rpm/min。然后升温至80℃搅拌3h,得到二水磷酸铁沉淀,晶体生长,最后过滤,焙烧得85.7g磷酸铁产品,铁磷比0.98,纯度99.5%,铁的总回收率95.4%。
对比例1
将实施例1的步骤103除铝实验过程改成树脂除铝,步骤如下
酸浸实验:将废旧电池中收集的1000g含碳废磷铁渣(废旧锂离子电池中拆解收集的废磷酸铁锂正极材料经锂回收工艺后剩下的废磷铁渣,各元素含量如前文表1所示)和2.5mol/l的硫酸,以固液比为1:4混合,然后在80℃条件下300rpm/min搅拌,搅拌浸出时间12h;以铁离子浸出率为98%以上为浸出终点,酸浸结束后过滤得到初始酸浸液和碳粉,碳粉进一步通过洗涤得到388.7g回收碳粉,碳粉中C含量98.3%。
除铜实验:除铜实验:取1000ml初始酸浸液(铜离子浓度4.8g/l),加入5.1g还原铁粉,室温(25~30℃)搅拌2h,搅拌速率为150rpm/min,过量的铁粉在酸浸液中溶解,反应结束后铜离子以铜单质产品形式回收,铜回收率99.8%,纯度98.2%,得到的除铜液中含:亚铁离子浓度34.2g/l,铝离子浓度4.3g/l,磷离子浓度18.6g/l,铜离子浓度小于0.01g/l。
树脂除铝:取988ml除铜后的除铜酸浸液加入氢氧化钠溶液调pH至2.8,选用一根直径为48.2mm,长度为280mm离子交换柱,用浓氨水转型的羧酸型阳离子螯合树脂填充,蠕动泵以1.0mL/min将浸出液自下而上通过离子交换柱。流出的液体即为除铝酸浸液,通过ICP检测各金属离子浓度,得到铝的去除率88.6%,铁的损失率23.3%。
沉磷酸铁实验:取约874ml除铝后的除铝酸浸液加入14.4g含量为85%的磷酸调控铁磷比至1:1.02,用碱液将pH调至1.5,加入16.9g浓度为50%的双氧水,室温搅拌30min,搅拌速率为300rpm/min。然后升温至80℃搅拌3h,得到二水磷酸铁沉淀,晶体生长,最后过滤,焙烧得到74.1g磷酸铁产品,铁磷比0.88,纯度86.4%,铁的总回收率72.4%。
对比例2
实施例1的步骤103除铝实验过程改成有机物络合物除铝,步骤如下
酸浸实验:将废旧电池中收集的1000g含碳废磷铁渣(废旧锂离子电池中拆解收集的废磷酸铁锂正极材料经锂回收工艺后剩下的废磷铁渣,各元素含量如前文表1所示)和2.5mol/l的硫酸,以固液比为1:4混合,然后在80℃条件下300rpm/min搅拌,搅拌浸出时间12h;以铁离子浸出率为98%以上为浸出终点,酸浸结束后过滤得到初始酸浸液和碳粉,碳粉进一步通过洗涤得到388.7g回收碳粉,碳粉中C含量98.3%。
除铜实验:除铜实验:取1000ml初始酸浸液(铜离子浓度4.8g/l),加入5.1g还原铁粉,室温(25~30℃)搅拌2h,搅拌速率为150rpm/min,过量的铁粉在酸浸液中溶解,反应结束后铜离子以铜单质产品形式回收,铜回收率99.8%,纯度98.2%,得到的除铜酸浸液液中含:亚铁离子浓度34.2g/l,铝离子浓度4.3g/l,磷离子浓度18.6g/l,铜离子浓度小于0.005g/l。
有机物络合物除铝:取988ml除铜后的除铜酸浸液,加入59.3g的2-吡啶甲酸,80℃下搅拌,搅拌速率为200rpm/min,过滤后得到2-吡啶甲酸铝废渣和滤液即除铝酸浸液,通过ICP检测各金属离子浓度,得到铝的去除率96.8%,铁的损失率12.6%。
沉磷酸铁实验:取约928ml除铝后的除铝酸浸液加入17.2g含量为85%的磷酸调控铁磷比至1:1.02,用碱液将pH调至1.5,加入20.1g浓度为50%的双氧水,室温搅拌30min,搅拌速率为300rpm/min。然后升温至80℃搅拌3h,得到二水磷酸铁沉淀,晶体生长,最后过滤,焙烧得到80g磷酸铁产品,铁磷比0.92,纯度93.4%,铁的总回收率83%。
上述实施例和对比例的回收数据如下表2所示。
表2
由上表2可以看出,因酸浸和除铜过程相同,得到的铜单质参数相同。然而,相比对比例1的树脂除铝和对比例2的有机络合物除铝,本申请实施例在除铝过程中通过向除铜酸浸液中加铁粉还原剂、调节pH为2.5~3进行除铝,具有更高的铝去除率以及更低的铁损失率,这样本申请实施例的整个回收方法可以回收更多的磷酸铝产品和磷酸铁产品,而且纯度高。同时,本申请实施例中,除铝时在pH为2.5~3的范围内,pH值越高铝的去除率越高,得到的磷酸铁产品越纯,而含铝渣回收时的pH值越高铝的回收率越高,磷酸铝产品越纯。在沉淀磷酸铁时,提高铁磷比中磷比例,同时用双氧水做氧化剂,最终铁的回收率高。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种从废旧电池中回收多组分的回收方法,其特征在于,包括:
将废旧电池拆解收集废磷铁渣;
将收集的所述废磷铁渣进行酸浸处理得到含磷铁铜铝的初始酸浸液;
将铁粉加入所述初始酸浸液中进行除铜处理得到除铜酸浸液和铜单质产品;
向所述除铜酸浸液中加还原剂,然后调节pH为2.5~3进行除铝处理得到除铝酸浸液和含铝渣;
将所述含铝渣进行酸溶后得到含铝酸溶液,调节所述含铝酸溶液的pH为10~14进行沉淀反应后固液分离得到氢氧化亚铁固体渣和含铝滤液,将所述含铝滤液进行沉铝处理得到磷酸铝产品;
调节所述除铝酸浸液的磷铁比≥1、且pH为1.5~2,同时加氧化剂后进行沉铁处理,将所述沉铁处理得到的沉淀物进行焙烧得到磷酸铁产品;
所述回收方法回收到的多组分包括:所述铜单质产品、所述磷酸铝产品和所述磷酸铁产品。
2.如权利要求1所述的回收方法,其特征在于,将收集的所述废磷铁渣进行酸浸处理得到含磷铁铜铝的初始酸浸液的步骤包括:按照液固比为1:(4~10)将无机酸液与所述废磷铁渣混合,然后在40~90℃的条件下酸浸反应2~12h,过滤得到碳粉和所述初始酸浸液。
3.如权利要求1所述的回收方法,其特征在于,将铁粉加入所述初始酸浸液中进行除铜处理得到除铜酸浸液和铜单质产品的步骤包括:按照所述铁粉与所述初始酸浸液中铜离子的摩尔比为1.2~1.5:1的计量向所述初始酸浸液中加入所述铁粉,然后在40~90℃的条件下还铜反应1~5h,过滤得到所述除铜酸浸液和所述铜单质产品。
4.如权利要求1所述的回收方法,其特征在于,向所述除铜酸浸液中加还原剂、并调节pH为2.5~3进行除铝处理得到除铝酸浸液和含铝渣的步骤包括:
按照所述还原剂与所述除铜酸浸液中三价铁离子的摩尔比为1.2~1.5:1,向所述除铜酸浸液中加入所述还原剂,然后加入碱试剂调节所述除铜酸浸液的pH为2.5~3,在40~90℃的条件下反应1~5h,过滤得到所述铝酸浸液和所述含铝渣。
5.如权利要求4所述的回收方法,其特征在于,所述还原剂选自铁粉和亚硫酸钠中的至少一种;
和/或,所述碱试剂选自氢氧化钠和碳酸钠中的至少一种。
6.如权利要求1-5任一项所述的回收方法,其特征在于,调节所述含铝酸溶液的pH为10~14进行沉淀反应的步骤包括:
将碳酸钠和氢氧化钠中的至少一种加入所述含铝酸溶液中使所述含铝酸溶液的pH为10~14,然后在40~90℃的条件下进行所述沉淀反应。
7.如权利要求1-5任一项所述的回收方法,其特征在于,将所述含铝滤液进行沉铝处理得到磷酸铝产品的步骤包括:
调节所述含铝滤液的磷铝比为1:0.98~1.05、pH为3.5~5.5后进行沉铝反应,然后过滤得到所述磷酸铝产品。
8.如权利要求7所述的回收方法,其特征在于,用磷酸调节所述含铝滤液的磷铝比为1:0.98~1.05,用硫酸调节所述含铝滤液的pH为3.5~5.5;和/或,
所述沉铝反应包括在70~90℃的条件下反应1~4h。
9.如权利要求1-5任一项所述的回收方法,其特征在于,调节所述除铝酸浸液的磷铁比≥1、pH为1.5~2,同时加氧化剂后进行沉铁处理的步骤包括:
测量所述除铝酸浸液中的实际磷铁比,然后加入三价铁盐或磷源调节所述除铝酸浸液的磷铁比至1~1.02:1;
向磷铁比为1~1.02:1的所述除铝酸浸液中加入无机碱液调节pH至1.5~2,然后按照所述还原剂与所述除铝酸浸液中二价铁的摩尔比为1~2:1的计量,向所述除铝酸浸液中加入所述氧化剂,在40~90℃的条件下反应3~5h;其中,所述氧化剂选自双氧水、过硫酸钠、液氧和压缩空气中的至少一种。
10.如权利要求1-5任一项所述的回收方法,其特征在于,将所述沉铁处理得到的沉淀物进行焙烧包括:将所述沉淀物在200~800℃的条件下进行焙烧2~12h。
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