CN117398965B - 一种除硅材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种除硅材料及其制备方法与应用。所述方法包括:柠檬酸铁、Al2O3、EDTA和PEG在水存在的条件下,进行原位负载,制得所述除硅材料。本发明提供的除硅材料对硅具有较好的吸附效果,同时稳定性好,所制备的复合材料可以作为动态吸附柱的填料,易于固液分离,并可以使用稀酸、稀碱溶液进行再生,更适用于工程化应用。
Description
技术领域
本发明实施例涉及废旧电池回收技术领域,具体涉及一种除硅材料及其制备方法与应用。
背景技术
废旧锂离子电池具有突出的资源特性,富含锂、镍、钴、锰等金属元素,已经成为重要的有价金属矿藏。随着锂离子电池的市场需求不断增大,退役锂电池循环再生利用问题也得到了广泛关注。目前,绝大部分的废旧锂电池主要以湿法回收工艺路线进行处理,该方法是先将废旧锂电池依次经过放电、破碎、分选、筛分等步骤得到电池粉料,再将电池粉用酸、还原剂浸出锂、镍、钴、锰等金属。采用萃取工艺可以将镍、钴、锰等金属进行分离,而最终的含锂料液中通常含有较高的杂质硅,含量可以达到40mg/L以上,不仅会在后续蒸发结晶单元中导致结垢现象,也会对最终锂盐产品的质量造成影响。
专利CN113912127B公布的《一种硫酸锰溶液除硅的方法》,采用硫酸铝和氢氧化锆作为除硅剂,絮凝剂采用聚丙烯酰胺(PAM),通过静电吸附、絮凝除硅的步骤协同深度除硅,处理后硅含量可以从15-25mg/L降低到2mg/L以下,具有良好的除硅效果。然而,对于有价金属回收料液体系(如硫酸盐体系、碳酸氢盐、氯化盐体系),混凝除硅加入多种药剂会在除硅的同时对原料液造成二次污染,并产生大量的絮状污泥。另外,对于引入的可溶性阳离子及PAM等杂质,其后续去除难度较大,会影响到最终所回收的有价金属的产品品质。
专利CN104098112B公布的《一种氟化钾滤液膜法脱硅脱磷方法》,采用超滤膜和纳滤膜的组合工艺对氟化钾滤液进行脱硅脱磷,其主要原理是利用纳滤膜的分盐作用,对一价和高价离子进行分离,通过两级纳滤膜的处理,溶液中含硅量降低到10ppm以下,硅去除率高于97%,且氟化钾损失较少。然而,纳滤膜工艺仅能对溶液中的硅进行分离和富集,并无去除或降解能力,因此,纳滤所产生的浓液仍需要进一步得到处理。
专利CN109465014B公布的《一种可调控臭氧和双氧水分解速率的双效催化剂、其制备方法及用途》,该催化剂为核壳结构,核为负载锰的氧化铝,壳为负载羟基氧化铁的氧化铝,其中,采用了喷浸的方式将羟基氧化铁粉末与氢氧化铝混合浆液负载到氧化铝小球上。该方式虽然实现了铁基氧化物的负载,然而过程需要先预制羟基氧化铁粉末后再进行负载,且无法控制铁基氧化物的粒径大小,难以实现负载物在氧化铝小球上的均匀分布,进而影响合成材料的比表面积及反应活性位点。
专利CN114602470A公布的《一种处理工业污泥用催化剂及其制备方法和应用》,公开了一种负载氢氧化铁的γ-Al2O3材料制备方法,并用于污泥中COD的催化去除,去除效率能够增加15%以上。然而,该制备方法仍然采用了预制氢氧化铁再进行混合的负载方式,这种主要依靠物理混合的负载方式不仅无法保证预制的氢氧化铁材料在氧化铝小球表面分布的均匀性,而且在材料的使用过程中可能更易导致负载物与载体的脱离,造成铁的流失,影响材料的使用寿命。另外,预制氢氧化铁采用了铁盐直接加强碱的反应过程,未进行粒径的控制,会导致所合成的材料粒径较大而表面接触反应位点较少,影响使用效果。
鉴于此,特提出本发明申请。
发明内容
为此,本发明提供了一种除硅材料及其制备方法与应用。该材料采用原位负载法制备,以柠檬酸铁作为前驱体,在分散剂聚乙二醇(PEG)和络合剂乙二胺四乙酸(EDTA)的协同作用下,铁离子均匀负载到氧化铝小球表面,再经过低温热处理,生成的Fe(OH)3@Al2O3小球复合材料具有较优的吸附性和稳定性,同时能够多次再生循环使用,无二次污染,具有较好的工程应用前景。
为了实现上述目的,本发明实施例提供如下技术方案:
根据本发明实施例的第一方面,本发明提供一种除硅材料的制备方法,所述方法包括:柠檬酸铁、Al2O3、EDTA和PEG在水存在的条件下,进行原位负载,制得所述除硅材料。
在一些优选的实施例中,所述方法包括:
用去离子水将PEG配制成溶液A;
向所述溶液A中加入柠檬酸铁和EDTA,得到溶液B;
向所述溶液B中加入Al2O3,搅拌,固液分离,对所得固相进行加热,冷却后,清水洗涤,得到所述除硅材料。
在一些优选的实施例中,所述溶液A中PEG的浓度为0.1wt%~0.5wt%,优选为0.2wt%;
所述溶液B中柠檬酸铁的浓度为3wt%~5wt%,优选为5wt%;EDTA的浓度为0.15wt%~0.5wt%,优选为0.3wt%;
所述Al2O3与柠檬酸铁的质量比为3~5:1,优选为3:1。
在一些优选的实施例中,所述搅拌的温度为40~60℃,时间为3~4小时;
所述加热的温度为150~200℃,优选为180℃;时间为2~4小时,优选为3小时。
在一些优选的实施例中,所述PEG的分子量为1000~5000,优选为2000;所述Al2O3为商用氧化铝小球,其粒径为1~5mm,优选为1mm。
根据本发明实施例的第二方面,本发明提供一种除硅材料,其由如上任一项所述的方法制成。
根据本发明实施例的第三方面,本发明提供如上所述的除硅材料在废旧电池回收行业锂盐料液的脱硅工艺中的应用。
在一些优选的实施例中,所述废旧电池回收行业锂盐料液为用于制备高纯碳酸锂产品的前驱体溶液,所述前驱体溶液包括硫酸锂溶液、氯化锂溶液、碳酸氢锂溶液。
根据本发明实施例的第四方面,本发明提供一种废旧电池回收行业锂盐料液的脱硅工艺,所述工艺包括:
原液储罐中的原液进入超滤单元,得到超滤浓液和第一产水;
所述超滤浓液返回原液储罐,所述第一产水进入纳滤单元,得到纳滤浓液和第二产水;
所述纳滤浓液进入以如上所述的除硅材料为填料的动态吸附柱进行除硅,除硅后的液体返回原液储罐,所述第二产水进入除硅液储罐。
进一步地,所述工艺还包括:依次采用酸性溶液和碱性溶液对所述动态吸附柱进行再生,其中,所述酸性溶液为pH=3.5~4.5的稀硫酸溶液或稀盐酸溶液,所述碱性溶液为pH=8.5~9.5的氢氧化钠溶液。
本发明对除硅工艺流程作如下介绍:
原液从原液储罐首先进入超滤单元进行预处理,超滤单元的浓液返回原液储罐,产水进入纳滤单元;在纳滤单元中,料液中高价态的硅酸根被有效分离及富集,产水进入除硅液储罐完成料液的脱硅过程,浓液则进入动态吸附柱进行除硅,除硅后的浓液循环返回原液储罐。在此流程中,含硅料液经纳滤单元处理后可以将硅进行深度去除,而纳滤浓液中则富集有较高浓度的硅酸根,进一步通过动态吸附柱进行去除。在吸附反应中,由于料液中污染物浓度较高时对于污染物从液相向固相转移具有更高的驱动力,因此,动态吸附柱中的吸附剂对较高的硅酸根浓度吸附效率更高,吸附容量利用率更高。其中,动态吸附柱吸附除硅不必直接达到深度除硅的目的,仅需将硅酸根降低到一定浓度(优选地,所述使用动态吸附柱可以将纳滤单元浓缩液中的硅降低到与原料液中硅含量相近,而除硅的深度可以通过调整动态吸附柱中填料的有效体积和滤速进行实现),保证纳滤膜进水的硅酸根含量不会过高而影响纳滤膜的产水率及使用寿命。具体流程如图1所示。
采用了纳滤除硅工艺,对高价态的硅酸盐进行了分离,该工艺可以适用于锂盐溶液中无机硅的去除,例如废旧电池回收行业中硫酸锂、氯化锂、碳酸氢锂料液等。采用动态吸附柱对纳滤浓水进行除硅,并在除硅后将浓液循环返回原液罐中与原液进行混合,继续进行下一轮超滤及纳滤单元的处理,该工艺采用纳滤膜对无机硅酸根进行富集,仅对富集后的浓水进行除硅,且对浓水的除硅不必保证深度去除,只保证一定的去除率,以达到不断去除硅酸根,而浓水持续再循环进行除硅的目的。其中,吸附动态柱的再生可以采用稀酸、稀碱溶液进行再生。
本发明实施例具有如下优点:
(1)本发明采用原位负载方式将Fe(OH)3负载到商用氧化铝小球上形成复合材料,此负载方法可以使Fe(OH)3在商用Al2O3小球表面分布的更加均匀,提高单位Fe(OH)3对硅的吸附量。
(2)制备材料过程中所采用的络合剂EDTA,可以使离子态铁与氧化铝小球表面进行充分接触交联,增加铁的负载率并提高吸附效果,而且可以使后续所生成的Fe(OH)3与氧化铝小球表面的结合更加牢固,不易脱落,复合材料的稳定性好。
(3)制备材料过程中所采用的分散剂PEG,可以对Fe(OH)3粒径进行精细控制,可以使粒径更小,比表面积增加,活性位点增加,从而提高了单位吸附剂的吸附效果。
(4)材料制备过程中采用了200℃以下温度进行加热,可以形成无定形氢氧化铁,经实验证明,相比高温灼烧(400℃以上)形成的晶型较好氧化铁,无定形氢氧化铁对硅的吸附效果更好。
(5)材料制备过程中采用了柠檬酸铁作为前驱体铁盐,可以将pH控制到4-7,避免采用其它强酸弱碱盐导致的酸性过低而造成氧化铝溶解损耗,进而破坏氧化铝小球的表面结构,影响氢氧化铁的负载效果以及后续作为动态柱填料使用效果的问题。
(6)本发明制备的Fe(OH)3@Al2O3复合材料可以作为动态吸附柱的填料,易于固液分离,并可以使用稀酸、稀碱溶液进行再生,更适用于工程化应用。
(7)本发明原料价格低廉,易获取,制备工艺简单,工艺流程简单,合成过程能耗较低,易于大规模制备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对实施方式或现有技术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示例性的,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,还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明提供的除硅方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。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。
聚乙二醇(PEG):分子量2000,Sigma-aldrich;
商用氧化铝小球:1mm,3mm,巩义市亿洋水处理材料有限公司;
环己烷二胺四乙酸(CyDTA):Sigma-aldrich;
聚氧化乙烯(PEO):Sigma-aldrich。
实施例1
本实施例提供一种除硅材料,其制备方法包括以下步骤:
(1)将分子量为2000的聚乙二醇(PEG)2g加入到1L去离子水中,磁力搅拌1h,形成浓度为0.2%的PEG溶液;
(2)将50g柠檬酸铁加入到步骤(1)所得PEG溶液中,并加入EDTA 3g,继续搅拌2小时;
(3)向步骤(2)所得溶液中加入粒径为3mm的商用氧化铝小球150g,继续搅拌4小时;
(4)使用抽滤方式对步骤(3)所得混合物进行固液分离,并将固体置于干锅中,放置于180℃烘箱中干燥3h,室温冷却后使用清水洗涤,得到除硅材料。
实施例2
本实施例提供一种除硅材料,其制备方法包括以下步骤:
(1)将分子量为2000的聚乙二醇(PEG)2g加入到1L去离子水中,磁力搅拌1h,形成浓度为0.2%的PEG溶液;
(2)将30g柠檬酸铁加入到步骤(1)所得PEG溶液中,并加入EDTA 3g,继续搅拌2小时;
(3)向步骤(2)所得溶液中加入粒径为3mm的商用氧化铝小球150g,继续搅拌4小时;
(4)使用抽滤方式对步骤(3)所得混合物进行固液分离,并将固体置于干锅中,放置于200℃烘箱中干燥2h,室温冷却后使用清水洗涤,得到除硅材料。
实施例3
本实施例提供一种除硅材料,其制备方法包括以下步骤:
(1)将分子量为2000的聚乙二醇(PEG)2g加入到1L去离子水中,磁力搅拌1h,形成浓度为0.2%的PEG溶液;
(2)将50g柠檬酸铁加入到步骤(1)所得PEG溶液中,并加入EDTA 3g,继续搅拌2小时;
(3)向步骤(2)所得溶液中加入粒径为1mm的商用氧化铝小球150g,继续搅拌4小时;
(4)使用抽滤方式对步骤(3)所得混合物进行固液分离,并将固体置于干锅中,放置于180℃烘箱中3h,室温冷却后使用清水洗涤,得到除硅材料。
对比例1
本对比例提供一种除硅材料,其制备方法与实施例1的区别仅在于步骤(2)中,使用等量的环己烷二胺四乙酸(CyDTA)替换EDTA。
对比例2
本对比例提供一种除硅材料,其制备方法与实施例1的区别仅在于步骤(1)中,使用等量的聚氧化乙烯(PEO)替换PEG。
对比例3
本对比例提供一种除硅材料,其制备方法与实施例1的区别仅在于步骤(4)中,将固液分离后的固体置于干锅中,放置于420℃烘箱中干燥1h。
测试例1
对实施例1-3及对比例1-3的材料进行比表面积(BET)和吸附效果的测试,结果如表1所示。
表1
其中,除硅吸附量(mg/g)的测试条件为:以含硅量51.5 ppm的硅酸钠模拟溶液作为实验介质,吸附剂投加量为5 g/L,常温(25℃)吸附反应3h。
按照Q=V(C0-C)/m进行计算,Q:吸附量(mg/g);V:反应溶液体积(L);C0:初始溶液含硅浓度(mg/L);C:反应后溶液含硅浓度(mg/L);m:吸附材料投加量(g)。
结果显示,与对比例1、2相比,实施例1具有更优异的比表面积和除硅吸附量,说明采用原位负载法制备复合材料的体系中,选用EDTA为络合剂,PEG为分散剂有利于提高材料的负载性能和吸附性能;与对比例3相比,实施例1的比表面积稍有降低,但除硅吸附量显著增加,说明在低温下形成的无定形氢氧化铁对硅(硅酸根)具有更优的吸附效果。
测试例2
对某资源回收企业提供的硫酸锂料液进行除硅,该料液pH 5.8,含硅量42.5mg/L。
将实施例1制备的除硅材料装填到吸附柱中,吸附柱有效填充体积为6 L(1BV),滤速为3BV/h。采用如图1所示工艺,硫酸锂料液从原液储罐依次经过超滤、纳滤单元进入到除硅液储罐,超滤的浓水返回到原液储罐,纳滤的浓水则经过动态吸附柱除硅后再返回到原液储罐。其中,原液储罐进入超滤单元的流量为50L/h,超滤产水率为90%,进入纳滤单元的流量为45L/h,返回原液储罐的流量为5L/h;纳滤产水含硅量在4.5~4.8 mg/L,产水率为60%,进入除硅液储罐的流量为27L/h,浓水含硅量在97.5~99.5 mg/L,以18L/h的流速进入到动态吸附柱中进行除硅,出水含硅量降低到35~45mg/L,动态吸附柱出水(18L/h)返回原液储罐。当连续运行42h后,吸附动态柱出水超过45mg/L时,即认为动态吸附柱已穿透,需要对动态柱进行再生,此时填充材料对硅的吸附量为5.7 g/L。采用酸碱溶液对动态柱进行再生,依次通入4BV清水,6BV稀硫酸溶液(pH=4),4BV清水,6BV氢氧化钠溶液(pH=9),4BV清水,滤速为2BV/h。
测试例3
对含硅碳酸氢锂料液进行除硅,料液pH 7.8,含硅量54 mg/L。
将实施例2制备的材料装填到吸附柱中,吸附柱有效填充体积为3L,滤速采用3BV/h。碳酸氢锂料液从原液储罐依次经过超滤、纳滤单元进入到除硅液储罐,超滤的浓水返回到原液储罐,纳滤的浓水则经过动态吸附柱除硅后再返回到原液储罐。其中,原液储罐进入超滤单元的流量为20L/h,超滤产水率为90%,进入纳滤单元的流量为18L/h,返回原液储罐的流量为2L/h;纳滤产水含硅量在4~5 mg/L,产水率为50%,进入除硅液储罐的流量为9L/h,浓水含硅量在100~110 mg/L,以9L/h的流速进入到动态吸附柱中进行除硅,动态柱出水含硅量45~55mg/L,动态吸附柱出水(9L/h)返回原液储罐。运行25h后,吸附动态柱出水超过55mg/L时,采用酸碱溶液再生,此时填充材料对硅的吸附量为4.1 g/L。再生步骤与测试例3相同。
测试例4
对动力电池回收行业氯化锂料液进行除硅,该料液pH 6.2,含硅量80.2mg/L。
将实施例3制备的材料装填到吸附柱中,吸附柱有效填充体积为4.5 L(1BV),滤速为2BV/h。氯化锂料液从原液储罐依次经过超滤、纳滤单元进入到除硅液储罐,超滤的浓水返回到原液储罐,纳滤的浓水则经过动态吸附柱除硅后再返回到原液储罐。其中,原液储罐进入超滤单元的流量为20L/h,超滤产水率为90%,进入纳滤单元的流量为18L/h,返回原液储罐的流量为2L/h;纳滤产水含硅量在9~11mg/L,产水率为50%,进入除硅液储罐的流量为9L/h,浓水含硅量在150mg/L左右,以9L/h的流速进入到动态吸附柱中进行除硅,出水含硅量降低到75~85mg/L,动态吸附柱出水返回原液储罐。当连续运行54h后,吸附动态柱出水超过85mg/L时,即认为动态吸附柱已穿透,需要对动态柱进行再生,此时填充材料对硅的吸附量为7.6 g/L。采用酸碱溶液对动态柱进行再生,依次通入4BV清水,8BV盐酸溶液(pH=4),4BV清水,8BV氢氧化钠溶液(pH=9),4BV清水,滤速为2BV/h。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.除硅材料在废旧电池回收行业锂盐料液的脱硅工艺中的应用,其特征在于,所述除硅材料的制备方法包括:
柠檬酸铁、Al2O3、EDTA和PEG在水存在的条件下,进行原位负载,制得所述除硅材料;
所述方法包括:
用去离子水将PEG配制成溶液A;
向所述溶液A中加入柠檬酸铁和EDTA,得到溶液B;
向所述溶液B中加入Al2O3,搅拌,固液分离,对所得固相进行加热,冷却后,清水洗涤,得到所述除硅材料;
所述溶液A中PEG的浓度为0.1wt%~0.5wt%;
所述溶液B中柠檬酸铁的浓度为3wt%~5wt%,EDTA的浓度为0.15wt%~0.5wt%;
所述Al2O3与柠檬酸铁的质量比为3~5:1;
所述搅拌的温度为40~60℃,时间为3~4小时;
所述加热的温度为150~200℃,时间为2~4小时。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,
所述PEG的分子量为1000~5000;
所述Al2O3为商用氧化铝小球,其粒径为1~5mm。
3.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述废旧电池回收行业锂盐料液为用于制备高纯碳酸锂产品的前驱体溶液,所述前驱体溶液包括硫酸锂溶液、氯化锂溶液、碳酸氢锂溶液。
4.一种废旧电池回收行业锂盐料液的脱硅工艺,其特征在于,所述工艺包括:
原液储罐中的原液进入超滤单元,得到超滤浓液和第一产水;
所述超滤浓液返回原液储罐,所述第一产水进入纳滤单元,得到纳滤浓液和第二产水;
所述纳滤浓液进入以如权利要求1中所述的除硅材料为填料的动态吸附柱进行除硅,除硅后的液体返回原液储罐,所述第二产水进入除硅液储罐。
5.根据权利要求4所述的脱硅工艺,其特征在于,所述工艺还包括:
依次采用酸性溶液和碱性溶液对所述动态吸附柱进行再生,其中,所述酸性溶液为pH=3.5~4.5的稀硫酸溶液或稀盐酸溶液,所述碱性溶液为pH=8.5~9.5的氢氧化钠溶液。
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