EP4400616A2 - Multi-stage recycling process - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Bauteilen. Genauer geht es um ein Recyclingverfahren, welches besonders geeignet ist zur Wiedergewinnung von Rohstoffen aus Batterien und Akkus, aber auch aus Starkmagneten und Brennstoffzellen. Insbesondere geht es um ein Verfahren zur Rohstoffrückgewinnung aus Bauteilen, welche zumindest Kobalt und Nickel enthalten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:- mechanische Behandlung der Bauteile- chemische Behandlung der Bauteile in einer Lösung, wobei die Bauteile zumindest teilweise zersetzt werden- Behandlung der Kobalt-Ionen mit Chlorid-Ionen zur Komplexbildung- elektrochemische Gewinnung von Kobalt aus der Lösung- elektrochemische Gewinnung von Nickel aus der LösungThe present invention relates to a method for treating components. More specifically, it is a recycling process which is particularly suitable for recovering raw materials from batteries and accumulators, but also from strong magnets and fuel cells. In particular, it is a method for recovering raw materials from components which contain at least cobalt and nickel, the method comprising the following steps: - mechanical treatment of the components - chemical treatment of the components in a solution, whereby the components are at least partially decomposed - treatment of the cobalt ions with chloride ions to form complexes - electrochemical extraction of cobalt from the solution - electrochemical extraction of nickel from the solution
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Bauteilen. Genauer geht es um ein Recyclingverfahren, welches besonders geeignet ist zur Wiedergewinnung von Rohstoffen aus Batterien und Akkus, aber auch aus Starkmagneten und Brennstoffzellen.The present invention relates to a method for treating components. More specifically, it is a recycling process that is particularly suitable for recovering raw materials from batteries and accumulators, but also from strong magnets and fuel cells.
Im Hinblick auf steigende Rohstoffpreise und auch ökologische Vorteile ist das Recyceln von gebrauchten Bauteilen immer relevanter.In view of rising raw material prices and also ecological advantages, the recycling of used components is becoming increasingly relevant.
Die
Das
Die beschriebenen beiden Verfahren sind sehr spezifisch. Sie offenbaren kein vollständiges geschlossenes Recycling-Verfahren, bei denen mehrere Rohstoffe systematisch zurückgewonnen werden können. Die Verfahren lassen ebenfalls nicht erwarten, dass Rohstoffe in hoher Reinheit zurückgewonnen werden können.The two processes described are very specific. They do not reveal a complete closed recycling process in which several raw materials can be systematically recovered. The processes also do not give rise to the expectation that raw materials can be recovered in high purity.
Das erfindungsgemäße Recycling-Verfahren möchte ein vollständiges Recycling, sowohl im Hinblick auf die Anzahl der zurückgewonnenen Rohstoffe, als auch im Hinblick auf deren Qualität erreichen. Das Verfahren soll für Batterien aber auch für andere Bauteile geeignet sein, welche in nennenswertem Umfang insbesondere seltene Erden aufweisen.The recycling process according to the invention aims to achieve complete recycling, both in terms of the number of recovered raw materials and in terms of their quality. The process should be suitable for batteries but also for other components which contain significant amounts of rare earths in particular.
Das erfindungsgemäße Recyclingverfahren umfasst eine Vielzahl einzelner Verfahrensschritte. Das Verfahren hebt sich von anderen Verfahren dadurch ab, dass eine besonders hohe Rohstoffrückgewinnungsquote erreicht werden kann. Beispielsweise kann eine Quote von mehr als 97 % (Gew.-%) des zugeführten Materials als weiterverarbeitbarer Rohstoff zurückgewonnen werden. Darüber hinaus ist relevant, dass ein sehr hoher Reinheitsgrad, im Einzelfall auch ein Reinheitsgrad von mehr als 97 %, mehr als 98 %, mehr als 99 %, mehr als 99,5 %, mehr als 99,7 oder auch mehr als 99,9 oder 99,95 % oder 99,98 oder 99,99 % erreicht werden kann.The recycling process according to the invention comprises a large number of individual process steps. The process stands out from other processes in that a particularly high raw material recovery rate can be achieved. For example, a rate of more than 97% (wt. %) of the material supplied can be recovered as raw material that can be further processed. In addition, it is relevant that a very high degree of purity can be achieved, in individual cases also a degree of purity of more than 97%, more than 98%, more than 99%, more than 99.5%, more than 99.7 or even more than 99.9 or 99.95% or 99.98 or 99.99%.
Diese besondere Effizienz des Verfahrens hängt von der konsequenten Kombination aller hierin im Weiteren näher beschriebenen Verfahrensschritte ab. Dabei ergeben sich auch Synergien zwischen den verschiedenen Verfahrensschritten. Diese Synergien sind dem Fachmann in der Regel offensichtlich, werden aber nachfolgend auch noch in vielen Fällen zusätzlich angesprochen.This particular efficiency of the process depends on the consistent combination of all process steps described in more detail below. This also results in synergies between the various process steps. These synergies are usually obvious to the person skilled in the art, but are also addressed in many cases below.
Die ersten Schritte des Verfahrens können zusammenfassend als physikalische Verfahrensschritte beschrieben werden. Diese physikalischen Verfahrensschritte umfassen insbesondere die physikalische Rohstoffvorbereitung, die Entladung von geladenen Zellen und physikalische Trennverfahren, insbesondere die Zerkleinerung der Rohstoffe.The first steps of the process can be summarized as physical process steps. These physical process steps include in particular the physical raw material preparation, the discharge of charged cells and physical separation processes, in particular the comminution of the raw materials.
Das vorliegende Verfahren eignet sich insbesondere für Bauteile, welche Metallsalze enthalten, aus welchen im Rahmen dieses Verfahrens Metalle wiedergewonnen werden können. Insbesondere können aus den entsprechenden Metallsalzen Lithium (Li), Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Mangan (Mn) abgeschieden werden. Die Bauteile können verschiedene Verbindungen mit den genannten und anderen Metallen oder Metallsalzen aufweisen, wobei der Begriff Metallverbindung hierin auch das Metall selbst umfassen soll.The present process is particularly suitable for components that contain metal salts from which metals can be recovered in the course of this process. In particular, lithium (Li), cobalt (Co), nickel (Ni) and manganese can be recovered from the corresponding metal salts. (Mn). The components can have various compounds with the mentioned and other metals or metal salts, whereby the term metal compound herein also includes the metal itself.
Die zu recycelnden Materialien können dabei beispielsweise Komponenten aus Brennstoffzellen (Fuel Cells) sein oder auch aufladbare Batterien oder Magnete. Das Recycling von Magneten ist insbesondere im Hinblick auf deren Einsatz in Motoren von Elektroautos oder auch Generatoren von Windkraftanlagen interessant. Dabei bilden Starkmagnete - und insbesondere Starkmagnete, welche seltene Erden enthalten -, einen Fokus. Wiederaufladbaren Batterien werden häufig als Akkus bezeichnet, hierin wird das Wort Batterie und das Wort Akku aber austauschbar verwendet.The materials to be recycled can be, for example, components from fuel cells or rechargeable batteries or magnets. The recycling of magnets is particularly interesting with regard to their use in electric car engines or wind turbine generators. Strong magnets - and in particular strong magnets that contain rare earths - are a focus here. Rechargeable batteries are often referred to as accumulators, but the word battery and accumulator are used interchangeably here.
Größere Batterien, beispielsweise Automobil-Batterien, umfassen eine große Anzahl (mehr als 100 oder typischerweise mehr als 1.000) einzelner Batteriezellen, beispielsweise in der Form von Lithium-Ionen-Zellen. Die einzelnen Zellen haben typischerweise eine Spannung von 1-5 V und werden zu Modulen zusammengefasst, welche ihrerseits eine Spannung von 5 V-80 V haben. Diese Module wiederum bilden Systeme, welche eine Spannung von 80 V-800 V haben können. Ein solches System kann das wesentliche Element einer Automobil-Batterie darstellen.Larger batteries, such as automotive batteries, comprise a large number (more than 100 or typically more than 1,000) of individual battery cells, for example in the form of lithium-ion cells. The individual cells typically have a voltage of 1-5 V and are combined into modules, which in turn have a voltage of 5 V-80 V. These modules in turn form systems, which can have a voltage of 80 V-800 V. Such a system can represent the essential element of an automotive battery.
Soweit in diesem Verfahren Batterien recycelt werden, ist davon auszugehen, dass diese über eine Restladung verfügen. Zur Vorbereitung der weiteren Verfahrensschritte sind die Batterien möglichst vollständig zu entladen. Hierzu kommen in der Regel Geräte zum Einsatz, welche einen AC/DC-Wechselrichter aufweisen. Während der Entladung werden in der Regel auch Entladeprotokolle angefertigt. Zweckmäßig ist es, wenn die Restenergie, die in Batterien gespeichert war, zurückgewonnen wird und auch eine Netzrückspeisung stattfindet.If batteries are recycled in this process, it can be assumed that they have a residual charge. In preparation for the next steps in the process, the batteries must be discharged as completely as possible. Devices with an AC/DC inverter are usually used for this purpose. Discharge protocols are usually also created during the discharge. It is useful if the residual energy that was stored in the batteries is recovered and fed back into the grid.
Alternativ oder zusätzlich kommt auch eine Salzlösungsentladung infrage. Über die Salzlösung wird ein Kurzschluss zwischen den Batteriepolen hergestellt. Dabei können Salzlösungen zum Einsatz kommen, die eine so geringe Leitfähigkeit haben, dass eine plötzliche kurzschlussartige Entladung ausgeschlossen ist. In der Regel wird dabei eine Lösung, vorzugsweise eine 6-Gew.-%ige Lösung, aus NaHCOs und Na2CO3 eingesetzt.Alternatively or in addition, a saline solution discharge can also be used. The saline solution creates a short circuit between the battery poles. This can involve using saline solutions that have such low conductivity that a sudden short-circuit discharge is impossible. As a rule, a solution, preferably a 6% by weight solution, of NaHCOs and Na 2 CO 3 is used.
Bei einer Automobil-Batterie ist ein früher Schritt die Demontage (meist der erste Schritt nach der Entladung). Diese Demontage kann manuell und zerstörend erfolgen, beispielsweise auch mit Trennschleifern oder Meißeln. Dabei werden auch leicht unterscheidbare Bauteile, etwa Lithium-lonen-Zellen und Gehäuse und Leitungselemente oder Elektronikkomponenten, voneinander getrennt.For an automotive battery, an early step is disassembly (usually the first step after discharge). This disassembly can be done manually and destructively, for example with angle grinders or chisels. This also separates easily distinguishable components, such as lithium-ion cells and housings and wiring elements or electronic components.
Die mechanische Behandlung kann auch die Zerlegung der Bauteile mit einem Wasserstrahl umfassen.The mechanical treatment may also include dismantling the components with a water jet.
Das physikalische Trennverfahren umfasst als wesentlichen Schritt einen Schritt der Zerkleinerung. Hierbei werden die in der Regel manuell vorzerkleinerten Bauteile unter hohem mechanischem Pressdruck weiter zerkleinert. Neben den Druckkräften können auch Scher- und Reißkräfte wirken, beispielsweise, wenn eine Arbeitsoberfläche (beispielsweise eine Walzenoberfläche) mit entsprechenden Strukturen versehen ist (beispielsweise mit Zähnen).The physical separation process includes a crushing step as an essential step. In this process, the components, which are usually pre-crushed manually, are further crushed under high mechanical pressure. In addition to the pressure forces, shear and tear forces can also act, for example if a working surface (e.g. a roller surface) is provided with corresponding structures (e.g. with teeth).
Der mechanische Trennvorgang wird auch als Schreddern bezeichnet. Bekannte Vorrichtungen zum Schreddern können eingesetzt werden.The mechanical separation process is also called shredding. Known shredding devices can be used.
Zweckmäßig ist eine Vier-Wellen-Zerkleinerungsmaschine. Unter dieser Maschine können Siebvorrichtungen angeordnet werden. So kann erreicht werden, dass die Bauteile nicht nur in Partikelgrößen von weniger als 10 mm zerkleinert werden, sondern dass verschiedene Partikelgrößen auch sortiert werden. Beispielsweise kann eine Sortierung für Partikelgrößen von 5 mm bis 0,5 mm erfolgen. Das mechanische Trennverfahren sollte in jedem Fall geeignet sein, Partikel mit Durchmessern von weniger als 10 mm, aber auch einzelne Partikel mit Durchmessern von weniger als 1 mm zu erzeugen.A four-shaft shredding machine is useful. Screening devices can be arranged under this machine. This means that the components are not only shredded into particle sizes of less than 10 mm, but different particle sizes can also be sorted. For example, sorting can be carried out for particle sizes from 5 mm to 0.5 mm. The mechanical separation process should in any case be suitable for producing particles with diameters of less than 10 mm, but also individual particles with diameters of less than 1 mm.
Die mechanische Zerkleinerung sollte in der Regel unter Schutzgas erfolgen, beispielsweise unter Stickstoff oder Argon. Die möglicherweise in Batterien enthaltene Restenergie kann eine Brand- oder Explosionsgefahr bedeuten.Mechanical shredding should generally be carried out under protective gas, such as nitrogen or argon. The residual energy possibly contained in batteries can pose a fire or explosion hazard.
Es ist ferner zweckmäßig, die Batterien vor Anwendung des physikalischen Trennverfahrens stark abzukühlen, beispielsweise Batterien eine Stunde lang in flüssigem Stickstoff zu deaktivieren. Dies führt zu einer noch vollständigeren Entladung und erlaubt auch die leichtere Zerkleinerung der Batterie.It is also advisable to cool the batteries down considerably before applying the physical separation process, for example by deactivating the batteries in liquid nitrogen for one hour. This leads to an even more complete discharge and also allows the battery to be crushed more easily.
Während des physikalischen Trennens wird in aller Regel auch Elektrolyt aus den Batterien freigesetzt. Beispielsweise werden in Lithium-Ionen-Batterien wasserfreie aprotische Lösungsmittel eingesetzt. Diese Lösungsmittel werden destillativ gereinigt.During physical separation, electrolyte is usually released from the batteries. For example, anhydrous aprotic solvents are used in lithium-ion batteries. These solvents are purified by distillation.
In einem weiteren physikalischen Trennvorgang wird eine magnetische Trennung in Eisen- und Nichteisenmetalle vorgenommen. Hierzu wird ein magnetischer Abscheider eingesetzt. Der Abscheider arbeitet mit Schwerkraft. Pulverförmiges Material kann aufgrund der Schwerkraft nach unten fallen, etwa durch ein Gitter. In dem fallenden Partikelstrom werden Eisenpartikel aber durch ein starkes Magnetfeld abgelenkt und abgetrennt. Ein solches starkes Magnetfeld lässt sich effektiv mit Neodym-Magneten erzeugen. Die Magnete können auch zum Sammeln der eisenhaltigen Metalle verwendet werden.In another physical separation process, a magnetic separation into ferrous and non-ferrous metals is carried out. A magnetic separator is used for this. The separator works with gravity. Powdery material can fall downwards due to gravity, for example through a grid. In the falling particle stream, however, iron particles are deflected and separated by a strong magnetic field. Such a strong magnetic field can be effectively generated with neodymium magnets. The magnets can also be used to collect the ferrous metals.
In einem nächsten Schritt der physikalischen Trennung kann eine Luftstromtrennung eingesetzt werden. Bei diesem Trennverfahren wirkt ebenfalls die Schwerkraft. Entgegen der Schwerkraftrichtung - also von unten -wird Luft eingeblasen. Schwere Teile fallen gegen den Luftstrom nach unten, leichte Teile werden vom Luftstrom nach oben befördert. Somit ist also eine Trennung in eine leichte und eine schwere Partikelfraktion möglich. Die Trennung erfolgt abhängig von der Partikelgröße und der Materialdichte. Leicht trennbar sind beispielsweise Kupfer und Aluminium wegen ihrer stark verschiedenen Materialdichten (Kupfer 8,96 g/cm3, dagegen Aluminium 2,7 g/cm3). Metalle mit ähnlichen Materialdichten können häufig auch deshalb gut getrennt werden, weil sie in verschiedener Form vorliegen, so liegt Kupfer typischerweise als Metallfolie vor und Kobalt liegt als Kobaltoxyd-Salz vor.In the next step of the physical separation, air flow separation can be used. Gravity also acts in this separation process. Against the direction of gravity - i.e. from below -air is blown in. Heavy parts fall downwards against the air flow, light parts are carried upwards by the air flow. This makes it possible to separate the particles into a light and a heavy fraction. The separation depends on the particle size and the material density. For example, copper and aluminum are easy to separate because of their very different material densities (copper 8.96 g/cm 3 , whereas aluminum 2.7 g/cm 3 ). Metals with similar material densities can often be separated easily because they are in different forms, for example copper is typically present as a metal foil and cobalt is present as a cobalt oxide salt.
Nach der mechanischen Zerkleinerung der Rohmaterialien und Überführung in Partikel werden diese Partikel chemisch weiter aufgeschlossen. Dazu kommt eine Säure, vor allem verdünnte Schwefelsäure in Betracht. Die Partikel werden dabei in (Schwefelsäure-) Lösung überführt. Nachfolgend wird diese Lösung einschließlich der Partikel als Lösung bezeichnet. Die Partikel werden häufig als "schwarze Masse" bezeichnet, wenn sie im Wesentlichen das Kathodenmaterial von Lithium-Ionen-Batterien umfassen. Zweckmäßigerweise geschieht die chemische Behandlung in einem Temperaturbereich von 60 bis 80°C, besonders zweckmäßig bei um 70°C.After the raw materials have been mechanically crushed and converted into particles, these particles are further broken down chemically. An acid, especially diluted sulfuric acid, is used for this purpose. The particles are then converted into (sulfuric acid) solution. This solution, including the particles, is subsequently referred to as the solution. The particles are often referred to as "black mass" when they essentially comprise the cathode material of lithium-ion batteries. The chemical treatment is preferably carried out in a temperature range of 60 to 80°C, particularly conveniently at around 70°C.
Dieser Aufschlussprozess kann durch Zugabe von Kaliumpermanganat kontrolliert werden. Kaliumpermanganat wird als Oxidationsmittel für die Aufschließung der Metallionen eingesetzt und überführt diese in Lösung. Dort ist eine weitere chemische und elektrochemische Behandlung leicht möglich.This decomposition process can be controlled by adding potassium permanganate. Potassium permanganate is used as an oxidizing agent to decompose the metal ions and transfers them into solution. There, further chemical and electrochemical treatment is easily possible.
In dem Aufschlussschritt werden aus Salzen, insbesondere aus Li, Ni, Mn und Co, Metallsulfate gebildet.In the digestion step, metal sulfates are formed from salts, especially Li, Ni, Mn and Co.
Verschiedene Metallsulfate können in jeweils spezifischen Reaktionen aus der Lösung separiert werden, in der Regel geschieht dies durch Fällung (Präzipitation). Die einzelnen Reaktionen können parallel oder hintereinander verlaufen. Neben den hier aufgezählten Reaktionen für bestimmte Metalle können je nach eingesetztem Rohstoff noch weitere Reaktionen verwendet werden.Different metal sulfates can be separated from the solution in specific reactions, usually this is done by precipitation. The individual reactions can run in parallel or one after the other. In addition to the reactions listed here for specific metals, other reactions can be used depending on the raw material used.
Ausfällung von Kobalt: Die Ausfällung von Kobalt aus der Sulfatlösung kann zweckmäßigerweise mit Natronlauge geschehen. Der Reaktionsablauf ist dabei wie folgt:
2NaOH + CoSO4 = Co(OH)2 + Na2SO4
Precipitation of cobalt: The precipitation of cobalt from the sulfate solution can be conveniently carried out using sodium hydroxide solution. The reaction sequence is as follows:
2NaOH + CoSO 4 = Co(OH) 2 + Na 2 SO 4
Es entsteht also Kobalt(II)-hydroxid.This produces cobalt(II) hydroxide.
Ausfällung von Nickel: Die Ausfällung von Nickel aus der Sulfatlösung kann zweckmäßigerweise mit mehrzähnigen Liganden geschehen, beispielsweise mit Diacetyldioxim oder auch mit Butandiondioxim. Precipitation of nickel: The precipitation of nickel from the sulfate solution can conveniently be carried out with multidentate ligands, for example with diacetyldioxime or with butanedione dioxime.
Abtrennung von Kobalt aus nickelhaltiger Sulfatlösung: Insbesondere, wenn eine nickelhaltige Sulfatlösung vorliegt, ist die Abtrennung von Kobalt mit Cyanex 272 (Trihexyltetradecylphosphonium-bis-(2,4,4-trimethylpentyl)-phosphinat) zweckmäßig. Die gleichzeitige Elektrolyse von Kobalt und Nickel ist praktisch nicht möglich, da deren Standardpotenziale sich kaum unterscheiden (-0,226 Volt für Nickel und -0,280 Volt für Kobalt). Separation of cobalt from nickel-containing sulfate solution: Separation of cobalt with Cyanex 272 (trihexyltetradecylphosphonium bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinate) is particularly useful when a nickel-containing sulfate solution is present. Simultaneous electrolysis of cobalt and nickel is practically impossible, since their standard potentials hardly differ (-0.226 volts for nickel and -0.280 volts for cobalt).
Durch die Vorbehandlung mit Cyanex 272 ist es aber möglich, dass praktisch nur Kobalt aus der Sulfatlösung extrahiert wird und die Extraktion von Nickel vernachlässigbar bleibt. Nickel kann dann in einem separaten Schritt elektrochemisch gewonnen werden.However, pretreatment with Cyanex 272 makes it possible for practically only cobalt to be extracted from the sulfate solution and the extraction of nickel to remain negligible. Nickel can then be extracted electrochemically in a separate step.
Wie weiter unten beschrieben, kommt es auch alternativ infrage, mehrere Metallionen, insbesondere auch Ni-Co- und Mn-lonen gleichzeitig elektrochemisch abzuscheiden.As described below, it is also possible to electrochemically deposit several metal ions, in particular Ni-Co and Mn ions, simultaneously.
Trennung von Mangan: Mangan kann aus der (Sulfat-)Lösung besser durch eine Synproportionierungsreaktion als etwa durch eine Fällung bestehen. Dabei wird ausgenutzt, dass Mangan in vielen verschiedenen Oxidationsstufen vorliegen kann. Zweckmäßig ist, wenn eine gleichzeitige Reduktion und Oxidation von Mangan aus einer höheren und einer niedrigeren Oxidationsstufe erfolgt. Dabei wird ausgehend von der dazwischenliegenden vierwertigen Oxidationsstufe Braunstein (MnO2) gebildet. Separation of manganese: Manganese can be separated from the (sulfate) solution better through a synproportionation reaction than through precipitation. This takes advantage of the fact that manganese can exist in many different oxidation states. It is useful if a simultaneous reduction and oxidation of manganese from a higher and a lower oxidation state takes place. In this process, manganese dioxide (MnO 2 ) is formed starting from the intermediate tetravalent oxidation state.
In der Summe sieht die Reaktion wie folgt aus:
2MnO4 - + 3Mn2+ + 4OH- = 5MnO2 + 2 H2O
In summary, the reaction looks like this:
2MnO 4 - + 3Mn 2+ + 4OH - = 5MnO 2 + 2H 2 O
Am Ende der chemischen Behandlung liegen die Rohmaterialien typischerweise in Form von einem Metallsalz vor, welches das abzuscheidende Metall enthält. Wie beschrieben, gilt dies insbesondere für Co, Ni und Mn.At the end of the chemical treatment, the raw materials are typically in the form of a metal salt containing the metal to be deposited. As described, this is particularly true for Co, Ni and Mn.
Durch Elektrolyse kann aus den entsprechenden Metallsalzen das Metall gewonnen werden, indem in der Regel an der Kathode das Metallkationx zum elementaren Metall reduziert wird.The metal can be extracted from the corresponding metal salts by electrolysis, usually by reducing the metal cation to the elemental metal at the cathode.
Die entsprechenden Elektrolysereaktionen sind für Co und Ni folgende:
Ni2+ + 2e- = Ni E°= - 0,226 V
Co2+ + 2e- = Co E0= - 0,28 V
The corresponding electrolysis reactions for Co and Ni are as follows:
Ni 2+ + 2e - = Ni E°= - 0.226 V
Co 2+ + 2e - = Co E 0 = - 0.28 V
2H2O =O2 +4H+ + 4e- E°= - 1,23 V
2H 2 O =O 2 +4H + + 4e- E°= - 1.23 V
Neben den Reaktionen ist auch jeweils das Standardpotenzial für die Reaktion angegeben. Wie deutlich wird, ist das Standardpotenzial für Nickel und für Kobalt sehr ähnlich. Daher ist es nicht möglich, aus einer gemischten Sulfatlösung Nickel und Kobalt gleichzeitig abzuscheiden. Es ist bei einer solchen gemischten Sulfatlösung zweckmäßig, wenn die Elektrolyse erst nach einer chemischen Vorbehandlung stattfindet. Diese Vorbehandlung kann mit Cyanex 272 stattfinden. Nach dieser Vorbehandlung kann Kobalt aus der Sulfatlösung extrahiert werden. Nickel kann dann in einem weiteren separaten Schritt elektrochemisch gewonnen werden.In addition to the reactions, the standard potential for each reaction is also given. As can be seen, the standard potential for nickel and cobalt is very similar. It is therefore not possible to separate nickel and cobalt from a mixed sulfate solution at the same time. With such a mixed sulfate solution, it is advisable to carry out electrolysis only after chemical pretreatment. This pretreatment can be carried out using Cyanex 272. After this pretreatment, cobalt can be extracted from the sulfate solution. Nickel can then be extracted electrochemically in a further separate step.
Gleichzeitige Elektrolyse von Nickel und Braunstein: Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn Nickel und Braunstein gleichzeitig abgeschieden werden. Simultaneous electrolysis of nickel and manganese dioxide: It has proven to be particularly advantageous if nickel and manganese dioxide are deposited simultaneously.
In einer solchen Doppelreaktion wird Nickel reduktiv an der Kathode abgeschieden (wie oben beschrieben). Braunstein dagegen kann gleichzeitig durch Oxidation an der Anode abgeschieden werden. Dies geschieht, indem zweiwertige Mangan-Ionen zu dreiwertigen Mangan-Ionen oxidiert werden. Diese wiederum zerfallen wieder zu zweiwertigen und vierwertigen Mangan-Ionen. Aus diesen bildet sich Braunstein, welcher sich dann an der Anode ablagert.In such a double reaction, nickel is deposited reductively on the cathode (as described above). However, manganese dioxide can be deposited simultaneously by oxidation on the anode. This happens when divalent manganese ions are oxidized to trivalent manganese ions. These in turn decompose into divalent and tetravalent manganese ions. From these, manganese dioxide is formed, which is then deposited on the anode.
Mit folgenden elektrochemischen Parametern kann sowohl die Anodenreaktion wie auch die Kathodenreaktion optimal ablaufen: 3 Volt Spannung, 250 Ampere/m2 Stromdichte. Temperatur von ungefähr 50°C.With the following electrochemical parameters, both the anode reaction and the cathode reaction can proceed optimally: 3 volts voltage, 250 amperes/m 2 current density. Temperature of approximately 50°C.
Es ist auch möglich, Ni-, Co- und Mn-lonen gleichzeitig elektrochemisch abzuscheiden. Zur Trennung der Metalle ist dann eine chemische Nachbehandlung erforderlich, Das an der Kathode abgeschiedene Kobalt und Nickel wird in Salzsäure gelöst. Aus dieser Salzsäurelösung können die 2-wertigen Ionen chemisch abgeschieden werden, und zwar durch Komplexbildung mit Cyanex 272 für Kobalt und Diacetyldioxim für Nickel.It is also possible to electrochemically deposit Ni, Co and Mn ions simultaneously. A chemical post-treatment is then required to separate the metals. The cobalt and nickel deposited on the cathode are dissolved in hydrochloric acid. The divalent ions can be chemically deposited from this hydrochloric acid solution by complex formation with Cyanex 272 for cobalt and diacetyldioxime for nickel.
Behandlung und Ausfällung von Lithiumionen: Nach den beschriebenen Reaktionen verbleiben in der (Sulfat-)Lösung typischerweise noch Lithium- Ionen. Diese Lithium-Ionen können zunächst chemisch mit Natriumcarbonat (Na2CO3) als Lithiumcarbonat (Li2CO3) aus der Lösung ausgefällt werden:
Na2CO3 + Li2SO4 = Li2CO3 + Na2SO4
Treatment and precipitation of lithium ions: After the reactions described, lithium ions typically still remain in the (sulfate) solution. These lithium ions can first be chemically precipitated from the solution with sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) as lithium carbonate (Li 2 CO 3 ):
Na 2 CO 3 + Li 2 SO 4 = Li 2 CO 3 + Na 2 SO 4
Im Weiteren kann das Lithiumcarbonat durch Umkristallisierung gereinigt werden. Anschließend kann Lithiumcarbonat im aprotischen Lösungsmittel (einer ionischen Flüssigkeit) gelöst und als Lithiummetall elektrochemisch abgeschieden werden.The lithium carbonate can then be purified by recrystallization. Lithium carbonate can then be dissolved in an aprotic solvent (an ionic liquid) and electrochemically deposited as lithium metal.
In weiteren Reaktionsschritten können Metalle seltener Erden abgeschieden werden. Insbesondere ist dies für das Recycling von Neodym, beispielsweise aus Neodym-Magneten relevant (solche Magnete werden auch gerne in Windkraftanlagen eingesetzt).In further reaction steps, rare earth metals can be separated. This is particularly relevant for the recycling of neodymium, for example from neodymium magnets (such magnets are also often used in wind turbines).
Ausfällung von Seltenerdelementen: In der Lösung sind neben Metallsulfaten in der Regel Seltenerdelemente enthalten, insbesondere wird in zu recycelnden Bauteilen Neodym verwendet. Beispielsweise kommt das Recyceln von Neodym-Eisen-Bor-Magneten in Betracht. Der Sulfatlösung mit einer Mischung von Metall, Halbmetall und Seltenerd-lonen werden in einem ersten Schritt durch Zugabe zwei Komponenten zugefügt: Schwefelsäure und Natriumhydroxid. Zweckmäßig ist dabei für 1.000 ml Urlösung (Sulfatlösung) 200 ml Schwefelsäure (Konzentration 150 g/l) und 665 ml Natronlauge (Konzentration 200 g/l) zu verwenden. Die chemische Abscheidung findet somit im Verhältnis von 2:1:1 Milliliter Urlösung zu Milliliter Schwefelsäure zu Milliliter NaOH statt. Precipitation of rare earth elements: In addition to metal sulfates, the solution usually contains rare earth elements, and neodymium is used in particular in components to be recycled. For example, the recycling of neodymium-iron-boron magnets is considered. In a first step, two components are added to the sulfate solution with a mixture of metal, semi-metal and rare earth ions: sulfuric acid and sodium hydroxide. It is advisable to use 200 ml of sulfuric acid (concentration 150 g/l) and 665 ml of sodium hydroxide solution (concentration 200 g/l) for 1,000 ml of original solution (sulfate solution). The chemical precipitation takes place thus in a ratio of 2:1:1 milliliter of original solution to milliliter of sulfuric acid to milliliter of NaOH.
Um eine Ausfällung der Seltenen Erden zu erreichen, ist eine Erhöhung des pH-Werts auf 2 erforderlich. Die Zugabe von Natriumsulfat vor der Erhöhung des pH-Werts ist nötig, um die Seltenen Erden trotz Laugung mit Natronlauge als Doppelsulfat fällen zu können.In order to achieve precipitation of the rare earths, the pH value must be increased to 2. The addition of sodium sulfate before increasing the pH value is necessary in order to be able to precipitate the rare earths as double sulfate despite leaching with sodium hydroxide solution.
Dieser wässrigen Lösung wird zur Extraktion eine organische Phase zugegeben; diese organische Phase besteht aus einem Lösungsmittel und einem organischen Komplexbildner. Als Lösungsmittel eignet sich Kerosin. Als Komplexbildner kommen Tri-n-butylphosphat (TBA) infrage, besonders für die Trennung leichter Seltenerdmetalls, und für schwerere Seltene Erden verschiedene Ethylhexyl-Phosphorsäureester (HDEHP, EHEHPA).An organic phase is added to this aqueous solution for extraction; this organic phase consists of a solvent and an organic complexing agent. Kerosene is a suitable solvent. Tri-n-butyl phosphate (TBA) can be used as a complexing agent, particularly for the separation of light rare earth metals, and various ethylhexyl phosphoric acid esters (HDEHP, EHEHPA) can be used for heavier rare earths.
Die so gewonnene Lösung wird in einer Mischanlage (Schütteltrichter) durch starkes Rühren gemischt. Die anschließende Entmischung der wässrigen und der organischen Phase erlaubt die Trennung dieser Phasen. In einem nächsten Schritt wird die organische Phase mit einer wässrigen Lösung ausgewaschen. In dieser Weise erhält man eine wässrige Lösung mit einem einzelnen Seltenerdelement, z. B. Neodym.The solution obtained in this way is mixed in a mixing system (shaken funnel) by vigorous stirring. The subsequent demixing of the aqueous and organic phases allows these phases to be separated. In a next step, the organic phase is washed out with an aqueous solution. In this way, an aqueous solution with a single rare earth element, e.g. neodymium, is obtained.
Diese Lösung mit einem Seltenerdelement kann einer Fällungsreaktion unterworfen werden, beispielsweise durch Zugabe einer Oxalsäure. Dabei erhält man ein Seltenerdoxalat. Das Seltenerdoxalat wiederum kann leicht in ein Seltenerdoxyd umgewandelt werden. Seltenerdoxyde sind gängige Handelsprodukte. Die Umwandlung geschieht durch Calcinierung bei ca. 800°C an Luft unter CO2-Abspaltung.This solution with a rare earth element can be subjected to a precipitation reaction, for example by adding oxalic acid. This produces a rare earth oxalate. The rare earth oxalate can in turn easily be converted into a rare earth oxide. Rare earth oxides are common commercial products. The conversion takes place by calcination at approx. 800°C in air with the release of CO 2 .
Ionische Flüssigkeiten erlauben die Anwendung von Trennverfahren für eine Reihe von Wertstoffen, die in der (Sulfat-)Lösung typischerweise gelöst sind. Es ist beispielsweise auch möglich, Neodym durch ein elektrochemisches Trennverfahren statt durch Fällungsreaktionen zu gewinnen.Ionic liquids allow the application of separation processes for a range of valuable substances that are typically dissolved in the (sulfate) solution. For example, it is also possible to obtain neodymium through an electrochemical separation process instead of through precipitation reactions.
Unter einer ionischen Flüssigkeit wird hierin eine ionisch aufgebaute aprotische Verbindung mit einem Schmelzpunkt von unter 100°C verstanden. Vorzugsweise liegt der Schmelzpunkt sogar unterhalb von 25°C, sodass die ionische Flüssigkeit bei Raumtemperatur in der Regel in flüssiger Form vorliegt. Solche ionischen Flüssigkeiten werden auch als RTIL (oder Room Temperature lonic Liquids) bezeichnet. Je nach zu lösendem Stoff ist eine andere ionische Flüssigkeit zweckmäßig. Die Metallabscheidung erfolgt im Rahmen dieser Erfindung in aller Regel an einer Aluminium-/Titan-Katode und einer Platin-Anode.An ionic liquid is understood here to be an ionically structured aprotic compound with a melting point of less than 100°C. Preferably, the melting point is even below 25°C, so that the ionic liquid is generally in liquid form at room temperature. Such ionic liquids are also referred to as RTIL (or Room Temperature Ionic Liquids ). Depending on the substance to be dissolved, a different ionic liquid is appropriate. In the context of this invention, the metal deposition is generally carried out on an aluminum/titanium cathode and a platinum anode.
Elektrochemische Abscheidung von Neodym: Die Neodym-Abscheidung wird zweckmäßigerweise in einer Phosphonium-basierten ionischen Flüssigkeit bei einem Potenzial von Nd3+ /ND von -2,431 Volt vs. Platin durchgeführt. Eine zweckmäßige ionische Flüssigkeit ist dabei Trihexyltetradecylphosphoniumchlorid. Electrochemical deposition of neodymium: Neodymium deposition is conveniently carried out in a phosphonium-based ionic liquid at a potential of Nd 3+ / ND of -2.431 volts vs. platinum. A suitable ionic liquid is trihexyltetradecylphosphonium chloride.
Elektrochemische Lithium-Abscheidung: Diese wird mit einer Piperidiniumbasierten ionischen Flüssigkeit bei einem Potenzial von -2,3 Volt gegenüber der Platinanode durchgeführt. Electrochemical lithium deposition: This is carried out with a piperidinium-based ionic liquid at a potential of -2.3 volts relative to the platinum anode.
Elektrochemische Dysprosium-Abscheidung: Diese Abscheidung wird zweckmäßigerweise mit einer Guanidinium-basierten ionischen Flüssigkeit auf einem Aluminiumblech vorgenommen. Dabei wird ein Potenzial von -0,7 Volt (oder weniger -0,8 Volt ...) gegenüber der Platinanode angelegt. Die Reduktion von Dy(III) zu Dy(0) erfolgt hier über einen einzelnen Reaktionsschritt. Electrochemical dysprosium deposition: This deposition is conveniently carried out using a guanidinium-based ionic liquid on an aluminum sheet. A potential of -0.7 volts (or less than -0.8 volts...) is applied to the platinum anode. Reduction of Dy(III) to Dy(0) occurs here via a single reaction step.
Elektrochemische Abscheidung von Gold, Platin und Ruthenium: Die Metalle werden in einer ionischen Flüssigkeit in Lösung gebracht, dabei wird zusätzlich Eisensulfat und/oder Zinksulfat als Reduktionsmittel hinzugegeben. Dies wird zweckmäßigerweise bei einer Temperatur von 70° C vorgenommen. Electrochemical deposition of gold, platinum and ruthenium: The metals are dissolved in an ionic liquid, with iron sulfate and/or zinc sulfate added as a reducing agent. This is best done at a temperature of 70°C.
Vorzugsweise wird dabei wie folgt vorgegangen: Platin, Gold und/oder Ruthenium werden in einer ionischen Flüssigkeit (vorzugsweise: 1-Butyl-1-methylpyrrol-idinium-bis (trifluoromethansulfonyl)imid) in Anwesenheit von FeSO4 oder ZnSO4-Lösung als Reduktionsmittel bei einer Temperatur von 70°C in Lösung gebracht. Die gelösten 2- wertigen Edelmetall-lonen werden elektrochemisch bei Reduktionspotentiale von Platin, Gold und Ruthenium bei 1,20 V, 1,40 V bzw. 0,45 V auf einer Trägerelektrode (Alu/Titan-Blech) zum elementaren Metall reduziert.The preferred procedure is as follows: platinum, gold and/or ruthenium are dissolved in an ionic liquid (preferably: 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) in the presence of FeSO 4 or ZnSO 4 solution as a reducing agent at a temperature of 70°C. The dissolved divalent noble metal ions are electrochemically reduced to the elemental metal at reduction potentials of platinum, gold and ruthenium at 1.20 V, 1.40 V or 0.45 V on a carrier electrode (aluminum/titanium sheet).
Die Lösung kann auch Graphit enthalten. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch die chemische und/oder elektrochemische Reinigung von Graphit umfassen. Dabei können insbesondere Aluminium- und Kupfer-Kontaminationen entfernt werden.The solution can also contain graphite. The process according to the invention can also comprise the chemical and/or electrochemical cleaning of graphite. In particular, aluminum and copper contamination can be removed.
Die beschriebenen chemischen Reaktionen (Fällungen) und elektrochemischen Reaktionen lassen in der Lösung noch Kleinmengen von Metallionen (Li, Co, Mn, Ni, Al) zurück. Diese können in einer Neutralisationsanlage mit Schwermetallabscheider elektrochemisch dialysiert werden.The chemical reactions (precipitations) and electrochemical reactions described leave small amounts of metal ions (Li, Co, Mn, Ni, Al) in the solution. These can be electrochemically dialyzed in a neutralization system with a heavy metal separator.
In
Bei der Zerkleinerung von Batterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, wird enthaltene Elektrolytflüssigkeit aufgefangen. Hierzu ist das Elektrolytflüssigkeit von Lithium-Ionen-Batterien besteht typicherweise aus wasserfreien, aprotischen Lösemitteln und einem Leitzsalz, meist Lithiumhexafluorophosphat.When batteries, such as lithium-ion batteries, are shredded, the electrolyte fluid they contain is collected. The electrolyte fluid of lithium-ion batteries typically consists of anhydrous, aprotic solvents and a conductive salt, usually lithium hexafluorophosphate.
Das Leitsalz haftet am Rohstoff-Pulver, so dass die Zugabe eines organischen Lösungsmittels (z.B. Acetonitil) vorgesehen werden kann, um das Leitsalz auszuwaschen.The conductive salt adheres to the raw material powder, so that the addition of an organic solvent (e.g. acetonitrile) can be provided to wash out the conductive salt.
Zu diesem Zweck ist ein Mischbehälter für Pulver und Lösungsmittel 16 vorgesehen. Er wird durch einen Lösungsmittelvorratsbehälter 16A ergänzt. extrahierter Elektrolyt kann in einem Behälter 18 aufgefangen werden.For this purpose, a mixing container for powder and solvent 16 is provided. It is supplemented by a
Die so vorbereiteten pulverförmigen Rohstoffe werden in weiteren Verfahrensschritten physikalisch getrennt. Dies geschieht in den Prozesseinheiten im Rahmen 20.The powdered raw materials prepared in this way are physically separated in further process steps. This takes place in the process units in
Insbesondere findet zunächst eine magnetische Separation 22 statt, bei der aus dem Pulver Eisenpulver abgeschieden wird und im Behältnis 24 gesammelt wird. Das Material wird weiter einer Luftstromtrennung 26 ausgesetzt. Hierbei werden Aluminium- und Kupferbestandteile separiert. Diese können dann in geeigneten Containern gesammelt werden, etwa einem Container 28A für Aluminium-Pulver und einem Container 28B für Kupfer-Pulver. Nach diesem Prozessschritt 26 erhält man aus Ausgangsmaterial für die weiteren Prozessschritte die schwarze Masse 30.In particular, a
Diese schwarze Masse 30 wird in der Mischanlage 42 mit weiteren Substanzen vermischt, vor allem mit Schwefelsäure. Neben Schwefelsäure können auch Oxidationsmittel zugemischt werden, etwa Wasserstoffperoxid und Kaliumpermanganat. Die entsprechenden Stoffe werden in geeigneten Behältern, beispielsweise dem Behälter 42, bereitgestellt.This
Nach der Vorbereitung des schwarzen Pulvers in der Mischanlage wird es einer Elektrolyseeinheit 50 übergeben. Hier kann insbesondere die Nickel- und Braunstein-Elektrolyse stattfinden.After the black powder has been prepared in the mixing plant, it is transferred to an
Bei dieser Elektrolyse wird in der Regel Wasserstoff gewonnen. Dieser Wasserstoff kann über eine Leitung abgeführt werden und in geeigneter Weise weiterverwendet werden. Eine günstige Weiterverwendung kann in einem Blockkraftheizwerk 52 erfolgen. In dieser Weise kann die Anlage ganz oder zumindest teilweise energie-autark betrieben werden.Hydrogen is usually produced during this electrolysis. This hydrogen can be discharged via a pipe and reused in a suitable manner. A cost-effective reuse can take place in a combined heat and power plant 52. In this way, the plant can be operated completely or at least partially in an energy-self-sufficient manner.
Im Bereich 60 werden geeignete nasschemische Verfahrensschritte durchgeführt. Zweckmäßig ist die Gewinnung von Kobalt oder einer Kobalt-Verbindung, die anschließende Gewinnung von Mangan oder einer Mangan-Verbindung und die anschließende Gewinnung von Lithium oder einer LithiumVerbindung.In
Insbesondere kann der verbleibenden Masse aus dem Vorratsbehälter 62 ein Stoff zugegeben werden, der im Behältnis 64 die Gewinnung von Cobalt-(II)-hydroxid erlaubt. Ein geeigneter Stoff ist Natriumhydroxid.In particular, a substance can be added to the remaining mass from the
Insbesondere kann der verbleibenden Masse aus dem Vorratsbehälter 66 ein Stoff zugegeben werden, der im Behältnis 68 die Gewinnung von Mangandioxid erlaubt. Ein geeigneter Stoff ist Kaliumpermanganat.In particular, a substance can be added to the remaining mass from the
Insbesondere kann der verbleibenden Masse aus dem Vorratsbehälter 70 ein Stoff zugegeben werden, der im Behältnis 72 die Gewinnung von Lithiumcarbonat erlaubt. Ein geeigneter Stoff ist Natriumcarbonat.In particular, a substance can be added to the remaining mass from the
Am Ende dieser Verfahrensschritte steht die fast vollständige Rückgewinnung der hinzugegebenen Rohstoffe. In einem abschließenden Verfahrensschritt wird das Restmaterial zu einer Neutralisationsanlage 80 überführt, in der Säuren und Laugen neutralisiert werden. Vorteilhafterweise weist diese auch einen Schwermetallabscheider ab.At the end of these process steps, the added raw materials are almost completely recovered. In a final process step, the residual material is transferred to a
Aus der Neutralisationsanlage 80 kann reines Prozess-Wasser gewonnen werden und im Behältnis 82 gesammelt werden. Auch das gesammelte Prozess-Wasser kann im Prozess selbst verwendet werden. Dazu wird es vorteilhafterweise zur Mischanlage 40 geführt, wo es zur Aufbereitung der schwarzen Masse 30 eingesetzt werden kann.Pure process water can be obtained from the
Insgesamt kann so ein sehr effizienter Prozess zu einer ungewöhnlich vollständigen Rohstoffrückgewinnung aufgebaut werden. Die Rohstoffe werden dabei in hoher Reinheit gehalten. Durch die Rückgewinnung des Prozesswassers und auch die Nutzung des bei der Elektrolyse entstehenden Wasserstoffs zur Energiegewinnung kann der Prozess weitgehend autark betrieben werden.Overall, a very efficient process can be set up for an unusually complete recovery of raw materials. The raw materials are kept at a high level of purity. By recovering the process water and using the hydrogen produced during electrolysis to generate energy, the process can be operated largely autonomously.
- 1010
- Physikalische VorbereitungPhysical preparation
- 1212
- ZerkleinerungShredding
- 1414
- Pulverpowder
- 1616
- MischbehälterMixing container
- 16A16A
- LösungsmittelvorratsbehälterSolvent storage tank
- 1818
- Auffangbehälter für ElekrolytElectrolyte collection container
- 2020
- Physikalische TrennungPhysical separation
- 2222
- magnetische Separationmagnetic separation
- 2424
- Eisen-Pulver-BehälterIron powder container
- 2626
- LuftstromtrennungAirflow separation
- 28A28A
- Aluminium-Pulver-BehälterAluminium powder container
- 28B28B
- Kupfer-Pulver-BehälterCopper powder container
- 3030
- schwarze Masseblack mass
- 4040
- MischanlageMixing plant
- 4242
- ZuführtankFeed tank
- 5050
- ElektrolyseeinheitElectrolysis unit
- 5252
- Wasserstoff-AbleitungHydrogen derivation
- 5454
- BlockheizkraftwerkCombined heat and power plant
- 6060
- elektrochemische Einheitenelectrochemical units
- 6262
- Reagenz für Kobalt-AbscheidungReagent for cobalt deposition
- 6464
- Kobalt-/Kobaltverbindungs-AbscheidungCobalt/cobalt compound deposition
- 6666
- Reagenz für Mangan-AbscheidungReagent for manganese deposition
- 6868
- Mangan-/Manganverbindungs-AbscheidungManganese/manganese compound deposition
- 7070
- Reagenz für Lithium-AbscheidungReagent for lithium deposition
- 7272
- Lithium-/Lithiumverbindungs-AbscheidungLithium/lithium compound deposition
- 8080
- NeutralisationsanlageNeutralization system
- 8282
- Prozesswasser-ContainerProcess water container
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