JP6992691B2 - How to separate copper from nickel and / or cobalt - Google Patents

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Description

本発明は、例えば廃リチウムイオン電池等の、銅と、ニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金から、銅と、ニッケル及び/コバルトとを分離する方法に関する。 The present invention relates to a method for separating copper and nickel and / cobalt from an alloy containing copper and nickel and / or cobalt, for example, a waste lithium ion battery.

電気自動車やハイブリット自動車等の車両及び携帯電話やスマートフォン、パソコン等の電子機器には、軽量で大出力であるという特徴を有するリチウムイオン電池(以下「LIB」とも称する)が搭載されている。 Vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles and electronic devices such as mobile phones, smartphones, and personal computers are equipped with lithium-ion batteries (hereinafter, also referred to as "LIB"), which are characterized by being lightweight and having a high output.

LIBは、アルミニウムや鉄等の金属製あるいは塩化ビニル等のプラスチック製の外装缶の内部に、銅箔を負極集電体に用いて表面に黒鉛等の負極活物質を固着させた負極材と、アルミニウム箔からなる正極集電体にニッケル酸リチウムやコバルト酸リチウム等の正極活物質を固着させた正極材とを、ポリプロピレンの多孔質樹脂フィルム等からなるセパレータと共に装入し、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)等の電解質を含んだ有機溶媒を電解液として含浸させた構造を有する。 The LIB is a negative electrode material in which a negative electrode active material such as graphite is fixed to the surface of a negative electrode current collector using a copper foil inside an outer can made of a metal such as aluminum or iron or a plastic such as vinyl chloride. A positive electrode material in which a positive electrode active material such as lithium nickelate or lithium cobaltate is fixed to a positive electrode current collector made of an aluminum foil is charged together with a separator made of a porous resin film of polypropylene or the like, and phosphoric acid hexafluoride is charged. It has a structure impregnated with an organic solvent containing an electrolyte such as lithium (LiPF 6 ) as an electrolytic solution.

LIBは、上記のような車両や電子機器等の中に組み込まれて使用されると、やがて自動車や電子機器等の劣化あるいはLIBの寿命等で使用できなくなり、廃リチウムイオン電池(廃LIB)となる。また、廃LIBは、最初から製造工程内で不良品として発生することもある。 When a LIB is incorporated into a vehicle or electronic device as described above and used, it eventually becomes unusable due to deterioration of the automobile or electronic device or the life of the LIB, and is called a waste lithium ion battery (waste LIB). Become. In addition, waste LIB may be generated as a defective product in the manufacturing process from the beginning.

これらの廃LIBには、ニッケルやコバルト、銅等の有価成分が含まれており、資源の有効活用のためにも、それら有価成分を回収して再利用することが望まれる。 These waste LIBs contain valuable components such as nickel, cobalt, and copper, and it is desirable to recover and reuse those valuable components for effective utilization of resources.

一般に、金属で作られた装置、部材、材料から有価成分を効率よく回収しようとする場合、炉等に投入して高温下で全て熔解し、有価物のメタルと廃棄処分等するスラグとに分離する乾式製錬の技術を用いた乾式処理が簡易であると考えられる。 Generally, when trying to efficiently recover valuable components from equipment, members, and materials made of metal, they are put into a furnace, etc., all melted at high temperature, and separated into valuable metal and slag for disposal. It is considered that the dry process using the pyrometallurgical technique is simple.

例えば特許文献1には、乾式処理を用いて有価金属の回収を行う方法が開示されている。この特許文献1に開示の方法を廃LIBから有価金属を回収する方法に適用することで、ニッケルやコバルトを含む銅合金を得ることができる。 For example, Patent Document 1 discloses a method for recovering a valuable metal by using a dry treatment. By applying the method disclosed in Patent Document 1 to a method for recovering valuable metals from waste LIB, a copper alloy containing nickel or cobalt can be obtained.

乾式処理は、高温に加熱するためのエネルギーを要するという課題はあるものの、様々な不純物を簡単な工程で処理して一括して分離できるという利点がある。また、得られるスラグは、化学的に比較的安定な性状であるため、環境問題を引き起こす懸念がなく、廃棄処分しやすいという利点もある。 Although the dry treatment has a problem that it requires energy for heating to a high temperature, it has an advantage that various impurities can be treated in a simple process and separated at once. In addition, since the obtained slag has relatively stable chemical properties, there is no concern about causing environmental problems, and there is an advantage that it is easy to dispose of.

しかしながら、乾式処理により廃LIBを処理した場合、一部の有価成分、特にコバルトの殆どがスラグに分配され、コバルトの回収ロスとなることが避けられないという問題がある。また、乾式処理で得られるメタルは、有価成分が共存した「合金」であり、再利用するためには、その合金から成分ごとに分離し、不純物を除去する精製が必要となる。 However, when the waste LIB is treated by the dry treatment, there is a problem that most of some valuable components, particularly cobalt, are distributed to the slag, resulting in a cobalt recovery loss. Further, the metal obtained by the dry treatment is an "alloy" in which valuable components coexist, and in order to reuse it, it is necessary to separate each component from the alloy and purify it to remove impurities.

乾式法で一般的に用いられてきた元素分離の方法として、高温の熔融状態から徐冷することによって、例えば銅と鉛との分離や鉛と亜鉛との分離を行う方法がある。しかしながら、廃LIBのように銅とニッケルが主な成分である場合、銅とニッケルは全組成範囲で均一熔融する性質を有するため、徐冷しても銅とニッケルとが層状に混合固化するのみで、それらを効果的に分離することができない。 As a method of element separation generally used in the dry method, there is a method of separating copper and lead or lead and zinc by slowly cooling from a high-temperature molten state. However, when copper and nickel are the main components as in waste LIB, copper and nickel have the property of uniformly melting over the entire composition range, so even if they are slowly cooled, copper and nickel are only mixed and solidified in layers. And they cannot be separated effectively.

さらに、一酸化炭素(CO)ガスを用いてニッケルを不均化反応させ、銅やコバルトから揮発させて分離する精製方法もある。ところが、猛毒性のCOガスを用いるため、安全性の確保が難しい。 Further, there is also a purification method in which nickel is disproportionated using carbon monoxide (CO) gas and volatilized from copper or cobalt to be separated. However, it is difficult to ensure safety because it uses highly toxic CO gas.

また、工業的に行われてきた銅とニッケルとを分離する方法として、混合マット(硫化物)を粗分離する方法がある。この方法は、製錬プロセスにて銅とニッケルを含むマットを生成させ、これを上述の場合と同様に徐冷することによって、銅を多く含む硫化物とニッケルを多く含む硫化物とに分離するというものである。しかしながら、この方法でも銅とニッケルとの分離は粗分離程度に留まるため、純度の高いニッケルや銅を得るためには、別途電解精製等の処理が必要になる。 Further, as a method for separating copper and nickel, which has been industrially performed, there is a method for coarsely separating a mixed mat (sulfide). In this method, a mat containing copper and nickel is produced in a smelting process, which is slowly cooled in the same manner as described above to separate copper-rich sulfide and nickel-rich sulfide. That is. However, even with this method, the separation of copper and nickel is limited to a crude separation level, so that a separate process such as electrolytic refining is required to obtain high-purity nickel or copper.

その他の方法として、例えば特許文献2に開示されているように、塩化物を経て蒸気圧差を利用する方法も検討されてきたが、有毒な塩素を大量に取り扱うプロセスとなるため、装置腐食対策や安全対策等で工業的に適した方法とは言い難い。 As another method, for example, as disclosed in Patent Document 2, a method of utilizing the vapor pressure difference via chloride has been studied, but since it is a process of handling a large amount of toxic chlorine, it is necessary to take measures against equipment corrosion. It is hard to say that it is an industrially suitable method for safety measures.

また、銅とコバルトの分離、コバルトとニッケルの分離に関しても同様である。 The same applies to the separation of copper and cobalt and the separation of cobalt and nickel.

このように、湿式法と比較して、乾式法による各元素の分離精製は、粗分離レベルに留まるか、あるいは高コストという欠点を有している。 As described above, the separation and purification of each element by the dry method has the disadvantages that the separation and purification of each element remain at the crude separation level or the cost is high as compared with the wet method.

一方で、酸による浸出処理や、中和処理、溶媒抽出処理等の方法を用いる湿式処理では、消費するエネルギーが少なく、混在する有価成分を個々に分離し、直接高純度な品位で回収できるというメリットがある。しかしながら、湿式処理を用いて廃LIBを処理する場合、廃LIBに含まれる電解液成分の六フッ化リン酸アニオンは、高温、高濃度の硫酸でも完全に分解されない難処理物であり、有価成分を浸出した酸溶液に混入することになる。さらに、その六フッ化リン酸アニオンは、水溶性の炭酸エステルであることから、有価物を回収した後の水溶液からリンやフッ素を回収することも困難で、排水処理によって公共海域等に放出することを抑制し難くなるという問題がある。 On the other hand, wet treatment using methods such as acid leaching treatment, neutralization treatment, solvent extraction treatment, etc. consumes less energy, and it is possible to separate the mixed valuable components individually and directly recover them with high-purity grade. There are merits. However, when the waste LIB is treated by a wet treatment, the hexafluorophosphate anion contained in the waste LIB is a difficult-to-treat product that is not completely decomposed even with high-temperature and high-concentration sulfuric acid, and is a valuable component. Will be mixed in the leached acid solution. Furthermore, since the hexafluorophosphate anion is a water-soluble carbonic acid ester, it is difficult to recover phosphorus and fluorine from the aqueous solution after recovering valuable resources, and they are released to public sea areas by wastewater treatment. There is a problem that it becomes difficult to suppress this.

また、酸のみで廃LIBから有価成分を効率的に浸出して精製に供することができる溶液を得ることは容易でない。廃LIBそのものは浸出し難くいため、有価成分の浸出率を向上させるため酸化力の強い酸を用いる等して強引に浸出処理を施すと、有価成分と共に回収の対象でないアルミニウムや鉄、マンガン等の成分までもが大量に浸出され、これらを処理するための中和剤添加量や取り扱う排水量が増加したりするという問題がある。 In addition, it is not easy to obtain a solution capable of efficiently leaching valuable components from waste LIB and using it for purification with only an acid. Since the waste LIB itself is difficult to leached out, if it is forcibly leached out by using an acid with strong oxidizing power to improve the leaching rate of valuable components, aluminum, iron, manganese, etc. that are not subject to recovery together with the valuable components will be removed. There is a problem that even the components are leached out in large quantities, and the amount of neutralizing agent added to treat them and the amount of wastewater to be handled increase.

さらに、酸性の浸出液から溶媒抽出やイオン交換等の分離処理を施すために、溶液のpHを調整したり、不純物を中和して澱物に固定したりする場合、中和澱物の発生量も増加するため、処理場所の確保や安定性の確保等の面で多くの問題がある。 Furthermore, when adjusting the pH of the solution or neutralizing impurities and fixing them to the starch in order to perform separation treatment such as solvent extraction and ion exchange from the acidic leachate, the amount of neutralized starch generated. Therefore, there are many problems in terms of securing the processing place and ensuring the stability.

またさらに、廃LIBには電荷が残留していることがあり、そのまま処理しようとすると発熱や爆発等を引き起こす恐れがある。そのため、塩水に浸漬して放電する等の手間の掛かる処置も必要となる。 Furthermore, electric charges may remain in the waste LIB, and if it is attempted to be treated as it is, it may cause heat generation, explosion, or the like. Therefore, it is necessary to take time-consuming measures such as immersing in salt water and discharging.

このように湿式処理だけを用いて廃LIBを処理することも、必ずしも有利な方法とは言えない。 It is not always an advantageous method to treat the waste LIB using only the wet treatment as described above.

そこで、上述した乾式処理単独や湿式処理単独では処理が困難な廃LIBを、乾式処理と湿式処理とを組み合わせた方法、つまり廃LIBを焙焼する等して乾式処理により不純物をできるだけ除去して均一な廃LIB処理物を生成させた後、その処理物を湿式処理して有価成分とそれ以外の成分とに分離しようとする試みが行われている。 Therefore, the above-mentioned waste LIB, which is difficult to treat by the dry treatment alone or the wet treatment alone, is removed as much as possible by the dry treatment by a method combining the dry treatment and the wet treatment, that is, by roasting the waste LIB. Attempts have been made to generate a uniform waste LIB treated product and then wet-treat the treated product to separate it into valuable components and other components.

この乾式処理と湿式処理とを組み合わせた方法では、電解液のフッ素やリンは乾式処理によって揮発する等して除去され、廃LIBの構造部品であるプラスチックやセパレータ等の有機物による部材は分解される。しかしながら、上述のように、乾式処理を経ることによって、廃LIBに含まれるコバルトがスラグに分配されるため、それにより生じる回収ロスの問題は依然として残る。 In the method combining this dry treatment and the wet treatment, fluorine and phosphorus in the electrolytic solution are removed by volatilizing and the like by the dry treatment, and the organic members such as plastics and separators which are the structural parts of the waste LIB are decomposed. .. However, as described above, the cobalt contained in the waste LIB is distributed to the slag by undergoing the dry treatment, so that the problem of recovery loss caused by it still remains.

乾式処理における雰囲気や、温度、還元度等を調整することで、コバルトをメタルとして分配させ、スラグへの分配を減じるように還元熔融する方法も考えられる。ところが、今度はそのような方法で得られるメタルは、銅をベースとしてニッケル及びコバルトを含有する難溶性の耐蝕合金を形成してしまい、有価成分を分離して回収するために酸で溶解しようにも溶解が難しくなるという問題が生じてしまう。 A method of distributing cobalt as a metal by adjusting the atmosphere, temperature, degree of reduction, etc. in the dry treatment and reducing and melting the cobalt so as to reduce the distribution to the slag is also conceivable. However, this time, the metal obtained by such a method forms a poorly soluble corrosion-resistant alloy containing nickel and cobalt based on copper, and is to be dissolved with an acid in order to separate and recover valuable components. However, there is a problem that it becomes difficult to dissolve.

また、例えば塩素ガスを用いて上述した耐蝕合金を酸溶解しても、得られる溶解液(浸出液)は高濃度の銅と、比較的低濃度のニッケルやコバルトとを含有するようになる。その中で、ニッケルとコバルトは、溶媒抽出等の公知の方法を用いて分離することはそれほど難しくはない。しかしながら、大量の銅をニッケルやコバルトと容易かつ低コストに分離することは容易ではない。 Further, even if the above-mentioned corrosion-resistant alloy is acid-dissolved using chlorine gas, for example, the obtained solution (leaching solution) contains high-concentration copper and relatively low-concentration nickel or cobalt. Among them, nickel and cobalt are not so difficult to separate by using a known method such as solvent extraction. However, it is not easy to separate a large amount of copper from nickel or cobalt easily and at low cost.

以上のように、有価成分である銅と、ニッケルやコバルト、その他の様々な回収対象でない成分を含有する廃LIBから、効率的に、銅、ニッケル、コバルトだけを分離することは難しかった。 As described above, it has been difficult to efficiently separate only copper, nickel, and cobalt from waste LIB containing copper, which is a valuable component, and nickel, cobalt, and various other non-recoverable components.

なお、上述した問題点は、廃LIB以外の銅、ニッケル、コバルトを含む廃電池から、それら金属を分離する場合においても同様に存在し、また、廃電池以外に由来する銅とニッケルとコバルトとを含む合金から、それら金属を分離する場合も同様に存在する。 The above-mentioned problems also exist in the case of separating the metals from waste batteries containing copper, nickel, and cobalt other than waste LIB, and copper, nickel, and cobalt derived from other than waste batteries. Similarly exists when separating those metals from an alloy containing.

特開2012-172169号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-172169 特開昭63-259033号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-259033

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、銅とニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金から、銅とニッケル及び/又はコバルトとを効率的に分離する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such circumstances, and provides a method for efficiently separating copper and nickel and / or cobalt from an alloy containing copper and nickel and / or cobalt. The purpose is.

本発明者は、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、銅とニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金をアノードに用い、電解処理によってそのアノードから金属イオンを電解液中に溶出させ、そのとき、電解液に硫黄粉末を添加して電解処理を行うことによって、銅とニッケル及び/又はコバルトとを選択的に有効に分離できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventor has made extensive studies to solve the above-mentioned problems. As a result, an alloy containing copper and nickel and / or cobalt is used as the anode, and metal ions are eluted from the anode into the electrolytic solution by electrolytic treatment, and at that time, sulfur powder is added to the electrolytic solution for electrolytic treatment. We have found that copper and nickel and / or cobalt can be selectively and effectively separated by performing the above, and have completed the present invention.

(1)本発明の第1の発明は、合金から、銅と、ニッケル及び/又はコバルトとを分離する方法であって、銅と、ニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金をアノードとして用い、電解処理によって該アノードから金属イオンを電解液中に溶出させるに際し、該電解液に硫黄粉末を添加して行う、分離方法である。 (1) The first invention of the present invention is a method for separating copper and nickel and / or cobalt from an alloy, using an alloy containing copper and nickel and / or cobalt as an anode. This is a separation method in which sulfur powder is added to the electrolytic solution when metal ions are eluted from the anode into the electrolytic solution by electrolytic treatment.

(2)本発明の第2の発明は、第1の発明において、前記電解液への前記硫黄粉末の添加量は、前記電解処理において供給する電流量から算出される銅イオンの理論溶出量に対して1~3当量(S-mol/Cu-mol)の範囲である、分離方法である。 (2) In the second invention of the present invention, in the first invention, the amount of the sulfur powder added to the electrolytic solution is the theoretical elution amount of copper ions calculated from the amount of current supplied in the electrolytic treatment. On the other hand, it is a separation method in the range of 1 to 3 equivalents (S-mol / Cu-mol).

(3)本発明の第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記電解液は、硫酸酸性溶液である、分離方法である。 (3) The third aspect of the present invention is the separation method in which the electrolytic solution is a sulfuric acid acidic solution in the first or second invention.

本発明によれば、銅とニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金から、銅とニッケル及び/又はコバルトとを効率的に分離することができる。 According to the present invention, copper and nickel and / or cobalt can be efficiently separated from an alloy containing copper and nickel and / or cobalt.

そして、その合金から分離されたニッケル及び/又はコバルトを含む電解液は、鉄等の不純物成分を除去した後、そのまま電池材料の原液として利用することができ、その他、公知の方法によってニッケルとコバルトとを分離し、それぞれ有効に高純度なニッケルやコバルトのメタルや塩類として再利用することができる。さらに、合金から分離された銅は、銅製錬に適した硫化物の形態であることから、そのまま銅製錬の転炉等に投入し電解精製等の手段に付すことができ、これにより高純度な銅を回収することができる。 The electrolytic solution containing nickel and / or cobalt separated from the alloy can be used as it is as a stock solution for a battery material after removing impurity components such as iron, and nickel and cobalt can be used as they are by a known method. Can be separated and effectively reused as high-purity nickel and cobalt metals and salts. Furthermore, since the copper separated from the alloy is in the form of a sulfide suitable for copper smelting, it can be directly put into a copper smelting converter or the like and subjected to means such as electrolytic refining, thereby achieving high purity. Copper can be recovered.

以下、本発明の具体的な実施形態(以下、「本実施の形態」という)について詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。なお、本明細書にて、「X~Y」(X、Yは任意の数値)との表記は、「X以上Y以下」の意味である。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments, and the gist of the present invention is changed. It can be implemented by making appropriate changes within the range that does not apply. In this specification, the notation "X to Y" (X and Y are arbitrary numerical values) means "X or more and Y or less".

本実施の形態に係る分離方法は、銅と、ニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金(合金材料)から、銅と、ニッケル及び/又はコバルトとを分離する方法である。 The separation method according to the present embodiment is a method for separating copper and nickel and / or cobalt from an alloy (alloy material) containing copper and nickel and / or cobalt.

分離の処理対象である、銅とニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金材料としては、例えば、自動車や電気機器等の劣化による廃棄やリチウムイオン電池の寿命に伴い発生したリチウムイオン電池のスクラップ(廃リチウムイオン電池)等の廃電池(製造過程にて生成した不良品等も含む)を加熱熔融し還元して得られる合金が挙げられる。また、廃リチウムイオン電池以外の銅、ニッケル、コバルトを含む廃電池や、電池以外の銅とニッケルとコバルトとを含む合金についても、処理対象の合金として用いることができる。このような、例えば廃リチウムイオン電池等の廃電池を乾式処理して得られる合金は、難溶性の耐食性に富む銅合金である。なお、上述した合金について、その他の金属や樹脂等を適宜加えることを排除するものではなく、その場合には他の金属や樹脂を含めて合金と称する。 As the alloy material containing copper and nickel and / or cobalt, which is the object of separation processing, for example, scrap of the lithium ion battery generated due to disposal due to deterioration of automobiles, electric devices, etc. or the life of the lithium ion battery ( Examples thereof include alloys obtained by heating and melting waste batteries (including defective products produced in the manufacturing process) such as waste lithium ion batteries () and reducing them. Further, waste batteries containing copper, nickel, and cobalt other than waste lithium ion batteries, and alloys containing copper, nickel, and cobalt other than batteries can also be used as alloys to be treated. Such an alloy obtained by dry-treating a waste battery such as a waste lithium ion battery is a copper alloy having low solubility and excellent corrosion resistance. It should be noted that the above-mentioned alloy does not exclude the addition of other metals, resins and the like as appropriate, and in that case, it is referred to as an alloy including other metals and resins.

具体的に、本実施の形態に係る分離方法は、銅とニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金をアノードとして用い、電解処理によってそのアノードから金属イオンを電解液中に溶出させる方法であり、そして、その電解処理に際して、電解液に硫黄粉末を添加して行うことを特徴としている。 Specifically, the separation method according to the present embodiment is a method in which an alloy containing copper and nickel and / or cobalt is used as an anode, and metal ions are eluted from the anode into the electrolytic solution by electrolytic treatment. The electrolytic treatment is characterized by adding sulfur powder to the electrolytic solution.

銅とニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金は、上述したように、硫酸等の酸性溶液に溶け難い合金であるが、そのような合金をアノードに用いて電解することで、合金に含まれる金属がイオンの形態で溶出(電解溶出)する。そしてこのとき、硫酸酸性溶液等の電解液に、硫黄粉末(単体硫黄:S)を添加して電解液中に硫黄粉末が懸濁した状態で通電することによって、合金に含まれている銅の大部分を選択的に硫化銅として固定することができる。一方で、合金に含まれているニッケル及び/又はコバルトは、電解処理により電解液中に金属イオンとして溶出するため、電解処理後に固液分離することで、銅と、ニッケル及び/又はコバルトとを、効率的に分離することができる。 As described above, an alloy containing copper and nickel and / or cobalt is an alloy that is difficult to dissolve in an acidic solution such as sulfuric acid, but it is contained in the alloy by electrolyzing using such an alloy as an anode. The metal elutes in the form of ions (electrolytic elution). At this time, copper contained in the alloy is generated by adding sulfur powder (elemental sulfur: S 0 ) to an electrolytic solution such as an acidic sulfuric acid solution and energizing the state in which the sulfur powder is suspended in the electrolytic solution. Most of it can be selectively fixed as copper sulfide. On the other hand, nickel and / or cobalt contained in the alloy is eluted as metal ions in the electrolytic solution by the electrolytic treatment, so that copper and nickel and / or cobalt are separated by solid-liquid separation after the electrolytic treatment. , Can be separated efficiently.

また、電解液中に存在させた硫黄により硫化銅として固定化されずに一部が銅イオン(Cu2+)として電解液中に溶出した場合、電解処理を継続することで、その銅イオンを、ニッケルイオン(Ni2+)やコバルトイオン(Co2+)よりも優先的に、カソード電極(例えばチタン板)上に電析させることができる。このような点からも、銅と、ニッケル/及びコバルトとを有効に分離することができる。 Further, when the copper ion present in the electrolytic solution is not immobilized as copper sulfide and a part of the copper ion is eluted in the electrolytic solution as copper ion (Cu 2+ ), the copper ion is generated by continuing the electrolytic treatment. It can be electrolyzed on a cathode electrode (for example, a titanium plate) with priority over nickel ions (Ni 2+ ) and cobalt ions (Co 2+ ). From this point as well, copper and nickel / and cobalt can be effectively separated.

[電解処理について]
本実施の形態に係る分離方法では、上述したように、銅とニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金(以下、単に「合金」ともいう)をアノード(金属アノード)として用いる。分離処理の対象である合金は、例えば、廃リチウムイオン電池を加熱熔融し還元して得られる合金が挙げられ、その合金を板状に鋳造することでアノード板を構成する。
[About electrolytic treatment]
In the separation method according to the present embodiment, as described above, an alloy containing copper and nickel and / or cobalt (hereinafter, also simply referred to as “alloy”) is used as an anode (metal anode). Examples of the alloy to be separated include an alloy obtained by heating and melting a waste lithium ion battery and reducing it, and the anode plate is formed by casting the alloy into a plate shape.

カソードとしては、特に限定されず、例えば、チタン、ステンレス、白金、チタンに白金めっきしたもの、チタンと白金をクラッドしたもの等を板状に構成したものを用いることができる。 The cathode is not particularly limited, and for example, titanium, stainless steel, platinum, platinum-plated titanium, a plate-shaped cathode of titanium and platinum, or the like can be used.

電解処理においては、所定の電解槽内に、合金から構成されるアノードとカソードとが対向するように配置し、その電解槽内に電解液を装入する。その後、電極間に電流を供給する。電解液としては、硫酸酸性の電解液を用いることができる。 In the electrolytic treatment, the anode and the cathode made of an alloy are arranged so as to face each other in a predetermined electrolytic cell, and the electrolytic solution is charged into the electrolytic cell. After that, a current is supplied between the electrodes. As the electrolytic solution, a sulfuric acid-acidic electrolytic solution can be used.

このような電解処理によれば、合金により構成されるアノードから、電解に伴って、金属イオンが電解液中に溶出されるようになる。そして、このとき、本実施の形態においては、電解液に硫黄粉末(単体硫黄:S)を添加し、硫黄粉末の共存下において電解処理を施すことを特徴としている。 According to such an electrolysis treatment, metal ions are eluted from the anode composed of the alloy into the electrolytic solution with the electrolysis. At this time, the present embodiment is characterized in that sulfur powder (elemental sulfur: S 0 ) is added to the electrolytic solution and the electrolytic treatment is performed in the coexistence of the sulfur powder.

[電解処理による電極での反応]
具体的に、銅とニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金から構成されるアノードを用いて電解処理を施し、その際、硫酸酸性の電解液に粉末硫黄を添加して電流を流すことで、合金表面の銅が、共存させた硫黄粉末に基づいて硫化物として固定されるようになる。これにより、電解液中への銅イオン(Cu2+)としての溶出を抑制することができ、その合金から、ニッケル及び/又はコバルトをイオンの形態で選択的に溶出させることができる。
[Reaction at the electrode by electrolytic treatment]
Specifically, electrolytic treatment is performed using an anode composed of an alloy containing copper and nickel and / or cobalt, and at that time, powdered sulfur is added to a sulfuric acid-acidic electrolytic solution and an electric current is passed. Copper on the surface of the alloy will be fixed as sulfide based on the coexisting sulfur powder. As a result, elution of copper ions (Cu 2+ ) into the electrolytic solution can be suppressed, and nickel and / or cobalt can be selectively eluted in the form of ions from the alloy.

より具体的に、この電解処理により生じる反応を下記式に示す。すなわち、下記式に示すように、合金により構成されたアノードの側では、アノードを構成する合金の表面の銅メタルと電解液中に存在させた粉末硫黄とが接触することで、硫化銅が生成する反応が生じる(式1)。また、合金に含まれるニッケルやコバルト、あるいは銅の一部は、電子を失って電解液中にイオンとして溶出する(式2-1~式2-3)。 More specifically, the reaction generated by this electrolytic treatment is shown in the following formula. That is, as shown in the following formula, on the side of the anode composed of the alloy, copper sulfide is generated by the contact between the copper metal on the surface of the alloy constituting the anode and the powdered sulfur present in the electrolytic solution. Reaction occurs (Equation 1). Further, nickel, cobalt, or a part of copper contained in the alloy loses electrons and elutes as ions in the electrolytic solution (formula 2-1 to formula 2-3).

(アノード側)
Cu+S → CuS ・・・(式1)
Ni-2e → Ni2+ ・・・(式2-1)
Co-2e → Co2+ ・・・(式2-2)
Cu-2e → Cu2+ ・・・(式2-3)
(Anode side)
Cu + S → CuS ・ ・ ・ (Equation 1)
Ni-2e → Ni 2+ ... (Equation 2-1)
Co-2e → Co 2+ ... (Equation 2-2)
Cu-2e → Cu 2+ ... (Equation 2-3)

一方で、カソード側では、硫酸酸性の電解液の硫酸由来である水素イオンが電子を受け取って水素ガスとなる酸消費反応が生じる(式3)。また、電解液中に溶出した一部の銅イオン(Cu2+)が電子を受け取り、銅粉として析出する反応(式4)が生じる。溶出した一部の銅イオンは、カソード電極(例えばチタン板)上に、ニッケルイオン(Ni2+)やコバルトイオン(Co2+)よりも優先的に電析する。 On the other hand, on the cathode side, an acid consumption reaction occurs in which hydrogen ions derived from sulfuric acid in a sulfuric acid-acidic electrolytic solution receive electrons and become hydrogen gas (Equation 3). Further, a reaction (formula 4) in which some copper ions (Cu 2+ ) eluted in the electrolytic solution receive electrons and precipitate as copper powder occurs. Some of the eluted copper ions are deposited on the cathode electrode (for example, a titanium plate) with priority over nickel ions (Ni 2+ ) and cobalt ions (Co 2+ ).

(カソード側)
2H+2e → H ・・・(式3)
Cu2++2e → Cu ・・・(式4)
(Cathode side)
2H + + 2e → H 2 ... (Equation 3)
Cu 2 + + 2e → Cu 0 ... (Equation 4)

このように、本実施の形態においては、合金から構成されるアノードを用いた電解処理を、電解液中に硫黄粉末を添加して共存させた状態で行うようにしていることから、合金に含まれる銅を硫化銅として固定し、一方で、ニッケル及び/又はコバルトをイオンの形態で電解液中に選択的に溶出させ、銅と、ニッケル及び/又はコバルトとの分離することができる。また、電解液中に溶出した一部の銅イオンについても、電解処理によってニッケルイオンやコバルトイオンよりも優先的にカソード上に電析されることから、有効に分離することができ、電解液中に含まれる銅イオンをほとんど無くすことができる。 As described above, in the present embodiment, since the electrolytic treatment using the anode composed of the alloy is performed in a state where the sulfur powder is added to the electrolytic solution and coexists, it is included in the alloy. The copper can be fixed as copper sulfide, while nickel and / or cobalt can be selectively eluted in the electrolytic solution in the form of ions to separate copper from nickel and / or cobalt. In addition, some copper ions eluted in the electrolytic solution are also electrolyzed onto the cathode preferentially over nickel ions and cobalt ions by the electrolytic treatment, so that they can be effectively separated and can be effectively separated in the electrolytic solution. Copper ions contained in can be almost eliminated.

[添加する硫黄粉末について]
電解処理において電解液中に添加する硫黄粉末(単体硫黄:S)は、単斜晶系や斜方晶系等の結晶質の粉末や不定形の粉末など、特に制限なく使用することができる。
[About sulfur powder to be added]
The sulfur powder (elemental sulfur: S 0 ) added to the electrolytic solution in the electrolytic treatment can be used without particular limitation, such as a crystalline powder such as a monoclinic crystal system or an orthorhombic crystal system, or an amorphous powder. ..

また、硫黄粉末の粒径についても、特に制限されないが、1μm~45μmの範囲の粒径のものを用いることが好ましい。粒径の調整は、硫黄粉末を乳鉢等により解砕することによって行うことができる。なお、硫黄粉末は、品位(硫黄品位)が高い方が好ましく、例えば硫黄品位99%以上のものがより好ましい。 The particle size of the sulfur powder is not particularly limited, but it is preferable to use a sulfur powder having a particle size in the range of 1 μm to 45 μm. The particle size can be adjusted by crushing the sulfur powder with a mortar or pestle. The sulfur powder preferably has a high grade (sulfur grade), and for example, a sulfur powder having a sulfur grade of 99% or more is more preferable.

硫黄粉末の電解液への添加量としては、電解処理において供給する電流量から算出される銅イオンの理論溶出量(モル量)に対して1当量~3当量(S-mol/Cu-mol)の範囲が好ましく、1.2当量~3当量の範囲がより好ましく、1.5当量~2.8当量の範囲がさらに好ましい。硫黄粉末の添加量が、銅イオンの理論溶出量に対して1当量以上であることにより、銅を硫化銅としてより効果的に固定することができ、電解液中への銅イオンの溶出を抑制することができる。なお、銅イオンの理論溶出量に対して3当量を超える硫黄粉末を添加すると、それ以上に銅の固定化は促進されず、電解液中に硫黄粉末が残存して、電解処理後の固液分離における分離効率が低下する可能性がある。 The amount of sulfur powder added to the electrolytic solution is 1 to 3 equivalents (S-mol / Cu-mol) with respect to the theoretical elution amount (molar amount) of copper ions calculated from the amount of current supplied in the electrolytic treatment. The range of 1.2 equivalents to 3 equivalents is more preferable, and the range of 1.5 equivalents to 2.8 equivalents is even more preferable. When the amount of sulfur powder added is 1 equivalent or more with respect to the theoretical elution amount of copper ions, copper can be more effectively fixed as copper sulfide and the elution of copper ions into the electrolytic solution is suppressed. can do. If sulfur powder exceeding 3 equivalents with respect to the theoretical elution amount of copper ions is added, the immobilization of copper is not promoted any more, and the sulfur powder remains in the electrolytic solution, so that the solid liquid after the electrolytic treatment is applied. Separation efficiency in separation may decrease.

上述したように、本実施の形態に係る分離方法では、共存させた硫黄粉末により銅を硫化銅として固定化することができるとともに、電解液中に溶出した一部の銅イオンも、優先的にカソード上に銅粉として電析させることができるため、電解液中には銅イオンをほとんど無くすことができる。したがって、電解処理後に、電解液中に含まれる銅イオンと、ニッケルイオン及び/又はコバルトイオンとを、脱銅設備等を用いた脱銅処理等の別途の処理を行うことを要せず、それら処理を行う負荷を有効に低減することができる。 As described above, in the separation method according to the present embodiment, copper can be immobilized as copper sulfide by the coexisting sulfur powder, and some copper ions eluted in the electrolytic solution are also preferentially treated. Since it can be electrodeposited on the cathode as copper powder, copper ions can be almost eliminated in the electrolytic solution. Therefore, after the electrolytic treatment, it is not necessary to perform a separate treatment such as a copper removal treatment using a copper removal facility or the like for the copper ions and nickel ions and / or cobalt ions contained in the electrolytic solution. The load of processing can be effectively reduced.

なお、電解処理後に固液分離して回収した電解液から、微量に含まれる銅イオンを脱銅処理により除去する操作を排除するものではなく、適宜そのような脱銅処理を行ってもよい。具体的に、電解液に残存する銅イオンを除去する方法(脱銅処理の方法)としては、硫化剤の添加により硫化処理や、別途の電解処理、中和剤の添加による中和処理等を行い、電解液に含まれる銅を沈澱物として回収する方法が挙げられる。 It should be noted that the operation of removing a trace amount of copper ions contained in a trace amount from the electrolytic solution recovered by solid-liquid separation after the electrolytic treatment is not excluded by the copper removal treatment, and such a copper removal treatment may be performed as appropriate. Specifically, as a method for removing copper ions remaining in the electrolytic solution (copper removal treatment method), a sulfide treatment by adding a sulfide agent, a separate electrolytic treatment, a neutralization treatment by adding a neutralizing agent, etc. are performed. A method of recovering the copper contained in the electrolytic solution as a precipitate can be mentioned.

以上のように、本実施の形態に係る分離方法では、銅とニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金を金属アノードとして電解溶出するに際して、硫黄粉末を添加して電解処理することにより、合金に含まれる銅を固形物(硫化銅及び銅粉)として回収し、その固形物と、ニッケル及び/又はコバルトを含有する電解液(浸出液)とに効率よく分離することができる。 As described above, in the separation method according to the present embodiment, when an alloy containing copper and nickel and / or cobalt is electrolytically eluted as a metal anode, sulfur powder is added and electrolytically treated to form an alloy. The contained copper can be recovered as a solid substance (copper sulfide and copper powder), and the solid substance can be efficiently separated into an electrolytic solution (leaching solution) containing nickel and / or cobalt.

回収される銅の固形物である硫化銅や銅粉は、例えば、そのまま既存の銅製錬の処理工程の原料として銅製錬の転炉等に装入することでアノードに構成することができる。そして、そのアノードを用いて電解精製することにより、高純度な銅を得ることができる。 The recovered copper solids such as copper sulfide and copper powder can be formed into an anode by, for example, being charged into a copper smelting converter or the like as it is as a raw material for an existing copper smelting treatment process. Then, high-purity copper can be obtained by electrolytic refining using the anode.

また、電解液に浸出されたニッケルやコバルトは、適宜、鉄等の不純物を除去した後、そのまま電池材料の原液として使用することができる。また、既存のニッケル製錬の処理工程に提供し、溶媒抽出等の手段を用いてニッケルとコバルトとを分離し、電解採取することによってニッケルメタルやコバルトメタルを得ることができる。また、ニッケル塩やコバルト塩として精製し、再度リチウムイオン電池を含む電池原料としてリサイクルすることもできる。 Further, nickel and cobalt leached into the electrolytic solution can be used as they are as the undiluted solution of the battery material after removing impurities such as iron as appropriate. Further, nickel metal and cobalt metal can be obtained by providing them in an existing nickel smelting treatment step, separating nickel and cobalt by means such as solvent extraction, and electrowinning them. It can also be purified as a nickel salt or a cobalt salt and recycled again as a battery raw material containing a lithium ion battery.

以下に、本発明についての実施例を示してより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described in more detail, but the present invention is not limited to the following examples.

(試験条件)
廃リチウムイオン電池を加熱熔融して還元する乾式処理に付して、銅とニッケル及びコバルトとを含有する合金の熔湯を得て、これを板状(電極板状)に鋳造した。下記表1に、得られた合金の一部を切り出してICP分析装置を用いて分析した結果(アノード合金成分の品位)を示す。
(Test condition)
The waste lithium-ion battery was subjected to a dry treatment of heating and melting to reduce it, and a molten metal of an alloy containing copper, nickel and cobalt was obtained and cast into a plate shape (electrode plate shape). Table 1 below shows the results (grade of the anode alloy component) obtained by cutting out a part of the obtained alloy and analyzing it using an ICP analyzer.

Figure 0006992691000001
Figure 0006992691000001

次に、得られた合金(板状に鋳造したもの)をアノードとして、下記表2に示す条件にて電解溶出試験(試験例1~3)を行った。カソードにはチタン製の板を用い、電解面積が7.5cm(7.5cm×1cm)となるよう絶縁テープにて加工した。 Next, an electrolytic elution test (Test Examples 1 to 3) was performed under the conditions shown in Table 2 below, using the obtained alloy (cast in a plate shape) as an anode. A titanium plate was used for the cathode, and the electrolytic area was processed with insulating tape so as to have an electrolytic area of 7.5 cm 2 (7.5 cm × 1 cm).

ここで、電解処理においては、電解液に硫黄粉末(単体硫黄:S)を添加して硫黄共存下にて行った。硫黄粉末としては、硫黄フレーク(硫黄品位:99%以上)を乳鉢にて、サイズが1μm~45μmの範囲に入るように粉末状に解砕したものを使用した。また、表2に示す「S/Cu当量(mol/mol)」とは、上記表1に示すアノード合金を電解溶出する際に流す積算電流量(A・h)から算出される理論上の銅イオン溶出量(mol)に対しての硫黄粉末の添加量(mol)を示す。なお、本試験例のように廃リチウムイオン電池に含まれる合金の場合、工業的にはその合金の主成分は銅となることから銅の理論溶出量を用いて算出した。 Here, the electrolytic treatment was carried out in the presence of sulfur by adding sulfur powder (elemental sulfur: S 0 ) to the electrolytic solution. As the sulfur powder, sulfur flakes (sulfur grade: 99% or more) were crushed into powder in a mortar so that the size was in the range of 1 μm to 45 μm. Further, the "S / Cu equivalent (mol / mol)" shown in Table 2 is the theoretical copper calculated from the integrated current amount (A · h) applied when the anode alloy shown in Table 1 is electrolytically eluted. The amount of sulfur powder added (mol) with respect to the amount of ion elution (mol) is shown. In the case of an alloy contained in a waste lithium ion battery as in this test example, since the main component of the alloy is industrially copper, it was calculated using the theoretical elution amount of copper.

Figure 0006992691000002
Figure 0006992691000002

(結果:硫黄粉末添加の有無及び当量比較)
表2に示す条件での電解溶出試験(試験例1~3)を行った。電解溶出後のアノード合金について、表面に付着したスライムをよく洗浄除去した後に重量を量り、電解処理前後の重量から溶出量を確認した。
(Result: Presence / absence of sulfur powder addition and equivalent comparison)
An electrolytic elution test (Test Examples 1 to 3) was performed under the conditions shown in Table 2. Regarding the anode alloy after electrolytic elution, the slime adhering to the surface was thoroughly washed and removed, and then the weight was weighed, and the elution amount was confirmed from the weight before and after the electrolytic treatment.

また、電解槽内の固形物(硫黄粉末、カソード銅粉、アノードスライム)と電解後液とを、5Cの定量濾紙を用いた減圧による吸引濾過の処理によって固液分離し、固形物は真空乾燥後に重量を量り、澱物回収量を確認した。また、電解後液は、液量を確認した後、ICP分析装置を用いて各成分の濃度と溶出率を確認した。なお、各成分の溶出率(%)は、理論合金溶出量にそれぞれの品位を掛けた物量を100%として計算した。 Further, the solid matter (sulfur powder, cathode copper powder, anode slime) and the post-electrolyzed liquid in the electrolytic cell are separated into solid and liquid by suction filtration treatment using 5C quantitative filter paper under reduced pressure, and the solid matter is vacuum dried. Later, the weight was weighed and the amount of sediment recovered was confirmed. In addition, after confirming the amount of the liquid after electrolysis, the concentration and elution rate of each component were confirmed using an ICP analyzer. The elution rate (%) of each component was calculated by multiplying the elution amount of the theoretical alloy by the grade of each component as 100%.

上記表2に、それぞれの結果を併せて示す。表2に示すように、硫黄粉末を添加せずに電解処理を施した試験例1(基本条件)では、電解液中への銅の溶出率が60%(残りの40%はカソード銅粉として電析)であるのに対し、硫黄粉末を添加して電解処理を施した試験例2、3では、当量に関係なく電解液中への銅の溶出率が19%に低下した。 The results of each are also shown in Table 2 above. As shown in Table 2, in Test Example 1 (basic conditions) in which electrolytic treatment was performed without adding sulfur powder, the elution rate of copper into the electrolytic solution was 60% (the remaining 40% was used as cathode copper powder). In contrast to (electrolysis), in Test Examples 2 and 3 in which sulfur powder was added and electrolyzed, the elution rate of copper into the electrolytic solution decreased to 19% regardless of the equivalent amount.

また、硫黄粉末の添加量が多い水準(試験例3:2.8当量)では、ニッケル及びコバルトの溶出率が100%を超え、アノード合金からニッケル及びコバルトが選択的に溶出されたことが分かる。このことは、硫黄粉末の共存下での電解処理により、アノード合金表面の銅と硫黄粉末とが反応して硫化銅が生成されるようになるため(上記式1)、銅の溶出が抑制されたとともに、銅の溶出の代わりにニッケル及びコバルトの溶出が選択的に進んだためであると考えられる。 Further, it can be seen that at a level where the amount of sulfur powder added is large (Test Example 3: 2.8 equivalents), the elution rate of nickel and cobalt exceeds 100%, and nickel and cobalt are selectively eluted from the anode alloy. .. This is because the electrolytic treatment in the coexistence of the sulfur powder causes the copper on the surface of the anode alloy to react with the sulfur powder to generate copper sulfide (Equation 1 above), so that the elution of copper is suppressed. At the same time, it is considered that the elution of nickel and cobalt proceeded selectively instead of the elution of copper.

このように、硫黄粉末を添加して電解処理を施すことにより、アノード合金からの銅の溶出を抑制できることが分かった。また、S/Cu当量(mol/mol)で表される硫黄粉末の添加量が多くなるほど、ニッケル及びコバルトの浸出が促進され、結果的にニッケル及びコバルトの選択浸出が可能となることが分かった。
As described above, it was found that the elution of copper from the anode alloy can be suppressed by adding the sulfur powder and performing the electrolytic treatment. It was also found that the larger the amount of sulfur powder added, which is represented by the S / Cu equivalent (mol / mol), the more the leaching of nickel and cobalt is promoted, and as a result, the selective leaching of nickel and cobalt becomes possible. ..

Claims (3)

合金から、銅と、ニッケル及び/又はコバルトとを分離する方法であって、
銅と、ニッケル及び/又はコバルトとを含有する合金をアノードとして用い、電解処理によって該アノードから金属イオンを電解液中に溶出させるに際し、該電解液に硫黄粉末を添加して行う、分離方法。
A method of separating copper from nickel and / or cobalt from an alloy.
A separation method in which an alloy containing copper and nickel and / or cobalt is used as an anode, and sulfur powder is added to the electrolytic solution when metal ions are eluted from the anode into the electrolytic solution by electrolytic treatment.
前記電解液への前記硫黄粉末の添加量は、前記電解処理において供給する電流量から算出される銅イオンの理論溶出量に対して1~3当量(S-mol/Cu-mol)の範囲である、請求項1に記載の分離方法。 The amount of the sulfur powder added to the electrolytic solution is in the range of 1 to 3 equivalents (S-mol / Cu-mol) with respect to the theoretical elution amount of copper ions calculated from the amount of current supplied in the electrolytic treatment. The separation method according to claim 1. 前記電解液は、硫酸酸性溶液である、請求項1又は2に記載の分離方法。
The separation method according to claim 1 or 2, wherein the electrolytic solution is a sulfuric acid acidic solution.
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