TW201420166A - 分級串聯式純化含離子溶液的方法 - Google Patents

Abstract

一種分級串聯式純化含離子溶液的方法，採用裝置準備步驟將儲容槽和多數彼此串聯的分離槽連結而建構串聯式純化設備，接著以純化準備步驟將預定分離回收離子的溶液儲容於儲容槽中，並於分離槽分別放置預定濃度的酸溶液，最後採用純化反應步驟令儲容槽的溶液流至分離槽並同步施加電能於分離槽的第一、二電極產生電位差，讓分離槽中的第一、二離子分別往第一、二電極處聚集並分別經第一流道單元往次一分離槽流動，以及經第二流道單元回流至儲容槽，而結合電化學、離子延遲移動、流體動態平衡分離技術分別得到富含第一、二離子的回收溶液。

Description

分級串聯式純化含離子溶液的方法

本發明是有關於一種分離溶液中不同離子的方法，特別是指一種利用電位差分離回收水溶液中不同金屬離子的純化含離子溶液的方法。

眾所周知，廢鍍液、廢棄電子裝置等均含有豐富的稀有金屬，如能在符合環保的前提下充分回收利用，估計每年至少將有30億的產值，能為產業發展創造極大的經濟效益。

目前的回收技術大致可分為二種，其一是硫酸-複鹽沉澱工藝，主要是利用欲回收元素在硫酸中的溶解度不同，加入預定的沉澱劑達到沉澱分離後回收的目的；另一是氧化焙燒-鹽酸溶解工藝(又稱溶液萃取法)，主要是先進行氧化焙燒得到欲回收元素的氧化物，繼之在嚴格控制酸分解條件下進行鹽酸優溶，得到單一欲回收元素氯化物的溶液後，在沉澱、灼燒，而分離得到欲回收元素。

上述的回收技術雖然能回收分離得到欲定稀有金屬或元素化合物，但在整個回收過程中存在著化工原料消耗大、成本高、固液廢棄物多而對環境產生二次污染的問題，另外，這兩種工藝的回收率低，還沒有達到最佳水平，有相當比例的元素沒有被回收利用，殊為可惜。

另外，還有改變溶液中的元素價態，進而分離回收的特定離子的方法，例如電化學氧化、還原法等，但此些方法主要受限於電解所用的電解槽形態而無法用於連續工業生產。

因此，本發明之目的，即在提供一種過程中使用的酸或鹼溶液均可回收重覆使用、不產生環境廢棄物二次汙染的分級串聯式純化含離子溶液的方法。

於是，本發明一種分級串聯式純化含離子溶液的方法，分離溶液中的第一離子和第二離子，包含一裝置準備步驟、一純化準備步驟，及一純化反應步驟。

該裝置準備步驟將一儲容槽，以及多數彼此串聯的分離槽連結而建構一串聯式純化設備，其中，該儲容槽具有一連通其中一最鄰近的分離槽的連通單元，每一分離槽具有一第一電極、至少一電位異於該第一電極且彼此相對遠離的第二電極、一鄰靠近該第一電極並與另一相鄰靠的分離槽連通的第一流道單元，及至少一分別對應鄰靠近該第二電極且連通該儲容槽的第二流道單元。

該純化準備步驟將溶液儲容於該儲容槽中，並於該分離槽分別放置預定濃度的酸溶液。

該純化反應步驟令該儲容槽的溶液自該連通單元流滴至該最相鄰的分離槽，且同步施加電能於所述分離槽的第一、二電極而使該第一、二電極具電位差，讓所述分離槽中的第一、二離子分別往第一、二電極處聚集並分別經該第一流道單元往次一分離槽流動，以及經該第二流道單元回流至該儲容槽。

本發明分級串聯式純化含離子溶液的方法的目的及解決其技術問題還可採用於下技術措施進一步實現。

較佳地，該純化反應步驟是施加成連續時脈變化的電壓於該第一、二電極，而施加震盪分離力予該第一、二離子助其移動。

較佳地，該純化反應步驟還選擇性的加熱所述儲容槽和分離槽其中任一的溶液。

較佳地，該純化反應步驟還選擇性的擾動所述儲容槽和分離槽其中任一的溶液使其具有預定的流場。

較佳地，該純化反應步驟是以機械擾動、外加磁場、氣泡、超音波震盪其中至少一種方式擾動所述儲容槽和分離槽其中任一的溶液。

較佳地，該裝置準備步驟中的該儲容槽的連通單元包括一連通管，及一控制流通過該連通管中流體流量的可調閥門。

較佳地，該裝置準備步驟中的該分離槽的第一流道單元包括一第一流管，及一控制流通過該第一流管中流體流量的第一閥門，該第二流道單元包括一第二流管，及一控制流通過該第二流管中流體流量的第二閥門。

較佳地，該純化準備步驟中放置於所述分離槽中的酸溶液是選自鹽酸、硝酸，及硫酸其中任一。

本發明之功效在於：提供物理模式的分離純化方法，藉由串聯儲容槽和具有第一、二電極的分離槽，結合電化學、離子延遲移動及流體動態平衡，而在除原始料液而不外加化學藥品二次汙染環境的前提下，分離純化溶液而得到富含欲回收離子的溶液。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明一種分級串聯式純化含離子溶液的方法的一較佳實施例包含一裝置準備步驟11、一純化準備步驟12，及一純化反應步驟13，分離溶液中的第一離子和第二離子而得到富含第一離子和第二離子的溶液；在圖示中繪示第一離子為A離子、第二離子為B離子作說明。

首先進行該裝置準備步驟11，將一儲容槽3，以及多數彼此串聯的分離槽4連結而建構一串聯式純化設備2，其中，該儲容槽3具有一連通其中一最鄰近的分離槽4的連通單元31，每一分離槽4具有一第一電極41、至少一電位異於該第一電極41且彼此相對遠離的第二電極42、一鄰靠近該第一電極41並與另一相鄰靠的分離槽4連通的第一流道單元43，及至少一分別對應鄰靠近該第二電極42且連通該儲容槽3的第二流道單元44，其中，該儲容槽3的連通單元31包括一連通管311，及一控制流通過該連通管311中流體流量的可調閥門312，該第一流道單元43包括一第一流管431，及一控制流通過該第一流管431中流體流量的第一閥門432，該第二流道單元44包括一第二流管441，及一控制流通過該第二流管441中流體流量的第二閥門442；在 本例與圖示中，分別以二分離槽4，其中一分離槽4具有二第二電極42和二第二流道單元44，另一分離槽4(即最末端的分離槽4)具有一第二電極42和一第二流道單元44作說明。

接著進行該純化準備步驟12，將溶液儲容於該儲容槽3中，並於該分離槽4分別放置預定濃度的酸液，較佳地，該酸液是硫酸，而鹽酸、硝酸亦適用。

最後進行該純化反應步驟13，令該儲容槽3的溶液自該連通單元31流滴至該最相鄰的分離槽4，且同步施加電能於所述分離槽4的第一、二電極41、42而使該第一、二電極41、42具電位差，而讓所述分離槽4中的第一、二離子分別往第一、二電極41、42處聚集再分別經該第一流道單元43往次一分離槽4流動，以及經該第二流道單元44回流至該儲容槽3，如此，不斷地反覆，即可於儲容槽3中得到富含第一離子的溶液，並於最末的分離槽4或另外流滴得到富含第二離子的溶液。

另外要說明的是，在該純化反應步驟13中可以施加成連續時脈變化的電壓於該第一、二電極41、42，進而產生震盪分離力予該第一、二離子助其移動，也可以依據欲分離得到的離子的差異，而選擇性的加熱所述儲容槽3和分離槽4其中任一的溶液，及/或以機械擾動、外加磁場、氣泡、超音波震盪其中至少一種方式擾動所述儲容槽3和分離槽4其中任一的溶液使其具有預定的流場，以達到最佳分離純化的效果，或是，設計第一、二電極41、42的形狀改變電壓 分佈，及/或利用重力影響設計可調閥門312、第一、二閥門432、442、連通管311、第一、二流管431、441的形狀等，進一步地提高純化分離效果。

參閱圖3，還要特別說明的是，該裝置準備步驟12還可以利用分流管5將儲容槽3與多組分別串聯有多數個分離槽4的分離槽組合40連結而建構出純化效果更佳的串聯式純化設備2，由於此等串聯形式眾多，在此不再一一舉例說明。

實際以本發明分離純化1公斤二次鋰電池得到其中鈷離子和鋰離子時，是於該裝置準備步驟11中，將儲容槽3，以及四彼此串聯的分離槽4連結而建構串聯式純化設備2，並於該純化準備步驟12將二次鋰電池的鋰鈷合金電極用2M的硫酸溶解後儲容於該儲容槽3中，並於該分離槽4分別放置2M的硫酸溶液，最後於該純化反應步驟13時，分別控制每一分離槽4的第一電極41溫度是25℃~50℃，第二電極42的溫度是45℃~95℃，且以2000Hz/占空比10%的脈衝參數施於每一第二電極42成連續時脈變化的電壓，其中，四分離槽4的第二電極42的電位分別是-5V~-60V、-5V~-60V、-5V~-80V、-5V~-100V，以及以每分鐘1公升的流速令該儲容槽3、分離槽4的溶液流滴，且同步施加5 L/min air氣泡擾動該儲容槽3、分離槽4的溶液，讓所述分離槽4中的鈷、鋰離子分別往第一、二電極41、42處聚集並分別經該第一流道單元43往次一分離槽4流動，以及經該第二流道單元44回流至該儲容槽3，如此，反覆數次 後，即可於儲容槽3中得到富含鈷離子的溶液，並於最末的分離槽4或另外流滴得到富含鋰離子的溶液，進而得到99.9%的氧化鋰(含鋰量50克)、99.9%的氧化鈷(含鈷量400克)。

綜上所述，本發明分級串聯式純化含離子溶液的方法主要是將儲容槽和設置有不同電位的第一、二電極的分離槽串聯成分級串聯式的串聯式純化設備，利用溶液中所含離子具有不同的電位，並結合流體流動之動態平恆，而在施加電能時讓不同離子分別往預定電極處移動，進而達到分離純化的目的；更進一步地，本發明還可藉由酸鹼度的控制、電解波形控制，例如直流、脈沖及負偏壓等、溫度控制、流速控制、重力影響，及分流閥體、電極、流路等的形狀設計，提供更佳的分離系數，以達到最好之分離純化效果；再者，本發明分級串聯式純化含離子溶液的方法除了原始料液之外，無須再外加化學藥品進行例如水洗、反萃，也不使用有機溶劑進行極性分離，所以相較於現有的利用有機相及水相分離溶解、水洗及酸反萃的純化方式，本發明確實解決了化工原料消耗大、成本高、固液廢棄物多的諸多問題，降低對環境產生二次污染的情況，故確實達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11‧‧‧裝置準備步驟

12‧‧‧純化準備步驟

13‧‧‧純化反應步驟

2‧‧‧串聯式純化設備

3‧‧‧儲容槽

31‧‧‧連通單元

311‧‧‧連通管

312‧‧‧可調閥門

40‧‧‧分離槽組合

4‧‧‧分離槽

41‧‧‧第一電極

42‧‧‧第二電極

43‧‧‧第一流道單元

431‧‧‧第一流管

432‧‧‧第一閥門

44‧‧‧第二流道單元

441‧‧‧第二流管

442‧‧‧第二閥門

5‧‧‧分流管

圖1是一流程圖，說明本發明分級串聯式純化含離子溶液的方法的一較佳實施例；圖2是一示意圖，說明本發明分級串聯式純化含離子溶液的方法的較佳實施例的一串聯式純化設備，及第一、二離子聚集進而分離的狀況；及圖3是一示意圖，說明另一形式的串聯式純化設備。

11‧‧‧裝置準備步驟

12‧‧‧純化準備步驟

13‧‧‧純化反應步驟

Claims (8)

1. 一種分級串聯式純化含離子溶液的方法，分離溶液中的第一離子和第二離子，包含：一裝置準備步驟，將一儲容槽，以及多數彼此串聯的分離槽連結而建構一串聯式純化設備，其中，該儲容槽具有一連通其中一最鄰近的分離槽的連通單元，每一分離槽具有一第一電極、至少一電位異於該第一電極且彼此相對遠離的第二電極、一鄰靠近該第一電極並與另一相鄰靠的分離槽連通的第一流道單元，及至少一分別對應鄰靠近該第二電極且連通該儲容槽的第二流道單元；一純化準備步驟，將溶液儲容於該儲容槽中，並於該分離槽分別放置預定濃度的酸溶液；及一純化反應步驟，令該儲容槽的溶液自該連通單元流滴至該最相鄰的分離槽，且同步施加電能於所述分離槽的第一、二電極而使該第一、二電極具電位差，讓所述分離槽中的第一、二離子分別往第一、二電極處聚集並分別經該第一流道單元往次一分離槽流動，以及經該第二流道單元回流至該儲容槽。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之分級串聯式純化含離子溶液的方法，其中，該純化反應步驟是施加成連續時脈變化的電壓於該第一、二電極，而施加震盪分離力予該第一、二離子助其移動。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之分級串聯式純化含離子溶液的方法，其中，該純化反應步驟是選擇性的加熱所述儲容 槽和分離槽其中任一的溶液。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之分級串聯式純化含離子溶液的方法，其中，該純化反應步驟是選擇性的擾動所述儲容槽和分離槽其中任一的溶液使其具有預定的流場。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之分級串聯式純化含離子溶液的方法，其中，該純化反應步驟是以機械擾動、外加磁場、氣泡、超音波震盪其中至少一種方式擾動所述儲容槽和分離槽其中任一的溶液。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之分級串聯式純化含離子溶液的方法，其中，該裝置準備步驟中，該儲容槽的連通單元包括一連通管，及一控制流通過該連通管中流體流量的可調閥門。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之分級串聯式純化含離子溶液的方法，其中，該裝置準備步驟中，該分離槽的第一流道單元包括一第一流管，及一控制流通過該第一流管中流體流量的第一閥門，該第二流道單元包括一第二流管，及一控制流通過該第二流管中流體流量的第二閥門。
8. 根據申請專利範圍第1項所述之分級串聯式純化含離子溶液的方法，其中，該純化準備步驟中放置於所述分離槽中的酸溶液是選自鹽酸、硝酸，及硫酸其中任一。