從鎳氫電池正極酸浸液中萃取分離鎳鈷

田 磊，常卿卿，李紅超，歐陽成

（江西理工大學(xué)冶金與化學(xué)工程學(xué)院，江西贛州 341000）

鎳氫電池正極材料中的有價(jià)金屬元素主要是Ni和Co，二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和可達(dá)70%，無論從經(jīng)濟(jì)角度，還是從資源回收角度考慮，從鎳氫電池正極材料中分離回收有價(jià)金屬都具有重要意義。但由于鎳、鈷性質(zhì)十分相近，二者分離一直是難以解決的重要問題［1－3］。

針對鎳氫電池正極材料的特性，在硫酸體系中，以Cyanex272作萃取劑，研究了從鎳氫電池正極酸浸液中分離鎳和鈷。

1 試驗(yàn)設(shè)備、試劑、機(jī)制與方法

1.1 試劑與儀器

經(jīng)黃鈉鐵礬法除鐵和P204深度除雜后，鎳氫電池正極酸浸液中的鎳、鈷質(zhì)量濃度分別為34.57 g／L和3.12g／L，其他雜質(zhì)質(zhì)量濃度可忽略［4］。

所用試劑有Cyanex272，磺化煤油，氫氧化鈉溶液。

所用儀器有分液漏斗，量筒，玻璃棒，燒杯，ICP分析檢測儀，pH值檢測儀。

1.2 鎳、鈷分離機(jī)制［5－8］

Cyanex272系酸性有機(jī)膦類萃取劑，與鎳、鈷等金屬離子的反應(yīng)都屬于陽離子交換反應(yīng)，其分子中的POOH基上的H可被金屬離子取代，這與P204和P507的結(jié)構(gòu)類似，但與P204結(jié)構(gòu)上的細(xì)小差異（較P204少一個氧原子）導(dǎo)致鈷、鎳曲線之間距離較大。如不考慮分子間的離解、締合等因素，則萃取反應(yīng)方程式可以簡寫為

Cyanex272對鈷的萃取能力大于對鎳的萃取能力，不同pH下的萃取曲線如圖1所示。

圖1 Cyanex272對鈷、鎳的萃取率與平衡pH的關(guān)系曲線（硫酸鹽）

1.3 試驗(yàn)方法

按不同比例配制Cyanex272和磺化煤油的混合液，進(jìn)行單因素萃取試驗(yàn)，確定最優(yōu)萃取參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Cyanex272體積分?jǐn)?shù)對鎳、鈷萃取率的影響

在5%～17%范圍內(nèi)考察萃取劑Cyanex272用量對鎳、鈷萃取率的影響。其他條件為：pH＝5，Vo∶Va＝1∶1，有機(jī)相皂化率70%，萃取時(shí)間4min，溫度25℃。萃取劑體積分?jǐn)?shù)對鎳、鈷萃取率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 Cyanex272體積分?jǐn)?shù)對鎳鈷萃取率的影響

由圖2可見：隨Cyanex272體積分?jǐn)?shù)增大，鎳、鈷萃取率都有所增大，鈷萃取率由90.1%增至95.8%，Ni萃取率由0.9%增至2.0%；但增幅都不明顯。Cyanex272用量提高，成本也會增加，所以，確定萃取劑Cyanex272用量以8%為宜。

2.2 有機(jī)相皂化率對鎳、鈷萃取率的影響

用氫氧化鈉溶液對萃取劑Cyanex272進(jìn)行皂化，不同皂化率條件下體系的流動性見表1。

表1 不同皂化率條件下體系的流動性

在60%～80%范圍內(nèi)考察皂化率對鎳、鈷萃取率的影響。其他試驗(yàn)條件為：萃取劑8%Cyanex272＋92%煤油，pH＝5，Vo∶Va＝1∶1，萃取時(shí)間4min，溫度25℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 有機(jī)相皂化率對鎳鈷萃取率的影響

從圖3看出：隨有機(jī)相皂化率由60%增加到75%，鎳、鈷萃取率相應(yīng)增大；但皂化率繼續(xù)增大，鎳、鈷萃取率都有所下降；皂化率在60%～80%范圍內(nèi)，Co萃取率保持在85%～92%，Ni萃取率則穩(wěn)定在1%左右。但皂化率達(dá)到80%左右時(shí)，體系流動性變差，兩相分離效果較差，綜合考慮，確定體系皂化率以70%為宜。

2.3 相比對鎳、鈷萃取率的影響

在1∶1～4∶1范圍內(nèi)考察相比對鎳、鈷萃取率的影響，其他試驗(yàn)條件為：8%Cyanex272＋92%煤油，pH＝5，有機(jī)相皂化率70%，時(shí)間4 min，溫度25℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨相比增大，鎳、鈷萃取率增大，但增幅都不大。為了保證金屬Co的純度和提高金屬Ni的收率，雖然相比為1∶1時(shí)的萃取率相對較低，但可以通過增加萃取級數(shù)來保證金屬Co和Ni的萃取率，所以確定適宜的相比為1∶1。

2.4 萃取時(shí)間對鎳、鈷萃取率的影響

在1～5min范圍內(nèi)考察萃取時(shí)間對鎳、鈷萃取率的影響。其他試驗(yàn)條件為：8%Cyanex272＋92%煤油，pH＝5，有機(jī)相皂化率70%，Vo∶Va＝1∶1，溫度25℃。萃取時(shí)間對鎳、鈷萃取率的影響如圖4所示。

圖4 萃取時(shí)間對鎳鈷萃取率的影響

從圖4看出，萃取3min，反應(yīng)接近平衡，之后鎳、鈷萃取率變化不大，鈷萃取率在90%左右。試驗(yàn)確定適宜的萃取時(shí)間為3min。

2.5 pH對鎳、鈷萃取率的影響

由圖1看出，萃取分離鎳、鈷的最佳pH應(yīng)該在4～6之間，所以，在4～6范圍內(nèi)考察pH對鎳、鈷萃取率的影響。其他試驗(yàn)條件為：8%Cyanex272＋92%煤油，有機(jī)相皂化率70%，相比Vo∶Va＝1∶1，時(shí)間3min，溫度25℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5看出：隨pH升高，鎳、鈷萃取率增大；pH＝5.0時(shí)，Co萃取率達(dá)90%左右，Ni萃取率只有1%左右；pH增大到6.0時(shí)，Ni萃取率迅速升高。由此，確定最佳pH為5.0。

圖5 pH對鎳、鈷萃取率的影響

2.6 正交試驗(yàn)

為了驗(yàn)證條件試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳萃取條件，進(jìn)行了3因素3水平L9（3）正交試驗(yàn)。試驗(yàn)條件及結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)條件及結(jié)果

從表2看出：3個因素的影響次序?yàn)閜H＞Cyanex272體積分?jǐn)?shù)＞有機(jī)相皂化率；最佳條件為pH＝5.0，Cyanex272體積分?jǐn)?shù)為8%，有機(jī)相皂化率為70%。最佳條件下充分?jǐn)嚢韬笤凫o置2 min，鈷萃取率在90%左右，鎳萃取率1%左右。

3 結(jié)論

基于單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果，確定用Cyanex272從鎳氫電池正極酸浸液中萃取分離鎳鈷較優(yōu)的工藝條件為：萃取劑8%Cyanex272＋92%煤油，pH＝5.0，有機(jī)相皂化率70%，Vo∶Va＝1∶1，時(shí)間3min，溫度25℃。最優(yōu)工藝條件下，鎳、鈷分離效果良好，鈷萃取率達(dá)90%左右，鎳萃取率只有1%左右，工藝穩(wěn)定，鎳、鈷分離效果較好。

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