用硫酸從廢舊鋰電池除銅尾渣中浸出鎳、鈷動(dòng)力學(xué)

李 強(qiáng)，王 杜，陳若葵，唐紅輝，喬延超，陳 歡

(湖南邦普循環(huán)科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600)

廢舊鋰離子電池回收過程中會(huì)用硫化鈉進(jìn)行深度除銅，期間產(chǎn)生大量除銅尾渣。這些渣中，鎳、鈷含量較高，主要以硫化物形式存在，難以回收。大型廢舊鋰電池回收廠會(huì)采用酸浸工藝處理除銅尾渣，但鮮有處理效果的報(bào)道；小型廢舊鋰電池回收廠的除銅尾渣因技術(shù)和場(chǎng)地問題一般不做處理。

從除銅尾渣中浸出有價(jià)金屬鎳、鈷可采用硫酸作浸出劑[1-5]。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)廢舊鋰電池除銅尾渣的硫酸浸出的研究尚未見有報(bào)道，因此，研究了除銅尾渣中鎳、鈷的硫酸浸出機(jī)制，并推導(dǎo)出浸出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，為從此類廢料中回收鎳、鈷提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備：XMTD-7000型電熱恒溫水浴鍋(北京永光明儀器廠)，JJ-1増力電動(dòng)攪拌器(江蘇金怡儀器廠)，WFX-130A型原子吸收分光光度計(jì)(北分瑞利儀器廠)。

試驗(yàn)主要原料：濃硫酸，鎳標(biāo)準(zhǔn)溶液，鈷標(biāo)準(zhǔn)溶液，均為分析純；廢舊電池除銅尾渣由湖南邦普循環(huán)科技有限公司提供，主要化學(xué)元素分析結(jié)果見表1。

表1 除銅尾渣主要化學(xué)元素分析結(jié)果 %

在燒杯中配制一定濃度和體積的硫酸溶液，將燒杯置于水浴鍋中，升溫至指定溫度；準(zhǔn)確稱取100 g除銅尾渣放入燒杯中，攪拌浸出一定時(shí)間后，取出燒杯，過濾溶液，濾渣干燥后分析其中鎳、鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按式(1)計(jì)算鎳、鈷浸出率。

(1)

式中：η—鎳、鈷浸出率，%；m1—原料中鎳、鈷質(zhì)量，g；m2—浸出后濾渣中鎳、鈷質(zhì)量，g。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1溫度對(duì)鎳、鈷浸出率的影響

在硫酸濃度1.80 mol/L、液固體積質(zhì)量比10∶1、浸出時(shí)間5 h、攪拌速度900 r/min條件下，溫度對(duì)廢舊鋰電池除銅尾渣中鎳、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 溫度對(duì)鎳、鈷浸出率的影響

由圖1看出，隨溫度升高，鈷、鎳浸出率均先升高后趨于平緩。隨溫度升高，活化分子數(shù)增加，分子間的化學(xué)碰撞概率增大，故反應(yīng)速率加快，從而有利于鈷、鎳的浸出。溫度為80 ℃時(shí)，鎳、鈷浸出率分別為85.19 %和81.01%；繼續(xù)升高溫度，鎳、鈷浸出率變化不明顯。綜合考慮，溫度以選擇80 ℃為宜。

2.1.2硫酸濃度對(duì)鎳、鈷浸出率的影響

在溫度80 ℃、液固體積質(zhì)量比10∶1、浸出時(shí)間5 h、攪拌速度900 r/min條件下，硫酸濃度對(duì)廢舊鋰電池除銅尾渣中鎳、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 硫酸濃度對(duì)鎳、鈷浸出率的影響

由圖2看出：隨硫酸濃度升高，鎳、鈷浸出率先升高后趨于平緩；硫酸濃度為1.80 mol/L 時(shí)，鎳、鈷浸出率分別達(dá)85.73 %和81.19%；繼續(xù)增大硫酸濃度，鎳、鈷浸出率變化不大。綜合考慮，硫酸濃度以選擇1.80 mol/L為宜。

2.1.3液固體積質(zhì)量比對(duì)鎳、鈷浸出率的影響

在溫度80 ℃、硫酸濃度1.80 mol/L、浸出時(shí)間5 h、攪拌速度900 r/min條件下，液固體積質(zhì)量比對(duì)廢舊鋰電池除銅尾渣中鎳、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 液固體積質(zhì)量比對(duì)鎳、鈷浸出率的影響

由圖3看出，隨液固體積質(zhì)量比增大，鎳、鈷浸出率先升高后趨于平緩。提高液固體積質(zhì)量比可降低溶液黏稠度，有利于提高固液相之間的傳質(zhì)速度，從而有利于鎳、鈷浸出。液固體積質(zhì)量比為10∶1時(shí)，鎳、鈷浸出率分別達(dá)85.06%和81.93%；繼續(xù)增大液固體積質(zhì)量比，鎳、鈷浸出率變化不大。綜合考慮，液固體積質(zhì)量比以選擇10∶1為宜。

2.1.4浸出時(shí)間對(duì)鎳、鈷浸出率的影響

在溫度80 ℃、硫酸濃度1.80 mol/L、液固體積質(zhì)量比10∶1、攪拌速度900 r/min條件下，浸出時(shí)間對(duì)廢舊鋰電池除銅尾渣中鎳、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 浸出時(shí)間對(duì)鎳、鈷浸出率的影響

由圖4看出：隨浸出時(shí)間延長(zhǎng)，鈷、鎳浸出率均先升高后趨于穩(wěn)定；浸出5 h后，鎳、鈷浸出率分別達(dá)85.11 %和81.54%；再繼續(xù)浸出，鈷、鎳浸出率變化不大。綜合考慮，浸出時(shí)間以選擇5 h為宜。

2.1.5攪拌速度對(duì)鎳、鈷浸出率的影響

在硫酸濃度1.80 mol/L、液固體積質(zhì)量比10∶1、浸出時(shí)間5 h、溫度80 ℃條件下，攪拌速度對(duì)廢舊鋰電池除銅尾渣中鎳、鈷浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 攪拌速度對(duì)鎳、鈷浸出率的影響

由圖5看出：隨攪拌速度增大，鎳、鈷浸出率先升高后趨于平緩；攪拌速度為900 r/min時(shí)，鎳、鈷浸出率分別達(dá)84.23 %和80.96 %。綜合考慮，攪拌速度以選擇900 r/min為宜。

2.2 浸出過程動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1浸出過程擴(kuò)散控制步驟的確定

用硫酸從除銅尾渣中浸出鎳、鈷的反應(yīng)屬于液/固相化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)在固相與液相之間進(jìn)行，主要經(jīng)歷浸出劑擴(kuò)散、界面化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)物擴(kuò)散等幾個(gè)階段?？偟姆磻?yīng)速度取決于最慢的環(huán)節(jié)，稱為控制步驟[6]，包括化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散。結(jié)合相關(guān)理論設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，分析反應(yīng)過程中的控制步驟。硫酸浸出鎳、鈷正交試驗(yàn)條件及結(jié)果分別見表2、3，其中反應(yīng)時(shí)間均為5 h，攪拌速度均為900 r/min。

表2 硫酸浸出鎳的正交試驗(yàn)條件及結(jié)果

注：A×B×C指正交試驗(yàn)空白列。

表3 硫酸浸出鈷的正交試驗(yàn)條件及結(jié)果

注：A×B×C指正交試驗(yàn)空白列。

由表2、3看出：體系液固體積質(zhì)量比和硫酸濃度效應(yīng)值r較大，溫度效應(yīng)值r相對(duì)較小，即溫度對(duì)硫酸浸出鎳、鈷的影響小于體系液固體積質(zhì)量比和硫酸濃度的影響?；瘜W(xué)反應(yīng)控制的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程[7]為

(2)

式中：v為浸出速率，%；m為鎳鹽、鈷鹽質(zhì)量，g；t為反應(yīng)時(shí)間，min；k為表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；s為反應(yīng)界面面積，mm2；c為浸出劑濃度，mol/L；n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。

當(dāng)反應(yīng)體系硫酸濃度不變，反應(yīng)界面面積穩(wěn)定時(shí)，溫度是影響浸出速率的主要因素，即溫度的影響遠(yuǎn)大于體系液固體積質(zhì)量比和硫酸濃度的影響。但試驗(yàn)結(jié)果卻與此相反，因此判斷硫酸溶液浸出鎳、鈷的過程并非受化學(xué)反應(yīng)控制，而是受擴(kuò)散控制。

2.2.2浸出過程固膜擴(kuò)散控制步驟的確定

根據(jù)冶金過程的液/固相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，擴(kuò)散控制分為液膜擴(kuò)散控制和固膜擴(kuò)散控制?？刂撇襟E為液膜擴(kuò)散控制時(shí)，在硫酸濃度、體系液固體積質(zhì)量比、溫度和時(shí)間一定條件下，隨攪拌速度由低至高，鎳、鈷浸出率可提高40%以上。但從試驗(yàn)結(jié)果(圖5)可知，攪拌速度由300 r/min升高至1 500 r/min，鎳、鈷浸出率僅提高10%～15%。由此可判斷，硫酸溶液從廢舊鋰電池除銅尾渣中浸出鎳、鈷的過程，固膜擴(kuò)散為反應(yīng)控制步驟。

2.2.3固膜擴(kuò)散過程中收縮核模型

浸出過程受固膜擴(kuò)散控制時(shí)，反應(yīng)遵循固-液反應(yīng)固膜擴(kuò)散控制下的動(dòng)力學(xué)方程[8]：

(3)

式中：ke=8Dc/(d2αρ),綜合速率系數(shù)；η為浸出率，%；t為反應(yīng)時(shí)間，min；D為擴(kuò)散系數(shù)；c為浸出劑濃度，mol/L；d為固相顆粒直徑，mm；α為比例系數(shù)；ρ為反應(yīng)體系密度，g/L。

固定液固體積質(zhì)量比10∶1，硫酸濃度1.80 mol/L，攪拌速度900 r/min，在不同溫度下進(jìn)行浸出試驗(yàn)，考察浸出時(shí)間對(duì)鎳、鈷浸出率的影響，并將試驗(yàn)結(jié)果按1-2η/3 -(1-η)2/3對(duì)浸出時(shí)間t作圖，結(jié)果如圖6所示。

圖6 1-2η/3 -(1-η)2/3與浸出時(shí)間t之間的關(guān)系

根據(jù)式(3)，控制浸出溫度不變，綜合速率系數(shù)為常數(shù)。由圖6看出，所得曲線近似為直線，遵循固-液反應(yīng)固膜擴(kuò)散控制下的動(dòng)力學(xué)方程模型。由此判斷，硫酸浸出鎳、鈷的反應(yīng)過程受固膜擴(kuò)散控制，遵循收縮核動(dòng)力學(xué)模型。

2.2.4浸出反應(yīng)表觀活化能

Arrhenius方程為

(4)

式中：k為反應(yīng)表觀速率常數(shù)；E為反應(yīng)表觀活化能，kJ/mol;R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；A為頻率因素。

將lnk對(duì)1/T作圖，結(jié)果如圖7、8所示。按照文獻(xiàn)[9]的計(jì)算方法，根據(jù)圖中直線斜率，可求得浸出反應(yīng)的表觀活化能分別為11.29 kJ/mol(鎳)和10.02 kJ/mol(鈷)。活化能的值較小，表明硫酸溶液浸出鎳、鈷的過程不受化學(xué)反應(yīng)控制。

圖7 鎳浸出過程的阿侖尼烏斯曲線

圖8 鈷浸出過程的阿侖尼烏斯曲線

上述動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明，硫酸浸出廢舊鋰電池除銅尾渣中鎳、鈷的過程主要分為以下幾個(gè)階段：

1)浸出劑由流體相通過邊界層向除銅尾渣顆粒表面擴(kuò)散；

2)浸出劑經(jīng)過固相產(chǎn)物膜層繼續(xù)傳質(zhì)擴(kuò)散；

3)浸出劑與鎳鹽、鈷鹽進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；

4)被溶解的鎳鹽、鈷鹽經(jīng)過固相膜層由顆粒表面向外擴(kuò)散；

5)被溶解的鎳鹽、鈷鹽經(jīng)過邊界層向液相擴(kuò)散。

整個(gè)浸出過程的反應(yīng)速率受固膜擴(kuò)散控制，即2)、4)階段是總反應(yīng)速率的限制性階段，改變這2個(gè)階段影響固膜擴(kuò)散速率的條件，即改變硫酸濃度和液固體積質(zhì)量比，固膜擴(kuò)散速率會(huì)發(fā)生變化，對(duì)浸出反應(yīng)速率有顯著影響[10]。根據(jù)液/固相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)在常溫或低溫區(qū)進(jìn)行，當(dāng)浸出劑濃度較高、攪拌速度較快時(shí)，化學(xué)反應(yīng)可能成為限制性步驟，所以硫酸浸出除銅尾渣中的鎳、鈷不應(yīng)該在常溫或低溫中進(jìn)行，應(yīng)適當(dāng)加溫。

3 結(jié)論

用硫酸從廢舊鋰電池除銅尾渣中浸出鎳、鈷是可行的，浸出反應(yīng)受固膜擴(kuò)散控制，反應(yīng)遵循固-液反應(yīng)固膜擴(kuò)散控制下的動(dòng)力學(xué)方程:

浸出過程表觀活化能為11.29 kJ/mol(鎳)和10.02 kJ/mol(鈷)。在溫度80 ℃、硫酸濃度為1.80 mol/L、液固體積質(zhì)量比10∶1、浸出時(shí)間5 h及攪拌速度900 r/min條件下，鎳、鈷浸出率分別為85.73 %和81.93 %。