離子色譜法測定廢舊鋰電池濕法浸出液中氟和氯

謝堂鋒，陳若葵，蔡羅蓉，王 明，蔣快良

（湖南邦普循環(huán)科技有限公司，湖南長沙410600）

近年來，隨著新能源電動汽車產業(yè)及鋰離子電池的爆發(fā)式增長，鋰離子電池報廢量也在逐年上升。廢舊鋰電池含有大量的重金屬及含酸、堿等電解質溶液，同時還含有六氟磷酸鋰、有機碳酸酯等有毒有害物質，必然對環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)構成潛在的污染威脅。廢舊電池資源化、無害化的回收處理越來越重要。氟和氯在廢舊鋰電池的濕法浸出過程中不僅會對相關生產設備及管道造成腐蝕，還會對周邊環(huán)境及人體造成極大的危害，因此，準確測定和控制廢舊鋰電池回收浸出體系中的氟、氯含量對該行業(yè)生產中的氟、氯去除工藝優(yōu)化、質量控制具有重要意義。

目前，測定氟和氯的主要方法有電位滴定法［1］、離子選擇電極法［2］、離子色譜法［3-4］等，離子色譜法相對前兩種測定方法具有靈敏度高、選擇性好、線性范圍寬、操作簡便等諸多優(yōu)點，但對于復雜基體樣品，需要進行相應的前處理以消除復雜基質干擾和富集待測組分，避免雜質干擾物對檢測背景信號的影響及對離子色譜柱的污染［5］。水蒸氣蒸餾法是樣品前處理的有效手段，已廣泛應用于地質、冶金、食品等領域中氟和氯的測定［6-8］，但應用于廢舊鋰離子電池回收浸出體系氟化物和氯化物的測定尚未有報道。筆者采用水蒸氣蒸餾法將廢舊鋰電池濕法浸出體系中氟和氯離子以氣體形式快速蒸出，經堿液吸收后采用離子色譜法進行測定，將待測F-、Cl-與基體及其他共存元素完全分離，極大地減少了背景峰的干擾，實驗結果穩(wěn)定可靠，符合實際分析檢測工作的要求。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與裝置

Dion Aquion型離子色譜儀，包括AS-DV自動進樣器、電導檢測器和RFC自動淋洗液發(fā)生器；AS23型陰離子分析柱（4 mm×250 mm）；AG23型陰離子保護柱（4 mm×50 mm）；0.22μm微孔水系濾膜；5.0 mL一次性注射器；水蒸氣蒸餾裝置，如圖1所示；數(shù)控電熱套。

圖1 水蒸氣蒸餾裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of steam distillation device

1.2 主要試劑

NaOH溶液：0.01 mol/L；H2SO4（2+1）：量取200 mL濃硫酸（ρ=1.84 g/mL）緩慢加入100 mL水中，混勻；淋 洗 母 液（45 mmol/L Na2CO3-10 mmol/L NaHCO3），稀釋10倍后作為淋洗液使用；F-、Cl-標準儲備溶液（1 000μg/mL）；F-、Cl-混合標準溶液（100μg/mL）：分別準確移取10.00 mL F-、Cl-標準儲備溶液于100 mL容量瓶中，以水定容，混勻；所用試劑均為優(yōu)級純，水均為電阻率為18.2 MΩ·cm的超純水。

1.3 色譜條件

淋洗液：4.5 mmol/L Na2CO3-1.0 mmol/L NaHCO3溶液；流速為1.0 mL/min；抑制器電流為25 mA；柱溫為30℃；進樣量為25μL。

1.4 樣品主要成分

本實驗針對湖南邦普循環(huán)科技有限公司某實驗過程中廢舊鋰電池濕法浸出液進行測定，除氟和氯之外的其他主要化學成分分析結果見表1。

表1 廢舊鋰電池浸出液主要化學組成Table 1 Main chemical composition of waste lithium battery leaching solution g/L

1.5 實驗方法

1.5.1 水蒸氣蒸餾

取適量超純水置于水蒸氣蒸餾裝置中的蒸餾瓶中，加熱至沸騰，備用。準確量取10.00 mL待測濕法液置于250 mL三口圓底燒瓶中，加入60 mL H2SO4（2+1）溶液并放入少量沸石，移取10.00 mL 0.01 mol/L NaOH溶液至接收瓶中作為吸收液。打開數(shù)控電熱套將三口圓底燒瓶溶液加熱至160~180℃，連接蒸餾裝置進行蒸餾，并控制水蒸氣流量使餾出液的餾出速度為2~3 mL/min，蒸餾時間控制在20~25 min，當餾出液至80 mL左右時，取下接收瓶并定容至100 mL容量瓶，混勻待測。

1.5.2 樣品測定

用5.0 mL注射器吸取待測液經0.22μm微孔濾膜過濾后注入色譜進樣管中，在相同工作條件下，依次用離子色譜儀進行測試，得到譜圖。根據(jù)氟和氯的保留時間定性，依據(jù)峰面積及標準曲線計算氟和氯的質量濃度，隨同試樣做空白試驗。試液中氟和氯的響應值應在校準曲線線性范圍內，如果超出線性范圍，則應將試液進行適當稀釋后再進行測定。

2 結果與討論

2.1 蒸餾劑及其濃度的選擇

水蒸氣蒸餾法的原理主要是利用高沸點酸將樣品中的氟和氯轉換成低沸點酸蒸出。常選用硫酸和磷酸作為蒸餾劑，硫酸介質的沸點高于磷酸，不易被蒸出，更有利于氟化氫和氯化氫的形成與揮發(fā)，而磷酸在蒸餾溫度過高或加熱時間長的情況下會析出焦磷酸鹽難溶物，或生成聚硅磷酸黏結于器皿底部，同時對玻璃造成嚴重腐蝕［9］。因此本實驗選擇硫酸作蒸餾劑。

根據(jù)實驗方法對不同硫酸濃度進行試驗，控制蒸餾時間為25 min，吸收液中氟和氯的濃度變化曲線如圖2所示。由圖2可知，當硫酸濃度較高時，高濃度的硫酸具有強吸水性，不利于氟化氫和氯化氫的釋放，同時還會在高溫下蒸出大量SO42-，吸收液中過高的SO42-峰會對待測F-和Cl-峰形成壓制，不利于待測離子峰的積分和判別；當硫酸濃度較低時，溶液沸點降低，造成蒸餾溫度不足，不利于F-和Cl-的餾出［10］。實驗發(fā)現(xiàn)，選用硫酸（2+1）作為蒸餾劑時，能獲得較好的實驗效果。

圖2 硫酸濃度對氟和氯回收率的影響Fig.2 Effect of sulfuric acid concentration on the recovery rate of fluorine and chlorine

2.2 蒸餾溫度的選擇

根據(jù)實驗方法對不同蒸餾溫度進行試驗，控制蒸餾時間為25 min，吸收液中氟和氯的濃度變化曲線如圖3所示。

圖3 蒸餾溫度對氟和氯回收率的影響Fig.3 Effect of distillation temperature on the recovery rate of fluorine and chlorine

由圖3可知，隨著蒸餾反應溫度的升高，吸收液中氟和氯的蒸出量先增高后降低，當蒸餾反應溫度控制在160~180℃時，達到最大值并趨于穩(wěn)定。這是由于當蒸餾溫度過高時，硫酸加劇分解，大量SO42-被吸收液吸收，同時待測液本底電導增大，大幅延長硫酸根從陰離子柱洗脫的時間，不利于樣品的測定及設備的保養(yǎng)；當蒸餾溫度過低時，樣品中氟和氯離子的釋放被抑制［11］。

2.3 蒸餾時間的選擇

根據(jù)實驗方法對不同蒸餾時間進行試驗，控制蒸餾溫度為160~180℃，結果如圖4所示。由圖4可知，當蒸餾時間控制在25~30 min時，吸收液中氟和氯離子的蒸出量達到最大值并趨于穩(wěn)定，此時吸收液體積約為100 mL。故選擇蒸餾時間為25 min。

圖4 蒸餾時間對氟和氯回收率的影響Fig.4 Effect of distillation time on the recovery rate of fluorine and chlorine

2.4 水負峰的消除

由于樣品浸出液電導小于經抑制后淋洗液的本底電導，在離子色譜分析獲得的色譜圖中，F(xiàn)-和Cl-峰之間通常出現(xiàn)一個較大的水負峰，而F-峰與水負峰的保留時間相近，由于水負峰的干擾，不能準確測定F-含量［12］。因此，本實驗通過在接收液中加入相應的淋洗液，穩(wěn)定待測組分，且使待測液的本底電導值與淋洗液相一致來消除F-和Cl-峰之間可能出現(xiàn)的水負峰對待測氟離子定量的影響。

2.5 標準曲線及方法檢出限

分別移取0.00、0.10、0.50、1.00、2.00、5.00、10.00 mL F-、Cl-混合標準溶液置于100 mL聚乙烯容量瓶中，用淋洗液稀釋至刻度配成F-、Cl-混合標準溶液系列，按濃度由低到高依次用離子色譜儀測定，記錄系列標準溶液的色譜圖。以氟標準溶液的質量濃度（mg/L）為橫坐標，離子色譜峰面積（或峰高）為縱坐標繪制標準曲線，并計算線性回歸方程。結果表明，F(xiàn)-和Cl-質量濃度在0.1~10 mg/L范圍內與其對應的峰面積呈良好的線性關系，所得線性回歸方程分別為y（F-）＝0.218 9x-0.013 5和y（Cl-）＝0.130 3x+0.012 3，線性相關系數(shù)分別為0.999 8和0.999 6。按實驗方法連續(xù)10次測定樣品空白吸收液中的氟離子和氯離子，根據(jù)3倍標準偏差計算出氟離子和氯離子的檢出限分別為0.010 mg/L和0.022 mg/L。

3 精密度與加標回收實驗

3.1 合成樣品

根據(jù)本實驗廢舊鋰電池濕法浸出液的主要成分測定結果，采用分析純試劑、F-和Cl-的標準工作溶液配制合成濕法浸出液樣品，控制合成浸出液樣品中F-和Cl-的質量濃度分別為32.00 mg/L和350.00 mg/L。按照實驗方法對合成濕法浸出液進行蒸餾前處理后測定，F(xiàn)-和Cl-的測定平均值分別為31.46 mg/L和344.72 mg/L，與合成樣品參考值吻合較好，10次平行測定結果的相對標準偏差（RSD）分別為2.9%和3.7%，如表2所示。

表2 合成樣中氟和氯的測定結果Table 2 Result of test of fluorine and chlorine in synthetic samples

3.2 實際樣品

按照實驗方法，對實際廢舊鋰電池濕法浸出液樣品進行蒸餾后測定，并加入氟離子和氯離子混合標準溶液進行加標回收實驗，結果見表3。

表3 加標回收實驗結果Table 3 Result of test for recovery

結果表明，該方法分析廢舊電池濕法浸出液中氟和氯的加標回收率分別為95.47%和96.29%，能滿足測定要求。

4 結語

使用水蒸氣蒸餾-離子色譜法測定廢舊鋰電池濕法浸出液中的氟和氯含量，排除浸出液中各種金屬離子和有機物對測定的干擾，加標回收率分別為95.47%和96.29%，相對標準偏差（RSD，n=10）分別為2.9%和3.7%，方法準確度和精密度較好，滿足了檢測分析的需要。