三元前驅(qū)體生產(chǎn)廢水的蒸發(fā)結(jié)晶前處理優(yōu)化

吳 越

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

三元前驅(qū)體是鋰離子電池三元正極材料的主要生產(chǎn)原料。目前，主流的三元前驅(qū)體生產(chǎn)工藝是共沉淀法，即利用氨堿液創(chuàng)造沉淀和絡(luò)合環(huán)境，將Ni2+、Co2+、Mn2+按一定比例實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的共沉淀反應(yīng)[1]。三元前驅(qū)體的生產(chǎn)廢水主要來自萃取系統(tǒng)和合成系統(tǒng)，流量較大，以硫酸鈉為主要成分，還含有雜質(zhì)離子和有機(jī)物等物質(zhì)，直接排放會(huì)污染環(huán)境。隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格及“零排放”理念的深入，對(duì)三元前驅(qū)體的生產(chǎn)廢水進(jìn)行綜合處理勢(shì)在必行。

目前，主要采用熱法蒸發(fā)結(jié)晶的方式處理硫酸鈉廢水[2]，這種方式不僅可以節(jié)約大量用水，而且能得到具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的元明粉副產(chǎn)品。從經(jīng)營(yíng)角度來說，這種方法的產(chǎn)出可以基本覆蓋生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)環(huán)保價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的統(tǒng)一，而副產(chǎn)品元明粉的質(zhì)量決定了其市場(chǎng)和價(jià)格。為保證元明粉的品質(zhì)，維持蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要在蒸發(fā)結(jié)晶前對(duì)溶液進(jìn)行有效的前處理。本文基于某企業(yè)三元前驅(qū)體廢水的特點(diǎn)分析，介紹原料液中的雜質(zhì)成分、有機(jī)成分和pH值對(duì)蒸發(fā)結(jié)晶過程的影響，并通過分析蒸發(fā)結(jié)晶前處理工藝中除有機(jī)物工序、除重金屬工藝和pH值調(diào)節(jié)工序存在的問題，針對(duì)性地提出了優(yōu)化建議。

1 三元前驅(qū)體生產(chǎn)廢水的特點(diǎn)

以某三元前驅(qū)體生產(chǎn)企業(yè)為例，其系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水量約為3 000 m3/d，主要參數(shù)見表1。其中，合成系統(tǒng)產(chǎn)生的硫酸鈉廢水濃度約13%，堿度較高，幾乎不含重金屬及有機(jī)物，比較干凈；來自萃取系統(tǒng)的廢水則成分較為復(fù)雜，其主要是萃取轉(zhuǎn)皂產(chǎn)生的硫酸鈉溶液，除了含有約13%的硫酸鈉外，還含有Ni2+、Mn2+、Zn2+、F-、Cl-等雜質(zhì)離子，并且還夾帶了萃取系統(tǒng)的有機(jī)成分。

表1 三元前驅(qū)體生產(chǎn)廢水情況

該廢水中的有機(jī)成分表觀存在形式有三種：一部分是夾帶在溶液中的有機(jī)油相，其分散性較差，靜置后會(huì)析出并漂浮在液面上；一部分則是分散在水相中的細(xì)小油滴，形成較穩(wěn)定的乳濁液；還有一部分是溶解在溶液中的可溶性有機(jī)物。

2 料液成分對(duì)蒸發(fā)結(jié)晶的影響

硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶是一個(gè)復(fù)雜的過程，原料液成分對(duì)蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)生重要的影響。

2.1 雜質(zhì)離子的影響

2.1.1 產(chǎn)生蒸發(fā)器結(jié)垢

蒸發(fā)器的結(jié)垢物可分為水溶性垢和不溶性料垢[3]。水溶性垢主要是硫酸鈉在高溫加熱管表面析出的產(chǎn)物；而不溶性料垢主要是料液沉淀并吸附在壁面形成的金屬離子。二者均會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器的傳熱效率降低、蒸發(fā)能力下降。

2.1.2 影響結(jié)晶生長(zhǎng)

雜質(zhì)對(duì)結(jié)晶過程的影響比較復(fù)雜，可能影響溶液的過飽和度和穩(wěn)定性，或在誘導(dǎo)期內(nèi)影響晶體成核，或影響晶體的生長(zhǎng)速率和晶體形貌，也可能影響晶體的團(tuán)聚過程[4]，具體影響的方向和程度需要進(jìn)行針對(duì)性試驗(yàn)才能確認(rèn)。從晶體生長(zhǎng)方面看，Na2SO4晶體的晶格與雜質(zhì)的晶格不同，在正常情況下兩者不容易相互吸附和粘結(jié)；但當(dāng)雜質(zhì)成分逐漸富集時(shí)，Na2SO4晶格還未來得及成長(zhǎng)，雜質(zhì)就進(jìn)入了晶核的凹角處形成包藏，導(dǎo)致Na2SO4晶格發(fā)生畸變，晶體難以長(zhǎng)大，顆粒細(xì)小[5]。

2.1.3 影響產(chǎn)品純度

一方面，雜質(zhì)成分在硫酸鈉晶體中形成的包藏導(dǎo)致產(chǎn)品純度降低；另一方面，離心后的濕晶體仍?shī)A帶少量溶液，干燥后該夾帶溶液中的雜質(zhì)成分也混入產(chǎn)品中，使得產(chǎn)品純度降低。

2.1.4 腐蝕設(shè)備

F-、Cl-都是具有較強(qiáng)腐蝕性的離子。當(dāng)Cl-吸附在金屬表面產(chǎn)生富集，會(huì)對(duì)金屬表面的氧化膜造成破壞，尤其是在酸性環(huán)境中，Cl-會(huì)在金屬表面形成氯化物鹽層，導(dǎo)致點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、孔蝕失和縫隙腐蝕，并且溫度越高其腐蝕能力越強(qiáng)[6-7]，因此常規(guī)不銹鋼無法耐受Cl-。鈦材對(duì)Cl-具有一定的耐受性，但F-的存在會(huì)破壞鈦材表面的氧化物膜，造成鈦材的整體腐蝕[8]。但F-、Cl-的腐蝕能力與其濃度、pH、溫度、溶解氧等因素有關(guān)[7]，可以通過控制系統(tǒng)處于堿性環(huán)境，降低離子濃度、蒸發(fā)溫度、溶解氧量等措施減弱其腐蝕性，并綜合選用鈦材、雙相鋼、合金鋼等材質(zhì)。

2.2 有機(jī)物的影響

2.2.1 料液起泡溢流

泡沫是氣體分散在液相中形成的分散體系，是由于表面作用形成的。蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽上升至料液表面，被連續(xù)液膜分開形成氣泡。通常情況下，這些氣泡并不穩(wěn)定，會(huì)擴(kuò)大并破裂，但當(dāng)料液中存在有機(jī)物等成分時(shí)，循環(huán)濃縮后的溶液粘度增大，使得氣泡的液膜強(qiáng)度提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)，氣泡的形成量劇增。此外，有機(jī)成分還降低了液膜的表面張力，使氣泡的半徑減小，液膜厚度增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)。上述作用導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)的氣泡穩(wěn)定堆積形成泡沫，并最終導(dǎo)致起泡溢流[9-10]。

起泡溢流會(huì)給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的問題：一方面，物料進(jìn)入二次蒸汽冷凝水中，導(dǎo)致料液流失、冷凝水水質(zhì)變差等問題；另一方面，對(duì)于MVR蒸發(fā)而言，二次蒸汽中夾帶的鹽會(huì)附著在蒸汽壓縮機(jī)葉片上，影響壓縮機(jī)的安全使用。

2.2.2 影響結(jié)晶生長(zhǎng)

2.2.3 影響產(chǎn)品白度

在循環(huán)濃縮中，萃取系統(tǒng)帶入的有機(jī)成分導(dǎo)致COD大幅度提高，循環(huán)液的顏色逐漸變?yōu)獒u油色，且有機(jī)成分附著在產(chǎn)品上，使得產(chǎn)品白度較差。

2.3 pH值的影響

元明粉的結(jié)晶質(zhì)量與溶液pH值相關(guān)。研究表明，當(dāng)pH>10時(shí)，硫酸鈉在蒸發(fā)中的結(jié)晶困難，結(jié)晶的顆粒細(xì)小。將pH值調(diào)至7～9，更有利于結(jié)晶[12]。此外，溶液中含有F-、Cl-離子，在酸性條件下對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重。因此，控制系統(tǒng)進(jìn)料pH值為中性偏堿有利于設(shè)備防腐。

3 蒸發(fā)結(jié)晶前處理工藝運(yùn)行存在問題及優(yōu)化

蒸發(fā)結(jié)晶前處理工藝需要根據(jù)溶液不同的特點(diǎn)采取針對(duì)性措施。某企業(yè)的前處理工藝采取了去除有機(jī)物、去除重金屬及調(diào)節(jié)pH值的措施來處理原料液，流程如圖1所示。下文針對(duì)該工藝流程和運(yùn)行存在問題進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化建議。

圖1 蒸發(fā)結(jié)晶前處理流程

3.1 去除有機(jī)物工序

通過脫除原料液中的有機(jī)物，可以大幅降低有機(jī)物在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的累積速度，改善蒸發(fā)和結(jié)晶條件。該系統(tǒng)采用了兩級(jí)除油措施，即先進(jìn)行氣浮除油，再進(jìn)行活性炭吸附除油。氣浮除油是利用溶氣泵將空氣混入循環(huán)溶液中，再將溶氣后的溶液送回溶液主體，通過合理的分布將氣體均勻釋放出來，然后由氣泡將溶液中的細(xì)小油滴帶到溶液表面，通過澄清使有機(jī)油相析出并分離。對(duì)于氣浮除油后的溶液，再通過活性炭吸附進(jìn)一步脫除殘留的有機(jī)物。

實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的氣浮除油效果不佳，導(dǎo)致活性炭吸附除油的壓力增大，需要頻繁更換活性炭，不僅增加了活性炭消耗，而且增大了工作強(qiáng)度。其原因可能包括：1)萃取系統(tǒng)包括鎳、錳、鈷、鈧等多條萃取線，產(chǎn)生的廢水的有機(jī)成分不一，除了含有分散的油相外，還含有可溶性有機(jī)物，導(dǎo)致氣浮除油的效果下降；2)析出的浮油在空氣中靜置約1 d后，會(huì)被氧化，粘度大幅增加，導(dǎo)致排放不暢，部分油污粘附在池壁上；3)萃取系統(tǒng)送入的溶液中實(shí)際有機(jī)物含量超過設(shè)計(jì)值，系統(tǒng)處理能力不足。

針對(duì)上述問題，從以下方面進(jìn)行改善：1)首先應(yīng)加強(qiáng)萃取系統(tǒng)的生產(chǎn)控制，從源頭上嚴(yán)格控制廢水中的有機(jī)物含量；2)加強(qiáng)氣浮除油的排油頻率，避免油污在除油槽內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留；3)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液的pH值調(diào)至1～2時(shí)，可溶性有機(jī)物會(huì)大量溶出，因此通過增加調(diào)酸操作將可溶性有機(jī)物分離出來成為浮油，再對(duì)溶液中的浮油進(jìn)行脫除。

3.2 除重金屬工序

該系統(tǒng)采用化學(xué)沉淀法脫除重金屬離子。根據(jù)相關(guān)資料[13]，Ni(OH)2、Mn(OH)2和Zn(OH)2的溶度積常數(shù)分別為2×10-15、1.9×10-13和1.2×10-17。各離子的沉淀終點(diǎn)分別約為9.7、10.7和8.5。而合成系統(tǒng)的廢水堿度高，與萃取系統(tǒng)廢水混合后，溶液pH值約為12，可以實(shí)現(xiàn)重金屬離子的沉淀。沉淀后的懸濁液再送入微孔過濾器進(jìn)行過濾。

實(shí)際生產(chǎn)也驗(yàn)證了兩種溶液混合可以實(shí)現(xiàn)重金屬離子的有效沉淀，但原料液的pH值、離子濃度、成分存在波動(dòng)。對(duì)此，可以通過補(bǔ)充氫氧化鈉溶液來控制終點(diǎn)pH值，預(yù)防原料液中重金屬離子濃度增大，或其他高溶度積的金屬離子引入等情況。

系統(tǒng)運(yùn)行一年左右后，微孔過濾器的PE材質(zhì)濾芯的強(qiáng)度出現(xiàn)下降，容易發(fā)生斷裂。其原因包括：1)溶液有機(jī)物脫除效果不佳，導(dǎo)致有機(jī)物進(jìn)入并粘附在濾芯上，對(duì)濾芯產(chǎn)生腐蝕；2)鹽類在濾芯微孔中的結(jié)晶膨脹也可能對(duì)濾芯結(jié)構(gòu)造成破壞。

針對(duì)上述問題，從以下幾個(gè)方面改善：1)優(yōu)化溶液的除油工序，減少進(jìn)入后段系統(tǒng)的有機(jī)物量；2)將PE材質(zhì)濾芯更換為強(qiáng)度高的耐腐蝕合金材質(zhì)，但濾芯作為一種耗材，需要綜合考慮成本；3)設(shè)置兩級(jí)過濾操作，先利用壓濾機(jī)過濾大部分沉淀，再進(jìn)行微孔過濾器精濾，從而改善微孔過濾器的使用條件，延長(zhǎng)濾芯的使用壽命。

3.3 pH值調(diào)節(jié)工序

該系統(tǒng)使用濃硫酸進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)。將濃度98%的硫酸送入靜態(tài)混合器中與溶液進(jìn)行初級(jí)混合，再將混合液送入攪拌槽進(jìn)行充分混合，在攪拌槽處設(shè)置pH監(jiān)測(cè)儀，并與濃硫酸調(diào)節(jié)閥連鎖，以控制溶液的pH值。

運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)混合器出現(xiàn)腐蝕穿孔，這主要是由于濃硫酸與溶液混合時(shí)會(huì)放出大量熱，導(dǎo)致靜態(tài)混合器的進(jìn)酸口處溫度很高。雖然混合器是襯里材質(zhì)，但內(nèi)襯材料在高溫下容易發(fā)生變形損壞，硫酸則發(fā)生滲漏和腐蝕。對(duì)此，可以先將濃硫酸配置為濃度約20%的稀硫酸，將大部分的稀釋熱轉(zhuǎn)移出去后，再進(jìn)行pH值的調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)采用pH值自動(dòng)調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)精度并不高，主要由于pH值的反饋具有一定的滯后性，其滯后程度與監(jiān)測(cè)前的混合時(shí)間有關(guān)。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離混酸點(diǎn)太近時(shí)，反饋比較及時(shí)，但溶液混合得不夠均勻，監(jiān)測(cè)值誤差較大；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離混酸點(diǎn)太遠(yuǎn)時(shí)，雖然溶液混合均勻，但反饋值滯后較大。這種調(diào)節(jié)方式使得實(shí)際pH值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。針對(duì)上述問題，可以根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)摸索出波動(dòng)的規(guī)律，并在控制編程中設(shè)置補(bǔ)償量，將pH值波動(dòng)范圍縮小，并且蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)不要求將溶液pH值嚴(yán)格控制在某一固定值。

隨著蒸發(fā)濃縮的進(jìn)行，循環(huán)液的pH值會(huì)逐漸提高達(dá)到11～12，超出了高效結(jié)晶的pH值范圍，因此應(yīng)注意對(duì)循環(huán)液pH值的控制。

4 結(jié)束語

蒸發(fā)結(jié)晶前處理工藝對(duì)溶液的凈化，可以大幅降低系統(tǒng)結(jié)垢、起泡等風(fēng)險(xiǎn)，提高元明粉晶體成核和生長(zhǎng)的條件，對(duì)于產(chǎn)品粒徑和純度等有一定的保障。但蒸發(fā)結(jié)晶前處理工藝作為一種事前控制措施，對(duì)雜質(zhì)產(chǎn)生的影響容易出現(xiàn)分析偏差，從而造成前處理不徹底的情況，因此如何針對(duì)三元前驅(qū)體生產(chǎn)廢水的特殊性進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整顯得尤為重要，本文希望通過對(duì)該前處理系統(tǒng)的分析和討論，給類似生產(chǎn)提供一些參考。

值得一提的是，溶液的前處理并不是一勞永逸，處理后殘余的雜質(zhì)仍然會(huì)在循環(huán)濃縮中慢慢積累并造成影響，因此仍需要對(duì)循環(huán)液或離心母液采取凈化措施，即進(jìn)行溶液的后處理，通過雙重手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。