離心萃取機(jī)在三元鋰電池回收鎳鈷錳中的應(yīng)用

陳武超，張榮榮，伍永國，張 婷，劉勇奇

(湖南邦普循環(huán)科技有限公司，湖南 寧鄉(xiāng) 410006)

富含鎳鈷錳的三元鋰電池產(chǎn)量與廢舊鋰電池報廢量均在逐年遞增[1]，低成本、高收率地處理廢舊鋰電池是一種節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的有效途徑[2-3]。廢舊鋰電池的資源化回收通常包括破碎篩選-溶解浸出-萃取提純，其中對經(jīng)過化學(xué)預(yù)除雜的浸出液經(jīng)過萃取提純，既能有效地對浸出液進(jìn)行深度除雜，提高產(chǎn)品質(zhì)量；又能將金屬液分離濃縮，有效地降低能耗。國內(nèi)一般使用酸性磷型萃取劑，在箱式萃取槽中對金屬溶液進(jìn)行深度除雜和分離濃縮[4-5]，與箱式萃取槽相比，離心萃取機(jī)占地面積小，料液存留量小，平衡時間短，處理量大，夾帶少等優(yōu)點[6-8]，本文使用P507萃取回收鎳鈷錳，考察了離心萃取機(jī)與箱式萃取槽平衡時間、相比和含油量的差異，驗證離心萃取器在萃取回收鎳鈷錳領(lǐng)域的可行性。

1 萃取機(jī)的結(jié)構(gòu)簡介及工作原理

圖1 離心萃取機(jī)的結(jié)構(gòu)簡介及工作原理

離心萃取分離機(jī)主要有變頻器、電機(jī)、轉(zhuǎn)鼓部件、機(jī)殼及機(jī)架組成。見圖1，互不相溶的重相和輕相液體，分別由重、輕相進(jìn)料口進(jìn)入，利用轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行高強(qiáng)度混合，利用渦輪盤和擋流板產(chǎn)生吸力，推動混合后的液體進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，在離心力的作用下，重相自下而上向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁移動，輕相向轉(zhuǎn)鼓中心移動，分離后兩液相分別進(jìn)入重、輕相收集腔，并由重、輕相出口排出。

2 實 驗

2.1 試劑及設(shè)備

主要試劑和原料：萃取劑P507；磺化煤油；萃原液為三元鋰電池硫酸浸出液，主要成分見表1。

表1 三元鋰電池硫酸浸出液成分Table 1 Composition of sulfuric acid leaching solution of ternary lithium battery (g/L)

主要設(shè)備：CWL50-M型離心萃取機(jī)，天一萃取科技有限公司，五級串聯(lián)；箱式萃取槽，天一萃取科技有限公司，五級串聯(lián)；A3AFG型原子吸收分光光度計；RDOSE電磁隔膜計量泵；OIL480型紅外分光測油儀。

2.2 萃取及分析方法

將P507和磺化煤油配成20%P507+80%磺化煤油的有機(jī)相，使用NaOH溶液(12 mol/L)均相皂化。萃取過程分為兩個方面，一方面使用五級串聯(lián)的CWL50-M型離心萃取機(jī)進(jìn)行逆流萃取實驗，另一方面使用五級串聯(lián)的箱式萃取槽進(jìn)行逆流萃取實驗，金屬濃度使用原吸測量，數(shù)據(jù)處理均以水相總金屬離子濃度計，萃取率計算公式如下所示，萃余液使用紅外分光測油儀測定含油量。

3 離心萃取機(jī)在回收鎳鈷錳中的應(yīng)用

3.1 平衡時間的考察

實驗的有機(jī)相選用20%P507+80%磺化煤油，皂化率為60%，相比相比(VO/VA)=5，油料總體積流量為300 mL/min，萃取級數(shù)為五級，常溫，實驗開始后每隔一段時間進(jìn)行取樣測試，考察對比離心式萃取機(jī)和箱式萃取機(jī)所需的平衡時間，結(jié)果如圖2所示。

圖2 開機(jī)時間對萃取率的影響Fig.2 The influence of start-up time on extraction rate

當(dāng)萃取率達(dá)到穩(wěn)定時，物料進(jìn)出質(zhì)量達(dá)到平衡，所需的開機(jī)時間即為平衡時間，在體積流量相同的情況下，平衡時間主要取決于混合相的傳質(zhì)速度和萃取槽的留存量，離心萃取機(jī)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速一般遠(yuǎn)高于箱式萃取槽攪拌槳的旋轉(zhuǎn)速度，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓將液相打為極小的液滴, 增大了液液相的有效接觸面積，加快傳質(zhì)速度，由圖2所示，本次實驗離心萃取機(jī)機(jī)器內(nèi)的留存量為1.25 L，箱式萃取槽的留存量為25 L，離心萃取機(jī)所需平衡時間為1 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于箱式萃取槽的6 h，更短的平衡時間和更低的留存量有利于工藝參數(shù)的快速調(diào)整及變更。

3.2 相比和含油量的考察

實驗的有機(jī)相選用20%P507+80%磺化煤油，皂化率為60%，萃取級數(shù)為五級，常溫，相比(VO/VA)分別為1/1、2/1、3/1、4 /1、5/1、6/1，油料總流量為300 mL/min，考察相比對離心式萃取機(jī)和箱式萃取機(jī)的萃取率及含油量的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 相比對萃取率及萃余液含油量的影響Fig.3 The effect of comparison on extraction rate and oil content of raffinate

由圖3所示，相比(VO/VA)越高，萃取率越高，萃余液含油量也會增加。萃取率達(dá)到99.5%時，離心萃取機(jī)所需的相比(VO/VA)=3，萃余液含油量為25.2 mg/L；箱式萃取槽的相比(VO/VA)=5，萃余液的含油量為62.2 mg/L。分析認(rèn)為，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓將液相打為極小的液滴，加快傳質(zhì)速度，減少了萃

取劑的空載率，有效地提高了萃取劑的利用率；過高的(VO/VA)會導(dǎo)致兩相分相困難，增加夾帶率、水相含油量及生產(chǎn)成本，離心萃取機(jī)利用高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力分相，效率遠(yuǎn)高于箱式萃取槽的重力分相，讓分相更徹底，減少了夾帶量，更低的萃余液含油量既降低了萃取過程中耗油量，又降低了后期除油的成本。

4 結(jié) 論

(1)離心萃取機(jī)開機(jī)后達(dá)到平衡所需的平衡時間低于箱式萃取機(jī)，本次實驗中，箱式萃取槽所需的平衡時間是離心萃取機(jī)的6倍。

(2)達(dá)到相同的萃取率時，離心萃取機(jī)所需的油料比及萃余液的含油量低于箱式萃取槽，萃取率達(dá)到99.5%時，離心萃取機(jī)所需的相比(VO/VA)=3，萃余液含油量為25.2 mg/L；箱式萃取槽的相比(VO/VA)=5，萃余液的含油量為62.2 mg/L。離心萃取機(jī)較箱式萃取槽有更短的平衡時間、更小的油料比和耗油量，適合于在萃取回收鎳鈷錳領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。