程俊华,张健,徐新民,陈刚,李功宁,王沛钊
1.盐城工学院,江苏 盐城 224051
2.南京环务资源再生科技有限公司,江苏 南京 210098
由瑞典发明家Jungner 1899年发明的镍镉电池,在得到广泛应用的同时,也存在污染环境的隐患,镉中毒会引起骨痛病、肾损伤、胃肠不适及心血管系统功能障碍等疾病,甚至会导致癌症。镍的毒性仅次于镉,而大于铅。废镍镉电池被国家列入危险废物。但是,处置和回收镍镉电池还存在工艺流程冗长、成本高,甚至二次污染的问题,制约了其工业化实施。笔者总结了处置利用废镍镉电池所涉及的预处理、蒸馏、浸出、湿法分离和三废处理等关键技术,尤其是生物冶金、真空冶金和乳状液膜法,以及回收电池材料直接用于新电池生产的最新研究成果,并对比了不同工艺技术对环境的影响,以期为今后的研究和工业化实施提供参考。
电池的镍镉电极被其他材料所包裹,对废镍镉电池进行机械或焙烧等预处理,先分出电极、金属外壳、纸、塑料,增加了部件的解离度和分离率,回收利用率可提高10%,达到99%以上,且能提高回收金属的品质,同时方便、简化了后续处置环节。
一般废镍镉电池的残余电压是1.6~1.7 V,在机械法拆解前用水浸电池,可避免破碎中机械强力使电池放电而带来的危险。机械预处理涉及粉碎、筛分、磁选、细碎等工序,目的是富集镍镉电极。单转子锤式破碎机(直径670 mm、转速46 m/s、卸料格板孔径20 mm)适合于破碎电池。破碎后的物料过0.15 mm筛,将镍镉电池磨碎至小于2 mm,能较好地分离金属外壳与隔板[1];粉碎至小于5 mm有利于提高金属浸出效率[2-3]。除镉外,镍镉电池中的铁、钴、镍均为磁性物质。通过磁选,可使铁、镍和钴的回收率分别达到99.2%、96.1%和86.4%[1],从而减轻处理负荷,提高效率。
必须重视的是分选出的金属外壳、纸、塑料及纤维,甚至电解液都可能粘附有害的电极材料,不能直接出售。将分选出的纸、塑料及纤维充当后续蒸馏工艺的还原剂一般不会对环境产生危害。
焙烧已拆解的废镍镉电池[4-6],使氢氧化物的镍镉电极转变成灰状氧化物,有利于后续筛分等处理作业,通过烧除有机物,可减少危险废物的总量。焙烧的关键技术包括控制焙烧温度、时间和净化尾气。一般选择500 ~700 ℃焙烧1 ~2 h[2,7-8],也有报道在900~1200℃下氧化焙烧废镍镉电池[9]。特别重要的是要对焙烧尾气进行严格净化,防止二次污染。根据GB 16297—2004《大气污染物综合排放标准》的要求,镉、镍及其化合物尾气是禁排的,人体对空气源的镉污染比饮食源更为敏感。因此,选择焙烧处理废镍镉电池必须进行严格的烟气处理设计和排放监控设计。
镉比镍、铁、钴更容易气化,利用金属蒸汽压的差异,在还原气氛下,加热蒸馏废镍镉电池,CdO首先还原成Cd并蒸发,然后镉蒸气在喷淋水或蒸馏器等设备中被冷凝,回收高纯度的镉;而镍、铁等留在蒸馏残渣中,该法也称为火法冶金。残渣再经后续浸出等工艺处理或作为生产铁镍合金的原料。蒸馏分为常压蒸馏和真空蒸馏。
美国日用电池公司将废镍镉电池与焦炭混合,先升温到200~300℃,经1~2 h去除自由水等,再向炉中导入氢气,升至500~800℃,保持1~2 h,最后升温至900℃以上,至少保持2 h,蒸发的镉导入冷凝室,在模具中固化。采用洗涤塔对含镉废气进行洗涤处理,清洁废气可排入大气,产生的废水送往废水处理厂[10]。Melin等将干燥的废镍镉电池粉末在氧化气氛下加热至350~400℃,热解除去有机物后导入氢气或氢与氮的混合气体,在900℃左右使镉还原蒸发[11]。郑正等[12]采用二次洗涤的方法处理含镉废气,一级、二级洗涤塔气体入口温度分别为400和100℃。洗涤水进入沉淀池,清液返回洗涤塔循环使用。
镉在常压和1 Pa下的沸点分别为765和250℃,即真空有利于降低蒸馏温度。真空蒸馏条件:10 Pa、900 ℃、蒸馏时间 >3 h[13-14];或 10 ~100 Pa、500~1000 ℃、蒸馏1 ~10 h[15];或133 Pa、950 ℃、蒸馏12 h[16];或 0.1 ~3.1 Pa、800 ℃、蒸馏 2.5 h。加入2%的活性炭,镉的回收率>99.5%,纯度>99%[1]。
镍镉废电池的处理在感应式真空蒸馏炉中进行。该系统主要由感应式真空炉、第一冷凝器、第二冷凝器、真空系统、中频电源及冷却水系统组成。水和碳氢化合物蒸发后在第二冷凝器中冷凝,进一步升高炉内温度达850℃,电池中的镉挥发出来进入第一冷凝器形成镉块,纯度可达99.5%。蒸馏过程完成后,停止加热,关闭真空阀,向蒸馏炉内通入氮气解除真空,达到常压后开启炉门,取出残渣。残渣主要由镍铁和碳组成,经自然冷却后送钢铁厂做配料用。第二冷凝器的冷凝水呈微碱性,水量极少,沉淀后上清液经中和处理,达标排放。蒸馏过程中产生的烟量很少,经两极冷凝后,含有极少量有害金属,该烟气通过活性炭吸附达标后排放[17]。
将废镍镉电池溶解于酸性或碱性溶液后,再分离,回收镍、镉等金属的过程称为浸出。
常温常压下废电池中的镍镉在氨水中能迅速溶解,发生络合反应,但铁、钴等不参加反应,通过简单过滤就能被去除。加热驱氨并回收后,氨可反复利用。该法设备简单,操作方便,镍、镉浸出率高。
影响氨浸取镍镉的主要因素有预处理的焙烧温度、浸取液浓度和浸取温度。用7 mol/L氨水浸取电池电极材料,过滤除铁;滤液经加热驱氨重新生成镉、镍的氢氧化物沉淀;再将镉、镍的氢氧化物沉淀在500℃烘烤1 h,分解为NiO和CdO,然后用氨水进行二次浸出,CdO溶解,而NiO不溶解,过滤分离NiO;最后将二次浸出液加热驱氨,过滤得到Cd(OH)2,实现镍、镉、铁的分离,镍、镉浸出率分别为99.6%和98.5%,回收的NiO、Cd(OH)2纯度为99.56%和99.97%[18]。或将500℃焙烧的废镍镉电池用9 mol/L氨水于20℃浸取4 h,镉的浸出率达98.8%,回收率达95.9%,Cd(OH)2的纯度大于98%[7]。除氨水外,硝酸铵[19]、碳酸铵[3]、碳酸铵 -氨水[20]或氯化铵 -氨水[7]均可作为浸取剂,而且氯化铵-氨水的用量只是氨水的1/6。浸取液中氨浓度的降低,可有效降低氨挥发导致的风险。
氧化亚铁硫杆菌可以溶解废镉镍电池。近年来开始用微生物将电池中的有用组分转化为可溶化合物并有选择地溶解出来,实现有用组分与杂质的分离,最终回收有用金属。该工艺主要包括生物酸化反应和金属沥滤反应,生物酸化反应产生的酸液作为沥滤电池重金属的反应液。酸化液在沥滤反应池的停留时间对沥滤效果有显著影响。Cerruti等[21]用氧化亚铁硫杆菌经93 d浸取,使电池的镉、镍和铁的浸出率分别达到100%、96.5%和95.0%。夏良树等[22]采用下水道废水停留5 d驯化培养的菌种浸取电池,浸取液pH为1.8~2.1,添加铁粉,浸取50 d后,镍与镉的浸出率分别为87.6%和86.4%。汪靓等[23]以污水厂污泥为嗜酸微生物菌株源,添加少量硫作为能源物质,浸取40 d后镉和镍全部滤出。赵玲等[24]建立了一套连续运行二阶段批处理工艺,以污泥制取酸化培养物;污泥连续进入酸化池,上清液流入沥滤池,电池电极中的重金属在沥滤池中被沥滤溶出,再用沉淀法回收沥滤液中的重金属。
硫酸是常用的浸取剂[8,25-28],如用 3 mol/L 硫酸,或H2SO4与Cd+Ni的摩尔比为1.25的溶液溶解电池活性材料[29],在25℃、固液比为1/5、pH为2的硫酸溶液中浸取2 h,有100%的镉和6.5%的镍浸出[30]。用硝酸浸取[4,17],将回收镉后的蒸馏渣用6倍的10%~50%硝酸、或10%硝酸和20%盐酸的混合酸溶解,滤渣返回再溶,滤液加入碱和硫酸亚铁化学沉淀后制备铁氧体产品。有的将硫酸和硝酸泵入容器并通入0.05~0.5 MPa工业纯氧,在20~100℃,硫酸、硝酸初始浓度分别为1~5 mol/L和5~20 g/L,搅拌浸出 1 ~5 h[31]。还有用 6 mol/L 盐酸在60℃反应1 h浸取电池[32-33];或用硫酸和双氧水混合溶液溶解废镍镉电池[6,34-36]。
实际上,废电池中镍和镉的浸出热力学及动力学有较大差异,镉在稀硫酸溶液中浸出快,而镍必须在较高温度和较浓的硫酸溶液中才浸出。因此,应加强研究选择性浸出工艺,通过控制浸出条件(如硫酸溶液的酸度、温度等),使镉和镍能分别浸出,达到在浸出阶段实现镍镉初步分离的目的。
浸出液中含有镍、镉、铁、钴等多种元素,必须对浸出液除杂、分离并逐一提取以提高回收产品的纯度和应用价值。
控制适当的pH,利用镍、镉、铁的溶度积差别,可通过沉淀分离镍镉。技术的关键是选择沉淀剂和沉淀条件。沉淀法虽然工艺简单,但回收率低、产品纯度不高,可通过重复溶解-沉淀提高回收产品的纯度。
浸出液加热到40~60℃,加HNO3中和,通入CO2,pH调至4.5~5.5,94%的 Cd以 CdCO3形式沉淀出来[4,19],但铁与镍未分离。该法 CO2消耗量大。Hamanasta 等[25]改加 NH4HCO3,有利于防止镍的共沉淀。也可以改CO2为通入硫化氢[26],或改加水溶性硫化盐[37]得到硫化镉沉淀。还可以先沉淀镍再沉淀镉,在镉镍电池的H2SO4浸取液中加氧化剂、pH调至4~6,先过滤除铁,然后加(NH4)2SO4形成 (NH4)2·Ni(SO4)2·H2O 结晶,再加入NH4HCO3调至pH为6~6.5、70℃,镉以CdCO3形式沉淀,经灼烧后分解为 CdO[8]。
在去除了镉的镍溶液中加碳酸钠,形成碳酸镍沉淀[26,28,34],Furuse 等[38]对电解沉积镉后的溶液加水稀释、用空气或氧化剂氧化,石灰中和至pH为7,滤除铁后加CaCO3生成硫酸镍重结晶。将过滤分离了铁的浸取液经石墨催化氧化,在90℃下通2.5 h的空气,使Co2+氧化成Co3+,形成Co(OH)3沉淀以分离钴[3]。
将回收的镉镍混合物不分离Cd2+和Ni2+直接作为电池原料使用,可缩短电池回收处理工艺流程,又可减少污染,是兼顾经济效益和社会效益的有效方法。如将浸取液先滤除对密封Cd/Ni电池有害的铁,将得到的含 Ni2+和 Cd2+的混合溶液转化成Ni(OH)2和Cd(OH)2,并将混合物以一定比例分别加入电池的正负极中,结果表明,其活性物质利用率及放电电位均无明显差别,以混合物形式加入到负极中的Ni(OH)2与独立加入的Ni(OH)2一样起到了分散剂的作用[2]。这种不将Ni2+与Cd2+分离而回收利用的方法既节约了处理费用,又缩短了电池回收处理工艺流程。
酸性溶液中镍、镉电位分别为 -0.246和-0.403 V,镍镉可通过电化学沉积而分离,但它们的电位比较接近,一般使用较低的电流密度,如7 mA/cm2,8~12 mA/cm2(pH 小于2)和50 ~80 mA/cm2电解沉积镉[34,39],虽可防止镍电沉积,但却降低了分离处理能力、增加了成本。
随着电解的持续进行,Cd2+浓度下降,阴极电位逐步降低,将导致镍、钴及氢的阴极还原析出,使电解镉纯度及电流效率下降。为此,采用流化床电解槽代替常规电解槽。流化床颗粒阴极表面积甚大,虽然提高了析镉的极限电流密度,但实际阴极电流密度相当低;且床层湍流程度很高,导致颗粒阴极扩散层厚度显著减小[40]。即使电解很低浓度的Cd2+,阴极上仍不会有Ni2+和H3O+的明显还原析出,可获得纯度较高的电解镉,但该法的金属回收率有待提高,需进一步优化流化床工艺。
选择萃取体系和控制萃取(反萃取)条件是萃取分离的关键。可使用30%N235(主要成分三辛胺)-20%TBT-磺化煤油体系[32],硫酸铵 -聚乙二醇2000-铬黑T双水体系[20],硫酸铵-锌试剂-Tween-80 萃取体系[33]或 LIX64N 煤油体系[3]分离废电池中的镉镍等成分。
Reinhardt[19]用 LIX64N 羟基肟或 Kelex 120 羟基喹啉作萃取剂,Nogueira 等[40]、汪丽等[29]用 P204〔二(2-乙基己基)膦酸〕分离镉与镍、钴,再用Cyanex272〔二(2,4,4-三甲基戊基)膦酸〕从分离镉的剩余液中萃取钴、分离镍,99.7%的镉和99.5%的钴被萃取。最佳条件:料液pH为2.0,2 mol/L P204,皂化率 50%,相比(O/A)为 3∶1,三级逆流萃取。反萃镉条件:2 mol/L硫酸反萃取剂,相比(O/A)为2∶1,二级逆流反萃。沉淀镉条件:20%碳酸钠,Na2CO3/(Cd2++0.5H+)摩尔比为 1.05。P507〔2-乙基己基膦酸单(2-乙基己基)酯〕同时萃取镉、钴而分离镍[41],pH 为 4.0、P507体积分数为25%、皂化率60%、相比为1∶1,经一级萃取,镉、钴的萃取率达93.7%,二级萃取的萃取率大于99.86%。
乳状液膜法的基本原理是萃取与反萃取,但是,乳状液膜法的萃取与反萃取不是分步进行的,而是同时发生在膜的两侧,溶质从料液相萃入膜相,扩散到膜相另一侧,再被反萃入接收相。这种溶质“逆向浓度梯度传递”效应使其在从稀溶液中提取与浓缩溶质方面更具优势[42]。
以煤油为膜溶剂,Span80为表面活性剂,磷酸三丁酯(TBP)为载体,液体石蜡为膜增强剂可分离水中的镉[43]。张延霖等[36]改用二(2-乙基己基)膦酸P204为载体和内水相氨水组成的乳状液膜进行放大试验,镉的迁移率可达93.3%,镍的迁移率仅14.6%,较好地实现了镍镉电池浸出液中镉的分离。毕亚凡等[44]以二异丙基水杨酸(DIPSA)和三辛烷基硫化磷(TBPS)为液膜载体及协同载体,Cd2+的回收率大于98%,Ni2+和Cd2+的损失率均小于1%,油相可回用。杨苏平[42]改用T154为表面活性剂、TOA为载体、NaOH为内相的体系处理废镍镉电池浸出液,Cd2+、Ni2+、Co2+的平均迁移率分别为97.11%、4.49%和3.58%,以TBP为载体、环己烷为溶剂、异辛醇为膜增强剂的乳化液膜体系中,Cd2+、Ni2+、Co2+的平均迁移率分别为 97.52%、5.41%和3.46%。
废镍镉电池经焙烧、筛分,去除铁壳和集流网的筛下物进行氨浸,加入丁基黄药和2号浮选油溶液,缓慢加入硫化钠溶液,不断搅拌浮起泡沫,用刮板将泡沫刮出得到硫化镉,浮选后的浆体进行压滤,滤液返回氨浸工艺,滤渣集中处理[5]。
利用金属氧化还原性的不同在废电池浸取液中加入活泼金属能将镉置换出来而实现镉镍分离。H2SO4浸取的废电池浸取液中先加入40~100 g/L NaCl,在25~30℃下调节pH至2.1~2.5,加入铝或锌,可置换出镉[27]。该法虽然操作简单,但置换出的镉纯度比较低。
以上所有涉及溶液的处置回收方法都面临处理过程产生大量的液体,废水处理量大的问题。以处理1 t/d废旧镍镉电池的工业规模为例,浸出固液比为1∶5,即处理1 t电池需要5 tpH为2的硫酸溶液,尽管大部分硫酸经反应以及后续的处理,但是仍然有大量的废液产生。采用其他工艺也不可避免地产生大量废液。按每年工作200天计,镍、镉的回收率为99%,根据 GB 8978—1996《污水综合排放标准》,总镉污染物最高允许排放浓度为0.1 mg/L,总镍污染物最高允许排放浓度为1.0 mg/L,每年将至少排放32.6万m3的废水,水量巨大。
湿法回收工艺的优点是能耗低、工艺成熟,但周期长,最大的缺点是过程产生大量的液体,废水处理量大。干法回收工艺(火法冶炼)的危险是极有可能将金属蒸气释放到大气中。真空蒸馏(真空冶金)与常压蒸馏相比环保性能好,能直接获得高纯度金属,容易实现自动化,但间隙式处理的能力小,设备投资较大,还需进一步优化工艺、降低能耗。
今后研究的重点是闭路回收再生工艺,开发与经济承受力相符又环境友好的回收处理技术。将回收的镉镍混合物直接用作电池原料,可缩短电池回收处理工艺流程,并尽可能地避免二次环境污染。
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