废镍处理 表5.3正交实验的水平因素及分析表的设计

废镍处理 表5.3正交实验的水平因素及分析表的设计

6、正交实验设计：综合考虑浸出时间、料液比、酸浓度、温度四个因素对浸出实验的影响，从而确定最佳浸出条件。

1）电池正极正交实验如表5.1和表5.2所示。

表5.1 正交实验水平因子

2) 正交实验1-16组中，镍的吸光度为0.08091、0.08162、0.08356、0.08385、0.08573、0.08762、0.08589、0.08678、0.08766、0.08900、0.0932、0 .09025、0.08776、0.0906、0.09495、0.09280。

3）以14组为例。 我们假设正极原料全部溶解在王水中； 镍的浓度是通过使用火焰原子吸收光谱法测量镍的吸光度来确定的，然后在最佳条件下用硫酸溶解时进行测量。 系统光度，并将吸光度转换成镍浓度。

4) 用硫酸作为分子溶解的镍浓度除以王水溶解的镍浓度，即为镍的浸出率； 王水溶解镍的吸光度为：0.10047，14组条件下硫酸溶解镍的吸光度测试范围分析表5.3。

5) 表中K、k、R的计算以A组为例说明： 从表5.4的A列中，分别可以找到4个1、2、3、4。 四个1分别对应四种镍的浸出率。 80.53、81.24、83.17、83.46； 四个2对应四个镍的浸出率分别为85.33、87.21、85.49、86.37； 四个3对应四个镍的浸出率分别为87.25、88.58、92.76、89.8； 四个4对应四个镍浸出率分别为87.35、90.17、94.51和92.37。

表5.3 正交实验极差分析表

(1) K1=80.53+81.24+83.17+83.46=328.4； k1=K1/4=328.4/4=82.1

(2) K2=85.33+87.21+85.49+86.37=344.4； k2=K2/4=86.1

(3) K3=87.25+88.58+92.76+89.8=358.42； k3=K3/4= 89.61

(4) K4=87.35+90.17+94.51+92.37=364.4； k4=K4/4= 91.1

*R=kmax-kmin= 91.1-82.1=9

6）同理，B、C、D对应的值也可以按照这个方法计算出来。

（1）在正交实验的基础上，对所得数据（见表5.5）采用极差分析法，对所用氢镍电池电极材料中镍元素溶解反应的影响因素进行比较和排序。 通过R值的大小，发现各种因素对电池电极材料中镍元素的浸出率有不同的影响。 废氢镍电池正极材料中镍元素溶解浸出的影响顺序为：A>B>C>D，可知浸出时间对镍的浸出影响最大。

(2)由表5.2可知，当硫酸浸出时间为4.5小时、料液比为30 ml/g、酸浓度为1.5 mol/l时，镍的理论浸出率最高，温度为 90°C。

(3)但最佳浸出条件根据表5.5中的K值确定； 取A、B、C、D四列对应的最大K值，然后从A中选择K4，从B中选择K3，从C中选择K1，从D中选择K4。对比表5.3可以看出，镍在A4、B3、C1、D4条件下效果最好，而表2中没有4、4。3、1、4这种情况。

7）分析各因素对镍浸出率的影响：我们用四个因素作为浸出率的函数并画图进行定性分析。

图5.2 浸出时间与平均镍浸出率的关系

(1)从图5.2可以看出，浸出率在3.9～4.5h范围内基本不变，这意味着浸出时间为4h即可满足浸出要求。

(2)图5.2给出了不同电极材料中镍元素浸出率与不同保留时间下时间的关系。 随着浸出时间增加到一定程度，正极材料中镍的浸出率基本保持不变。 当反应时间为4.5小时时，1阴极中镍的浸出率达到最大值，且随着时间的延长，镍的浸出率继续增加。 只是在91%左右来回，所以我们没有必要增加时间来获得更高的浸出率。

(3)氢镍电池正极与酸反应时，电极中的其他物质与NiOOH竞争，导致溶液中的H+活度浓度迅速降低。 NiOOH与酸反应很快，Ni(III)很快被还原，因此酸溶液中镍在电极中的浸出可以在较短时间内达到饱和。

(4)但其与酸的反应很难达到反应平衡，因为在镍氢电池中，金属元素大多以氢氧化物、氧化物或纯金属的形式存在。

(5)M代表正极材料中的金属元素，反应如下：

M(OH)n(s)+nH+(aq)=Mn+(aq)+nH2O (4.1)

反应的平衡常数K如下： K=[Mn+]/[H+]n (4.2)

(6)随着反应的进行，H+浓度逐渐降低，而金属离子浓度逐渐升高。 从反应平衡常数方程可以看出，平衡常数不断增大； 反应很难达到平衡，在一定程度上镍的浸出率不能太高。

图5.3 固液比与镍浸出率的关系

(1)从图5.3可以看出，正极材料中镍元素在溶液中的浸出率随着固液比的变化而波动，呈现无序性。 当液固比为30时，正极材料中镍元素的浸出率达到最大。 价值; 曲线的总趋势是先增加后减少，中间有一个峰值，这就是最佳的液固比。

(2)由于本研究使用的氢镍电池正极材料的活性物质主要是NiOOH和Ni(OH)2这两种镍元素化合物，当正极材料酸浸时，液相比例增加组分有利于阴极中NiOOH的浓度。 在硫酸溶液中的溶解浸出不利于NiOOH在硝酸和盐酸溶液中的溶解浸出。 因此，正极材料中镍在酸溶液中的浸出率随着固液比中液相组分的增加而波动。 性别。

(3)液比的增加增加了电极材料溶解反应的H+活化浓度，因此电极中镍元素的整体浸出趋势随着固液比中液相比的增加而增加。

图5.4 硫酸浓度与镍浸出率的关系

(1)图5.4为不同酸浓度下电极中镍元素的浸出率。 镍的平均浸出率随着硫酸初始浓度的增加而降低，但当达到一定浓度时，镍的浸出率缓慢降低； 当溶液浓度为2.5mol/L时，正极材料中镍元素的浸出率达到最小值。

(2)由于本研究使用的氢镍电池正极材料中的主要活性物质是NiOOH和Ni(OH)2的混合物，当正极材料酸浸时，当酸浓度较低时，由于其他电极中的物质如KOH等。与酸反应进一步降低酸溶液中H+离子的活度浓度。 镍元素的浸出反应缓慢，溶液中的镍元素不能充分反应并浸出。 当酸溶液较高时，材料中Ni(Ⅲ)的还原反应受到限制。 影响正极材料中镍元素的浸出率。

(3)对于电池负极材料，当酸浓度较低时，溶液中的稀土金属元素与镍元素竞争溶液中的H+离子，溶液中的H+离子优先与活性高的稀土金属元素发生反应。土金属及其氢氧化物。 H+离子的活度浓度降低，负极中的镍元素大多以金属态存在。 与化合物态（氢氧化镍）相比，金属镍在酸性溶液中具有更强的耐酸性：

*酸液浓度较小时，负极中镍的浸出率较小；

*当酸液浓度较大时，溶液中浸出的稀土金属离子Ln3+和SO42-或NO3-与浸出液中的碱土金属离子和镍离子Ni(Ⅱ)结合，容易形成稀土金属离子土复盐，镍元素在溶液中浸出率下降。

(4)当混合电极在酸性溶液中浸出时，由于正极中Ni(III)的还原促进了负极中金属物质(稀土金属和金属镍)的氧化，正负极氢镍电池混合材料整体的镍浸出率大于正负极单独处理时的镍浸出率。

(5)当酸浓度较低时，电极材料中存在的其他物质与溶液中的含镍化合物及其金属态竞争H+离子，减少了溶液中有效与H+离子反应的H+离子数量。含镍化合物及其金属态。 因此，电极材料中镍元素的浸出率并不大。

图5.5 温度与平均镍浸出率的关系

（1）图5.5为不同温度体系下不同电极中镍元素的浸出率：不同温度下正极材料镍元素浸出率的变化趋势一般随浸出温度的升高而增大，但在80℃时变成平行于x轴的直线； 75°C时达到最大镍浸出率。

(2)从图5.5中温度与镍浸出率关系的曲线变化可以发现，所用氢镍电池电极材料中镍的浸出率与溶液温度并非线性相关。 溶液中镍的浸出率不随溶液温度的升高而增加。

*对于氢镍电池正极材料，由于正极中NiOOH的还原反应明显放热，当反应体系温度升高时，溶液中NiOOH的还原反应受到限制，镍元素的浸出率降低在阴极溶液中减少。 当系统温度较低时，正极中Ni(OH)2的溶解反应受到限制，镍元素的浸出率受到影响。

*对于负极材料，当反应体系温度升高时，在硫酸介质中，从电极浸出的稀土元素Ln3+与溶液中的Ni2+等碱土金属离子会形成稀土硫酸复盐，稀土元素和部分镍在硫酸介质中会沉淀。 沉淀，镍元素的浸出率降低。 温度较低时，电极中的金属镍溶解不完全，镍元素的浸出率较低。

*所以我们要选择合适的浸出温度。

（未完待续）