废旧镍镉、镍氢电池中有价值金属的回收研究

废旧镍镉、镍氢电池中有价值金属的回收研究

【摘要】废旧电池中含有有毒有害物质和有价金属元素，有效安全处置和回收废旧电池中的有价金属，不仅可以解决目前废旧电池造成的环境污染问题，而且可以实现资源循环利用，对我国经济、社会、环境可持续发展和再生资源回收利用具有重要意义。但目前缺乏低成本、环保的废旧电池处理及资源化技术，导致废旧电池安全处置和高效回收利用难度大。本文基于循环经济理念和“减量化、再利用、资源化”原则，以废旧镍镉、镍氢电池为研究对象。首先对废旧镍镉、镍氢电池的化学成分和物理结构进行分析，通过物理结构和化学成分分析，确定镉和铁、镍、钴等磁性金属为回收利用的目标金属。 根据废旧镍镉、镍氢电池的物质组成、镉的挥发性及铁、镍、钴等金属磁场强度的差异，提出了一种破碎、真空蒸馏、磁选相结合处理废旧镍镉、镍氢电池的新方法。本文从废旧镍镉、镍氢电池中各金属组分真空蒸馏分离的热力学和动力学出发，研究了镉的真空蒸馏分离原理、机理及主要金属元素的真空蒸馏分离规律，并以此为理论基础，优化真空蒸馏工艺参数回收有害金属镉。 本文基于金属之间磁场强度的差异,利用磁分离技术对真空蒸馏后的残渣进行进一步分离净化,研究废旧镍镉、镍氢电池中铁、镍、钴的磁分离机理及规律,达到回收铁、镍、钴等有价值金属的目的。

基于废旧镍镉、镍氢电池各组分在同一温度下蒸气压的不同，采用真空蒸馏分离工艺从混合金属中分离出镉等低熔点、高蒸气压的金属。本文以2/3AA型废旧镍镉电池为研究对象，探讨了真空蒸馏分离镉的热力学与动力学、氧化还原反应机理和蒸发冷凝规律。结果表明：镉在真空蒸馏过程中经历了从氢氧化物→氧化物→单质→气态的转变。在拆解破碎过程中，部分塑料和纤维未被分离出来而是粘附在电极材料上。在真空蒸馏过程中，这些塑料和纤维会随着加热温度的升高而发生热解，生成一氧化碳并还原体系中的氧化物。 L_(16)(4~4)正交试验结果表明，真空蒸馏分离法能有效回收不同品牌、不同形状的废旧镍镉电池中的镉。在动压0.1~3.1 Pa、加热温度1073 K、加热时间2.5 h、活性炭添加量2 wt%的条件下，5种不同品牌、型号、不同形状的废旧镍镉电池中镉的回收率均超过99.5%，回收的镉纯度超过99%。本文根据废旧镍镉、镍氢电池中各金属元素磁性的差异，利用磁分离技术，在不均匀磁场下，从真空蒸馏后的残渣中分离出铁、镍、钴等磁性金属。 磁选实验表明，当磁选机滚筒直径为0.16米、在线速度为0.25～0.5米/秒、粒度范围为0.5～2毫米时，磁选效果和回收产品质量均良好，回收率超过97％。

磁选工艺可将真空冶金后的镍镉、镍氢电池残渣进一步分离提纯，使真空蒸馏工艺更加简单高效，有利于金属的进一步分选回收。环境效益评估结果表明，采用真空蒸馏分离工艺和机械物理法处理废旧镍镉、镍氢电池，可将电池中的主要金属成分，特别是剧毒、高含量的镉、镍转化为可再利用的产品，减少了镉、镍对环境的危害。经济分析结果表明，采用真空蒸馏分离法和机械物理法回收镍镉、镍氢电池可带来一定的经济效益。因此，采用破碎、真空蒸馏和磁选工艺相结合处理废旧镍镉、镍氢电池是一种环境友好、经济可行的方法。