一种将废旧电池碳材料制备成污水吸附剂的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种将废旧电池碳材料制备成污水吸附剂的方法，属于电池回收、污水处理技术领域。
【背景技术】
[0002]随着化石能源的日益枯竭，化学电源在人类的生活中越来越重要。其中，可充放电锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、循环寿命长、功率密度高以及能源效率高等优点，成为了当今社会中最成功的商业化化学电源之一。锂离子电池近年来在便携式电子设备和电动汽车领域得到了广泛的应用，同时也伴随着大量电池废弃物的产生。预计到2020年，中国电池废弃物的数量和重量将分别超过250亿只和50万公吨。电池废弃物会对生态环境和人类健康造成很大的危害，也会造成有价资源的流失。因此，为了实现可持续发展战略的目标，迫切需要对电池废弃物加以回收和开发再利用。
[0003]近年来，废弃电池的回收再利用已经引起了全球的关注，但大部分的研究都是关于正极材料的回收，且已形成了较为成熟的方法和技术，包括湿法冶金、电化学和浸提等。电化学和浸提方法主要用于回收废旧锂离子电池中的各种金属，用有机酸如柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸和天冬氨酸浸提钴和锂，可以获得高回收率。而电池中碳材料的回收再利用还没有得到详细的研究。
[0004]磷是有机体和植物的营养限制元素和必需元素，是地表水水质标准的重要指标之一。在全球范围内，来自点源和非点源的磷元素，过度排放到自然水体中如湖泊、河流和海洋，会引起水体大面积富营养化并导致水生生态系统的恶化。因此，我们急需研究发展行之有效的方法，在污水排放至径流和自然水体之前去除其中的磷元素。目前，在废水处理系统中，磷的去除技术始终都存在着难题。市政污水和工业废水的除磷技术主要分为生物、化学和物理处理方法。其中，物理吸附由于更加简单有效、成本低廉，引起了更多的关注。然而，普通的吸附剂，如活性炭、粉煤灰、矿渣、氧化物尾矿等的除磷能力小于20mg/g。
[0005]然而，Yao等采用厌氧消化的甜菜尾渣或者富含Mg元素的番茄植株废弃物作为原材料，通过高温热解制备了在碳基质中掺杂了纳米级别MgO颗粒的材料，对水溶液中的磷展现了很强的亲和力，吸附能力都高于100mg/g。这种超强的磷吸附能力主要归功于碳基质表面的纳米级别的MgO颗粒，它们能够做吸附磷的活性位点，与磷酸在碳表面生成沉淀物。通过对黑碳制备系统的全生命周期的分析，证明采用废弃原材料能产生更大的环境和经济效益。但是，关于废旧电池中碳材料回收并将其运用在环境保护领域的研究并未报道。
【发明内容】
[0006]针对废旧电池对环境造成的严重污染以及污水吸附剂处理效果差、成本较高的问题，本发明的目的在于提供一种将废旧电池碳材料制备成污水吸附剂的方法，所述方法实现了废旧电池碳材料的回收再利用，降低对环境的损害；所制得的污水吸附剂具有高效净化污水、吸附污水中污染物的效果。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0008]—种将废旧电池碳材料制备成污水吸附剂的方法，所述方法步骤包括:
[0009](1)将电极材料中含碳的废旧电池拆开，用N-甲基吡咯烷酮(NMP)浸泡以碳材料为主要成分的电极片，超声20?60min后，在50?90°C下静置浸泡3?12h，过滤、清洗、干燥，得到固体材料；其中，固体材料为碳材料；
[0010](2)将步骤⑴得到的固体材料加入到镁盐溶液中，30?70°C下搅拌1?6h，干燥，得到表面覆盖镁的固体材料；
[0011](3)将步骤(2)得到的表面覆盖镁的固体材料在保护气气氛中，于400?1200°C下煅烧1?6h，自然冷却至室温后，得到所述污水吸附剂。
[0012]步骤⑵中所述镁盐中镁元素的质量与固体材料的质量比为0.1?0.6:1。
[0013]步骤⑵中所述镁盐为18(:12、1%(勵3)2或1%504。
[0014]所述碳材料为中间相碳微米球石墨(MCMB)、导电炭黑(Super P)、人工石墨(AGP)、活性炭(SAC)或乙炔黑(CAB)。
[0015]所述保护气为氮气或氩气。
[0016]优选地，将步骤(1)得到的固体材料加入浓硝酸溶液中，混合搅拌4?20h，过滤、洗涤至中性、干燥；该步骤得到的固体材料为表面氧化的碳材料。
[0017]优选地，将步骤(3)中得到的污水吸附剂进行洗涤，干燥。
[0018]优选地，步骤(3)中煅烧温度为600?800 V，煅烧时间为1?2h。
[0019]有益效果:
[0020]本发明所述方法中，所用的废旧电池中的碳材料产量大、成分较纯、结构优良，有利于污水处理中新型碳吸附剂的制备；通过对碳材料表面的氧化处理，有利于镁的负载，而且所制备的污水吸附剂中碳材料表面存在的纳米级镁晶体，提高了吸附剂对磷(包括Η2Ρ04、ΗΡ042、Η3Ρ04)的吸附能力。
[0021]本发明所述方法既能实现废旧电池中碳材料的资源化回收，降低对环境的损害，同时也降低了吸附剂的材料制备成本，提高经济效益，这也是关于废旧电池中碳材料回收和其在环境保护即废水处理领域运用的第一次报道研究。
【附图说明】
[0022]图1为实施例1中制备的镁负载量不同的污水吸附剂对磷去除率的对比图。
[0023]图2为实施例1中制备的镁负载量为30%的污水吸附剂对磷酸根的吸附等温线。
[0024]图3为实施例2在不同煅烧温度下制备的污水吸附剂对磷去除率的对比图。
[0025]图4为实施例3中使用废旧锂离子电池中种类不同的碳材料所制备的污水吸附剂对磷去除率的对比图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。
[0027]以下实施例中:
[0028]浓硝酸质量分数为65?68% ;
[0029]所制备的污水吸附剂对磷的吸附测试:将0.05g所制备的污水吸附剂粉末加入到25mL 浓度为 0.01 ?1500mg/L 的磷酸溶液中，200rpm 室温振荡，10min、20min、40min、lh、211、411、611、1211、2411、3611、4811后分别取样，用0.22 μ m滤膜过滤，取上清液测量磷酸浓度；将滤渣洗涤，80°C干燥。
[0030]实施例1
[0031](1)将负极材料为中间相碳微米球石墨(MCMB)的18650型废旧锂离子电池拆开，用N-甲基吡咯烷酮浸泡负极电极片，超声20min，放在90°C烘箱中静置浸泡3h，过滤，将过滤后得到的固体物质用去离子水清洗干净，置于烘箱中80°C干燥，得到MCMB ;将得到的MCMB加入浓硝酸溶液中，混合搅拌20h，过滤，将过滤后得到的固体物质用去离子水洗涤至中性，置于烘箱中80°C干燥，得到表面氧化的MCMB ;
[0032](2)将5g步骤⑴中得到的表面氧化的MCMB加入到30mL浓度为1.04mol/L的Mg(N03)2溶液中，30°C下搅拌6h，置于80°C烘箱中干燥，得到表面覆盖镁的MCMB ;
[0033](3)将步骤(2)得到的表面覆盖镁的MCMB在氮气气氛中，于600°C下煅烧2h，自然冷却至室温后，用去离子水洗涤，置于烘箱中80°C干燥，得到所述污水吸附剂。
[0034]本实施例中，所用镁盐