本发明涉及工业废水处理及其资源化和电极材料制备领域，具体涉及一种由酸性刻蚀废液制备高比容量负极材料的方法。
背景技术：
印刷电路板(pcb)是重要的电子元件，在我国其产量与产值首屈一指。印刷电路板工艺需要大量的酸性刻蚀液，其中fecl3酸性刻蚀液被广泛应用。利用fecl3酸性刻蚀液刻蚀敷铜基板工艺稳定，操作方便，价格便宜。但是，由于fecl3酸性刻蚀液的再生及其废液的处理困难，近年来面前被淘汰的窘境。fecl3酸性刻蚀废液大量的fe3+、fe2+、cu2+、cl-等离子，若不经回收直接排放，不仅造成资源浪费，而且造成严重的环境污染，破坏生态平衡。对于fecl3刻蚀废液的处理方法主要有：
(1)置换法：该方法一般是用酸性蚀刻废液与少量碱液中和，使酸性蚀刻废液的酸度降低，然后投入工业铁片，利用铁的活性将铜置换出来。该法在反应过程中放热并产生大量的水蒸气、氯气和氯化氢气体，并且置换出来的铜与残留的铁分离困难。同时，由于工业铁片中引入了新的杂质，置换后的废液后续处理流程较长，工艺复杂。
(2)电解法：此方法是采用具有耐活性cl-的阳极对酸性蚀刻废液进行隔膜电解，但由于cl-较高，电解后产生的电解金属铜为粉状，电解容易产生大量的氯气和氢气，危险性高，阳极和离子膜消耗非常快，生产运行成本极高。
(3)萃取法：首先用碱液将酸性蚀刻废液ph值调整到1～3，后用萃取剂萃取铜，反萃，生产电解铜。铜萃取一定量后，铁铜质量比上升、萃余液ph值下降，萃取选择性与效率降低，需加大量自来水稀释调整ph值，反复进行萃取，萃余液十倍增量含有大量稀盐酸排放造成资源浪费和新的环境污染，给企业增加了环保处理难度。
如公开号为101462803的专利申请公开了一种含氯化铜、三氯化铁废液的再生回收方法，该方法采用加入铁粉的方式，使得铜离子和三价铁离子分别还原成单质铜和二价铁离子，过滤后在滤液中加入盐酸和双氧水得到三氯化铁溶液。此即为置换法，而其最终目的是再生酸性三氯化铁蚀刻液和回收铜。
针对上述三大类处理方法的不足，需要一种工艺相对简单、不产生有毒有害危险性气体、不带入新环境污染物的处理方法。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种由酸性刻蚀废液制备高比容量铁负极材料的方法，即一种酸性刻蚀废液的处理方法，实现酸性废液中铁、铜阳离子回收进而制备高比容量铁负极cu@feox材料，并废液零排放的目标，解决现有处理技术存在上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种由酸性刻蚀废液制备高比容量负极材料的方法，包括以下步骤：
(1)、在酸性刻蚀废液鼓入空气或氧气，同时添加oh-溶液反应，得到feox前驱体悬浮液，反应时控制酸性刻蚀废液的ph值为3～4；
(2)、停止鼓气，调整酸性刻蚀废液的ph值为6.2～7，加入还原性导电含碳物和oh-溶液，反应后固液分离得cu@feox材料前驱体；
(3)、将cu@feox材料前驱体干燥后，于还原性氛围中煅烧，冷却后即得cu@feox负极材料。
反应时加入ph缓冲剂氯化铵固体。
加入oh-溶液的质量浓度为5％～20％。本发明中oh-溶液为koh、naoh等溶液。
步骤(1)中，反应温度为80～100℃。
步骤(1)中，当废液液相中总铁含量在5～8gl-1时，停止加入oh-溶液，继续鼓气1h。
步骤(3)中还原性气氛为：氮气、氩气、一氧化碳、氢气。
步骤(2)中还原性导电含碳物为乙炔黑、石墨、石墨烯和炭黑的一种。
步骤(3)中煅烧温度为600～850℃。
步骤(2)中反应温度为80～100℃。
步骤(2)中加入乙炔黑和oh-溶液搅拌陈化0.5-1h。陈化作用是去除沉淀中包藏的杂质；并让沉淀晶体生长增大晶体粒径，并使其粒径分布比较均匀。
一种0.5c比容量在259～264mah·g-1的负极cu@feox材料。
本发明中，在ph为3～4时，刻蚀废液中的cu2+不会沉淀析出，同时有利于fe3o4晶体的生长。反应槽内发生如下主反应：
fe2++2fe3++8oh-＝fe3o4↓+4h2o(1)
fe2++2oh-＝fe(oh)2↓(2)
6fe(oh)2+o2＝2fe3o4+6h2o(3)
同时，也有
fe(oh)2+o2+h2o＝fe(oh)3(4)
fe3o4+o2＝fe2o3(5)等反应。
本发明中，添加ph缓冲剂氯化铵固体可以起到控制酸性刻蚀液中的ph值的作用，特别在加热时，氯化铵的酸性得以增强。
本发明中，步骤(1)和(2)中加入oh-溶液的质量浓度均为5％～20％，特别是oh-溶液的质量浓度均为10％～12％。oh-溶液的质量浓度在10％～12％，制备得到的固体产物的颗粒更加均化，最终制备得到的锂电池负极材料的导电性能更好。本发明中，煅烧温度能够使得负极材料的比容量更好。
本发明中控制步骤(1)和步骤(2)的温度为80～100℃，反应温度的作用：高于80℃才能维持fe2+氧化成fe3+速率，进而才能维持体系的ph在3-4，并能够保证fe3o4的生长速率。
本发明选择还原性导电含碳物的意义在此，如选择乙炔黑的作用在于：1、乙炔黑能够在制备cu@feox材料前驱体时起到强吸附作用；2、乙炔黑在步骤(3)中的煅烧中还起到辅助还原剂的功能，帮助二价铜离子得以还原；3、过量的乙炔黑颗粒存在于cu@feox材料上还能提高cu@feox材料的导电率。
本发明并不局限于上述提及的还原性导电含碳物。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过巧妙控制ph值等反应条件，先沉淀铁离子得到feox前驱体，铜离子仍然为游离态；再在feox前驱体表面上沉淀铜离子，添加乙炔黑，由乙炔黑的吸附作用将沉淀沉积在乙炔黑上，得到cu@feox材料前驱体，再将cu@feox材料前驱体在还原气氛下煅烧制得cu@feox材料。本发明工艺过程相对简单，实现酸性废液中铁、铜阳离子回收进而制备高比容量铁负极cu@feox材料，并废液零排放的目标。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
将1m3含有fe3+、fe2+、cu2+、cl-等离子的fecl3酸性刻蚀废液注入反应槽，搅拌，搅拌速率控制在300rad·min-1，蒸汽加热，反应槽温度80℃。加入占废液中总铁质量10％的nh4cl固体作为缓冲剂，后用质量百分比浓度为5％的naoh溶液调整废液的ph值为3，然后鼓入空气，同时添加所述naoh溶液。待废液液相中总铁含量在5g·l-1时，停止加入naoh溶液，继续鼓气1h，制得feox前驱体悬浮液。
制得feox前驱体悬浮液后，停止鼓气，继续添加所述naoh溶液，使所述废液的ph值为6.2，并加入总铁质量3％的乙炔黑，陈化1h，液固分离。所得固体为cu@feox材料前驱体。
所述cu@feox材料前驱体经过干燥后进入氩气气氛煅烧炉中，并在600℃下煅烧。煅烧后冷却并粉碎至100目，即制备出高比容量的cu@feox材料。所得液体，返回前段配制fecl3刻蚀液，实现废液的零排放。
制备所得cu@feox材料测试方法按照托马斯主编的《电池手册》第四版进行，结果见于表1。
实施例2
将1m3含有fe3+、fe2+、cu2+、cl-等离子的fecl3酸性刻蚀废液注入反应槽，搅拌，搅拌速率控制在300rad·min-1，蒸汽加热，反应槽温度80℃。加入占废液中总铁质量10％的nh4cl固体作为缓冲剂，后用质量百分比浓度为10％的naoh溶液调整废液的ph值为3，然后鼓入空气，同时添加所述naoh溶液。待废液液相中总铁含量在5g·l-1时，停止加入naoh溶液，继续鼓气1h，制得feox前驱体悬浮液。
制得feox前驱体悬浮液后，停止鼓气，继续添加所述naoh溶液，使所述废液的ph值为7，并加入总铁质量3％的乙炔黑，陈化0.5h，液固分离。所得固体为cu@feox材料前驱体。
所述cu@feox材料前驱体经过干燥后进入氮气气氛煅烧炉中，并在600℃下煅烧。煅烧后冷却并粉碎至100目，即制备出高比容量的cu@feox材料。所得液体，返回前段配制fecl3刻蚀液，实现废液的零排放。
制备所得cu@feox材料测试方法按照托马斯主编的《电池手册》第四版进行，结果见于表1。
实施例3
将1m3含有fe3+、fe2+、cu2+、cl-等离子的fecl3酸性刻蚀废液注入反应槽，搅拌，搅拌速率控制在300rad·min-1，蒸汽加热，反应槽温度100℃。加入占废液中总铁质量10％的nh4cl固体作为缓冲剂，后用质量百分比浓度为12％的koh溶液调整废液的ph值为4，然后鼓入空气，同时添加所述naoh溶液。待废液液相中总铁含量在8g·l-1时，停止加入naoh溶液，继续鼓气1h，制得feox前驱体悬浮液。
制得feox前驱体悬浮液后，停止鼓气，继续添加所述naoh溶液，使所述废液的ph值为7，并加入总铁质量3％的乙炔黑，陈化1h，液固分离。所得固体为cu@feox材料前驱体。
所述cu@feox材料前驱体经过干燥后进入一氧化碳气氛煅烧炉中，并在600℃下煅烧。煅烧后冷却并粉碎至100目，即制备出高比容量的cu@feox材料。所得液体，返回前段配制fecl3刻蚀液，实现废液的零排放。
制备所得cu@feox材料测试方法按照托马斯主编的《电池手册》第四版进行，结果见于表1。
实施例4
将1m3含有fe3+、fe2+、cu2+、cl-等离子的fecl3酸性刻蚀废液注入反应槽，搅拌，搅拌速率控制在300rad·min-1，蒸汽加热，反应槽温度100℃。加入占废液中总铁质量10％的nh4cl固体作为缓冲剂，后用质量百分比浓度为12％的naoh溶液调整废液的ph值为4，然后鼓入空气，同时添加所述naoh溶液。待废液液相中总铁含量在6g·l-1时，停止加入naoh溶液，继续鼓气1h，制得feox前驱体悬浮液。
制得feox前驱体悬浮液后，停止鼓气，继续添加所述naoh溶液，使所述废液的ph值为7，并加入总铁质量3％的乙炔黑，陈化1h，液固分离。所得固体为cu@feox材料前驱体。
所述cu@feox材料前驱体经过干燥后进入一氧化碳气氛煅烧炉中，并在850℃下煅烧。煅烧后冷却并粉碎至100目，即制备出高比容量的cu@feox材料。所得液体，返回前段配制fecl3刻蚀液，实现废液的零排放。
制备所得cu@feox材料测试方法按照托马斯主编的《电池手册》第四版进行，结果见于表1。
实施例5
将1m3含有fe3+、fe2+、cu2+、cl-等离子的fecl3酸性刻蚀废液注入反应槽，搅拌，搅拌速率控制在300rad·min-1，蒸汽加热，反应槽温度100℃。加入占废液中总铁质量10％的nh4cl固体作为缓冲剂，后用质量百分比浓度为20％的naoh溶液调整废液的ph值为4，然后鼓入空气，同时添加所述naoh溶液。待废液液相中总铁含量在5g·l-1时，停止加入naoh溶液，继续鼓气1h，制得feox前驱体悬浮液。
制得feox前驱体悬浮液后，停止鼓气，继续添加所述naoh溶液，使所述废液的ph值为7，并加入总铁质量3％的乙炔黑，陈化1h，液固分离。所得固体为cu@feox材料前驱体。
所述cu@feox材料前驱体经过干燥后进入氢气气氛煅烧炉中，并在850℃下煅烧。煅烧后冷却并粉碎至100目，即制备出高比容量的cu@feox材料。所得液体，返回前段配制fecl3刻蚀液，实现废液的零排放。
制备所得cu@feox材料测试方法按照托马斯主编的《电池手册》第四版进行，结果见于表1。
实施例1-5中选择的还原性导电含碳物还可以选择石墨、石墨烯、炭黑等。
表1不同实施例中铁负极cu@feox材料的比容量
备注：(1)按照标称容量300mah·g-1充放电，充电倍率为1c；0.5c、1c、3c放电截至电压分别为0.8v、0.7v、0.6v。
(2)6*是购买某一商用铁负极材料测试的结果。
从表1可以看出，现有的铁负极材料的0.5c放电比容量的一般水平为205mah·g-1，本发明中最低水平实施例5比一般的水平提高了54个点，最高0.5c放电比容量实施例3比一般水平高了59个点。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。