一种从三元材料正极粉中回收二氧化锰的方法与流程

1.本发明涉及电池材料回收领域，具体涉及一种从三元材料正极粉中回收二氧化锰的方法。


背景技术：

2.镍钴锰三元电池是新一代的绿色动力电池，在新能源汽车领域中日益显示出重要作用。镍钴锰三元电池经过5-8年后，容量衰减为80％以下，便成为报废电池，需要进行回收。
3.三元正极材料lini
x
coymnzo2中，co元素防止阳离子混排，ni元素保证了高容量，mn元素保证了稳定结构，电化学性能和热稳定性较好、材料成本低，是理想的三元正极材料。在回收过程中，其中的镍、钴已经有较成熟的方法回收提纯，锰元素往往以废水形式排放，如目前大多数厂家对三元正极材料的回收，一般是采用浸出萃取法，镍和钴以高浓度的硫酸镍、硫酸钴形式提纯，锰则在反杂废水中排出，得不到回收。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种从三元材料正极粉中回收二氧化锰的方法，解决现有技术中三元正极材料中的锰难以回收的技术问题。
5.为达到上述技术目的，本发明的技术方案是：
6.包括以下步骤：
7.(1)将三元材料正极粉与水混合打浆，得到浆料a；
8.(2)再向浆料a中加入浓硫酸和双氧水浸出得到镍钴锰混合溶液，过滤得到浸出液b；
9.(3)将浸出液b用有机萃取剂萃取，得到负载有机相c和萃余水相d；
10.(4)将负载有机相c用稀硫酸进行洗涤和反萃，得到反萃液e；
11.(5)用中和剂调节反萃液e的ph值至4以上，分离得到滤液f；
12.(6)向滤液f中加入硫化物调节ph至5以上，分离得到滤液i；
13.(7)向滤液i中加入碱液和氧化剂，调节ph值至9以上，形成二氧化锰沉淀，分离回收即可。
14.进一步地，步骤(1)中，水采用纯水，三元材料正极粉与纯水的质量比例为1：(2～4)。
15.进一步地，步骤(2)中，浸出温度为85℃～95℃，浸出时间为0.5～1.5h。
16.进一步地，步骤(2)中，双氧水与浆料a的比例为1ml:(9～11)g；浓硫酸与三元材料正极粉的质量比为1:(1～1.5)。
17.进一步地，步骤(3)中，有机萃取剂是p204萃取剂与质量分数32％的液碱溶液混合皂化制得的；浸出液b、p204萃取剂和液碱溶液的体积比为1000：(1800～2200)：(50～80)。
18.进一步地，步骤(4)中，洗涤采用1mol/l的第一稀硫酸，第一稀硫酸与负载有机相c
的体积比为1:(4～6)；反萃采用4mol/l的第二稀硫酸，第二稀硫酸与负载有机相c的体积比为1:(8～12)。
19.进一步地，步骤(5)中，采用质量分数为8％的液碱溶液调节反萃液e的ph值至4～5。
20.进一步地，步骤(6)中，硫化物为硫化钠或者硫化铵，调节ph值5～6。
21.进一步地，步骤(7)中，通入氧气作为氧化剂。
22.进一步地，步骤(7)中，碱液的质量分数为32％；ph值为9.5～10.5。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
24.本发明体系中，先通过酸浸将三元材料正极粉在强酸环境下溶解，得到酸浸液，然后将酸浸液用皂化后的有机萃取剂进行萃取，将镍钴从体系中分离开。萃取剂中剩下的元素为大量锰和其他杂质金属离子，接着用硫酸将萃取剂中的大量锰和其他杂质金属离子洗涤反萃到硫酸溶液中，最后对硫酸溶液进行除杂氧化沉淀，去除金属杂质，得到纯度较高的二氧化锰。本发明方法中，三元材料正极粉经过萃取除杂氧化沉淀后回收得到的二氧化锰，回收率在80％以上，纯度在99％以上，可以在工业上作为原辅料使用。
附图说明
25.图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.参见图1，本发明提供一种从三元材料正极粉中回收高纯度二氧化锰的方法，具体包括以下步骤：
28.(1)、将三元材料正极粉与纯水混合打浆，得到浆料a；
29.(2)再向浆料a中加入浓硫酸和双氧水浸出得到镍钴锰混合溶液，抽滤取滤液，得到浸出液b。
30.(3)、将(2)中浸出液b用有机萃取剂萃取，得到负载有机相c和萃余水相d。
31.(4)、将负载有机相c用稀硫酸进行洗涤和反萃，得到富含锰的反萃液e。
32.(5)、加入中和剂，调节富含锰的反萃液e的ph值，除去铁铝等杂质金属离子，压滤，分离滤渣g，得到除杂后滤液f。
33.(6)、直接向除杂后滤液f中加入硫化物，调节ph，除去滤液f中的铜等杂质，压滤，分离滤渣h，得到除杂后滤液i。
34.(7)、向滤液i中加入浓碱调节ph至9以上，并通入氧气氧化，得到二氧化锰沉淀。
35.本发明在步骤(7)中，将除杂后的反萃液中的锰以二氧化锰沉淀形式回收，锰被氧化为+4价，在碱性环境下以二氧化锰形式沉淀。
36.优选地，步骤(1)中，三元材料正极粉与纯水的质量比例为1：(2～4)，进一步优选为1:(2.5～3.5)。
37.优选地，步骤(2)中，浓硫酸浸出控制温度为85℃以上，优选85℃～95℃；浸出时进
行搅拌，搅拌频率优选为400hz；浸出时间为0.5～1.5h；浸出过程中可加入适量双氧水以促进正极粉溶解，优选双氧水与浆料a的比例为1ml:(9～11)g，进一步优选为1ml:(9.5～10.5)g。三元材料正极粉与浓硫酸(98wt％)的质量比为1:(1～1.5)，进一步优选为1:(1～1.2)。
38.优选地，本发明步骤(3)中，有机萃取剂是p204萃取剂与质量分数32％的液碱溶液混合皂化制得的；浸出液b、p204萃取剂和液碱溶液的体积比为1000：(1800～2200)：(50～80)。
39.本发明在步骤(3)中，负载有机相c内主要含大量锰元素，以及铁铝铜等其他杂质元素，具体地，负载有机相c内主要含10g/l以上锰元素，以及50mg/l以下铁元素，40mg/l以下铝元素，10mg/l以下铜元素。
40.在步骤(3)中，萃余水相d主要含大量镍元素和大量钴元素，几乎不含其他杂质金属元素，具体地，萃余水相d主要含10g/l以上镍元素和10g/l以上钴元素，以及小于1mg/l铁元素，小于1mg/l铝元素，小于1mg/l铜元素。
41.本发明步骤(3)中，能够完成镍钴和锰的分离，且萃余水相d中主要成分为镍钴，其它杂质含量低，利于后续分离提纯镍钴。
42.优选地，步骤(4)中，将负载有机相c用稀硫酸进行洗涤，所用稀硫酸为1mol/l的第一稀硫酸，所用第一稀硫酸与负载有机相c的体积比为1:(4～6)，进一步优选为1：(4.5～5.5)。
43.优选地，步骤(4)中，将负载有机相c洗涤后再用稀硫酸进行反萃，所用稀硫酸为4mol/l的第二稀硫酸，所用第二稀硫酸与负载有机相c的体积比为1:(8～12)，进一步优选为1：(9～11)。
44.优选地，步骤(4)中，得到富含锰的反萃液e，反萃液e中95％以上为锰，其余杂质为铁铝铜，反萃液内主要含10g/l以上锰元素，以及50mg/l以下铁元素，40mg/l以下铝元素，10mg/l以下铜元素。
45.优选地，步骤(5)中，加入中和剂，所用中和剂为质量分数8％的稀液碱溶液。所述的液碱可以用等阳离子量的碳酸钠溶液代替，更优选为其中的一种或两种的混合物。
46.优选地，步骤(5)中，调节富含锰的反萃液ph，除去杂质金属离子，所调节的ph＝4～5，铁铝等杂质金属离子以氢氧化物形式除去。所调节的ph范围更优选为4～4.5，除杂后滤液f中的铁铝含量在1mg/l以下。
47.优选地，步骤(6)中，加入硫化物可以为硫化钠或硫化铵。
48.优选地，步骤(6)中，加入硫化物调节滤液f的ph为5～6，优选为5～5.5，铜等杂质金属离子以硫化物沉淀除去。
49.优选地，步骤(7)中，加入质量分数为32％的浓碱并通入氧气，浓碱为浓氢氧化钠溶液。加入浓碱的ph范围优选为9以上，更进一步优选为9.5～10.5。
50.优选地，本发明采用的正极粉为三元电池正极镍钴锰材料，其分子式为lini
x
coymnzo2，其中，x，y和z均大于0且小于1，且x+y+z＝1。本发明对所述的三元材料正极粉来源没有特殊限制，一般厂家电池的三元材料正极粉即可。
51.本发明提供了一种从三元材料正极粉中回收高纯度二氧化锰的方法，回收率在80％以上，回收得到的二氧化锰纯度在99％以上，可以在工业上作为原辅料使用。
52.下面通过具体的实施例对本发明做进一步详细说明。
53.实施例1
54.本实施例的一种从三元材料正极粉中回收高纯度二氧化锰的方法，包括以下步骤：
55.(1)取300g三元材料正极粉，与900g纯水混合打浆，得到浆料a；
56.(2)再将浆料a加热到85℃，搅拌1小时后，缓慢加入120ml双氧水和300ml浓硫酸，使其完全溶解，抽滤取滤液，得到浸出液b。
57.(3)取2000ml的p204萃取剂与65ml质量分数32％的液碱溶液混合制得钠皂，作为有机萃取剂；然后取1000ml浸出液b，与有机萃取剂混合萃取，直到萃取剂颜色变蓝，萃余液水相颜色变重灰色，得到负载有机相c和萃余水相d。
58.(4)分离出(3)中的负载有机相c 2000ml，用400ml的1mol/l的稀硫酸洗涤，分离出上层萃取剂，再用200ml的4mol/l的稀硫酸反萃，得到反萃液e。
59.(5)取(4)中的反萃液e，用质量分数8％的液碱溶液调至ph＝4，抽滤取上层清液，得到滤液f。
60.(6)取(5)中的滤液f，加入硫化钠调节ph＝5，抽滤取上层清液，得到滤液i。
61.(7)取(6)中的滤液i，加入适量32％的浓碱并通入氧气，将ph调至9.5，搅拌半小时后过滤，滤渣即为二氧化锰。
62.经电感耦合等离子光谱法(icp)分析测定，本实施例1所得二氧化锰滤渣中，镍含量为0.0035％，钴含量为0.0012％，铜含量为0.002％，铁含量为0.005％，铝含量为0.004％，杂质元素含量总量为0.0157％，水分0.5％二氧化锰纯度大于99％。
63.实施例2
64.本实施例的一种从三元材料正极粉中回收高纯度二氧化锰的方法，包括以下步骤：
65.(1)取400g三元材料正极粉，与1200g纯水混合打浆，得到浆料a；
66.(2)再将浆料a加热到85℃，搅拌1小时后，缓慢加入160ml双氧水和400ml浓硫酸，使其完全溶解，抽滤取滤液，得到浸出液b。
67.(3)取2000ml的p204萃取剂与65ml质量分数32％的液碱溶液混合制得钠皂，作为有机萃取剂；然后取1000ml浸出液b，与有机萃取剂混合萃取，直到萃取剂颜色变蓝，萃余液水相颜色变重灰色，得到负载有机相c和萃余水相d。
68.(4)分离出(3)中的负载有机相c 2000ml，用400ml的1mol/l的稀硫酸洗涤，分离上层萃取剂，再用200ml的4mol/l的稀硫酸反萃，得到反萃液e。
69.(5)取(4)中的反萃液e，用质量分数8％的液碱溶液调至ph＝4,抽滤取上层清液，得到滤液f。
70.(6)取(5)中的滤液f，加入硫化钠调节ph＝5，抽滤取上层清液，得到滤液i。
71.(7)取(6)中的滤液i，加入适量32％的浓碱并通入氧气，将ph调至9.5，搅拌半小时后过滤，滤渣即为二氧化锰。
72.经电感耦合等离子光谱法(icp)分析测定，本实施例2所得二氧化锰滤渣中，镍含量为0.0039％，钴含量为0.0013％，铜含量为0.0018％，铁含量为0.006％，铝含量为0.005％，杂质元素含量总量为0.018％，水分含量0.6％，二氧化锰纯度大于99％。
73.实施例3
74.本实施例的一种从三元材料正极粉中回收高纯度二氧化锰的方法，包括以下步骤：
75.(1)取300g三元材料正极粉，与900g纯水混合打浆，得到浆料a；
76.(2)再将浆料a加热到85℃，搅拌1小时后，缓慢加入120ml双氧水和300ml浓硫酸，使其完全溶解，抽滤取滤液，得到浸出液b。
77.(3)取2000ml的p204萃取剂与65ml质量分数32％的液碱溶液混合制得钠皂，作为有机萃取剂；然后取1000ml浸出液b，与有机萃取剂混合萃取，直到萃取剂颜色变蓝，萃余液水相颜色变重灰色，得到负载有机相c和萃余水相d。
78.(4)分离出(3)中的负载有机相c 2000ml，用400ml的1mol/l的稀硫酸洗涤，分离上层萃取剂，再用200ml的4mol/l的稀硫酸反萃，得到反萃液e。
79.(5)取(4)中的反萃液e，用质量分数8％的液碱溶液调至ph＝4.5，抽滤取上层清液，得到滤液f。
80.(6)取(5)中的滤液f，加入硫化物钠调节ph＝5.5，抽滤取上层清液，得到滤液i。
81.(7)取(6)中的滤液i，加入适量32％的浓碱并通入氧气，将ph调至10.5，搅拌半小时后过滤，滤渣即为二氧化锰。
82.经电感耦合等离子光谱法(icp)分析测定，本实施例3所得二氧化锰滤渣中，镍含量为0.0015％，钴含量为0.0005％，铜含量为0.0006％，铁含量为0.0006％，铝含量为0.0008％，杂质元素含量总量为0.0034％，水分含量0.63％，二氧化锰纯度大于99％。
83.实施例4
84.本实施例的一种从三元材料正极粉中回收高纯度二氧化锰的方法，包括以下步骤：
85.(1)取400g三元材料正极粉，与1200g纯水混合打浆，得到浆料a；
86.(2)再将浆料a加热到85℃，搅拌1小时后，缓慢加入160ml双氧水和400ml浓硫酸，使其完全溶解，抽滤取滤液，得到浸出液b。
87.(3)取2000ml的p204萃取剂与65ml质量分数32％的液碱溶液混合制得钠皂，作为有机萃取剂；然后取1000ml浸出液b，与有机萃取剂混合萃取，直到萃取剂颜色变蓝，萃余液水相颜色变重灰色，得到负载有机相c和萃余水相d。
88.(4)分离出(3)中的负载有机相c 2000ml，用400ml的1mol/l的稀硫酸洗涤，分离上层萃取剂，再用200ml的4mol/l的稀硫酸反萃，得到反萃液e。
89.(5)取(4)中的反萃液e，用质量分数8％的液碱溶液调至ph＝4.5,抽滤取上层清液，得到滤液f。
90.(6)取(5)中的滤液f，加入硫化物钠调节ph＝5.5，抽滤取上层清液，得到滤液i。
91.(7)取(6)中的滤液i，加入适量32％的浓碱并通入氧气，将ph调至10.5，搅拌半小时后过滤，滤渣即为二氧化锰。
92.经电感耦合等离子光谱法(icp)分析测定，本实施例4所得二氧化锰滤渣中，镍含量为0.0017％，钴含量为0.0006％，铜含量为0.0008％，铁含量为0.0009％，铝含量为0.001％，杂质元素含量总量为0.005％，水分含量0.67％，二氧化锰纯度大于99％。
93.以下所述是本发明针对实施例的对比例，通过改变或省去实施例的某些重要控制
条件和影响因素，出现了杂质过高，纯度不够等失败现象。通过对比例的实验结果，凸显了本发明方案的优势。
94.对比例1
95.本对比例的一种从三元材料正极粉中回收高纯度二氧化锰的方法，包括以下步骤：
96.(1)取400g三元材料正极粉，与1200g纯水混合打浆，得到浆料a；
97.(2)再将浆料a加热到85℃，搅拌1小时后，缓慢加入160ml双氧水和400ml浓硫酸，使其完全溶解，抽滤取上层滤液，得到浸出液b。
98.(3)取2000ml的p204萃取剂与65ml质量分数32％的液碱溶液混合制得钠皂，作为有机萃取剂；然后取1000ml浸出液b，与有机萃取剂混合萃取，直到萃取剂颜色变蓝，萃余液水相颜色变重灰色，得到负载有机相c和萃余水相d。
99.(4)分离出(3)中的负载有机相c 2000ml，用400ml的1mol/l的稀硫酸洗涤，分离上层萃取剂，再用200ml的4mol/l的稀硫酸反萃，得到反萃液e。
100.(5)取(4)中的反萃液e，用质量分数8％的液碱溶液调至ph＝3，抽滤取上层清液，得到滤液f。
101.(6)取(5)中的滤液f，加入硫化物钠调节ph＝4，抽滤取上层清液，得到滤液i。
102.(7)取(6)中的滤液i，加入适量32％的浓碱并通入氧气，将ph调至10.5，搅拌半小时后过滤，滤渣即为二氧化锰。
103.经电感耦合等离子光谱法(icp)分析测定，本实施例1所得二氧化锰滤渣中，镍含量为0.0028％，钴含量为0.0029％，铜含量为0.71％，铁含量为0.61％，铝含量为0.83％，杂质元素含量总量为2.1557％，高于1％，水分含量0.83％，二氧化锰纯度低于目标要求99％。
104.对比例2
105.本对比例的一种从三元材料正极粉中回收高纯度二氧化锰的方法，包括以下步骤：
106.(1)取400g三元材料正极粉，与1200g纯水混合打浆，得到浆料a；
107.(2)再将浆料a加热到85℃，搅拌1小时后，缓慢加入160ml双氧水和400ml浓硫酸，使其完全溶解，抽滤取上层滤液，得到浸出液b。
108.(3)取2000ml的p204萃取剂与65ml质量分数32％的液碱溶液混合钠皂，作为有机萃取剂；然后取1000ml浸出液b，与有机萃取剂混合萃取，直到萃取剂颜色变蓝，萃余液水相颜色变重灰色，得到负载有机相c和萃余水相d。
109.(4)分离出(3)中的负载有机相c 2000ml，用400ml的1mol/l的稀硫酸洗涤，分离上层萃取剂，再用200ml的4mol/l的稀硫酸反萃，得到反萃液e。
110.(5)取(4)中的反萃液e，加入适量32％的浓碱并通入氧气，将ph调至10.5，搅拌半小时后过滤，滤渣即为二氧化锰。
111.经电感耦合等离子光谱法(icp)分析测定，本实施例1所得二氧化锰滤渣中，镍含量为0.0096％，钴含量为0.0047％，铜含量为3.44％，铁含量为2.32％，铝含量为4.03％，杂质元素含量总量为9.8043％，水分含量0.78％，远高于1％，二氧化锰纯度低于目标要求(未除杂的粗制二氧化锰)。
112.将本发明各实施例及对比例的主要参数条件以及测试结果进行统计，如下表1和
表2所示。
113.表1本发明实施例1-4和对比例1-2的主要参数条件
[0114][0115]
表2本发明实施例1-4和对比例1-2的主要测试结果
[0116]
杂质含量锰回收率/％镍/％钴/％铜/％铁/％铝/％总量/％实施例183.30.00350.00120.0020.0050.0040.0157实施例282.50.00390.00130.00180.0060.0050.018实施例385.70.00150.00050.00060.00060.00080.004实施例485.00.00170.00060.00080.00090.0010.0050对比例187.30.00280.00290.710.610.832.1557对比例289.40.00960.00473.442.324.039.8043
[0117]
作用机理
[0118]
由上表1和表2可知，实施例中，先通过酸浸将三元材料正极粉在强酸环境下溶解，得到酸浸液，然后将酸浸液用皂化后的有机萃取剂进行萃取，将镍钴从体系中分离开。萃取剂中剩下的元素为大量锰和其他杂质金属离子，接着用硫酸将萃取剂中的大量锰和其他杂质金属离子洗涤反萃到硫酸溶液中，最后对硫酸溶液进行除杂氧化沉淀，去除金属杂质，得到纯度较高的(99.35％～99.77％)二氧化锰。对比例中，由于除杂过程没有控制ph(对比例1)，或者没有提前加低浓度的液碱及没有用硫化物除铜(对比例2)，导致杂质金属离子无法除尽，二氧化锰的纯度达不到99％，除杂效果不好。
[0119]
同时，由实施例1-4的测试结果可知，本发明各实施例对铜的去除效果均表现为优异，在参数条件不同时，对其它杂质的去除效果差异较大；本发明通过综合控制镍钴锰混合溶液的杂质含量、有机相和水相的体积比、洗涤酸和反萃酸的浓度、洗涤酸和反萃酸的体积、反萃液的ph、反萃液的杂质金属含量，加入氧化剂和浓碱的体积比等反应参数，进而使得该回收过程中锰元素以高纯度的二氧化锰形式回收；本发明可以控制二氧化锰中的杂质总含量在0.004％～0.018％。
[0120]
由实施例2、实施例4以及对比例1可知，本发明最优选的ph值控制条件为滤液f控制ph在4.5，滤液i控制ph在5.5，最后通氧气控制ph在10.5时效果最好。
[0121]
实施例3相对实施例4加入的三元材料正极粉有所降低，在其与纯水、双氧水和浓
硫酸用量比例相同的前提下，能够进一步降低最终产物中的杂质含量，表明其它步骤条件如萃取剂、液碱、洗涤、反萃等也起到了降低杂质含量的效果，特别是对镍、钴、铁、铝、铜的降低，本发明整体步骤能够产生协同增效的作用。
[0122]
本发明公开了一种从镍钴锰三元材料正极粉(主要成分镍钴锰酸锂)中回收提纯二氧化锰的方法，对三元材料正极粉中的锰进行单独回收，经过萃取除杂氧化沉淀后将锰与镍钴分离，得到高纯度的锰化合物，本发明回收锰的主要形式为+4价的二氧化锰，纯度达到99％以上，回收率达到80％以上。
[0123]
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。