從鎳氫電池正極酸浸液中萃取分離鎳鈷

田 磊，常卿卿，李紅超，歐陽成

（江西理工大學冶金與化學工程學院，江西贛州 341000）

鎳氫電池正極材料中的有價金屬元素主要是Ni和Co，二者質量分數之和可達70%，無論從經濟角度，還是從資源回收角度考慮，從鎳氫電池正極材料中分離回收有價金屬都具有重要意義。但由于鎳、鈷性質十分相近，二者分離一直是難以解決的重要問題［1－3］。

針對鎳氫電池正極材料的特性，在硫酸體系中，以Cyanex272作萃取劑，研究了從鎳氫電池正極酸浸液中分離鎳和鈷。

1 試驗設備、試劑、機制與方法

1.1 試劑與儀器

經黃鈉鐵礬法除鐵和P204深度除雜后，鎳氫電池正極酸浸液中的鎳、鈷質量濃度分別為34.57 g／L和3.12g／L，其他雜質質量濃度可忽略［4］。

所用試劑有Cyanex272，磺化煤油，氫氧化鈉溶液。

所用儀器有分液漏斗，量筒，玻璃棒，燒杯，ICP分析檢測儀，pH值檢測儀。

1.2 鎳、鈷分離機制［5－8］

Cyanex272系酸性有機膦類萃取劑，與鎳、鈷等金屬離子的反應都屬于陽離子交換反應，其分子中的POOH基上的H可被金屬離子取代，這與P204和P507的結構類似，但與P204結構上的細小差異（較P204少一個氧原子）導致鈷、鎳曲線之間距離較大。如不考慮分子間的離解、締合等因素，則萃取反應方程式可以簡寫為

Cyanex272對鈷的萃取能力大于對鎳的萃取能力，不同pH下的萃取曲線如圖1所示。

圖1 Cyanex272對鈷、鎳的萃取率與平衡pH的關系曲線（硫酸鹽）

1.3 試驗方法

按不同比例配制Cyanex272和磺化煤油的混合液，進行單因素萃取試驗，確定最優萃取參數。

2 試驗結果與討論

2.1 Cyanex272體積分數對鎳、鈷萃取率的影響

在5%～17%范圍內考察萃取劑Cyanex272用量對鎳、鈷萃取率的影響。其他條件為：pH＝5，Vo∶Va＝1∶1，有機相皂化率70%，萃取時間4min，溫度25℃。萃取劑體積分數對鎳、鈷萃取率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 Cyanex272體積分數對鎳鈷萃取率的影響

由圖2可見：隨Cyanex272體積分數增大，鎳、鈷萃取率都有所增大，鈷萃取率由90.1%增至95.8%，Ni萃取率由0.9%增至2.0%；但增幅都不明顯。Cyanex272用量提高，成本也會增加，所以，確定萃取劑Cyanex272用量以8%為宜。

2.2 有機相皂化率對鎳、鈷萃取率的影響

用氫氧化鈉溶液對萃取劑Cyanex272進行皂化，不同皂化率條件下體系的流動性見表1。

表1 不同皂化率條件下體系的流動性

在60%～80%范圍內考察皂化率對鎳、鈷萃取率的影響。其他試驗條件為：萃取劑8%Cyanex272＋92%煤油，pH＝5，Vo∶Va＝1∶1，萃取時間4min，溫度25℃。試驗結果如圖3所示。

圖3 有機相皂化率對鎳鈷萃取率的影響

從圖3看出：隨有機相皂化率由60%增加到75%，鎳、鈷萃取率相應增大；但皂化率繼續增大，鎳、鈷萃取率都有所下降；皂化率在60%～80%范圍內，Co萃取率保持在85%～92%，Ni萃取率則穩定在1%左右。但皂化率達到80%左右時，體系流動性變差，兩相分離效果較差，綜合考慮，確定體系皂化率以70%為宜。

2.3 相比對鎳、鈷萃取率的影響

在1∶1～4∶1范圍內考察相比對鎳、鈷萃取率的影響，其他試驗條件為：8%Cyanex272＋92%煤油，pH＝5，有機相皂化率70%，時間4 min，溫度25℃。試驗結果表明，隨相比增大，鎳、鈷萃取率增大，但增幅都不大。為了保證金屬Co的純度和提高金屬Ni的收率，雖然相比為1∶1時的萃取率相對較低，但可以通過增加萃取級數來保證金屬Co和Ni的萃取率，所以確定適宜的相比為1∶1。

2.4 萃取時間對鎳、鈷萃取率的影響

在1～5min范圍內考察萃取時間對鎳、鈷萃取率的影響。其他試驗條件為：8%Cyanex272＋92%煤油，pH＝5，有機相皂化率70%，Vo∶Va＝1∶1，溫度25℃。萃取時間對鎳、鈷萃取率的影響如圖4所示。

圖4 萃取時間對鎳鈷萃取率的影響

從圖4看出，萃取3min，反應接近平衡，之后鎳、鈷萃取率變化不大，鈷萃取率在90%左右。試驗確定適宜的萃取時間為3min。

2.5 pH對鎳、鈷萃取率的影響

由圖1看出，萃取分離鎳、鈷的最佳pH應該在4～6之間，所以，在4～6范圍內考察pH對鎳、鈷萃取率的影響。其他試驗條件為：8%Cyanex272＋92%煤油，有機相皂化率70%，相比Vo∶Va＝1∶1，時間3min，溫度25℃。試驗結果如圖5所示。從圖5看出：隨pH升高，鎳、鈷萃取率增大；pH＝5.0時，Co萃取率達90%左右，Ni萃取率只有1%左右；pH增大到6.0時，Ni萃取率迅速升高。由此，確定最佳pH為5.0。

圖5 pH對鎳、鈷萃取率的影響

2.6 正交試驗

為了驗證條件試驗結果，確定最佳萃取條件，進行了3因素3水平L9（3）正交試驗。試驗條件及結果見表2。

表2 正交試驗條件及結果

從表2看出：3個因素的影響次序為pH＞Cyanex272體積分數＞有機相皂化率；最佳條件為pH＝5.0，Cyanex272體積分數為8%，有機相皂化率為70%。最佳條件下充分攪拌后再靜置2 min，鈷萃取率在90%左右，鎳萃取率1%左右。

3 結論

基于單因素試驗和正交試驗結果，確定用Cyanex272從鎳氫電池正極酸浸液中萃取分離鎳鈷較優的工藝條件為：萃取劑8%Cyanex272＋92%煤油，pH＝5.0，有機相皂化率70%，Vo∶Va＝1∶1，時間3min，溫度25℃。最優工藝條件下，鎳、鈷分離效果良好，鈷萃取率達90%左右，鎳萃取率只有1%左右，工藝穩定，鎳、鈷分離效果較好。

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