废旧镍镉、镍氢电池中有价值金属的回收研究

论文摘要

废旧电池含有毒有害物质及有价值金属元素,有效安全处置与回收废旧电池中有价值金属,不但可以解决目前因废旧电池所造成的环境污染问题,还可以实现资源循环利用,对我国经济、社会和环境可持续发展及再生资源回收利用具有重要意义。然而,目前缺少低成本、环境友好的废旧电池处理与资源化技术,致使废旧电池难以得到安全的处置与高效资源化。本论文基于循环经济的理念及“减量化、再利用、资源化”的原则,以废旧镍镉和镍氢电池为研究对象,首先对废旧镍镉、镍氢电池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目标金属,并根据废旧镍镉、镍氢电池的物质组成及镉的易挥发性及铁、镍、钴与其它金属间的磁性强弱的差异,提出破碎、真空蒸馏和磁选工艺结合处理废旧镍镉、镍氢电池的新方法。本论文从废旧镍镉、镍氢电池中各金属组元的真空蒸馏分离热力学、动力学角度出发,研究了真空蒸馏分离镉的原理与机制及主要金属元素的真空蒸馏分离规律,并以此作为理论依据,优化真空蒸馏工艺参数,使有害金属镉得到回收。基于金属间的磁性强弱的差异,本论文采用磁选工艺进一步分离与提纯真空蒸馏后的残余物,对废旧镍镉、镍氢电池中铁、镍、钴的磁选分离机理与规律进行研究,以达到对铁、镍和钴这些有价值金属进行回收的目的。基于废镍镉、镍氢电池各组分在同一温度下具有不同的蒸气压,通过真空蒸馏分离工艺,将镉等低熔点高蒸气压金属从混合金属中分离,本文以2/3AA型号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和动力学、氧化-还原反应机理及蒸发-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到氧化物到单质到蒸气形态的转化。拆解和破碎过程中,有些塑料及纤维没有被分离,而是粘附着电极材料,在真空蒸馏过程中这些塑料及纤维会随着加热温度的升高而发生热解,产生一氧化碳,还原系统中的氧化物。L16（44）正交实验结果表明:真空蒸馏分离可以将镉从不同品牌和形状的镍镉电池中有效回收。在0.1～3.1 Pa的动态压强,1073 K加热温度,2.5小时加热时间,2 wt%活性炭加入量条件下,五种不同品牌、型号和形状的废旧镍镉电池中镉的回收率超过99.5%,回收的镉的纯度超过99%。基于废旧镍镉、镍氢电池中各金属元素的磁性差异,本文通过磁力分选工艺,在不均匀的磁场中,将铁、镍、钴等磁性金属从真空蒸馏后残余物中分离。磁选实验表明,滚径为0.16米的磁选机,在线速度为0.25-0.5 m/s,颗粒粒径在0.5-2毫米范围内时,磁选的分选效果及回收产物的品质均较好,回收率超过97%以上。磁选工艺使真空冶金后镍镉、镍氢电池的残余物得到进一步分离与提纯,该工艺使真空蒸馏工艺变得更简单、更高效,并且有助于金属的进一步分选和回收。环境效益评估结果表明,采用真空蒸馏分离工艺和机械-物理工艺处理废旧镍镉、镍氢电池,电池中的主要金属成分,尤其是毒性较强、含量较多的镉和镍,被转化为可重复利用的产品,该工艺减轻了镉和镍对环境的危害。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、镍氢电池可以带来一定的经济利益,因此,破碎、真空蒸馏和磁选工艺结合处理废旧镍镉、镍氢电池是一种环境友好、经济可行的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 废旧电池的环境问题与资源化价值
• 1.2.1 废旧电池的主要污染物及释放途径
• 1.2.2 废旧电池对人类和环境的伤害效应
• 1.2.3 废旧电池的资源化价值
• 1.3 废旧电池回收技术研究进展
• 1.3.1 我国废旧电池的处理面临的主要问题
• 1.3.2 废旧镍镉、镍氢电池处理技术研究进展
• 1.3.2.1 湿法冶金
• 1.3.2.2 生物冶金法
• 1.3.2.3 火法冶金法
• 1.3.2.4 机械-物理法
• 1.4 课题主要研究内容与目标
• 1.4.1 课题研究目的与意义
• 1.4.2 课题主要研究内容
• 第二章 技术路线与研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验原料
• 2.3 实验仪器
• 2.3.1 分析检测仪器
• 2.3.2 分选设备
• 2.3.2.1 真空设备
• 2.3.2.2 磁选设备
• 2.4 课题技术路线与研究方法
• 2.4.1 拆解
• 2.4.2 破碎
• 2.4.3 物料分类
• 2.4.4 真空蒸馏
• 2.4.4.1 单因素实验
• 2.4.4.2 正交实验设计
• 2.4.5 磁选
• 2.4.6 环境评估和经济分析
• 第三章 废旧镍镉、镍氢电池的组分分析
• 3.1 引言
• 3.2 废旧镍镉、镍氢电池电极材料的物理性质
• 3.3 废旧镍镉、镍氢电池电极材料的微观结构
• 3.4 废旧镍镉、镍氢电池电极材料的物相鉴定
• 3.5 废旧镍镉、镍氢电池的物质组成分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 真空蒸馏分离镉的原理与机制
• 4.1 引言
• 4.2 各金属组元的真空蒸馏分离热力学研究
• 4.2.1 金属元素在真空高温下分离的可行性判据
• 4.2.2 化合物在真空中热碳还原机理
• 4.3 各金属组元的真空蒸馏分离动力学研究
• 4.3.1 压强对真空蒸馏分离镉蒸发速率的影响
• 4.4 真空蒸馏分离镉单因素实验设计
• 4.4.1 各因素对真空蒸馏分离镉的影响
• 4.4.2 真空蒸馏回收产品及残余物的分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 废旧镍镉电池中主要金属元素的真空蒸馏分离规律
• 5.1 引言
• 5.2 废旧镍镉电池主要金属元素的真空蒸馏分离规律及在高温条件下行为研究
• 5.2.1 真空蒸馏分离镉的温度、压强变化规律
• 5.2.2 真空蒸馏分离镉的正交实验设计
• 5.2.3 废旧镍镉电池中镉的蒸发规律
• 5.2.4 废旧镍镉电池中主要金属元素在不同加热时间条件下行为研究
• 5.2.5 废旧镍镉电池中主要金属元素在不同料层厚度及活性炭粉末添加量条件下行为研究
• 5.2.6 方差分析和假设检验模型与参数估计
• 5.2.7 真空蒸馏分离镉最佳工艺参数及其验证
• 5.3 冷凝系统的设计
• 5.3.1 镉的冷凝相的状态
• 5.3.2 冷凝方式和冷凝器形式的确定
• 5.4 本章小结
• 第六章 废旧镍镉、镍氢电池中铁、镍、钴的磁选分离机理与规律
• 6.1 引言
• 6.2 磁选分离机理分析
• 6.2.1 磁选分离原理
• 6.2.2 磁力分选铁、镍、钴的可行性判据
• 6.3 废旧镍镉、镍氢电池中铁、镍、钴的磁选分离规律
• 6.3.1 废旧镍镉、镍氢电池中铁、镍、钴的磁选分离规律
• 6.3.2 废旧镍镉、镍氢电池机磁选工艺物料衡算
• 6.4 磁选工艺对真空蒸馏工艺的影响
• 6.4.1 磁选工艺各金属的回收率
• 6.4.2 磁选工艺对真空蒸馏工艺的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 环境效益评估及经济分析
• 7.1 引言
• 7.2 环境效益评估
• 7.3 经济分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 创新点
• 8.3 建议与展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及获奖情况