用于回收废旧锂离子电池中贵金属钴的螯合剂的合成及其性能研究

论文摘要

锂离子电池广泛用于手机、相机、笔记本电脑等数码电器。2005年我国手机更换量已达到1.2亿只,预计我国在2005年预计需要1200-1800t。而中国钴资源贫乏,已探明的多属于伴生矿,品味较低,每年都需要大量进口钴资源,因此回收废旧锂离子电池中的钴具有重要意义。目前处理废旧锂离子电池中钴的方法主要有浮选法、化学沉淀法、溶剂萃取法、电还原法、萃取法以及离子交换/螯合法。近年来,螯合法由于其稳定性以及可循环使用能力成为广泛研究的热点。S元素由于其特殊的外层电子结构,能与过渡区金属元素有效地结合,本文利用此特点,以对甲基苯硫酚为原料,在巯基的邻位引入不同官能团,合成一系列螯合剂用于回收废旧锂离子电池中的Co的研究,期待研究出有实际应用价值的回收钴的螯合剂。以对甲基苯硫酚为原料,在二氯甲烷与乙醇的混合溶液中进行硝化反应,合成4-甲基-2-硝基硫酚。研究表明:当反应物浓硝酸与对甲基苯硫酚的物质的量比为4:1,反应温度为15℃,反应时间为3h时,产率达48.5%;使用不同质量的产物与5ml含钴离子1681mg/L的废旧锂电池浸出液进行螯合实验时,螯合剂用量为0.30g时螯合率达98.7%;使用8mol/L的HCl溶液对螯合物进行解吸附,钴离子释放率达到83.6%。为了改善螯合剂的亲水性,使用锌粉还原法将4-甲基-2-硝基硫酚还原成4-甲基-2-氨基硫酚。最佳反应条件如下:当锌粉与硝基化合物的物质的量比为4∶1,乙醇与水的比例为7∶3、总体积为15 ml,温度为80℃时,产率为最高值76.2%。用5 mlρCo2+ = 1194 mg/L的废旧锂离子电池浸出液进行螯合实验,螯合剂用量为0.25 g时的螯合率为98.5%;用1 mol/L HCl对螯合物进行解吸附,Co2+释放率为96.7%。4-甲基-2-氨基硫酚化学性质不稳定,易被氧化,且由于氨基的弱碱性,在解吸附过程中易与酸反应成盐,而溶于解析液中。于是我们使用重氮化实验将4-甲基-2-氨基硫酚转变为4-甲基-2-羟基硫酚。当NaNO2与4-甲基-2-氨基硫酚的摩尔比为2.10:1,硫酸浓度为3mol/L,反应温度为3℃时,水解时硫酸最佳浓度为6mol/L,4-甲基-2-羟基硫酚的产率为71.2%,4-甲基-2-羟基硫酚的产率为71.2%。当4-甲基-2-氨基硫酚的用量为0.25g时,对5ml钴离子浓度为1194mg/L的溶液进行螯合,螯合率达到最佳为98.6%。使用25ml浓度为6mol/L的HCl溶液对沉淀进行解吸附,最大解吸附率为84.3%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1 废旧锂离子电池现状
• 2 废旧锂离子电池处理方法的研究进展
• 2.1 浮选法
• 2.2 化学沉淀法
• 2.3 溶剂萃取法
• 2.4 电还原法
• 2.5 生物法
• 2.5.1 生物细菌处理
• 2.5.2 藻类治理法
• 2.5.3 植物类处理方法
• 2.6 离子交换/螯合法
• 2.6.1 载体承载
• 2.6.2 离子交换/螯合树脂的研究
• 3 重金属离子螯合研究进展
• 3.1 不同官能团螯合剂研究进展
• 3.1.1 含氧螯合剂的研究
• 3.1.2 含氮螯合剂的研究
• 3.1.3 含磷螯合剂的研究
• 3.2 含硫螯合剂的研究进展
• 3.2.1 小分子含硫螯合剂的研究
• 3.2.2 高分子含S 螯合剂的研究进展
• 3.2.2.1 高分子含S 螯合剂的处理效果
• 3.2.2.2 高分子含S 螯合剂的螯合机理
• 4 本论文的研究目的与思路
• 4.1 研究目的
• 4.2 研究思路
• 第二章 试验仪器、试剂和分析方法
• 2.1 主要试剂
• 2.2 主要仪器设备
• 2.3 试验分析方法
• 2.3.1 产物表征
• 2.3.2 Co2+ 离子浓度测定
• 第三章 4-甲基-2-硝基硫酚的合成及吸附性能研究
• 3.1 实验原理
• 3.1.1 钴离子浸出液的制备
• 3.1.2 4-甲基-2-硝基硫酚的合成
• 3.1.3 4-甲基-2-硝基硫酚对钴离子螯合研究
• 3.1.4 4-甲基-2-硝基硫酚与钴离子的螯合物解吸附研究
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 产物的表征
• 3.2.2 反应物比例对硝化产率的影响
• 3.2.3 温度对硝化产率的影响
• 3.2.4 反应时间对硝化产率的影响
• 3.2.5 4-甲基-2-硝基硫酚最佳合成条件
• 3.2.6 4-甲基-2-硝基硫酚的吸附效果
• 3.2.7 解吸附性能研究
• 3.3 小结
• 第四章 4-甲基-2-氨基硫酚的合成及吸附性能研究
• 4.1 实验原理
• 4.1.1 钴离子浸出液的制备
• 4.1.2 4-甲基-2-氨基硫酚的合成
• 4.1.3 氨基含量的测定
• 4.1.4 4-甲基-2-氨基硫酚的螯合性能研究
• 4.1.5 4-甲基-2-氨基硫酚的解吸附研究
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 产物的表征
• 4.2.2 反应物配比与产率之间的关系
• 4.2.3 乙醇与水的体积比与产率之间的关系
• 4.2.4 温度与产率之间的关系
• 4.2.5 4-甲基-2-氨基硫酚最佳合成条件
• 4.2.6 螯合性能研究
• 4.2.7 解吸附性能研究
• 4.3 小结
• 第五章 4-甲基-2-羟基硫酚的合成及吸附性能研究
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 钴离子浸出液的制备
• 5.1.2 4-甲基-2-羟基硫酚的合成
• 5.1.3 4-甲基-2-羟基硫酚的螯合性能研究
• 5.1.4 4-甲基-2-氨基硫酚的解吸附研究
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 产物表征
• 5.2.2 重氮化正交化实验
• 5.2.3 反应物比例对重氮化的影响
• 5.2.4 水解时硫酸浓度的影响
• 5.2.5 螯合性能研究
• 5.2.6 解吸附性能研究
• 5.3 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录： 攻读学位期间发表论文和申请专利情况
• 论文摘要