廢電池的回收和綜合利用_化學論文

1、一、常用電池介紹在科技高速發(fā)展的今天,電子器械和各種便攜設備日益普及,電池在生產(chǎn)生活中的地位和作用與日俱增,其使用量亦隨之大幅度上升。以干電池為例,目前全世界的年總產(chǎn)量為250億只,我國是世界電池第一生產(chǎn)大國,占全世界電池總量的二分之一左右。據(jù)統(tǒng)計,1998年我國電池年總產(chǎn)量已達140億只。電池在制造過程中耗用了大量的金屬,Z n,Mn,Cu,Pb,Cd,Hg,Ni等(見表1。電池用完后,其大多數(shù)成分仍以各種形式保留在電池中,如果把廢電池當作垃圾丟棄,一方面,其中的Hg,Pb,Cd等金屬都是環(huán)境保護所嚴格限制的物質(zhì),泄漏到環(huán)境中,會造成嚴重的污染;另一方面,這些有用的金屬資源就被白白浪費了。據(jù)

2、報道,我國干電池生產(chǎn)年消耗鋅接近25萬噸,約為年鋅總產(chǎn)量的15%左右,其資源價值十分可觀。另外,信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,產(chǎn)生了大量的電子廢棄物,僅全國手機和免提電話每年淘汰的廢電池就達千噸之多。其中大量的廢鎳鎘電池、鋰電池回收利用價值很大。表1常用電池介紹電池品種電池表達式原電池鋅錳干電池Zn| NH4Cl,ZnCl2|MnO2堿性鋅錳干電池Zn|KOH|MnO2鋅-銀電池Z n|KOH|Ag2O鋰電池Li|MnO2,Li|CF2鋅-汞電池Zn|KOH|Hg O蓄電池鉛酸蓄電池Pb|H2S O4|PbO2鎳-鎘蓄電池Cd|KOH|NiOOH鎳-金屬氫化物電池Ni(OH2|KOH|M(H鋅-氧化銀電

3、池Zn|KOH|Ag2 O鋅-空氣電池Zn|KOH|O2由于資源緊張和治理環(huán)境的需要,世界各國都對廢電池的回收利用予以高度的重視,廢電池的管理刻不容緩,如何使廢電池資源化和無害化已迫在眉睫。近年來,隨著人們環(huán)保意識的日益加強,一些大中城市開始回收廢電池,在商場、居民區(qū)、學校等處設立廢電池回收箱,已初見成效,但尚屬起步。1999年在清華大學召開的“廢電池環(huán)境管理研討會”上呼吁國家應盡快出臺相應的法規(guī)、政策以規(guī)范管理。國家環(huán)?？偩衷星迦A大學調(diào)查國內(nèi)廢電池的產(chǎn)量、流向及種類,為制定有關政策作準備。二、廢電池回收利用技術(shù)簡介1.鋅錳干電池1.1 濕法冶金法該法基于Zn,MnO2可溶于酸的原理,將電

4、池中的Zn,MnO2與酸作用生成可溶性鹽進入溶液,溶液經(jīng)過凈化后電解生產(chǎn)金屬鋅和電解MnO2或生產(chǎn)其它化工產(chǎn)品、化肥等。濕法冶金又分為焙燒浸出法和直接浸出法。焙燒浸出法是將廢電池焙燒,使其中的氯化銨、氯化亞汞等揮發(fā)成氣相并分別在冷凝裝置中回收,高價金屬氧化物被還原成低價氧化物,焙燒產(chǎn)物用酸浸出,然后從浸出液中用電解法回收金屬,焙燒過程中發(fā)生的主要反應為:MeO+CMe+COA(sA(g浸出過程發(fā)生的主要反應:Me+2H+=Me2+H2M e O+2H+=Me2+H2O電解時,陰極主要反應:Me2+2e-=Me直接浸出法是將廢干電池破碎、篩分、洗滌后,直接用酸浸出其中的鋅、錳等金屬成分,經(jīng)過濾,

5、濾液凈化后,從中提取金屬并生產(chǎn)化工產(chǎn)品。反應式為:MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2H2OMnO2+2HCl=MnCl2+H2OMn2O3+6HCl2=MnCl2+Cl2+3H2OMnCl2+NaOH=Mn(OH2+2NaClMn(OH2+氧化劑MnO2+2HCl電池中的Zn以ZnO的形式回收,反應式如下:Zn2+2OH-ZnO2-Zn(OH2(無定型膠體ZnO(結(jié)晶體 +H2O1.2 常壓冶金法該法是在高溫下使廢電池中的金屬及其化合物氧化、還原、分解和揮發(fā)以及冷凝的過程。方法一:在較低的溫度下,加熱廢干電池,先使汞揮發(fā),然后在較高的溫度下回收鋅和其它重金屬。方法二:先在高溫下焙燒,使

6、其中的易揮發(fā)金屬及其氧化物揮發(fā),殘留物作為冶金中間產(chǎn)品或另行處理。濕法冶金和常壓治金處理廢電池,在技術(shù)上較為成熟,但都具有流程長、污染源多、投資和消耗高、綜合效益低的共同缺點。1996年,日本TDK公司對再生工藝作了大膽的改革,變回收單項金屬為回收做磁性材料。這種做法簡化了分離工序,使成本大大降低,從而大幅度提高了干電池再生利用的效益。近年來,人們又開始嘗試研究開發(fā)一種新的冶金法真空冶金法:基于廢電池各組分在同一溫度下具有不同的蒸氣壓,在真空中通過蒸發(fā)與冷凝,使其分別在不同溫度下相互分離從而實現(xiàn)綜合利用和回收。由于是在真空中進行,大氣沒有參與作業(yè),故減小了污染。雖然目前對真空冶金法的研究尚少,

7、且還缺乏相應的經(jīng)濟指標,但它明顯克服了濕法冶金法和常壓冶金法的一些缺點,因而必將成為一種很有前途的方法。2.鎳鎘電池Ni-Cd電池含有大量的Ni,Cd和Fe,其中Ni是鋼鐵、電器、有色合金、電鍍等方面的重要原料。Cd是電池、顏料和合金等方面用的稀有金屬,又是有毒重金屬,故日本較早即開展了廢鎳隔電池再生利用的研究開發(fā),其工藝也有干法和濕法兩種。干法主要利用鎘及其氧化物蒸氣壓高的特點,在高溫下使鎘蒸發(fā)而與鎳分離。濕法則是將廢電池破碎后,一并用硫酸浸出后再用H2S分離出鎘。3.鉛蓄電池鉛蓄電池的體積較大而且鉛的毒性較強,所以在各類電池中,最早進行回收利用,故其工藝也較為完善并在不斷發(fā)展中。在廢鉛蓄電

8、池的回收技術(shù)中,泥渣的處理是關鍵,廢鉛蓄電池的泥渣物相主要是PbS O4,PbO2,PbO,Pb等。其中PbO2是主要成分,它在正極填料和混合填料中所占重量為41%46%和24%28%。因此,PbO2還原效果對整個回收技術(shù)具有重要的影響,其還原工藝有火法和濕法兩種?；鸱ㄊ菍bO2與泥渣中的其它組分PbSO4,Pb O等一同在冶金爐中還原冶煉成Pb。但由于產(chǎn)生SO2和高溫Pb塵第二次污染物,且能耗高,利用率低,故將會逐步被淘汰。濕法是在溶液條件下加入還原劑使PbO2還原轉(zhuǎn)化為低價態(tài)的鉛化合物。已嘗試過的還原劑有許多種。其中,以硫酸溶液中FeSO4還原P bO2法較為理想,并具有工業(yè)應用價值。硫

9、酸溶液中FeSO4還原PbO2,還原過程可用下式表示:PbO2(固+2FeSO4(液+2H2SO4(液=PbSO4(固+Fe2(S O43(液+2H2O此法還原過程穩(wěn)定,速度快,還可使泥渣中的金屬鉛完全轉(zhuǎn)化,并有利于PbO2的還原:Pb(固+Fe2(SO43(液=PbSO4(固+2FeSO4(液Pb(固+PbO(固+2H2SO4(液=2PbSO4(固+2H2O還原劑可利用鋼鐵酸洗廢水配制,以廢治廢。Ni-MH電池、新型的鋰離子電池隨著近年手持電話和電子設備的發(fā)展得到了大量的應用。在日本,Ni-MH電池的產(chǎn)量,1992年達1800萬只,1993年達7000萬只,到2000年已占市場份額的近50%

10、?？梢灶A計,在不久的將來,將會有大量的廢Ni-MH電池產(chǎn)生。這些廢Ni-MH電池的正、負極材料中含有許多有用金屬,如鎳、鈷、稀土等。因此,回收Ni-MH電池是十分有益的,有關它們的再生利用技術(shù)亦在積極開發(fā)中?？萍加绕涫切畔⒓夹g(shù)的發(fā)展,使得世界對電池的需求只會增多而不會減少,隨之造成的電池污染和天然能源的消耗也將大大增加。各種回收利用技術(shù)雖日臻完善但畢竟治標不治本。因此科學家們提出了發(fā)展有利于環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展的新型綠色環(huán)保電池。新型綠色環(huán)保電池是指近年來已投入使用或正在研制開發(fā)的一類高性能、無污染的電池。目前已經(jīng)大量使用的金屬氫化物鎳蓄電池、鋰離子蓄電池、正在推廣應用的無汞堿性鋅錳原電池和可充電電池都屬于這一范疇;正在研制開發(fā)的聚合物鋰或鋰離子蓄電池、燃料電池、電化學貯能超級電容器等也可列入這一范疇。從普萊德發(fā)明第一只鉛蓄電池以來,化學電池已經(jīng)有了140年的歷史,其家族也日益壯大。但是,大量生產(chǎn)電池而造成的資源消耗和廢電池所帶來的環(huán)境污染也是有目共睹的。早在1992年,巴西召開的世界環(huán)境發(fā)展大會上通過的21世紀議程中就已明確提出了可持續(xù)發(fā)展的方針。與地球和諧相處,走保護環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的道路,是工業(yè)發(fā)展的大勢所趨。加強廢電池的環(huán)境管理:出臺相應的法規(guī)政策并