铜渣贫化过程协同处理废旧钴酸锂离子电池回收铜钴铁的研究

【摘要】：全球约80%的铜由火法工艺生产,火法工艺产出的大量铜渣往往采用缓冷浮选法及火法还原贫化法进行贫化,缓冷浮选过程中无法充分利用热态铜熔渣的热量、电炉贫化工艺需消耗大量碳质还原剂。与此同时,锂离子电池火法回收处理需要高温环境和还原剂。因此,本论文以转炉铜渣与废旧钴酸锂离子电池为研究对象,以废旧钴酸锂离子电池中碳/铝组元作为还原剂,采用电炉贫化方式,进行实验验证,开展铜渣贫化协同处理废旧锂离子电池回收铜钴铁等金属的研究。首先,对废旧锂离子电池的热分解特性进行了研究,钴酸锂材料热分解过程分为三步,反应机理为随机成核和随后生长,热分解起始温度约为738℃,比理论热分解温度(900℃)较低,总失重约为9.11%,略高于理论失重率(8.18%),原因为存在少量吸附水分及粘结剂、电解质等杂质质量损失;对废旧钴酸锂离子电池中碳/铝还原性成分高温还原能力进行了实验验证,在氮气氛围,20-1250℃温度内,碳热还原钴酸锂反应为多步反应,反应机理为随机成核和随后生长。在氩气氛围下,铝热还原反应发生在钴酸锂材料热分解反应之前,失重率较小(0.74%),最终产物为Co O及Li Al O_2。在验证了碳热还原钴酸锂材料的可行性之后,研究了熔炼温度、沉降时间及炉渣改性剂Ca O用量等实验变量对金属回收率的影响。通过实验表明,当铜渣与电池料用量比7:1,氧化钙用量为7.5wt.%,熔炼温度和保温沉降时间分别为1475℃、15min时,渣含铜由4.49 wt.%降至0.37 wt.%;Cu回收率为93.25%,Co回收率为99.29%,实现了废旧锂离子电池与铜渣中有价金属资源综合回收。最后,研究了所得合金中各金属的沉降规律:还原熔炼所得Cu-Co-Fe三元合金中Co-Fe相及Cu相构成合金基本相,钴元素在富铁区域均匀分布,以金属间化合物形式存在,合金中杂质元素为铅、锌元素,锌元素在铜中具有较高固溶度,使锌元素主要均匀分布在铜相中;铅元素整体均匀分布,在两相交界处聚集。铜渣贫化协同处理废旧钴酸锂锂离子电池回收铜钴铁等有价金属的研究是一项集失效锂离子电池清洁回收和铜渣贫化于一体的资源综合利用方法,能够为火法高效资源化处理失效锂离子电池提供借鉴。