ПАРАМЕТРЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЛИТИЙСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ ОРГАНИЧЕСКИМИ РЕАГЕНТАМИ ИЗ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследовано влияние соотношения исходных реагентов, температуры реакции на степень очистки литийсодержащего раствора от попутных металлов и выход конечного продукта (карбонат лития) при переработке литий-ионных аккумуляторов. Определены оптимальные параметры применения реагентов для одностадийного отделения литийсодержащих соединений от кобальта, никеля, марганца и др. Установлено что, степень очистки литийсодержащего раствора от попутных металлов напрямую зависит от температуры и мольного соотношения исходных реагентов. Содержание лития в растворах определены с помощью атомно-абсорбционного анализа. С помощью количественного спектрального анализа определены чистота и степень извлечения конечных продуктов.  

ABSTRACT

This article examines the influence of the ratio of initial reagents, reaction temperature on the degree of purification of a lithium-containing solution from associated metals and the yield of the final product (lithium carbonate) during the processing of lithium-ion batteries. The optimal parameters for using reagents for the one-stage separation of lithium-containing compounds from cobalt, nickel, manganese, etc. have been determined. It has been established that the degree of purification of a lithium-containing solution from associated metals directly depends on the temperature and molar ratio of the initial reagents. The lithium content in solutions was determined using atomic absorption analysis. Quantitative spectral analysis was used to determine the purity and recovery of the final products.

Ключевые слова: литий-ионный аккумулятор, щавелевая кислота, производные щавелевой кислоты, мольное соотношение, температура, количественный спектральный анализ.

Keywords: lithium-ion battery, oxalic acid, oxalic acid derivatives, molar ratio, temperature, quantitative spectral analysis.

Введение. Литиево-ионные аккумуляторные батареи являются самым востребованным источником питания на протяжении нескольких десятилетий из-за простоты производства и эксплуатации [7]. При этом данный тип аккумуляторных батарей содержит в себе вредные и опасные вещества, токсичность которых возрастает при попадании отработанных литиевых аккумуляторов в окружающую среду. В этой связи пристальное внимание к способам их утилизации, а также ужесточение надзора и контроля за обращением литиевых аккумуляторных батарей на каждой стадии их жизненного цикла являются актуальным [3, 4].

Большинство батарей, которые перерабатываются, подвергаются высокотемпературному процессу плавления и экстракции, или плавки, аналогичному процессу, используемому в горнодобывающей промышленности. Те операции, которые проводятся на крупных коммерческих объектах – например, в Азии, Европе, Канаде – являются энергоемкими. Заводы также дороги в строительстве и эксплуатации требуют сложного оборудования для обработки вредных выбросов, образующихся в процессе плавки. И, несмотря на высокую стоимость, эти заводы не восстанавливают все ценные материалы батарей [5, 6].

Целью данного исследования является определение оптимальных параметров процесса переработки литий-ионных аккумуляторов. Для решения поставленной задачи сотрудниками Ташкентского научно-исследовательского института химической технологии определены оптимальные параметры (мольные соотношения реагентов и температура реакции) применения щавелевой кислоты и её производных для одностадийного отделения литийсодержащих соединений от кобальта, никеля, марганца и др.

Методология. Процесс переработки литий-ионных аккумуляторов с помощью щавелевой кислоты и её производных. После дробления, просеивания, отделения от пластика, выщелачивания серной кислотой (ГОСТ 2184-77) электродного материала (содержит графит катода и комплексные оксиды катода) в раствор добавляется смесь растворов щавелевой кислоты (Ч, ГОСТ 22180-76) и её производных (конц. щавелевой кислоты - 200 гр/л) и нагревают до 40-80 ℃. Образуется осадок состоящий из оксалатов кобальта, никеля, марганца и др. Осадок направляется на дальнейшую переработку [1]. В отфильтрованный раствор добавили смесь карбоната и гидроксида натрия для получения карбоната лития. Извлеченная масса Li₂CO₃ составила 1-1,1 гр. в пересчёте на один литий-ионный аккумулятор, а выход по карбонату лития составил 82-91% [2].

Результаты и обсуждение. В табл.1 приведены данные полученные на основании атомно-абсорбционного (Аналитический прибор: Атомно-абсорбционный спектрофотометр AA-7000, Shimadzu, Япония) анализа.

Таблица 1.

Результаты атомно-абсорбционного анализа литийсодержащих растворов

По результатам атомно-абсорбционного анализа можно сказать что, после добавления щавелевой кислоты и её производных в литийсодержащий раствор в отфильтрованном растворе остается до 91-92% лития.

Рисунок 1. Зависимость степени осаждения кобальта, никеля и марганца от температуры

Как видно из рис.1 оптимальной температурой для осаждения является 80 ℃. При 80 ℃ степень осаждения кобальта, никеля и марганца достигает не менее 99% [4]. Стоить отметить что никель начинает осаждаться при более высоких температурах чем остальные два элемента.

Рисунок 2. Зависимость степени осаждения кобальта, никеля и марганца от мольного соотношения щавелевая кислота/производные щавелевой кислоты

На рис.2 можно наблюдать что оптимальными соотношениями щавелевой кислоты и её производных является 8:1. Также можно отметить что, степень осаждения никеля только в щавелевой кислоте довольно низкое по сравнению с кобальтом и марганцем.

Количественный спектральный анализ конечного продукта – карбоната лития. Для анализа конечного продукта - карбоната лития использовали: спектрограф PGS-2 (ДФС-8) с дифракционной решеткой 600 штpих/мм, Германия. Результаты анализа приведены в табл.2.

Таблица 2.

Количественный спектральный анализ конечного продукта - карбоната лития

Количественный спектральный анализ показывает, что в конечном продукте содержится в основном литий и углеродные соединения (карбонат лития) и немного следов натрия. Спектральный анализ также подтверждает эффективность подобранных параметров применения щавелевой кислоты и её производных при переработке литий-ионных аккумуляторов.

Выводы

Определены оптимальные параметры рециклинга литийсодержащих и других попутных металлов при переработке литий-ионных аккумуляторов. Установлены следующие параметры очистки литийсодержащего раствора от попутных металлов: температура – 80 ℃, мольное соотношение щавелевая кислота/производные щавелевой кислоты – 8:1. С помощью атомно-абсорбционного анализа определена содержание лития в растворе (до 91-92%) после добавления щавелевой кислоты и её производных. Выход по карбонату лития составил 82-91%. На основе количественного спектрального анализа установлена степень чистоты конечного продукта.

Список литературы:

1. Ахмаджанов И.А., Н.Т. Ортиков, А.Т. Джалилов, М.У. Каримов. // РАЗДЕЛЕНИЕ ЛИТИЯ ОТ КОБАЛЬТА, НИКЕЛЯ И МАРГАНЦА С ПОМОЩЬЮ ОРГАНИЧЕСКОЙ КИСЛОТЫ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ//.  Статья принята к публикации в выпуске 11(116), который будет опубликован на сайте https://7universum.com/ru/tech 27 ноября 2023 года. Справка 01.11.2023 г. № 29838
2. Гонопольский А.М., Макаренков Д.А., Назаров В.И., Клюшенкова М.И., Попов А.П. //РЕЦИКЛИНГ ЛИТИЙСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ОТРАБОТАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА//. Ecology and Industry of Russia, 2019. Iss.5. стр. 10-15.
3. Зайцев В. А. Утилизация литиевых источников тока / В. А. Зайцев, В. В. Горбунова // Энергия: экономика, техника и экология. - 2008. - № 2. - С. 34-39.
4. Ивановская К. Влияние использованных батареек на окружающую среду [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Научная статья "Влияние использованных батареек на окружающую среду" - экология, разное (ecokroshka.ru).
5. Переработка литий-ионных аккумуляторов [Электронный ресурс]/ солнечная энергетика. – Режим доступа: https://rocla.ru/o-kompanii/poleznayainforaciya/pererabotka-litiy-ionnykh-akkumulyatorov/. – Дата доступа: 22.04.2022.
6. Утилизация литиевых аккумуляторов [Электронный ресурс]/ солнечная энергетика. – Режим доступа: https://eco2eco.ru/utilizaciya /utilizatsiya-litievyhakkumulyatorov/ .– Дата доступа: 22.04.2022.
7. The Lithium-ion battery life-cycle report 2021. Circular Energy Storage. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https: // static1.squarespace.com/static/587657ddbe659497fb46664c/t/5fdaa991dc2ddb6396c30fa 6/1608165783527/The+lithium-ion+battery+life+cycle+report+sample.pdf.