بخشی از مقاله
چکیده
با رشد و گسترش روز افزون صنایع الکترونیکی، مصرف باتریهای قابل شارژ به شدت افزایش پیدا کرده است . با توجه به وجود فلزات ارزشمند در باتریهای لیتیوم یونی، بازیابی باتریهای مستعمل هم از لحاظ زیست محیطی و هم از لحاظ اقتصادی میتواند مفید باشد. در این پژوهش جداسازی و لیچینگ ماده فعال کاتدی باتریها و عوامل موثر بر بازیابی فلزات نیکل، کبالت و منگنز موجود در آن مورد مطالعه قرار گرفت.
ابتدا به منظور جداسازی ماده کاتدی از کاتد آلومینیومی، کاتد تحت عملیات حرارتی در دماها و زمانهای مختلف قرار گرفت. سپس پودر ماده کاتدی جداسازی شده در محلول اسید سولفوریک حل شد و تاثیر دما، نسبت جامد به مایع، غلظت پراکسید هیدروژن و غلظت اسید سولفوریک مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان داد که با حرارت دادن کاتد به مدت یک ساعت در دمای 700 درجه سانتیگراد، ماده فعال کاتدی به صورت پودر از ورق آلومینیوم جدا میشود. همچنین 91/87 درصد از کبالت و 95/6 درصد از نیکل و 95/52 درصد از منگنز در شرایط اسید سولفوریک 2 مولار، دمای 75 درجهی سانتیگراد، پراکسید هیدروژن 5 درصد وزنی، نسبت جامد به مایع 40 گرم بر لیتر و سرعت همزنی 160 rpm وارد محلول لیچ میشوند.
-1مقدمه
باتریهای ثانویه یونی لیتیومی - LIBs - 1 قابل شارژ ثانویه شامل یک کاتد، آند، الکترولیت و جداساز هستند .[1] امروزه 2 4، 2، 2 و یا اکسیدهای مرتبط با آن به عنوان مواد کاتدی برای تقریبا تمام LIBsهای تجاری و مخصوصا برای تلفنهای همراه، رایانههای شخصی، دوربینهای فیلمبرداری و ... به علت مزایایی مانند دانسیته انرژی بالا، ولتاژ سل بالا، طول عمر بالا، محدوده عملکرد دمایی بالا و خود تخلیه شوندگی کمتر مورد استفاده قرار میگیرند. بازیافت این نوع باتریها هم از لحاظ اقتصادی و هم محیط زیستی میتواند مفید باشد.
با توجه به رشد و گسترش LIBsها، در آیندهای نزدیک نیاز به این نوع باتریها بطور چشمگیری افزایش خواهد داشت. با این حال مهمترین مسئله، مسئله بازیافت آنها است. باتری LIBs شامل بسیاری از فلزات با ارزش مانند Li, Co, Ni, Mn, Cu و Al است که بازیافت آنها به دو روش هیدرومتالورژی و پیرومتالورژی انجام شده است. دلیل بازیافت LIBsها به روش هیدرومتالورژی در مقایسه با پیرومتالورژی، توجه به مصرف انرژی کم آن است.
فرآیند بازیافت باتریهای یونی لیتیومی مستعمل به سه مرحله تقسیم بندی میشود. مرحله پیش عملیات بر روی حذف مواد خطرناک و جدا کردن اجزا باتری تمرکز داشته و در مرحله ثانویه هدف افزایش جداسازی اجزا و انحلال ترکیبات باتری میباشد. مرحله بازیابی کامل نیز در نهایت برای استخراج محصولات با ارزش بکار گرفته میشود.
اکثر کارهای انجام شده در بخش پیش عملیات شامل فرآیندهای مکانیکی مانند خرد کردن، الک کردن، جداسازی مغناطیسی و دسته بندی اجزا باتری بعد از تفکیک کردن میباشند. در جداسازی مکانیکی علاوه بر تولید گازهای سمی و هدر رفتن ماده فعال، امکان تفکیک کامل اجزا باتری از هم وجود ندارد.[5,6] در تحقیق انجام شده توسط سان[7] 1 پیش عملیات پیرولیز برای بازیافت باتری یونی لیتیومی مورد بررسی قرار گرفته است که در آن مواد آلی کامل تجزیه شده و ماده فعال کاتدی به طور رضایت بخش از زیر لایه آلومینیومی جدا میشود.
اکثر تحقیقات انجام شده در مورد لیچینگ باتریها در دو بخش - 1 بررسی پارامترهای مختلف و تاثیرات آنها بر روی بازده لیچینگ و بهینه سازی شرایط لیچ و - 2 بررسی ترمودینامیک و سینیتیک فرآیند لیچ و تعیین مکانیزم کنترل کننده بوده است. در پژوهش انجام شده توسط لی[8] 2 فرآیند لیچینگ ماده کاتدی باتری یونی لیتیومی به منظور بازیافت لیتیوم و کبالت مورد مطالعه قرار گرفت.که برای بررسی اثر عامل احیایی همزمان با تغییرات غلظت آن، دیگر پارامترها اعم از غلظت اسید، دما، زمان ثابت نگه داشته شده است.
در این کار لیچینگ کبالت، نیکل و منگنز موجود در ماده فعال کاتدی باتریهای مستعمل تلفن همراه و عوامل موثر بر لیچینگ آنها مورد برررسی قرار گرفته است. زمان لیچینگ، دما، غلظت اسید سولفوریک و غلظت پراکسید هیدروزن به گونهای انتخاب میشود که بازدده لیچینگ بهینه باشد.
-2مواد و روشها
LIBs معمولا شامل آند، کاتد، الکترولیت و جداساز است. وزن میانگین LIBsهای مورد استفاده 35/30 گرم است که حدود 31 آن پوستهی فولادی و پلاستیکی است و مابقی آن مواد شامل فلزات پایه مانند لیتیوم، کبالت، نیکل، منگنز، مس و آلومینیوم است.
آند و کاتد باتری از هم جدا شده و کاتد به منظور جداسازی ماده فعال از ورقه آلومینیومی تحت عملیات حرارتی قرار گرفت، سپس پودر کاتد - سیاه رنگ - از الک 270مش عبور داده شد و در آزمایشهای لیچینگ از این پودر استفاده شد. برای آنالیز شیمیایی، مقداری پودر کاتدی در محلول تیزاب سلطانی - : 3 = 3: 1 - حل شد و با استفاده از طیف سنجی جذب اتمی - analytik jena novaa 300 Germany - 3 غلظت کبالت، نیکل و منگنز تعیین شد. جدول 1 آنالیز شیمیایی ماده فعال کاتدی مورد استفاده در این تحقیق را نشان میدهد.
