废旧锌-锰电池正极活性物在盐酸中溶解行为的研究

废旧锌-锰电池正极活性物在盐酸中溶解行为的研究

随着时间的推移，电池的应用越来越广泛。据悉2000年我国消耗电池150亿只,其中耗锌、锰、铜、汞分别为25万吨、23万吨、4500吨和60吨。但废旧电池一般都作为生活垃圾扔掉,这不仅浪费了宝贵的金属,而且电池中的汞、镉、铅等大量流失给人类的生存和生活环境带来了严重危害,所以对废旧电池再资源化研究不仅是完全必要的,而且是十分迫切的。近年来,国内外学者对此作了许多研究工作,归结起来可以分干法和湿法两大类,它们的不足之处在于:前者设备费用高、能耗高及操作难度大,而后者也存在再生产物纯度低、易导致二次污染等问题,为此我们提出了干湿法相结合处理废旧干电池的方法,其目的产物不再是单一的金属或其氧化物,而是附加值更高的铁淦氧或锌锰铁酸盐。本文作为整个研究报告的组成部分之一,对废旧锌-锰电池正极活性物在盐酸中的溶解情况进行了较为系统的研究。据报道,放电后的锌-锰电池正极活性物含有大量MnO(OH)、MnO、Mn2O4、ZnMn2O4、Zn(NH3)2Cl2和4Zn(OH)2·ZnCl2等,此外还有少量天然矿物质。这些放电后形成的极为复杂的混合物在盐酸中的溶解情况怎样,目前尚未见报道,这里我们对此进行探索,以便为今后更为广泛的应用研究提供有益的基础数据。1实验部分1.1实验设备和设备1.1.1sy-400型超级恒温槽设备Z-5000型原子吸收分光光度计,日本日立公司产;SY-501型超级恒温槽,上海市仪器公司监制;SRJX-4-13型高温箱式电阻炉,天津东亚电炉厂产。1.1.2实验设备见图11.2实验药物盐酸(分析纯);过氧化氢(分析纯);废旧锌-锰电池为河南省新乡市电池厂生产的1号中华电池。1.3试样溶解率g剥开使用过的锌-锰电池,取出正极活性物,在高温炉中300°C烘2h,在研钵中研磨,过50目筛(孔径为0.315mm),制得样品,放入干燥器中备用。称取一定量一定浓度的盐酸于烧杯中,在恒温槽中加热至一定温度,加入一定量的试样及H2O2,反应一定时间后,冷却至室温,在G3砂芯玻璃漏斗中减压过滤,滤渣在100°C干燥箱中烘至恒重,用原子吸收分光光度计测溶液中锰、锌、铁等离子浓度,计算溶解率,计算公式为:φ=G−mG×100φ=G-mG×100式中ue001φ——试样溶解率/%(质量分数);G——试样质量/g;m——干燥后的滤渣质量/g。2结果与讨论2.1盐酸浓度对溶解率的影响在其它条件相同时,盐酸浓度对溶解率的影响如图2所示。由图2知:随盐酸浓度的增加,试样溶解率急剧上升,盐酸浓度大于2mol/L后,溶解率增加缓慢,理想的盐酸浓度为2mol/L。2.2盐酸与样品质量比液体固氏比的影响用浓度为2mol/L的盐酸溶解试样,不同质量比时溶解率的情况如图3所示,易知较为理想的液固比为10,此值增加,得不偿失。2.3反应持续时间的影响固定其它条件,控制不同的反应时间,测得的溶解率如图4所示,显然60min为盐酸溶解试样的适宜时间。2.4u3000mno2在盐酸溶液中的溶解度在一定条件下,加入H2O2后得到的溶解率曲线如图5所示。由图5知,随H2O2浓度的增加,试样溶解率迅速增加,H2O2浓度为3%时溶解率达到最大值(约80%),之后,溶解率缓慢下降。对以上现象可作如下解释:不加H2O2时试样中的MnO等可溶于盐酸,而MnO2在盐酸中的溶解度是很小的。有关资料表明:O20.695H2O21.776H2OΟ20.695Η2Ο21.776Η2Ο;MnO21.230.95Mn3+1.51Mn2+0.95Μn3+1.51Μn2+;Cl−1.358Cl2Cl-1.358Cl2当H2O2浓度很低时,由于发生了以下反应:MnO2+H2O2+2HCl=MnCl2+2H2O+O2↑所以试样溶解率增大,当高浓度H2O2存在时,溶液中大量存在的Mn2+又会与H2O2发生如下反应:2H2O2+MnCl2=MnO2+2H2O+Cl2↑难溶于酸的MnO2的生成,导致溶解率下降。2.5温度上升不稳定:温度好、压力大、溶解率高反应温度对溶解率的影响如图6所示。从图6知,40°C前溶解率随温度的升高而增加,随后缓慢下降,50°C后随温度升高溶解率趋于一定值。显然,40°C前温度的升高,加速了固态物质的溶解及气态产物的逸出,使溶解率增加,40°C后由于H2O2的分解,导致溶解率有所降低。2.6溶液溶解条件的测试由原子吸收分光光度计对溶解液进行成分测试结果表明:适宜条件下溶解1g试样所得的滤液中,含锰0.341g,锌0.106g,铁0.039g。3各因素对废旧锌-锰电池极活性物溶解率的影响3.1大量实验表明:废旧锌-锰电池正极活性物在盐酸中的溶解是一个复杂的物理化学过程,其溶解受盐酸浓度、溶解温度、时间、液固比等诸多因素影响。3.2H2O2的加入可以增加废旧锌-锰电池正极活