论文部分内容阅读
随着动力电池市场的快速发展,世界范围内废旧锂离子电池数量激增,对废旧锂离子电池的回收利用及处理处置问题受到人们的广泛关注。本研究基于废旧锂离子电池来源广泛,其正极材料具有比表面积大、含金属氧化物功能集团等适宜吸附水体重金属离子的特征,回收并预处理废旧锂离子电池,开展了一系列废旧锂离子电池正极材料用于吸附水体重金属Cu2+、Pb2+、Cd2+和Zn2+的试验,并探讨了吸附机理。试验选用废旧磷酸铁锂离子电池(Spent lithium iron phosphate,SLFP)、废旧锰酸锂离子电池(Spend lithium manganate,SLMO),彻底放电后拆解,得到的正极材料作为重金属吸附剂,并选用商品化的磷酸铁锂电池(Lithium iron phosphate,LFP)、锰酸锂电池(Lithium manganate,LMO)正极材料作为参照,分析了废旧锂离子电池正极吸附材料对Cu2+、Pb2+、Cd2+和Zn2+的金属离子吸附效果;考察了初始浓度、反应时间、温度、共存离子等因素对重金属离子吸附的影响;采用SEM、BET、XRD、Raman等表征手段对吸附前后的LFP、SLFP、LMO、SLMO进行了表征分析;并结合吸附等温线、吸附热力学和动力学探讨了吸附机理。吸附影响因素试验表明,LFP、LMO、SLFP、SLMO具有良好的重金属吸附能力,SLFP 对 Cu2+、Pb2+、Cd2+和 Zn2+的最大吸附量分别达到 44.28mg/g、39.54mg/g、25.63mg/g、27.34mg/g,SLMO 对 Cu2+、Pb2+、Cd2+和 Zn2+的最大吸附量分别达到 32.5 1mg/g、31.83mg/g、26.24mg/g、25.25mg/g。随着反应时间的增加,吸附容量逐渐增加,达到吸附平衡的时间为12h。共存离子影响试验表明,当NaCl浓度低于5mg/L时,对四种吸附剂的吸附效率影响不大,随着NaCl浓度的增加,重金属的吸附容量呈递减趋势。吸附等温线分析表明,Langmuir等温模型可以较好地描述SLFP、SLMO对Cu2+的吸附过程(R2>0.96)。随着温度升高,SLFP的Langmuir单层吸附量从41.75mg/g增加到56.72mg/g,Temkin等温模型表明SLFP和SLMO吸附Cu2+离子均为吸热反应。D-R模型的结果显示SLFP、SLMO吸附Cu2+的主要吸附类型为化学吸附。热力学分析表明,SLFP及SLMO对Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+离子的吸附均为自发过程,且属于吸热反应。吸附动力学分析表明,准二级动力学模型能准确反映出SLFP及SLMO对Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+的吸附过程(R2>0.99),说明吸附过程主要为化学吸附,且利用该模型拟合得到的平均吸附容量与试验得出的吸附容量相近。颗粒内扩散方程模拟结果显示,SLFP及SLMO对重金属的吸附主要包括外表面吸附和内部扩散两个复杂的过程。Elovich方程模拟结果显示SLFP、SLMO对Pb2+的初始吸附速率分别为108.03mg/(g·h)、72.59mg/(g·h),高于对其他重金属的初始吸附速率。采用BET、SEM、XRD和Raman光谱表征手段,分析四种吸附材料吸附重金属离子的机理。SEM和BET结果表明吸附剂的表面不规则且不光滑,具有较大的比表面积,能够提供一定的吸附点位。XRD和Raman结果表明拆解废旧锂离子电池正极获得的吸附材料没有破坏晶体结构,是一种良好的吸附材料。解吸再生试验结果表明SLFP和SLMO均为可重复使用的重金属吸附材料,在经过4次解吸再生循环后,SLFP对Cu2+、Pb2+的去除率仍能达到80.5%、82.3%,SLMO对Cu2+、Pb2+的去除率仍能达到73.1%、75.6%。证明SLFP、SLMO具有良好的可循环利用性,是一种具有良好吸附性能的资源可循环利用型水体重金属吸附新材料。