三元前驅(qū)體生產(chǎn)廢水蒸發(fā)結(jié)晶處理技術(shù)
三元前驅(qū)體是鋰離子電池三元正極材料的主要生產(chǎn)原料。目前,主流的三元前驅(qū)體生產(chǎn)工藝是共沉淀法,即利用氨堿液創(chuàng)造沉淀和絡(luò)合環(huán)境,將Ni2+、Co2+、Mn2+按一定比例實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的共沉淀反應(yīng)。三元前驅(qū)體的生產(chǎn)廢水主要來(lái)自萃取系統(tǒng)和合成系統(tǒng),流量較大,以硫酸鈉為主要成分,還含有雜質(zhì)離子和有機(jī)物等物質(zhì),直接排放會(huì)污染環(huán)境。隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格及“零排放冶理念的深入,對(duì)三元前驅(qū)體的生產(chǎn)廢水進(jìn)行綜合處理勢(shì)在必行。
目前,主要采用熱法蒸發(fā)結(jié)晶的方式處理硫酸鈉廢水,這種方式不僅可以節(jié)約大量用水,而且能得到具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的元明粉副產(chǎn)品。從經(jīng)營(yíng)角度來(lái)說(shuō),這種方法的產(chǎn)出可以基本覆蓋生產(chǎn)成本,實(shí)現(xiàn)環(huán)保價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的統(tǒng)一,而副產(chǎn)品元明粉的質(zhì)量決定了其市場(chǎng)和價(jià)格。為保證元明粉的品質(zhì),維持蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,需要在蒸發(fā)結(jié)晶前對(duì)溶液進(jìn)行有效的前處理。本文基于某企業(yè)三元前驅(qū)體廢水的特點(diǎn)分析,介紹原料液中的雜質(zhì)成分、有機(jī)成分和pH值對(duì)蒸發(fā)結(jié)晶過(guò)程的影響,并通過(guò)分析蒸發(fā)結(jié)晶前處理工藝中除有機(jī)物工序、除重金屬工藝和pH值調(diào)節(jié)工序存在的問(wèn)題,針對(duì)性地提出了優(yōu)化建議。
1、三元前驅(qū)體生產(chǎn)廢水的特點(diǎn)
以某三元前驅(qū)體生產(chǎn)企業(yè)為例,其系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水量約為3000m3/d,主要參數(shù)見(jiàn)表1。其中,合成系統(tǒng)產(chǎn)生的硫酸鈉廢水濃度約13%,堿度較高,幾乎不含重金屬及有機(jī)物,比較干凈;來(lái)自萃取系統(tǒng)的廢水則成分較為復(fù)雜,其主要是萃取轉(zhuǎn)皂產(chǎn)生的硫酸鈉溶液,除了含有約13%的硫酸鈉外,還含有Ni2+、Mn2+、Zn2+、F-、Cl-等雜質(zhì)離子,并且還夾帶了萃取系統(tǒng)的有機(jī)成分。
該廢水中的有機(jī)成分表觀存在形式有三種:一部分是夾帶在溶液中的有機(jī)油相,其分散性較差,靜置后會(huì)析出并漂浮在液面上;一部分則是分散在水相中的細(xì)小油滴,形成較穩(wěn)定的乳濁液;還有一部分是溶解在溶液中的可溶性有機(jī)物。
2、料液成分對(duì)蒸發(fā)結(jié)晶的影響
硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,原料液成分對(duì)蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)生重要的影響。
2.1 雜質(zhì)離子的影響
2.1.1 產(chǎn)生蒸發(fā)器結(jié)垢
蒸發(fā)器的結(jié)垢物可分為水溶性垢和不溶性料垢。水溶性垢主要是硫酸鈉在高溫加熱管表面析出的產(chǎn)物;而不溶性料垢主要是料液沉淀并吸附在壁面形成的金屬離子。二者均會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器的傳熱效率降低、蒸發(fā)能力下降。
2.1.2 影響結(jié)晶生長(zhǎng)
雜質(zhì)對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響比較復(fù)雜,可能影響溶液的過(guò)飽和度和穩(wěn)定性,或在誘導(dǎo)期內(nèi)影響晶體成核,或影響晶體的生長(zhǎng)速率和晶體形貌,也可能影響晶體的團(tuán)聚過(guò)程,具體影響的方向和程度需要進(jìn)行針對(duì)性試驗(yàn)才能確認(rèn)。從晶體生長(zhǎng)方面看,Na2SO4晶體的晶格與雜質(zhì)的晶格不同,在正常情況下兩者不容易相互吸附和粘結(jié);但當(dāng)雜質(zhì)成分逐漸富集時(shí),Na2SO4晶格還未來(lái)得及成長(zhǎng),雜質(zhì)就進(jìn)入了晶核的凹角處形成包藏,導(dǎo)致Na2SO4晶格發(fā)生畸變,晶體難以長(zhǎng)大,顆粒細(xì)小。
2.1.3 影響產(chǎn)品純度
一方面,雜質(zhì)成分在硫酸鈉晶體中形成的包藏導(dǎo)致產(chǎn)品純度降低;另一方面,離心后的濕晶體仍?shī)A帶少量溶液,干燥后該夾帶溶液中的雜質(zhì)成分也混入產(chǎn)品中,使得產(chǎn)品純度降低。
2.1.4 腐蝕設(shè)備
F-、Cl-都是具有較強(qiáng)腐蝕性的離子。當(dāng)Cl-吸附在金屬表面產(chǎn)生富集,會(huì)對(duì)金屬表面的氧化膜造成破壞,尤其是在酸性環(huán)境中,Cl-會(huì)在金屬表面形成氯化物鹽層,導(dǎo)致點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、孔蝕失和縫隙腐蝕,并且溫度越高其腐蝕能力越強(qiáng),因此常規(guī)不銹鋼無(wú)法耐受Cl-。鈦材對(duì)Cl-具有一定的耐受性,但F-的存在會(huì)破壞鈦材表面的氧化物膜,造成鈦材的整體腐蝕。但F-、Cl-的腐蝕能力與其濃度、pH、溫度、溶解氧等因素有關(guān),可以通過(guò)控制系統(tǒng)處于堿性環(huán)境,降低離子濃度、蒸發(fā)溫度、溶解氧量等措施減弱其腐蝕性,并綜合選用鈦材、雙相鋼、合金鋼等材質(zhì)。
2.2 有機(jī)物的影響
2.2.1 料液起泡溢流
泡沫是氣體分散在液相中形成的分散體系,是由于表面作用形成的。蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽上升至料液表面,被連續(xù)液膜分開(kāi)形成氣泡。通常情況下,這些氣泡并不穩(wěn)定,會(huì)擴(kuò)大并破裂,但當(dāng)料液中存在有機(jī)物等成分時(shí),循環(huán)濃縮后的溶液粘度增大,使得氣泡的液膜強(qiáng)度提高,穩(wěn)定性增強(qiáng),氣泡的形成量劇增。此外,有機(jī)成分還降低了液膜的表面張力,使氣泡的半徑減小,液膜厚度增大,穩(wěn)定性增強(qiáng)。上述作用導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)的氣泡穩(wěn)定堆積形成泡沫,并最終導(dǎo)致起泡溢流。
起泡溢流會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的問(wèn)題:一方面,物料進(jìn)入二次蒸汽冷凝水中,導(dǎo)致料液流失、冷凝水水質(zhì)變差等問(wèn)題;另一方面,對(duì)于MVR蒸發(fā)而言,二次蒸汽中夾帶的鹽會(huì)附著在蒸汽壓縮機(jī)葉片上,影響壓縮機(jī)的安全使用。
2.2.2 影響結(jié)晶生長(zhǎng)
晶體粒度控制是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重點(diǎn),其實(shí)質(zhì)就是抑制初級(jí)成核、延長(zhǎng)晶體成長(zhǎng)、減小二次成核。有機(jī)成分對(duì)晶體成核和生長(zhǎng)過(guò)程的影響顯著,可改變?nèi)芤旱谋砻孀杂赡?,改變晶體成核的條件,降低成核速率,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致不出現(xiàn)結(jié)晶。在晶體生長(zhǎng)中,有機(jī)成分吸附在晶面上,降低了Na+、SO42-離子在晶體表面的擴(kuò)散和聚集,阻礙晶體的生長(zhǎng)速率,導(dǎo)致晶體產(chǎn)品的粒徑細(xì)小。
2.2.3 影響產(chǎn)品白度
在循環(huán)濃縮中,萃取系統(tǒng)帶入的有機(jī)成分導(dǎo)致COD大幅度提高,循環(huán)液的顏色逐漸變?yōu)獒u油色,且有機(jī)成分附著在產(chǎn)品上,使得產(chǎn)品白度較差。
2.3 pH值的影響
元明粉的結(jié)晶質(zhì)量與溶液pH值相關(guān)。研究表明,當(dāng)pH>10時(shí),硫酸鈉在蒸發(fā)中的結(jié)晶困難,結(jié)晶的顆粒細(xì)小。將pH值調(diào)至7~9,更有利于結(jié)晶。此外,溶液中含有F-、Cl-離子,在酸性條件下對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重。因此,控制系統(tǒng)進(jìn)料pH值為中性偏堿有利于設(shè)備防腐。
3、蒸發(fā)結(jié)晶前處理工藝運(yùn)行存在問(wèn)題及優(yōu)化
蒸發(fā)結(jié)晶前處理工藝需要根據(jù)溶液不同的特點(diǎn)采取針對(duì)性措施。某企業(yè)的前處理工藝采取了去除有機(jī)物、去除重金屬及調(diào)節(jié)pH值的措施來(lái)處理原料液,流程如圖1所示。下文針對(duì)該工藝流程和運(yùn)行存在問(wèn)題進(jìn)行分析,并提出優(yōu)化建議。
3.1 去除有機(jī)物工序
通過(guò)脫除原料液中的有機(jī)物,可以大幅降低有機(jī)物在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的累積速度,改善蒸發(fā)和結(jié)晶條件。該系統(tǒng)采用了兩級(jí)除油措施,即先進(jìn)行氣浮除油,再進(jìn)行活性炭吸附除油。氣浮除油是利用溶氣泵將空氣混入循環(huán)溶液中,再將溶氣后的溶液送回溶液主體,通過(guò)合理的分布將氣體均勻釋放出來(lái),然后由氣泡將溶液中的細(xì)小油滴帶到溶液表面,通過(guò)澄清使有機(jī)油相析出并分離。對(duì)于氣浮除油后的溶液,再通過(guò)活性炭吸附進(jìn)一步脫除殘留的有機(jī)物。
實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)的氣浮除油效果不佳,導(dǎo)致活性炭吸附除油的壓力增大,需要頻繁更換活性炭,不僅增加了活性炭消耗,而且增大了工作強(qiáng)度。其原因可能包括:1)萃取系統(tǒng)包括鎳、錳、鈷、鈧等多條萃取線,產(chǎn)生的廢水的有機(jī)成分不一,除了含有分散的油相外,還含有可溶性有機(jī)物,導(dǎo)致氣浮除油的效果下降;2)析出的浮油在空氣中靜置約1d后,會(huì)被氧化,粘度大幅增加,導(dǎo)致排放不暢,部分油污粘附在池壁上;3)萃取系統(tǒng)送入的溶液中實(shí)際有機(jī)物含量超過(guò)設(shè)計(jì)值,系統(tǒng)處理能力不足。
針對(duì)上述問(wèn)題,從以下方面進(jìn)行改善:1)首先應(yīng)加強(qiáng)萃取系統(tǒng)的生產(chǎn)控制,從源頭上嚴(yán)格控制廢水中的有機(jī)物含量;2)加強(qiáng)氣浮除油的排油頻率,避免油污在除油槽內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留;3)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)溶液的pH值調(diào)至1~2時(shí),可溶性有機(jī)物會(huì)大量溶出,因此通過(guò)增加調(diào)酸操作將可溶性有機(jī)物分離出來(lái)成為浮油,再對(duì)溶液中的浮油進(jìn)行脫除。
3.2 除重金屬工序
該系統(tǒng)采用化學(xué)沉淀法脫除重金屬離子。根據(jù)相關(guān)資料,Ni(OH)2、Mn(OH)2和Zn(OH)2的溶度積常數(shù)分別為2×10-15、1.9×10-13和1.2×10-17。各離子的沉淀終點(diǎn)分別約為9.7、10.7和8.5。而合成系統(tǒng)的廢水堿度高,與萃取系統(tǒng)廢水混合后,溶液pH值約為12,可以實(shí)現(xiàn)重金屬離子的沉淀。沉淀后的懸濁液再送入微孔過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾。
實(shí)際生產(chǎn)也驗(yàn)證了兩種溶液混合可以實(shí)現(xiàn)重金屬離子的有效沉淀,但原料液的pH值、離子濃度、成分存在波動(dòng)。對(duì)此,可以通過(guò)補(bǔ)充氫氧化鈉溶液來(lái)控制終點(diǎn)pH值,預(yù)防原料液中重金屬離子濃度增大,或其他高溶度積的金屬離子引入等情況。
系統(tǒng)運(yùn)行一年左右后,微孔過(guò)濾器的PE材質(zhì)濾芯的強(qiáng)度出現(xiàn)下降,容易發(fā)生斷裂。其原因包括:1)溶液有機(jī)物脫除效果不佳,導(dǎo)致有機(jī)物進(jìn)入并粘附在濾芯上,對(duì)濾芯產(chǎn)生腐蝕;2)鹽類在濾芯微孔中的結(jié)晶膨脹也可能對(duì)濾芯結(jié)構(gòu)造成破壞。
針對(duì)上述問(wèn)題,從以下幾個(gè)方面改善:1)優(yōu)化溶液的除油工序,減少進(jìn)入后段系統(tǒng)的有機(jī)物量;2)將PE材質(zhì)濾芯更換為強(qiáng)度高的耐腐蝕合金材質(zhì),但濾芯作為一種耗材,需要綜合考慮成本;3)設(shè)置兩級(jí)過(guò)濾操作,先利用壓濾機(jī)過(guò)濾大部分沉淀,再進(jìn)行微孔過(guò)濾器精濾,從而改善微孔過(guò)濾器的使用條件,延長(zhǎng)濾芯的使用壽命。
3.3 pH值調(diào)節(jié)工序
該系統(tǒng)使用濃硫酸進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)。將濃度98%的硫酸送入靜態(tài)混合器中與溶液進(jìn)行初級(jí)混合,再將混合液送入攪拌槽進(jìn)行充分混合,在攪拌槽處設(shè)置pH監(jiān)測(cè)儀,并與濃硫酸調(diào)節(jié)閥連鎖,以控制溶液的pH值。
運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),靜態(tài)混合器出現(xiàn)腐蝕穿孔,這主要是由于濃硫酸與溶液混合時(shí)會(huì)放出大量熱,導(dǎo)致靜態(tài)混合器的進(jìn)酸口處溫度很高。雖然混合器是襯里材質(zhì),但內(nèi)襯材料在高溫下容易發(fā)生變形損壞,硫酸則發(fā)生滲漏和腐蝕。對(duì)此,可以先將濃硫酸配置為濃度約20%的稀硫酸,將大部分的稀釋熱轉(zhuǎn)移出去后,再進(jìn)行pH值的調(diào)節(jié)。
該系統(tǒng)采用pH值自動(dòng)調(diào)節(jié),但調(diào)節(jié)精度并不高,主要由于pH值的反饋具有一定的滯后性,其滯后程度與監(jiān)測(cè)前的混合時(shí)間有關(guān)。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離混酸點(diǎn)太近時(shí),反饋比較及時(shí),但溶液混合得不夠均勻,監(jiān)測(cè)值誤差較大;當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離混酸點(diǎn)太遠(yuǎn)時(shí),雖然溶液混合均勻,但反饋值滯后較大。這種調(diào)節(jié)方式使得實(shí)際pH值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。針對(duì)上述問(wèn)題,可以根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)摸索出波動(dòng)的規(guī)律,并在控制編程中設(shè)置補(bǔ)償量,將pH值波動(dòng)范圍縮小,并且蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)不要求將溶液pH值嚴(yán)格控制在某一固定值。
隨著蒸發(fā)濃縮的進(jìn)行,循環(huán)液的pH值會(huì)逐漸提高達(dá)到11~12,超出了高效結(jié)晶的pH值范圍,因此應(yīng)注意對(duì)循環(huán)液pH值的控制。
4、結(jié)束語(yǔ)
蒸發(fā)結(jié)晶前處理工藝對(duì)溶液的凈化,可以大幅降低系統(tǒng)結(jié)垢、起泡等風(fēng)險(xiǎn),提高元明粉晶體成核和生長(zhǎng)的條件,對(duì)于產(chǎn)品粒徑和純度等有一定的保障。但蒸發(fā)結(jié)晶前處理工藝作為一種事前控制措施,對(duì)雜質(zhì)產(chǎn)生的影響容易出現(xiàn)分析偏差,從而造成前處理不徹底的情況,因此如何針對(duì)三元前驅(qū)體生產(chǎn)廢水的特殊性進(jìn)行設(shè)計(jì),并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整顯得尤為重要,本文希望通過(guò)對(duì)該前處理系統(tǒng)的分析和討論,給類似生產(chǎn)提供一些參考。
值得一提的是,溶液的前處理并不是一勞永逸,處理后殘余的雜質(zhì)仍然會(huì)在循環(huán)濃縮中慢慢積累并造成影響,因此仍需要對(duì)循環(huán)液或離心母液采取凈化措施,即進(jìn)行溶液的后處理,通過(guò)雙重手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。(來(lái)源:中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司)