真空蒸馏回收镍镉电池中镉金属工艺优化模型研究.pdf
环境污染控制技术与装备 卷 真空蒸馏回收镍镉电池中镉金属工艺优化模型研究 (清华大学环境科学与工程系，北京) 摘要 通过正交试验研究了真空蒸馏回收镍镉电池的工艺过程。通过分析温度、压力、蒸馏时间、孔数对镉金属回收率的影响，确定真空蒸馏回收镍镉电池中镉金属的最佳实验条件为温度950℃、压力133Pa、蒸馏12h、孔数4个。在此基础上建立了回收镉金属量的模型，为镍镉电池回收中试奠定了基础。 关键词 真空蒸馏 正交试验 镍镉电池 中图分类号 X705 文献标识码 A 文章编号 (2005) i(g,,),,s,..tors,,,,,vely.,le.;; 资助项目：国家高技术研究发展计划“863”项目) 收稿日期：； 修改日期： 作者简介：陈大阳(1979~)，男，硕士，主要从事固体废物资源化利用研究。
镍镉电池广泛应用于小型充电电池中。我国目前年产镍镉电池3150万～4亿只，销售额达1亿美元，约占世界镍镉电池销售额的6%。随着镍镉电池产量和使用的不断增加，废旧镍镉电池的数量必然会随之增加。同时，由于镍镉电池中含有大量的有价金属元素，如何回收、处理和处置这些废旧镍镉电池一直是世界各国研究的热点问题。自20世纪30年代以来，真空蒸馏技术开始应用于工业，主要应用于真空冶金技术，如高熔点金属及合金材料的真空冶炼。这些对传统金属生产工艺的挑战都表明真空冶金技术在金属材料生产加工中的应用日益广泛和深入。 镉金属的真空蒸馏是根据废旧电池中镍、镉、钴等金属沸点不同，使低沸点的镉金属在低温低压下优先蒸发，而高沸点的杂质则留在残液中，达到分离杂质、提纯镉的目的。鉴于目前我国电池处理的重点放在环境无害化方面，真空蒸馏可以作为研究我国废旧镍镉电池处理处置现状的一种方法。2实验方法：采用真空蒸馏法回收镍镉电池中的镉金属，可以充分发挥真空蒸馏的特点：真空环境下气体稀薄，气压低，有利于金属气化、金属放出气体、反应产气等一切产生气体的过程和反应的进行； 空气中氧气极少，金属在高温下不会或极少发生氧化，产出的金属能稳定存在；真空环境与大气隔绝，相互之间物质交换很少，对环境没有或很少污染。这些特点简化了金属提纯工序，提高了金属回收率，降低了处理成本，有利于环境保护。1实验操作本实验所用的废旧镍镉电池由公司提供，型号：
该种电池主要用作摩托罗拉对讲机的电源，组成电池组使用。所用镍镉电池的尺寸为：直径、高度。去掉电池外面的塑料和底部的连接铁片，清洁电池表面。用直径为的铁钉在电池表面打孔，将整个镍镉电池装入不锈钢管中，再放入一端开口、另一端封闭的石英管中（石英管的尺寸：外径50mm，长度112）。然后，将石英管从封闭端送入电阻炉中。不锈钢管、石英管和电阻炉共同组成真空金属蒸馏装置。试验开始后，真空蒸馏装置的温度由电炉温控器控制；整个系统内部压力的降低由真空泵实现和控制，并用DZ低真空计测量。 在不同的试验条件下，在管式电阻炉中燃烧，然后分析蒸馏残渣和馏出液的组成，确定镉回收的最佳工艺参数，试验装置如图1所示。1主要试验装置本次试验在压力10、20、40、80、133Pa，蒸馏时间3、6、9、12、15h，钉孔数1、2、4、8、16个条件下进行。2试验设计对于蒸馏法回收废旧镍镉电池中镉金属的试验，如果每个因素取5个水平，则综合试验至少需要625次试验，这是不现实的。
此时需要从综合试验的水平组合中选取部分有代表性的测试点进行检测，这就需要设计正交试验，并对其结果进行分析，研究各水平上试验因素及参数的选取如表1所示。3 试验结果为消除试验过程中因蒸馏后镉金属馏出液收集方法带来的误差，将对真空蒸馏后留下的电池残渣重量进行分析。在选定的试验条件下，废镍镉电池中的镉金属和水等挥发性物质会蒸发，剩余的镍、铁、钴等金属仍会残留在废电池中，因此，以电池残渣重量为研究对象来推断蒸馏出的镉金属量是可行的。 由于原电池重量存在差异，分析对象变为剩余电池残渣重量占原电池重量的百分比，数据见表2。1因素水平各水平5次试验中原电池重量占剩余电池百分比的平均值。1156.3557.5156.7660.1657.2656.9756.2255.1256.2356.9256.8752.0355.9355.8656.7251.2756.9255.6956.124数据分析根据对数据的直观分析，24次和25次试验的结果在25次正交试验中是最好的，即原电池重量占剩余电池百分比最小，达到50181%，即蒸馏后的电池残渣 ...镉金属可能达到最大值。
对应的水平组合为：温度950℃，压强80Pa，蒸馏时间h，2孔；温度950℃，压强133Pa，蒸馏时间12h，2孔。还可以看出，蒸馏温度为950℃，平均值为51127％，为表中的最小值；由此可见，在温度、压强、时间和孔数四个因素中，蒸馏温度对废旧镍镉电池中镉金属的回收率影响最大。在蒸馏温度950℃条件下，蒸馏压力在大于80Pa、小于镉金属挥发压强的范围内，不会对镉金属的回收率产生显著影响；蒸馏时间大于h后，对结果也不会产生显著影响；同理，孔数也不会影响镉金属的回收效果。 根据所得到的残渣占原电池平均重量的百分比值，画出关系图，如图2温度曲线，图3压力曲线，曲线4时间曲线，图5孔数，曲线5。可以看出随着温度的升高，残渣重量逐渐减小；在10至133Pa压力范围内，残渣重量波动，先增大，后减小，随后再次增大，在80Pa压力下达到最小；随着加热时间的逐渐增加，残渣重量逐渐减小；随着孔数的增加，即破碎程度的提高，残渣重量也在逐渐减小。
由于废旧镍镉电池中镍、镉、钴、铁等物质的含量是一定的，而在试验选定的温度、压力等条件下，只能蒸馏出镉金属，因此，电池残渣重量的减少可以预示着回收镉金属重量的增加。对于回收比重试验，很容易直观地得出，如果某个因素对回收比重影响很大，那么这个因素就是主要因素，这个因素的不同层次对应的回收比重之间的差异就大；反之，则是次要因素，由它引起的回收比重之间的差异就小。反映到图中，点散布大的因素就是主要因素，点散布小的因素就是次要因素。 从图5可以看出，其主次关系如表3所示。 3 选定因素影响分析 表3 分析结果 12.83 75 最高显著性 低3 可以看出，温度对镉金属回收率的影响最大，其次是加热时间、加热压力和破碎程度。 5 模型分析 1 模型及参数估计 由于试验四个因素间无交互作用，设（温度）五水平主效应为（压力）五水平主效应下的回收率，因此本试验的统计模型为 式中εijkl为试验中的随机误差。本试验进行的25个正交试验的模型如下： 25 其中，