JP2013001990A - Method for recycling waste battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、廃電池から金属含有物質を回収する廃電池のリサイクル方法に関し、さらに詳しくは、廃電池に含まれるリチウムを加熱炉で加熱して炭酸リチウムとして回収する廃乾電池のリサイクル方法に関する。 The present invention relates to a method for recycling a waste battery that recovers a metal-containing substance from a waste battery, and more particularly, to a method for recycling a waste dry battery that recovers lithium contained in the waste battery as lithium carbonate by heating in a heating furnace.
使用済みリチウム電池には、一般的に、金属成分としてリチウムやマンガン、コバルト、ニッケルが含まれる。また、マンガン乾電池は、マンガンや亜鉛、鉄が含まれる、使用済みアルカリマンガン乾電池は、マンガン、亜鉛、鉄、銅が含まれる。このようにリチウム電池やマンガン乾電池、アルカリマンガン乾電池の使用済み電池(以下、これらを総称して「廃電池」という)には、多種の金属成分が含まれており、これらの金属成分の一部は酸化リチウム(Li2O)や二酸化マンガンのように酸化物として含まれている。 A used lithium battery generally contains lithium, manganese, cobalt, and nickel as metal components. The manganese dry battery contains manganese, zinc, and iron. The used alkaline manganese dry battery contains manganese, zinc, iron, and copper. As described above, used batteries such as lithium batteries, manganese dry batteries, and alkaline manganese dry batteries (hereinafter collectively referred to as “waste batteries”) contain various metal components, and some of these metal components are included. Is contained as an oxide such as lithium oxide (Li 2 O) or manganese dioxide.
廃電池は、不燃ゴミとして廃棄されるか、一部の自治体では分別回収される。分別回収された廃電池は、リサイクル処理により、酸化鉄、ソフトフェライト原料または亜鉛等が回収される。 Waste batteries are either discarded as non-combustible waste or collected separately in some local governments. Separately collected waste batteries are recovered from iron oxide, soft ferrite raw material, zinc, or the like by a recycling process.
廃電池のリサイクル方法に関して、特許文献1では、湿式による有価金属の回収方法を記載している。特許文献1に記載の方法では、種々の使用済み電池からマンガン乾電池およびアルカリマンガン乾電池を選別した後、選別した乾電池を破砕して分級することにより、篩上の酸化鉄、プラスチック、紙剤、亜鉛缶等と、篩下の二酸化マンガン、炭素、苛性カリ、塩化亜鉛等に分離する。篩上を磁選して鉄を回収するとともに、篩下の粉粒物を希塩酸により溶解することにより、苛性カリ、塩化亜鉛等を溶解させ、二酸化マンガンおよび炭素を主成分とする残渣を回収するとしている。
Regarding a method for recycling a waste battery,
特許文献1に記載の方法では、鉄および二酸化マンガンならびに炭素からなる残渣を回収するが、希塩酸による溶解およびその後に乾燥を行う必要があることから、回収に必要なコストが増加する。また、有価金属である亜鉛は、回収されることなく廃棄されるので、資源が有効利用されているとはいえない。
In the method described in
次に、特許文献2では、乾式による廃電池のリサイクル方法を提案している。特許文献2が提案する方法では、廃棄物の中から廃電池を分別し、分別された廃電池からマンガン乾電池およびアルカリマンガン乾電池を選別する。選別された廃乾電池をスリットタイプのスクリーンが装着された破砕機を用いて破砕した後、篩い分けにより、篩下の亜鉛および銅を含む粉状物と、篩上に金属鉄、亜鉛および銅を含む粉状物に分級する。篩上をさらに磁選することにより、金属鉄を含む粉状物と、亜鉛および銅を含む粉状物に分離して回収するとしている。
Next,
特許文献2が提案する方法では、回収の対象は金属鉄、亜鉛および銅であり、廃乾電池に多く含有されているマンガンは、回収されることなく廃棄される。
In the method proposed by
さらに、特許文献3は、ソフトフェライト原料の回収を目的とした廃電池のリサイクル方法を開示している。特許文献3が開示する方法では、多種の廃電池の中からマンガン乾電池とアルカリマンガン乾電池を選別するとともに、さらにメーカー別に選別する。選別されたグループごとに、廃電池を破砕した後、篩い分けを行い、篩上に金属鉄、亜鉛缶、炭素棒、紙、プラスチック等を主体とした粉状物を得て、篩下にマンガン酸化物と酸化亜鉛を主体とした粉状物を得る。 Further, Patent Document 3 discloses a method for recycling a waste battery for the purpose of recovering a soft ferrite raw material. In the method disclosed in Patent Document 3, a manganese dry battery and an alkaline manganese dry battery are selected from a variety of waste batteries, and further, are sorted by manufacturer. For each selected group, the waste batteries are crushed and sieved to obtain a powdery product mainly composed of metallic iron, zinc can, carbon rod, paper, plastic, etc. A powdery substance mainly composed of oxide and zinc oxide is obtained.
篩下を水洗して、ナトリウム、カリウム化合物等の不純物を除去した後、加熱された炉で仮焼きを行い、含有されるマンガン酸化物および亜鉛分を酸化マンガン(MnO)および酸化亜鉛(ZnO)とし、その後、粉砕することにより酸化マンガンおよび酸化亜鉛を主体とするソフトフェライト原料を得るとしている。一方、篩上は風ひにより、紙、プラスチックを除去した後、磁選により酸化鉄を主体とする磁性物と、亜鉛缶および炭素棒を主体とする非磁性物に分離する。磁性物は、鉄分を含有しており鉄原料として回収し、非磁性物は破砕し、水洗した後に篩い分けにより亜鉛および炭素をそれぞれ回収するとしている。 After washing under water to remove impurities such as sodium and potassium compounds, calcining is performed in a heated furnace, and the manganese oxide and zinc content contained therein are manganese oxide (MnO) and zinc oxide (ZnO). Then, a soft ferrite raw material mainly composed of manganese oxide and zinc oxide is obtained by grinding. On the other hand, the paper and plastic are removed from the sieve by wind, and then separated by magnetic separation into a magnetic material mainly composed of iron oxide and a non-magnetic material mainly composed of a zinc can and a carbon rod. The magnetic material contains iron, and is recovered as an iron raw material. The non-magnetic material is crushed and washed with water, and then zinc and carbon are recovered by sieving.
特許文献3が開示する方法は、酸化マンガンと酸化亜鉛とからなるソフトフェライト原料、鉄、亜鉛および炭素を回収することができるが、多数の工程を要するので、処理時間および処理コストが問題となる。 The method disclosed in Patent Document 3 can recover a soft ferrite raw material composed of manganese oxide and zinc oxide, iron, zinc, and carbon, but requires a large number of steps, so that processing time and processing cost are problematic. .
上述のように種々の廃電池のリサイクル方法が提案されているが、リサイクル処理が施されるのは、回収された廃乾電池の一部に過ぎない。これは、鉱石から金属鉄等の金属を取り出すより、従来のリサイクル方法により金属を回収する方が処理にコストやエネルギーを要するからである。したがって、分別回収された廃乾電池の多くは、金属鉄等の金属を含有しているにもかかわらず、リサイクルされることなく、不燃ゴミとして処理される。このため、処理に必要なコストおよびエネルギーを抑制した、廃乾電池のリサイクル方法が待望されている。 As described above, various waste battery recycling methods have been proposed, but only a part of the collected waste dry batteries is subjected to the recycling process. This is because it requires more cost and energy to recover the metal by a conventional recycling method than to extract a metal such as metallic iron from the ore. Therefore, most of the waste batteries collected and collected are treated as non-combustible garbage without being recycled, despite containing metals such as metallic iron. For this reason, the recycling method of a waste dry battery which suppressed the cost and energy required for a process is awaited.
また、使用済みマンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池は、製鉄原料となるマンガンおよび鉄を多く含むが、廃電池から鉄鋼原料として有害な亜鉛を除去しても鉄鋼業に用いることは困難である。これは、使用済みマンガン乾電池およびアルカリマンガン乾電池から得られる製鉄原料は、含まれるマンガンや鉄が酸化物である割合が大きく、金属である割合が小さいことから、高炉や転炉に用いた場合にこれらを還元するために大量の燃料を投入する必要があり、高炉や転炉でのエネルギーコストが増加する。さらに輸送コストやハンドリングコスト等を勘案すると工業的に実施するのは困難だからである。 Moreover, although a used manganese dry battery and an alkaline manganese dry battery contain much manganese and iron used as an iron-making raw material, even if harmful zinc is removed from a waste battery as a steel raw material, it is difficult to use it in the steel industry. This is because iron-making raw materials obtained from used manganese dry batteries and alkaline manganese dry batteries have a large proportion of manganese and iron contained in oxides and a small proportion of metals, so when used in blast furnaces and converters. In order to reduce these, it is necessary to input a large amount of fuel, which increases energy costs in the blast furnace and converter. Furthermore, it is difficult to implement industrially considering transportation costs and handling costs.
特許文献4では、移動型炉床炉内(回転炉床炉内)の移動床上に石炭といった炭材を積載し、その上に高炉ダスト、焼結粉および廃電池を積載した状態で、加熱することにより亜鉛といった高揮発性金属を揮発させ、炉の排ガスから回収するとともに、その他の低揮発性の金属成分を移動床上で回収する廃電池のリサイクル方法が記載されている。 In Patent Document 4, a carbon material such as coal is loaded on a moving bed in a movable hearth furnace (rotary hearth furnace), and heating is performed in a state where blast furnace dust, sintered powder, and a waste battery are loaded thereon. Thus, a method for recycling a waste battery is described in which a highly volatile metal such as zinc is volatilized and recovered from the exhaust gas of the furnace, and other low-volatile metal components are recovered on the moving bed.
特許文献4に記載される廃電池のリサイクル方法は、廃電池を破砕することなく移動床上に積載するので、移動床上から回収される低揮発性金属も筒状の形状となり、利用する際に運搬などで困難を生じる。この場合、移動型炉床炉で加熱温度を高温にすることにより、低揮発性金属の鉄が浸炭により融点が低下し、溶融して形状の異なるものが混ざり合って、利用しやすくなるとしている。しかし、浸炭により低揮発性金属の鉄が溶融するとされた実施例では、加熱温度が1500℃と極めて高温であり、エネルギーコストが問題となる。 Since the waste battery recycling method described in Patent Document 4 is loaded on the moving floor without crushing the waste battery, the low-volatile metal recovered from the moving floor also has a cylindrical shape and is transported when used. It causes difficulties. In this case, by raising the heating temperature in the mobile hearth furnace, the melting point of the low-volatile metal iron is lowered by carburization, and melted and different shapes are mixed together, making it easier to use. . However, in an embodiment in which iron of low volatility metal is melted by carburization, the heating temperature is as high as 1500 ° C., and the energy cost becomes a problem.
また、廃電池を破砕することなく移動床上に積載して加熱するので、廃電池に含まれるマンガンや鉄の酸化物の大部分は還元されない。このため、移動床上からの回収されるマンガンや鉄は、酸化物の含有率が高いことから、高炉や転炉に用いることは困難である。 In addition, since the waste battery is loaded on the moving bed and heated without being crushed, most of the oxides of manganese and iron contained in the waste battery are not reduced. For this reason, manganese and iron recovered from the moving bed have a high oxide content and are difficult to use in a blast furnace or converter.
特許文献4に記載される廃電池のリサイクル方法は、廃電池が使用済みリチウム電池である場合も同様に、リチウム電池に含まれるマンガン酸化物の大部分が還元されないので問題となる。また、リチウム電池に含まれる金属リチウムおよび酸化リチウムは、沸点が高く、破砕されることなく移動床上に積載されることから、揮発することなく移動床上に残存し易い。さらに、一部の廃電池が破壊されて金属リチウムおよび酸化リチウムが揮発するとしても、高温に加熱する必要があり、耐火物等も勘案すると工業的に実施することは困難である。これらから、特許文献4に記載される廃電池のリサイクル方法では、リチウム電池に含まれるリチウムの回収率が低下する。 The recycling method of the waste battery described in Patent Document 4 is problematic even when the waste battery is a used lithium battery, because most of the manganese oxide contained in the lithium battery is not reduced. Moreover, since the metal lithium and lithium oxide contained in a lithium battery have a high boiling point and are loaded on the moving bed without being crushed, they are likely to remain on the moving bed without volatilization. Furthermore, even if some waste batteries are destroyed and metal lithium and lithium oxide volatilize, it is necessary to heat to high temperature, and it is difficult to implement industrially considering refractories and the like. From these, in the recycling method of the waste battery described in Patent Document 4, the recovery rate of lithium contained in the lithium battery is lowered.
前述の通り、従来の廃電池のリサイクル方法は、処理に要するコストおよびエネルギーが問題となり、分別回収された廃電池の一部にしか適用されず、大部分の廃乾電池は不燃ゴミとして処理されている。また、廃電池から亜鉛を除去することにより、鉄およびマンガンを主とした製鉄原料を得ることができるが、マンガンや鉄の酸化物の割合が高いことから、高炉や転炉に用いることは困難である。さらに、廃電池に含まれるリチウムについては、前記特許文献4に記載される廃電池のリサイクル方法で検討されているが、リチウムの回収率が低い。 As described above, the cost and energy required for the conventional waste battery recycling method are problematic, and can be applied only to a part of the separately collected waste batteries, and most of the waste dry batteries are treated as noncombustible waste. Yes. Moreover, by removing zinc from waste batteries, it is possible to obtain iron-making raw materials mainly composed of iron and manganese, but because of the high proportion of manganese and iron oxides, it is difficult to use them in blast furnaces and converters. It is. Furthermore, lithium contained in the waste battery has been studied by the waste battery recycling method described in Patent Document 4, but the lithium recovery rate is low.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、処理に要するコストおよびエネルギーを抑制できるとともに、廃電池に含まれるリチウムの回収率を向上できる廃電池のリサイクル方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such a situation, and provides a recycling method of a waste battery that can reduce the cost and energy required for processing and can improve the recovery rate of lithium contained in the waste battery. It is aimed.
一貫製鉄所および電気炉で発生するダストやスラッジの処理において、ロータリーキルンにより、鉄鋼原料として有害な亜鉛を除去して粗粒状の酸化亜鉛として回収するとともに、酸化鉄を還元して製鉄原料を得る方法が用いられている。 In the treatment of dust and sludge generated in integrated steelworks and electric furnaces, a rotary kiln removes harmful zinc as a steel raw material and recovers it as coarse granular zinc oxide, while reducing iron oxide to obtain a steelmaking raw material Is used.
本発明者らは、ロータリーキルンを用い、リチウム電池の廃電池を破砕した破砕物からリチウムを回収する方法について検討した。 The present inventors examined a method for recovering lithium from a crushed material obtained by crushing a lithium battery waste battery using a rotary kiln.
図1は、使用済みリチウム電池に含まれる金属成分に関連する金属リチウム、金属マンガン、酸化リチウム(Li2O)、金属コバルト、金属ニッケルの温度(℃)と蒸気圧(atm)の関係を示す図である。同図より、沸点は、金属リチウムが1330℃、金属マンガン2060℃、酸化リチウムが2600℃、金属コバルトが2927℃、金属ニッケルが2920℃であることから、1330℃以上で破砕物を加熱すると、蒸発により金属リチウムを回収できることが確認される。 FIG. 1 shows the relationship between the temperature (° C.) and vapor pressure (atm) of metallic lithium, metallic manganese, lithium oxide (Li 2 O), metallic cobalt, and metallic nickel related to metallic components contained in a used lithium battery. FIG. From the figure, the boiling point is 1330 ° C. for metallic lithium, 2060 ° C. for metallic manganese, 2600 ° C. for lithium oxide, 2927 ° C. for metallic cobalt, and 2920 ° C. for metallic nickel. It is confirmed that metal lithium can be recovered by evaporation.
しかしながら、本発明者らが試験を行ったところ、リチウムは、加熱すると燃焼して酸化リチウムとなり易いことから、蒸発により回収することが困難であることが判明した。この酸化リチウムは、前記図1に示すように2600℃と沸点が高いことから、蒸発により回収することは困難である。また、金属リチウム(Li)は融点が約180℃であることから、雰囲気を還元性にすることにより含まれるリチウムを液体として回収することを試みた。しかし、この場合は、液体としたリチウムが他の金属と反応して化合物を生成することから、液体として回収することは困難である。そこで、本発明者らは、リチウムを工業的に重要な化合物である炭酸リチウムにして回収することを検討した。 However, as a result of tests conducted by the present inventors, it has been found that lithium is difficult to recover by evaporation because it is liable to burn and become lithium oxide when heated. Since this lithium oxide has a boiling point as high as 2600 ° C. as shown in FIG. 1, it is difficult to recover it by evaporation. Moreover, since metallic lithium (Li) has a melting point of about 180 ° C., an attempt was made to recover lithium contained therein as a liquid by making the atmosphere reducible. However, in this case, since the liquid lithium reacts with other metals to form a compound, it is difficult to recover the liquid. Therefore, the present inventors have studied to recover lithium as lithium carbonate, which is an industrially important compound.
図2は、使用済みリチウム電池に含まれる金属成分による反応が平衡となる温度と雰囲気条件との関係を示す図である。同図では、曲線C1が酸化リチウムから炭酸リチウムが生成される反応が平衡となる温度とCO2分圧の関係を示す。また、曲線C2は金属コバルトが酸化する反応が平衡となる温度と、CO2分圧PCO2(atm)とCO分圧PCO(atm)により表されるPCO2/(PCO2+PCO)との関係を示す。曲線C3は金属ニッケルが酸化する反応が平衡となる温度とPCO2/(PCO2+PCO)との関係を示す。さらに、同図に示すように、金属マンガンが酸化する反応が平衡となるPCO2/(PCO2+PCO)は、ほぼ0(ゼロ)である。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the temperature at which the reaction by the metal component contained in the used lithium battery becomes equilibrium and the atmospheric conditions. In the figure, curve C1 shows the relationship between the temperature at which the reaction of producing lithium carbonate from lithium oxide is balanced and the CO 2 partial pressure. Curve C2 shows the temperature at which the reaction of oxidizing metallic cobalt is in equilibrium, and CO 2 partial pressure P CO2 (atm) and P CO2 / (P CO2 + P CO ) expressed by CO partial pressure P CO (atm). The relationship is shown. Curve C3 shows the relationship between the temperature at which the reaction of oxidizing metallic nickel is in equilibrium and P CO2 / (P CO2 + P CO ). Further, as shown in the figure, P CO2 / (P CO2 + P CO ) at which the reaction of oxidizing metal manganese is in equilibrium is almost 0 (zero).
同図から、本発明者らは、破砕物を加熱する際に温度、CO2分圧およびPCO2/(PCO2+PCO)を所定の条件とすることにより、酸化リチウムを炭酸リチウムとして回収できることを知見した。さらに、破砕物を加熱する際に温度を1320℃以上とすれば、発生した炭酸リチウムを蒸発により容易に分離回収できることを知見した。 From the figure, the present inventors can recover lithium oxide as lithium carbonate by heating the crushed material by setting the temperature, CO 2 partial pressure, and P CO2 / (P CO2 + P CO ) as predetermined conditions. I found out. Furthermore, it has been found that if the temperature is set to 1320 ° C. or higher when the crushed material is heated, the generated lithium carbonate can be easily separated and recovered by evaporation.
次に、本発明者らは、ロータリーキルンを用い、マンガン乾電池およびアルカリマンガン乾電池の廃電池を破砕した破砕物でマンガンの還元率を向上する方法について検討した。 Next, the present inventors examined a method for improving the reduction rate of manganese with a crushed material obtained by crushing a waste battery of a manganese dry battery and an alkaline manganese dry battery using a rotary kiln.
図3は、使用済みマンガン乾電池に含まれる金属成分に関連する金属鉄、金属マンガン、金属亜鉛の温度(℃)と蒸気圧(atm)の関係を示す図である。同図より、沸点は、鉄が3070℃、マンガン2060℃、亜鉛が906℃であることから、906℃以上で廃電池を加熱することにより、蒸発により亜鉛を回収できることが確認できる。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the temperature (° C.) and vapor pressure (atm) of metallic iron, metallic manganese, and metallic zinc related to the metallic components contained in a used manganese dry battery. From the figure, since the boiling points are 3070 ° C. for iron, 2060 ° C. for manganese, and 906 ° C. for zinc, it can be confirmed that zinc can be recovered by evaporation by heating the waste battery at 906 ° C. or higher.
図4は、マンガン酸化物の還元反応および黒鉛から一酸化炭素が生成する反応が平衡となる温度と酸素分圧の関係を示す図である。同図では、実線で示すグラフは、黒鉛(C)によるマンガン酸化物の還元反応において、マンガンの還元率が100質量%となる場合の温度と酸素分割の関係を示し、点線で示すグラフは、下記(1)反応式に示す黒鉛から一酸化炭素が生成する反応が平衡となる温度と酸素分圧の関係を示す。また、同図では、一点鎖線で示すグラフは、黒鉛によるマンガン酸化物の還元反応において、マンガンの還元率が1質量%、10質量%、20質量%または50質量%となる場合の温度と酸素分圧の関係をそれぞれ示す。
C+1/2O2=2CO ・・・(1)
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the oxygen partial pressure and the temperature at which the reduction reaction of manganese oxide and the reaction of generating carbon monoxide from graphite are in equilibrium. In the same figure, the graph shown with a solid line shows the relationship between the temperature and oxygen splitting when the reduction rate of manganese is 100% by mass in the reduction reaction of manganese oxide with graphite (C), and the graph shown with a dotted line is The relationship between the temperature at which the reaction for producing carbon monoxide from graphite shown in the following reaction formula (1) is balanced and the oxygen partial pressure is shown. Moreover, in the same figure, the graph shown with a dashed-dotted line shows the temperature and oxygen when the reduction rate of manganese becomes 1 mass%, 10 mass%, 20 mass%, or 50 mass% in the reduction reaction of manganese oxide by graphite. The relationship of partial pressure is shown respectively.
C + 1 / 2O 2 = 2CO (1)
同図の黒鉛によるマンガン酸化物の還元反応を示すグラフと、前記(1)反応式に示す反応の平衡を示すグラフから、酸素分圧を前記(1)反応式に示す反応が平衡になる条件とした場合、雰囲気が1417℃を超えると、黒鉛によるマンガン酸化物の還元反応によりマンガンの還元率が100質量%になることが確認できる。ここで、鉄の融点は1538℃であるが、鉄が浸炭された場合は1153℃で溶融する。この浸炭されて溶融した鉄に、マンガン酸化物が溶解して還元されることから、1417℃以下でもマンガン酸化物を還元することは可能である。 From the graph showing the reduction reaction of manganese oxide by graphite and the graph showing the equilibrium of the reaction shown in the above (1) reaction formula, the oxygen partial pressure is a condition for the reaction shown in the above (1) reaction formula to be in equilibrium. When the atmosphere exceeds 1417 ° C., it can be confirmed that the reduction rate of manganese becomes 100% by mass due to the reduction reaction of manganese oxide by graphite. Here, the melting point of iron is 1538 ° C., but when iron is carburized, it melts at 1153 ° C. Since manganese oxide is dissolved and reduced in the carburized and melted iron, it is possible to reduce manganese oxide even at 1417 ° C. or lower.
ただし、1417℃以下でマンガン酸化物を還元する場合、二酸化マンガンの溶解量は温度に制約されることから、マンガンの還元率も制限される。同図のマンガンの還元率が50質量%、20質量%、10質量%の場合を示すグラフと、前記(1)反応式に示す反応の平衡を示すグラフとから、マンガンの還元率は、1390℃で50質量%、1333℃で20質量%、1293℃で10質量%に制限されることが確認できる。 However, when reducing manganese oxide at 1417 ° C. or lower, the amount of manganese dioxide dissolved is limited by temperature, so the reduction rate of manganese is also limited. From the graph showing the reduction rate of manganese of 50% by mass, 20% by mass, and 10% by mass in the same figure, and the graph showing the equilibrium of the reaction shown in the above (1) reaction formula, the reduction rate of manganese is 1390. It can be confirmed that the temperature is limited to 50% by mass at 20 ° C., 20% by mass at 1333 ° C., and 10% by mass at 1293 ° C.
これらを基に鋭意検討を重ねた結果、本発明者らは、マンガンを含む破砕物を加熱炉で加熱処理する際に温度と雰囲気の酸素分圧とを所定の条件にすることにより、マンガンおよび鉄の還元率を向上できることを知見した。 As a result of intensive studies based on these results, the present inventors have made manganese and pulverized materials containing manganese and oxygen by setting the temperature and the oxygen partial pressure of the atmosphere to predetermined conditions when heat-treating in a heating furnace. It was found that the reduction rate of iron can be improved.
本発明は、これらの知見に基づいて完成したものであり、下記(1)〜(6)の廃電池のリサイクル方法を要旨としている。 The present invention has been completed on the basis of these findings, and has the gist of the following (1) to (6) waste battery recycling methods.
(1)廃電池を破砕した破砕物に加熱炉で加熱する第1加熱処理を施し、当該破砕物から金属含有物質を回収する廃電池のリサイクル方法であって、前記破砕物としてリチウムを含む破砕物を用い、前記第1加熱処理を、最高温度T1(℃)を730℃以上とするとともに、雰囲気をCO2分圧PCO2(atm)とCO分圧PCO(atm)により表されるPCO2/(PCO2+PCO)が下記(1)式を満たし、かつ、CO2分圧PCO2(atm)が下記(2)式を満たす条件で施し、前記金属含有物質を回収する際に炭酸リチウムを回収することを特徴とする廃電池のリサイクル方法(以下、「本発明の第1実施形態のリサイクル方法」とも呼ぶ)。
PCO2/(PCO2+PCO)<1/(1+exp(−ΔG0 A/(R・(T1+273.15))) ・・・(1)
PCO2>exp(ΔG0 B/(R・(T1+273.15)) ・・・(2)
ただし、
ΔG0 A=(−468200+140.98(T1+273.15))/2−(−565160+172.03(T1+273.15))/2 ・・・(3)
ΔG0 B=−153750+85.87(T1+273.15) ・・・(4)
R:気体定数
(1) A waste battery recycling method in which a crushed material obtained by pulverizing a waste battery is subjected to a first heat treatment that is heated in a heating furnace, and a metal-containing material is recovered from the crushed material, the crushed material containing lithium as the crushed material In the first heat treatment, the maximum temperature T1 (° C.) is set to 730 ° C. or higher, and the atmosphere is expressed by CO 2 partial pressure P CO2 (atm) and CO partial pressure P CO (atm). When CO2 / (P CO2 + P CO ) satisfies the following formula (1) and CO 2 partial pressure P CO2 (atm) satisfies the following formula (2), carbon dioxide is collected when the metal-containing substance is recovered. A method of recycling a waste battery characterized by recovering lithium (hereinafter also referred to as “the recycling method of the first embodiment of the present invention”).
P CO2 / (P CO2 + P CO ) <1 / (1 + exp (−ΔG 0 A /(R·(T1+273.15))) (1)
P CO2 > exp (ΔG 0 B /(R·(T1+273.15)) (2)
However,
ΔG 0 A = (− 468200 + 140.98 (T1 + 273.15)) / 2 − (− 565160 + 172.03 (T1 + 273.15)) / 2 (3)
ΔG 0 B = −153750 + 85.87 (T1 + 273.15) (4)
R: Gas constant
(2)前記最高温度T1を1320℃以上とし、前記炭酸リチウムを回収する際に、前記第1加熱処理により発生したガスから炭酸リチウムを回収することを特徴とする上記(1)に記載の廃電池のリサイクル方法。 (2) The waste according to (1) above, wherein the maximum temperature T1 is set to 1320 ° C. or higher, and lithium carbonate is recovered from the gas generated by the first heat treatment when the lithium carbonate is recovered. How to recycle batteries.
(3)上記(1)または(2)に記載の廃電池のリサイクル方法において、さらに前記第1加熱処理を経た破砕物からマンガン、鉄、コバルトおよびニッケルのうちのいずれか1種以上を回収することを特徴とする廃電池のリサイクル方法。 (3) In the recycling method for waste batteries described in (1) or (2) above, any one or more of manganese, iron, cobalt, and nickel is recovered from the crushed material that has undergone the first heat treatment. A method for recycling waste batteries characterized by the above.
(4)廃電池を破砕した破砕物を加熱炉で加熱することにより、前記破砕物に含有される低沸点金属を蒸発させるとともに、前記破砕物に含有される高沸点金属の酸化物を還元させ、さらに発生したガスから低沸点金属を回収する第2加熱処理と、前記第2加熱処理を経た破砕物から高沸点金属を回収する回収処理とを含む廃電池のリサイクル方法であって、前記破砕物がマンガンを含み、前記第2加熱処理を、最高温度T2(℃)を1200℃以上とし、かつ、雰囲気の酸素分圧PO2(atm)を下記(3)式を満たす条件として施すことを特徴とする廃電池のリサイクル方法(以下、「本発明の第2実施形態のリサイクル方法」とも呼ぶ)。
log(PO2)≦0.008・T2−26.6 ・・・(5)
(4) By heating the crushed product obtained by crushing the waste battery in a heating furnace, the low boiling point metal contained in the crushed product is evaporated and the oxide of the high boiling point metal contained in the crushed product is reduced. Further, the waste battery recycling method includes a second heat treatment for recovering low-boiling point metal from the generated gas and a recovery process for recovering high-boiling point metal from the crushed material that has undergone the second heat treatment, The object contains manganese, and the second heat treatment is performed under the condition that the maximum temperature T2 (° C.) is 1200 ° C. or more and the oxygen partial pressure P O2 (atm) of the atmosphere satisfies the following expression (3). A featured recycling method for waste batteries (hereinafter also referred to as “the recycling method of the second embodiment of the present invention”).
log (P O2 ) ≦ 0.008 · T2-26.6 (5)
(5)廃電池を破砕した破砕物であって、リチウムおよびマンガンを含む破砕物を、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の廃電池のリサイクル方法により処理した後、さらに上記(4)に記載の廃電池のリサイクル方法により処理することを特徴とする廃電池のリサイクル方法。 (5) A crushed material obtained by crushing a waste battery, wherein the crushed material containing lithium and manganese is treated by the method for recycling a waste battery according to any one of the above (1) to (3), and then the above ( A method for recycling a waste battery, characterized by being treated by the method for recycling a waste battery described in 4).
(6)前記加熱炉として、ロータリーキルンを用いることを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれかに記載の廃電池のリサイクル方法。 (6) The method for recycling a waste battery according to any one of (1) to (5) above, wherein a rotary kiln is used as the heating furnace.
本発明において「高沸点金属」とは、沸点が1200℃以上の金属をいい、例えば、マンガン、鉄およびニッケルが該当する。また、「低沸点金属」とは、沸点が1200℃未満の金属をいうとともに、1200℃において蒸気圧が10-5atm以上の金属を含む。低沸点金属として、例えば、亜鉛、水銀および鉛が該当する。ただし、リチウムは1200℃における蒸気圧が10-5atm以上であるが、加熱して高温にすると燃焼し易いことから、低沸点金属に含まないものとする。 In the present invention, the “high boiling point metal” refers to a metal having a boiling point of 1200 ° C. or higher, for example, manganese, iron and nickel. The “low boiling point metal” means a metal having a boiling point of less than 1200 ° C. and includes a metal having a vapor pressure of 10 −5 atm or more at 1200 ° C. Examples of the low boiling point metal include zinc, mercury, and lead. However, lithium has a vapor pressure at 1200 ° C. of 10 −5 atm or more, but is not included in the low boiling point metal because it is easily combusted when heated to a high temperature.
本発明の廃電池のリサイクル方法によれば、リチウムを含む破砕物に第1加熱処理を施すことにより、リチウムを炭酸リチウムとして回収することができるとともに、リチウムの回収率を向上させることができる。また、マンガンを含む破砕物に第2加熱処理を施すことにより、マンガンおよび鉄の酸化物を還元し、回収されるマンガンおよび鉄の還元率を向上させることができる。 According to the method for recycling a waste battery of the present invention, by subjecting a crushed material containing lithium to a first heat treatment, lithium can be recovered as lithium carbonate and the lithium recovery rate can be improved. Moreover, by applying the second heat treatment to the crushed material containing manganese, it is possible to reduce the oxides of manganese and iron and improve the reduction rate of the recovered manganese and iron.
1.リチウムを含む破砕物の処理
前述のとおり、本発明の第1実施形態のリサイクル方法は、廃電池を破砕した破砕物に加熱炉で加熱する第1加熱処理を施し、当該破砕物から金属含有物質を回収する廃電池のリサイクル方法であって、破砕物としてリチウムを含む破砕物を用い、第1加熱処理を、最高温度T1(K)を730℃以上とするとともに、雰囲気をCO2分圧PCO2(atm)とCO分圧PCO(atm)により表されるPCO2/(PCO2+PCO)が前記(1)式を満たし、かつ、CO2分圧PCO2(atm)が前記(2)式を満たす条件で施し、金属含有物質を回収する際に炭酸リチウムを回収することを特徴とする。
1. Treatment of Crushed Material Containing Lithium As described above, the recycling method according to the first embodiment of the present invention performs the first heat treatment of heating the crushed material obtained by pulverizing the waste battery in a heating furnace, from the crushed material, the metal-containing material. Waste battery recycling method that uses lithium crushed material as a crushed material, the first heat treatment is performed at a maximum temperature T1 (K) of 730 ° C. or higher, and the atmosphere is CO 2 partial pressure P P CO2 / (P CO2 + P CO ) expressed by CO2 (atm) and CO partial pressure P CO (atm) satisfies the above equation (1), and the CO 2 partial pressure P CO2 (atm) is (2 The lithium carbonate is recovered when the metal-containing material is recovered under the conditions satisfying the above formula.
破砕することなく廃電池に加熱処理を施すと、廃電池に含まれるリチウム等の金属およびその酸化物は密閉された容器内に含まれることから、反応が進行し難いとともに、蒸発により回収することが困難になる。この場合、加熱処理での最高温度を高温にすることにより、反応の進行および蒸発による回収を促進することもできるが、エネルギーコストや加熱炉に要する設備コストが問題となる。このため、本発明では、廃電池を破砕して破砕物とし、この破砕物に加熱処理を施す。これにより、加熱炉内での反応の進行および蒸発による回収を促進できる。廃電池の破砕は、廃電池の容器内に存在するリチウム等の金属およびその酸化物が雰囲気と反応したり、蒸発したりできる程度に適宜行えばよい。廃電池の破砕は、例えば、ダブルロールクラッシャーやハンマークラッシャーにより行うことができる。 If the waste battery is heat-treated without being crushed, the metal such as lithium and its oxide contained in the waste battery are contained in a sealed container, so that the reaction does not proceed easily and is recovered by evaporation. Becomes difficult. In this case, the reaction temperature and recovery by evaporation can be promoted by increasing the maximum temperature in the heat treatment, but the energy cost and the equipment cost required for the heating furnace become problems. For this reason, in this invention, a waste battery is crushed and made into a crushed material, and this crushed material is heat-processed. Thereby, the progress of the reaction in the heating furnace and the recovery by evaporation can be promoted. The crushing of the waste battery may be appropriately performed to such an extent that a metal such as lithium and its oxide existing in the container of the waste battery can react with the atmosphere or evaporate. The waste battery can be crushed by, for example, a double roll crusher or a hammer crusher.
最高温度T1を730℃以上とするとともに、雰囲気をCO2分圧PCO2(atm)とCO分圧PCO(atm)により表されるPCO2/(PCO2+PCO)が前記(1)式を満たし、かつ、CO2分圧PCO2(atm)が前記(2)式を満たす条件で加熱処理をリチウムを含む破砕物に施す。すなわち、雰囲気が前記図2に示す曲線C1とC2とで挟まれた領域(同図でハッチングを施した領域)内となる条件とし、つまり、酸化性雰囲気とする。これにより、破砕物に含まれる酸化リチウムから液体または気体の炭酸リチウムが生成する。一方、最高温度T1が730℃未満であると、炭酸リチウムの融点が723℃であることから、生成する炭酸リチウムを液体または気体として回収することが困難となる。 The maximum temperature T1 is set to 730 ° C. or higher, and the atmosphere is expressed by the equation (1) where P CO2 / (P CO2 + P CO ) expressed by CO 2 partial pressure P CO2 (atm) and CO partial pressure P CO (atm) And the crushed material containing lithium is subjected to heat treatment under the condition that the CO 2 partial pressure P CO2 (atm) satisfies the above-mentioned formula (2). In other words, the conditions are such that the atmosphere is within the region sandwiched between the curves C1 and C2 shown in FIG. 2 (the hatched region in FIG. 2), that is, an oxidizing atmosphere. Thereby, liquid or gaseous lithium carbonate produces | generates from the lithium oxide contained in a crushed material. On the other hand, when the maximum temperature T1 is less than 730 ° C., the melting point of lithium carbonate is 723 ° C., so that it is difficult to recover the generated lithium carbonate as a liquid or gas.
最高温度T1が1320℃未満の場合は、発生する炭酸リチウムは液体であることから、破砕物に酸化物として含まれるリチウムを第1加熱処理を経た破砕物から炭酸リチウムとして回収することができる。一方、最高温度T1が1320℃以上の場合は、発生する炭酸リチウムは蒸発して気体となることから、破砕物に酸化物として含まれるリチウムを第1加熱処理で発生したガスから炭酸リチウムとして回収することができる。 When the maximum temperature T1 is less than 1320 ° C., the generated lithium carbonate is a liquid, so that lithium contained as an oxide in the crushed material can be recovered as lithium carbonate from the crushed material after the first heat treatment. On the other hand, when the maximum temperature T1 is 1320 ° C. or higher, the generated lithium carbonate evaporates into a gas, so that lithium contained as oxides in the crushed material is recovered as lithium carbonate from the gas generated in the first heat treatment. can do.
また、破砕物に金属として含まれるリチウムも、上述したように最高温度T1を730℃以上とするとともに、酸化性雰囲気とすることにより、炭酸リチウムとして回収することができる。 In addition, lithium contained as a metal in the crushed material can be recovered as lithium carbonate by setting the maximum temperature T1 to 730 ° C. or higher as described above and making it an oxidizing atmosphere.
前記図2に示すとおり、使用済みリチウム電池を破砕した破砕物に主に金属として含まれるコバルトは、加熱処理により酸化されることなく、金属コバルトのままである。また、使用済みリチウム電池を破砕した破砕物に主に金属として含まれるニッケルは、加熱処理により酸化されることなく、金属ニッケルのままである。使用済みリチウム電池を破砕した破砕物に主として酸化物として含まれるマンガンは、還元されることなく、酸化物のままである。 As shown in FIG. 2, cobalt mainly contained as a metal in a crushed material obtained by crushing a used lithium battery remains as metallic cobalt without being oxidized by heat treatment. Moreover, nickel mainly contained as a metal in a crushed material obtained by crushing a used lithium battery remains as metallic nickel without being oxidized by heat treatment. Manganese contained mainly as an oxide in the crushed material obtained by crushing a used lithium battery remains an oxide without being reduced.
本発明の第1実施形態のリサイクル方法は、最高温度T1を1320℃以上とし、炭酸リチウムを回収する際に、第1加熱処理により発生したガスから炭酸リチウムを回収するのが好ましい。これにより、効率よく炭酸リチウムを回収できるからである。一方、最高温度を高くし過ぎると、加熱炉の溶損を防止するための設備コストや保守コストが問題となることから、最高温度T1は1400℃未満とするのが好ましい。 In the recycling method of the first embodiment of the present invention, it is preferable that the maximum temperature T1 is set to 1320 ° C. or higher, and lithium carbonate is recovered from the gas generated by the first heat treatment when recovering lithium carbonate. This is because lithium carbonate can be efficiently recovered. On the other hand, if the maximum temperature is set too high, equipment costs and maintenance costs for preventing melting loss of the heating furnace become problems, and therefore it is preferable that the maximum temperature T1 be less than 1400 ° C.
破砕物に酸化物または金属として含まれる鉄は、沸点が高いことから、蒸発することなく破砕物に残存する。 Since iron contained in the crushed material as an oxide or metal has a high boiling point, it remains in the crushed material without evaporating.
破砕物に酸化物として含まれる亜鉛は、加熱炉内に発生した一酸化炭素ガスまたは水素ガスと反応し、還元されて金属化する。この還元された亜鉛および破砕物に金属として含まれる亜鉛は、沸点が907℃と低いことから、最高温度T1が1320℃以上の場合は昇温により蒸発する。蒸発した亜鉛は雰囲気中の酸素と反応して酸化され、酸化亜鉛(ZnO)粒子となり、第1加熱処理により発生したガスから回収できる。 Zinc contained as an oxide in the crushed material reacts with carbon monoxide gas or hydrogen gas generated in the heating furnace, and is reduced to be metallized. Since the reduced zinc and zinc contained as a metal in the crushed material have a boiling point as low as 907 ° C., they evaporate when the maximum temperature T1 is 1320 ° C. or higher. The evaporated zinc reacts with oxygen in the atmosphere and is oxidized to become zinc oxide (ZnO) particles, which can be recovered from the gas generated by the first heat treatment.
破砕物に酸化物として含まれる鉛は、加熱炉内に発生した一酸化炭素ガスまたは水素ガスと反応し、還元されて金属化する。破砕物に金属として含まれる鉛は、沸点が1749℃と高いが、亜鉛の沸点(907℃)付近の温度で蒸気圧が高いことから、最高温度T1が1320℃以上の場合は、蒸発し易い。したがって、この還元された鉛および破砕物に金属として含まれる鉛は、昇温により蒸発し、雰囲気との反応により酸化されて粒子となり、第1加熱処理により発生したガスから回収できる。 Lead contained as oxides in the crushed material reacts with carbon monoxide gas or hydrogen gas generated in the heating furnace, and is reduced to be metallized. Lead contained in the crushed metal as a metal has a boiling point as high as 1749 ° C., but since the vapor pressure is high at a temperature near the boiling point of zinc (907 ° C.), it tends to evaporate when the maximum temperature T1 is 1320 ° C. or higher. . Therefore, the reduced lead and the lead contained as a metal in the crushed material are evaporated by raising the temperature, oxidized by reaction with the atmosphere to become particles, and can be recovered from the gas generated by the first heat treatment.
このように破砕物に第1加熱処理を施すことにより、破砕物に含まれるリチウムをはじめとして、亜鉛や鉛を発生するガスから回収することができる。一方、第1加熱処理を経た破砕物には、コバルトやニッケル、鉄、マンガンの金属および酸化物が含まれる。このため、本発明の第1実施形態のリサイクル方法は、さらに第1加熱処理を経た破砕物からマンガン、鉄、コバルトおよびニッケルを回収することができる。 Thus, by performing 1st heat processing to a crushed material, it can collect | recover from the gas which generate | occur | produces zinc and lead including lithium contained in a crushed material. On the other hand, the crushed material that has undergone the first heat treatment includes metals and oxides of cobalt, nickel, iron, and manganese. For this reason, the recycling method of 1st Embodiment of this invention can collect | recover manganese, iron, cobalt, and nickel from the crushed material which passed through 1st heat processing further.
マンガン乾電池の一部は水銀を含有することから、マンガン乾電池を破砕した破砕物は水銀を含む場合がある。水銀は沸点が356℃と低いことから、還元された水銀および破砕物に金属として含まれる水銀は、昇温により蒸発する。蒸発した水銀は、雰囲気と反応して酸化され、酸化水銀の粒子となる。したがって、本発明の第1実施形態のリサイクル方法は、破砕物に含まれる水銀を、第1加熱処理により発生したガスから酸化水銀として回収でき、水銀を含むマンガン乾電池も処理することができる。 Since some manganese batteries contain mercury, the crushed material obtained by crushing manganese batteries may contain mercury. Since mercury has a low boiling point of 356 ° C., the reduced mercury and mercury contained as a metal in the crushed material evaporate when the temperature rises. The evaporated mercury reacts with the atmosphere and is oxidized to form mercury oxide particles. Therefore, the recycling method of the first embodiment of the present invention can recover mercury contained in the crushed material as mercury oxide from the gas generated by the first heat treatment, and can also treat manganese dry batteries containing mercury.
本発明の第1実施形態のリサイクル方法は、廃電池として、使用済みリチウム電池を用いることができる。本発明の第1実施形態のリサイクル方法は、廃電池が、使用済みリチウム電池の他に使用済みマンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池、ニッケル一次電池を含んでも、選別することなく、処理することができる。 In the recycling method of the first embodiment of the present invention, a used lithium battery can be used as a waste battery. The recycling method of the first embodiment of the present invention can be processed without sorting even if the waste battery includes a used manganese dry battery, an alkaline manganese dry battery, and a nickel primary battery in addition to the used lithium battery.
2.マンガンを含む破砕物の処理
前述のとおり、本発明の第2実施形態のリサイクル方法は、廃電池を破砕した破砕物を加熱炉で加熱することにより、破砕物に含有される低沸点金属を蒸発させるとともに、破砕物に含有される高沸点金属の酸化物を還元させ、さらに発生したガスから低沸点金属を回収する第2加熱処理と、第2加熱処理を経た破砕物から高沸点金属を回収する回収処理とを含む廃電池のリサイクル方法であって、破砕物がマンガンを含み、第2加熱処理を、最高温度T2(℃)を1200℃以上とし、かつ、雰囲気の酸素分圧PO2(atm)を前記(5)式を満たす条件として施すことを特徴とする。
2. As described above, the recycling method according to the second embodiment of the present invention evaporates low boiling point metal contained in the crushed material by heating the crushed material obtained by crushing the waste battery in a heating furnace. In addition, the high boiling point metal oxide contained in the crushed material is reduced, and the second boiling heat treatment recovers the low boiling point metal from the generated gas, and the high boiling point metal is recovered from the crushed material after the second heat treatment. The waste battery recycling method includes a recovery process, wherein the crushed material contains manganese, the second heat treatment is performed at a maximum temperature T2 (° C) of 1200 ° C or higher, and an oxygen partial pressure P O2 ( atm) is performed as a condition satisfying the expression (5).
破砕物に金属として含まれるマンガン、鉄、銅およびニッケルは沸点が高いので、ロータリーキルン内で加熱を行っても大部分は蒸発することはなく、そのまま破砕物に残存する。一方、使用済みマンガン乾電池において、正極側に集電棒として用いられる炭素棒やプラスチック、紙類には黒鉛(C)が含まれ、この黒鉛が加熱処理で前記(1)反応式に示す反応を起こすと、一酸化炭素ガス(CO)および水素ガス(H2)が発生する。この反応で発生した一酸化炭素ガスおよび水素ガスにより、破砕物に酸化物として含まれるマンガン、鉄、銅およびニッケルの一部は、還元されて金属となる。 Manganese, iron, copper, and nickel contained as metals in the crushed material have a high boiling point. Therefore, even if heating is performed in a rotary kiln, most of them do not evaporate and remain in the crushed material as they are. On the other hand, in used manganese dry batteries, carbon rods, plastics, and papers used as current collecting rods on the positive electrode side contain graphite (C), and this graphite causes the reaction shown in the reaction formula (1) by heat treatment. Then, carbon monoxide gas (CO) and hydrogen gas (H 2 ) are generated. With the carbon monoxide gas and hydrogen gas generated by this reaction, a part of manganese, iron, copper and nickel contained as oxides in the crushed material is reduced to become metal.
ここで、本発明の第2実施形態のリサイクル方法は、マンガンを含む破砕物に、最高温度T2(℃)を1200℃以上とし、かつ、雰囲気の酸素分圧PO2(atm)を前記(5)式を満たす条件として第2加熱処理を施す。ここで、酸素分圧が前記(5)式と満たす条件とは、酸素分圧を前記図4で(5)式として示す直線でハッチングを施した側の領域とすることを意味する。 Here, according to the recycling method of the second embodiment of the present invention, the maximum temperature T2 (° C.) is set to 1200 ° C. or higher and the atmospheric oxygen partial pressure P O2 (atm) is set to the above (5). The second heat treatment is performed as a condition satisfying the formula. Here, the condition that the oxygen partial pressure satisfies the equation (5) means that the oxygen partial pressure is a hatched region on the straight line shown as the equation (5) in FIG.
前述の通り、破砕物に酸化物として含まれる鉄は、黒鉛により浸炭されて融点が低下して1153℃程度で溶融する。このため、第2加熱処理で最高温度T2を1200℃以上とし、かつ、雰囲気の酸素分圧が前記(5)式を満たす条件とすることにより、浸炭されて溶融した鉄に、酸化物として含まれるマンガンが溶解して還元され、金属鉄、マンガンおよび二酸化炭素となる。この浸炭された鉄によるマンガン酸化物の還元反応により、破砕物に酸化物として含まれるマンガンおよび鉄が還元され、その結果、第2加熱処理を経た破砕物に含まれるマンガンおよび鉄の還元率を向上できる。 As described above, iron contained as an oxide in the crushed material is carburized by graphite, the melting point is lowered, and it melts at about 1153 ° C. For this reason, the maximum temperature T2 is set to 1200 ° C. or higher in the second heat treatment, and the oxygen partial pressure of the atmosphere satisfies the above formula (5), so that it is included as oxide in the carburized and melted iron. Manganese is dissolved and reduced to metallic iron, manganese, and carbon dioxide. By the reduction reaction of manganese oxide by the carburized iron, manganese and iron contained as oxides in the crushed material are reduced. As a result, the reduction rate of manganese and iron contained in the crushed material after the second heat treatment is reduced. It can be improved.
本発明の第2実施形態のリサイクル方法は、雰囲気の酸素分圧を下記(6)式と満たす条件として第2加熱処理を施すのが好ましい。酸素分圧が下記(6)式と満たす条件とは、酸素分圧を前記図4で(6)式として示す直線でハッチングを施した側の領域とすることを意味する。これにより、第2加熱処理を経た破砕物に含まれるマンガンおよび鉄の還元率をより向上できる。また、最高温度を高くし過ぎると、加熱炉の溶損を防止するための設備コストや保守コストが問題となることから、最高温度T2は1450℃未満とするのが好ましい。
log(PO2)≦0.0154・T2−36.5 ・・・(6)
In the recycling method of the second embodiment of the present invention, it is preferable to perform the second heat treatment under the condition that the oxygen partial pressure of the atmosphere satisfies the following formula (6). The condition that the oxygen partial pressure satisfies the following equation (6) means that the oxygen partial pressure is set to a hatched region on the straight line shown as the equation (6) in FIG. Thereby, the reduction rate of manganese and iron contained in the crushed material which passed through the 2nd heat processing can be improved more. Further, if the maximum temperature is too high, the equipment cost and maintenance cost for preventing the melting loss of the heating furnace become problems, so the maximum temperature T2 is preferably less than 1450 ° C.
log (P O2 ) ≦ 0.0154 · T2-36.5 (6)
破砕物に酸化物として含まれる亜鉛は、加熱炉内に発生した一酸化炭素ガスまたは水素ガスと反応し、還元されて金属化する。この還元された亜鉛および破砕物に金属として含まれる亜鉛は、沸点が907℃と低いことから、昇温により蒸発する。蒸発した亜鉛は雰囲気中の酸素と反応して酸化され、酸化亜鉛(ZnO)粒子となり、第2加熱処理により発生したガスから回収できる。 Zinc contained as an oxide in the crushed material reacts with carbon monoxide gas or hydrogen gas generated in the heating furnace, and is reduced to be metallized. Since this reduced zinc and zinc contained as a metal in the crushed material have a boiling point as low as 907 ° C., they evaporate when the temperature rises. The evaporated zinc reacts with oxygen in the atmosphere and is oxidized to become zinc oxide (ZnO) particles, which can be recovered from the gas generated by the second heat treatment.
破砕物に酸化物として含まれる鉛は、加熱炉内に発生した一酸化炭素ガスまたは水素ガスと反応し、還元されて金属化する。破砕物に金属として含まれる鉛は、沸点が1749℃と高いが、亜鉛の沸点(907℃)付近の温度で蒸気圧が高いことから、最高温度T2を1200℃以上とする第2加熱処理により、蒸発し易い。したがって、この還元された鉛および破砕物に金属として含まれる鉛は、昇温により蒸発し、雰囲気との反応により酸化されて粒子となり、第2加熱処理により発生したガスから回収できる。 Lead contained as oxides in the crushed material reacts with carbon monoxide gas or hydrogen gas generated in the heating furnace, and is reduced to be metallized. Lead contained in the crushed metal as a metal has a high boiling point of 1749 ° C., but the vapor pressure is high at a temperature near the boiling point of zinc (907 ° C.), so the second heat treatment with the maximum temperature T2 of 1200 ° C. or higher is performed. Easy to evaporate. Therefore, the reduced lead and the lead contained as a metal in the crushed material are evaporated by the temperature rise, oxidized by the reaction with the atmosphere to become particles, and can be recovered from the gas generated by the second heat treatment.
このように破砕物に第2加熱処理を施すことにより、破砕物に含まれる亜鉛や鉛といった低沸点金属を、発生するガスから回収することができる。また、破砕物に含まれるマンガンや鉄といった高沸点金属は破砕物に残存することから、第2加熱処理を経た破砕物から回収できる。前述のとおり、本発明の第2実施形態は、第2加熱処理を、最高温度T2(℃)を1200℃以上とし、かつ、雰囲気の酸素分圧PO2(atm)を前記(5)式を満たす条件として施すことにより、回収されるマンガンおよび鉄の還元率を向上できる。 By subjecting the crushed material to the second heat treatment in this manner, low boiling point metals such as zinc and lead contained in the crushed material can be recovered from the generated gas. Moreover, since high boiling point metals such as manganese and iron contained in the crushed material remain in the crushed material, they can be recovered from the crushed material subjected to the second heat treatment. As described above, in the second embodiment of the present invention, in the second heat treatment, the maximum temperature T2 (° C.) is set to 1200 ° C. or more, and the oxygen partial pressure P O2 (atm) of the atmosphere is expressed by the equation (5). By applying as satisfying conditions, the reduction rate of recovered manganese and iron can be improved.
マンガン乾電池の一部は水銀を含有することから、マンガン乾電池を破砕した破砕物は水銀を含む場合がある。水銀は沸点が356℃と低いことから、還元された水銀および破砕物に金属として含まれる水銀は、昇温により蒸発する。蒸発した水銀は、雰囲気と反応して酸化され、酸化水銀の粒子となる。したがって、本発明の第2実施形態のリサイクル方法は、破砕物に含まれる水銀を、第2加熱処理により発生したガスから酸化水銀として回収でき、水銀を含むマンガン乾電池も処理することができる。 Since some manganese batteries contain mercury, the crushed material obtained by crushing manganese batteries may contain mercury. Since mercury has a low boiling point of 356 ° C., the reduced mercury and mercury contained as a metal in the crushed material evaporate when the temperature rises. The evaporated mercury reacts with the atmosphere and is oxidized to form mercury oxide particles. Therefore, the recycling method of the second embodiment of the present invention can recover mercury contained in the crushed material as mercury oxide from the gas generated by the second heat treatment, and can also treat manganese dry batteries containing mercury.
本発明の第2実施形態のリサイクル方法は、廃電池として、使用済みマンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池、リチウム電池、ニッケル一次電池を用いることができる。本発明の第2実施形態のリサイクル方法は、処理される廃電池は一種類に限らず、使用済みマンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池、リチウム電池、ニッケル一次電池が混合された廃電池を選別することなく、処理することができる。 In the recycling method of the second embodiment of the present invention, a used manganese dry battery, an alkaline manganese dry battery, a lithium battery, or a nickel primary battery can be used as a waste battery. The recycling method of the second embodiment of the present invention is not limited to one type of waste battery to be treated, and without sorting out used batteries in which used manganese dry batteries, alkaline manganese dry batteries, lithium batteries, or nickel primary batteries are mixed. Can be processed.
3.処理フロー例および好ましい態様
以下に、本発明の廃電池のリサイクル方法による処理フロー例および本発明で採用するのが好ましい実施態様について図面を参照しながら説明する。
3. Process Flow Examples and Preferred Embodiments A process flow example according to a method for recycling a waste battery of the present invention and an embodiment that is preferably employed in the present invention will be described below with reference to the drawings.
図5、本発明の廃電池のリサイクル方法による廃電池の処理フロー例を説明する図である。同図に示す処理フロー例では、投入される廃電池1を破砕して破砕物にする破砕機2と、破砕機から排出される破砕物を運搬する第1コンベア31と、供給される破砕物から主にリチウムを回収する第1リサイクル装置91と、第1リサイクル装置91により処理された破砕物を運搬する第2コンベア32と、供給される破砕物に含まれるマンガンの還元率を高める第2リサイクル装置92とを示す。
FIG. 5 is a diagram for explaining an example of the processing flow of the waste battery by the waste battery recycling method of the present invention. In the example of the processing flow shown in the figure, the
第1リサイクル装置91および第2リサイクル装置92は、それぞれ、加熱炉として供給される破砕物に加熱処理を施すロータリーキルン41または42と、ロータリーキルン41または42から排出されたガスから粗粒を回収するサイクロン51または52と、サイクロン51または52により処理されたガスから細粒を回収するバグフィルタ61または62とを備える。
The
第1リサイクル装置91および第2リサイクル装置92が備えるロータリーキルン41または42は中空円筒状であり、水平からわずかに傾斜して配置され、回転可能に支持されている。ロータリーキルン41または42の一端には投入口41aまたは42aが、他端には排出口41bまたは42bが設けられ、図示しないがロータリーキルンの排出口側の回転中心位置にバーナーが配置されている。このような構成のロータリーキルン41または42では、投入口41aまたは42aに供給された破砕物は、バーナーにより加熱されつつ、ロータリーキルンの回転および傾斜により、ロータリーキルンの下壁面上(下部)で排出口側に移動し、排出口41bまたは42bから排出される。
The
一方、ロータリーキルン41または42は、図示しないが、排出口側の上部に吸気口と、投入口側の上部に排気口とを備える。これによりロータリーキルンの上部では排出口側から投入口側に向けた雰囲気流れが生まれ、加熱処理により発生したガスを排気口から排出することができる。この排ガスをサイクロン51または52と、バグフィルタ61または62とで処理することにより、加熱処理により発生したガスから金属含有物質を回収することができる。
On the other hand, although not shown, the
本発明の廃電池のリサイクル方法は、同図の処理フロー例に示すように、廃電池を破砕した破砕物であって、リチウムおよびマンガンを含む破砕物を、本発明の第1実施形態のリサイクル方法(第1加熱処理)により処理した後、さらに本発明の第2実施形態のリサイクル方法(第2加熱処理)により処理するのが好ましい(同図の実線矢印参照)。 The waste battery recycling method of the present invention is a crushed material obtained by crushing a waste battery, as shown in the processing flow example of the figure, and the crushed material containing lithium and manganese is recycled according to the first embodiment of the present invention. After the treatment by the method (first heat treatment), it is preferable to further carry out the treatment by the recycling method (second heat treatment) of the second embodiment of the present invention (see solid line arrow in the figure).
この場合は、リチウムおよびマンガンを含む破砕物から、第1実施形態の第1加熱処理により、リチウムをはじめとして、亜鉛や鉛、水銀を回収することができる。一方、第1加熱処理を経た破砕物には、マンガンをはじめとして、鉄や金属コバルト、金属ニッケルが含まれる。このような第1加熱処理を経た破砕物に第2実施形態の第2加熱処理を施すことにより、第2加熱処理を経た破砕物に含まれるマンガンおよび鉄の還元率を向上できる。また、第1加熱処理で蒸発することなく破砕物に残存した亜鉛や鉛、水銀を、第2加熱処理で蒸発させて回収することにより、低沸点金属の回収率を向上できる。 In this case, lithium, zinc, lead, and mercury can be recovered from the crushed material containing lithium and manganese by the first heat treatment of the first embodiment. On the other hand, the crushed material that has undergone the first heat treatment includes manganese, iron, metallic cobalt, and metallic nickel. By performing the second heat treatment of the second embodiment on the crushed material that has undergone the first heat treatment, the reduction rate of manganese and iron contained in the crushed material that has undergone the second heat treatment can be improved. Moreover, the recovery rate of low boiling point metal can be improved by evaporating and recovering zinc, lead, and mercury remaining in the crushed material without evaporating in the first heat treatment, in the second heat treatment.
本発明の第1実施形態のリサイクル方法により処理した後、さらに本発明の第2実施形態のリサイクル方法により処理する場合は、廃電池として、使用済みリチウム電池を用いることができる。この場合は、廃電池が、使用済みリチウム電池の他に使用済みマンガン乾電池やアルカリマンガン乾電池、ニッケル一次電池を含んでも、選別することなく、処理することができる。 After processing by the recycling method of the first embodiment of the present invention, when further processing by the recycling method of the second embodiment of the present invention, a used lithium battery can be used as a waste battery. In this case, even if the waste battery includes a used manganese dry battery, an alkaline manganese dry battery, or a nickel primary battery in addition to the used lithium battery, it can be processed without sorting.
本発明の廃電池のリサイクル方法は、破砕物に第1加熱処理または第2加熱処理を施す加熱炉として、ロータリーキルンや回転炉床炉を採用することができるが、同図の処理フロー例に示すように、ロータリーキルンを採用するのが好ましい。ロータリーキルンは、回転により加熱処理が施される破砕物が攪拌され、雰囲気との接触機会が増加することにより反応が促進されるので、リチウムの回収率や鉄およびマンガンの還元率をより向上できるとともに、処理時間を短くすることができる。 The waste battery recycling method of the present invention can employ a rotary kiln or a rotary hearth furnace as a heating furnace for subjecting the crushed material to the first heat treatment or the second heat treatment. Thus, it is preferable to employ a rotary kiln. In the rotary kiln, the crushed material subjected to heat treatment by rotation is stirred and the reaction is promoted by increasing the chance of contact with the atmosphere. Therefore, the recovery rate of lithium and the reduction rate of iron and manganese can be further improved. , Processing time can be shortened.
第1加熱処理で雰囲気のCO2分圧PCO2(atm)とCO分圧PCO(atm)により表されるPCO2/(PCO2+PCO)を所定の条件としたり、第2加熱処理で雰囲気の酸素分圧PO2(atm)を所定の条件としたりする際は、例えば、加熱炉に供給される雰囲気の化学組成を調整する方法により行うことができる。本発明の廃電池のリサイクル方法は、雰囲気を所定の条件とする際、破砕物とともに炭材に加熱処理を施し、この炭材の投入量を調整することにより雰囲気を所定の条件とするのが好ましい。 In the first heat treatment, P CO2 / (P CO2 + P CO ) represented by the CO 2 partial pressure P CO2 (atm) and the CO partial pressure P CO (atm) in the atmosphere is set to a predetermined condition, or in the second heat treatment When the oxygen partial pressure P O2 (atm) of the atmosphere is set to a predetermined condition, for example, it can be performed by a method of adjusting the chemical composition of the atmosphere supplied to the heating furnace. The recycling method of the waste battery according to the present invention is such that when the atmosphere is set to a predetermined condition, the carbon material is subjected to a heat treatment together with the crushed material, and the atmosphere is set to the predetermined condition by adjusting an input amount of the carbon material. preferable.
炭材が燃焼すると、加熱炉内の酸素と反応して一酸化炭素や二酸化炭素となる。したがって、炭材の投入量を増減させることにより、雰囲気の酸素分圧を調整することができる。また、PCO2/(PCO2+PCO)およびCO2分圧の調整は、炭材の投入量を増減させることにより行うことができる。 When the carbon material burns, it reacts with oxygen in the heating furnace to become carbon monoxide or carbon dioxide. Therefore, the oxygen partial pressure of the atmosphere can be adjusted by increasing or decreasing the input amount of the carbonaceous material. Further, the adjustment of P CO2 / (P CO2 + P CO ) and the CO 2 partial pressure can be performed by increasing or decreasing the input amount of the carbonaceous material.
また、加熱処理の際に破砕物とともに炭材に加熱処理を施す場合、炭材の燃焼によるエネルギーを利用して加熱炉内の雰囲気を昇温することができ、エネルギーコストを低減できる。また、炭材を加熱すると、一部が熱分解して炭素および水素となることから、この炭素および水素によりマンガンや鉄の酸化物を還元することにより、鉄やマンガンの還元率を高めることもできる。 Moreover, when heat-treating a carbonaceous material with a crushed material in heat processing, the atmosphere in a heating furnace can be heated up using the energy by combustion of a carbonaceous material, and energy cost can be reduced. In addition, when carbonaceous materials are heated, some of them are pyrolyzed into carbon and hydrogen, so reducing the manganese and iron oxides with this carbon and hydrogen can increase the reduction rate of iron and manganese. it can.
炭材としては、熱分解により炭素や水素を発生させるものを用いることができ、例えば、溶融した銑鉄から析出する黒鉛であるキッシュカーボン、木材粉、コークス粉が該当する。 As a carbon material, what generates carbon and hydrogen by thermal decomposition can be used, for example, quiche carbon, which is graphite precipitated from molten pig iron, wood powder, and coke powder.
4.第1加熱処理の処理条件の規定理由
次に、本発明の第1実施形態のリサイクル方法で、第1加熱処理の最高温度および雰囲気条件を、前述のように規定した理由を説明する。
4). Next, the reason why the maximum temperature and the atmospheric condition of the first heat treatment are defined as described above in the recycling method according to the first embodiment of the present invention will be described.
酸化リチウム(Li2O)が二酸化炭素(CO2)と反応して炭酸リチウム(Li2CO3)となる反応は下記(2)反応式、その標準自由エネルギー変化は下記(a)式により表される。
Li2O(s)+CO2(g)=Li2CO3 ・・・(2)
ΔG0 (2)=−153750+85.87T ・・・(a)
ただし、上記(a)式において993K<T<1300Kである。
ここで、ΔG0 (i)は反応式(i)の標準自由エネルギー変化(J)とし、Tは温度(K)である。
The reaction in which lithium oxide (Li 2 O) reacts with carbon dioxide (CO 2 ) to become lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) is represented by the following equation (2), and the standard free energy change is represented by the following equation (a). Is done.
Li 2 O (s) + CO 2 (g) = Li 2 CO 3 (2)
ΔG 0 (2) = − 153750 + 85.87T (a)
However, in the above formula (a), 993K <T <1300K.
Here, ΔG 0 (i) is the standard free energy change (J) in the reaction formula (i), and T is the temperature (K).
上記(2)反応式で示す反応が平衡であると、以下の(b)式が成り立つ。
ΔG0 (2)=−RTln(αLi2CO3/(αLi2O・PCO2)) ・・・(b)
ここで、Rは気体定数、αLi2CO3はLi2CO3の活量、αLi2OはLi2Oの活量、PCO2はCO2の分圧(atm)である。
When the reaction represented by the above reaction formula (2) is in equilibrium, the following formula (b) is established.
ΔG 0 (2) = − RTln (α Li2CO3 / (α Li2O · P CO2 )) (b)
Here, R is a gas constant, α Li2CO3 is the activity of Li 2 CO 3 , α Li2O is the activity of Li 2 O, and P CO2 is the partial pressure (atm) of CO 2 .
ここで、上記(b)式においてαLi2CO3=1、かつ、αLi2O=1であると仮定すると、下記(c)式が導かれる。
PCO2=exp(ΔG0 (2)/(R・T)) ・・・(c)
上記(c)式で、前記(a)式の標準自由エネルギー変化を用いて計算すると、前記図2の曲線C1が得られる。上記(c)式で、前記(a)式の標準自由エネルギー変化を用い、さらに熱力学温度(K)を摂氏温度(℃)としたものが前記(2)式である。
Here, assuming that α Li2CO3 = 1 and α Li2O = 1 in the above equation (b), the following equation (c) is derived.
P CO2 = exp (ΔG 0 (2) / (R · T)) (c)
When the calculation is performed using the standard free energy change of the equation (a) in the equation (c), the curve C1 of FIG. 2 is obtained. In the above formula (c), the formula (2) is obtained by using the standard free energy change of the formula (a) and further setting the thermodynamic temperature (K) to the Celsius temperature (° C.).
一方、金属Co、NiおよびMnが酸化してそれぞれCoO、NiOおよびMnOとなるとなる反応は下記(3)〜(6)反応式で表される。また、下記(3)〜(6)反応式で表される反応の標準自由エネルギー変化は下記(d)〜(g)式で表される。
2Co(s)+O2(g)=2CoO(s) ・・・(3)
ΔG0 (3)=−468200+140.98T ・・・(d)
ただし、上記(d)式において298K<T<1768Kである。
2Ni(s)+O2(g)=2NiO(s) ・・・(4)
ΔG0 (4)=−468580+169.44T ・・・(e)
ただし、上記(e)式において298K<T<1728Kである。
2Mn(s)+O2(g)=2MnO(s) ・・・(5)
ΔG0 (5)=−765060+148.96T ・・・(f)
ただし、上記(f)式において298K<T<1519Kである。
2Mn(l)+O2(g)=2MnO(s) ・・・(6)
ΔG0 (6)=−801100+173.02T ・・・(g)
ただし、上記(g)式において1519K<T<2083Kである。
On the other hand, reactions in which the metals Co, Ni, and Mn are oxidized to become CoO, NiO, and MnO, respectively, are represented by the following reaction formulas (3) to (6). Moreover, the standard free energy change of the reaction represented by the following reaction formulas (3) to (6) is represented by the following formulas (d) to (g).
2Co (s) + O 2 (g) = 2CoO (s) (3)
ΔG 0 (3) = − 468200 + 140.98T (d)
However, in the above equation (d), 298K <T <1768K.
2Ni (s) + O 2 (g) = 2NiO (s) (4)
ΔG 0 (4) = − 468580 + 169.44T (e)
However, in the above equation (e), 298K <T <1728K.
2Mn (s) + O 2 (g) = 2MnO (s) (5)
ΔG 0 (5) = − 76565060 + 148.96T (f)
However, in the above formula (f), 298K <T <1519K.
2Mn (l) + O 2 (g) = 2MnO (s) (6)
ΔG 0 (6) = − 801100 + 173.02T (g)
However, 1519K <T <2083K in the above equation (g).
上記(3)〜(6)反応式のような金属(Me)が酸化して酸化物(MeO)となる反応は下記(7)反応式により表すことができる。また、一酸化炭素(CO)ガスと酸素(O2)ガスが反応して二酸化炭素(CO2)ガスとなる反応は下記(8)反応式により表すことができ、この反応の標準自由エネルギー変化は下記(h)式で表される。
2Me+O2(g)=2MeO ・・・(7)
2CO(g)+O2(g)=2CO2(g) ・・・(8)
ΔG0 (8)=−565160+172.03T ・・・(h)
ただし、上記(h)式において298K<T<3000Kである。
The reaction in which the metal (Me) is oxidized to form an oxide (MeO) as in the reaction formulas (3) to (6) can be represented by the following reaction formula (7). In addition, the reaction in which carbon monoxide (CO) gas and oxygen (O 2 ) gas react to form carbon dioxide (CO 2 ) gas can be expressed by the following reaction formula (8). Is represented by the following formula (h).
2Me + O 2 (g) = 2MeO (7)
2CO (g) + O 2 (g) = 2CO 2 (g) (8)
ΔG 0 (8) = − 565 160 + 172.03T (h)
However, in the above equation (h), 298K <T <3000K.
上記(7)および(8)反応式から新たに反応式を得てO2を消去すると、下記(9)反応式となる。下記(9)反応式で示す反応が平衡であると、下記(i)式が成り立つ。
Me+CO2(g)=MeO+CO(g) ・・・(9)
ΔG0 (9)=−RTln(αMeO 2・PCO/(αMe 2・PCO2)) ・・・(i)
ここで、αMeOはMeOの活量、αMeはMeの活量、PCOはCOの分圧(atm)である。
When a new reaction equation is obtained from the reaction equations (7) and (8) and O 2 is eliminated, the following equation (9) is obtained. When the reaction shown by the following reaction formula (9) is in equilibrium, the following formula (i) is established.
Me + CO 2 (g) = MeO + CO (g) (9)
ΔG 0 (9) = − RTln (α MeO 2 · P CO / (α Me 2 · P CO2 )) (i)
Here, alpha MeO the activity of MeO, the alpha Me activity of Me, P CO is the partial pressure of CO (atm).
上記(i)式においてαMeO=1、αMe=1と仮定すると、下記(j)式が導かれる。ここで、PCO2/(PCO2+PCO)=1/(1+PCO/PCO2)であり、この式に下記(j)式を用いると下記(k)式が得られる。
PCO/PCO2=exp(−ΔG0 (9)/(R・T)) ・・・(j)
PCO2/(PCO2+PCO)=1/(1+exp(−ΔG0 (9)/(R・T))) ・・・(k)
上記(k)式で、前記(d)または(e)式の標準自由エネルギー変化と、前記(h)式の標準自由エネルギー変化とを用いて計算すると、前記図2の曲線C2または曲線C3が得られる。また、前記(1)式は、上記(k)式で、前記(d)および(h)式の標準自由エネルギー変化を用い、さらに熱力学温度(K)を摂氏温度(℃)としたものである。
Assuming that α MeO = 1 and α Me = 1 in the above equation (i), the following equation (j) is derived. Here, P CO2 / (P CO2 + P CO ) = 1 / (1 + P CO / P CO2 ). When the following formula (j) is used for this formula, the following formula (k) is obtained.
P CO / P CO2 = exp (−ΔG 0 (9) / (R · T)) (j)
P CO2 / (P CO2 + P CO ) = 1 / (1 + exp (−ΔG 0 (9) / (R · T))) (k)
When calculation is performed using the standard free energy change of the equation (d) or (e) and the standard free energy change of the equation (h) in the equation (k), the curve C2 or the curve C3 in FIG. can get. Further, the formula (1) is the above formula (k), using the standard free energy change of the formulas (d) and (h), and the thermodynamic temperature (K) as the Celsius temperature (° C.). is there.
また、上記(k)式で、前記(f)または(g)式の標準自由エネルギー変化と、前記(h)式の標準自由エネルギー変化とを用いて計算すると、マンガンの酸化反応が平衡となる条件が得られるが、温度Tが1400℃以下では、前記図2に示すようにPCO2/(PCO2+PCO)≒0となる。 Further, in the above equation (k), when the calculation is performed using the standard free energy change of the equation (f) or (g) and the standard free energy change of the equation (h), the oxidation reaction of manganese is balanced. Although the conditions are obtained, when the temperature T is 1400 ° C. or lower, P CO2 / (P CO2 + P CO ) ≈0 as shown in FIG.
5.第2加熱処理の処理条件の規定理由
次に、本発明の第2実施形態のリサイクル方法で、第2加熱処理の最高温度および雰囲気条件を、前述のように規定した理由を説明する。
5. Next, the reason why the maximum temperature and the atmospheric condition of the second heat treatment are defined as described above in the recycling method according to the second embodiment of the present invention will be described.
金属Mnが酸化してそれぞれMnOの酸化物となるとなる反応は前記(5)および(6)反応式で表される。また、前記(5)および(6)反応式で表される反応の標準自由エネルギー変化は前記(f)および(g)式で表される。前記(5)または(6)反応式で示す反応が平衡であると、下記(l)式が成り立つ。
ΔG0 (5)またはΔG0 (6)=−RTln(αMnO・PCO/(αMn・PO2)) ・・・(l)
ここで、αMnOはMnOの活量、αMnはMnの活量、P02はO2の分圧(atm)である。
Reactions in which metal Mn is oxidized to become oxides of MnO are represented by the reaction formulas (5) and (6). The standard free energy change of the reaction represented by the reaction formulas (5) and (6) is represented by the formulas (f) and (g). When the reaction represented by the reaction formula (5) or (6) is in equilibrium, the following formula (l) is established.
ΔG 0 (5) or ΔG 0 (6) = − RTln (α MnO · P CO / (α Mn · P O2 )) (1)
Here, α MnO is the activity of MnO, α Mn is the activity of Mn, and P 02 is the partial pressure (atm) of O 2 .
上記(l)式において、αMnO=1と仮定し、Fe−C−Mn系のMnの活量係数であるγMn、Mnのモル濃度であるxMnを用いると、下記(m)式が導かれる。
ΔG0 (5)またはΔG0 (6)=−RTln(γMn・xMn・PO2) ・・・(m)
ここで、γMnは非特許文献1に記載されるように下記(n)式で表される。
γMn=(−0.4822+576.7/T)xC+(5.1498−10842/T)xC 2+(−25.821+8289.7/T)xC 3−4943.8xC 4xFe 5 ・・・(n)
ただし、xcをCのモル濃度とし、xFeをFeのモル濃度とする。
In the above formula (l), assuming that α MnO = 1, and using γ Mn which is an activity coefficient of Fe—C—Mn based Mn and x Mn which is the molar concentration of Mn , the following formula (m) is obtained. Led.
ΔG 0 (5) or ΔG 0 (6) = − RTln (γ Mn · x Mn · P O2 ) (m)
Here, γ Mn is expressed by the following equation (n) as described in
γ Mn = (− 0.4822 + 576.7 / T) x C + (5.1498-10842 / T) × C 2 + (− 25.821 + 8289.7 / T) x C 3 −4943.8 × C 4 x Fe 5 ... (n)
However, x c is the molar concentration of C, and x Fe is the molar concentration of Fe.
一方、炭素(C)と酸素(O2)とが反応して一酸化炭素(CO)となる反応は、下記(10)反応式で表される。また、下記(10)反応式で表される反応の標準自由エネルギー変化は下記(o)式で表される。
2C(s)+O2(g)=2CO(g) ・・・(10)
ΔG0 (10)=−221840−178.02T ・・・(o)
ただし、上記(o)式において298K<T<3000Kである。
上記(m)および(n)式と、その標準自由エネルギー変化を示す前記(f)、(g)および(o)式により、前記図4に示す各曲線を得ることができる。
On the other hand, the reaction in which carbon (C) and oxygen (O 2 ) react to form carbon monoxide (CO) is represented by the following reaction formula (10). Moreover, the standard free energy change of reaction represented by the following (10) reaction formula is represented by the following (o) formula.
2C (s) + O 2 (g) = 2CO (g) (10)
ΔG 0 (10) = − 221840-178.02T (o)
However, in the above equation (o), 298K <T <3000K.
Each of the curves shown in FIG. 4 can be obtained by the above equations (m) and (n) and the above equations (f), (g) and (o) indicating the standard free energy change.
本発明の廃電池のリサイクル方法による効果を検証するため、廃電池を破砕した破砕物にロータリーキルンにより加熱処理を施す試験を行った。 In order to verify the effect of the waste battery recycling method of the present invention, a test was performed in which the crushed material obtained by crushing the waste battery was subjected to a heat treatment using a rotary kiln.
1.廃電池を使用済みリチウム電池とした試験
[試験方法]
図6は、実施例での処理フロー例を示す図である。同図に示すように、本試験では、破砕機2により廃電池1を破砕して破砕物とし、この破砕物をコンベア3でロータリーキルン4に供給して加熱処理を施した。廃電池として、使用済みリチウム電池を用いた。本試験での加熱処理は、ロータリーキルン4の排出口側に設けられたバーナーに燃料および酸素の混合ガスを供給して燃焼させることにより、ロータリーキルン内の雰囲気を加熱した。
1. Test using waste batteries as used lithium batteries [Test method]
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a processing flow in the embodiment. As shown in the figure, in this test, the
その際、ロータリーキルン内で最も高温となる排出口付近であって、ロータリーキルン下部の雰囲気温度(最高温度)を1385℃とした。また、炭材の投入量を調整することにより、排出口付近であって、ロータリーキルン下部の雰囲気を、PCO2/(PCO2+PCO)=0.7、かつ、CO2分圧を0.7atmとした。ロータリーキルンの傾斜および回転数を調整し、破砕物がロータリーキルンに投入されてから排出されるまでに要する時間を4時間とした。 At that time, the atmosphere temperature (maximum temperature) in the vicinity of the discharge port that became the highest temperature in the rotary kiln and the lower part of the rotary kiln was set to 1385 ° C. In addition, by adjusting the input amount of carbon material, the atmosphere near the discharge port and below the rotary kiln is P CO2 / (P CO2 + P CO ) = 0.7 and the CO 2 partial pressure is 0.7 atm. It was. The time and the time required for the crushed material to be discharged after being put into the rotary kiln were adjusted to 4 hours by adjusting the inclination and rotation speed of the rotary kiln.
加熱処理の際に、投入口側に設けられた排気口からロータリーキルン4で発生したガスを排出した。この排出ガスからサイクロン5により粗粒を回収し、サイクロン5で処理した排出ガスをバグフィルタ6に通過させて細粒を回収した。サイクロン5およびバグフィルタ6により回収された粒子を選別して炭酸リチウムを回収した。一方、ロータリーキルンから排出された破砕物を選別して金属コバルト、金属ニッケル並びにマンガンの金属および酸化物を回収した。
During the heat treatment, the gas generated in the rotary kiln 4 was discharged from the exhaust port provided on the inlet side. Coarse particles were collected from the exhaust gas by the cyclone 5, and the exhaust gas treated by the cyclone 5 was passed through the
本試験での試験条件は、下記のとおりである。
ロータリーキルン:炉内径1m、炉長10m、
破砕物の投入量:1500kg/日、
使用燃料:コークスオープンガス200Nm3/Hr、
酸素供給量:6Nm3/Hr
The test conditions in this test are as follows.
Rotary kiln: furnace inner diameter 1m, furnace length 10m,
Input amount of crushed material: 1500 kg / day,
Fuel used: Coke open gas 200Nm3 / Hr,
Oxygen supply amount: 6 Nm3 / Hr
[試験結果]
本試験でサイクロン5およびバグフィルタ6により回収された粒子を選別し、得られた炭酸リチウムは純度が99%以上となった。ロータリーキルンから排出された破砕物についてリチウムの含有量を確認したところ、2質量%であった。したがって、本発明の第1実施形態のリサイクル方法は、破砕物に第1加熱処理を施すことにより、廃電池に含まれるリチウムの大部分を炭酸リチウムとして回収できることが明らかとなった。
[Test results]
In this test, particles collected by the cyclone 5 and the
2.廃電池を使用済みマンガン乾電池とした試験
[試験方法]
本試験では、廃電池として使用済みマンガン乾電池を用い、前記図6に示す処理フロー例により、廃電池を破砕してロータリーキルン4に供給して加熱処理を施した。その際、ロータリーキルン内で最も高温となる排出口付近であって、ロータリーキルン下部の雰囲気温度(最高温度)を1400℃とした。また、炭材の投入量を調整することにより、排出口付近であって、ロータリーキルン下部の雰囲気の酸素分圧PO2を10-17atm(log(PO2)=−17)とした。
2. Test of using waste batteries as used manganese batteries [Test method]
In this test, a used manganese dry battery was used as a waste battery, and the waste battery was crushed and supplied to the rotary kiln 4 according to the process flow example shown in FIG. At that time, the ambient temperature (maximum temperature) in the vicinity of the discharge port that was the highest temperature in the rotary kiln and the lower part of the rotary kiln was set to 1400 ° C. Further, by adjusting the input amount of the carbon material, the oxygen partial pressure P O2 in the vicinity of the discharge port and under the rotary kiln was set to 10 −17 atm (log (P O2 ) = − 17).
加熱処理の際に、投入口側に設けられた排気口からロータリーキルン4で発生したガスを排出した。この排出ガスからサイクロン5により粗粒を回収し、サイクロン5で処理した排出ガスをバグフィルタ6に通過させて細粒を回収した。サイクロン5およびバグフィルタ6により回収された粒子を選別して亜鉛を回収した。一方、ロータリーキルンから排出された破砕物を窒素雰囲気下で選別してマンガンおよび鉄の金属および酸化物を回収した。
During the heat treatment, the gas generated in the rotary kiln 4 was discharged from the exhaust port provided on the inlet side. Coarse particles were collected from the exhaust gas by the cyclone 5, and the exhaust gas treated by the cyclone 5 was passed through the
本試験での試験条件は、下記のとおりである。
ロータリーキルン:炉内径1m、炉長10m、
破砕物の投入量:1500kg/日、
使用燃料:コークスオープンガス135Nm3/Hr、
酸素供給量:6Nm3/Hr
The test conditions in this test are as follows.
Rotary kiln: furnace inner diameter 1m, furnace length 10m,
Input amount of crushed material: 1500 kg / day,
Fuel used: Coke open gas 135Nm 3 / Hr,
Oxygen supply amount: 6 Nm 3 / Hr
[試験結果]
本試験の熱処理を経た破砕物を選別し、得られたマンガンおよび鉄の金属と酸化物の含有量を確認し、総質量に対する含まれる金属の質量の百分率である還元率を算出した。その結果、得られたマンガンおよび鉄は、いずれも還元率が90%以上であった。したがって、本発明の第2実施形態のリサイクル方法は、破砕物に第2加熱処理を施すことにより、廃電池に含まれるマンガンおよび鉄の酸化物を還元し、得られるマンガンおよび鉄の還元率を向上できることが明らかとなった。
[Test results]
The crushed material subjected to the heat treatment of this test was selected, the contents of the obtained manganese and iron metals and oxides were confirmed, and the reduction rate, which is the percentage of the mass of the metal contained relative to the total mass, was calculated. As a result, the obtained manganese and iron both had a reduction rate of 90% or more. Therefore, the recycling method of the second embodiment of the present invention reduces the manganese and iron oxides contained in the waste battery by subjecting the crushed material to the second heat treatment, and reduces the resulting reduction rates of manganese and iron. It became clear that it could be improved.
本発明の廃電池のリサイクル方法によれば、リチウムを含む破砕物に第1加熱処理を施すことにより、リチウムを炭酸リチウムとして回収することができるとともに、リチウムの回収率を向上させることができる。また、マンガンを含む破砕物に第2加熱処理を施すことにより、マンガンおよび鉄の酸化物を還元し、回収されるマンガンおよび鉄の還元率を向上させることができる。 According to the method for recycling a waste battery of the present invention, by subjecting a crushed material containing lithium to a first heat treatment, lithium can be recovered as lithium carbonate and the lithium recovery rate can be improved. Moreover, by applying the second heat treatment to the crushed material containing manganese, it is possible to reduce the oxides of manganese and iron and improve the reduction rate of the recovered manganese and iron.
したがって、本発明の廃電池のリサイクル方法により、回収される炭酸リチウムは、ガラス製品やセメント、リチウムイオン二次電池の正極活物質の製造に用いることができる。また、回収されたマンガンおよび鉄は、鉄鋼原料として有害な亜鉛が除去され、含まれるマンガンおよび鉄の還元率が高いことから、高炉および転炉に用いる鉄鋼原料として有用である。このため、本発明の廃電池のリサイクル方法は資源の有効利用に大きく寄与することができる。 Therefore, the lithium carbonate recovered by the method for recycling a waste battery of the present invention can be used for the production of a positive electrode active material for glass products, cement, or lithium ion secondary batteries. Further, the recovered manganese and iron are useful as a steel raw material used for a blast furnace and a converter because zinc which is harmful as a steel raw material is removed and the reduction rate of the contained manganese and iron is high. For this reason, the waste battery recycling method of the present invention can greatly contribute to the effective use of resources.
1:廃電池、 2:破砕機、
3、31および32:コンベア、 4、41および42:ロータリーキルン、
4a、41aおよび42a:投入口、 4b、41bおよび42b:排出口、
5、51および52:サイクロン、 6、61および62:バグフィルタ、
7:加熱処理を経た破砕物、 91:第1リサイクル装置、
92:第2リサイクル装置
1: Waste battery, 2: Crusher,
3, 31 and 32: conveyor, 4, 41 and 42: rotary kiln,
4a, 41a and 42a: inlet, 4b, 41b and 42b: outlet,
5, 51 and 52: Cyclone, 6, 61 and 62: Bag filter,
7: Crushed material after heat treatment, 91: First recycling device,
92: Second recycling device
Claims (6)
前記破砕物としてリチウムを含む破砕物を用い、
前記第1加熱処理を、最高温度T1(℃)を730℃以上とするとともに、雰囲気をCO2分圧PCO2(atm)とCO分圧PCO(atm)により表されるPCO2/(PCO2+PCO)が下記(1)式を満たし、かつ、CO2分圧PCO2(atm)が下記(2)式を満たす条件で施し、
前記金属含有物質を回収する際に炭酸リチウムを回収することを特徴とする廃電池のリサイクル方法。
PCO2/(PCO2+PCO)<1/(1+exp(−ΔG0 A/(R・(T1+273.15))) ・・・(1)
PCO2>exp(ΔG0 B/(R・(T1+273.15)) ・・・(2)
ただし、
ΔG0 A=(−468200+140.98(T1+273.15))/2−(−565160+172.03(T1+273.15))/2 ・・・(3)
ΔG0 B=−153750+85.87(T1+273.15) ・・・(4)
R:気体定数 A waste battery recycling method in which a first heat treatment is performed on a crushed material obtained by crushing a waste battery in a heating furnace, and a metal-containing material is recovered from the crushed material,
Using a crushed material containing lithium as the crushed material,
In the first heat treatment, the maximum temperature T1 (° C.) is set to 730 ° C. or more, and the atmosphere is expressed as P CO2 / (P expressed by CO 2 partial pressure P CO2 (atm) and CO partial pressure P CO (atm). CO2 + P CO ) satisfies the following formula (1) and CO 2 partial pressure P CO2 (atm) satisfies the following formula (2).
A method for recycling a waste battery, wherein lithium carbonate is recovered when the metal-containing material is recovered.
P CO2 / (P CO2 + P CO ) <1 / (1 + exp (−ΔG 0 A /(R·(T1+273.15))) (1)
P CO2 > exp (ΔG 0 B /(R·(T1+273.15)) (2)
However,
ΔG 0 A = (− 468200 + 140.98 (T1 + 273.15)) / 2 − (− 565160 + 172.03 (T1 + 273.15)) / 2 (3)
ΔG 0 B = −153750 + 85.87 (T1 + 273.15) (4)
R: Gas constant
前記炭酸リチウムを回収する際に、前記第1加熱処理により発生したガスから炭酸リチウムを回収することを特徴とする請求項1に記載の廃電池のリサイクル方法。 The maximum temperature T1 is set to 1320 ° C. or higher,
2. The method for recycling a waste battery according to claim 1, wherein when recovering the lithium carbonate, the lithium carbonate is recovered from a gas generated by the first heat treatment.
前記第2加熱処理を経た破砕物から高沸点金属を回収する回収処理とを含む廃電池のリサイクル方法であって、
前記破砕物がマンガンを含み、
前記第2加熱処理を、最高温度T2(℃)を1200℃以上とし、かつ、雰囲気の酸素分圧PO2(atm)を下記(3)式を満たす条件として施すことを特徴とする廃電池のリサイクル方法。
log(PO2)≦0.008・T2−26.6 ・・・(5) By heating the crushed material obtained by crushing the waste battery in a heating furnace, the low boiling point metal contained in the crushed material is evaporated, and the oxide of the high boiling point metal contained in the crushed material is reduced and further generated. A second heat treatment for recovering the low boiling point metal from the treated gas;
A waste battery recycling method including a recovery process for recovering a high-boiling point metal from the crushed material that has undergone the second heat treatment,
The crushed material contains manganese,
The second heat treatment is performed with a maximum temperature T2 (° C.) of 1200 ° C. or more and an oxygen partial pressure P O2 (atm) of the atmosphere as a condition satisfying the following expression (3): Recycling method.
log (P O2 ) ≦ 0.008 · T2-26.6 (5)
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