способ получения активной массы для кадмиевых электродов из отработанного щелочного никель-кадмиевого аккумулятора

Формула изобретения

Способ получения активной массы для кадмиевых электродов из отработанного щелочного никель-кадмиевого аккумулятора путем получения металлического кадмия с последующей его возгонкой, окислением до окиси кадмия и смешением с активирующими добавками, отличающийся тем, что кадмиевую массу отработанного щелочного никель-кадмиевого аккумулятора отделяют от металлической составляющей и смешивают с углеродом в соотношении 0,020-0,200 кг углерода на 1 кг содержащего в массе кадмия и загружают смесь в камеру нагрева печи с выдержкой при температуре 650-1100°С в течение 5-15 ч без доступа кислорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленности при производстве щелочных аккумуляторов с кадмиевыми электродами.

Существующая распространенность и прогнозируемая востребованность в щелочных никель-кадмиевых аккумуляторах промышленного и бытового назначения подталкивает производителей этих источников тока к поиску экономически эффективных и экологически безопасных способов их утилизации. Практика показывает, что одним из путей решения подобных проблем является переработка компонентов активных масс щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов с целью их повторного использования [1, 2]. Однако если экономическая целесообразность переработки оксидно-никелевого электрода сомнений не вызывает, то возможные затраты на хранение, утилизацию или переработку кадмиевых электродов снижают коммерческую привлекательность таких проектов.

Основным компонентом активной массы для кадмиевого электрода является окись кадмия, которую получают возгонкой и окислением металлического кадмия в печи сжигания кадмия при температуре 700-800°С [3, 4]. После проведения операции смешивания окиси кадмия с активирующими добавками содержание кадмия в активной массе кадмиевых электродов колеблется в пределах от 40% до 70% и зависит от рецептуры приготовления активных масс [3, 4]. Применяемый в процессе получения окиси кадмия металлический кадмий должен соответствовать требованиям ГОСТ 1467-93, предъявляемым к кадмию марки Кд0. Стоимость металлического кадмия определяется стоимостью исходного кадмийсодержащего сырья и способом получения металлического кадмия из этого сырья. Высокое процентное содержание кадмия в активной массе кадмиевых электродов позволяет сделать заключение об экономической целесообразности их переработки по окончании срока службы щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов. А поскольку одновременно с этим сокращается вероятность попадания токсичных соединений кадмия в окружающую среду, становится очевидной и экологическая целесообразность данного технического решения.

В металлургии известны способы переработки отработанных электродов никель-кадмиевых аккумуляторов, которые не обеспечивают возможности повторного использования никель- и кадмийсодержащего сырья для изготовления компонентов активных масс [5, 6]. Например, согласно [6] отработанные электроды щелочных никелево-железных (кадмиевых) аккумуляторов подвергаются плавке при температуре 1450-1575°С с получением никеля в виде сплава с железом. Недостатком этого способа является невозможность разделения кадмия и никеля, так как при вышеуказанных температурах кадмий возгоняется, окисляется и уносится с отходящими газами в атмосферу, загрязняя окружающую среду.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемым результатам является способ [2], по которому отработанные щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы подвергают дроблению с целью получения измельченной массы следующего гранулометрического состава: частицы размером менее 2.8 мм - 36% от общей массы, магнитные частицы размером более 2.8 мм - 46% от общей массы, немагнитные частицы размером более 2.8 мм - более 19% от общей массы. Затем магнитные и немагнитные частицы размером более 2.8 мм промывают 20% раствором соляной кислоты. Оставшаяся после проведения этой операции магнитная часть твердых отходов в виде железно-никелевого порошка реализуется на металлургические комбинаты для переплавки, а немагнитная часть сжигается. Раствор соляной кислоты, уже содержащий ионы железа, кадмия и никеля, используют для их дальнейшего выщелачивания из частиц размером менее 2.8 мм. Выщелачивание происходит при температуре 90°С. Далее экстракцией трибутилфосфатом с последующей его возгонкой получают раствор хлорида кадмия. Металлический кадмий из раствора хлорида кадмия извлекают электрохимическим способом и потом используют для получения окиси кадмия, которая является основным компонентом активной массы кадмиевых электродов щелочного никель-кадмиевого аккумулятора. К очевидным недостаткам этого способа переработки кадмиевых электродов щелочного никель-кадмиевого аккумулятора можно отнести необходимость использования большого количества жидких экологически опасных реагентов: раствор соляной кислоты, трибутилфосфат. Экстрагируемый продукт, раствор хлорида кадмия и образующиеся жидкие отходы после электрохимического восстановления металлического кадмия, хлорсодержащие растворы также относятся к разряду токсичных соединений. Высокая трудоемкость и энергоемкость процесса снижают экономическую эффективность переработки в целом, а затраты на реализацию данного способа переработки кадмиевых электродов окупаются только за счет извлечения дорогостоящего никеля.

Технической задачей изобретения является разработка экономически и экологически эффективного способа изготовления окиси кадмия из массы кадмиевых электродов отработанных щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов путем повышения эффективности извлечения из них металлического кадмия, снижения выбросов в окружающую среду экологически опасных материалов, сокращения трудоемкости и энергоемкости процесса.

Указанный технический результат достигается способом получения активной массы для кадмиевых электродов из отработанного щелочного никель-кадмиевого аккумулятора путем получения металлического кадмия, с последующей его возгонкой, окислением до окиси кадмия и смешением с активирующими добавками, в котором согласно изобретению кадмиевую массу отработанного щелочного никель-кадмиевого аккумулятора отделяют от металлической составляющей и смешивают с углеродом в соотношении 0.020-0.200 кг углерода на 1 кг содержащегося в массе кадмия и загружают смесь в камеру нагрева печи с выдержкой при температуре 650-1100°С в течение 5-15 часов без доступа кислорода.

Пример 1. Отработанные щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы демонтируют и группируют детали по принадлежности. Отработанные кадмиевые электроды дробят, а затем, используя сито с размером ячеек 1.4 мм и магнитный сепаратор, отделяют кадмиевую массу от металлической составляющей. Извлекаемую кадмиевую массу смешивают с 0.06% углерода, загружают в камеру нагрева печи и выдерживают при температуре 650-1100°С в течение 5-15 часов без доступа кислорода.

Восстановленный углеродом металлический кадмий испаряется, конденсируется на холодных поверхностях камер конденсации электрической печи и стекает в воду, образуя частицы каплевидной формы. Химический состав металлического кадмия полностью соответствует требованиям ГОСТ 1467-93, предъявляемым к кадмию марки Кд0. Газообразные продукты реакции, смесь оксида и диоксида углерода, проходят через водяной затвор и выбрасываются в окружающую среду без дополнительной очистки. В дальнейшем металлический кадмий возгоняют в печи сжигания кадмия и окисляют кислородом воздуха до окиси кадмия. Полученную окись кадмия смешивают с активирующими добавками и используют для изготовления кадмиевых электродов щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов. Остатки углерода с содержащимся в нем кадмием в количестве от 25% до 0.06% накапливают и применяют для приготовления последующих порций смеси углерода с массой кадмиевых электродов отработанных щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов.

Поскольку реакция восстановления кадмия происходит в твердой фазе при содержании углерода на 1 кг кадмия в смеси с массой кадмиевых электродов менее 0.020 кг, необходимая полнота поверхностного соприкосновения двух реагентов отсутствует. В этом случае содержание кадмия в смеси с углеродом по окончании процесса восстановления кадмия резко возрастает, а сам процесс становится неэффективным. Увеличение содержания углерода на 1 кг кадмия в смеси с массой кадмиевых электродов более 0.200 кг приводит к сокращению производительности процесса и увеличению затрат электроэнергии. При температуре процесса восстановления кадмия менее 650°С испарения кадмия практически не происходит, т.к. температура кипения кадмия при атмосферном давлении составляет 766°С [7], а получаемый металлический кадмий по своему химическому составу не соответствует требованиям ГОСТ 1467-93, предъявляемым к кадмию марки Кд0. Применение металлического кадмия, не соответствующего требованиям ГОСТ 1467-93 марка Кд0, в технологическом процессе изготовления активных масс для кадмиевых электродов приведет к снижению электрохимических характеристик щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов. Увеличение температуры протекания процесса восстановления кадмия более 1100°С требует применения более дорогостоящего оборудования и повышает энергоемкость предлагаемого способа. Указанный временной интервал нахождения порции смеси углерода с кадмиевой массой 5-15 часов при температуре 650-1100°С без доступа кислорода является оптимальным для обеспечения максимальной скорости процесса и эффективности извлечения металлического кадмия.

Предлагаемый способ позволяет использовать кадмиевые электроды отработанных щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов в качестве вторичного сырья для приготовления окиси кадмия без применения токсичных реагентов, при отсутствии промышленных стоков и экологически опасных воздушных выбросов. Использование данного изобретения в промышленности позволяет изготавливать активные массы для кадмиевых электродов щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов.

Источники информации

1. Заявка 2000127932/09 от 08.11.2000, RU 2178931 С1, МПК⁷ Н01М 4/26, 4/52, 2000.

2. J. van Erkel, C.L. van Deelen, B.A.Kamphuis, A.J.Visser // Report on Conference, Geneva, Switzerland, September 1994. P.133.

3. Дасоян М.А., Новодережкин В.В. и Томашевский Ф.Ф. Производство электрических аккумуляторов. М.: Высшая школа, 1965, с.332-334.

4. Дасоян М.А. Химические источники тока. Л.: Энергия, 1969, с.274.

5. Авторское свидетельство СССР №711137, кл. С 22 В 7/00, 1977.

6. Авторское свидетельство №539087, кл. С 22 В 23/02, 1976.

7. Чижиков Д.М. Кадмий. М.: Наука, 1967, с.10.