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环保废水处理 | 锂电材料生产废水处理技术探析

2024-05-10 11:48:08 来源:量子晶环保科技有限公司
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简介:锂电池具有能量密度高、质量轻、体积小、寿命长、性能好等优点,被广泛应用到笔记本电脑、手机、数码相机、小型电子器材、航天、机电以及军事通讯等领域,而且是电动汽车主要的动力来源;得益于近年来全球新能源汽车市场迅猛发展以及国家对电动汽车行业的支持,我国锂电池生产企业的数量和规模快速增长,目前已成为全球最大的锂电池生产国和消费国。与此同时锂电池生产过程中的废水如何进行处理也受到越来越多的重视。
锂电池具有能量密度高、质量轻、体积小、寿命长、性能好等优点,被广泛应用到笔记本电脑、手机、数码相机、小型电子器材、航天、机电以及军事通讯等领域,而且是电动汽车主要的动力来源;得益于近年来全球新能源汽车市场迅猛发展以及国家对电动汽车行业的支持,我国锂电池生产企业的数量和规模快速增长,目前已成为全球最大的锂电池生产国和消费国。与此同时锂电池生产过程中的废水如何进行处理也受到越来越多的重视。

作为锂电池产业的快速发展中的一环,锂电材料生产过程中产生的废水问题愈发凸显。废水中所含氟化物、重金属离子、有机物和高浓度的盐类等污染物对环境和人类健康构成了极大的风险。因此,进行有效的废水处理对锂电材料企业来说至关重要。

1、锂电池生产废水主要来源

锂电池生产废水主要来源于电池正极和负极清洗废水和NMP(N-甲基吡咯烷酮)废气处理设备排污水,废水成分复杂,主要污染物有钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料(钴、镍、锰)、NMP、PVDF(聚偏氟乙烯)、石墨、SBR(丁苯橡胶)、CMC(羧甲基纤维素钠)等;废水中悬浮物、COD、总氮、总磷、重金属等超标严重,水质呈现黑色或褐色,可生化性较差,是一种典型的高浓度难降解有机废水。

2、锂电材料生产废水的特征分析

1.氟化物的高浓度:锂电池生产过程中,氟化物主要来自于溶剂和电解液。溶剂中的氟化物主要是有机氟化物,经过电解液场致挥发,进入排放废水,导致废水中氟化物浓度较高。

2.重金属离子的存在:锂电池生产过程中使用的电解液中含有少量的重金属离子,如镍、钴、锰等。这些重金属离子在电化学反应过程中会溶解出来,进入废水中。

3.有机物的含量较高:锂电材料生产过程中使用的有机溶剂在生产过程中会产生一些有机物,这些有机物对环境有一定的污染作用。

4.高浓度盐类:锂电池生产过程中使用的电解液中含有大量的盐类,如氯化锂、硫酸锂等。这些盐类在生产过程中会带入废水中,导致废水盐浓度较高。

3、锂电池生产废水预处理工艺

鉴于锂电池废水可对微生物产生抑制作用或毒害作用,直接进行生化反应会给生化处理单元带来很高的冲击负荷,会使微生物生长停滞甚至死亡,对整个生化系统造成不可逆的破坏,需要对其进行预处理,提高废水的可生化性后再进行生化处理。

1)混凝沉淀法:混凝沉淀法是污水处理预处理工艺中的一种常用方法,也在锂电池废水处理中得到大量应用。

(1)在废水中投加化学药剂,调整废水pH,可使锂电池废水中的重金属离子生成氢氧化物沉淀,并通过混凝剂和助凝剂的电性中和、吸附架桥、沉淀物的卷扫作用,将胶体脱稳,并使细小沉淀物、悬浮物等聚集成较大颗粒,得以快速沉淀下来与水分离。

(2)混凝沉淀法可有效去除锂电池废水中的重金属离子、磷酸盐,且对废水中的无机悬浮物和有机污染物有一定的去除效果。

(3)研究表明,锂电池废水经混凝沉淀处理后,钴、镍、锰离子去除率在96%以上,COD去除率在20%以上。

(4)由于锂电池正极清洗废水中含有一定的正极材料,具有较高的回收价值,因此也有研究者将正极、负极清洗废水分别收集,并各自或先后进行预处理。

(5)正极清洗废水经混凝沉淀后,沉淀物可以收集起来交由专业厂家进行正极材料回收或金属提炼。

2)Fe/C微电解-Fenton法:Fe/C微电解法主要是利用废旧铁屑和活性炭组成大量具有高电位差的微小原电池,产生具有较高化学活性的物质Fe2+和新生态[H],将废水中复杂结构有机污染物氧化分解。

(1)Fe/C微电解去除废水中污染物的过程中主要包括氧化还原作用、电化学富集作用、物理吸附作用、絮凝沉淀作用、气浮作用及电子传递作用等。

(2)Fe/C微电解法具有以废治废、操作简单、处理效果较好等特点。

3)Fenton氧化法的原理:是Fe2+在酸性条件下和H2O2反应生成羟基自由基,具有强氧化能力,可与难降解有机物反应使之降解。Fenton氧化法具有反应速率快、氧化能力强、应用范围广等优点。

通过实验得出在铁碳质量比为3:1,pH值为3,铁屑投加量为150g/L,反应时间为60min时,Fe/C微电解处理锂电池阴极生产废水效果最佳,COD去除率达到47%,cr废水可生化性质指标B/C由0.11上升至0.23;cr采用Fenton氧化继续进行处理,在pH=3、H2O2浓度为1ml/L、反应时间为60min时,可取得最佳的处理效果,COD去除率约50%,B/C比由0.23上升至0.45。

4)电絮凝法:电絮凝法是在直流电源或者脉冲电源的作用下,阳极(电极材料为金属)溶解生成金属阳离子,再经过一系列的水解、聚合及氧化等多种作用,生成对应的羟基络合物和氢氧化物等,可作为混凝剂通过混凝沉淀作用将废水中的有机污染物和悬浮物去除;同时,阴极产生的氢气形成微小气泡也可吸附在絮体表面,使絮体上升至液面形成泡沫和浮渣,经刮板刮除,最终实现污染物与水的分离,达到去除污染物的目的。

(1)电絮凝法无需投加药剂,对水质水量的冲击适应性强,且设备体积小,操作简单,便于运行维护,广泛应用于各种废水的处理。

(2)研究指出,使用电絮凝法处理锂电池生产废水的最佳工艺条件为:初始pH为7、电流密度14mA/cm、电絮凝时间50min、极板间距2cm;在此条件下CODcr2的去除率可达72.6%,SS的去除率可达到80.1%。

5)活性炭吸附法:吸附是指溶液中的物质由一相向某种适宜的另一相的界面上积累(富集)的过程。

(1)活性炭具有巨大的比表面积和丰富的孔隙结构,且其表面有一定的极性,因此在废水处理中常使用活性炭的吸附作用来去除废水中的污染物质。

(2)通过实验研究得出,使用活性炭吸附处理锂电池废水的最佳条件为:原水pH为3~5,活性炭投加量为10 g/L,吸附时间60 min;此时COD去除率为69.5%,处理后废水可生化性为0.25。

2、生物处理工艺

1)废水的生物处理是利用微生物分解氧化有机物的功能,采取一定的人工措施提高其分解氧化有机物效率的方法。

2)生物处理分为好氧生物处理和厌氧生物处理两大类。

(1)前者的进行需要有氧的供应,而后者则需保证无氧的环境。

(2)好氧生物处理的优点是反应速度快、废水停留时间较短、对能降解有机物分解完全等。

(3)好氧生物处理的缺点是对难降解有机物去除率低。而厌氧生物处理则能够将复杂的大分子转化为小分子物质,提高废水的可生化性,但存在废水停留时间较长的缺点。

(4)研究者们一般将预处理后的锂电池废水与一部分生活污水调质后一同进行生物处理,可有效提升锂电池废水的整体处理效果。

(5)生物处理多采用厌氧生物处理单元和好氧生物处理单元组合工艺,在有效净化废水中有机物的同时,也可通过污泥回流和混合液回流实现生物脱氮。

3、深度处理工艺:锂电池废水经预处理和生物处理后,能够达到《电池工业污染物排放标准》(GB30484—2013)表2中锂离子/锂电池间接排放标准;而若想将锂电池废水进行回用,或有更高的排放要求,则需对废水进行深度处理。

1)采用超滤+两级反渗透+紫外杀菌工艺,对预处理和生物处理后的锂电池废水继续进行深度处理,回用水水质满足《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T 19923—2005)中敞开式循环冷却水系统补充水标准的要求,回用于冷却塔补水;排放水质满足《电池工业污染物排放标准》(GB 30484—2013)表3锂离子/锂电池直接排放的特别排放限值和《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅳ类地表水环境质量标准限值要求;二级RO浓水通过MVR装置进行蒸发,转换成结晶盐后进行固废转移。

2)使用类似的深度处理工艺,即微滤+反渗透,并增加一个离子交换工艺对锂离子进一步处理,处理后的水回用于工厂纯水补水,RO浓水和离子交换再生废水蒸发浓缩为干燥盐后委托有资质的处理单位处置,实现了锂电池废水的“零排放”。

4、几种锂电材料生产废水处理技术探析

1.生物处理技术:生物处理技术是一种比较常见的废水处理技术,通过利用微生物降解有机物来达到净化水质的目的。在锂电材料生产废水处理中,可以通过引入适宜的微生物,如硝化细菌和硫化细菌,降解有机物和氮、硫源物质,达到减少污染物浓度的目的。生物处理技术具有操作简单、投资成本低的特点,但对一些高浓度有机物和重金属离子的处理效果较差。

2.化学处理技术:化学处理技术是通过化学反应将废水中的污染物转化为无毒无害的物质。在锂电材料生产废水处理中,可以利用化学草酸法、沉淀法、络合物法等化学处理技术,将废水中的重金属离子、氟化物等物质沉淀下来。然后通过沉淀物的处理处置,达到废水净化和资源回收的目的。化学处理技术适用于处理高浓度污染物,但操作复杂,需要配备酸碱等大量的化学药剂,对环境有一定的影响。

3.高级氧化技术:高级氧化技术是一种通过氧化反应将废水中的有机物降解为无害物质的处理技术。锂电材料生产废水中存在的有机物可以通过臭氧氧化、光催化氧化、超声波氧化等高级氧化技术进行处理。这些技术可以在较短时间内将废水中的有机物降解为CO2和H2O等无害物质。但高级氧化技术需要复杂的设备和能源支持,投资成本较高。

4.膜分离技术:膜分离技术是一种通过膜的选择性透过性将废水中的污染物分离出来的技术。在锂电材料生产废水处理中,可以利用膜分离技术将废水中的盐类和重金属离子分离出来,达到废水净化和资源回收的目的。膜分离技术具有操作简便、处理效果可控的特点,但对膜的选择和维护要求较高。

5、综合技术的应用:针对锂电材料生产废水的特点和处理技术的局限性,一种综合技术的应用成为可能;可以结合生物处理技术和化学处理技术,通过预处理、生化分离、化学草酸法沉淀等工艺流程,将废水中的有机物和重金属离子逐步分离和降解;然后再利用高级氧化技术进行进一步处理,将废水中的有机物完全氧化;最后通过膜分离技术将废水中的盐类和重金属离子分离出来,实现废水的净化和资源回收;综合技术的应用可以充分利用各种处理技术的优势,降低处理成本,实现废水达标排放和资源的回收利用,但在应用过程中,需要建立完善的废水处理系统,严格控制各个环节的操作参数,以确保处理效果和工艺的稳定性。

1)综合技术的应用可以充分利用各种处理技术的优势,实现废水净化、和资源回收。一种综合技术的应用方案可以包括以下几个步骤:

(1)预处理:废水中经常存在固体颗粒物和浮物,需要通过预处理步骤去除。预处理可以采用物理方法,如格栅过滤和沉淀等。

(2)生化分离:生物处理技术具有对有机物去除效果好的特点,但对重金属离子处理能力较弱;因此采用生化分离可以将废水中的有机物和重金属离子分离开,生化分离采用活性污泥法、厌氧消化等方法。

(3)化学草酸法沉淀:化学处理技术对重金属离子具有较好的去除效果。可以采用化学草酸法将重金属离子沉淀下来。草酸能够与重金属形成不溶性盐类沉淀,从而达到去除重金属离子的目的

(4)高级氧化技术:高级氧化技术可以将废水中的有机物进行完全氧化;常用的高级氧化技术包括臭氧氧化、过氧化氢氧化等;通过高级氧化技术的应用,可进一步降解废水中的有机物,提高废水的水质。

(5)膜分离技术:膜分离技术可以将废水中的盐类和重金属离子分离出来,实现废水的净化和资源回收,膜分离技术包括超滤、反渗透等方法。

2)综合技术的应用可以充分发挥各个处理技术的优势,降低处理成本,实现废水达标排放和资源的回收利用;通过生物处理、化学处理、高级氧化和膜分离等工艺流程相结合,可以逐步分离和降解废水中的有机物和重金属离子,实现废水的净化和资源回收。

(1)在应用综合技术的过程中,也存在一些局限性。首先,综合技术的应用需要建立完善的废水处理系统,包括设备和管道等。这需要一定的投资和维护成本,增加了废水处理的经济负担。此外,由于废水中的污染物种类繁多,需要控制多个处理环节的操作参数,确保处理效果和工艺的稳定性。这对操作人员的技术要求较高,也增加了处理的难度。

(2)综合技术的应用可以实现锂电材料生产废水的净化和资源回收;通过充分利用各种处理技术的优势,综合技术可以降低处理成本,达到废水排放和资源回收的要求。然而,在应用过程中需要充分考虑技术的可行性和经济性,以及环保标准的要求,确保废水处理的效果和工艺的稳定性。只有通过科学、可持续的废水处理,我们才能实现锂电材料生产环节的绿色可持续发展。

(3)综合技术的应用在锂电材料生产废水处理中具有重要的意义;通过综合运用生物处理、化学处理、高级氧化和膜分离等多种技术手段,可以有效地分离和降解废水中的有机物和重金属离子,实现废水的净化和资源回收。然而,在应用综合技术的过程中,也面临一些挑战和限制。

(4)综合技术的应用需要建立完善的废水处理系统,包括设备和管道等;这需要一定的投资和维护成本,增加了废水处理的经济负担。特别是在锂电材料生产中,废水中含有大量的重金属离子,对处理设备和管道的耐腐蚀性要求较高,这增加了工程建设的复杂性和成本。因此,在应用综合技术时,需要充分考虑经济性,并根据实际情况进行合理的技术选择和优化;其次,由于废水中的污染物种类繁多,综合技术需要控制多个处理环节的操作参数,确保处理效果和工艺的稳定性。这对操作人员的技术要求较高,需要具备综合的水处理知识和实践经验。此外,废水处理过程中还需要进行监测和调控,及时调整处理参数以应对废水质量的波动,确保处理效果稳定;因此综合技术的应用需要配备专业的操作人员,并进行系统的培训和管理;另外,综合技术的应用需要根据废水的实际情况和环保标准进行技术设计和优化。不同的废水特性和排放要求可能需要采用不同的处理工艺和技术参数。例如,在锂电材料生产废水中,重金属离子的浓度和种类差异较大,处理方法和技术参数需要根据实际情况进行调整。因此,在综合技术应用的过程中,需要充分考虑技术的可行性和适用性,并与环保标准相匹配,确保废水处理的效果和工艺的稳定性。

(5)综合技术的应用可以有效地实现锂电材料生产废水的净化和资源回收;通过充分利用各种处理技术的优势,综合技术可以降低处理成本,达到废水排放和资源回收的要求。例如,生物处理可以有效降解有机物,化学处理可以沉淀和去除重金属离子,高级氧化可以降解难降解的有机物,膜分离可以分离出重金属离子和其他溶质。综合运用这些技术手段,可以将废水中的污染物去除或转化为可回收利用的资源,实现废水的净化和资源的回收利用;然而,在应用过程中需要充分考虑技术的可行性和经济性,以及环保标准的要求,确保废水处理的效果和工艺的稳定性。只有通过科学、可持续的废水处理,我们才能实现锂电材料生产环节的绿色可持续发展。因此,在综合技术应用的过程中,需要进行充分的前期调研和技术评估,确定适用的处理工艺和技术参数。同时还需要进行监测和评价,及时发现和解决问题,确保废水处理的效果符合要求。

3)综合技术的应用可以实现锂电材料生产废水的净化和资源回收。

(1)通过充分利用各种处理技术的优势,综合技术可以降低处理成本,达到废水排放和资源回收的要求。

(2)在应用过程中需要充分考虑技术的可行性和经济性,以及环保标准的要求,确保废水处理的效果和工艺的稳定性。

(3)只有通过科学、可持续的废水处理,我们才能实现锂电材料生产环节的绿色可持续发展;随着锂电池产业的快速发展,锂电材料生产废水的处理问题越发凸显。

(4)针对锂电材料生产废水的特点和污染物种类的复杂性,需要采取适当的废水处理技术。

(5)综合技术的应用可以将多种处理技术相结合,发挥各自的优势,达到废水净化和资源回收的目的;然而在应用过程中需要充分考虑技术的可行性和经济性,以及环保标准的要求,确保废水处理的效果和工艺的稳定性。只有通过科学、可持续的废水处理,我们才能实现锂电材料生产环节的绿色可持续发展。

综上所述,锂电材料生产过程中产生的废水问题对环境和人类健康构成了极大的风险。锂电材料企业需要重视废水处理工作,采取有效的技术措施,降低废水中氟化物、重金属离子、有机物和盐类的浓度,以保护环境和人类健康。只有做好废水处理,才能使锂电池产业可持续发展,并为社会带来更多的经济效益和环境效益。
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