权利要求
1.一种利用
铜渣还原铁粉核壳活化一步制备
磷酸铁的方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤一:将利用铜渣还原铁粉进行可控氧化处理,使其表面形成厚度为5~20nm的氧化铁壳层,从而得到具有Fe0/FexOy核壳结构的活化铁粉;
步骤二:将活化铁粉加入磷酸溶液中进行溶解;
步骤三:在氧化条件下进行反应,反应后固液分离得到磷酸铁沉淀;
步骤四:磷酸铁沉淀进行干燥处理得无水磷酸铁。
2.根据权利要求1所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,其特征在于:所述的步骤一中铁粉在可控氧化处理前进行除杂处理。
3.根据权利要求2所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,其特征在于:所述的除杂处理具体操作为:
(1)预磨解离:
将还原铁粉进行机械粉碎或超细磨处理,使金属铁与硅酸盐夹杂物充分解离;
(2)酸浸除杂:
采用质量浓度1~15 wt%的稀硫酸、稀盐酸或稀磷酸溶液,在20~80℃条件下,以液固比(5~15):1搅拌浸出0.5~4小时,以去除易溶杂质;
(3)选择性脱铜:
加入硫化剂或络合剂,使Cu优先形成沉淀或络合物后分离;
(4)强化磁选:
对酸浸后的铁粉进行磁选处理,以去除弱磁性或非磁性杂质;
(5)硅杂质去除:
(6)洗涤与干燥:
除杂后的铁粉经洗涤至pH为6~7后,于60~120℃条件下干燥。
4.根据权利要求2所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,其特征在于:所述的除杂处理后的铜渣还原铁粉中总铁含量为90wt%以上,具有Fe0/FexOy核壳结构的活化铁粉含量为80wt%以上,Cu含量≤0.05wt%,Zn含量≤0.05wt%,Ca与Mg总含量≤0.10wt%,Al含量≤0.10wt%,Si含量≤0.30wt%。
5.根据权利要求1所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,其特征在于:所述的步骤一中可控氧化处理的温度为200~400℃,氧化气氛为空气或氧气体积分数为5%~21%的混合气体,处理时间为30~240min。
6.根据权利要求1所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,其特征在于:所述的步骤二中磷酸溶液的质量浓度为15%~45%,所述的具有Fe0/FexOy核壳结构的活化铁粉和磷酸溶液的铁元素和磷元素的摩尔比为1:2~4,反应温度为30~90℃,反应时间为30~180min。
7.根据权利要求1所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,其特征在于:所述的步骤三中氧化条件为通入空气或氧气或加入氧化剂,反应温度为30~90℃,反应时间为10~120min。
8.根据权利要求7所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,其特征在于:所述的氧化剂为过氧化氢、硝酸盐以及氯酸盐其中的任意一种或任意两种以任意比例混合的混合物。
9.根据权利要求8所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,其特征在于:所述的氧化剂为过氧化氢,过氧化氢与铁的摩尔比为0.5:1~1.2:1。
10.根据权利要求1所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,其特征在于:所述的步骤四的干燥处理的温度为60~150℃,干燥处理的时间为120~720min。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于磷酸铁制备领域,具体地说是一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法。
背景技术
[0002]磷酸铁(FePO4)是制备
锂离子电池
正极材料磷酸铁锂(LiFePO4)的关键前驱体,其纯度、晶体形貌和杂质含量直接影响电池性能。根据化工行业标准HG/T4701-2021,电池级无水磷酸铁要求Ca、Mg、Zn等杂质含量均不得超过0.005%(50ppm),Cu杂质含量不超过0.003%(30ppm),Fe/P摩尔比需控制在0.96~0.98之间。
[0003]目前工业制备磷酸铁主流工艺主要有铵法、钠法和铁法。其中,铵法和钠法以硫酸亚铁(
钛白粉副产)为铁源,需要外加磷酸或磷酸盐以及氨水或氢氧化钠调节pH,工艺流程长,副产大量硫酸铵或硫酸钠,环保压力大。铁法以高纯铁块/铁锭为铁源,与磷酸直接反应生成磷酸二氢亚铁后氧化沉淀得到磷酸铁,产品纯度高,但铁源成本高昂(工业纯铁块/铁锭大宗采购均价约4650元/吨),按吨磷酸铁产品消耗约0.40吨铁计,仅铁原料成本即约1860元/吨产品。此外,无论是工业纯铁块还是其他铁源,在与磷酸反应时均存在放氢剧烈、溶解不均匀的问题,导致Fe2+浓度波动大,最终磷酸铁粒径分布宽、形貌不规则,影响产品一致性和良率。
[0004]铜渣是
铜冶炼过程中产生的大宗工业
固废,铁含量高达40%以上。本申请人已获授权的发明专利“一种从铜尾渣中提取铁的方法”(CN121161010A)公开了一种低温固态还原-磁选工艺,可从铜渣中低成本制得铁品位85%~92%的还原铁粉(综合成本约1200~1600元/吨)。但该铁粉直接用于磷酸铁制备时,杂质(Cu、Zn等)易致产品超标,且同样存在反应剧烈、溶解不可控的问题。
[0005]现有技术中有对铁粉进行表面氧化处理的报道(如CN102049516A),但其目的是在铁粉表面形成磷酸铁绝缘层以降低磁芯损耗,属于电磁学领域,与本发明通过氧化壳层调控酸溶反应动力学的化学目的完全不同。在利用铜渣还原铁粉制备磷酸铁领域,尚未见将“除杂-核壳活化-一步法”作为完整技术链条进行系统研究的方案。
[0006]因此,开发一种以低成本铜渣还原铁粉为原料、能够稳定生产满足HG/T4701-2021标准电池级磷酸铁的方法,具有重要的工业价值和环保意义。
发明内容
[0007]本发明提供一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,用以解决现有技术中的缺陷。
[0008]本发明通过以下技术方案予以实现:
一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,包括如下步骤:
步骤一:将利用铜渣还原铁粉进行可控氧化处理,使其表面形成厚度为5~20nm的氧化铁壳层,从而得到具有Fe0/FexOy核壳结构的活化铁粉;
步骤二:将活化铁粉加入磷酸溶液中进行溶解;
步骤三:在氧化条件下进行反应,反应后固液分离得到磷酸铁沉淀;
步骤四:磷酸铁沉淀进行干燥处理得磷酸铁。
[0009]如上所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,所述的步骤一中铁粉在可控氧化处理前进行除杂处理。
[0010]如上所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,所述的除杂处理的具体操作为:
(1)预磨解离:
将还原铁粉进行机械粉碎或超细磨处理,使金属铁与硅酸盐夹杂物充分解离;
(2)酸浸除杂:
采用质量浓度1~15 wt%的稀硫酸、稀盐酸或稀磷酸溶液,在20~80℃条件下,以液固比(5~15):1搅拌浸出0.5~4小时,以去除易溶杂质;
(3)选择性脱铜:
加入硫化剂或络合剂,使Cu优先形成沉淀或络合物后分离;
(4)强化磁选:
对酸浸后的铁粉进行磁选处理,以去除弱磁性或非磁性杂质;
(5)硅杂质去除:
通过分级、浮选或碱洗方式去除硅酸盐夹杂;
(6)洗涤与干燥:
除杂后的铁粉经洗涤至pH为6~7后,于60~120℃条件下干燥。
[0011]如上所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,所述的除杂处理后的铜渣还原铁粉中总铁(TFe)含量为90wt%以上,具有Fe0/FexOy核壳结构的活化铁粉含量为80wt%以上,Cu含量≤0.05wt%,Zn含量≤0.05wt%,Ca与Mg总含量≤0.10wt%,Al含量≤0.10wt%,Si含量≤0.30wt%。
[0012]如上所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,所述的步骤一中的可控氧化处理的温度为200~400℃,氧化气氛为空气或氧气体积分数为5%~21%的混合气体,处理时间为30-240min。
[0013]如上所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,所述的步骤二中磷酸溶液的质量浓度为15%~45%,所述的具有 Fe0/FexOy核壳结构的活化铁粉和磷酸溶液的铁元素和磷元素的摩尔比为1:2~4,反应温度为30~90℃,反应时间为30~180min。
[0014]如上所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,所述的步骤三中氧化条件为通入空气或氧气或加入氧化剂,反应温度为30~90℃,反应时间为10~120min。
[0015]如上所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,所述的氧化剂为过氧化氢、硝酸盐以及氯酸盐其中的任意一种或任意两种以任意比例混合的混合物。
[0016]如上所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,所述的氧化剂为过氧化氢,过氧化氢与铁的摩尔比为0.5:1~1.2:1。
[0017]如上所述的一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,所述的步骤四的干燥处理的温度为60~150℃,干燥处理的时间为120~720min。
[0018]本发明的优点是:本发明通过在利用铜渣还原铁粉表面可控氧化形成Fe3O4/Fe2O3壳层(5~20 nm),将后续酸溶反应从“化学控制”(H+与Fe0的直接反应)切换为“扩散控制”(H+透过氧化壳层的扩散过程),相比未活化铁粉,活化后Fe2+浓度波动标准偏差从未活化的28.5%降至3.5%,峰值产氢速率降低60%以上,反应平稳可控,产品一致性和良率显著提升;
本发明将利用铜渣还原铁粉与磷酸直接反应生成磷酸二氢亚铁,同体系中氧化沉淀得到磷酸铁,无需外加硫酸亚铁、磷酸盐或pH调节剂(氨水/氢氧化钠),较铵法/钠法单元操作减少30%以上,副产物仅为氢气和少量水,无硫酸铵/硫酸钠等副产物产生,吨产品废水≤12吨,废水排放量较传统铵法减少40%~50%,环保优势显著;
本发明以利用铜渣还原铁粉(成本约1200~1600元/吨)替代工业纯铁块/铁锭(4650元/吨),核壳活化处理仅需简单热处理,综合铁原料成本降低约60%~70%,叠加双氧水节省和废水减排,较传统铁法综合成本降低15%~20%,较铵法/钠法成本优势更大;
本发明通过前置除杂处理,利用铜渣还原铁粉中Cu、Zn、Ca、Mg等杂质降至≤0.005%(50 ppm),Fe/P摩尔比0.96~0.98,振实密度≥0.6 g/cm3,粒径分布均匀(D50/D90>0.4),完全满足HG/T 4701-2021标准,以该磷酸铁为前驱体制备的
磷酸铁锂正极材料,0.1C首次放电比容量≥153.5 mAh/g,首次充放电效率≥95%;
本发明的利用铜渣还原铁粉以铜渣为原料,实现了大宗工业固废的高值化利用,每生产1吨磷酸铁可消纳铜渣约3~4吨,具有显著的环境效益和社会效益。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本发明方法的工艺流程示意图;
图2为本发明实施例2的未活化铁粉与活化铁粉酸溶过程中Fe2+浓度变化对比曲线示意图;
图3为本发明实施例1中核壳活化铁粉的TEM截面图(不规则团聚的Fe0/FexOy核壳颗粒,壳层厚度5~20 nm);
图4为本发明实施例1制备的无水磷酸铁的XRD图谱;
图5为本发明实施例1的磷酸铁制备的LiFePO4/C半电池充放电曲线示意图(0.1C2.5-4.2V);
图6为本发明实施例1的成分检测报告示意图。
具体实施方式
[0021]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0022]如图1所示,一种利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法,包括如下步骤:
步骤一:将利用铜渣还原铁粉进行可控氧化处理,使其表面形成厚度为5~20nm的氧化铁壳层,从而得到具有Fe0/FexOy核壳结构的活化铁粉;
步骤二:将活化铁粉加入磷酸溶液中进行溶解;
步骤三:在氧化条件下进行反应,反应后固液分离得到磷酸铁沉淀;
步骤四:磷酸铁沉淀进行干燥处理得磷酸铁。
[0023]优选的,本实施例所述的步骤一中铁粉在可控氧化处理前进行除杂处理。
[0024]优选的,本实施例所述的除杂处理的具体操作为:
(1)预磨解离:
将还原铁粉进行机械粉碎或超细磨处理,使金属铁与硅酸盐夹杂物充分解离;
(2)酸浸除杂:
采用质量浓度1~15 wt%的稀硫酸、稀盐酸或稀磷酸溶液,在20~80℃条件下,以液固比(5~15):1搅拌浸出0.5~4小时,以去除Zn、Ca、Mg、Al等易溶杂质;
(3)选择性脱铜:
加入硫化剂或络合剂,使Cu优先形成沉淀或络合物后分离;
(4)强化磁选:
对酸浸后的铁粉进行磁选处理,以去除弱磁性或非磁性杂质;
(5)硅杂质去除:
通过分级、浮选或碱洗方式去除硅酸盐夹杂;
(6)洗涤与干燥:
除杂后的铁粉经洗涤至pH为6~7后,于60~120℃条件下干燥。
[0025]优选的,本实施例所述的除杂处理后的铜渣还原铁粉中总铁(TFe)含量为90wt%以上,具有Fe0/FexOy核壳结构的活化铁粉含量为80wt%以上,Cu含量≤0.05wt%;Zn含量≤0.05wt%;Ca与Mg总含量≤0.10wt%;Al含量≤0.10wt%;Si含量≤0.30wt%。
[0026]优选的,本实施例所述的步骤一中的可控氧化处理的温度为200~400℃,氧化气氛为空气或氧气体积分数为5%~21%的混合气体,处理时间为30-240min。
[0027]优选的,本实施例所述的步骤二中磷酸溶液的质量浓度为15%~45%,所述的具有Fe0/FexOy核壳结构的活化铁粉和磷酸溶液的铁元素和磷元素的摩尔比为1:2~4,反应温度为30~90℃,反应时间为30~180min。
[0028]优选的,本实施例所述的步骤三中氧化条件为通入空气或氧气或加入氧化剂,反应温度为30~90℃,反应时间为10~120min。
[0029]优选的,本实施例所述的氧化剂为过氧化氢、硝酸盐以及氯酸盐其中的任意一种或任意两种以任意比例混合的混合物。
[0030]优选的,本实施例所述的氧化剂为过氧化氢,过氧化氢与铁的摩尔比为0.5:1~1.2:1。
[0031]优选的,本实施例所述的步骤四的干燥处理的温度为60~150℃,干燥处理的时间为120~720min。
[0032]实施例1(优选实施方式:酸洗除杂 + 核壳活化 + 一步法)
S1:铜渣还原铁粉的制备
采用本申请人已授权专利CN121161010A所述方法,得到还原铁粉,铁品位91.8%,铁回收率87.5%,主要杂质含量(ICP-OES):Cu=230 ppm,Zn=950 ppm,Al=10500 ppm,Mn=310ppm,Ca=13400 ppm,Mg=280 ppm;
S2:除杂处理
(1)预磨解离:
将50g还原铁粉进行机械粉碎至D50≤75um,使金属铁与硅酸盐夹杂物充分解离;
(2)酸浸除杂:
采用质量浓度10 wt%的稀盐酸溶液,在60℃条件下,以液固比10:1搅拌浸出1h,搅拌速率300r/min,以去除Zn、Ca、Mg、Al等易溶杂质;
将酸处理后的还原铁粉抽滤洗涤至中性,于真空干燥箱75℃条件下干燥8h;
(3)选择性脱铜:
干燥酸浸还原铁粉中加入25%浓度氨水,PH=9,使Cu形成[Cu(NH3)4]2+络合物后分离;
(4)强化磁选:
对酸浸脱铜后的铁粉进行磁选处理,磁场强度3000G,以去除弱磁性或非磁性杂质;
(5)硅杂质去除:
在酸洗脱铜强化磁选后的还原铁粉加入去离子水,液固比4:1,加入6%碱度的NaOH溶液,加热至90℃,搅拌2h,搅拌速率300r/min
(6)洗涤与干燥:
除杂后的铁粉经洗涤至pH为中性后,于真空干燥箱75℃条件下干燥8h;
除杂后杂质含量:Cu=30 ppm,Zn=380 ppm,Al=950 ppm,Mn=120 ppm,Ca=250 ppm,Mg=100 ppm,
S3:核壳活化处理
将除杂铁粉置于管式炉中,通空气(200 mL/min),以5℃/min升至280℃,恒温氧化1小时,自然冷却,TEM显示表面形成厚度约10 nm的氧化铁壳层(核壳活化铁粉的TEM截面图如图3所示);
S4:一步法一体化反应
将30%磷酸溶液1000 mL预热至80℃,按Fe:P=1:2.5加入活化铁粉(以Fe计1.0mol),体系pH≈1.2。铁粉溶解过程平稳,60 min后溶液呈淡绿色(Fe2+的磷酸二氢亚铁溶液)。以0.3 mL/min滴加30%双氧水72 mL(H2O2:Fe=1.05:1),升温至85℃,保温60 min,生成白色FePO4·2H2O沉淀。过滤,去离子水洗涤至电导率≤30 μS/cm,110℃干燥6 h,550℃焙烧4 h,得无水磷酸铁(其XRD图谱如图4所示);
对实施例1制备的无水磷酸铁进行各项数据检测,其结果如图6所示;
由图6数据可知,Fe=36.28%,P=20.12%,Fe/P(摩尔比)=0.966;杂质含量:Ca=0.0045%(45ppm),Mg=0.0042%(42ppm),Cu=0.0028%(28ppm),Zn=0.0095%(95ppm),Na=0.0072%(<72ppm),K=0.0011%(11ppm),S=0.0164%(164ppm),各项指标均符合HG/T 4701-2021电池级磷酸铁标准。
[0033]实施例2(不同核壳活化条件对反应动力学的影响)
固定除杂方式(同实施例1 S2),分别采用不同活化条件制备活化铁粉,对比酸溶过程中的Fe2+释放行为,结果如表1所示,其对比图如图2所示。
[0034]
表1 不同活化条件对酸溶动力学的影响
由表1和图2数据可知,经核壳活化后,铁粉溶解速率显著降低且趋于平稳,壳层厚度约5 nm时,RSD降至12.0%,产氢速率降低近50%;壳层厚度约10 nm时,RSD降至5.2%,产氢速率降低72%,80%溶解时间约22分钟;壳层厚度超过20 nm后,溶解时间显著延长至40分钟以上;综合比较,壳层厚度约10 nm(优选条件:280℃氧化1小时)综合性能最优,既保证反应平稳可控,又维持较高反应效率。证明适当厚度的核壳活化是实现反应动力学精准调控的关键技术特征。
[0035]实施例3(本发明一步法与常规铁盐法的对比)
本实施例对比本发明方法与常规铵法(主流铁盐法)制备磷酸铁的差异,突出本发明在流程简化、无需pH调节剂、副产物少等方面的优势,其结果如表2所示。
[0036]
表2 本发明方法与常规铵法的主要工艺对比
由表2数据可知,本发明方法无需外加氨水或氢氧化钠调节pH,避免了硫酸铵等副产物的产生,流程更短、废水更少、环保压力更小。同时,核壳活化的引入使得以低成本铜渣铁粉为原料成为可能,综合成本显著低于传统铁法和铵法/钠法。
[0037]对比例1(无核壳活化,证明活化必要性)
采用与实施例1相同来源的除杂铁粉,省略S3核壳活化步骤,直接按实施例1的S4条件反应。现象:铁粉加入后剧烈产氢,溶液飞溅,局部温度超98℃。Fe2+浓度波动RSD达28.5%,最终产品XRD显示含约2.7% Fe3(PO4)2杂峰,粒径D50=4.8μm,D90=18.5μm,D50/D90=0.26,振实密度0.52g/cm3,不满足电池级要求。证明核壳活化是保证反应平稳、产品品质的必要步骤。
[0038]对比例2(传统铁法,采用工业纯铁块)
采用工业纯铁块(Fe≥99.5%,价格约4650元/吨)为铁源,按照典型铁法工艺:将26%磷酸溶液预热至88℃,按Fe:P=1:2.5加入铁块(破碎至5 mm),搅拌溶解。溶解时间约14小时。溶解完全后过滤,调整n(P)/n(Fe)后加入双氧水氧化沉淀,经洗涤、干燥、煅烧得无水磷酸铁,产品纯度合格(Fe=36.4%,P=20.2%,Fe/P=0.965),但溶解时间长达14小时,铁原料成本约1860元/吨产品,远高于本发明的成本,该工艺未涉及核壳活化,溶解剧烈,工业控制难度大。
[0039]应用例:磷酸铁锂正极材料的制备与
电化学测试
取实施例1制备的无水磷酸铁,按Li:Fe:P=1:1:1(外加12wt%葡萄糖作为碳源)与Li2CO3球磨混合4小时,在Ar/H2(5% H2)气氛中于700℃焙烧8小时,得碳包覆磷酸铁锂(LFP/C),组装CR2032半电池(
金属锂为对电极,1 mol/L LiPF6/EC+DMC+EMC
电解液),电压范围2.5~4.2V,测试结果:0.1C首次放电比容量153.8 mAh/g,首次库仑效率94.5%,电化学性能与市售高纯铁源路线产品相当(其充放电曲线示意图如图5所示)。
[0040]工业实用性
本发明提供了一种以铜渣还原铁粉为原料制备电池级磷酸铁的方法,通过“除杂-核壳活化-一步法”协同工艺,实现了从大宗工业固废到高附加值
电池材料的高效转化。该方法原料来源广泛、成本低廉,工艺流程短(仅5个单元操作),无需外加pH调节剂,副产物仅为可回收的氢气,废水较传统工艺减少40%~50%(吨产品≤12吨),环保优势突出。产品满足HG/T 4701-2021电池级标准。本发明的实施每生产1吨磷酸铁消纳铜渣3~4吨,综合成本较传统铁法低15%~20%。既可解决铜渣固废堆存造成的环境问题,又可大幅降低磷酸铁生产成本,具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。
[0041]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
说明书附图(6)
声明:
“利用铜渣还原铁粉核壳活化一步制备磷酸铁的方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究,如用于商业用途,请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)