Гидрометаллургическая переработка отработанных цинк-марганцевых элементов питания

   Изучена возможность переработки цинк-марганцевых батарей в щелочной среде. Показано, что трехступенчатая отмывка позволяет удалить хлориды калия из активной массы измельченных батарей. Установлены закономерности влияния параметров щелочного выщелачивания смеси солевых и щелочных батарей (температура, концентрация щелочи и количество циклов) на извлечение цинка в раствор. Определена причина низкого извлечения цинка из данного материала – наличие труднорастворимых в щелочах соединений цинка и марганца: гетеролита и гидрогетеролита, которые могут образовываться в процессе эксплуатации батарей. Выявлено, что с повышением концентрации NaOH от 100 до 205 г/дм³ растет извлечение цинка в 2,6 раза, но дальнейшее увеличение содержания NaOH и температуры в диапазоне 30–85 °С не влияет на переход цинка в раствор. Определены оптимальные режимы выщелачивания смеси солевых и щелочных батарей при продолжительности 30 мин и плотности пульпы 200 г/дм³ : температура 30 °С, концентрация NaOH – 390 г/дм³ . Проведение опытов по накоплению ионов цинка с повторным направлением на выщелачивание фильтрата показало, что при повышении исходной концентрации NaOH до 390 г/дм³ удается перевести максимально возможное количество цинка в раствор при том же расходе NaOH за счет цикличной обработки растворов. Концентрация цинка в растворах после выщелачивания достигала 59 г/дм³ , а NaOH – 300 г/дм³. Полученные растворы могут направляться на электроэкстракцию цинка и затем снова возвращаться на выщелачивание.

1. Чем опасны батарейки. URL: http://cgon.rospotrebnadzor.ru/content/62/1040/ (дата обращения: 15. 10. 2021). / What are the dangers of batteries? URL: http://cgon.rospotrebnadzor.ru/content/62/1040 (accessed: 15. 10. 2021) (In Russ.).

2. Sadeghi Maryam S., Jesus J., Soares Helena M. V. M. A critical updated review of the hydrometallurgical routes for recycling zinc and manganese from spent zinc-based batteries. Waste Manag. 2020. Vol. 113. P. 342—350. DOI: 10.1016/j.wasman.2020.05.049.

3. Работа правительства. URL: http://government.ru/rugovclassifier/848/main/ (дата обращения: 15. 10. 2021). / Government work. URL: http://government.ru/rugovclassifier/848/main/ (accessed: 15. 10. 2021) (In Russ.).

4. De Souza Martha C. C., Correa de Oliveira D., Tenorio J. A. Characterization of used alkaline batteries powder and analysis of zinc recovery by acid leaching. J. Power Sources. 2001. Vol. 103. No. 1. P. 120—126. DOI: 10.1016/S0378-7753(01)00850-3.

5. De Souza Martha C. C., Tenorio J. A. Simultaneous recovery of zinc and manganese dioxide from household alkaline batteries through hydrometallurgical processing. J. Power Sources. 2004. Vol. 136. No. 1. P. 191—196. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2004.05.019.

6. Ranjit K. B., Aneek K. K., Sree L. K. Recovery of manganese and zinc from spent Zn—C cell powder: Experimental design of leaching by sulfuric acid solution containing glucose. Waste Manag. 2016. Vol. 51. No. 5. P. 174—181. DOI: 10.1016/j.wasman.2015.11.002.

7. Grudinsky P. I., Zinoveev D. V., Dyubanov V. G., Kozlov P. A. State of the art and prospect for recycling of waelz slag from electric arc furnace dust processing. Inorg. Mater.: Appl. Res. 2019. Vol. 10. No. 5. P. 1220—1226. DOI: 10.1134/S2075113319050071.

8. Belardi G., Medici F., Piga L. Influence of gaseous atmosphere during a thermal process for recovery of manganese and zinc from spent batteries. J. Power Sources. 2014. Vol. 248. P. 1290—1298. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.10.064.

9. Burri R., Weber A. The wimmis project. Proceedings of battery recycling. J. Power Sources. 1995. Vol. 57. No. 1/2. P. 31—35. DOI: 10.1016/0378-7753(95)02235-X.

10. Sobianowska-Turek A., Szczepaniak W., Maciejewski P., Gawlik-Kobylińska M. Recovery of zinc and manganese, and other metals (Fe, Cu, Ni, Co, Cd, Cr, Na, K) from Zn—MnO₂ and Zn—C waste batteries: Hydroxyl and carbonate co-precipitation from solution after reducing acidic leaching with use of oxalic acid. J. Power Sources. 2016. Vol. 325. P. 220—228. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.06.042.

11. Rácz R., Ilea P. Electrolytic recovery of Mn₃ O₄ and Zn from sulphuric acid leach liquors of spent zinc—carbon—MnO₂ battery powder. Hydrometallurgy. 2013. Vol. 139. P. 116—123. DOI: 10.1016/j.hydromet.2013.08.006.

12. Sadeghi Maryam S., Vanpeteghem Guillaumme, Neto Isabel F. F., Soares Helena M. V. M. Selective leaching of Zn from spent alkaline batteries using environmentally friendly approaches. Waste Manag. 2017. Vol. 60. P. 696—705. DOI: 10.1016/j.wasman.2016.12.002.

13. Senanayake G., Avraamides J., Clegg R. Sulfur dioxide leaching of spent zinc—carbon-battery scrap. J. Power Sources. 2006. Vol. 159. No. 2. P. 1488—1493. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2005.11.081.

14. Cruz-Díaz M. R., Arauz-Torres Y., Caballero F., Lapidus G. T., González I. Recovery of MnO₂ from a spent alkaline battery leach solution via ozone treatment. J. Power Sources. 2015. Vol. 274. P. 839—845. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.10.121.

15. Petranikova M., Ebin B., Mikhailova S., Steenari B.-M., Ekberg C. Investigation of the effects of thermal treatment on the leachability of Zn and Mn from discarded alkaline and Zn—C batteries. J. Cleaner Product. Vol. 170. P. 1195—1205. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.09.238.

16. Andak B., Özduğan E., Türdü S., Bulutcu A. N. Recovery of zinc and manganese from spent zinc-carbon and alkaline battery mixtures via selective leaching and crystallization processes. J. Environ. Chem. Eng. 2019. Vol. 7. No. 5. DOI: 10.1016/j.jece.2019.103372.

17. Demirkıran N., Şenel M. Dissolution kinetics of metallic zinc obtained from spent zinc-carbon batteries in nitric acid solutions. Environ. Prog. Sustain. Energy. 2021. Vol. 40. No. 3. P. 10. DOI: 10.1002/ep.13553.

18. Shin S. M., Senanayake G., Sohn J. S., Kang J. G., Yang D. H., Kim T. H. Separation of zinc from spent zinc-carbon batteries by selective leaching with sodium hydroxide. Hydrometallurgy. Vol. 96. No. 4. P. 349—353. DOI: 10.1016/j.hydromet.2008.12.010.

19. Senanayake G., Shin S.-M., Senaputra A., Winn A., Pugaev D., Avraamides J., Sohn J.-S., Kim D.-J. Comparative leaching of spent zinc-manganese-carbon batteries using sulfur dioxide in ammoniacal and sulfuric acid solutions. Hydrometallurgy. 2010. Vol. 105. No. 1. P. 36—41. DOI: 10.1016/j.hydromet.2010.07.004.

20. Nogueira C. A., Margarido F. Selective process of zinc extraction from spent Zn—MnO 2 batteries by ammonium chloride leaching. Hydrometallurgy. 2015. Vol. 157. P. 13—21. DOI: 10.1016/j.hydromet.2015.07.004.

21. Buzatu T., Popescu G., Birloaga I., Simona S. A. Study concerning the recovery of zinc and manganese from spent batteries by hydrometallurgical processes. Waste Manag. 2013. Vol. 33. No. 3. P. 699—705. DOI: 10.1016/j.wasman.2012.10.005.

22. Baba A. A., Adekola A. F., Bale R. B. Development of a combined pyro- and hydro-metallurgical route to treat spent zinc—carbon batteries. J. Hazard. Mater. 2009. Vol. 171. No. 1. P. 838—844. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2009.06.068.

23. Demirkiran N., Ozdemir G. D. T. A kinetic model for dissolution of zinc oxide powder obtained from waste alkaline batteries in sodium hydroxide solutions. Metall. Mater. Trans. B. 2019. Vol. 50. No. 1. P. 491—501. DOI: 10.1007/s11663-018-1469-3.

24. Shin S. M., Kang J. G., Yang D. H., Sohn J. S. Development of metal recovery process from alkaline manganese batteries in sulfuric acid solutions. Mater. Trans. Japan Inst. Met. 2007. Vol. 48. No. 2. P. 244—248. DOI: 10.2320/matertrans.48.244.

25. Gęga J., Walkowiak W. Leaching of zinc and manganese from used up zinc-carbon batteries using aqueous sulfuric acid solutions. Physicochem. Probl. Miner. Process. 2011. Vol. 46. P. 155—162.

26. Shin S. M., Kang J. G., Yang D. H., Sohn J. S., Kim T. H. Selective leaching of zinc from spent zinc-carbon battery with ammoniacal ammonium carbonate. Mater. Trans. Jap. Inst. Met. 2008. Vol. 49. No. 9. P. 2124—2128. DOI: 10.2320/matertrans.MRA2008164.

27. Shalchian H., Rafsanjani-Abbasi A., Vahdati-Khaki J., Babakhani A. Selective acidic leaching of spent zinc-carbon batteries followed by zinc electrowinning. Metall. Mater. Trans. B. 2015. Vol. 46. No. 1. P. 38—47. DOI: 10.1007/s11663-014-0216-7.

28. Chen A., Xu D., Chen X., Zhang W., Liu X. Measurements of zinc oxide solubility in sodium hydroxide solution from 25 to 100 °C. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2012. Vol. 22. No. 6. P. 1513—1516. DOI: 10.1016/S1003-6326(11)61349-6.

29. Gallaway J. W., Menard M., Hertzberg B., Zhong Z., Croft M., Sviridov L. A., Turney D. E., Banerjee S., Steingart D. A., Erdonmez C. K. Hetaerolite profiles in alkaline batteries measured by high energy EDXRD. J. Electrochem. Soc. Vol. 162. No. 1. P. 162—168. DOI: 10.1149/2.0811501JES.

30. Farzana R., Rajarao R., Hassan K., Behera P. R., Sahajwalla V. Thermal nanosizing: Novel route to synthesize manganese oxide and zinc oxide nanoparticles simultaneously from spent Zn—C battery. J. Cleaner Product. 2018. Vol. 196. P. 478—488. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.06.055.

31. Мамяченков С. В. Исследование влияния технологических параметров на эффективность электролиза цинка из щелочных растворов / С. В. Мамяченков // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2018. – No 6. – C. 12—19. DOI: 10.17073/0021-3438-2018-6-12-19. / Mamyachenkov S. V., Yakornov S. A., Anisimova O. S., Kozlov P. A., Ivakin D. A. Research into the influence of process parameters on the efficiency of zinc electrolysis from alkaline solutions. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2019. Vol. 60. No. 1. P. 1—7. DOI: 10.3103/S1067821219010097.

32. Youcai Z., Chenglong Z. Electrowinning of zinc and lead from alkaline solutions. In: Pollution control and resource reuse for alkaline hydrometallurgy of amphoteric metal hazardous wastes: Handbook of environmental engineering. Cham: Springer, 2017. P. 171—262.