Question

废旧锂离子电池的正极材料（主要含有LiCoO₂及少量Al、Fe等）可用于回收钴、锂，实验方法如下：

已知：Fe³⁺开始沉淀pH=2.7，完全沉淀pH=3.2； Al³⁺开始沉淀pH=3.8，完全沉淀pH=5.2； Co²⁺完全沉淀pH=9.15
（1）在上述溶解过程中，S₂O₃^2-被氧化成SO₄^2-，LiCoO₂在溶解过程中反应的化学方程式为

 

，氧化剂是

 

．
（2）在上述除杂过程中，通入空气的作用是

 

．通入空气和加入NaOH溶液后发生的离子方程式

 

，废渣的主要成分是Al （OH）₃和

 

．
（3）“沉淀钴”和“沉淀锂”的离子方程式分别为

 

、

 

．
（4）该工艺可回收的副产品是

 

（写化学式）．

Answer 1

考点：物质分离和提纯的方法和基本操作综合应用

专题：

分析：正极材料（主要含有LiCoO₂及少量Al、Fe等）溶于稀硫酸，Fe、Al和稀硫酸反应生成硫酸盐和氢气，发生的离子反应方程式为Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑、2Al+6H⁺=2Al³⁺+3H₂↑，酸性条件下S₂O₃^2-被氧化成SO₄^2-，所以硫代硫酸钠和LiCoO₂反应方程式为8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O；然后向溶液中充入空气，亚铁离子不稳定，易被氧化为铁离子，同时向溶液中加入NaOH溶液，发生的反应为4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃↓、Al³⁺+3OH^-=Al（OH）₃↓，Fe³⁺开始沉淀pH=2.7，完全沉淀pH=3.2； Al³⁺开始沉淀pH=3.8，完全沉淀pH=5.2，所以条件溶液的pH为5-6时，铁离子完全沉淀，过滤得到的废渣为 Fe（OH）₃；
过滤后向溶液中再加入NaOH溶液并调节溶液的pH为9-10，发生的离子反应为Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂↓，过滤得到Co（OH）₂，最后向滤液中加入NaOH、Na₂CO₃并调节溶液的pH为11-12，发生的离子反应为2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓，再结合题目分析解答．

解答： 解：正极材料（主要含有LiCoO₂及少量Al、Fe等）溶于稀硫酸，Fe、Al和稀硫酸反应生成硫酸盐和氢气，发生的离子反应方程式为Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑、2Al+6H⁺=2Al³⁺+3H₂↑，酸性条件下S₂O₃^2-被氧化成SO₄^2-，所以硫代硫酸钠和LiCoO₂反应方程式为8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O；然后向溶液中充入空气，亚铁离子不稳定，易被氧化为铁离子，同时向溶液中加入NaOH溶液，发生的反应为4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃↓、Al³⁺+3OH^-=Al（OH）₃↓，Fe³⁺开始沉淀pH=2.7，完全沉淀pH=3.2； Al³⁺开始沉淀pH=3.8，完全沉淀pH=5.2，所以条件溶液的pH为5-6时，铁离子完全沉淀，过滤得到的废渣为 Fe（OH）₃；
过滤后向溶液中再加入NaOH溶液并调节溶液的pH为9-10，发生的离子反应为Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂↓，过滤得到Co（OH）₂，最后向滤液中加入NaOH、Na₂CO₃并调节溶液的pH为11-12，发生的离子反应为2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓，
（1）通过以上分析知，LiCoO₂在溶解过程中反应的化学方程式为8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O，该反应中Co元素化合价由+3价变为+2价、S元素化合价由-2价变为+6价，所以氧化剂是LiCoO₂，故答案为：8LiCoO₂+Na₂S₂O₃+11H₂SO₄=4Li₂SO₄+8CoSO₄+Na₂SO₄+11H₂O；LiCoO₂；
（2）Fe³⁺开始沉淀pH=2.7，完全沉淀pH=3.2，需要的pH较小，且亚铁离子不稳定易被氧气氧化，所以充入氧气的目的是将亚铁离子氧化为铁离子，条件溶液的pH从而除去铁离子；
发生的离子反应方程式为4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃↓，通过以上分析知废渣的主要成分是Al （OH）₃和 Fe（OH）₃，
故答案为：将亚铁离子氧化为铁离子；4Fe²⁺+O₂+2H₂O+8OH^-=4Fe（OH）₃↓； Fe（OH）₃；
（3）通过以上分析知，“沉淀钴”和“沉淀锂”的离子方程式分别为Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂↓、2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓，故答案为：Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂↓；2Li⁺+CO₃^2-=Li₂CO₃↓；
（4）最终的滤液中溶质成分有硫酸钠，所以可以回收的副产物是Na₂SO₄，故答案为：Na₂SO₄．

点评：本题考查物质的分离和提纯，侧重考查工艺流程的分析，涉及沉淀的生成与pH的关系、物质的性质、基本实验操作等知识点，明确物质性质是解本题关键，知道每一步发生的反应及分离方法，题目难度中等．