鉛材料之應用與鉛酸電池回收冶煉技術

 

刊登日期:2017/7/5
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鉛(Lead)為重要的基礎金屬原料,全球每年金屬鉛的使用量由2006年的800萬公噸,至2016年已成長至超過1,100萬公噸,如表一所示。

表一、2012~2016年國際金屬鉛供/需狀況
表一、2012~2016年國際金屬鉛供/需狀況

鉛的來源主要有二,一為原生鉛,二為回收(Recycle)之再生鉛。原生鉛來源為天然礦脈,主要為硫化物與氧化物等礦藏,中國為全世界最大的原生鉛生產國,依據美國地質調查所(U.S. Geological Survey; USGS)統計,於全球原生鉛中,中國約佔世界總產量45%,其他生產大國為澳洲、美國、秘魯與墨西哥,這五個主要的生產國佔了全球原生鉛產量約75%,礦產集中性非常高。由於鉛具有毒性,在環保因素下,雖然近年鉛的需求大幅成長,全球鉛礦(Lead Mining)生產國家並未因此大幅提升產能,反而逆向降低產能,除了環保議題,原生鉛的生產成本高於回收鉛則是另一主要原因。

圖三說明鉛與鉛酸電池之使用流程以及廢電池進入回收體系。鉛酸電池使用之精鉛,一般純度需高於99.97 wt%,及內含總雜質含量低於300 ppm,主要雜質如鐵、銅、銻、鈣、錫、鉍、銀、鎳等,除了部分為調整電池性能之必要合金元素,大部分雜質可能造成電池之自放電甚至發熱膨脹,降低電池效能甚至使用壽命,因此濃度均需控制在一定範圍之內。精鉛分別製作成為合金與粉末後,用來做為極板、電極與塗佈用之鉛膏。合金主要包括鉛銻與鉛鈣合金,隨著免加水(Maintenance Free)式電池的普及,合金系統亦由傳統的鉛銻合金,逐漸增加鉛鈣合金的使用;而氧化鉛粉末則為鉛膏中的主要成分。由於鉛酸電池的充/放電乃是一種電化學反應過程,在氧化鉛與硫酸鉛中不斷循環發生氧化還原反應,然而,硫酸鉛非常容易結晶,當其濃度過高或者靜置時間過長時,結晶顆粒便會成長,顆粒過大的硫酸鉛便無法再有效還原成為氧化鉛,硫酸鉛的堆積除了降低電極板的工作面積,致使電池效能降低外,甚至可能因為膨脹應力使得極板斷裂,此為鉛酸電池損壞的主要原因,亦即鉛酸電池的硫化。損壞的鉛酸電池如圖三所示將進入回收體系,進行破碎、分選、冶煉(Smelting)、精煉等程序再製成鉛酸電池的原料,即精鉛,以供電池製造使用。

圖三、鉛與鉛酸電池之使用與循環
圖三、鉛與鉛酸電池之使用與循環

針對廢鉛酸電池中鉛膏與金屬等含鉛物料的典型二次熔煉,國際大多使用鼓風爐(Blast Furnace)結合旋轉爐(Rotary Furnace)兩段式製程,前者將含鉛物料混合焦炭、石灰石、鐵屑等還原劑與造渣劑作為反應原料,導入鼓風爐後進行反應。此階段之反應因不同的爐體設計、加熱方式和控制方法而有如Isasmelt、Kivcet、QSL以及Outokumpu等製程,其中以Isasmelt最為典型,該技術原由Mount Isa Mines Limited 與澳洲全國科學工業研究機構(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization; CSIRO)共同開發而成,原本主要用於鉛礦的熔煉,之後則由英國Britannia Refined Metals(BRM)所開發,應用在二次鉛熔煉的製程中。如圖五所示,此製程乃設計用於完整處理廢鉛酸電池,將電池破碎後的主要成分經過分選,取出鉛原料並經由前處理,進到Isasmelt Furnace進行還原反應製成粗鉛,製程中並利用…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖五、BRM鉛回收製程與鉛的流布
圖五、BRM鉛回收製程與鉛的流布

作者:蕭達慶 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」367期,更多資料請見下方附檔。


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