锂离子电池排放废气N-甲基吡咯烷酮的回收工艺方法 涉及领域
本发明涉及锂离子电池制造领域有关排放废气N-甲基吡咯烷酮的回收工艺方法。
背景技术
本发明是一种锂离子电池排放废气N-甲基吡咯烷酮的回收工艺方法。锂离子电池的基本构成有正极、负极、电解液和隔膜。在锂离子电池的制造过程中要把正极材料、负极材料分别加入粘合剂和有机溶剂进行搅拌打浆，混合均匀涂敷于作为集电体的铜箔、铝箔上，经烘干后，制成电池的正、负极。N-甲基吡咯烷酮(1-Methyl-2-Pyrrolidone，以下简称NMP)具有闪点高，安全性好、对粘合剂PDVF的溶解稀释性能好等优点而被锂离子电池制造工艺普遍选用。在烘干时，有机溶剂NMP全部变成气体并随加热的空气，经排风机排入大气。
NMP的物性数据如下：分子式 分子量 沸点/℃ 密度/(g/cm3) 闪点/℃ 溶解性C5H9NO 99.13 202 1.0279 95 与水任意混溶
NMP在德国被定为三类有毒化学品，允许排入大气浓度为100ppm。我国目前尚无规定，但若直接排放，其大气含量远远高于国外规定标准，是一个潜在的污染源头。NMP排入大气，同时也造成了原材料的大量浪费，仅中国国内60余家锂离子电池厂，目前全部使用进口的NMP，年总用量约2000吨，价值达6000万元。随着全国锂离子电池生产能力的增加，使用NMP年用量将达4800吨，需耗人民币约1.44亿元。因此，回收NMP不仅是经济成本问题，而且是绿色环保问题，开发NMP回收新工艺涉及到重大的经济效益和环境效益。
目前，针对有机溶剂NMP的回收资料很少，我们仅查到一篇申请号为00123787.X的中国专利，该专利采用冷凝与吸附相结合的处理方法，先采用常规的冷凝法对锂电池生产中排放的废气进行深度冷凝，冷凝温度为-10℃-0℃，未冷凝那部分降温后的气体再通过活性炭纤维吸附，当吸附饱和时，用惰性气体进行脱附回收NMP，经碳纤维吸附后的净化气直接排入大气。该方法工艺流程长，由于采用深度冷凝，能耗较高。
发明目的
本发明的目的是提供一种锂离子电池排放废气N-甲基吡咯烷酮的回收工艺新方法，该方法采用共凝原理，使用能与NMP互溶且沸点较低的共凝剂来回收NMP，在通常温度下即可实现，无须超低温。因此，流程简单、投资小、能耗少、回收成本低，并且不会产生二次污染问题。
发明方案
本发明为一种锂离子电池排放废气N-甲基吡咯烷酮地回收工艺方法，其特征在于通过使用能与NMP互溶且沸点较低的共凝剂，采用“共凝”原理回收N-甲基吡咯烷酮，工艺过程包括使锂离子电池制造中产出的高温工业废气在常压下通过预处理装置，根据排出废气温度和排出废气所含NMP的量确定，以对NMP含量达1.0-15倍量的比例，喷入雾化状态的共凝剂，让废气降温到40-80℃，再通过冷凝器降温到20-40℃，使NMP与共凝剂一同互溶冷凝下来，回收液NMP浓度达到20％-60％范围，排放气的温度为40℃以下，排放气的NMP浓度为100ppm以下，回收液再经过真空精馏纯化塔提纯处理，得到纯度99.95％以上的N-甲基吡咯烷酮成品，而共凝剂可返回循环使用。
其中本发明方法所指的共凝剂，其进一步的特征为能够与N-甲基吡咯烷酮互溶，且沸点比N-甲基吡咯烷酮低50℃-140℃的一类溶剂及其溶剂的混合物，其中可以是水、乙醇、丙酮、丙醇等低沸点的单一溶剂或者上述各种溶剂中任意两种或几种溶剂的不同浓度的混合物。
本发明方法所指的共凝剂的加入量是根据排出废气温度和排出废气所含NMP的量确定的，作为本发明优选的工艺条件，其进一步的特征为共凝剂的加入量是废气中所含NMP的量的3-12倍；
利用共凝剂与NMP具有互溶性，以及共凝剂与NMP具有不同的分压的原理，在冷凝时，由于NMP比共凝剂的沸点高出许多，也比共凝剂易于冷凝，因此冷凝液中NMP的浓度比气相中NMP浓度高出许多，造成回收液浓度较高，达到NMP为20％-60％。该方法与普通的冷凝法相比具有在常温下即可操作，冷凝温度低于40℃即可，而无须超低温等优点。
其中经过回收装置得到的冷凝回收液的NMP浓度远不能满足回用至锂离子电池制造过程的需要，而必须经过纯化塔作深度处理。回收液提纯处理时由于NMP常压下的沸点很高，所以设计为真空精馏的操作方式，以节约能耗和降低操作成本，经过纯化塔NMP的纯度可以达到99.95％以上。
本发明之所以选择不同的共凝剂及其混合浓度，关键要考虑共凝剂的自身成本影响；以及混合物浓度差别造成共凝时分压差别而导致共凝液的NMP浓度所产生的差别，及其喷雾剂量对于冷凝降温和后续真空精馏纯化等成本的影响；还有选择的共凝剂不能造成回收过程的二次污染等。
因此，作为本发明优选的工艺条件之一，其进一步的特征在于采用的共凝剂是去离子水，并以对NMP含量达3-5倍量的比例，最好是4.5倍量的比例，进行喷雾共凝回收处理。
另外，作为本发明优选的另一工艺条件，其进一步的特征在于采用的共凝剂是去离子水与乙醇的混合物，最好是5％浓度的乙醇水溶液作为共凝剂，并以对NMP含量达8-12倍量的比例，最好是10倍量的比例，进行喷雾共凝回收处理。
具体实施例
实施例1：
锂电池工业废气处理中的100℃的有机废气，废气所含NMP的浓度为1140ppm，在常压下，经过雾化系统喷入去离子水作为共凝剂，去离子水的加入量是所含NMP的4.5倍。废气温度降到70℃，经过冷凝器降温到20℃，得到含有NMP的溶液，该溶液的浓度为50.8％，排放气体的浓度为80ppm，NMP溶液经过减压精馏后，得到纯度为99.97％的NMP成品，含水量为60ppm，回收率：93％。
实施例2：
120℃有机废气所含NMP的浓度为957ppm，在常压下，经过雾化系统喷入去离子水作为共凝剂，去离子水的加入量是所含NMP的10倍。废气温度降到62℃，经过冷凝器降温到30℃，得到含有NMP的溶液，该溶液的浓度为33.6％，排放气体的浓度为80ppm，NMP溶液经过减压精馏后，得到纯度为99.96％的NMP成品，含水量为85ppm，回收率：91.7％。
实施例3：
120℃有机废气所含NMP的浓度为1140ppm，在常压下，经过雾化系统喷入去离子水作为共凝剂，去离子水的加入量是所含NMP的11.3倍。废气温度降到53℃，经过冷凝器降温到35℃，得到含有NMP的溶液，该溶液的浓度为26％，排放气体的浓度为80ppm，NMP溶液经过减压精馏后，得到纯度为99.95％的NMP成品，含水量为98ppm。回收率：93％。
实施例4：
120℃的有机废气，废气所含NMP的浓度为957ppm，在常压下，经过雾化系统喷入5％浓度的乙醇水溶液作为共凝剂，加入量是所含NMP的10倍，废气温度降到64℃，经过冷凝器降温到30℃，得到含有NMP的溶液，该溶液的浓度为36％，排放气体的浓度为78ppm，NMP溶液经过减压精馏后，得到纯度为99.96％的NMP成品，含水量为80ppm。回收率：92％。同实施例2对比，可见共凝剂选加了乙醇后，共凝液中NMP的浓度由33.6％提高到了36％，显然降低了后续减压精馏的成本。