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JP7790463B2 - Method for recovering valuable elements and method for producing metals - Google Patents
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JP7790463B2 - Method for recovering valuable elements and method for producing metals - Google Patents

Method for recovering valuable elements and method for producing metals

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JP7790463B2 JP2024063281A JP2024063281A JP7790463B2 JP 7790463 B2 JP7790463 B2 JP 7790463B2 JP 2024063281 A JP2024063281 A JP 2024063281A JP 2024063281 A JP2024063281 A JP 2024063281A JP 7790463 B2 JP7790463 B2 JP 7790463B2
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Description

本発明は、有価元素の回収方法および金属の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for recovering valuable elements and a method for producing metals.

近年、電気自動車の普及により、リチウムイオン電池の需要が急速に増加している。
特に、昨今のCO発生量削減の観点から、化石燃料を使用しない電気自動車の需要は、今後は更に拡大すると思われ、それに伴うリチウムイオン電池の需要も今後は更に増加することが予想される。
In recent years, the demand for lithium-ion batteries has been increasing rapidly due to the widespread use of electric vehicles.
In particular, in light of the recent trend toward reducing CO2 emissions, demand for electric vehicles that do not use fossil fuels is expected to expand further in the future, and the accompanying demand for lithium-ion batteries is also expected to increase further in the future.

一般に、リチウムイオン電池の正極材は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)等を含有する酸化物(複合酸化物)からなる。この複合酸化物の具体例としては、LiNiO、LiCoO、LiMnOなどが挙げられる。
Ni、Co、Mnなどの金属元素は、世界的に見ても豊富にあるとは言えない。
このため、廃リチウムイオン電池の正極材から、これらの金属元素(有価元素)を回収することは、資源を有効利用する観点から、非常に有益である。
ここで、「廃リチウムイオン電池」とは、リチウムイオン電池の廃品(使用済み品);リチウムイオン電池の不良品(リチウムイオン電池の製造過程などで発生したもの);等を指す。
Generally, the positive electrode material of a lithium-ion battery is made of an oxide (composite oxide) containing nickel (Ni), cobalt (Co), manganese (Mn), etc. Specific examples of this composite oxide include LiNiO 2 , LiCoO 2 , and LiMnO 2 .
Metal elements such as Ni, Co, and Mn are not abundant worldwide.
Therefore, recovering these metal elements (valuable elements) from the positive electrode material of waste lithium-ion batteries is extremely beneficial from the perspective of effective utilization of resources.
Here, "waste lithium ion batteries" refers to waste lithium ion batteries (used products); defective lithium ion batteries (those generated during the manufacturing process of lithium ion batteries); etc.

リチウムイオン電池は、正極材、負極材、セパレータ等の部材の組み合わせにより構成され、更に、電解液なども含む。
このため、廃リチウムイオン電池の正極材から有価元素を回収するに際しては、回収に先立って、電解液の除去、粉砕、破砕などの事前処理を実施する。
このような事前処理を経て、廃リチウムイオン電池から正極材を分離し、その後、分離した正極材から有価元素を回収する。
有価元素を回収する際の処理としては、正極材を還元剤および造滓剤とともに加熱して有価元素を還元生成させる乾式処理(例えば、特許文献1)が挙げられる。
A lithium ion battery is composed of a combination of components such as a positive electrode material, a negative electrode material, and a separator, and also contains an electrolyte solution.
Therefore, when recovering valuable elements from the positive electrode material of used lithium-ion batteries, preliminary treatment such as removal of the electrolyte, crushing, and crushing is carried out prior to recovery.
After such pre-treatment, the positive electrode material is separated from the waste lithium-ion batteries, and then valuable elements are recovered from the separated positive electrode material.
Examples of treatments for recovering valuable elements include dry treatments in which the positive electrode material is heated together with a reducing agent and a slag-forming agent to reduce and generate valuable elements (see, for example, Patent Document 1).

特開2021-95628号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-95628

乾式処理では、複合酸化物(LiNiO、LiCoO、LiMnO)を還元することにより、有価元素(Ni、Co、Mn)を含有する金属のほか、スラグが生成する。
このとき、Mnを極力還元させないこと(Mnを金属に移行させないでスラグに残留させること)、ならびに、NiおよびCoを選択的に金属に移行させて回収することが要求される場合がある。
In the dry process, the composite oxides (LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiMnO 2 ) are reduced to produce slag in addition to metals containing valuable elements (Ni, Co, Mn).
At this time, it may be required to minimize the reduction of Mn (to leave Mn in the slag without transferring it to the metal) and to selectively transfer Ni and Co to the metal and recover them.

また、乾式処理により得られる金属は、Ni、Coなどの有価元素のほかに、不純物元素を含む場合がある。不純物元素としては、廃リチウムイオン電池に由来する銅(Cu)および鉄(Fe)が挙げられる。
乾式処理により得られる金属を、リチウムイオン電池の正極材として再利用する場合、この金属に不純物元素(CuおよびFe)が含まれていると、電池性能を悪化させる可能性がある。このため、不純物元素は、できる限り除去することが望ましい。
Furthermore, metals obtained by dry processing may contain impurity elements in addition to valuable elements such as Ni and Co. Examples of impurity elements include copper (Cu) and iron (Fe) derived from waste lithium-ion batteries.
When the metal obtained by dry processing is reused as a cathode material for a lithium-ion battery, if the metal contains impurity elements (Cu and Fe), the battery performance may be deteriorated. Therefore, it is desirable to remove the impurity elements as much as possible.

本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、不純物元素を除去でき、かつ、NiおよびCoを選択的に回収できる有価元素の回収方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above points, and aims to provide a method for recovering valuable elements that can remove impurity elements and selectively recover Ni and Co.

本発明者らは、鋭意検討した結果、下記構成を採用することにより、上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成させた。 After extensive research, the inventors discovered that the above objectives can be achieved by adopting the following configuration, and thus completed the present invention.

すなわち、本発明は、以下の[1]~[18]を提供する。
[1]ニッケルおよびコバルトからなる群から選ばれる少なくとも1種ならびにマンガンである有価元素と、銅および鉄である不純物元素とを含有する酸化物に、還元剤を添加して、混合酸化物を得て、上記混合酸化物を加熱することにより、上記酸化物を還元して、金属を得て、上記金属を酸液に接触させて、上記有価元素および上記不純物元素を含有する浸出液を得て、上記浸出液に硫化剤を添加して、銅を銅硫化物として沈殿させ、銅が除去された上記浸出液を銅除去溶液として得て、上記銅除去溶液に酸化剤を添加して、鉄を鉄水酸化物として沈殿させ、鉄が除去された上記銅除去溶液を、上記有価元素を含有する有価元素溶液として得る、有価元素の回収方法。
ただし、上記還元剤は、炭素含有物質および鉄含有物質を含有し、上記鉄含有物質は、金属鉄および酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、上記炭素含有物質および上記鉄含有物質の添加量は、合計で、1.0当量以上1.6当量以下である。
[2]上記酸化物が、廃リチウムイオン電池から得られる、上記[1]に記載の有価元素の回収方法。
[3]上記酸化物が、更に、リチウムを含有する、上記[1]または[2]に記載の有価元素の回収方法。
[4]上記酸化物におけるマンガンの含有量が、3.0質量%以上12.0質量%以下である、上記[1]~[3]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[5]上記炭素含有物質の添加量が、1.0当量である、上記[1]~[4]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[6]上記混合酸化物を得る際に、上記酸化物に、CaOおよびSiOを含有する造滓剤を更に添加する、上記[1]~[5]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[7]上記造滓剤が含有するCaOとSiOとの質量比(CaO/SiO)が、0.50以下である、上記[6]に記載の有価元素の回収方法。
[8]上記混合酸化物を加熱する際の温度が、1450℃以上である、上記[1]~[7]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[9]上記酸化鉄が、酸化第一鉄である、上記[1]~[8]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[10]上記鉄含有物質が、ダスト、スケール、スラッジおよびスクラップからなる群から選ばれる少なくとも1種である、上記[1]~[9]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[11]上記混合酸化物を加熱することにより得られる上記金属が、上記有価元素および上記不純物元素を含有する、上記[1]~[10]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[12]上記金属を、粉末化してから、上記酸液に接触させる、上記[1]~[11]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[13]上記酸液は、酸および酸液用酸化剤を含有し、上記酸液用酸化剤の含有量が、上記酸に対して、0.5体積%以上である、上記[1]~[12]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[14]上記酸液用酸化剤が、過酸化水素である、上記[13]に記載の有価元素の回収方法。
[15]上記硫化剤の添加量が、上記浸出液が含有する銅に対して、1.0当量以上であり、上記銅硫化物を沈殿させる際に、上記硫化剤を添加した上記浸出液のpHを3.0以下にする、上記[1]~[14]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[16]上記酸化剤が、空気およびオゾンからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化剤A、または、過酸化水素、次亜塩素酸および過マンガン酸カリウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化剤Bであり、上記酸化剤Aの添加量が、上記銅除去溶液に対して、0.1vvm以上であり、上記酸化剤Bの添加量が、上記銅除去溶液に対して、0.005体積%以上であり、上記鉄水酸化物を沈殿させる際に、上記酸化剤を添加した上記銅除去溶液のpHを3.0以上7.0以下にする、上記[1]~[15]のいずれかに記載の有価元素の回収方法。
[17]上記酸化剤を添加した上記銅除去溶液の温度が、10℃以上である、上記[16]に記載の有価元素の回収方法。
[18]上記[1]~[11]のいずれかに記載の有価元素の回収方法を用いて、ニッケルおよびコバルトからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、鉄とを含有する金属を製造する、金属の製造方法。
That is, the present invention provides the following [1] to [18].
[1] A method for recovering valuable elements, comprising the steps of: adding a reducing agent to an oxide containing valuable elements, which are at least one selected from the group consisting of nickel and cobalt, and manganese, and impurity elements, copper and iron, to obtain a mixed oxide; heating the mixed oxide to reduce the oxide to obtain a metal; contacting the metal with an acid solution to obtain a leachate containing the valuable element and the impurity element; adding a sulfiding agent to the leachate to precipitate copper as copper sulfide, thereby obtaining the leachate from which copper has been removed as a copper-removed solution; adding an oxidizing agent to the copper-removed solution to precipitate iron as iron hydroxide, and obtaining the copper-removed solution from which iron has been removed as a valuable element solution containing the valuable element.
However, the reducing agent contains a carbon-containing substance and an iron-containing substance, the iron-containing substance is at least one selected from the group consisting of metallic iron and iron oxide, and the added amounts of the carbon-containing substance and the iron-containing substance are 1.0 equivalent or more and 1.6 equivalents or less in total.
[2] The method for recovering valuable elements according to [1] above, wherein the oxide is obtained from waste lithium-ion batteries.
[3] The method for recovering valuable elements according to [1] or [2] above, wherein the oxide further contains lithium.
[4] The method for recovering a valuable element according to any one of [1] to [3] above, wherein the manganese content in the oxide is 3.0 mass% or more and 12.0 mass% or less.
[5] The method for recovering valuable elements according to any one of [1] to [4] above, wherein the amount of the carbon-containing substance added is 1.0 equivalent.
[6] The method for recovering valuable elements according to any one of [1] to [5] above, wherein a slag-forming agent containing CaO and SiO 2 is further added to the oxide when obtaining the mixed oxide.
[7] The method for recovering valuable elements according to the above [6], wherein the mass ratio of CaO to SiO 2 (CaO/SiO 2 ) contained in the slag forming agent is 0.50 or less.
[8] The method for recovering valuable elements according to any one of [1] to [7] above, wherein the mixed oxide is heated to a temperature of 1450°C or higher.
[9] The method for recovering valuable elements according to any one of [1] to [8] above, wherein the iron oxide is ferrous oxide.
[10] The method for recovering valuable elements according to any one of [1] to [9] above, wherein the iron-containing material is at least one selected from the group consisting of dust, scale, sludge, and scrap.
[11] The method for recovering a valuable element according to any one of [1] to [10] above, wherein the metal obtained by heating the mixed oxide contains the valuable element and the impurity element.
[12] The method for recovering a valuable element according to any one of [1] to [11] above, wherein the metal is powdered and then brought into contact with the acid solution.
[13] The method for recovering valuable elements according to any one of [1] to [12] above, wherein the acid solution contains an acid and an oxidizing agent for the acid solution, and the content of the oxidizing agent for the acid solution is 0.5% by volume or more relative to the acid.
[14] The method for recovering valuable elements according to [13] above, wherein the oxidizing agent for the acid solution is hydrogen peroxide.
[15] The method for recovering valuable elements according to any one of [1] to [14] above, wherein the amount of the sulfurizing agent added is 1.0 equivalent or more relative to the copper contained in the leachate, and the pH of the leachate to which the sulfurizing agent has been added is adjusted to 3.0 or less when precipitating the copper sulfide.
[16] The method for recovering a valuable element according to any one of [1] to [15] above, wherein the oxidizing agent is at least one oxidizing agent A selected from the group consisting of air and ozone, or at least one oxidizing agent B selected from the group consisting of hydrogen peroxide, hypochlorous acid, and potassium permanganate, the amount of the oxidizing agent A added is 0.1 vvm or more relative to the copper-removal solution, the amount of the oxidizing agent B added is 0.005 vol% or more relative to the copper-removal solution, and the pH of the copper-removal solution to which the oxidizing agent has been added is adjusted to 3.0 or more and 7.0 or less when precipitating the iron hydroxide.
[17] The method for recovering valuable elements according to [16] above, wherein the temperature of the copper removal solution to which the oxidizing agent has been added is 10°C or higher.
[18] A method for producing a metal containing at least one element selected from the group consisting of nickel and cobalt, and iron, using the method for recovering valuable elements according to any one of [1] to [11] above.

本発明によれば、不純物元素を除去でき、かつ、NiおよびCoを選択的に回収できる有価元素の回収方法を提供することができる。 The present invention provides a method for recovering valuable elements that can remove impurity elements and selectively recover Ni and Co.

有価元素の回収方法の一例を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing an example of a method for recovering valuable elements. エリンガム図(標準自由エネルギー変化-温度線図)である。This is an Ellingham diagram (standard free energy change vs. temperature diagram). CuおよびNiの電位-pH図(S-HO系)である。1 shows potential-pH diagrams of Cu and Ni (S—H 2 O system). FeおよびNiの電位-pH図(O-HO系)である。1 shows potential-pH diagrams of Fe and Ni (O 2 —H 2 O system).

[有価元素の回収方法]
本実施形態の有価元素の回収方法(便宜的に「本回収方法」ともいう)では、廃リチウムイオン電池の正極材(酸化物)に対して、乾式処理および湿式処理を施す。
[Method for recovering valuable elements]
In the method for recovering valuable elements of this embodiment (also referred to as "the present recovery method" for convenience), the positive electrode material (oxide) of a waste lithium ion battery is subjected to dry treatment and wet treatment.

図1は、有価元素の回収方法の一例を示すフローチャートである。
図1に基づいて、本回収方法を概略的に説明する。
乾式処理では、まず、酸化物(Ni、Co、Mn、Cu、Fe)に、後述する還元剤を添加して、混合酸化物を得る。このとき、後述する造滓剤を添加してもよい。
次いで、得られた混合酸化物を加熱することにより、酸化物を還元して、金属(Ni、Co、Cu、Fe)およびスラグ(Mn)を得る。適宜、両者は分離される。
湿式処理の前に、得られた金属を粉末化して、金属粉末(Ni、Co、Cu、Fe)を得ることが好ましい。
湿式処理では、まず、金属(金属粉末)を酸液に接触させて、浸出液(Ni、Co、Cu、Fe)および浸出残渣を得る。適宜、両者は分離される。
次いで、得られた浸出液に硫化剤を添加して、銅硫化物(Cu)を沈殿させて、銅除去溶液(Ni、Co、Fe)を得る。適宜、両者は分離される。
その後、銅除去溶液に酸化剤を添加して、鉄水酸化物(Fe)を沈殿させて、有価元素溶液(Ni、Co)を得る。
FIG. 1 is a flowchart showing an example of a method for recovering valuable elements.
The recovery method will be explained briefly with reference to FIG.
In the dry treatment, a reducing agent (described later) is first added to oxides (Ni, Co, Mn, Cu, Fe) to obtain a mixed oxide. At this time, a slag former (described later) may also be added.
The resulting mixed oxide is then heated to reduce the oxides to obtain metals (Ni, Co, Cu, Fe) and slag (Mn), which are then separated as appropriate.
Before the wet treatment, the metals obtained are preferably powdered to obtain metal powders (Ni, Co, Cu, Fe).
In the wet treatment, metals (metal powders) are first brought into contact with an acid solution to obtain a leachate (Ni, Co, Cu, Fe) and a leach residue, which are then separated as appropriate.
Next, a sulfiding agent is added to the resulting leachate to precipitate copper sulfide (Cu) to obtain a copper-removed solution (Ni, Co, Fe). If necessary, the two are separated.
An oxidizing agent is then added to the copper removal solution to precipitate iron hydroxide (Fe) to obtain a valuable element solution (Ni, Co).

このようにして、酸化物から、不純物元素(Cu、Fe)を除去しつつ、有価元素であるNiおよびCoを、同じく有価元素であるMnとは区別して、選択的に回収できる。
本回収方法によれば、廃リチウムイオン電池の正極材(酸化物)から、有価元素を、リチウムイオン電池の原料として再利用できる程度の高純度で、容易に回収できる。
In this way, impurity elements (Cu, Fe) can be removed from the oxide, while the valuable elements Ni and Co can be selectively recovered, distinguished from Mn, which is also a valuable element.
According to this recovery method, valuable elements can be easily recovered from the cathode material (oxide) of used lithium ion batteries with a purity high enough to be reused as raw materials for lithium ion batteries.

次に、本回収方法をより詳細に説明する。
なお、以下の説明は、本実施形態の金属の製造方法の説明も兼ねる。
Next, the recovery method will be described in more detail.
The following description also serves as a description of the metal manufacturing method of this embodiment.

〈還元対象(酸化物)〉
本回収方法における還元対象は、ニッケル(Ni)およびコバルト(Co)からなる群から選ばれる少なくとも1種ならびにマンガン(Mn)である有価元素と、銅(Cu)および鉄(Fe)である不純物元素とを含有する酸化物であり、具体的には、例えば、廃リチウムイオン電池の正極材である。この正極材(酸化物)は、更に、リチウム(Li)である準有価元素を含有していてもよい。
廃リチウムイオン電池に対して、電解液の除去、破砕、粉砕、選別などの事前処理を施すことによって、正極材(酸化物)を得る。
<Reducing target (oxide)>
The object to be reduced in this recovery method is an oxide containing valuable elements, such as at least one selected from the group consisting of nickel (Ni) and cobalt (Co) and manganese (Mn), and impurity elements, such as copper (Cu) and iron (Fe), specifically, for example, a cathode material for used lithium-ion batteries. This cathode material (oxide) may further contain a quasi-valent element, such as lithium (Li).
The cathode material (oxide) is obtained from waste lithium-ion batteries by carrying out pre-processing such as removing the electrolyte, crushing, pulverizing, and sorting.

一般的に、リチウムイオン電池の正極材として用いられる酸化物(複合酸化物)の組成範囲から鑑みて、酸化物におけるMnの含有量は、3.0質量%以上が好ましく、5.0質量%以上がより好ましい。
同様に、酸化物におけるMnの含有量は、12.0質量%以下が好ましく、10.0質量%以下がより好ましい。
In general, in view of the composition range of oxides (composite oxides) used as positive electrode materials for lithium ion batteries, the Mn content in the oxide is preferably 3.0 mass % or more, and more preferably 5.0 mass % or more.
Similarly, the Mn content in the oxide is preferably 12.0 mass % or less, and more preferably 10.0 mass % or less.

酸化物におけるMnの含有量は、ICP(誘導結合プラズマ)発光分光分析法を用いて求める。ICP発光分光分析法による測定結果と同様の測定結果が得られることを確認したうえで、簡易的に、蛍光X線(XRF)元素分析法を用いて求めてもよい。 The Mn content in the oxide is determined using ICP (inductively coupled plasma) atomic emission spectroscopy. After confirming that measurement results similar to those obtained using ICP atomic emission spectroscopy are obtained, X-ray fluorescence (XRF) elemental analysis may also be used for simpler determination.

〈還元剤の添加(混合酸化物の取得)〉
まず、還元対象である酸化物に、還元剤を添加して、酸化物と還元剤との混合物である混合酸化物を得る。このとき、後述する造滓剤を添加してもよい。
Addition of reducing agent (obtaining mixed oxides)
First, a reducing agent is added to an oxide to be reduced to obtain a mixed oxide, which is a mixture of the oxide and the reducing agent. At this time, a slag-forming agent, which will be described later, may be added.

《本発明者らが得た知見》
リチウムイオン電池の正極材は、一般的に、LiNiO、LiCoO、LiMnOなどの酸化物(複合酸化物)からなる。
乾式処理を熱力学的に考えると、例えば、LiNiOおよびLiCoOは、高温では以下のように分解し、それぞれ、NiOおよびCoOが生成する。
2LiNiO→LiO+2NiO+1/2O
2LiCoO→LiO+2CoO+1/2O
<<Findings Obtained by the Inventors>>
The positive electrode material of a lithium ion battery is generally made of an oxide (composite oxide) such as LiNiO 2 , LiCoO 2 , or LiMnO 2 .
Considering the dry process thermodynamically, for example, LiNiO2 and LiCoO2 decompose at high temperatures to produce NiO and CoO, respectively, as follows:
2LiNiO 2 →Li 2 O+2NiO+1/2O 2
2LiCoO 2 →Li 2 O+2CoO+1/2O 2

NiOおよびCoOの分解反応における標準自由エネルギー変化(ΔG)を、それぞれ、以下に示す。
NiO→Ni+1/2O:ΔG=234900-84.68T[J]
CoO→Co+1/2O:ΔG=235480-71.55T[J]
高温の任意の温度で、これらの標準自由エネルギー変化の値よりも低位な自由エネルギー変化値を有する物質を、還元剤として使用できる。
The standard free energy changes (ΔG 0 ) in the decomposition reactions of NiO and CoO are shown below, respectively.
NiO→Ni+1/2O 2 :ΔG 0 =234900-84.68T[J]
CoO→Co+1/2O 2 :ΔG 0 =235480−71.55T[J]
Any substance having a free energy change value lower than these standard free energy change values at any elevated temperature can be used as a reducing agent.

乾式処理によって複合酸化物から有価元素を金属として回収する場合、一般的に、Mnは、不可避的に還元されて、金属に移行する。
しかし、金属に移行したMnは、後段の湿式処理による分離が困難とされている。このため、Mnを極力還元させないこと(Mnをスラグに残留させること)が望まれる。
When valuable elements are recovered as metals from composite oxides by dry treatment, Mn is generally inevitably reduced and converted to metal.
However, since it is difficult to separate Mn that has been transferred to the metal by subsequent hydroprocessing, it is desirable to minimize the reduction of Mn (leaving Mn in the slag).

ところで、従来は、Al含有物およびSi含有物などの還元力の強い物質が還元剤として使用される。これには、還元不良を回避する狙いがある。還元剤の還元力が不足して、還元不良が生じると、正極材の一部が酸化物の形態のままスラグとして分離され、正極材を還元して得られる金属中の有価元素の含有量が低減する。
しかしながら、後述するエリンガム図(図2)において上にある元素ほど金属化しやすいため、還元剤としてSiまたはAlを使用すると、Mnも金属化しやすく、Mnを極力還元させないというニーズを満たすことができない。
そこで、本発明者らは、新たな還元剤となり得る物質として、Al含有物およびSi含有物などよりも還元力の強くない物質を検討した。その結果、金属鉄(Fe)または酸化鉄が有効であることを見出した。
Conventionally, substances with strong reducing power, such as Al-containing and Si-containing substances, have been used as reducing agents to avoid insufficient reduction. If the reducing power of the reducing agent is insufficient and insufficient reduction occurs, a portion of the cathode material is separated as slag in the form of oxide, and the content of valuable elements in the metal obtained by reducing the cathode material is reduced.
However, since elements located higher in the Ellingham diagram (FIG. 2) described below are more likely to metallize, when Si or Al is used as a reducing agent, Mn is also likely to metallize, and this does not satisfy the need to minimize the reduction of Mn.
Therefore, the present inventors investigated substances that have a lower reducing power than Al-containing and Si-containing substances as potential new reducing agents, and found that metallic iron (Fe) or iron oxide is effective.

酸化鉄の分解反応の標準自由エネルギー変化(ΔG)は、以下のとおりである。
FeO=Fe+1/2O:ΔG=264430-64.73T[J]
Fe=3FeO+1/2O:ΔG=302370-108.15T[J]
The standard free energy change (ΔG 0 ) of the decomposition reaction of iron oxide is as follows:
FeO=Fe+1/2O 2 :ΔG 0 =264430-64.73T[J]
Fe 3 O 4 =3FeO+1/2O 2 :ΔG 0 =302370-108.15T[J]

図2は、エリンガム図(標準自由エネルギー変化-温度線図)である。
上述した標準自由エネルギー変化およびエリンガム図(図2)を参照すると、Fe/FeO平衡は、Ni/NiO平衡およびCo/CoO平衡よりも卑であり、Feによる還元可能性が考えられる。
また、FeO/Fe平衡は、Ni/NiO平衡よりも卑であるが、Co/CoO平衡よりは貴である。
このため、Niは金属として回収し、Coはスラグに残存させることも期待される。具体的には、以下の反応が期待される。
NiO+Fe→Ni+FeO:ΔG0=-29530-19.95T[J]
CoO+Fe→Co+FeO:ΔG0=-28950-6.82T[J]
FIG. 2 is an Ellingham diagram (standard free energy change vs. temperature diagram).
Referring to the standard free energy change and the Ellingham diagram (FIG. 2) described above, the Fe/FeO equilibrium is less noble than the Ni/NiO equilibrium and the Co/CoO equilibrium, suggesting the possibility of reduction by Fe.
Also, the FeO/Fe 3 O 4 equilibrium is less noble than the Ni/NiO equilibrium, but more noble than the Co/CoO equilibrium.
Therefore, it is expected that Ni can be recovered as a metal and Co can remain in the slag. Specifically, the following reactions are expected:
NiO+Fe→Ni+FeO: ΔG0=-29530-19.95T[J]
CoO+Fe→Co+FeO: ΔG0=-28950-6.82T[J]

そして、上述したように、エリンガム図(図2)において上にある元素ほど金属化しやすいため、還元剤としてFe(またはFeO)を使用することによって、Mnは金属化させないで、NiおよびCoのみを金属化させることが期待できる。 As mentioned above, elements higher up on the Ellingham diagram (Figure 2) are more likely to metallize, so by using Fe (or FeO) as a reducing agent, it is expected that only Ni and Co will metallize, without metallizing Mn.

もっとも、本発明者らが更に検討したところ、Fe(またはFeO)を還元剤として使用した場合、正極材(酸化物)を還元して得られる金属(生成金属)において、Mnの金属化は避けられるが、Feの割合が多くなり、有価元素であるNiおよびCoの割合が少なくなる場合があることが分かった。 However, further investigation by the inventors revealed that when Fe (or FeO) is used as a reducing agent, the metallization of Mn can be avoided in the metal (product metal) obtained by reducing the cathode material (oxide), but the proportion of Fe may increase and the proportions of the valuable elements Ni and Co may decrease.

そこで、本発明者らは、還元剤として、鉄含有物質だけでなく、炭素含有物質を併用することを考えた。
エリンガム図(図2)において、1400℃以上では、炭素(C)は、Mnよりも下に来るため、Mnを還元しやすい可能性がある。
しかし、本発明者らは、還元剤として、鉄含有物質と炭素含有物質とを適量で併用することにより、Mnについては還元を抑制してスラグ(生成スラグ)中に残留させつつ、NiおよびCoについては生成金属として高い還元率で得られ、更に、生成金属中のFeの割合を低減できることを見出した。すなわち、NiおよびCoを選択的に生成金属に移行できることを見出した(後述する[実施例]を参照)。
Therefore, the present inventors have considered using not only an iron-containing substance but also a carbon-containing substance as a reducing agent.
In the Ellingham diagram (FIG. 2), carbon (C) is located below Mn at temperatures above 1400° C., and therefore may be more likely to reduce Mn.
However, the present inventors have discovered that by using an appropriate amount of an iron-containing substance and a carbon-containing substance as a reducing agent, the reduction of Mn is suppressed and Mn remains in the slag (produced slag), while Ni and Co are obtained as the produced metals at a high reduction rate and the proportion of Fe in the produced metals can be reduced, i.e., Ni and Co can be selectively transferred to the produced metals (see Examples below).

《還元剤》
本回収方法に用いる還元剤は、炭素含有物質および鉄含有物質を含有する。すなわち、還元剤として、炭素含有物質と鉄含有物質とを併用する。
還元剤中における炭素含有物質および鉄含有物質の含有量(合計含有量)は、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましく、98質量%以上が更に好ましく、100質量%が特に好ましい。
Reducing Agent
The reducing agent used in this recovery method contains a carbon-containing substance and an iron-containing substance, that is, a carbon-containing substance and an iron-containing substance are used in combination as the reducing agent.
The content (total content) of the carbon-containing substance and the iron-containing substance in the reducing agent is preferably 90 mass % or more, more preferably 95 mass % or more, even more preferably 98 mass % or more, and particularly preferably 100 mass %.

炭素含有物質としては、例えば、黒鉛、コークス、固体炭化水素などの固体炭素含有物質;一酸化炭素(CO)、炭化水素ガス(例えば、プロパンガス)などの気体炭素含有物質;等が挙げられる。
還元剤として炭素含有物質を用いる場合、還元後にCO、CO、HOなどのガスが生成し、生成スラグ量の増大を招かずに済むという点で好ましい。
Examples of carbon-containing substances include solid carbon-containing substances such as graphite, coke, and solid hydrocarbons; and gaseous carbon-containing substances such as carbon monoxide (CO) and hydrocarbon gases (e.g., propane gas).
When a carbon-containing substance is used as the reducing agent, gases such as CO, CO 2 and H 2 O are generated after reduction, which is preferable in that the amount of slag generated does not increase.

鉄含有物質は、金属鉄(Fe)および酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも1種である。金属鉄(Fe)としては、例えば、製鉄所などで使用するスクラップや粒鉄などを使用してもよい。 The iron-containing material is at least one selected from the group consisting of metallic iron (Fe) and iron oxide. Metallic iron (Fe) may be, for example, scrap or nuggets of iron used in steel mills.

酸化鉄は、一般的に、ウスタイトとも呼ばれる酸化第一鉄(FeO)、マグネタイトとも呼ばれる四酸化三鉄(Fe)およびヘマタイトとも呼ばれる酸化第二鉄(Fe)の3種類に区分される。
これらのうち、マグネタイトおよびヘマタイトは、標準自由エネルギー変化が同一温度でのウスタイトのそれよりも高位であり、還元反応を引き起こしにくい場合がある。
このため、還元反応を引き起こしやすいという理由から、酸化鉄としては、酸化第一鉄(ウスタイト)が好ましい。
酸化鉄は、製鉄プロセスにおいて副次的に生成されるダスト、スケールおよびスラッジの少なくともいずれか1種(以下、便宜的に「ダスト類」と呼ぶ)であってもよい。
酸化鉄としてダスト類を使用することは、製鉄プロセスの副産物を有効利用する観点および安価な鉄源を利用する観点から、好ましい。
Iron oxides are generally classified into three types: ferrous oxide (FeO), also known as wustite; triiron tetroxide (Fe 3 O 4 ), also known as magnetite; and ferric oxide (Fe 2 O 3 ), also known as hematite.
Of these, magnetite and hematite have a higher standard free energy change than that of wustite at the same temperature, and may be less likely to cause a reduction reaction.
For this reason, ferrous oxide (wustite) is preferred as the iron oxide because it is more likely to cause a reduction reaction.
The iron oxide may be at least one of dust, scale, and sludge (hereinafter referred to as "dusts" for convenience) that are generated as by-products in the iron-making process.
The use of dusts as iron oxide is preferable from the viewpoint of effectively utilizing by-products of the iron manufacturing process and from the viewpoint of utilizing an inexpensive iron source.

(還元剤の添加量)
還元対象である酸化物を還元するのに必要な還元剤の量を、1.0当量と呼ぶ。
例えば、還元剤が、金属鉄(Fe)、酸化第一鉄(FeO)、コークス(C)およびプロパン(C)である場合、1.0当量の還元剤を用いる還元は、それぞれ、以下のように示される。
Fe+(NiO,CoO,MnO)→(Ni,Co,Mn)+FeO
3FeO+(NiO,CoO,MnO)→(Ni,Co,Mn)+Fe
C+2(NiO,CoO,MnO)→2(Ni,Co,Mn)+CO
+10(NiO,CoO,MnO)→10(Ni,Co,Mn)+3CO+4H
(Amount of reducing agent added)
The amount of reducing agent required to reduce the oxide to be reduced is referred to as 1.0 equivalent.
For example, if the reducing agents are metallic iron (Fe), ferrous oxide (FeO), coke (C), and propane (C 3 H 8 ), reduction with 1.0 equivalent of reducing agent is shown below, respectively:
Fe+ (NiO, CoO, MnO) → (Ni, Co, Mn) + FeO
3FeO+ (NiO, CoO, MnO) → (Ni, Co, Mn) + Fe 3 O 4
C+2 (NiO, CoO, MnO) → 2 (Ni, Co, Mn) + CO 2
C 3 H 8 + 10 (NiO, CoO, MnO) → 10 (Ni, Co, Mn) + 3 CO 2 + 4 H 2 O

なお、炭素含有物質の当量計算においては、還元に寄与する成分として、炭素含有物質に含まれる、固定炭素分ならびに揮発分中の炭素分および水素分を考慮する。
例えば、炭素含有物質がコークスである場合、コークスの添加量×コークス中の炭素含有量(単位:質量%)を計算する。
また、炭素含有物質がプロパンガスである場合、(プロパンの添加量(単位:Nm)/22.4)×(12×3+8)を計算する。
In calculating the equivalent of a carbon-containing substance, the fixed carbon content and the carbon content and hydrogen content in the volatile content contained in the carbon-containing substance are taken into consideration as components that contribute to reduction.
For example, when the carbon-containing substance is coke, the amount of coke added multiplied by the carbon content in the coke (unit: mass %) is calculated.
Furthermore, when the carbon-containing substance is propane gas, the following is calculated: (amount of propane added (unit: Nm 3 )/22.4)×(12×3+8).

還元剤の添加量を決定する際には、まず、還元対象である酸化物におけるNiO、CoOおよびMnOの含有量を求める。
具体的には、還元対象(酸化物)におけるNi、CoおよびMnの含有量を測定し、それぞれ、還元対象(酸化物)におけるNiO、CoOおよびMnOの含有量とみなす。
Ni、CoおよびMnの含有量は、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)を用いて測定する。
When determining the amount of reducing agent to be added, first, the contents of NiO, CoO, and MnO in the oxide to be reduced are determined.
Specifically, the contents of Ni, Co, and Mn in the object to be reduced (oxide) are measured and regarded as the contents of NiO, CoO, and MnO in the object to be reduced (oxide), respectively.
The contents of Ni, Co and Mn are measured using an energy dispersive X-ray analyzer (EDX).

還元剤である炭素含有物質および鉄含有物質の添加量は、合計で、1.0当量以上1.6当量以下である。
これにより、上述したように、Mnについては還元を抑制して生成スラグ中に残留させつつ、NiおよびCoについては生成金属として高い還元率で得られ、更に、生成金属中のFeの割合を低減できる。
The total amount of the carbon-containing substance and iron-containing substance added as reducing agents is 1.0 equivalent or more and 1.6 equivalents or less.
As a result, as described above, reduction of Mn is suppressed and Mn remains in the produced slag, while Ni and Co are obtained as the produced metals at a high reduction rate, and furthermore, the proportion of Fe in the produced metals can be reduced.

炭素含有物質および鉄含有物質の合計添加量は、化学量論組成である1.0当量以上であり、1.2当量以上が好ましく、1.3当量以上がより好ましい。
一方、この合計添加量は、1.6当量以下であり、1.4当量以下が好ましい。
The total amount of the carbon-containing substance and the iron-containing substance added is 1.0 equivalent or more, which is the stoichiometric composition, preferably 1.2 equivalents or more, and more preferably 1.3 equivalents or more.
On the other hand, the total amount added is 1.6 equivalents or less, and preferably 1.4 equivalents or less.

還元剤として用いる炭素含有物質および鉄含有物質のうち、コークス(C)等の炭素含有物質のみの添加量は、例えば1.0当量であることが好ましい。
これにより、還元不良をできるだけ抑制し、上述したように、NiおよびCoについて、より高い還元率が得られる。
Of the carbon-containing substances and iron-containing substances used as reducing agents, the amount of only the carbon-containing substance such as coke (C) added is preferably, for example, 1.0 equivalent.
This minimizes insufficient reduction, and as described above, a higher reduction rate for Ni and Co can be obtained.

なお、還元不良を避けるために、酸化物に還元剤を多く添加すると、生成金属に含まれる、有価元素以外の元素(例えば、Fe)の量が大きくなりやすい。
しかし、本回収方法においては、湿式処理によってFeを除去できるため、還元剤の添加量を多くすることができ、還元不良を抑制しやすい。
If a large amount of reducing agent is added to the oxide in order to avoid insufficient reduction, the amount of elements other than the valuable elements (for example, Fe) contained in the produced metal tends to increase.
However, in the present recovery method, Fe can be removed by wet treatment, so the amount of reducing agent added can be increased, making it easier to prevent insufficient reduction.

《造滓剤》
本回収方法においては、酸化カルシウム(CaO)および二酸化ケイ素(SiO)を含有する造滓剤を用いることが好ましい。
造滓剤中におけるCaOおよびSiOの含有量(合計含有量)は、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましく、98質量%以上が更に好ましく、100質量%が特に好ましい。
Slag former
In the present recovery method, it is preferable to use a slag-forming agent containing calcium oxide (CaO) and silicon dioxide (SiO 2 ).
The content (total content) of CaO and SiO 2 in the slag former is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, even more preferably 98% by mass or more, and particularly preferably 100% by mass.

(質量比(CaO/SiO))
造滓剤について、CaOとSiOとの質量比(CaO/SiO)は、塩基度とも呼ばれる。造滓剤の質量比(CaO/SiO)は、例えば、2.00以下であり、1.80以下が好ましく、1.60以下がより好ましい。
(Mass ratio (CaO/SiO 2 ))
Regarding the slag former, the mass ratio of CaO to SiO2 (CaO/ SiO2 ) is also called basicity. The mass ratio of the slag former (CaO/ SiO2 ) is, for example, 2.00 or less, preferably 1.80 or less, and more preferably 1.60 or less.

もっとも、Mnの還元率をより抑制できるという理由からは、造滓剤は低塩基度にすることが好ましい。具体的には、造滓剤の質量比(CaO/SiO)は、1.50以下が好ましく、1.00以下がより好ましく、0.50以下が更に好ましく、0.35以下が特に好ましい。
また、酸化物(正極材)がリチウム(Li)を含有する場合、造滓剤をこのように低塩基度にすることにより、NiおよびCoを含有する生成金属のほかに、Liを多く含有する生成スラグが得られる。これにより、リチウムも簡便に効率良く回収できる。
なお、生成スラグからLiを更に回収する方法については、特に限定されず、湿式処理により炭酸リチウムの形態で回収する方法などの各種方法が挙げられる。
However, it is preferable that the slag former has a low basicity, since this can further suppress the reduction rate of Mn. Specifically, the mass ratio of the slag former (CaO/SiO 2 ) is preferably 1.50 or less, more preferably 1.00 or less, even more preferably 0.50 or less, and particularly preferably 0.35 or less.
Furthermore, when the oxide (cathode material) contains lithium (Li), by using a slag former with such a low basicity, it is possible to obtain a slag containing a large amount of Li in addition to the produced metal containing Ni and Co. This allows lithium to be recovered simply and efficiently.
The method for further recovering Li from the produced slag is not particularly limited, and various methods can be used, such as recovering Li in the form of lithium carbonate by wet treatment.

造滓剤の質量比(CaO/SiO)の下限は、特に限定されず、例えば0.15であり、0.20が好ましく、0.25がより好ましく、0.30が更に好ましい。 The lower limit of the mass ratio of the slag former (CaO/SiO 2 ) is not particularly limited and is, for example, 0.15, preferably 0.20, more preferably 0.25, and even more preferably 0.30.

(質量比{(CaO+LiO)/SiO})
造滓剤は、CaOおよびSiOのほか、更に、酸化リチウム(LiO)を含有していてもよい。
造滓剤は、リチウム量を考慮して調製することが好ましい。
具体的には、還元製錬能を維持しやすい(還元反応速度の低下を抑止しやすい)という理由、および、LiOをスラグに固定しやすい(後工程におけるLiの回収可能性が優位である)という理由から、造滓剤の質量比{(CaO+LiO)/SiO}は、0.05以上が好ましく、0.10以上がより好ましく、0.15以上が更に好ましい。
一方、スラグボリュームの増大を抑止しやすいという理由、および、LiOをスラグに固定しやすいという理由から、造滓剤の質量比{(CaO+LiO)/SiO}は、2.50以下が好ましく、2.00以下がより好ましく、1.50以下が更に好ましい。
(Mass ratio {(CaO+Li 2 O)/SiO 2 })
The slag former may further contain lithium oxide (Li 2 O) in addition to CaO and SiO 2 .
The slag former is preferably prepared taking into consideration the amount of lithium.
Specifically, the mass ratio of the slag former {(CaO+Li 2 O)/SiO 2 } is preferably 0.05 or more, more preferably 0.10 or more, and even more preferably 0.15 or more, because this makes it easier to maintain the reduction smelting ability (it makes it easier to prevent a decrease in the reduction reaction rate) and because it makes it easier to fix Li 2 O in the slag (it makes it easier to recover Li in a later process).
On the other hand, because it is easy to prevent an increase in slag volume and to fix Li 2 O in the slag, the mass ratio of the slag former {(CaO+Li 2 O)/SiO 2 } is preferably 2.50 or less, more preferably 2.00 or less, and even more preferably 1.50 or less.

(造滓剤の添加量)
造滓剤の添加量は、特に限定されないが、還元対象である酸化物に対する造滓剤の質量比(造滓剤/酸化物)は、0.40~1.00が好ましく、0.45~0.85がより好ましく、0.50~0.80が更に好ましい。
(Amount of slag former added)
The amount of the slag former to be added is not particularly limited, but the mass ratio of the slag former to the oxide to be reduced (slag former/oxide) is preferably 0.40 to 1.00, more preferably 0.45 to 0.85, and even more preferably 0.50 to 0.80.

〈混合酸化物の加熱(金属およびスラグの取得)〉
次に、混合酸化物(酸化物と還元剤と造滓剤との混合物)を加熱する。これにより、酸化物が還元される。
混合酸化物の加熱に用いる設備としては、特に限定されず、例えば、アーク炉、サブマージドアーク炉、抵抗炉、高周波溶解炉、低周波溶解炉、ロータリーキルン、竪型炉、製鋼炉などの従来公知の設備が挙げられる。
Heating of mixed oxides (obtaining metal and slag)
Next, the mixed oxide (a mixture of oxide, reducing agent, and slag-forming agent) is heated, whereby the oxide is reduced.
The equipment used for heating the mixed oxide is not particularly limited, and examples thereof include conventionally known equipment such as an arc furnace, a submerged arc furnace, a resistance furnace, a high-frequency melting furnace, a low-frequency melting furnace, a rotary kiln, a shaft furnace, and a steelmaking furnace.

《加熱温度》
混合酸化物を加熱する際の温度(加熱温度)は、還元不良を抑制しやすいという理由から、1300℃以上が好ましく、1350℃以上がより好ましく、1400℃以上が更に好ましく、1450℃以上が特に好ましい。
上限は特に限定されないが、加熱温度は、1800℃以下が好ましく、1700℃以下がより好ましい。
《Heating temperature》
The temperature (heating temperature) when heating the mixed oxide is preferably 1300°C or higher, more preferably 1350°C or higher, even more preferably 1400°C or higher, and particularly preferably 1450°C or higher, because this makes it easier to suppress insufficient reduction.
Although there is no particular upper limit, the heating temperature is preferably 1800°C or less, and more preferably 1700°C or less.

《加熱雰囲気》
混合酸化物を加熱する際の雰囲気(加熱雰囲気)としては、例えば、窒素ガス(N)雰囲気、アルゴンガス(Ar)雰囲気などの不活性雰囲気;一酸化炭素ガス(CO)雰囲気などの還元性雰囲気;等が好適に挙げられる。
<Heated atmosphere>
Suitable atmospheres for heating the mixed oxide (heating atmosphere) include, for example, inert atmospheres such as nitrogen gas (N 2 ) atmosphere and argon gas (Ar) atmosphere; and reducing atmospheres such as carbon monoxide gas (CO) atmosphere.

《加熱時間》
混合酸化物を加熱する時間(加熱時間)は、還元不良を抑制しやすいという理由から、1時間以上が好ましく、2時間以上がより好ましく、3時間以上が更に好ましい。
上限は特に限定されないが、加熱時間は、6時間以下が好ましく、5時間以下がより好ましい。
<Heating time>
The time for heating the mixed oxide (heating time) is preferably 1 hour or more, more preferably 2 hours or more, and even more preferably 3 hours or more, because this makes it easier to prevent insufficient reduction.
Although there is no particular upper limit, the heating time is preferably 6 hours or less, and more preferably 5 hours or less.

《生成物(金属)》
還元対象である酸化物(正極材)を還元することにより、金属が生成する。すなわち、酸化物に含有される有価元素であるNiおよびCoは、金属として回収される。
《Product (metal)》
Metals are produced by reducing the oxide (cathode material) to be reduced, that is, the valuable elements Ni and Co contained in the oxide are recovered as metals.

酸化物の還元により得られる金属(「生成金属」ともいう)は、有価元素(Ni、Co)および不純物元素(Cu、Fe)を含有する合金である。
生成金属は、有価元素(Ni、Co)のうち1種のみを含有していてもよい。
生成金属は、例えば、ニッケル(Ni)およびコバルト(Co)からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、鉄(Fe)とを含有する金属であってもよい。
生成金属は、1種の有価元素の割合が、他の有価元素の割合よりも多い金属であってもよい。
The metal obtained by reducing the oxide (also referred to as the "product metal") is an alloy containing valuable elements (Ni, Co) and impurity elements (Cu, Fe).
The resulting metal may contain only one of the valuable elements (Ni, Co).
The product metal may be, for example, a metal containing at least one element selected from the group consisting of nickel (Ni) and cobalt (Co), and iron (Fe).
The product metal may be a metal in which the proportion of one valuable element is greater than the proportion of another valuable element.

《生成物(スラグ)》
酸化物(正極材)を還元することにより、金属のほか、更に、スラグ(「生成スラグ」ともいう)が得られる。生成スラグは、生成金属に含まれなかった有価元素であるMnを、酸化物(MnO)の形態で含有する。
Mnを含有する酸化物(正極材)を還元する場合、還元剤として鉄含有物質を使用することにより、Mn/MnO平衡が、Fe/FeO平衡およびFeO/Fe平衡よりも卑であるため、還元により得られる生成金属中にMnが混入することを抑制できる。
なお、湿式処理によって生成金属中からMnを分離することは、負荷が大きい。生成金属中にMnが混入することを抑制して、生成スラグ中にMnを留めておくことは、このような負荷を低減できるため、有益である。
Product (slag)
By reducing the oxide (cathode material), in addition to the metal, slag (also referred to as "produced slag") is obtained. The produced slag contains Mn, a valuable element not contained in the produced metal, in the form of an oxide (MnO).
When reducing an oxide (cathode material) containing Mn, by using an iron-containing substance as a reducing agent, the Mn/MnO equilibrium is more base than the Fe/FeO equilibrium and the FeO/ Fe3O4 equilibrium , and therefore it is possible to prevent Mn from being mixed into the product metal obtained by reduction.
However, separating Mn from the produced metal by hydrometallurgy is a heavy burden, so it is beneficial to prevent Mn from being mixed into the produced metal and keep Mn in the produced slag, as this burden can be reduced.

還元剤として鉄含有物質を使用することにより、生成スラグは、FeOを含有する。
また、上述したように、酸化物(正極材)がリチウム(Li)を含有する場合、生成スラグは、Liを含有する。
By using an iron-containing material as a reducing agent, the resulting slag contains FeO.
Furthermore, as described above, when the oxide (cathode material) contains lithium (Li), the generated slag also contains Li.

〈金属とスラグとの分離〉
酸化物の還元によって得られる生成金属および生成スラグについては、生成金属の粉末化(後述する)を実施する前に、両者を分離することが好ましい。分離の方法は、特に限定されず、公知の方法を採用できる。
<Separation of metal and slag>
It is preferable to separate the metal and slag obtained by reducing the oxide before powdering the metal (described later). The separation method is not particularly limited, and known methods can be used.

〈金属の粉末化(金属粉末の取得)〉
次に、得られた生成金属を粉末化して、金属粉末を得ることが好ましい。
湿式処理では、後述するように、まず、生成金属に対して、酸液を用いた浸出を実施する。このとき、生成金属が、酸化物の還元により得られた状態のままでは、浸出効率が不十分となる場合がある。このため、酸液を用いた浸出を実施する前に、生成金属を粉末化することが好ましい。
<Metal powderization (obtaining metal powder)>
Next, it is preferable to powder the resulting metal to obtain a metal powder.
In the wet treatment, as described below, the produced metal is first subjected to leaching using an acid solution. At this time, if the produced metal remains in the state obtained by oxide reduction, the leaching efficiency may be insufficient. Therefore, it is preferable to powder the produced metal before performing leaching using an acid solution.

金属粉末の粒径が小さいほど、浸出効率は良い。
もっとも、金属粉末の粒径が小さすぎると、ハンドリング性が悪化したり、爆発的な反応による危険性が増大したりする可能性もあることから、これらの点も考慮して、金属粉末の粒径を、適正な範囲に収める。
具体的には、例えば、金属粉末の粒径は、250~6000μmが好ましく、300~5000μmがより好ましい。
粒径は、レーザ回折・散乱法によって求める粒度分布における体積基準のメディアン径(積算値50%での粒径)である(以下、同様)。
The smaller the particle size of the metal powder, the better the leaching efficiency.
However, if the particle size of the metal powder is too small, it may become difficult to handle or may increase the risk of an explosive reaction. Therefore, taking these points into consideration, the particle size of the metal powder is kept within an appropriate range.
Specifically, for example, the particle size of the metal powder is preferably 250 to 6000 μm, and more preferably 300 to 5000 μm.
The particle size is the volume-based median diameter (particle size at 50% cumulative value) in the particle size distribution determined by a laser diffraction/scattering method (the same applies hereinafter).

生成金属を粉末化する方法としては、得られる金属粉末の粒径を適正な範囲に収めることができれば特に限定されず、例えば、ジョークラッシャー、振動ミルなどの粉砕装置を用いる方法;アトマイズ法;等が挙げられる。 The method for powdering the resulting metal is not particularly limited as long as it keeps the particle size of the resulting metal powder within an appropriate range. Examples include methods using a grinding device such as a jaw crusher or a vibration mill; atomization; etc.

〈金属と酸液との接触(浸出液の取得)〉
次に、金属(金属粉末)と酸液とを接触させて、有価元素(Ni、Co)および不純物元素(Cu、Fe)を浸出させる。すなわち、有価元素および不純物元素を含有する浸出液を得る。
有価元素および不純物元素が浸出した金属は、残渣(浸出残渣)となる。
金属と酸液とを接触させる方法としては、特に限定されないが、例えば、金属を酸液に浸漬させる方法;金属に酸液をスプレーする方法;等が挙げられる。
<Contact of metal with acid solution (obtaining leachate)>
Next, the metal (metal powder) is brought into contact with an acid solution to leach out the valuable elements (Ni, Co) and impurity elements (Cu, Fe), thereby obtaining a leachate containing the valuable elements and impurity elements.
The metal from which the valuable elements and impurity elements have been leached becomes a residue (leaching residue).
The method for contacting the metal with the acid solution is not particularly limited, but examples thereof include a method of immersing the metal in the acid solution, and a method of spraying the acid solution onto the metal.

《固液比(金属/酸液)》
金属に接触させる酸液の量が少なすぎる(酸液の量に対して金属の量が多すぎる)と、いったん酸液に溶け出した有価元素などの金属元素の一部が飽和溶解度に達して析出し、浸出率が不十分となり得る。
このため、液体である酸液の体積(単位:mL)に対する固体である金属の質量(単位:g)の割合(「固液比(金属/酸液)」ともいう)は、1/5以下が好ましく、1/7以下がより好ましく、1/10以下が更に好ましい。
なお、固液比(金属/酸液)が1/10であるとき、例えば、1gの金属を10mLの酸液に浸漬させる。
一方、固液比(金属/酸液)は、1/50以上が好ましく、1/35以上がより好ましく、1/20以上が更に好ましい。
《Solid-liquid ratio (metal/acid liquid)》
If the amount of acid solution brought into contact with the metal is too small (the amount of metal is too large compared to the amount of acid solution), some of the metal elements, such as valuable elements, that have dissolved in the acid solution may reach saturation solubility and precipitate, resulting in an insufficient leaching rate.
Therefore, the ratio of the mass (unit: g) of the solid metal to the volume (unit: mL) of the liquid acid solution (also referred to as the "solid-liquid ratio (metal/acid solution)") is preferably 1/5 or less, more preferably 1/7 or less, and even more preferably 1/10 or less.
When the solid-liquid ratio (metal/acid solution) is 1/10, for example, 1 g of metal is immersed in 10 mL of acid solution.
On the other hand, the solid-liquid ratio (metal/acid liquid) is preferably 1/50 or more, more preferably 1/35 or more, and even more preferably 1/20 or more.

《酸液》
金属に接触させる酸液は、少なくとも酸を含有する。
《Acid liquid》
The acid solution to be brought into contact with the metal contains at least an acid.

(酸)
酸液に用いる酸としては、硫酸、塩酸、硝酸などの無機酸が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
廃リチウムイオン電池をリサイクルして再びリチウムイオン電池の原料として用いる「バッテリー・トゥ・バッテリー」を実現する観点からは、酸として硫酸を用いることが好ましい。これは、リチウムイオン電池の正極材に利用しやすい硫酸塩の形態で有価元素を得ることができるからである。
硫酸中に塩化物を含有させ、これを酸として用いてもよい。
(acid)
The acid used in the acid solution includes inorganic acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, and nitric acid, and these may be used alone or in combination of two or more kinds.
From the viewpoint of realizing the "battery-to-battery" concept, in which used lithium-ion batteries are recycled and reused as raw materials for lithium-ion batteries, it is preferable to use sulfuric acid as the acid, because valuable elements can be obtained in the form of sulfates, which are easily usable as cathode materials for lithium-ion batteries.
Sulfuric acid containing chloride may also be used as the acid.

((酸濃度))
酸液に用いる酸(例えば、硫酸)の濃度(酸濃度)は、浸出の速度を上げることができるという理由から、0.1mol/L以上が好ましく、0.5mol/L以上がより好ましく、1.0mol/L以上が更に好ましい。
上限は特に限定されないが、酸濃度は、8.0mol/L以下が好ましく、6.0mol/L以下がより好ましく、4.0mol/L以下が更に好ましく、3.0mol/L以下が特に好ましい。
((acid concentration))
The concentration (acid concentration) of the acid (e.g., sulfuric acid) used in the acid solution is preferably 0.1 mol/L or more, more preferably 0.5 mol/L or more, and even more preferably 1.0 mol/L or more, because this can increase the leaching rate.
There is no particular upper limit, but the acid concentration is preferably 8.0 mol/L or less, more preferably 6.0 mol/L or less, even more preferably 4.0 mol/L or less, and particularly preferably 3.0 mol/L or less.

(酸液用酸化剤)
本発明者らが検討したところ、固液比(金属/酸液)および酸濃度が上述した範囲内であっても、浸出が不十分な場合があることが分かった。
このため、浸出の促進剤として、酸液に酸化剤(酸液用酸化剤)を添加することが好ましい。酸液用酸化剤としては、過酸化水素、次亜塩素酸、過マンガン酸カリウム、オゾンなどが挙げられる。これらのうち、次亜塩素酸および過マンガン酸カリウムを用いると、塩素、カリウム、マンガンなどに対する煩雑な後処理が必要となる可能性があることから、過酸化水素およびオゾンが好ましい。
(Oxidizing agent for acid solution)
The inventors have found through their investigations that even when the solid-liquid ratio (metal/acid solution) and acid concentration are within the above-mentioned ranges, leaching may be insufficient.
For this reason, it is preferable to add an oxidizing agent (oxidizing agent for acid solution) to the acid solution as a leaching accelerator. Examples of oxidizing agents for acid solutions include hydrogen peroxide, hypochlorous acid, potassium permanganate, ozone, etc. Among these, hydrogen peroxide and ozone are preferred because the use of hypochlorous acid and potassium permanganate may require complicated post-treatment for chlorine, potassium, manganese, etc.

((酸液用酸化剤の含有量))
浸出を十分に実施する観点から、酸液における酸液用酸化剤(例えば過酸化水素)の含有量は、酸(例えば硫酸)に対して、0.5体積%以上が好ましく、1.0体積%以上がより好ましく、3.0体積%以上が更に好ましく、5.0体積%以上がより更に好ましく、6.0体積%以上が特に好ましく、6.9体積%以上が最も好ましい。
一方、酸液における酸液用酸化剤(例えば過酸化水素)の含有量は、酸(例えば硫酸)に対して、15.0体積%以下が好ましく、13.0体積%以下がより好ましく、10.0体積%以下が更に好ましい。
((Oxidizing agent content for acid solution))
From the viewpoint of carrying out sufficient leaching, the content of the oxidizing agent for the acid solution (e.g., hydrogen peroxide) in the acid solution is preferably 0.5 vol% or more, more preferably 1.0 vol% or more, even more preferably 3.0 vol% or more, even more preferably 5.0 vol% or more, particularly preferably 6.0 vol% or more, and most preferably 6.9 vol% or more, relative to the acid (e.g., sulfuric acid).
On the other hand, the content of the oxidizing agent for the acid solution (e.g., hydrogen peroxide) in the acid solution is preferably 15.0 vol % or less, more preferably 13.0 vol % or less, and even more preferably 10.0 vol % or less, relative to the acid (e.g., sulfuric acid).

《接触時間》
金属と酸液とを接触させる時間(接触時間)は、浸出を十分に実施するため、0.5時間以上が好ましく、0.8時間以上がより好ましく、1.0時間以上が更に好ましい。
一方、生産性の観点から、接触時間は、3.0時間以下が好ましく、1.5時間以下がより好ましい。
Contact Time
The time for which the metal is brought into contact with the acid solution (contact time) is preferably 0.5 hours or more, more preferably 0.8 hours or more, and even more preferably 1.0 hour or more, in order to ensure sufficient leaching.
On the other hand, from the viewpoint of productivity, the contact time is preferably 3.0 hours or less, more preferably 1.5 hours or less.

〈浸出液と浸出残渣との分離〉
浸出液および浸出残渣については、硫化剤の添加(後述する)を実施する前に、両者を分離することが好ましい。分離の方法は、特に限定されず、公知の固液分離方法を採用できる。
<Separation of leachate and leach residue>
It is preferable to separate the leachate and the leach residue before adding the sulfiding agent (described later). The separation method is not particularly limited, and known solid-liquid separation methods can be used.

〈硫化剤の添加(銅除去溶液の取得)〉
次に、有価元素(Ni、Co)および不純物元素(Cu、Fe)を含有する浸出液に硫化剤を添加して、不純物元素である銅(Cu)を銅硫化物として沈殿させる。こうして、選択的に銅(Cu)が除去された浸出液を、銅除去溶液として得る。
Adding sulfurizing agent (obtaining copper removal solution)
Next, a sulfiding agent is added to the leachate containing valuable elements (Ni, Co) and impurity elements (Cu, Fe) to precipitate the impurity element copper (Cu) as copper sulfide. In this way, the leachate from which copper (Cu) has been selectively removed is obtained as a copper-removed solution.

図3は、銅(Cu)およびニッケル(Ni)の電位-pH図(S-HO系)である。図3では、銅(Cu)-硫黄(S)-水(HO)系の電位-pH図上に、溶解度を加味した銅(Cu)およびニッケル(Ni)の酸化物(水酸化物)または硫化物の沈殿が形成する領域を示している。
なお、コバルトはニッケルと同様の傾向で沈殿するため、図3ではコバルトの図示を省略している。
図3に示すように、pHが3.0以下であり、かつ、酸化還元電位が低い領域においては、銅(Cu)が選択的に沈殿する。図3には図示していないが、この領域では、銅は硫化銅(II)(CuS)として沈殿する。このことを利用して、浸出液を低pHかつ還元性にすることによって、浸出液に含まれる銅(Cu)を、硫化銅(II)として沈殿させて、選択的に除去する。すなわち、銅(Cu)が除去された浸出液である銅除去溶液を得る。
Figure 3 shows the potential-pH diagram for copper (Cu) and nickel (Ni) (S-H 2 O system). Figure 3 shows the region on the potential-pH diagram for the copper (Cu)-sulfur (S)-water (H 2 O) system where precipitates of oxides (hydroxides) or sulfides of copper (Cu) and nickel (Ni) are formed, taking into account their solubility.
Cobalt precipitates in the same manner as nickel, so cobalt is not shown in FIG.
As shown in Figure 3, copper (Cu) is selectively precipitated in the region where the pH is 3.0 or less and the oxidation-reduction potential is low. Although not shown in Figure 3, in this region, copper precipitates as copper (II) sulfide (CuS). Utilizing this, by making the leachate low pH and reducing, the copper (Cu) contained in the leachate is precipitated as copper (II) sulfide and selectively removed. In other words, a copper-removed solution is obtained, which is a leachate from which copper (Cu) has been removed.

《硫化剤》
浸出液に添加する硫化剤としては、硫黄(S)、硫化水素(HS)、硫化水素ナトリウム(NaSH)、硫化ナトリウム(NaS)などが挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
これらのうち、取り扱い性の観点からは、有毒ガスである硫化水素よりも、固体または溶液として取り扱える硫黄、硫化水素ナトリウムおよび硫化ナトリウムの方が好ましい。 ただし、いずれの場合も、硫化反応によって硫化水素ガスが発生する場合があるので、実施の際は注意が必要である。
Sulfurizing agents
Examples of sulfiding agents to be added to the leaching solution include sulfur (S), hydrogen sulfide (H 2 S), sodium hydrogen sulfide (NaSH), and sodium sulfide (Na 2 S). These may be used alone or in combination of two or more.
Of these, sulfur, sodium hydrogen sulfide, and sodium sulfide, which can be handled as solids or solutions, are preferable to hydrogen sulfide, which is a toxic gas, from the viewpoint of ease of handling. However, in all cases, hydrogen sulfide gas may be generated by the sulfurization reaction, so care must be taken when carrying out the process.

なお、硫化剤を添加した浸出液の温度(硫化温度)は、特に限定されず、例えば、室温でよい。 The temperature of the leaching solution to which the sulfurizing agent has been added (sulfurization temperature) is not particularly limited and may be, for example, room temperature.

(硫化剤の添加量)
浸出液に含まれる銅を十分に除去する観点から、硫化剤の添加量は、浸出液が含有する銅(Cu)に対して、1.0当量以上が好ましく、1.5当量以上がより好ましく、2.0当量以上が更に好ましい。
一方、硫化剤を過剰に添加すると、有価元素(Ni、Coなど)の硫化物(沈殿)の量が多くなり、得られる銅除去溶液中に残したい有価元素の量が低下する可能性がある。このような観点からは、硫化剤の添加量は、浸出液が含有する銅(Cu)に対して、3.0当量以下が好ましく、2.5当量以下がより好ましく、2.0当量以下が更に好ましい。
(Amount of sulfurizing agent added)
From the viewpoint of sufficiently removing copper contained in the leaching solution, the amount of sulfiding agent added is preferably 1.0 equivalent or more, more preferably 1.5 equivalents or more, and even more preferably 2.0 equivalents or more, relative to the copper (Cu) contained in the leaching solution.
On the other hand, if an excessive amount of sulfurizing agent is added, the amount of sulfides (precipitates) of valuable elements (such as Ni and Co) increases, which may reduce the amount of the valuable elements desired to remain in the resulting copper removal solution. From this perspective, the amount of sulfurizing agent added is preferably 3.0 equivalents or less, more preferably 2.5 equivalents or less, and even more preferably 2.0 equivalents or less, relative to the copper (Cu) contained in the leaching solution.

例えば、1.0当量の硫化水素ナトリウム(NaSH)を硫化剤として用いて、硫化銅(II)(CuS)を生成させる場合、浸出液に含まれる1molの銅(Cu)に対して、1molの硫化水素ナトリウム(NaSH)を用いる。 For example, when using 1.0 equivalent of sodium hydrogen sulfide (NaSH) as the sulfiding agent to produce copper(II) sulfide (CuS), 1 mol of sodium hydrogen sulfide (NaSH) is used for every 1 mol of copper (Cu) contained in the leachate.

《硫化pH》
浸出液に硫化剤を添加して銅硫化物を沈殿させる際、硫化剤を添加した浸出液のpH(硫化pH)が高いと、銅除去溶液に残したい有価元素の硫化物(沈殿)の量が多くなる可能性がある。このため、硫化pHは、3.0以下が好ましく、2.0以下がより好ましく、1.0以下が更に好ましく、0(ゼロ)が特に好ましい。
硫化pHは、例えば、浸出液にpH調整剤を添加することにより調整する。pH調整剤としては、特に限定されず、硫酸、水酸化ナトリウム等が挙げられる。
《Sulfide pH》
When a sulfiding agent is added to the leachate to precipitate copper sulfides, if the pH of the leachate to which the sulfiding agent has been added (sulfiding pH) is high, the amount of sulfides (precipitates) of valuable elements desired to be left in the copper removal solution may increase. Therefore, the sulfiding pH is preferably 3.0 or less, more preferably 2.0 or less, even more preferably 1.0 or less, and particularly preferably 0 (zero).
The sulfurization pH is adjusted, for example, by adding a pH adjuster to the leachate. The pH adjuster is not particularly limited, and examples thereof include sulfuric acid and sodium hydroxide.

《硫化時間》
浸出液に含まれる銅を硫化剤と反応させて硫化する時間(硫化時間)は、0.1時間以上が好ましく、0.2時間以上がより好ましく、0.3時間以上が更に好ましい。
一方、生産性の観点から、硫化時間は、3.0時間以下が好ましく、2.0時間以下がより好ましく、1.0時間以下が更に好ましい。
Sulfurization Time
The time (sulfiding time) for sulfiding the copper contained in the leachate by reacting it with the sulfiding agent is preferably 0.1 hours or more, more preferably 0.2 hours or more, and even more preferably 0.3 hours or more.
On the other hand, from the viewpoint of productivity, the sulfurization time is preferably 3.0 hours or less, more preferably 2.0 hours or less, and even more preferably 1.0 hour or less.

〈銅硫化物と銅除去溶液との分離〉
銅硫化物および銅除去溶液については、酸化剤の添加(後述する)を実施する前に、両者を分離することが好ましい。分離の方法は、特に限定されず、公知の固液分離方法を採用できる。
Separation of copper sulfide and copper removal solution
It is preferable to separate the copper sulfide from the copper removal solution before adding the oxidizing agent (described later). The separation method is not particularly limited, and known solid-liquid separation methods can be used.

〈酸化剤の添加(有価元素溶液の取得)〉
次に、有価元素(Ni、Co)および鉄(Fe)を含有する銅除去溶液に酸化剤を添加して、不純物元素である鉄(Fe)を鉄水酸化物として沈殿させる。こうして、選択的に鉄(Fe)が除去された銅除去溶液を、有価元素(Ni、Co)を含有する有価元素溶液として得る。
<Addition of oxidizing agent (obtaining valuable element solution)>
Next, an oxidizing agent is added to the copper-removing solution containing the valuable elements (Ni, Co) and iron (Fe) to precipitate the impurity element iron (Fe) as iron hydroxide. In this way, the copper-removing solution from which iron (Fe) has been selectively removed is obtained as a valuable element solution containing the valuable elements (Ni, Co).

図4は、鉄(Fe)およびニッケル(Ni)の電位-pH図(O-HO系)である。図4では、鉄(Fe)-酸素(O)-水(HO)系の電位-pH図上に、溶解度を加味した鉄(Fe)およびニッケル(Ni)の酸化物(水酸化物)の沈殿が形成する領域を示している。
なお、コバルトはニッケルと同様の傾向で沈殿するため、図4ではコバルトの図示を省略している。
図4に示すように、pHが3.0以上7.0以下であり、かつ、酸化還元電位の高い領域においては、鉄(Fe)が選択的に沈殿する。図4には図示していないが、この領域では、鉄は酸化水酸化鉄(III)(FeO(OH))として沈殿する。このことを利用して、銅除去溶液を酸性~中性かつ酸化性にすることによって、銅除去溶液に含まれる鉄(Fe)を、酸化水酸化鉄(III)として沈殿させて、選択的に除去する。すなわち、鉄(Fe)が除去された銅除去溶液である有価元素溶液を得る。
Figure 4 shows the potential-pH diagram for iron (Fe) and nickel (Ni) (O 2 -H 2 O system). Figure 4 shows the region where precipitates of oxides (hydroxides) of iron (Fe) and nickel ( Ni) form, taking into account their solubility, on the potential-pH diagram for the iron (Fe)-oxygen (O 2 ) -water (H 2 O) system.
Cobalt precipitates in the same manner as nickel, so cobalt is not shown in FIG.
As shown in Fig. 4, iron (Fe) selectively precipitates in a region where the pH is 3.0 or higher and 7.0 or lower, and where the oxidation-reduction potential is high. Although not shown in Fig. 4, in this region, iron precipitates as iron (III) oxide hydroxide (FeO(OH)). Utilizing this, the copper-removal solution is made acidic to neutral and oxidizing, so that the iron (Fe) contained in the copper-removal solution precipitates as iron (III) oxide hydroxide and is selectively removed. In other words, a valuable element solution is obtained, which is a copper-removal solution from which iron (Fe) has been removed.

《酸化剤》
銅除去溶液に添加する酸化剤としては、例えば、空気およびオゾンからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化剤A;過酸化水素、次亜塩素酸および過マンガン酸カリウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化剤B;等が挙げられる。
これらのうち、次亜塩素酸および過マンガン酸カリウムを用いると、塩素、カリウム、マンガンなどに対する煩雑な後処理が必要となる可能性があることから、空気、過酸化水素およびオゾンが好ましい。
Oxidizing agent
Examples of the oxidizing agent added to the copper removal solution include at least one oxidizing agent A selected from the group consisting of air and ozone; and at least one oxidizing agent B selected from the group consisting of hydrogen peroxide, hypochlorous acid, and potassium permanganate.
Of these, air, hydrogen peroxide and ozone are preferred because the use of hypochlorous acid and potassium permanganate may require complicated post-treatment for chlorine, potassium, manganese, etc.

(酸化剤の添加量)
銅除去溶液に含まれる鉄を十分に酸化させる観点から、ガスである酸化剤A(空気、オゾン)の添加量は、銅除去溶液に対して、0.1vvm以上が好ましく、0.3vvm以上がより好ましく、0.5vvm以上が更に好ましい。
一方、酸化剤Aの添加量は、銅除去溶液に対して、5.0vvm以下が好ましく、4.0vvm以下がより好ましく、3.0vvm以下が更に好ましい。
(Amount of oxidizing agent added)
From the viewpoint of sufficiently oxidizing the iron contained in the copper removal solution, the amount of oxidizing agent A (air, ozone) added as a gas is preferably 0.1 vvm or more, more preferably 0.3 vvm or more, and even more preferably 0.5 vvm or more, relative to the copper removal solution.
On the other hand, the amount of oxidizing agent A added is preferably 5.0 vvm or less, more preferably 4.0 vvm or less, and even more preferably 3.0 vvm or less, relative to the copper removal solution.

なお、単位「vvm」は、液に対して毎分で何倍のガスが吹き込まれるかを体積比で表す単位であり、例えば、酸化剤Aの添加量が2vvmである場合は、1Lの銅除去溶液に対して、毎分で2Lの酸化剤Aを吹き込む。 The unit "vvm" is a unit that expresses the volume ratio of gas blown into the liquid per minute. For example, if the amount of oxidant A added is 2 vvm, then 2 L of oxidant A is blown into 1 L of copper removal solution per minute.

同様の理由から、酸化剤B(過酸化水素、次亜塩素酸、過マンガン酸カリウム)の添加量は、銅除去溶液に対して、0.005体積%以上が好ましく、0.015体積%以上がより好ましく、0.050体積%以上が更に好ましく、0.100体積%以上が特に好ましい。
一方、酸化剤Bの添加量は、銅除去溶液に対して、1.500体積%以下が好ましく、1.000体積%以下がより好ましく、0.500体積%以下が更に好ましく、0.300体積%以下が特に好ましい。
For the same reason, the amount of oxidizing agent B (hydrogen peroxide, hypochlorous acid, potassium permanganate) added is preferably 0.005% by volume or more, more preferably 0.015% by volume or more, even more preferably 0.050% by volume or more, and particularly preferably 0.100% by volume or more, relative to the copper removal solution.
On the other hand, the amount of oxidizing agent B added is preferably 1.500% by volume or less, more preferably 1.000% by volume or less, even more preferably 0.500% by volume or less, and particularly preferably 0.300% by volume or less, relative to the copper removal solution.

《酸化温度》
本発明者らが検討したところ、上述した酸化剤を使用するのみでは、銅除去溶液に含まれる鉄の酸化が不十分な場合があることが分かった。
このため、酸化を促進する観点から、酸化剤を添加した銅除去溶液の温度(酸化温度)は、高くすることが好ましい。具体的には、酸化温度は、10℃以上が好ましく、30℃以上がより好ましく、50℃以上が更に好ましい。
一方、酸化温度は、90℃以下が好ましく、80℃以下がより好ましい。
Oxidation temperature
The inventors have conducted research and found that the use of the above-mentioned oxidizing agents alone may not be sufficient to oxidize the iron contained in the copper removal solution.
Therefore, from the viewpoint of promoting oxidation, it is preferable to increase the temperature (oxidation temperature) of the copper removal solution to which the oxidizing agent has been added. Specifically, the oxidation temperature is preferably 10° C. or higher, more preferably 30° C. or higher, and even more preferably 50° C. or higher.
On the other hand, the oxidation temperature is preferably 90° C. or lower, more preferably 80° C. or lower.

《酸化pH》
銅除去溶液に酸化剤を添加して鉄水酸化物を沈殿させる際、酸化剤を添加した銅除去溶液のpH(酸化pH)が低すぎると、沈殿が生成しにくい場合がある。このため、酸化pHは、3.0以上が好ましく、3.7以上がより好ましく、4.0以上が更に好ましく、4.5以上が特に好ましい。
一方、酸化pHが高すぎると、有価元素(Ni、Coなど)の共沈が増え、得られる有価元素溶液中に残したい有価元素の量が低下する懸念がある。このため、酸化pHは、7.0以下が好ましく、6.0以下がより好ましく、5.0以下が更に好ましい。
酸化pHは、例えば、銅除去溶液にpH調整剤を添加することにより調整する。pH調整剤としては、特に限定されず、硫酸、水酸化ナトリウム等が挙げられる。
Oxidation pH
When an oxidizing agent is added to a copper removal solution to precipitate iron hydroxide, if the pH of the copper removal solution to which the oxidizing agent has been added (oxidation pH) is too low, precipitation may be difficult to form. Therefore, the oxidation pH is preferably 3.0 or higher, more preferably 3.7 or higher, even more preferably 4.0 or higher, and particularly preferably 4.5 or higher.
On the other hand, if the oxidation pH is too high, there is a concern that the coprecipitation of valuable elements (Ni, Co, etc.) will increase, and the amount of the valuable elements desired to remain in the obtained valuable element solution will decrease. Therefore, the oxidation pH is preferably 7.0 or less, more preferably 6.0 or less, and even more preferably 5.0 or less.
The oxidation pH is adjusted, for example, by adding a pH adjuster to the copper removal solution. The pH adjuster is not particularly limited, but examples thereof include sulfuric acid and sodium hydroxide.

《酸化時間》
銅除去溶液に含まれる鉄を酸化剤と反応させる時間(酸化時間)は、0.3時間以上が好ましく、0.5時間以上がより好ましく、1.0時間以上が更に好ましい。
一方、生産性の観点からは、酸化時間は、3.0時間以下が好ましく、2.0時間以下がより好ましく、1.5時間以下が更に好ましい。
Oxidation Time
The time (oxidation time) for reacting the iron contained in the copper removal solution with the oxidizing agent is preferably 0.3 hours or more, more preferably 0.5 hours or more, and even more preferably 1.0 hour or more.
On the other hand, from the viewpoint of productivity, the oxidation time is preferably 3.0 hours or less, more preferably 2.0 hours or less, and even more preferably 1.5 hours or less.

《酸化助剤》
鉄水酸化物の沈殿を生成させる反応の速度を向上させる観点から、上述した酸化剤と併せて、酸化助剤を使用してもよい。
酸化助剤としては、例えば、酸化第二鉄(Fe)および酸化水酸化鉄(III)(FeO(OH))からなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられ、酸化助剤の形態は、粉末が好ましい。
酸化助剤によって反応の速度が向上する原理は、触媒作用である。具体的には、酸化助剤は、水溶液(銅除去溶液)中で負に帯電しやすいことから、Fe2+イオンを吸着し、Fe2+内部のeとの結びつきを弱める。これにより、Fe2+→Fe3++eという反応(Fe酸化反応)の活性化エネルギーが低下し、反応が促進されると考えられる。
<<oxidation promoter>>
In order to increase the reaction rate for producing the precipitate of iron hydroxide, an oxidizing agent may be used in combination with the above-mentioned oxidizing agent.
The oxidation aid may be, for example, at least one selected from the group consisting of ferric oxide (Fe 2 O 3 ) and iron (III) oxide hydroxide (FeO(OH)), and the oxidation aid is preferably in the form of powder.
The mechanism by which the oxidation aid increases the reaction rate is catalytic action. Specifically, because the oxidation aid tends to become negatively charged in the aqueous solution (copper removal solution), it adsorbs Fe 2+ ions and weakens the bond with e - inside the Fe 2+ ions . This is thought to lower the activation energy of the reaction Fe 2+ → Fe 3+ + e - (Fe oxidation reaction), accelerating the reaction.

(酸化助剤の添加量)
酸化助剤の添加量が多いほど反応表面積が増え、Fe酸化反応の速度が大きくなると考えられる。このため、酸化助剤の添加量は、銅除去溶液に対して、0.1g/L以上が好ましく、0.5g/L以上がより好ましく、1.0g/L以上が更に好ましい。
一方、酸化助剤の添加量が多すぎると、有価元素(Ni、Coなど)の共沈が増える懸念がある。このため、酸化助剤の添加量は、銅除去溶液に対して、40.0g/L以下が好ましく、10.0g/L以下がより好ましく、5.0g/L以下が更に好ましい。
(Amount of added oxidation promoter)
It is believed that the larger the amount of oxidation aid added, the larger the reaction surface area and the faster the rate of the Fe oxidation reaction. Therefore, the amount of oxidation aid added is preferably 0.1 g/L or more, more preferably 0.5 g/L or more, and even more preferably 1.0 g/L or more, relative to the copper removal solution.
On the other hand, if the amount of the oxidation aid is too large, there is a concern that the coprecipitation of valuable elements (such as Ni and Co) may increase. Therefore, the amount of the oxidation aid added is preferably 40.0 g/L or less, more preferably 10.0 g/L or less, and even more preferably 5.0 g/L or less, relative to the copper removal solution.

(酸化助剤の粒径)
酸化助剤の粒径が小さすぎると反応表面積が過大となり、有価元素(Ni、Coなど)の共沈が増える懸念がある。このため、酸化助剤の粒径は、0.1μm以上が好ましく、0.3μm以上がより好ましく、0.5μm以上が更に好ましい。
一方、酸化助剤の粒径が大きすぎると、反応表面積が過小となり、所望する効果が得られない場合がある。このため、酸化助剤の粒径は、3.0μm以下が好ましく、2.0μm以下がより好ましく、1.0μm以下が更に好ましい。
(Particle size of oxidation aid)
If the particle size of the oxidation promoter is too small, the reaction surface area becomes too large, which may increase the coprecipitation of valuable elements (such as Ni and Co). Therefore, the particle size of the oxidation promoter is preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.3 μm or more, and even more preferably 0.5 μm or more.
On the other hand, if the particle size of the oxidation promoter is too large, the reaction surface area becomes too small, and the desired effect may not be obtained. Therefore, the particle size of the oxidation promoter is preferably 3.0 μm or less, more preferably 2.0 μm or less, and even more preferably 1.0 μm or less.

〈鉄水酸化物と有価元素溶液との分離〉
鉄水酸化物および有価元素溶液については、両者を分離することが好ましい。分離の方法は、特に限定されず、公知の固液分離方法を採用できる。
このようにして得られた有価元素溶液中の有価元素は、例えば、リチウムイオン電池の正極材として利用できる。
<Separation of iron hydroxide and valuable element solution>
It is preferable to separate the iron hydroxide and the valuable element solution from each other. The separation method is not particularly limited, and known solid-liquid separation methods can be used.
The valuable elements in the valuable element solution thus obtained can be used, for example, as a positive electrode material for lithium ion batteries.

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施例に限定されない。 The present invention will be specifically explained below using examples. However, the present invention is not limited to the examples described below.

[試験A]
〈正極材の準備:試験A〉
廃リチウムイオン電池の正極材を準備した。
具体的には、廃リチウムイオン電池に対して、分解、放電、電解液の除去等の事前処理を実施して、正極材を分離した。正極材におけるニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)の組成比(モル比)を、下記表1に示す。正極材におけるMnの含有量は11.3質量%であった。なお、正極材は、更に、不純物元素として、銅(Cu)および鉄(Fe)を含有していた。また、正極材は、更に、準有価元素として、リチウム(Li)を含有していた。
[Test A]
<Preparation of cathode material: Test A>
A cathode material for a used lithium-ion battery was prepared.
Specifically, the used lithium-ion batteries were subjected to pre-treatments such as disassembly, discharge, and removal of the electrolyte, and the positive electrode material was separated. The composition ratio (molar ratio) of nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn) in the positive electrode material is shown in Table 1 below. The Mn content in the positive electrode material was 11.3 mass%. The positive electrode material further contained copper (Cu) and iron (Fe) as impurity elements. The positive electrode material also contained lithium (Li) as a quasi-valent element.

〈還元剤の準備:試験A〉
還元剤として、コークス(C)の粉体を準備した。
更に、還元剤として、アトマイズ処理により得られた金属鉄(Fe)の粉体、および、酸化第一鉄(FeO)の粉体を準備した。
<Preparation of reducing agent: Test A>
As a reducing agent, powder of coke (C) was prepared.
Furthermore, as reducing agents, powder of metallic iron (Fe) obtained by atomization and powder of ferrous oxide (FeO) were prepared.

〈造滓剤の準備:試験A〉
造滓剤として、CaO、SiOおよびLiOを含有する造滓剤を準備した。CaOとSiOとの質量比(CaO/SiO)が異なる複数種類の造滓剤を準備した。
<Preparation of slag former: Test A>
As the slag former, a slag former containing CaO, SiO 2 and Li 2 O was prepared. A plurality of types of slag formers having different mass ratios of CaO to SiO 2 (CaO/SiO 2 ) were prepared.

〈還元剤および造滓剤の添加:試験A〉
ヒートサイズ150kg規模のサブマージドアーク炉に、準備した正極材を入れ、還元剤および造滓剤を添加し、混合酸化物を得た。
より詳細には、正極材45kgに対して、30kgの造滓剤を添加した。すなわち、正極材に対する造滓剤の質量比(造滓剤/正極材)は、約0.67とした。
用いた還元剤の種類および添加量(単位:当量)、ならびに、用いた造滓剤の質量比(CaO/SiO)および質量比{(CaO+LiO)/SiO}を、下記表2に示す。
Addition of reducing agent and slag-forming agent: Test A
The prepared cathode material was placed in a submerged arc furnace with a heat size of 150 kg, and a reducing agent and a slag-forming agent were added to obtain a mixed oxide.
More specifically, 30 kg of the slag former was added to 45 kg of the cathode material, that is, the mass ratio of the slag former to the cathode material (slag former/cathode material) was about 0.67.
Table 2 below shows the type and amount (unit: equivalent) of the reducing agent used, as well as the mass ratio (CaO/SiO 2 ) and mass ratio {(CaO+Li 2 O)/SiO 2 } of the slag forming agent used.

〈混合酸化物の加熱:試験A〉
得られた混合酸化物を、加熱した。加熱温度は1600℃、加熱時間は3時間、加熱雰囲気はAr雰囲気とした。
こうして、正極材を還元し、生成金属および生成スラグを得て、両者を分離した。
Heating of Mixed Oxides: Test A
The resulting mixed oxide was heated at 1600° C. for 3 hours in an Ar atmosphere.
In this way, the cathode material was reduced to obtain a product metal and a product slag, which were then separated.

Ni、CoおよびMnの各金属元素について、下記式に基づいて、還元率(単位:質量%)を求め、単位を「質量%」から「モル%」に換算した。結果を下記表2に示す。
還元率=100×(生成金属が含有する金属元素の量[kg])/(還元対象である酸化物が含有する金属元素の量[kg])
The reduction rates (unit: mass%) of the metal elements Ni, Co, and Mn were calculated based on the following formula, and the units were converted from "mass%" to "mol%." The results are shown in Table 2 below.
Reduction rate = 100 × (amount of metal element contained in produced metal [kg]) / (amount of metal element contained in oxide to be reduced [kg])

更に、Liについて、下記式に基づいて、生成スラグ中の残留率(単位:質量%)を求め、単位を「質量%」から「モル%」に換算した。結果を下記表2に示す。
生成スラグ中の残留率=100×(生成スラグが含有するLiの量[kg])/(還元対象である酸化物が含有するLiの量[kg])
Furthermore, the residual rate (unit: mass %) of Li in the produced slag was calculated based on the following formula, and the unit was converted from "mass %" to "mol %". The results are shown in Table 2 below.
Residual rate in produced slag = 100 × (amount of Li contained in produced slag [kg]) / (amount of Li contained in oxide to be reduced [kg])

下記表2に示すように、還元剤として、コークス(C)のみを使用した比較試験例2-1~比較試験例2-2は、Mnの還元率が高かった。
また、還元剤として、金属鉄(Fe)または酸化第一鉄(FeO)のみを使用した比較試験例2-3~比較試験例2-5は、Mnの還元は抑制できたが、NiおよびCoの還元が不十分であった。
これに対して、還元剤として、金属鉄(Fe)または酸化第一鉄(FeO)とコークス(C)とを併用した試験例2-1~試験例2-6は、Mnの還元を抑制しつつ、NiおよびCoについては高い還元率が得られた。すなわち、NiおよびCoを選択的に回収できた。
As shown in Table 2 below, Comparative Test Examples 2-1 and 2-2, in which only coke (C) was used as the reducing agent, had a high reduction rate of Mn.
In addition, in Comparative Test Examples 2-3 to 2-5, in which only metallic iron (Fe) or ferrous oxide (FeO) was used as the reducing agent, the reduction of Mn was suppressed, but the reduction of Ni and Co was insufficient.
In contrast, Test Examples 2-1 to 2-6, which used metallic iron (Fe) or ferrous oxide (FeO) in combination with coke (C) as the reducing agent, suppressed the reduction of Mn while achieving high reduction rates for Ni and Co. In other words, Ni and Co could be selectively recovered.

なお、還元剤として金属鉄(Fe)または酸化第一鉄(FeO)のみを使用した比較試験例2-3~比較試験例2-5よりも、金属鉄(Fe)または酸化第一鉄(FeO)とコークス(C)とを併用した試験例2-1~試験例2-4の方が、生成金属中のFeの割合が少なかった。 Furthermore, the proportion of Fe in the produced metal was lower in Test Examples 2-1 to 2-4, which used metallic iron (Fe) or ferrous oxide (FeO) in combination with coke (C), than in Comparative Test Examples 2-3 to 2-5, which used only metallic iron (Fe) or ferrous oxide (FeO) as the reducing agent.

試験例2-1と試験例2-2とを対比すると、炭素含有物質であるコークス(C)の添加量を1.0当量とした試験例2-2は、これを0.4当量とした試験例2-1よりも、NiおよびCoについて、より高い還元率が得られた。 Comparing Test Example 2-1 and Test Example 2-2, Test Example 2-2, in which the amount of coke (C), a carbon-containing substance, added was 1.0 equivalent, achieved a higher reduction rate for Ni and Co than Test Example 2-1, in which the amount was 0.4 equivalent.

試験例2-2~試験例2-4を対比すると、質量比(CaO/SiO)が0.50の造滓剤を用いた試験例2-3~試験例2-4は、質量比(CaO/SiO)が1.50の造滓剤を用いた試験例2-2と比べて、Mnの還元をより抑制することができた。また、Liの生成スラグ中の残留率をより高くすることができた。 Comparing Test Examples 2-2 to 2-4, Test Examples 2-3 to 2-4, which used a slag former with a CaO/SiO 2 mass ratio of 0.50, were able to more effectively suppress the reduction of Mn than Test Example 2-2, which used a slag former with a CaO/ SiO 2 mass ratio of 1.50. They also increased the residual rate of Li in the resulting slag.

試験例2-3~試験例2-4と試験例2-5~試験例2-6とを対比すると、造滓剤の質量比(CaO/SiO)がより低い試験例2-5~試験例2-6においては、試験例2-3~試験例2-4と比較して、NiおよびCoの還元率の大きな低下を招くことなく、Mnの還元を更に抑制できた。 Comparing Test Examples 2-3 to 2-4 with Test Examples 2-5 to 2-6, Test Examples 2-5 to 2-6, which had a lower mass ratio of the slag former (CaO/SiO 2 ), were able to further suppress the reduction of Mn compared to Test Examples 2-3 to 2-4 without causing a significant decrease in the reduction rates of Ni and Co.

〈金属の粉末化:試験A〉
正極材の還元により生成した金属およびスラグの組成を求めた。
正極材の還元により生成した金属のうち、下記表3に示す組成を有する金属を、振動ミルを用いて粉末化して、金属粉末を得た。
得られた金属粉末の粒径は、1100μmであった。
Metal Powdering: Test A
The compositions of the metals and slag produced by the reduction of the cathode material were determined.
Of the metals produced by reduction of the positive electrode material, metals having the compositions shown in Table 3 below were pulverized using a vibration mill to obtain metal powders.
The particle size of the resulting metal powder was 1100 μm.

〈金属と酸液との接触:試験A〉
硫酸(濃度:2.0mol/L)に対して、7.0体積%の過酸化水素を酸液用酸化剤として添加して、酸液を調製した。
調製した酸液に、下記表3に示す組成を有する金属(金属粉末)を、1/10の固液比(金属/酸液)で接触させた(接触時間:1.0時間)。具体的には、金属粉末を酸液に浸漬させた。こうして、浸出液および浸出残渣を得て、両者を分離した。
浸出液に含まれる各元素の濃度を、XRF(蛍光X線)分析を用いて求め、金属から浸出液への各元素の浸出率(単位:質量%)を算出した。結果を下記表3に示す。
下記表3に示すように、各元素とも浸出率は100質量%であり、金属から浸出液に各元素を全て浸出できた。
<Contact between metal and acid solution: Test A>
An acid solution was prepared by adding 7.0% by volume of hydrogen peroxide as an oxidizing agent to sulfuric acid (concentration: 2.0 mol/L).
A metal (metal powder) having the composition shown in Table 3 below was contacted with the prepared acid solution at a solid-liquid ratio (metal/acid solution) of 1/10 (contact time: 1.0 hour). Specifically, the metal powder was immersed in the acid solution. In this way, a leachate and a leach residue were obtained, and the two were separated.
The concentration of each element in the leachate was determined using XRF (X-ray fluorescence) analysis, and the leaching rate (unit: mass %) of each element from the metal to the leachate was calculated. The results are shown in Table 3 below.
As shown in Table 3 below, the leaching rate for each element was 100 mass %, meaning that all of the elements were leached from the metal into the leachate.

〈硫化剤の添加:試験A〉
得られた浸出液における各元素の含有量(単位:g/L)を、下記表4に示す。
得られた浸出液に、硫化剤として硫化水素ナトリウム(NaSH)を添加し、室温(25℃)下で攪拌した。硫化剤(硫化水素ナトリウム)の添加量は、浸出液が含有するCuに対して、2.0当量とした。
硫化剤を添加した浸出液のpH(硫化pH)を、pH調整剤として硫酸および水酸化ナトリウムを用いて、0(ゼロ)に調整した。
こうして、浸出液に含まれる銅(Cu)を、硫化剤と反応させて硫化し(硫化時間:20分間)、銅硫化物(硫化銅(II))として沈殿させた。その後、銅硫化物と、銅が除去された浸出液である銅除去溶液とを分離した。
銅除去溶液における各元素の含有量(単位:g/L)を、ICP-AES(誘導結合プラズマ発光分光分析)によって求めた。結果を下記表4に示す。
更に、各元素について、浸出液での含有量に対する、銅除去溶液での含有量の割合を、残留率a(単位:質量%)として求めた。結果を下記表4に示す。
下記表4に示すように、銅除去溶液におけるCuの含有量は非常に低いので、浸出液からCuを非常に高い効率で除去できたことが分かる。
<Addition of sulfurizing agent: Test A>
The content (unit: g/L) of each element in the obtained leachate is shown in Table 4 below.
Sodium hydrogen sulfide (NaSH) was added as a sulfiding agent to the obtained leachate, and the mixture was stirred at room temperature (25° C.) The amount of sulfiding agent (sodium hydrogen sulfide) added was 2.0 equivalents relative to the Cu contained in the leachate.
The pH of the leachate to which the sulfiding agent was added (sulfidation pH) was adjusted to 0 (zero) using sulfuric acid and sodium hydroxide as pH adjusters.
In this way, copper (Cu) contained in the leachate was sulfided by reacting with the sulfiding agent (sulfiding time: 20 minutes), and precipitated as copper sulfide (copper (II) sulfide). Thereafter, the copper sulfide was separated from the copper-removed solution, which was the leachate from which copper had been removed.
The content (unit: g/L) of each element in the copper removal solution was determined by ICP-AES (inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy). The results are shown in Table 4 below.
Furthermore, for each element, the ratio of the content in the copper removal solution to the content in the leaching solution was calculated as the residual rate a (unit: mass %). The results are shown in Table 4 below.
As shown in Table 4 below, the Cu content in the copper removal solution was very low, and therefore it can be seen that Cu was removed from the leachate with very high efficiency.

〈酸化剤の添加:試験A〉
次に、まず、銅除去溶液を、水を用いて希釈した。希釈後の銅除去溶液における各元素の含有量(単位:g/L)を、下記表4に示す。希釈した理由は、予備実験において、下記表4に示す銅除去溶液と同様の組成を有するモデル溶液に酸化剤を添加したところ、沈殿が過多となり、攪拌が不可となる場合があったからである。
銅除去溶液(希釈済み)に、酸化剤として過酸化水素を添加し、攪拌した。酸化剤(過酸化水素)の添加量は、銅除去溶液(希釈済み)に対して、0.020体積%とした。
酸化剤を添加した銅除去溶液のpH(酸化pH)を、pH調整剤として硫酸および水酸化ナトリウムを用いて、4.5に調整した。酸化剤を添加した銅除去溶液の温度(酸化温度)は、70℃とし、これを維持した。
こうして、銅除去溶液に含まれる鉄(Fe)を、酸化剤と反応させて酸化し(酸化時間:1.0時間)、鉄水酸化物(酸化水酸化鉄(III))として沈殿させた。その後、鉄水酸化物と、鉄が除去された銅除去溶液である有価元素溶液とを分離した。
有価元素溶液における各元素の含有量(単位:g/L)を、ICP-AESによって求めた。結果を下記表4に示す。
更に、各元素について、銅除去溶液(希釈済み)での含有量に対する、有価元素溶液での含有量の割合を、残留率b(単位:質量%)として求めた。結果を下記表4に示す。
下記表4に示すように、有価元素溶液におけるFeの含有量は非常に低いので、銅除去溶液からFeを非常に高い効率で除去できたことが分かる。
<Addition of Oxidizing Agent: Test A>
Next, the copper removal solution was first diluted with water. The contents (unit: g/L) of each element in the diluted copper removal solution are shown in Table 4 below. The reason for dilution was that in a preliminary experiment, when an oxidizing agent was added to a model solution having a composition similar to that of the copper removal solution shown in Table 4 below, excessive precipitation occurred, making stirring impossible in some cases.
Hydrogen peroxide was added as an oxidizing agent to the diluted copper removal solution, and the mixture was stirred. The amount of the oxidizing agent (hydrogen peroxide) added was 0.020% by volume relative to the diluted copper removal solution.
The pH of the copper removal solution to which the oxidizing agent had been added (oxidation pH) was adjusted to 4.5 using sulfuric acid and sodium hydroxide as pH adjusters, and the temperature of the copper removal solution to which the oxidizing agent had been added (oxidation temperature) was set to and maintained at 70°C.
In this way, iron (Fe) contained in the copper removal solution was oxidized by reacting with the oxidizing agent (oxidation time: 1.0 hour) and precipitated as iron hydroxide (iron (III) oxide hydroxide). Thereafter, the iron hydroxide was separated from the valuable element solution, which was the copper removal solution from which iron had been removed.
The content (unit: g/L) of each element in the valuable element solution was determined by ICP-AES. The results are shown in Table 4 below.
Furthermore, for each element, the ratio of the content in the valuable element solution to the content in the (diluted) copper removal solution was calculated as the residual rate b (unit: mass %). The results are shown in Table 4 below.
As shown in Table 4 below, the content of Fe in the valuable element solution is very low, and therefore it can be seen that Fe was removed from the copper removal solution with very high efficiency.

更に、各元素について、残留率aおよび残留率bから、有価元素溶液における最終的な残留率を、総合残留率(単位:質量%)として求めた。結果を下記表4に示す。
下記表4に示す結果から、乾式処理を実施し、その後、乾式処理によって得られた金属を粉末化してから、湿式処理を実施することによって、有価元素(Ni、Co)を非常に高い純度で回収できたことが分かる。
Furthermore, for each element, the final residual rate in the valuable element solution was calculated as the total residual rate (unit: mass%) from the residual rate a and the residual rate b. The results are shown in Table 4 below.
The results shown in Table 4 below show that by carrying out dry processing, then powdering the metal obtained by the dry processing, and then carrying out wet processing, valuable elements (Ni, Co) could be recovered with very high purity.

[試験B]
〈正極材の準備~金属の粉末化:試験B〉
正極材の準備から金属の粉末化までは、試験Aと同じであるため、説明を省略する。
[Test B]
<Preparation of cathode material - Metal powder: Test B>
The steps from preparation of the positive electrode material to powdering of the metal were the same as those in Test A, and therefore the explanation will be omitted.

〈金属と酸液との接触:試験B〉
硫酸(濃度:2.0mol/L)に対して、下記表5に示す添加量(単位:体積%)で、酸液用酸化剤(過酸化水素)を添加して、複数の酸液を調製した。
酸液用酸化剤の添加量を変更した以外は、上述した試験Aと同様にして、金属(金属粉末)を酸液に接触させて、浸出液を得た。
更に、上述した試験Aと同様にして、金属から浸出液への各元素の浸出率(単位:質量%)を算出した。結果を下記表5に示す。
下記表5に示すように、酸液用酸化剤の添加量が増大するに伴い、浸出率は増大した。有価金属(Ni、Co)を十分に浸出するためには、酸液用酸化剤(過酸化水素)の添加量は、6.9体積%以上が好適であることが分かった。
もっとも、添加量が6.9体積%を超えると、浸出率が頭打ちとなる。このため、コストの観点からは、本実施例の範囲においては、酸液用酸化剤(過酸化水素)の添加量として、6.9体積%が好適であることが分かった。
<Contact between metal and acid solution: Test B>
A plurality of acid solutions were prepared by adding an oxidizing agent for the acid solution (hydrogen peroxide) to sulfuric acid (concentration: 2.0 mol/L) in the amount (unit: volume %) shown in Table 5 below.
A leachate was obtained by contacting a metal (metal powder) with an acid solution in the same manner as in Test A described above, except that the amount of oxidizing agent for the acid solution was changed.
Furthermore, the leaching rate (unit: mass %) of each element from the metal into the leachate was calculated in the same manner as in the above-mentioned Test A. The results are shown in Table 5 below.
As shown in Table 5 below, the leaching rate increased as the amount of oxidizing agent for the acid solution increased. It was found that the amount of oxidizing agent for the acid solution (hydrogen peroxide) added should be 6.9% by volume or more in order to sufficiently leach valuable metals (Ni, Co).
However, when the amount exceeds 6.9% by volume, the leaching rate reaches a plateau. Therefore, from the viewpoint of cost, it was found that within the scope of this example, 6.9% by volume is the most suitable amount of oxidizing agent (hydrogen peroxide) for the acid solution.

〈硫化剤の添加:試験B〉
上記表4に示す浸出液に、下記表6に示す添加量(単位:当量)で、硫化剤として硫化水素ナトリウム(NaSH)を添加し、攪拌した。このとき、硫化pHを、下記表6に示す値に調整した。
硫化剤の添加量および硫化pHを変更した以外は、上述した試験Aと同様にして、浸出液に含まれる銅を銅硫化物として沈殿させて、銅除去溶液を得た。
更に、上述した試験Aと同様にして、得られた銅除去溶液におけるCu含有量(単位:mg/L)、ならびに、Ni残留率(単位:質量%)およびCo残留率(単位:質量%)を求めた。結果を下記表6に示す。
下記表6に示すように、銅を十分に除去するためには、硫化剤の添加量は、銅に対して2.0当量以上が好適であるが、硫化剤の添加量が増えるほど、Ni残留率およびCo残留率が低下することが分かった。
また、下記表6に示すように、硫化pHが大きくなるに従い、銅の除去が不十分となり、かつ、Ni残留率およびCo残留率が低下する傾向が見られた。
以上のことから、本実施例の範囲においては、硫化剤の添加量は2.0当量、硫化pHは0(ゼロ)が好適であることが分かった。
<Addition of sulfurizing agent: Test B>
Sodium hydrogen sulfide (NaSH) was added as a sulfiding agent to the leachate shown in Table 4 in the amount (unit: equivalent) shown in Table 6 below, and the mixture was stirred. At this time, the sulfiding pH was adjusted to the value shown in Table 6 below.
Copper contained in the leachate was precipitated as copper sulfide in the same manner as in Test A described above, except that the amount of sulfiding agent added and the sulfiding pH were changed, thereby obtaining a copper-removed solution.
Furthermore, the Cu content (unit: mg/L), Ni residual rate (unit: mass %), and Co residual rate (unit: mass %) in the obtained copper removal solution were determined in the same manner as in the above-mentioned Test A. The results are shown in Table 6 below.
As shown in Table 6 below, in order to sufficiently remove copper, the amount of sulfurizing agent added is preferably 2.0 equivalents or more relative to copper, but it was found that the Ni residual rate and Co residual rate decrease as the amount of sulfurizing agent added increases.
Furthermore, as shown in Table 6 below, as the sulfurization pH increased, there was a tendency for copper removal to become insufficient and for the Ni and Co residual rates to decrease.
From the above, it was found that within the range of this example, the amount of sulfurizing agent added was preferably 2.0 equivalents and the sulfurization pH was preferably 0 (zero).

〈酸化剤の添加:試験B〉
まず、上記表6の試験例6-4において得られた銅除去溶液を5倍に希釈した。
次いで、銅除去溶液(希釈済み)に、下記表7に示す添加量(単位:体積%)で、酸化剤として過酸化水素を添加し、攪拌した。このとき、酸化pHおよび酸化温度(単位:℃)を、下記表7に示す値に調整した。
酸化剤の添加量、酸化pHおよび酸化温度を変更した以外は、上述した試験Aと同様にして、銅除去溶液に含まれる鉄を鉄水酸化物として沈殿させて、有価元素溶液を得た。
なお、試験Aおよび試験Bともに、酸化助剤は使用しなかった。
更に、上述した試験Aと同様にして、得られた有価元素溶液におけるFe含有量(単位:mg/L)、ならびに、Ni残留率(単位:質量%)およびCo残留率(単位:質量%)を求めた。結果を下記表7に示す。
下記表7に示すように、鉄を十分に除去するためには、酸化pHを6.0にする、または、酸化pHを4.5以上にし、かつ、酸化剤を添加することが好適であることが分かった。
また、下記表7に示すように、酸化pHが大きくなるに従い、鉄が効率的に除去される一方で、Ni残留率およびCo残留率が低下する傾向が見られた。
以上のことから、本実施例の範囲においては、酸化剤(過酸化水素)の添加量は0.030体積%、酸化pHは4.5~5.0の範囲が好適であることが分かった。
<Addition of oxidizing agent: Test B>
First, the copper removal solution obtained in Test Example 6-4 in Table 6 above was diluted five times.
Next, hydrogen peroxide was added as an oxidizing agent to the diluted copper removal solution in the amount (unit: vol %) shown in Table 7 below, followed by stirring. At this time, the oxidation pH and oxidation temperature (unit: °C) were adjusted to the values shown in Table 7 below.
The iron contained in the copper removal solution was precipitated as iron hydroxide to obtain a valuable element solution in the same manner as in Test A described above, except that the amount of oxidizing agent added, the oxidation pH, and the oxidation temperature were changed.
In both Test A and Test B, no auxiliary oxidation agent was used.
Furthermore, the Fe content (unit: mg/L), Ni residual rate (unit: mass %), and Co residual rate (unit: mass %) in the obtained valuable element solution were determined in the same manner as in the above-mentioned Test A. The results are shown in Table 7 below.
As shown in Table 7 below, it was found that in order to sufficiently remove iron, it is preferable to set the oxidation pH to 6.0, or to set the oxidation pH to 4.5 or higher and add an oxidizing agent.
Furthermore, as shown in Table 7 below, as the oxidation pH increased, iron was more efficiently removed, but the Ni and Co residual rates tended to decrease.
From the above, it was found that within the range of this example, the amount of oxidizing agent (hydrogen peroxide) added was preferably 0.030% by volume, and the oxidation pH was preferably in the range of 4.5 to 5.0.

[試験C]
試験Aに準拠して、乾式処理および湿式処理(つまり、正極材の準備から酸化剤の添加まで)を実施して、有価元素溶液を得た。なお、下記表8に示すように、便宜的に、使用した正極材(酸化物)の質量を100kgとしている。
試験例8-1~試験例8-2は、還元剤として用いたFeおよびCの添加量がそれぞれ異なる。なお、比較試験例8-1では、乾式処理のみを実施した。比較試験例8-2では、還元剤としてFeのみを使用した。
[Test C]
A valuable element solution was obtained by carrying out dry treatment and wet treatment (i.e., from preparation of the cathode material to addition of the oxidizing agent) in accordance with Test A. As shown in Table 8 below, for convenience, the mass of the cathode material (oxide) used is set to 100 kg.
Test Examples 8-1 and 8-2 differed in the amounts of Fe and C added as reducing agents. In Comparative Test Example 8-1, only dry treatment was performed. In Comparative Test Example 8-2, only Fe was used as the reducing agent.

乾式処理により得られた生成金属のNi+Co還元率(単位:質量%)と、湿式処理により得られた有価元素溶液のNi+Co残留率(単位:質量%)とから、Ni+Co回収率(単位:質量%)求めた。結果を下記表8に示す。
なお、乾式処理のみを実施した場合は、生成金属のNi+Co還元率を、Ni+Co回収率として、下記表8に記載した。
The Ni+Co recovery rate (unit: mass%) was calculated from the Ni+Co reduction rate (unit: mass%) of the metal produced by the dry treatment and the Ni+Co residual rate (unit: mass%) of the valuable element solution obtained by the wet treatment. The results are shown in Table 8 below.
When only dry treatment was carried out, the Ni+Co reduction rate of the produced metal was shown in Table 8 below as the Ni+Co recovery rate.

また、湿式処理で得られた有価元素溶液について、金属元素中のNi+Co割合を、最終的なNi+Co純度(単位:質量%)として求めた。結果を下記表8に示す。
ただし、乾式処理のみを実施した比較試験例8-1においては、乾式処理で得られた生成金属のNi+Co純度を、最終的なNi+Co純度として、下記表8に記載した。
Furthermore, the proportion of Ni and Co in the metal elements of the valuable element solution obtained by the wet treatment was calculated as the final Ni and Co purity (unit: mass %). The results are shown in Table 8 below.
However, in Comparative Test Example 8-1 in which only dry treatment was carried out, the Ni+Co purity of the metal produced by dry treatment is shown in Table 8 below as the final Ni+Co purity.

比較試験例8-1と試験例8-1とを対比すると、両者は乾式処理の条件が同じであるが、湿式処理を実施した試験例8-1では、湿式処理を実施しなかった比較試験例8-1と比べて、最終的に、有価元素(Ni+Co)が高い純度で得られた。 Comparing Comparative Test Example 8-1 and Test Example 8-1, both had the same dry processing conditions, but Test Example 8-1, which underwent wet processing, ultimately yielded valuable elements (Ni + Co) with a higher purity than Comparative Test Example 8-1, which did not undergo wet processing.

比較試験例8-2と試験例8-1~試験例8-2とを対比すると、還元剤としてFeとCとを併用した試験例8-1~試験例8-2は、Feのみを使用した比較試験例8-2よりも、生成金属中のFe質量が少なく、還元剤、硫化剤および酸化剤の合計質量が少なく、最終的なNi+Co回収率も高かった。 Comparing Comparative Test Example 8-2 with Test Examples 8-1 to 8-2, Test Examples 8-1 to 8-2, which used a combination of Fe and C as the reducing agent, had a lower mass of Fe in the produced metal, a lower total mass of the reducing agent, sulfiding agent, and oxidizing agent, and a higher final Ni + Co recovery rate than Comparative Test Example 8-2, which used only Fe.

試験例8-1と試験例8-2とを対比すると、還元剤としてのCの添加量が多い(Feの添加量が少ない)試験例8-2は、Cの添加量が少ない(Feの添加量が多い)試験例8-1よりも、生成金属中のMn質量は多いが、最終的なNi+Co回収率は高かった。 Comparing Test Example 8-1 and Test Example 8-2, Test Example 8-2, in which a larger amount of C was added as a reducing agent (a smaller amount of Fe was added), had a larger amount of Mn mass in the resulting metal than Test Example 8-1, in which a smaller amount of C was added (a larger amount of Fe was added), but the final Ni + Co recovery rate was higher.

Claims (18)

ニッケルおよびコバルトからなる群から選ばれる少なくとも1種ならびにマンガンである有価元素と、銅および鉄である不純物元素とを含有する酸化物に、還元剤を添加して、混合酸化物を得て、
前記混合酸化物を加熱することにより、前記酸化物を還元して、金属を得て、
前記金属を酸液に接触させて、前記有価元素および前記不純物元素を含有する浸出液を得て、
前記浸出液に硫化剤を添加して、銅を銅硫化物として沈殿させ、銅が除去された前記浸出液を銅除去溶液として得て、
前記銅除去溶液に酸化剤を添加して、鉄を鉄水酸化物として沈殿させ、鉄が除去された前記銅除去溶液を、前記有価元素を含有する有価元素溶液として得る、有価元素の回収方法。
ただし、前記還元剤は、炭素含有物質および鉄含有物質を含有し、前記鉄含有物質は、金属鉄および酸化鉄からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
前記炭素含有物質および前記鉄含有物質の添加量は、合計で、1.0当量以上1.6当量以下である。
A reducing agent is added to an oxide containing at least one valuable element selected from the group consisting of nickel and cobalt, and manganese, and impurity elements, copper and iron, to obtain a mixed oxide;
heating the mixed oxide to reduce the oxide to obtain a metal;
contacting the metal with an acid solution to obtain a leachate containing the valuable element and the impurity element;
adding a sulfiding agent to the leachate to precipitate copper as copper sulfide, thereby obtaining the leachate from which copper has been removed as a copper-removed solution;
a method for recovering a valuable element, comprising adding an oxidizing agent to the copper-removing solution to precipitate iron as iron hydroxide, and obtaining the copper-removing solution from which iron has been removed as a valuable element solution containing the valuable element.
the reducing agent contains a carbon-containing substance and an iron-containing substance, and the iron-containing substance is at least one selected from the group consisting of metallic iron and iron oxide;
The total amount of the carbon-containing substance and the iron-containing substance added is 1.0 equivalent or more and 1.6 equivalents or less.
前記酸化物が、廃リチウムイオン電池から得られる、請求項1に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in claim 1, wherein the oxide is obtained from waste lithium-ion batteries. 前記酸化物が、更に、リチウムを含有する、請求項1に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in claim 1, wherein the oxide further contains lithium. 前記酸化物におけるマンガンの含有量が、3.0質量%以上12.0質量%以下である、請求項1に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in claim 1, wherein the manganese content in the oxide is 3.0 mass% or more and 12.0 mass% or less. 前記炭素含有物質の添加量が、1.0当量である、請求項1に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in claim 1, wherein the amount of carbon-containing substance added is 1.0 equivalent. 前記混合酸化物を得る際に、前記酸化物に、CaOおよびSiOを含有する造滓剤を更に添加する、請求項1に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements according to claim 1, wherein a slag-forming agent containing CaO and SiO2 is further added to the oxide when obtaining the mixed oxide. 前記造滓剤が含有するCaOとSiOとの質量比(CaO/SiO)が、0.50以下である、請求項6に記載の有価元素の回収方法。 7. The method for recovering valuable elements according to claim 6, wherein the mass ratio of CaO to SiO2 (CaO/ SiO2 ) contained in the slag forming agent is 0.50 or less. 前記混合酸化物を加熱する際の温度が、1450℃以上である、請求項1に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in claim 1, wherein the mixed oxide is heated to a temperature of 1450°C or higher. 前記酸化鉄が、酸化第一鉄である、請求項1に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in claim 1, wherein the iron oxide is ferrous oxide. 前記鉄含有物質が、ダスト、スケール、スラッジおよびスクラップからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in claim 1, wherein the iron-containing material is at least one selected from the group consisting of dust, scale, sludge, and scrap. 前記混合酸化物を加熱することにより得られる前記金属が、前記有価元素および前記不純物元素を含有する、請求項1に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in claim 1, wherein the metal obtained by heating the mixed oxide contains the valuable element and the impurity element. 前記金属を、粉末化してから、前記酸液に接触させる、請求項1~11のいずれか1項に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in any one of claims 1 to 11, wherein the metal is powdered before being brought into contact with the acid solution. 前記酸液は、酸および酸液用酸化剤を含有し、
前記酸液用酸化剤の含有量が、前記酸に対して、0.5体積%以上である、請求項1~11のいずれか1項に記載の有価元素の回収方法。
The acid solution contains an acid and an oxidizing agent for the acid solution,
The method for recovering valuable elements according to any one of claims 1 to 11, wherein the content of the oxidizing agent for the acid solution is 0.5% by volume or more relative to the acid.
前記酸液用酸化剤が、過酸化水素である、請求項13に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in claim 13, wherein the oxidizing agent for the acid solution is hydrogen peroxide. 前記硫化剤の添加量が、前記浸出液が含有する銅に対して、1.0当量以上であり、
前記銅硫化物を沈殿させる際に、前記硫化剤を添加した前記浸出液のpHを3.0以下にする、請求項1~11のいずれか1項に記載の有価元素の回収方法。
the amount of the sulfiding agent added is 1.0 equivalent or more relative to the copper contained in the leaching solution;
The method for recovering valuable elements according to any one of claims 1 to 11, wherein the pH of the leachate to which the sulfiding agent has been added is adjusted to 3.0 or less when precipitating the copper sulfide.
前記酸化剤が、空気およびオゾンからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化剤A、または、過酸化水素、次亜塩素酸および過マンガン酸カリウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の酸化剤Bであり、
前記酸化剤Aの添加量が、前記銅除去溶液に対して、0.1vvm以上であり、
前記酸化剤Bの添加量が、前記銅除去溶液に対して、0.005体積%以上であり、
前記鉄水酸化物を沈殿させる際に、前記酸化剤を添加した前記銅除去溶液のpHを3.0以上7.0以下にする、請求項1~11のいずれか1項に記載の有価元素の回収方法。
the oxidizing agent is at least one oxidizing agent A selected from the group consisting of air and ozone, or at least one oxidizing agent B selected from the group consisting of hydrogen peroxide, hypochlorous acid, and potassium permanganate;
the amount of the oxidizing agent A added is 0.1 vvm or more relative to the copper removal solution;
the amount of the oxidizing agent B added is 0.005% by volume or more relative to the copper removal solution;
The method for recovering a valuable element according to any one of claims 1 to 11, wherein the pH of the copper removal solution to which the oxidizing agent has been added is adjusted to 3.0 or more and 7.0 or less when precipitating the iron hydroxide.
前記酸化剤を添加した前記銅除去溶液の温度が、10℃以上である、請求項16に記載の有価元素の回収方法。 The method for recovering valuable elements described in claim 16, wherein the temperature of the copper removal solution to which the oxidizing agent has been added is 10°C or higher. 請求項1~11のいずれか1項に記載の有価元素の回収方法を用いて、ニッケルおよびコバルトからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素と、鉄とを含有する金属を製造する、金属の製造方法。 A metal production method that uses the valuable element recovery method described in any one of claims 1 to 11 to produce a metal containing at least one element selected from the group consisting of nickel and cobalt, and iron.
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