Question

5．废旧锂离子电池的回收利用意义重大，其正极废料的主要成分是LiCoO₂、铝、炭黑及其他
杂质，回收利用的流程如下：

已知“溶液A”中主要金属离子是Co²⁺、Li⁺，还含有少量Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺． 
（1）步骤①中铝溶解的离子方程式为2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑，能代替稀H₂SO₄处理“浸出液”得到固体X试剂可以是BC．
A、NaOH溶液   B、CO₂   C、稀HCl   D、氨水
（2）步骤②中LiCoO₂固体溶解的化学方程式为2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O，该反应的还原剂是H₂O₂． 
（3）实验表明溶液A中各种金属离子的沉淀率随pH的变化如图，除杂时加入氨水调节溶液pH，可除去的杂质离子是Fe³⁺、Al³⁺．
（4）母液中含量最大的三种离子是NH₄⁺、Li⁺、SO₄^2-． 
（5）从1000 g锂离子电池正极材料（Li元素含量为5%）中可回收Li₂CO₃的质量为222 g．（已知回收率为84%，Li₂CO₃化学式量为74）

Answer 1

分析 正极废料中含有LiCo0₂、铝、炭黑，将废料先用碱液浸泡，将Al充分溶解，过滤后得到的滤液为含有偏铝酸钠，在浸出液中加入稀硫酸生成氢氧化铝，过滤得到氢氧化铝，灼烧、电解可得到铝；滤渣为LiCo0₂、炭黑等，将滤渣用双氧水、硫酸处理后生成Li₂SO₄、CoSO₄，反应的离子方程式为：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O，题给信息可知A溶液主要的金属离子是Co²⁺、Li⁺，还含有少量Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺，经除杂后加入草酸铵，可得到CoC₂O₄固体，母液中含有Li⁺，加入饱和碳酸钠溶液后过滤，最后得到碳酸锂固体，
（1）Al与氢氧化钠反应生成偏铝酸根离子和氢气；偏铝酸根离子与二氧化碳、HCl等酸性溶液均能反应生成氢氧化铝沉淀；
（2）过氧化氢、LiCoO₂和硫酸反应生成Li₂SO₄、CoSO₄、氧气和水；反应中化合价升高的作还原剂；
（3）调节pH时Co²⁺不生成沉淀，而Fe³⁺、Al³⁺生成沉淀；
（4）由流程分析判断；
（5）1000 g锂离子电池正极材料（Li元素含量为5%），回收率为84%，可以求出Li的质量和物质的量，根据Li元素守恒计算Li₂CO₃的质量．

解答 解：（1）铝能与碱反应生成AlO₂^-，反应的离子方程式为2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑，偏铝酸钠溶液加入稀硫酸，可生成Al（OH）₃沉淀，也可以用其它酸代替硫酸，如盐酸、二氧化碳等，
故答案为：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO₂^-+3H₂↑；BC；
（2）酸浸时反应物有硫酸、过氧化氢以及LiCoO₂，生成物有Li₂SO₄和CoSO₄，反应方程式为：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O，反应中Co元素化合价降低，O元素化合价升高，H₂O₂为还原剂，
故答案为：2LiCoO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Li₂SO₄+2CoSO₄+O₂↑+4H₂O；H₂O₂；
（3）由图2可知，当调节pH＜5.0时，Co²⁺不生成沉淀，而Fe³⁺、Al³⁺易生成沉淀而除去，可除去杂质离子是Fe³⁺、Al³⁺，
故答案为：Fe³⁺、Al³⁺；
（4）由流程可知，经分离、提纯后，母液中含有Li⁺、NH₄⁺、SO₄^2-等离子，
故答案为：Li⁺、NH₄⁺、SO₄^2-；
（5）1000g锂离子电池正极材料中Li的质量为1000g×5%=50g，回收的质量为50g×84%=42g，n（Li）=$\frac{42g}{7g/mol}$=6mol，
则n（Li₂CO₃）=3mol，m（Li₂CO₃）=3mol×74=222g，
故答案为：222g．

点评 本题考查了物质分离提纯实验方案设计，侧重于学生的分析能力的考查，题目涉及金属的回收、环境保护、氧化还原反应、物质的分离提纯和除杂等问题，题目较为综合，做题时注意仔细审题，从题目中获取关键信息，难度中等．