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貴州廢堿回收解析廢催化劑回收鈀工藝概況
鈀作為一種具有良好的耐腐蝕、耐高溫性能以及穩定的電學特性的貴金屬,已被廣泛應用于石油化工、醫藥、電子、化工催化劑等領域。例如鈀碳催化劑被廣泛應用于石油化工和醫藥行業,用于對不飽和烴或 CO 的催化氫化。以堇青石作為載體的鉑鈀銠催化劑用于汽車尾氣催化劑,對于保護環境具有重要意義。目前我國鈀礦產資源有限,遠不能滿足各行業的發展需求。因此,貴州廢堿回收告訴您對廢鈀催化劑中的鈀進行回收再利用,對于解決鈀資源短缺以及環境問題具有重大意義。
到目前為止已有的主要處理方法有:1) 氯氣揮發法,在加熱條件下用氯氣將鈀氯化,鈀呈氯化物揮發后吸收和提取鈀;2) 載體溶解法,用酸或者堿將載體溶解獲得含有鈀的渣,將濾渣焙燒和溶解后提取鈀;3) 選擇性溶解法,用無機溶劑使鈀溶解而載體不溶解,從溶液中提取鈀;4) 全溶解法,控制較強的浸出條件與氧化氣氛,使載體和催化劑中的鈀同時溶解轉入溶液,再從溶液中提取鈀。5) 火法熔煉法,高溫下熔煉載體造渣,鈀進入捕集劑集中于爐子底部回收?;蛘邔⑽锪吓c有色金屬精礦混合處理,在電解得到的陽極泥中回收鈀;6) 焚燒法,焚燒載體,用王水溶解燒灰并提取鈀。7) 超臨界水氧化法(SCWO), 以超臨界物質為介質,載體炭和有機毒物與純氧在均相條件下迅速氧化成為無害廢氣排放,粒狀氧化鈀過濾后精煉為金屬鈀。
負載型鈀催化劑常用載體包括氧化鋁、堇青石(2MgO·Al2O3·SiO2)、硅膠、活性炭和沸石等,
選擇工藝回收鈀時需考慮鈀在載體中的分布以及載體的特性,如以氧化鋁為載體的催化劑,鈀集中于催化劑的表面,中心部份沒有活性組份,常采用選擇性溶解法或載體溶解法。而以活性炭為載體的廢鈀催化劑,其中心部分也有活性組分,且載體易燃,常用載體溶解法和焚燒法。以堇青石為載體的含鈀多元催化劑,載體幾何表面積大、多孔、難溶,常用選擇性溶解法然后樹脂吸附實現多種貴金屬的分離。
1 鈀的富集方法
1.1 火法
火法冶金法常用于鈀含量較低的廢料中回收鈀,或者在回收其他貴金屬的火法工藝中富集鈀。得到的鈀一般為粗鈀或含鈀合金錠,通常還必須用濕法進行精制提純得到高純度海綿鈀?;鸱ㄒ苯鸢ǖ入x子體熔煉、金屬捕集和氯化氣相揮發等。
等離子體熔煉:用極高的溫度使得載體熔化造渣,溫度可達到 2000℃以上,富集鉑族金屬,鐵作為捕收劑,回收率達到 90%以上,而Z終爐渣中的鉑族金屬品位<5 g/t。等離子熔煉后,熔體沉淀。由于汽車催化劑中鉑族金屬含量低,分相好,可保證高的回收率。鐵合金用硫酸或硫酸加空氣溶解,留下含鉑族金屬的浸渣,過濾即得到鉑族金屬富集物。此法流程簡短、生產效率高、無廢水和廢氣污染,但由于設備特殊、等離子槍使用壽命短,高溫引起耐火材料磨損等問題,限制了其實際應用。
金屬捕集:用電弧爐或鼓風爐將廢催化劑在高溫下熔煉,熔煉溫度較低(約 400~500℃)。其工藝包括破碎、配料、造粒、冶煉、分離。熔煉富集貴金屬的過程中,廢催化劑與助熔劑、捕集劑和還原劑混合熔煉。目前主要用的捕集劑有銅、鎳、鐵、鉛和锍。鉛捕集是 1980 年代以前常用的方法如Inco、Johnson Matthey、Impala Platinum 等,具有操作簡單,冶煉溫度低,后續精煉工藝簡單,投資少的優點,缺點是會產生有毒的鉛氧化物。銅捕集適合于處理以堇青石為載體的廢鈀催化劑,有低污染,高效,熔煉溫度低,可回收利用和易于工業化的優點。日本 Nippon PGM 公司使用的 Rose process就是典型的銅捕集方法。將熔煉后的熔渣倒入預熔化的銅液中,再將收集了鉑族金屬的金屬銅加工成銅合金,氧化吹煉后可獲得含鉑族金屬約 30%的合金相。鐵捕集包括等離子弧熔煉技術和使用電弧熔煉爐又稱為礦物重構技術。有研究者利用礦相重構結合選擇性浸出的方法從失效汽車尾氣催化劑中提取鉑鈀銠,鈀的回收率達 99%。
氯化氣相揮發是先把載有鉑族金屬的廢催化劑與氯化鈉等氯鹽混合,在氯氣流中加熱至600~1200℃,鉑族金屬揮發后再用 H2O 或 NH4Cl 溶液吸收,或用吸附劑吸附。在氯氣流中加入 CO、CO2、N2等氣體,可降低鉑族金屬氯化溫度,提高揮發率。有文獻報道了含鉑、鈀或銠的廢催化劑在 973 K 下,在熔融的 NaCl-CsCl 中被氯氣氯化,然后用兩種方法將其還原為金屬粉末。一是用 Na2CO3 氧化氯化物,再在 1473 K 氫氣流中的 CaCO3顆粒上還原;二是直接用氫氣還原。氯化氣相揮發法工藝較簡單,試劑費用低,但由于其在高溫下操作,存在腐蝕性強,對設備要求高,催化劑吸附氯氣,進料前需用氮氣洗滌催化劑,需處理有毒氣體等缺點,制約了該技術的應用。
1.2 濕法
廢鈀催化劑的濕法回收工藝可以分為兩個階段,第一階段為溶解,第二階段為精煉。在工業生產中,根據催化劑成分不同,一般會在溶解鈀之前預富集,以及在精煉后重復精煉數次,以獲得更純的鈀產品以及更高的鈀回收率。
在濕法回收工藝中,為了讓貴金屬和載體分離,一般需要將活性組分浸出進入溶液,過濾實現與載體的分離。同時,為了提高浸出效果,減少浸出劑的用量,還需要在浸出之前進行預富集。
1.2.1 預富集方法
失效的鈀催化劑中鈀的含量普遍較低,例如用于 PTA 精對苯二甲酸的鈀催化劑以椰殼炭為載體,鈀含量為 0.5%。而用于精細化工中加氫的鈀催化劑表面吸附有有機物質。需要在浸出之進行預富集,以除去表面的有機物以及減少浸出劑的用量。
貴州廢堿回收告訴您焚燒法適用于處理以碳為載體的廢鈀催化劑。焚燒是使載體炭充分氧化燃燒,生成二氧化碳氣體揮發,焚燒殘渣中大約含有 50%的鈀,雖然焚燒后鈀富集程度較高但是尾氣排放問題較為嚴重,需要重視,國內多采用噴淋吸收技術處理尾氣。焚燒后,部分鈀被氧化為一種難溶于無機酸的氧化鈀,即使王水也很難溶解,氧化鈀的形成會降低鈀的浸出率,所以在焚燒后需要還原操作。還原氧化鈀的方法包括氫氣還原法和液相還原法。譚柯指出,由于氫氣還原法在 600~700℃下操作,還原過程中鈀會吸附大量的氫氣,當鈀暴露在空氣中,氫氣和氧氣發生放熱反應,使鈀的溫度迅速升高,待氫氣耗盡,空氣中的氧會使鈀重新氧化生成氧化鈀,所以宜采用液相還原的方法。液相還原法使用的還原劑主要有水合肼和甲酸。
氧化焙燒法也適用于廢鈀碳催化劑。焙燒主要有兩方面的作用:一是除去廢催化劑中的碳質物,以防止浸出工序中鈀與鹽酸的接觸不充分,并影響其浸出反應速度;另一方面是使廢催化劑中的部分炭氧化揮發,使焙燒產物鈀炭灰中的鈀富集到10%~20%。焙燒時應注意溫度和時間的控制,避免氧化鈀的產生。張曉東等提出,細粉狀的廢料直接燃燒會產生大量黑煙,而加入熟石灰作為成型粘結劑、助燃劑、捕集劑,能夠杜絕黑煙的產生,由于在 OH-的催化作用下,C 與 H2O 產生水煤氣反應,所以熟石灰可以助燃,即降低碳的燃點以及焙燒溫度,經氧化焙燒能有效富集貴金屬。
1.2.2 浸出方法
1) 載體浸出法:包括酸溶和堿溶,但僅適于可溶性的 γ-Al2O3 負載型催化劑。劉公召等用 15%的硫酸溶液浸取經過預處理后的失活催化劑,在100℃下浸取 12 h 后,Al2O3轉化成 Al2(SO4)3進入液相,渣中富集的鈀用王水溶解。在Z優條件下,鈀的回收率達到 97%以上。少量溶解進入溶液中的鈀可以用鋁粉還原回收。堿溶解法通常在高溫加壓下進行,可以用 NaOH 或 KOH 溶解轉化為鋁酸鹽。需要注意的是控制好溶液 pH 值,避免氧化鋁水解形成膠體,這將導致固體和液體分離困難。溶解了鋁的廢溶液可用于制備氧化鋁和聚合鋁酸鹽,實現廢催化劑的綜合利用。
2) 選擇性浸出法:用鹽酸和氧化劑的混合溶液使鈀全部進入溶液與部分雜質分離。常用的氧化劑包括雙氧水、硝酸、氯氣、氯酸鈉等。理論上,體系中需要有氧化電位大于 1.29 V 的氧化劑存在,鈀才能在鹽酸介質中溶解生成氯鈀配合物,氯酸鈉、雙氧水和氯氣的標準氧化還原電位分別為 1.45、1.77 和 1.36 V。李騫等考察了氧化劑種類對鈀浸出率的影響,在其他條件相同的情況下,分別用質量濃度 2.5 g/L 的 H2O2和 NaClO3作氧化浸出時,助浸劑處理氧化焙燒再還原的物料,得出的結論是NaClO3作為氧化助浸劑,鈀的浸出效果更好,適宜條件下,鈀浸出率在 98%以上。經過二段浸出,鈀總回收率在 99%以上;用雙氧水作助浸劑,排放廢氣只有 HCl,比較環保,潘劍明等采用富氧焚燒法處理廢鈀炭催化劑,采用鹽酸-雙氧水溶解鈀,二氯二氨配亞鈀法提純鈀,回收率高達 99.6%以上,回收鈀的純度達 99.98%以上。土耳其研究報道,用 10%鹽酸和 5%雙氧水溶解鈀,能Z有效地從活性炭-PEF 有機基質中提取所有鈀。在 90℃下處理 3 h后,用7% NaBH4在100℃下從浸出液中沉淀出鈀,鈀的回收率大于 98%。
傳統的王水溶解法的浸出率較高,工藝簡單,成本低,但在溶解的過程中會產生 NOx,對環境污染很大,而且需要趕硝,不再是今后的發展方向。
3) 全浸出法:實質上是選擇性浸出和載體浸出2 種方法的結合。張方宇等、李耀威用硫酸、鹽酸的混合酸以及氧化劑,使廢催化劑全部溶解,再用離子交換、溶劑萃取等技術從溶液中提取鉑族金屬,在Z佳條件下,鈀的回收率在 97%以上。但是全浸出后的溶液成分復雜,相互干擾,回收難度大,所以應用有限。
2 鈀的分離及精煉方法
分離、精煉的作用主要是從鈀浸出液中除去雜質,富集鈀(II)或鈀(IV),多次精煉后再將其還原為海綿鈀。
2.1 溶劑萃取法
溶劑萃取包括有機相萃取和雙水相萃取,一般在室溫下的液相中進行。溶劑萃取過程的成功主要取決于選擇合適的萃取劑,目前有多種試劑被進行了大量研究,常以酸性氯化物為介質進行萃取。
有機相萃取是指使溶液中的鈀與有機溶劑形成絡合物或螯合物富集在有機相中,分離后,進行反萃,得到富鈀的反萃液。有機萃取劑可分為中性、酸性、螯合等。中性萃取劑在水中呈中性,在貴金屬提取和分離方面占有重要地位,如硫醚、亞砜、烷基氧化膦、磷酸酯等。通常對于有機磷基萃取劑,金屬離子的萃取性按以下順序增加:有機磷酸酯<有機膦酸酯<有機磷氧化物。文獻報道了在含鈀量為 150 mg/L 的浸出液中,用低濃度的磷酸三丁酯(TBP)-煤油選擇性萃取鈀,獲得 99.9%的萃取率,再用硫脲和鹽酸的混合溶液反萃,獲得了99.8%的反萃率,得到的溶液中鈀的濃度為原始的18.8 倍。酸性萃取劑包括羧酸和酸性含磷、硫萃取劑等,在萃取時損失嚴重,選擇性不好。胺類萃取劑,包括伯胺、仲胺、叔胺、季銨鹽和酰胺。它們對鈀的萃取速度快、能力強,選擇性好,但是很難反萃。一個從廢棄氧化鋁基鈀催化劑中回收鈀的實驗表明,硫代酰胺(MCHTA)和硫二甘醇酰胺(DMDC TDGA)衍生物可以有效地從鹽酸-雙氧水浸出體系中萃取鈀,用硫脲反萃約 30 min,Z佳條件下鈀萃取率均大于 99.5%。螯合萃取劑包括肟類萃取劑和酮類萃取劑等,選擇性好,萃取能力強,但是速度慢。
然而有機相萃取法有污染環境、對人體有害、運行成本高、工藝復雜等缺點。雙水相萃取技術因其具有操作條件溫和、處理量大、易于連續操作等優點日益受到重視。其原理同有機物萃取相似,都是依據物質在兩相間的選擇性分配,利用物質進入雙水相體系之后分子間的范德華力、疏水作用、分子間的氫鍵、分子與分子之間電荷的作用,目標物質在上、下相中的濃度不同,達到分離的目的。
高云濤等研究了鈀碘絡合物在丙醇-硫酸銨雙水相萃取體系中的分配行為,在鹽酸介質中,碘化銨存在下,鈀離子形成離子締合物[PdI42-·(PrOH2+)2]而被萃入丙醇相,在Z佳萃取條件下,鈀(II)的萃取率可達 99.2%。氧化鋁基廢鈀催化劑以及廢鈀碳催化劑均可用這種方法處理。
各類萃取劑都有其特點,生產中應根據生產條件和要求正確選用。因為溶劑萃取具有高選擇性,這種方法適用于低品位廢料以及多元催化劑中鈀的分離富集。
2.2 沉淀法
往浸出液中加入過量的沉淀劑,使鈀形成難溶化合物,與微量及常量雜質分離。根據采用的沉淀劑種類不同,可分為無機沉淀法和有機沉淀法。主要的沉淀法有:硫化物沉淀法、硫脲沉淀法、黃藥沉淀法、丁二酮肟沉淀法、氯化銨沉淀法等。常用的方法有氯化銨沉淀法,生成氯鈀酸銨紅色沉淀,然后用氨水絡合-酸化生成二氯二氨絡亞鈀黃色結晶沉淀,實現鈀的提純:
H2PdCl6+2NH4Cl→(NH4)2PdCl6↓+2HCl (1)
(NH4)2PdCl6 +H2O→(NH4)2PdCl4+2HCl+HClO (2)
H2PdCl4+6NH3H2O→ Pd(NH3)4Cl2+2NH4Cl+6H2O (3)
Pd (NH3)4Cl4+2HCl→Pd(NH3)2Cl2↓+2NH4 (4)
賀小塘等提出了用氯化銨沉淀、氨水絡合法從廢鈀碳催化劑中回收鈀,獲得純度為 99.95%海綿鈀,平均總收率達 99.94%。氯化銨沉淀使鈀和焙燒渣中大量的賤金屬雜質(鐵、鎳、銅、鋁等)有效分離,賤金屬進入沉鈀母液中,在鈀的精煉后續工段氨水溶解紅色濾餅時,賤金屬水解產物濾餅中吸附、夾帶的鈀量少,大大提高了鈀的回收率,并且過濾速度快,與傳統的氨水絡合法相比,能縮短生產周期 2~3 天。
2.3 金屬置換法
溶解于溶液中的鈀很容易被賤金屬置換出來,起到富集、初步提純的作用,得到粗鈀渣。鋅、鎂、鋁、鐵常被用作置換劑。金屬置換法有著反應迅速、設備簡單、置換率高的優點,缺點是還原出來的沉淀物常被置換劑污染。在劉銘笏等提出的工藝中,失效的鈀碳催化劑經過焙燒、王水浸煮、趕硝過濾后,用鋅鎂粉置換得到海綿鈀,并用稀酸處理以分離賤金屬,回收率達 99.8%。
2.4 離子交換法
離子交換反應是利用離子交換劑與電解質溶液的化學位差而引起的離子交換過程。含有高濃度的反離子 A 的離子交換劑在與電解質溶液接觸時,A向低濃度區擴散,導致離子交換劑電中性破壞,得到附加電荷。為了抵消所得電荷,就得從溶液中吸附當量的此電荷的離子,來占據因反離子離開而游離的活性基團。離子交換技術常用于處理催化劑“全溶”的溶液,由于鉑族金屬在氯化物溶液中易形成[MClk]n-的穩定配合物,因此通常采用陰離子交換樹脂吸附貴金屬絡合離子,一些螯合樹脂也對貴金屬離子有較好的親和力。吸附了貴金屬的樹脂常通過洗脫法富集貴金屬,解析液通常采用硫脲溶液,高氯酸以及氨水。
采用浸出-離子交換法從汽車廢催化劑中回收鈀的過程為,全溶或選擇性溶解后,將浸出液通過陰離子交換樹脂柱如 IRA-93,樹脂經稀酸洗滌淋洗后再用 NH3 溶液解吸,分離多種貴金屬。陳坤研究報導了以雙氧水-鹽酸混合溶液浸出廢催化劑中鈀,使用 717 陰離子交換樹脂脫出氯鈀酸,再用氫氧化鈉調節質量分數為 2.0%的氯化銨溶液pH=8~9,洗脫荷載樹脂,經傳統的氨水絡合精制方法能獲得質量分數不低于 99.9%的海綿鈀,單程總回收率為 90.2%。
2.5 吸附法
吸附法的關鍵是選擇具有特殊吸附能力的吸附劑,從溶液中吸附的方法主要有活性炭吸附和生物質吸附。
活性炭的性質根據其活化條件不同有很大的差異。例如 Dim116 活性炭是用氨氣于 400℃下活化的,具有以肟基為主的官能團,對溶液中的鈀離子有強烈的吸附作用[40],用 Dim116 活性炭吸附氯化液,經過兩級吸附后鈀的吸附率達到 94%,將載鈀炭用 NaOH 和 NaCN 混合溶液解吸,解吸率為94.8%[41]?;钚蕴坷w維(ACF)在 20 世紀 70 年代得到開發,是一種新型高效活性吸附材料。ACF 孔隙結構不同于傳統活性炭,其微孔孔徑很窄,具有分子篩的性質。李凌凱等[42]的實驗結果表明活性炭纖維對鈀離子溶液的吸附率可達 98%以上。
貴州廢堿回收告訴您生物質吸附是通過金屬離子與細胞表面上存在的官能團如羧酸鹽,磷酸鹽和氨基之間的物理-化學相互作用吸附和富集離子。由于微生物吸附資源豐富及價格低廉,十分具有發展潛力。文獻報道了使用可溶性單寧交聯紫薇葉粉從模擬廢汽車催化劑的酸性浸出液中回收鈀。紫薇葉經過細磨、稀硫酸溶液中甲醛處理、洗滌、干燥,成為含有交聯的可溶性單寧的 TLS 生物吸附劑。在 pH 為 2 的鹽酸或硝酸浸出液中含有 100 mg/L 的鈀(II),加入 4 g/L的上述吸附劑,在 303 K 溫度下攪拌 6 h,用硫脲洗脫可獲得 97%以上的回收率。而且可以循環使用,使用 10 次吸附率從 99%到 91%,回收率依然每次都大于 97%。能有效吸附溶液中鈀(II)的生物質還有殼聚糖[45]、地衣芽孢桿菌[46]等。劉新星等研究了大腸桿菌對鈀離子的吸附機理,實驗表明吸附作用與菌體和鈀離子的靜電作用有關,細菌表面的氨基、羧基起吸附作用,涉及表面絡合機制,并且吸附過程存在還原反應,菌體體內有納米鈀顆粒生成。劉
月英等對于地衣芽孢桿菌[46]、啤酒酵母菌做的研究試驗也發現在吸附溶液中鈀(II)的過程中還伴隨有鈀(II)的還原。這些生物質有可能作為生物還原劑來制備高分散度負載型的鈀催化劑,為未來更綠色環保的催化劑生產和回收提供可能。
其他方法還包括分子識別法、固相萃取法、液膜法等。溶劑萃取法、沉淀法、金屬置換法是 3種傳統的分離富集方法,而其他的方法是不斷發展起來的新技術。
3 海綿鈀的制備方法
在不同的富集之后通常都會進行氨水絡合-酸化沉鈀精煉,再還原得到海綿鈀。常用的液相還原主要有水合肼、甲酸。水合肼還原的反應為:
2Pd(NH3)2Cl2+N2H4·H2O→ 2Pd↓+4NH4Cl+N2↑+H2O (5)
甲酸還原的反應為:
Pd(NH3)4Cl2 +2HCOOH→ Pd↓+2NH3↑+CO2↑+2NH4Cl (6)
由于用水合肼還原二氯二氨鈀得到的鈀粉顆粒很細,很容易被氧化變黑,就是通常所說的鈀黑,從而影響產品純度,為了避免這種現象,通常將水合肼還原得到的鈀粉再經過氫還原來保證鈀粉的純度。潘劍明等直接對鈀鹽灼燒后進行氫還原,不僅得到純度更高的鈀粉,而且可以減少水合肼和廢水量;近幾年來,水合肼還原二氯四氨鈀法在工業實踐中得到了廣泛的應用。
4 展望
從國內外近幾年的研究看來,從廢鈀催化劑中回收鈀Z為廣泛的方法還是濕法工藝。隨著對環保的愈加重視,用鹽酸-雙氧水、鹽酸-氯酸鈉等溶液代替王水已成為主流趨勢。分離精煉方面,應用了許多新方法,例如,雙水相萃取法和生物吸附法,但是傳統方法具有成本和技術成熟的優勢,仍有不可替代的地位。筆者認為,未來生物吸附法可能成為研究的熱點,在尋找更多可利用生物質、吸附機理、納米鈀生成的現象和制備生物質載體鈀催化劑等方面需要更多的研究,而其成本低廉、綠色環保、高循環利用率等特點是未來發展的趨勢,溶解和分離精煉方法的有機結合,是工藝創新的發展方向。
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