Rare Metals 北京科技大学张深根：铁捕集铝基废催化剂的渣型设计及优化

发布时间：2023-04-28收藏本文关闭本文

铁捕集铝基废催化剂的渣型设计及优化

何学峰，殷喜平，丁云集*，史志胜，赵保槐，郑环东，菅金鑫，张深根*，Chein-Chi Chang

北京科技大学新材料技术研究院金属材料循环利用中心

北京科技大学顺德创新学院

中石化催化剂公司工程技术研究院

美国华盛顿特区给排水管理局

【文献链接】

He, XF., Yin, XP., Ding, YJ. et al. Slag design and optimization for iron capturing platinum group metals from alumina-based spent catalysts. Rare Met. (2023).

https://doi.org/10.1007/s12598-023-02262-8

【背景介绍】

石化催化剂是铂族金属（PGMs）最重要的用途之一，主要以Al2O3为载体，PGMs含量0.1-2wt.%，具有极高的经济价值。石化废催化剂湿法浸出回收率低，废水量大、环境污染严重。铜铅镍火法捕集重金属污染严重，等离子体铁捕集因温度高形成硅铁合金致回收率低。北京科技大学张深根教授课题组在Rare Metals上提出了一种铁捕集PGMs的方法，设计了CaO-Al2O3-Na2O-B2O3高铝无硅渣系，采用FactSage软件对渣相成分进行了优化，揭示了渣相成分对液相区的影响规律，实现了1400-1500°C温度下铁捕集PGMs，从源头上避免了硅铁合金的形成，PGMs回收效率大于99%。研究结果为铝基废催化剂中铂族金属的绿色高效回收提供了新思路，有望工业化应用。

【原文摘要】

石化催化剂是铂族金属（PGMs）的最重要的消耗领域之一，因此从废石化催化剂中回收PGMs具有很高经济价值。传统的石化催化剂回收方法主要通过湿法浸出，但PGMs回收率低，废水量大，环境负担重。针对上述问题，本文提出了一种基于CaO-Al2O3-Na2O渣系的铁捕集PGMs方法。该方法避免了Fe-Si合金的生成，实现了PGMs高效富集。对熔滴受力分析可知降低渣相密度和黏度可提高PGMs回收率。通过FactSage软件对渣相成分进行优化，揭示了B2O3对CaO-Al2O3-Na2O-B2O3相图1400°C液相区的影响。优化的铁捕集PGMs工艺条件为：碱度为1.0，20 wt% Na2O，15 wt% B2O3，15 wt% Fe，3 wt% C，温度为1400-1500°C，PGMs的回收率大于99%。通过热力学模型揭示了铁捕集PGMs机制，由于合金和渣相的化学键不同，二者不能成键，实现合金和渣相高效分离。PGMs颗粒和铁微球具有很大的表面吉布斯自由能，PGMs颗粒和铁微球相互碰撞和融合减少表面积，降低体系的吉布斯自由能。

【文章亮点】

1.揭示了B2O3对CaO-Al2O3-Na2O-B2O3相图1400℃液相线的影响，分析了碱度、Na2O、B2O3对渣相熔点、粘度、密度的影响规律；

2.针对铝基废催化剂，设计了CaO-Al2O3-Na2O-B2O3无硅渣型，PGMs回收率大于99%；

3.通过热力学模型揭示了铁捕集PGMs机制。

【内容简介】

日前，北京科技大学新材料技术研究院张深根教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Slag design and optimization for iron capturing platinum group metals from alumina-based spent catalysts”的研究文章，针对铝基废催化剂，设计了CaO-Al2O3-Na2O-B2O3渣型，实现了PGMs的高效回收。

通过构建熔滴受力模型，计算了渣相的密度、黏度和熔滴直径是影响铁捕集的关键因素，明确了提高捕集率需降低渣相密度和黏度。采用FactSage软件计算了CaO-Al2O3-Na2O-B2O3相图，阐明铝基废催化剂载体与渣型设计的关系，分析了碱度、Na2O、B2O3等对渣相熔点、黏度、密度的影响规律。在优化的条件下，熔渣中Pt、Pd品位分别为5.0 g/t和3.4 g/t，PGMs回收率超过99%。

(资料来源：)