Особенности выделения металлов платиновой группы из солянокислых растворов

"Научный аспект №5-2024" - Химия

УДК 669:546.9/66.046.8

Морозова Виктория Валерьевна – магистрант Тольяттинского государственного университета.

Аннотация: Самая сложная стадия в технологии переработки вторичного сырья – извлечение ценных компонентов из насыщенных растворов. Одним из распространенных методов является цементация. Основными преимуществами процесса являются малая длительность процесса, и возможность за одну стадию получить продукт, содержащий целевые компоненты в металлической форме.

Ключевые слова: металлы платиновой группы, солянокислое выщелачивание, цементация, каталитические нейтрализаторы, алюминий, палладий, платина, родий.

Введение

В ранее проведенных автором исследованиях [2] показано, что на данный момент солянокислое выщелачивание в присутствии окислителя является самым безопасным методом извлечения металлов платиновой группы (МПГ) из вторичного сырья. Механизм процесса цементации МПГ из насыщенных солянокислых растворов сложен, и до конца не изучен [1]. Совершенствование процесса следует направить на разработку возможности использования дешевых цементирующих агентов, снижение их расходов, и получение более чистых целевых осадков. В пользу выбора алюминия в качестве агента для цементации свидетельствуют результаты проведенных поисковых исследований по восстановлению МПГ из солянокислых растворов [3]. Наиболее часто используемыми осадителями в гидрометаллургии благородных металлов являются – железо, медь и цинк [7]. Медь – это цветной металл, с большим спросом и высокой себестоимостью, что делает его применение нецелесообразным в роли цементирующего агента. Применение цинка и железа также нецелесообразно, т.к. происходит их накопление в производственных растворах [5].

В данной работе проведены исследования по осаждению металлов платиновой группы из солянокислых растворов сложного состава алюминием. Установлено, что проведение процесса в оптимально подобранных условиях: цементирующий агент в виде стружки; температура начала процесса 50 - 70 °С; продолжительность – 60 минут; расход цементирующего агента в зависимости от концентрации МПГ в маточном растворе (15 – 15,5 г / 1 г МПГ) позволяет извлекать в твердый осадок > 99% драгоценных металлов до остаточной их концентрации в растворе < 15 мг/дм³. Выявлены оптимальные условия очистки полученного концентрата МПГ от вредных примесей и частично от неблагородных металлов: 40 % NaOH, Т:Ж = 1:60, t - 90 – 100 °С, продолжительность – 1,5 часа при постоянном перемешивании. Полученный концентрат после дополнительной стадии очистки содержит: 28-30 % палладия, 14 – 15 % платины, <5 % родия и является товарным продуктом.

Методика проведения исследований

В исследованиях использовали растворы, полученные при выщелачивании автомобильных катализаторов в лабораторных условиях. Анализ исходного и отработанного растворов, а также полученного концентрата на содержание МПГ и примесей проводили на спектрометре эмиссионном с ИСП 6300 Duo, (Thermо Fisher Scientific, Великобритания), измерение температуры осуществляли электронным термометром LTA-М (Termex, Россия).

Так как порошок алюминия является дорогостоящим реагентом, исследовалась возможность его замены на другую форму алюминия [8]. Порошок алюминия содержит в себе 98 % Al, алюминиевый пруток – 100 %. Алюминиевый пруток имеет низкую себестоимость и степень пыления [6]. В исследованиях был использован алюминиевый пруток, измельченный в стружку на молотковой дробилке.

Лабораторные исследования проводили на магнитной мешалке с регулируемым нагревом, в конической колбе с установленным на горловине дефлегматором (во избежание улетучивания паров HCl). Раствор предварительно нагревали до определенной температуры, далее при постоянном перемешивании порционно загружали цементирующий агент. Через заданные промежутки времени отбирали из установки раствор и анализировали его на содержание металлов. Далее раствор был подвергнут центрифугированию, осадок промыт деионизированной водой. С целью очистки порошок концентрата подвергали отмывке в растворе NaOH, последующей промывке деионизированной водой до нейтрального значения рН, полученный осадок (концентрат) прокаливали в муфельной печи при температуре 500 - 600 °С в течение 1 часа. После определенной пробоподготовки, концентрат анализировали. В качестве цементирующего агента были исследованы стружка и тонкодисперсный порошок алюминия сравнительная характеристика которых указана в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика, изучаемых цементирующих агентов.

Результаты

Обнаружено, что тонкодисперсный порошок алюминия в роли цементирующего агента обладает значительно меньшей реакционной способностью, нежели стружка. Видимо это обусловлено тем, что алюминиевый порошок имеет сферическую форму частиц и имеет более низкую удельную поверхность, чем стружка (Таблица 2).

Таблица 2. Соотношение количества извлеченных МПГ и расхода алюминия.

Из таблицы 2 следует, что концентрат, полученный при цементации стружкой более чистый (вес меньше, количество МПГ больше). Выход МПГ выше, чем при цементации порошком. Расход алюминия при цементации стружкой ниже на 20 %.

Одним из ключевых технологических параметров процесса цементации является температура раствора в начале процесса. Исследование влияния данного показателя на степень извлечения МПГ и содержание загрязнителей в концентрате представлено на рис. 1.

Рисунок 1. Графическая зависимость содержания элементов от температуры раствора в начале процесса.

Из данных, приведенных на рис. 1, следует, что максимальный выход продуктов цементации наблюдается при начальной температуре процесса 50 – 70 °С. При меньшей начальной температуре процесс цементации проходит не полностью, МПГ выделяются в виде мелкодисперсного порошка, который в значительной степени оседает на стенках центрифужной пробирки, что приводит к потерям МПГ. При температуре выше 75 °С частицы становятся мелкодисперсными, что приводит к значительным потерям при их извлечении из раствора, температура процесса цементации не меняется, при этом возрастает расход цементирующего агента – алюминия. В тоже время при увеличении начальной температуры процесса цементации возрастает массовая доля целевых компонентов в осадке, также, как и загрязнителей. Наибольшее значение степени извлечения ценных компонентов наблюдается при начальной температуре процесса 70 °С. Для подтверждения проведены повторные эксперименты, в одном из которых цементирующий агент добавлялся в два этапа, а в другом – сразу весь. Осадок при введении сразу всего цементирующего агента получается крупнее, что упрощает процесс отделения осадка от раствора.

На основании проведенных испытаний выбраны оптимальные условия процесса цементации: цементирующий агент в виде стружки (вводится сразу весь); температура начала процесса 50 - 70 °С; продолжительность – 60 минут; расход цементирующего агента в зависимости от концентрации МПГ в маточном растворе (15 – 15,5 г / 1 г МПГ).

Как показали опытные данные, восстановленный концентрат МПГ требует проведения дополнительной операции очистки от примесей. Из рисунка 1 видно, что основными примесями полученного концентрата являются алюминий, свинец, фосфор и сера. С целью очистки, порошок концентрата подвергали отмывке в растворе NaOH, последующей промывке деионизированной водой до нейтрального значения рН и обжигу при температуре 500-600 °С в течение 1 часа.

На основании проведенных исследований выбраны оптимальные условия процесса очистки: концентрация NaOH - 40 %, соотношение Т:Ж = 1:60, температура процесса отмывки - 90 – 100 °С, продолжительность – 1,5 часа при постоянном перемешивании. В таблице 3 представлены результаты спектрального анализа полученных после очистки порошков концентрата МПГ.

Таблица 3. Массовая доля компонента в порошке концентрата МПГ.

Очевидно, что по химическому составу полученный концентрат после дополнительной стадии очистки является товарным продуктом.

Список литературы

1. Александрова Т. Н., О’Коннор С. Переработка платинометалльных руд в России и Южной Африке: состояние и перспективы // Записки Горного института. Том 244, 2020. С. 462-473.
2. Гречук А. А., Морозов А. Б., Морозова В. В. Технология переработки дезактивированных автомобильных катализаторов // Актуальные вопросы современных научных исследований : сборник статей V Международной научно-практической конференции. Пенза: Наука и Просвещение, 2023. С. 23-28.
3. Коновалов, М. В. Поиск рационального варианта переработки автомобильных катализаторов на металлической основе // Молодой ученый. 2021. № 23 (365). С. 40-42.
4. Курков А. В., Ануфриева С. И., Соколова В. Н., Мамошин М. Ю., Лихникевич Е. Г., Пермякова Н. А. Информационно-аналитические материалы: Мировые достижения развития методов, техники и технологий переработки минерального сырья. Серия: Гидрометаллургическая и геотехнологическая переработка минерального сырья // М.: Изд-во ВИМС, 2020. 30 с.
5. Harjanto S., Cao Y., Shibayama A., Naitoh I., Nanami T., Kasahara K., Okumura Y., Liu K., Fujita T. Leaching of Pt, Pd and Rh from Automotive Catalyst Residue in Various Chloride Based Solutions // MATERIALS TRANSACTIONS, 2006. P. 129-135.
6. Rumpold R., Antrekowitsch J. Recycling of platinum group metals from automotive catalysts by an acidic leaching process // The Southern African Institute of Mining and Metallurgy Platinum, 2012. P. 695-714.
7. Yoakumis I., Panou M., Moschova A., Moschova M., Panias D. Recovery of platinum group metals from spent automotive catalysts: A review // Cleaner Engineering and Technology, 2021. P. 1-11.
8. Yousif A. M. Recovery and Then Individual Separation of Platinum, Palladium, and Rhodium from Spent Car Catalytic Converters Using Hydrometallurgical Technique followed by Successive Precipitation Methods // Hindawi Journal of Chemistry, 2019. P. 1-7.