Поиск рационального варианта выделения платиновых металлов из отработанных автомобильных катализаторов

В работе рассмотрена и обоснована актуальность переработки автомобильных катализаторов как вторичного сырья, проведен сравнительный анализ существующих в настоящее время технологий по их переработке и выбрана принципиальная технологическая схема получения концентрата металлов платиновой группы (МПГ).

Ключевые слова: автомобильные катализаторы, переработка, металлы платиновой группы, концентрат

Каталитические преобразователи или автомобильные катализаторы были введены в эксплуатацию в 1975 году. Это устройства, которые находятся в выхлопной системе каждого современного автомобиля. В процессе их работы происходят химические реакции, которые нейтрализуют опасные для человека и окружающей среды продукты горения топлива:

CO + O ₂ = CO ₂

C _x H _y + O ₂ = CO ₂ + H ₂ O

Основным типом конструкции автомобильных катализаторов являются «сотовые» структуры или, реже, конструкция типа «керамические бусины», которые позволяют обеспечить контакт отходящих выхлопных газов с максимальной площадью поверхности катализатора. Наиболее часто «соты» в катализаторах изготавливаются из керамики на основе оксида алюминия, внутренняя поверхность которых покрыта металлическим катализатором, представляющим собой смесь платины, палладия и родия. [2] Суммарное содержание МПГ в катализаторах составляет около 0,2 %.

Именно из-за наличия таких металлов как Pt, Pd, Rh отработанные катализаторы представляют большой интерес с точки зрения переработки вторичного сырья. Стоимость катализаторов, вышедших из употребления, в зависимости от марки автомобиля колеблется от 2 до 45 тысяч рублей за килограмм.

Основными отраслями, в которых используют платину и палладий, являются автомобилестроение, электроника и ювелирная отрасль. Самым ценным металлом в отработанных катализаторах является родий. Это один из самых редких металлов, мировая добыча которого составляет менее 30 тонн в год. Поэтому сейчас стоимость родия составляет около 36 тысяч рублей за один грамм. Основными потребителями родия является ювелирная и автомобильная отрасль.

Существует множество способов переработки автомобильных катализаторов, общая цель которых — максимально полное извлечение из них металлов платиновой группы. Все эти методы можно разделить на три группы: гидрометаллургические, гидро-пирометаллургические и комбинированные.

Гидрометаллургические методы предполагают дробление катализаторов и последующее выщелачивание их в различных реагентах. При этом, в зависимости от типа используемого реагента, в раствор переводят либо компоненты основы катализатора, а благородные металлы при этом преимущественно остаются в кеке, либо растворяют металлы платиновой группы, отделяя их таким образом от керамики.

Комбинированные или пиро-гидрометаллургические способы переработки автомобильных катализаторов классифицируют по величине температурного воздействия.

Первая группа способов предполагает использование обжига материала при температуре 400–550º С для удаления органики и продуктов горения топлива. Обжиг, например, применяют для повышения эффективности процесса при переработке катализаторов методом хлорирования.

Вторая группа способов предусматривает спекание исходного катализатора при температуре 900–950º С в присутствии различных реагентов (чаще всего гидроксида щелочного металла) в восстановительной атмосфере с целью перевода алюминия, который в виде оксида входит в состав основы катализатора, в растворимую форму алюмината натрия. Затем проводят щелочное или водное выщелачивание спека и получают концентрат платиновых металлов, который направляют в гидрометаллургическую ветку с целью более глубокого обогащения. [5]

Третья группа включает различные варианты плавки катализаторов на коллектор. Эти способы обеспечивают большее суммарное извлечение платиновых металлов в конечный продукт за счет дополнительной переработки шлаков по сравнению с другими способами переработки автомобильных катализаторов.

Сравнение эффективности технологий по переработке отработанных автомобильных катализаторов в зависимости от извлечения представлено в таблице 1.

Таблица 1

Сравнение эффективности способов переработки катализаторов

Поскольку главной целью переработки платиносодержащих катализаторов является максимально полное извлечение из них металлов платиновой группы, для переработки этого вида сырья наиболее целесообразно применение именно пирометаллургических методов, предполагающих плавку исходного материала на коллектор.

Предлагаемая принципиальная схема по переработке катализаторов представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема переработки отработанных катализаторов

Автомобильные катализаторы измельчаются, усредняются и проходят процесс классификации, после чего направляются на плавку на металлический коллектор. В процессе плавки компоненты катализатора, в частности, керамика и алюминий переходит в шлак, в то время как металлы платиновой группы накапливаются в металлическом коллекторе. По окончании плавки мы получаем высокоуглеродистый сплав системы C-Ме-Si, с содержанием МПГ около 5 % (таблица 1). В качестве дальнейших исследований необходимо выбрать принципиальный метод гидрометаллургической переработки полученного сплава.

Таблица 1

Содержание основных компонентов в сплаве на основе железа

* Анализ выполнен методом РФА и не учитывает наличие углерода.

Литература:

1. Ю. А. Котляр, М. А. Меретуков. Л. С. Стрижко «Металлургия благородных металлов» Часть 2.
2. Электронный ресурс «Устройство автомобильного катализатора» режим доступа: http://gsavto.ru/ustroystvo-katalizatora
3. Патент РФ «Способ переработки отработанных катализаторов, содержащих металлы платиновой группы», номер RU 2 138 568
4. Патент РФ «Способ извлечения металлов платиновой группы» RU 2 360 984
5. Патент США «Процесс восстановления металлов платиновой группы», номер US5252305 (A)