RU2770393C1

RU2770393C1 - Способ подбора состава шлака для извлечения металлов платиновой группы из отработанного катализатора с помощью железа в качестве коллектора

Info

Publication number: RU2770393C1
Application number: RU2021121092A
Authority: RU
Inventors: Шэнъэнь ЧЖАН; Юньцзи ДИН
Original assignee: Юниверсити Оф Сайенс Энд Текнолоджи Бейджинг
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-04-15
Also published as: CN111893314A; JP2022522099A; WO2021179847A1; EP3907305A4; JP7080535B2; CN111893314B; EP3907305A1; ZA202105070B

Abstract

Изобретение относится к технической сфере переработки металлов платиновой группы. Проводят извлечение металлов платиновой группы из отработанного катализатора на носителе из кордиерита, оксида алюминия, цеолита и оксида кремния с помощью железа в качестве коллектора. Предварительно проводят подбор состава шлака для извлечения металлов платиновой группы из упомянутого катализатора. В зависимости от типа носителя отработанного катализатора выбирают по меньшей мере один шлакообразующий компонент из группы, содержащей оксид кальция, буру, карбонат натрия, шлак нержавеющей стали, летучую и донную золу от сжигания отходов, стеклобой, фторид кальция, кварц, при этом массовое отношение отработанного катализатора и шлакообразующего компонента составляет от 1:0,4 до 1:1,5. С использованием программного обеспечения по термодинамике моделируют и рассчитывают целевой фазовый состав шлака, при этом состав шлака проверяют и оптимизируют для высокоэффективного улавливания металлов платиновой группы. После подбора состава шлака коллектор, отработанный катализатор и шлакообразующий компонент смешивают в подобранных пропорциях и помещают в плавильную печь, которую предварительно прогревают 10-30 мин, а затем начинают повышать температуру для плавления, после завершения реакции расплав оставляют в спокойном состоянии, чтобы он полностью уловил металл платиновой группы и осел на дно, шлак отделяют от металла, чтобы получить ферросплав, обогащенный металлами платиновой группы, и шлаковый расплав. Способ позволяет повысить эффективность разделения шлака и железа, снизить содержание металлов платиновой группы в шлаке и обеспечить эффективное извлечение металлов платиновой группы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 11 пр.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к технической сфере переработки металлов платиновой группы, а именно к способу подбора состава шлака для извлечения металлов платиновой группы из отработанных катализаторов с использованием железа в качестве коллектора.

Уровень техники

Китай имеет крайне скудные запасы металлов платиновой группы, объем добычи необогащенной руды составляет всего 2-3 тонны, в то время как объем потребления достигает 150 тонн. Китай - крупнейший в мире потребитель металлов платиновой группы с сильным несоответствием между спросом и предложением. Отработанный катализатор -самый важный вторичный ресурс для получения металлов платиновой группы, и его переработка позволит эффективно снизить дефицит платиновых металлов в Китае, в связи с чем сегодня это важный предмет исследований.

Китайский патент на изобретение (номер заявки 201810185054.8) описывает способ использования оксида железа в качестве коллектора для извлечения драгоценного металла платины из автомобильных отработанных катализаторов с использованием шлаковой системы из пяти элементов FeO, СаО, Al₂O₃, MgO, SiO₂, температура плавления составляет до 1600-2000°С. Этот способ обеспечивает содержание платины в шлаке 5-15 г/т и высокую степень извлечения (>99%), однако неоптимальный подбор состава шлака приводит к высокой температуре плавления в шлаковой фазе, большой вязкости, высокой температуре, необходимой для плавления, образованию ферросилиция, что влечет за собой большое потребление энергии, высокие требования к огнеупорным материалам и увеличению затрат на производство. Китайский патент на изобретение (номер заявки 201610883402.Х) описывает использование железного порошка в качестве коллектора, в этом случае извлечение металлов платиновой группы из отработанных автомобильных катализаторов возможно только путем добавления шлакообразующего компонента оксида кальция, используя плазменную печь для плавления при температуре 1500-1800°С; этот способ имеет такие преимущества, как небольшое количество шлака, высокая степень извлечения платины и палладия (>99%), но коэффициент извлечения родия низкий (около 90%). Однако, неоптимальный подбор состава шлака приводит к высокой температуре плавления, трудностям в получении ферросилиция, а такое дорогостоящее оборудование, как плазменная печь, влечет за собой высокие эксплуатационные расходы. Китайский патент на изобретение (номер заявки 201310005494.8) описывает способ переработки отработанного катализатора на носителях из оксида алюминия с использованием железа и меди в качестве коллектора, при этом шлакообразующим компонентом является только натриевая соль, а коэффициент извлечения металла платиновой группы выше 98%. Но только добавлением натриевой соли для образования шлака на самом деле трудно достичь вышеуказанного эффекта, шлаковая фаза имеет высокую температуру плавления, а натриевая соль при высоких температурах быстро улетучивается. Китайский патент на изобретение (номер заявки 201611141140.6) описывает способ извлечения драгоценных металлов с использованием железного материала в качестве коллектора; в этом случае шлакообразующим компонентом является любой один из следующих компонентов или любая комбинация из двух или более компонентов: оксид кальция, кремнезем, фтористый кальций, оксид алюминия, окись магния, карбонат натрия и бура, которые являются высокоэффективными коллекторами платиновых металлов, но этот способ не дает конкретного состава шлака и интервала между фазовым составом шлака.

Процесс извлечения плавлением с использованием железного порошка в качестве коллектора для извлечения платиновых металлов в основном включает в себя плавление железа, металлов платиновой группы и шлаковый расплав, улавливание платины с использованием железа и осаждения Fe-PGM, причем в процессе осаждения Fe-PGM непрерывно продолжается сбор и извлечение металлов платиновой группы. Поэтому степень излучения металлов платиновой группы зависит от содержания Fe-PGM в шлаке. Для повышения степени излучения металлов платиновой группы необходимо снизить их содержание в шлаковой фазе и повысить эффективность подбора состава шлака.

Раскрытие сущности изобретения

В ответ на вышеуказанные технические проблемы настоящее изобретение обеспечивает способ подбора состава шлака для извлечения металлов платиновой группы из отработанных катализаторов с использованием железа в качестве коллектора; цель изобретения заключается в том, чтобы в соответствии с этим способом подобрать эффективный состав шлака, который позволит снизить экспериментальную рабочую нагрузку, сократить срок исследований и разработок и при этом действовать быстро, точно и эффективно; в то же время изобретение обеспечивает технологию подбора состава шлака отработанного катализатора на носителе из кордиерита, глинозема, цеолита и кремнезема с содержанием металлов платиновой группы, получить низкую температуру плавления в шлаковой фазе, шлак низкой вязкости и плотности, повысить эффективность разделения шлака и железа, снизить содержание металлов платиновой группы в шлаке для высокоэффективного и малозатратного извлечения металлов платиновой группы.

В настоящем изобретении используются следующие технические решения:

Способ подбора состава шлака для извлечения металлов платиновой группы из отработанного катализатора с помощью железа в качестве коллектора характеризуется тем, что этот способ включает в себя:

S1 Путем анализа траектории движения капель железа в шлаковом расплаве можно получить зависимость между скоростью осаждения капель железа, движущихся с постоянной скоростью, диаметром капель железа, вязкостью и плотностью шлаковой фазы. В зависимости от минимальных размеров и скорости осаждения на момент, когда капли железа полностью осели, можно определить диапазон вязкости и плотности шлаковой фазы.

S2 В зависимости от типа носителя отработанного катализатора выбирают тип шлакообразующего компонента, уточняют состав элементов шлаковой фазы, выбирают соответствующий диапазон температур плавления, моделируют и рассчитывают нужный фазовый состав шлака с использованием программного обеспечения по термодинамике.

S3 В зависимости от нужного фазового состава шлака, определенного путем моделирования и носителя отработанного катализатора добавляется шлакообразующий компонент для подбора фазового состава шлака, состав шлака отработанного катализатора проверяется и оптимизируется для высокоэффективного улавливания металлов платиновой группы.

Далее выполняется шаг S1 следующим образом:

(1) Определяют, что минимальный размер капель железа d не превышает 20 мкм; минимальный размер капель железа d - это максимальный размер неосевших капель железа в шлаковом расплаве; процесс определения минимального размера капель железа выполняется следующим образом: на основании существующих экспериментальных данных устанавливается эмпирическая зависимость между коэффициентом извлечения металлов платиновой группы и диаметром d капель железа; если минимальный размер капель железа не превышает 20 мкм, степень извлечения металлов платиновой группы не ниже 99%;

(2) Определение минимальной скорости осаждения капель железа на основе эффективности плавки v:

Поскольку в процессе осаждения капель железа преобладает движение с постоянной скоростью, смещение капель в движении примерно пропорционально времени осаждения,

L=vt

где: L - смещение при движении капель железа (м) можно получить путем измерения, t время осаждения после плавки железа (с);

На основе эффективности плавки контролируют время плавления, то есть время осаждения после расплава железа t; определяют минимальную скорость осаждения капель железа v не менее 1,0×10^-5 м/с, где эффективность плавки представляет собой массу отработанного катализатора в единицу времени, одновременно с этим в зависимости от размера плавильной печи эффективность плавки поддерживают в пределах ≥100 кг/ч;

(3) На основании минимального размера капель железа d на момент их полного осаждения и критической скорости осаждения капель железа v определяют зависимость между вязкостью и плотностью шлаковой фазы на момент полного осаждения железа:

По результатам анализа сил, действующих на капли железа в шлаковом расплаве, устанавливают уравнение баланса этих сил: капли железа в шлаковом расплаве подвергаются действию трех сил: силы тяжести, плавучести и силы вязкости, и когда в процессе осаждения сила тяжести, плавучесть и сила вязкости приходят в равновесие, капли железа оседают с равномерной скоростью; уравнение баланса сил, действующих на капли железа в шлаковом расплаве, выглядит следующим образом:

Определение зависимости скорости осаждения капель железа относительно шлаковой фазы в момент уравновешивания сил в шлаковом расплаве v от диаметра капли железа d:

По формуле (2) определяется зависимость между вязкостью и плотностью шлаковой фазы по момент полного осаждения капель железа;

формула (1) и формула (2): η - вязкость шлаковой фазы, Па⋅с; d - минимальный диаметр капли железа, м; v - скорость осаждения капель железа относительно шлаковой фазы в момент уравновешивания сил, м/с; ρ_Fe - плотность капель железа, кг/м³; ρ_s -плотность шлакового расплава, кг/м³; g - ускорение под действием силы тяжести, м/с²;

Поскольку содержание металлов платиновой группы в ферросплавах составляет около 1,0-2,0 массовой доли, плотность капель железа приближается к плотности чистого железа:

ρ_Fe=8,58×10³-0,853T кг/м³;

Плотность шлакового расплава в основном определяется химическим составом и температурой, оценивается по молярному объему чистого компонента следующим образом:

где: V молярный объем и молярная масса оксидов, X_i молярный объем каждого компонента, X_i,1773K - молярный объем каждого компонента при 1773К, Т - абсолютная температура (K);

Кроме того, плотность шлакового расплава может быть выражена следующим образом:

где: М - молярная масса шлакового расплава, А и В - константы, связанные с фазовым составом шлака.

Далее, вязкость шлаковой фазы в основном определяется температурой и химическим составом, как показано на (формуле 7)

где: Т - абсолютная температура (K), а и b - константы, связанные с фазовым составом шлака;

(1) В пределах температуры плавления 1573-1773К определяется вязкость и плотность шлаковой фазы на момент полного осаждения капель железа: вязкость шлаковой фазы не выше 0,30 Па⋅с, плотность шлаковой фазы не более 3,0×10³ кг/м³.

Кроме того, с помощью программного обеспечения по термодинамике моделируют, рассчитывают и определяют нужный фазовый состав шлака следующим образом: после определения диапазона вязкости и плотности шлаковой фазы на момент полного осаждения капель железа на основании состава носителя выбирают соответствующий шлакообразующий компонент, определяют тип чистого шлака, фиксируют температуру плавления Т, с помощью программного обеспечения по термодинамике Pactsage получают диапазон фазового состава шлака, на основании диаграммы силикатной фазы выбирают интервал состава с температурой плавления в шлаковой фазе ниже 1573К, по принципу минимального количества шлака определяется конечный целевой фазовый состав шлака.

Кроме того, указанные выше отработанные катализаторы включают в себя любой из компонентов или комбинации компонентов отработанного катализатора с платиновыми металлами на носителе из кордиерита, глинозема, цеолита, кремнезема.

Кроме того, когда носителем катализатора является кордиерит, предпочтительная плотность шлаковой фазы составляет ≤2,75×10³ кг/м³, вязкость шлаковой фазы ≤0,20 Па⋅с, температура плавления 1673-1723К; добавляемый шлакообразующий компонент содержит любой из следующих компонентов или комбинацию этих компонентов: оксид кальция, бура, карбонат натрия, шлак нержавеющей стали, летучая зола от сжигания отходов; массовое отношение отработанного катализатора и шлакообразующего компонента составляет 1:0,8-1:1,2;

Когда носителем катализатора является глинозем, предпочтительная плотность шлаковой фазы ≤3,0×10³ кг/м³, вязкость шлаковой фазы ≤0,30 Па⋅с, температура плавления 1723-1773К; добавляемые шлакообразующие компоненты включают любые два вида следующих компонентов или любую комбинацию из двух и более компонентов: оксид кальция, бура, кремнезем, карбонат натрия, фторид кальция, кварц, стеклобой, шлак нержавеющей стали, летучая и донная зола от сжигания отходов, массовое отношение отработанного катализатора и шлакообразующего компонента составляет 1:1-1:1,5;

Когда носителем катализатора является цеолит, предпочтительно плотность шлаковой фазы ≤2,85×10³ кг/м³, вязкость шлаковой фазы ≤0,22 Па⋅с, температура плавления 1623-1723К, добавляемый шлакообразующий компонент включает любые два из следующих компонентов или комбинацию из двух и более компонентов: оксид кальция, бура, карбонат натрия, стеклобой, шлак нержавеющей стали, летучая и донная зола от сжигания отходов, массовое отношение отработанного катализатора и шлакообразующего компонента составляет 1:0,5-1:1,1;

Когда носителем катализатора является кремнезем, предпочтительная плотность шлаковой фазы ≤2,45×10³ кг/м³, вязкость шлаковой фазы ≤0,18 Па⋅с, температура плавления 1573-1673К, добавляемый шлакообразующий компонент содержит любые два из следующих компонентов или комбинацию из двух и более компонентов: оксид кальция, бура, карбонат натрия, шлак нержавеющей стали, летучая и донная зола от сжигания отходов, массовое отношение отработанного катализатора и шлакообразующего компонента составляет 1:0,4-1:1,0.

Кроме того, использование описанного способа подбора состава шлака может повысить эффективность разделения шлаковой фазы и ферросплава, снизить содержание металла платиновой группы в шлаке, чтобы оно было не более 10 г/т.

Кроме того, использование железа в качестве коллектора для извлечения металла платиновой группы из отработанного катализатора состоит из следующих этапов:

S1 Коллектор, отработанный катализатор, шлакообразующий компонент смешивают в правильно подобранных пропорциях и ставят в плавильную печь;

S2 Сперва предварительно нагревают 10-30 мин, затем начинают повышать температуру для плавления;

S3 После завершения реакции расплав оставляют в спокойном состоянии, чтобы он полностью уловил металлы платиновой группы и осел на дно; шлак отделяют от металла, чтобы получить ферросплав, обогащенный металлами платиновой группы, и шлаковый расплав.

Принцип настоящего изобретения заключается в следующем: используя принцип, согласно которому железо и металлы платиновой группы образуют твердый раствор, в процессе плавки сперва плавится коллектор железо, которое начинает оседать под действием силы тяжести. В процессе осаждения оно непрерывно улавливает металлы платиновой группы и соединяется с окружающими каплями железа; в процессе осаждения все три силы сила тяжести, сила вязкости и плавучесть приходят в равновесие, равномерная скорость начинает снижаться, и происходит разделение легированной фазы и шлаковой фазы. Эффективность улавливания металлов платиновой группы зависит от капель железа, которые не попадают в легированную фазу, т.е. от степени разделения шлака и железа. Соответственно, ключевым моментом настоящего изобретения является повышение эффективности разделения шлаковой фазы и ферросплава, снижение содержания металла платиновой группы в шлаке. Посредством построения модели, решения уравнения и анализа было обнаружено, что факторами, влияющими на степень извлечения, являются температура плавления, время плавления и фазовый состав шлака. Если контролировать температуру и время плавления, с помощью программного обеспечения по термодинамике и данных можно получить диапазон фазового состава шлака.

Изобретение описывает способ подбора состава шлака для извлечения металлов платиновой группы из отработанного катализатора с железом в качестве коллектора, который позволяет путем построения модели, расчета, компьютерного моделирования определить желаемый тип шлака, проверить добавляемый шлакообразующий компонент и оптимизировать фазовый состав шлака. В зависимости от того, какой тип шлака надо получить, добавляемые шлакообразующие компоненты включают в себя любые два и более из следующих компонентов: оксид кальция, бура, кремнезем, карбонат натрия, кварц, стеклобой, шлак нержавеющей стали, летучая и донная зола от сжигания отходов. Среди них стеклобой и донная зола от сжигания отходов относятся к обычным твердым отходам, которые в основном содержат SiO₂, Na₂O, SiO₂ и СаО; шлак нержавеющей стали, летучая зола от сжигания отходов являются опасными твердыми отходами, которые в основном содержат СаО, SiO₂ и K₂O, Na₂O, СаО, а также Cr, Pb, Zn, Cd и другие тяжелые металлы.

Способ подбора состава шлака в рамках настоящего изобретения не только значительно повышает эффективность исследований и разработок, сокращает время на исследования и разработки состава шлака, но и помогает совместно утилизировать часть обычных твердых отходов и опасных твердых отходов, обеспечить эффективное извлечение металлов платиновой группы, получить значительные экономические, экологические и социальные выгоды.

Полезные результаты настоящего изобретения:

(1) Способ подбора состава шлака в рамках настоящего изобретения обеспечивает теоретическое руководство и поддержку для эффективного излучения железом металлов платиновой группы, использование этого способа позволяет снизить рабочую экспериментальную нагрузку, сократить срок исследований и разработок, снизить затраты на исследования и разработки.

(2) Способ подбора состава шлака в рамках настоящего изобретения имеет широкий спектр применения, широкие технические возможности, годится для подбора состава шлака для излучения железом металлов платиновой группы из самых разных отработанных катализаторов и для оптимизации состава шлака.

(3) Состав шлака, подбираемый согласно данному изобретению, имеет низкую температуру плавления, низкую вязкость, низкую плотность и другие преимущества, что способствует повышению эффективности разделения шлака и железа, а содержание металлов платиновой группы в шлаке ниже 10 г/т, степень извлечения металлов платиновой группы не менее 99%, что дает значительный экономический эффект.

(4) Нужный фазовый состав шлака, подобранный в рамках настоящего изобретения, после добавления таких шлакообразующих компонентов, как стеклобой, шлак нержавеющей стали, летучая и донная зола от сжигания отходов и другие твердые или опасные отходы, позволяет достичь цели переработки отходов.

Краткое описание чертежей

Схема - блок-схема варианта реализации настоящего изобретения - способа подбора состава шлака для извлечения железом металлов платиновой группы из отработанных катализаторов.

Осуществление изобретения

Ниже приводится подробное описание конкретных вариантов реализации настоящего изобретения с сопроводительными чертежами. Следует отметить, что технические характеристики или комбинации технических характеристик, описанные в следующих вариантах реализации, не следует считать отдельными, они могут быть объединены друг с другом для достижения лучших технических результатов. На чертежах следующих вариантов реализации одни и те же обозначения означают одни и те же характеристики или компоненты, которые могут быть применимы к разным вариантам реализации.

Изобретение относится к способу подбора состава шлака для извлечения железом металлов платиновой группы из отработанного катализатора, как показано на фиг. 1; сперва проводится анализ траектории движения капель железа в шлаковом расплаве следующим образом:

, затем с помощью Matlab получают зависимость

смещения при движении капель железа от диаметра капли железа, чтобы определить минимальный размер после полного осаждения капель железа и диапазон вязкости и плотности шлаковой фазы. С помощью программного обеспечения по термодинамике и данных рассчитывают нужный фазовый состав шлака и, наконец, проводят выверку и оптимизацию типа шлака отработанного катализатора для эффективного извлечения металлов платиновой группы.

Ниже приводится подробное описание реализации настоящего изобретения с учетом конкретных вариантов реализации:

Пример 1

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из кордиерита выполняется следующим образом: температура плавления 1673К, скорость осаждения ≥1,0×10^-5 м/с, минимальный размер ≤20 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,2 Па⋅с и плотность ≤2,75×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя Al₂O₃/SiO₂, массовое отношение 1:1,4-1:1,6; Al₂O₃≥20% массовой доли, с помощью программного обеспечения по термодинамике получают нужный тип шлака СаО 20-22% массовой доли, SiO₂ 23-35%, Al₂O₃ 21-23%, Na₂O 8-11%, MgO 7-9%, ZrO₂ 4-6%, CeO₂ 2-4%, Fe₂O₃ 2-4%, B₂O₃ 3-5%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака смешивают 100 частей отработанного автомобильного катализатора, 45 частей оксида кальция, 34 части карбоната натрия, 10 частей буры, 10 частей железного порошка, 5 частей фторида кальция и помещают в плавильную печь, предварительно нагревают 15 минут, а потом плавят при температуре 1673К, пока материал не расплавится, через 120 мин теплозадержки и осаждения делают отливку, содержание металлов платиновой группы в шлаке составляет 8,2 г/т, диаметр частиц железа в шлаке, определяемый электронным растровым микроскопом, составляет 12,8 мкм.

Пример 2

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из кордиерита выполняется следующим образом: температура плавления 1693К, скорость осаждения ≥1,7×10^-5 м/с, минимальный размер ≤17 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,18 Па⋅с и плотность ≤2,65×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя Al₂O₃/SiO₂, массовое соотношение 1:1,4-1:1,6, Al₂O₃≥20%, с помощью программного обеспечения по термодинамике моделируют нужный тип шлака СаО 22-28% массовой доли, SiO₂ 22-26%, Al₂O₃ 20-25%, Na₂O 5-17%, MgO 7-10%, ZrO₂ 4-6%, СеО₂ 3-4%, Fe₂O₃ 2-4%, B₂O₃ 3-5%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака смешивают 100 частей отработанного автомобильного катализатора, 60 частей шлака нержавеющей стали, 30 частей карбоната натрия, 7 частей буры, 13 частей железного порошка и помещают в плавильную печь, предварительно нагревают 20 мин, затем плавят при температуре 1693K, после того как материал расплавится, через 100 мин теплозадержки и осаждения делают отливку, содержание металлов платиновой группы в шлаке составляет 6,7 г/т, растровым электронным микроскопом устанавливается, что размер частиц железа в шлаке составляет 6,4 мкм, что согласуется с результатами моделирования.

Пример 3

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из кордиерита выполняется следующим образом: температура плавления 1723К, скорость осаждения ≥2,2×10^-5 м/с, минимальный размер ≤10 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,16 Па⋅с и плотность ≤2,45×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя Al₂O₃/SiO₂, массовое соотношение 1:1,4-1:1,6, Al₂O₃≥20%, с помощью программного обеспечения по термодинамике получают нужный тип шлака СаО 20-25% массовой доли, SiO₂ 24-30%, Al₂O₃ 22-28%, Na₂O 14-22%, MgO 6-13%, ZrO₂ 4-6%, СеО₂ 3-4%, Fe₂O₃ 2-4%, B₂O₃ 5-9%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака, смешивают 100 частей отработанного автомобильного катализатора, 40 частей летучей золы от сжигания отходов, 40 частей шлака нержавеющей стали, 25 частей карбоната натрия, 15 частей буры, 15 частей железного порошка и помещают в плавильную печь, предварительно нагревают 20 мин, затем плавят при 1723К, когда материал расплавится, через 50 мин теплозадержки и осаждения начинают отливку, содержание металлов платиновой группы в шлаке составляет 5,2 г/т, размер частиц железа в шлаке определяется электронным растровым микроскопом как 4,8 мкм, что согласуется с результатами моделирования.

Пример 4

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из оксида алюминия выполняется следующим образом: температура плавления 1723К, скорость осаждения ≥1,6×10^-5 м/с, минимальный размер ≤10 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,3 Па⋅с и плотность ≤3,0×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя Al₂O₃≥40%, моделированием в программном обеспечении по термодинамике получают нужный тип шлака СаО 25-35%, SiO₂ 8-12%, Al₂O₃ 40-50%, Na₂O 8-12%, Fe₂O₃ 2-4%, CaF₂ 3-4%, В₂О₃ 3-5%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака смешивают 100 частей отработанного катализатора на носителе из оксида алюминия с содержанием платины, 70 частей летучей золы от сжигания отходов, 10 частей кварца, 10 частей стеклобоя, 26 частей карбоната натрия, 8 частей буры, 15 частей железного порошка и помещают в плавильную печь, предварительно нагревают 20 мин, затем плавят при температуре 1723К, когда материал расплавится, через 70 мин теплозадержки и осаждения содержание платины в шлаке составляет 9,4 г/т, размер частиц железа в шлаке определяется электронным растровым микроскопом как 14,5 мкм, что согласуется с результатами моделирования.

Пример 5

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из оксида алюминия выполняется следующим образом: температура плавления 1753К, скорость осаждения ≥1,64×10^-5 м/с, минимальный размер ≤16 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,26 Па⋅с и плотность ≤2,72×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя Al₂O₃≥45%, программным обеспечением по термодинамике получают нужный тип шлака СаО 15-24% массовой доли, SiO₂ 13-18%, Al₂O₃ 45-55%, Na₂O 15-22%, Fe₂O₃ 1-2%, CaF₂ 5-8%, B₂O₃ 5-9%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака смешивают 100 частей отработанного катализатора на носителе из оксида алюминия с содержанием палладия, 40 частей летучей золы, 30 частей донной золы, 20 частей стеклобоя, 40 частей карбоната натрия, 10 частей фторида кальция, 10 частей буры, 15 частей железного порошка и помещают в плавильную печь, предварительно нагревают 20 мин, зачем выплавляют при температуре 1753К, когда материал расплавится, через 70 мин теплозадержки и осаждения начинают отливку, содержание палладия в шлаке составляет 7,2 г/т, с помощью электронного растрового микроскопа размер частиц железа в шлаке определяется как 15,4 мкм, что согласуется с результатами моделирования.

Пример 6

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из оксида алюминия выполняется следующим образом: температура плавления 1773К, скорость осаждения ≥2,32×10^-5 м/с, минимальный размер ≤16 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,22 Па⋅с и плотность ≤2,56×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя Al₂O₃≥45% массовой доли, с помощью программного обеспечения по термодинамике получают нужный тип шлака СаО 27-32% массовой доли, SiO₂ 10-13%, Al₂O₃ 42-47%, Na₂O 13-15%, Fe₂O₃ 1-3%, CaF₂ 4-5%, В₂О₃ 4-5%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака, смешивают 100 частей отработанного катализатора на носителе из оксида алюминия с палладием, 60 частей летучей золы, 20 частей донной золы, 22 частей кварца, 20 частей карбоната натрия, 11 частей буры, 10 частей железного порошка и помещают в плавильную печь, предварительно нагревают 30 мин, затем выплавляют при 1773К, когда материал расплавится, через 30 минут теплозадержки и осаждения начинают отливку, содержание палладия в шлаке составляет 6,3 г/т, размер частиц железа в шлаке определяется электронным растровым микроскопом как 5,6 мкм, что согласуется с результатами моделирования.

Пример 7

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из цеолита выполняется следующим образом: температура плавления 1623К, скорость осаждения ≥1,3×10^-5 м/с, минимальный размер ≤15 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,22 Па⋅с и плотность ≤2,85×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя SiO₂≥40%, с помощью программного обеспечения по термодинамике получают нужный тип шлака СаО 20-36% массовой доли, SiO₂ 40-60%, Al₂O₃ 20-33%, Na₂O 8-15%, Fe₂O₃ 2-4%, В₂О₃ 2-8%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака смешивают 100 частей отработанного катализатора на носителе из цеолита с содержанием платины, 50 частей летучей золы, 20 частей шлака нержавеющей стали, 10 частей стеклобоя, 24 частей карбоната натрия, 6 частей буры, 15 частей железного порошка и помещают в плавильную печь, предварительно нагревают 20 мин, зачем выплавляют при 1623К, через 180 мин начинают выплавку, содержание платины в шлаке составляет 5,9 г/т, размер частиц железа в шлаке определяется электронным растровым микроскопом как 13,4 мкм, что согласуется с результатами моделирования.

Пример 8

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из цеолита выполняется следующим образом: температура плавления 1723К, скорость осаждения ≥2,5×10^-5 м/с, минимальный размер ≤13 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,19 Па⋅с и плотность ≤2,45×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя SiO₂≥40%, программным обеспечением по термодинамике получают нужный тип шлака СаО 15-24% массовой доли, SiO₂ 40-56%, Al₂O₃ 18-27%, Na₂O 12-23%, Fe₂O₃ 1-3%, В₂О₃ 4-11%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака смешивают 100 частей отработанного катализатора на носителе из цеолита с палладием, 20 частей оксида кальция, 25 частей донной золы, 34 части карбоната натрия, 10 частей буры, 15 частей железного порошка и помещают в плавильную печь, предварительно нагревают 30 мин, зачем выплавляют при 1723К, через 100 мин начинают выплавку, содержание палладия в шлаке составляет 4,1 г/т, с помощью электронного растрового микроскопа размер частиц железа определяется как 8,1 мкм, что согласуется с результатами моделирования.

Пример 9

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из кремнезема выполняется следующим образом: температура плавления 1573К, скорость осаждения ≥1,2×10^-5 м/с, минимальный размер ≤15 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,18 Па⋅с и плотность ≤2,45×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя SiO₂≥60%, с помощью программного обеспечения по термодинамике получают нужный тип шлака СаО 10-25%, SiO₂ 60-78%, Al₂O₃ 7-15%, Na₂O 0-20%, Fe₂O₃ 0-2%, В₂О₃ 0-3%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака смешивают 100 частей отработанного катализатора на носителе из кремнезема с платиной, 10 частей оксида кальция, 10 частей донной золы, 10 частей шлака нержавеющей стали, 5 частей карбоната натрия, 5 частей буры, 10 частей железного порошка и помещают в плавильную печь, предварительно нагревают 20 мин, затем выплавляют при 1573К, когда материал полностью расплавится, через 60 мин осаждения начинают выплавку, содержание платины в шлаке составляет 9,5 г/т, размер частиц железа в шлаке определяется электронным растровым микроскопом как 10,7 мкм, что согласуется с результатами моделирования. Пример 10

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из кремнезема выполняется следующим образом: температура плавления 1623К, скорость осаждения ≥2,1×10^-5 м/с, минимальный размер ≤16 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,16 Па⋅с и плотность ≤2,4×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя SiO₂≥65%, моделированием в программном обеспечении по термодинамике получают нужный тип шлака СаО 12-23%, SiO₂ 65-74%, Al₂O₃ 10-21%, Na₂O 5-14%, Fe₂O₃ 1-2%, В₂О₃ 2-8%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака смешивают 100 частей отработанного катализатора на носителе из кремнезема с палладием, 30 частей летучей золы, 12 частей карбоната натрия, 10 частей буры, 10 частей железного порошка и помещают в плавильную печь, предварительно нагревают 15 мин, затем выплавят при 1623К, когда материал полностью расплавится, через 30 мин осаждения начинают отливку, содержание палладия в шлаке составляет 7,1 г/т, электронным растровым микроскопом размер частиц железа в шлаке определяется как 12,3 мкм, что согласуется с результатами моделирования.

Пример 11

Определение граничных условий при использовании в качестве сырья отработанного катализатора на носителе из кремнезема выполняется следующим образом: температура плавления 1673К, скорость осаждения ≥3,6×10^-5 м/с, минимальный размер ≤14 мкм, решением уравнения получают вязкость шлаковой фазы ≤0,16 Па⋅с и плотность ≤2,37×10³ кг/м³. Шлаковая фаза зависит от состава носителя SiO₂≥70%, используя программное обеспечение для моделирования получают нужный тип шлака СаО 0-20%, SiO₂ 70-80%, Al₂O₃ 5-15%, Na₂O 10-20%, В₂О₃ 5-15%. В соответствии с моделируемым фазовым составом шлака смешивают 100 частей отработанного катализатора отходов на носителе из кремнезема с палладием, 10 частей оксида кальция, 10 частей кремнезема, 15 частей карбоната натрия, 5 частей буры, 10 частей железного порошка и помещают в плавильную печь, предварительно разогревают 20 мин, зачем выплавляют при 1673К, когда материал полностью расплавится, через 240 мин осаждения начинают отливку, содержание палладия в шлаке составляет 3,7 г/т, электронным растровым микроскопом размер частиц железа в шлаке определяется как 8,6 мкм, что согласуется с результатами моделирования.

Claims

1. Способ извлечения металлов платиновой группы из отработанного катализатора на носителе из кордиерита, оксида алюминия, цеолита и оксида кремния с помощью железа в качестве коллектора, характеризующийся тем, что предварительно проводят подбор состава шлака для извлечения металлов платиновой группы из упомянутого катализатора путем следующих этапов:

1) проводят анализ траектории движения капель железа в шлаковом расплаве в пределах температуры плавления 1573-1773 К, по результатам которого определяют вязкость не выше 0,3 Па⋅с и плотность шлаковой фазы не более 3,0×10³ кг/м³ в соответствии с минимальным размером капли железа не более 20 мкм и скоростью осаждения капель железа не ниже 1,0×10^-5 после их полного осаждения,

2) в зависимости от типа носителя отработанного катализатора выбирают по меньшей мере один шлакообразующий компонент из группы, содержащей оксид кальция, буру, карбонат натрия, шлак нержавеющей стали, летучую и донную золу от сжигания отходов, стеклобой, фторид кальция, кварц, при этом массовое отношение отработанного катализатора и шлакообразующего компонента составляет от 1:0,4 до 1:1,5,

3) с использованием программного обеспечения по термодинамике моделируют и рассчитывают целевой фазовый состав шлака, при этом состав шлака проверяют и оптимизируют для высокоэффективного улавливания металлов платиновой группы,

после подбора состава шлака коллектор, отработанный катализатор и шлакообразующий компонент смешивают в подобранных пропорциях и помещают в плавильную печь, которую предварительно прогревают 10-30 мин, а затем начинают повышать температуру для плавления, после завершения реакции расплав оставляют в спокойном состоянии, чтобы он полностью уловил металл платиновой группы и осел на дно, шлак отделяют от металла, чтобы получить ферросплав, обогащенный металлами платиновой группы, и шлаковый расплав.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что зависимость между вязкостью и плотностью шлаковой фазы на момент полного осаждения железа определяют на основании минимального размера капли железа на момент полного осаждения капель железа d и предельно допустимой скорости осаждения капель железа v:

,

где: v - предельно допустимая скорость осаждения капель железа или скорость осаждения капель железа относительно шлаковой фазы при балансе сил, действующих на капли железа в шлаковом расплаве, м/с,

η - вязкость шлаковой фазы, Па⋅с,

d - диаметр капли железа при балансе сил, действующих на капли железа, м,

ρ_Fe - плотность капель железа, кг/м³,

ρ_s - плотность шлакового расплава, кг/м³,

g - ускорение под действием силы тяжести, м/с²,

при этом плотность шлакового расплава ρ₃ и вязкость шлаковой фазы η связаны только с фазовым составом шлака и температурой плавления:

,

М - молярная масса шлакового расплава, кг/моль,

Т - температура плавления, K,

А, В, а и b - константы, связанные с фазовым составом шлака.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в соответствии с диаграммой силикатной фазы выбирают интервал фазового состава с температурой плавления в шлаковой фазе ниже 1573 K, определяют окончательный целевой фазовый состав шлака по принципу наименьшего количества шлака.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что, когда носителем катализатора является кордиерит, плотность шлаковой фазы составляет ≤2,75×10³ кг/м³, вязкость шлаковой фазы ≤0,20 Па⋅с, температура плавления 1673-1723 К, добавляемый шлакообразующий компонент содержит по меньшей мере один из следующих компонентов: оксид кальция, бура, карбонат натрия, шлак нержавеющей стали, летучая зола от сжигания отходов, при этом массовое отношение отработанного катализатора и шлакообразующего компонента составляет 1:0,8-1:1,

когда носителем катализатора является оксид алюминия, плотность шлаковой фазы ≤3,0×10³ кг/м³, вязкость шлаковой фазы ≤0,30 Па⋅с, температура плавления 1723-1773 К, добавляемые шлакообразующие компоненты включают по меньшей мере два из следующих компонентов: оксид кальция, бура, кремнезем, карбонат натрия, фторид кальция, кварц, стеклобой, шлак нержавеющей стали, летучая зола, донная зола, при этом массовое отношение отработанного катализатора и шлакообразующего компонента составляет 1:1-1:1,5,

когда носителем катализатора является цеолит, плотность шлаковой фазы ≤2,85×10³ кг/м³, вязкость шлаковой фазы ≤0,22 Па⋅с, температура плавления 1623-1723 К, добавляемый шлакообразующий компонент включает по меньшей мере два из следующих компонентов: оксид кальция, бура, карбонат натрия, стеклобой, шлак нержавеющей стали, летучая зола, донная зола, при этом массовое отношение отработанного катализатора и шлакообразующего компонента составляет 1:0,5-1:1,1,

когда носителем катализатора является оксид кремния, плотность шлаковой фазы ≤2,45×10³ кг/м³, вязкость шлаковой фазы ≤0,18 Па⋅с, температура плавления 1573-1673 К, добавляемый шлакообразующий компонент содержит по меньшей мере два из следующих компонентов: оксид кальция, бура, карбонат натрия, шлак нержавеющей стали, летучая зола, донная зола, при этом массовое отношение отработанного катализатора и шлакообразующего компонента составляет 1:0,4-1:1,0.