Способ разделения многокомпонентного материала, содержащего металлические компоненты

Способ разделения многокомпонентного материала, содержащего металлические компоненты

Реферат

Изобретение относится к области переработки отходов, а именно к способам разделения компонентов многокомпонентного материала, содержащего металлические компоненты, с целью обеспечения условий для эффективного получения вторичных металлов из отходов производств. К необходимым условиям относится наличие в составе многокомпонентного материала, содержащего металлические компоненты оксидов металлов. К таким материалам относятся, например, отработанные катализаторы. Они содержат оксиды металлов в качестве основы, металлические компоненты, обеспечивающие каталитические реакции и продукты отработки, например углерод, серу. В ряде случаев отработанные катализаторы содержат также частицы материала конструкционного оборудования, преимущественно железа. В качестве основы чаще всего используется чистый оксид алюминия или смесь оксидов (керамика). Наиболее актуальной является задача переработки катализаторов, широко используемых в нефтехимической промышленности и в современном автомобилестроении. Такие катализаторы часто содержат металлы платиновой группы. Катализаторы на основе платины, нанесенной на носитель из оксида алюминия, широко используются в процессах гидрирования и дегидрирования, крекинга, очистки. Каталитические фильтры для дожигания выхлопных газов в автомобиле обычно содержат металлический компонент на основе трех элементов - платины, палладия и родия. В качестве керамической основы металлического компонента часто используют кордиерит состоящий, в основном, из оксида кремния и оксида алюминия. Необходимо отметить, что металлический компонент составляет незначительную часть от общей массы катализатора, обычно доли процента.

Способы разделения многокомпонентных материалов, содержащих металлические компоненты, нанесенные на основу из оксидов металлов, можно разделить на две группы по типу воздействия на материал - химическое воздействие или расплавление. Способы первой группы чаще всего основываются на методах выщелачивания и хлорирования. Применение химических способов является трудоемким и малоэффективным процессом, причем возникает отдельная задача утилизации большого количества экологически вредных отходов переработки.

Способы, связанные с расплавлением многокомпонентного материала, отличает более высокая производительность и отсутствие экологически вредных жидких отходов.

Известен способ переработки автомобильных катализаторов плавлением в плазменной дуговой печи (см. Павловский В.А. Переработка автомобильных катализаторов// Автомобильная промышленность. - 2002 г., №9,с.32). Согласно этому способу плавление производят с добавлением в перерабатываемый материал металла-коллектора (железа).

Способ характеризуется потерями основного металлического компонента (платины) на уровне 10% и высокими энергозатратами. Кроме того, дальнейшая переработка сплава на основе железа с целью извлечения металлов платиновой группы возможна только химическим методом, то есть возникают дополнительные затраты.

Известен способ извлечения металлического компонента (платины) из отработанных катализаторов на основе оксида алюминия плавкой (см. Металлургия благородных металлов./Под ред. Л.В.Чугаева. - М.: Металлургия, 1987 г., с.426). Согласно этому способу многокомпонентный материал расплавляют с добавлением извести (оксида кальция) и плавикового шпата (фторида кальция). Для образования сплава, содержащего платину, добавляют медь в виде порошка. Плавку ведут при температуре в пределах 1500-1550°С.

Способ характеризуется частичной потерей металла в связи с его переходом в шлак. Это связано с высокой вязкостью шлака CaF₂-CaO-Al₂O₃, что не позволяет обеспечить необходимые условия разделения расплава на металлическую и шлаковую фазы. Кроме этого, частицы порошка меди неэффективно собирают платину из-за недостаточно однородного их распределения по отношению к нанесенной на основу платине в процессе образования сплава.

Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа, является способ разделения многокомпонентного материала, содержащего металлические компоненты, включающий его нагревание и выплавку с добавлением шлакообразующего флюса, обеспечивающего вязкость шлака менее чем 4 мПа•с при температуре процесса в пределах от 1000 до 1800°С. Разделение шлаковой и металлической фаз обеспечивается перемешиванием и выдержкой расплава в жидком состоянии (патент России №2201978, МПК⁷ С 22 В 7/00; Заявл. 05.06.2001 г.; №2001115756/02; опубл. 10.04.2003 г.). Вместе со шлакообразующим флюсом добавляют металл-растворитель (металл-коллектор). Данный способ недостаточно эффективен при низком содержании металлического компонента в силу малой поверхности взаимодействия этого компонента и металла-растворителя в процессе образования их сплава.

В основу изобретения положена задача обеспечения необходимых условий для более полного разделения металлической фазы при низком содержании металлического компонента за счет увеличения поверхности взаимодействия металлического компонента материала с частицами расплава.

Технический результат достигается тем, что в способе разделения многокомпонентного материала, содержащего металлические компоненты, включающем его прокаливание и выплавку с добавлением шлакообразующего флюса на основе фторида металла в количестве, обеспечивающем вязкость шлака менее чем 4 мПа•с при температуре процесса в пределах 1000-1800°С, перемешивание и выдержку расплава в жидком состоянии в течение времени, достаточного для разделения шлаковой и металлической фаз, выпуск полученного шлака и металла с последующим их механическим разделением после затвердевания, согласно изобретению многокомпонентный материал предварительно пропитывают раствором соли металла-коллектора в количестве, обеспечивающем массовое содержание в расплаве металла-коллектора, превышающее содержание металлических компонентов, а затем его прокаливают в восстановительной среде до восстановления металла-коллектора, а выплавку производят в восстановительной среде.

Применение пропитки многокомпонентного материала раствором соли металла-коллектора обеспечивает наилучшие условия образования сплава металлического компонента с металлом-коллектором. При прокаливании в восстановительной среде соли разлагаются до металла, обеспечивая существенное увеличение поверхности взаимодействия металлического компонента материала и металла-коллектора как за счет малой дисперсности частиц металла-коллектора, так и за счет однородности распределения указанных частиц по поверхности металлического компонента в процессе образования их сплава.

Использование в качестве солей металла-коллектора нитратов указанного металла позволяет избавиться от влияния серы в случае ее присутствия в перерабатываемом материале.

Использование в качестве соли металла-коллектора нитрата никеля позволяет перерабатывать материал, содержащий железо (или оксиды железа, которые восстанавливаются до металла с процессе переработки), так как никель образует сплавы как с самим железом, так и с большинством металлов в широком диапазоне условий.

Использование в качестве соли металла-коллектора нитрата меди обеспечивает уменьшение температуры образования металлического сплава за счет относительно низкой температуры плавления меди при условии отсутствия в составе материала железа. Медь не образует сплавов с железом, однако оба этих металла образуют сплавы с платиноидами.

Использование в качестве соли металла-коллектора сульфата меди обеспечивает уменьшение температуры образования металлического сплава при переработке материала, в составе которого отсутствует железо (его оксиды).

Использование в качестве соли металла-коллектора нитрата серебра упрощает технологический процесс в случае, когда металлическая компонента многокомпонентного материала включает только металлы платиновой группы.

Использование в качестве шлакообразующего флюса флюсов на основе фторида кальция позволяет получить шлак с малой вязкостью для материалов на основе комбинации оксид кремния - оксид алюминия (кордиеритовой керамики) и снизить затраты за счет использования дешевого минерального сырья (плавикового шпата). Кроме того, такие шлаки не водорастворимы и их утилизация не требует дополнительных затрат.

Использование в качестве шлакообразующего флюса флюсов на основе фторида натрия позволяет производить переработку многокомпонентного материала с различным составом оксидной основы, так как фторид натрия при расплавлении с большинством используемых оксидов металлов образует шлаки с малой вязкостью.

Использование в качестве шлакообразующего флюса флюсов на основе фторида натрия с добавлением оксида кальция обеспечивает снижение затрат, в частности для многокомпонентного материала на основе чистого оксида алюминия, за счет использования дешевого минерального сырья (известняка).

Пример осуществления способа

В качестве образца многокомпонентного материала служил отработанный катализатор легкового автомобиля американского производства на кордиеритовой основе. Содержание металлического компонента по результатам анализа составляло 0,253% при соотношении металлов Pt:Pd:Rh=8,5:1:1,5. Катализатор измельчался, пропитывался раствором медного купороса из расчета двух граммов меди на сто грамм катализатора, прокаливался и помещался в графитовый тигель индукционной электропечи с добавлением шлакообразующего флюса в соотношении 1:1, в качестве которого служил металлургический флюс марки АНФ-1, содержащий 97% фторида кальция.

После расплавления, перемешивания и выдержки в течение 5 минут расплав сливался. Анализ полученного металла показал, что 95% платины переходит в слиток на основе меди, а остальной металл теряется в шлаке. Для сравнения проводился опыт в аналогичных условиях с добавлением того же количества металла-коллектора в виде медного порошка с размером фракции 20 мкм. Анализ полученного шлака и металла показал, что при этом в слиток на основе меди переходит только 78% платины, остальное количество - 22% - остается в шлаке.

Способ обеспечивает высокую степень извлечения металлического компонента из многокомпонентных материалов на основе оксидов металлов при его малом массовом содержании. Побочный продукт - шлаки - экологически безвредны и могут найти отдельное применение, например, как строительный материал или разжижитель при производстве стали.

1. Способ разделения многокомпонентного материала, содержащего металлические компоненты, включающий его прокаливание и выплавку с добавлением шлакообразующего флюса на основе фторида металла в количестве, обеспечивающем вязкость шлака менее чем 4 мПа·с при температуре процесса в пределах 1000-1800°С, перемешивание и выдержку расплава в жидком состоянии в течение времени, достаточного для разделения шлаковой и металлической фаз, выпуск полученного шлака и металла с последующим их механическим разделением после затвердевания, отличающийся тем, что многокомпонентный материал предварительно пропитывают раствором соли металла-коллектора в количестве, обеспечивающем массовое содержание в расплаве металла-коллектора, превышающее содержание металлических компонентов, а затем его прокаливают в восстановительной среде до восстановления металла-коллектора, а выплавку производят в восстановительной среде.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соли металла-коллектора используют нитрат никеля.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соли металла-коллектора используют нитрат меди.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соли металла-коллектора используют сульфат меди.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве соли металла-коллектора используют нитрат серебра.

6. Способ пo любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве шлакообразующего флюса используют флюс на основе фторида кальция.

7. Способ пo любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве шлакообразующего флюса используют флюс на основе фторида натрия.

8. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве шлакообразующего флюса используют флюс на основе фторида натрия с добавлением оксида кальция.