助劑對熱解廢鈀炭催化劑回收鈀工藝的研究

黎 鵬，蔡軍鋒，師 磊，楊能強，文永忠

(1.西安凱立新材料股份有限公司，陜西 西安 710201；2.陜西省貴金屬催化劑工程研究中心，陜西 西安 710201)

鈀炭催化劑是以活性炭為載體的含鈀催化劑，鈀粒子的粒度多為5～8 nm，含鈀0.3%～0.1%，納米金屬鈀呈現為非常微小的顆粒狀分布于活性炭表面，大部分用于化學工業中[1]。失效后的廢鈀炭催化劑含有大量有機物及水分。廢貴金屬催化劑是回收再利用貴金屬的重要原料之一。從廢鈀炭催化劑中回收鈀一般有三種方法[2-3]：(1)焚燒法，在高溫下炭燃燒生成CO2揮發，鈀留于灰分中，溶解灰分鈀轉入溶液在進行鈀的分離提純。(2)高溫氯化揮發法，高溫下通入Cl2或加入氯化物，使鈀生成氯化物揮發，吸收后提純。(3)有機溶劑濕法處理，先用有機物溶劑將有機物浸溶除去，再使鈀溶解轉入溶液，最后精制鈀。由于貴金屬催化劑主要應用于精細化工領域的有機催化合成反應中，廢催化劑退出后夾帶有大量有機物，因此后兩種回收方法存在很大的局限性，不適用。且第二種回收方法對設備高要求能抗高溫氯化物腐蝕，且此法回收率不高。第三種回收方法要耗費大量的有機溶劑，且污染較大。因此，本實驗采用焚燒法進行鈀的熱解與回收。

由于廢鈀炭催化劑在高溫熱解灰化的過程中，隨著熱解溫度的升高，廢鈀炭催化劑吸附的有機物急劇脫附并發生熱解產生大量小分子蒸氣、CO2、CO和H2O等氣體，這些氣體在揮發逃逸過程中會攜帶出少量的細微顆粒的鈀，造成一定的鈀損失，影響鈀的總回收率[4-5]。而選擇一種適宜的助燃添加劑，控制吸附的有機物的熱解過程，可以減少鈀的損失，同時可以使廢鈀炭催化劑灰化更加徹底，有利于提高鈀的回收率。因此本實驗重點考察了向廢鈀炭催化劑中加入不同的助燃添加劑及不同溫度條件對鈀的回收率的影響。

1 實驗方法

11 熱解工藝流程

圖1 廢鈀炭催化劑的回收工藝流程

鈀回收的工藝流程如圖1所示[6]。使用臥式焚燒爐進行廢鈀炭焚燒實驗，將廢鈀炭催化劑加到焚燒爐中，在400～600℃，充分供給空氣焚燒，使炭和有機物燒盡，變成CO2等經處理排出。然后將所得灰分在水溶液中，加入水合肼還原，再將所得粗鈀加入王水，機械攪拌溶解，溶完后加入鹽酸趕硝，轉為氯化物溶液，最后將溶液依次加入氨水絡合，加入鹽酸酸化得黃色沉淀，氨水溶解，水合肼還原得到純鈀產品。

1.2 試驗樣品的預處理

試驗樣品為用于美羅培南氫化脫去硝基芐基的5%廢鈀炭催化劑，吸附大量的四氫呋喃、苯胺、美羅培南側鏈、美羅培南及其他有機雜質。將試驗樣品用去離子水洗濾，除去大量的水溶性吸附物，避免廢鈀炭催化劑樣品在高溫熱解過程中發生爆燃。

2 實驗結果和討論

2.1 助燃添加劑的選擇

在熱解溫度控制最高為600℃，灰化后的灰渣通過濕法回收工藝進行鈀的回收與提純?？疾炝藲溲趸c、石灰和碳酸鈣、纖維素、面粉等不同的添加劑，實驗結果見表1所列。

表1 不同添加劑對鈀回收率的影響

由上表1可見，添加劑為石灰 和CaCO3時效果較好，灰分狀態較為疏松。主要是由于石灰和CaCO3能與廢料熱解過程產生的CO2進行反應，生成Ca(HCO3)2，消耗一部分CO2，一定程度上抑制了熱解產生的大量氣體對廢料粉末的氣流沖擊，引起飛粉，造成鈀的損失。另外，當焚燒爐溫升至更高時，Ca(HCO3)2發生分解生成CaCO3，緩慢釋放CO2和水，有效抑制了分解的激烈程度，CaCO3可以繼續分解，從而對熱解灰料起到增加氣體對流，促進充分燃燒的作用，因而有效提高了廢料的灰化程度，使后續溶解工作易于進行。另外CaCO3和熱解產物CaO對鈀還具有吸附富集作用。從回收率看，石灰 是較為合適的添加劑。

2.2 石灰的用量影響

進一步考察了石灰的用量對灰化程度和鈀的回收率的影響，實驗結果如表2所列。

表2 石灰用量的影響

上述結果表明，石灰與廢料的比例為20∶80時，效果最佳。當石灰用量繼續增加，貴金屬的回收率反而降低。主要由于石灰用量增加造成一定灰渣出現板結，在濕法鈀回收過程中影響溶解效果，從而影響到后期的鈀回收率。因此，選擇石灰∶廢料=20∶80為宜。

2.3 石灰的加入方式

對于石灰的加入，本實驗考察了干粉拋灑混合、干粉攪拌混合和漿料混合三種方式，實驗結果如表3所示。

表3 石灰加入方式的影響

上述結果表明，采用漿料混合得到的鈀回收率最高。主要是干粉拋灑混合和干粉攪拌混合二種方式造成石灰不能充分與廢料混合均勻，尤其是干粉拋灑混合存在較多的石灰團聚結塊物。而漿料混合方式能將石灰漿料與廢料充分混勻，在焚燒爐升溫過程，水分脫出后，石灰與廢料能達到充分混勻，因此有利于熱解灰化，最終的鈀回收率最高，達到97.55%。

圖2 包裹狀

2.4 熱解溫度的選擇

廢鈀炭的熱解溫度對回收率影響較大。升溫速度過快或溫度過高，隨著有機雜質的蒸出，鈀的攜帶損失量會變大，溫度過低則達不到完全灰化的目的，大量有機雜質仍然滯留在其中，不利于后續溶解過程。另外，隨著熱解溫度升高，鈀在一定溫度下會被氧化成難以溶解的氧化態鈀或者合金狀，這將直接影響到回收率。因此，原料熱解溫度的選擇顯得尤為重要。本實驗從300～700℃對熱解溫度進行了考察。以石灰為添加劑，原料量與石灰的質量比80∶20的條件下，對比了不同熱解溫度的影響，實驗條件及結果如表4 所示。

圖3 松散狀

表4 熱解溫度對鈀回收率的影響

由于部分晶粒鈀在高溫下被氧化成氧化鈀，圖4是對灰分的X射線衍射(XRD)結果圖譜。經測試灰分，氧化鈀占33.95%，氧化鈀是不容易溶解的穩定物質，為后續流程帶來了不便。

圖4 熱解超過550℃灰分XRD圖

由表4和圖4可見，隨著熱解溫度的升高，鈀回收率也會隨之提高。若溫度過高的話,有機物的蒸出率會顯著增大,這 是由于原料液中的有機雜質成分中醛的縮聚物較多,當焚燒溫度達到一定水平時,這些醛的縮聚物開始蒸發出來,表現為有機物的去除率顯著升高,但同時原料液中的羰基鈀也逐漸會被氧化成性質穩定而極難溶解的氧化態鈀,會直接影響到鈀的液相回收率。但若溫度過高的話，部分晶粒鈀在高溫下被氧化成氧化鈀，氧化鈀是不容易溶解為后續流程帶來了不便。因此，選擇適宜的熱解溫度為550℃。

3 結論

本文提供回收工藝的優點是：(1)技術可靠，金屬回收率高>95%。(2)金屬鈀純度高達99.95%。(3)綠色環保無污染。(4)流程步驟短操作簡便。(5)熱解系統設計合理，金屬損耗小，生產效率高。