廢脫硝催化劑加鹽焙燒-酸浸提鈦的浸出動力學研究

王路平，梅光軍*，吳 敏，袁勤智，于明明

（1.武漢理工大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430070；2.江西理工大學資源與環境工程學院,江西 贛州 341000）

0 引言

氮氧化物會導致酸雨、臭氧層空洞等各種環境問題[1]，而我國火電廠發電過程中會產生大量的氮氧化物[2]，隨著國家環保政策的推進，煙氣脫硝技術被廣泛應用[3]。脫硝催化劑是煙氣脫硝技術的關鍵部分，在長期的煙氣處理后，催化劑會中毒失活，使用壽命通常為3～5 年[4]，隨著更換期的到來，廢脫硝催化劑的年產量將達到4 萬t 以上[5]。多數廢催化劑被填埋處理，而2014 年環保部將廢脫硝催化劑（釩鈦系）納入危險廢物[6]，按危險廢物直接填埋將大大提高企業經濟負擔，并且廢脫硝催化劑本身含有寶貴的鈦資源，因此，對廢催化劑中的鈦資源進行回收，將危廢變為固廢，實現環保與經濟效益的雙收，具有重要的現實意義。

目前市面上的脫硝催化劑基本是以TiO2為載體，典型的脫硝催化劑含80%～90% TiO2，1%～3%V2O5，<10% WO3，對其回收的主要方式包括酸浸法、堿浸法以及鈉化焙燒法。酸浸法和堿浸法都是通過浸出釩鎢實現和鈦的分離，然后進行釩鎢的回收，浸渣則為二氧化鈦或含部分鈦酸鈉的二氧化鈦，通過酸洗再焙燒得到二氧化鈦。而鈉化焙燒法則是在加入鈉化劑焙燒后水浸分離釩鎢，浸渣通過酸洗再焙燒得到二氧化鈦[7]。而某企業廢脫硝催化劑（本研究的原料）氧化鋁和二氧化硅含量在90% 以上，TiO2含量很低，尚無對此類廢脫硝催化劑回收的研究，然而企業出于成本考慮，回收愿望迫切。筆者參照其他廢催化劑處理方法，在實驗室開展了相關探索試驗。通過加鹽焙燒后水浸得到釩浸出液，浸渣再酸浸得到鈦浸出液，然后分別對釩浸出液進行除雜沉釩回收，鈦浸出液通過水解回收鈦，釩鈦提取率都達到90%以上。在前期工作基礎上，此處重點研究了酸浸過程中鈦的浸出動力學，從酸浸溫度、硫酸濃度兩方面研究其在浸出過程中的控制作用，用來更深入了解酸浸過程中反應速率的控制因素，為此類廢脫硝催化劑中鈦的回收提供技術參考。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗原料為某企業廢脫硝催化劑，經破碎、水洗、烘干后磨至粉狀待用。通過X 射線熒光光譜分析得出其化學成分，如表1 所示。

1.2 試驗方法

通過文獻調研，參照其他廢催化劑處理方法，制定了以下具體回收方案：將廢催化劑加鹽焙燒后，焙燒熟料水洗后烘干進行酸浸。為確保浸出過程中硫酸濃度不變，采用較大的液固比16:1，將硫酸定量加入燒杯中，置于恒溫磁力加熱攪拌器加熱升至設定溫度，加入一定量焙燒熟料，定速攪拌，用保鮮膜密封燒杯保證恒定液固比，反應過程中定時取樣，分析鈦的浸出率，浸出率利用式（1）計算。

式中，取樣液鈦濃度采用icp 進行測定，mg/mL；酸浸體積，mL；原樣質量，g；原樣鈦含量，mg/g。

探究硫酸濃度影響時，選擇硫酸質量分數分別為30%、45%、60%，浸出溫度80℃；探究酸浸溫度影響時，選擇浸出溫度分別為30、40、60、80 ℃，硫酸質量分數為60%。液固比均為16:1，定時取樣，檢測鈦的浸出率。

1.3 浸出動力學分析

廢脫硝催化劑焙燒熟料的硫酸浸出是液-固多相反應，反應先在顆粒表面發生，隨著反應進行逐漸向顆粒中心收縮，未反應核變小，因此鈦的酸浸過程可認為符合未反應核收縮模型[8]。核縮模型的浸出過程受液相傳質、固膜擴散、表觀化學反應三者中最慢環節控制或受混合控制，而在高速攪拌下，可以忽略液相傳質的影響，因此浸出反應速率受固膜擴散控制、化學反應控制或兩者混合控制[9]。

受化學反應、固膜擴散、兩者混合控制的反應方程分別如下[10]：

式中，α為浸出率，%；k1為化學反應速率常數；k2為擴散速率常數；k3為混合速率常數；t為反應時間，min。

阿倫尼烏斯公式給出了反應速率常數和溫度兩者之間的關系，公式為：

式中，k 為反應速率常數；A 為指前因子；Ea為表觀活化能，J/mol；R 為理想氣體常數，J/（mol·K）；T為絕對溫度，K。

將阿倫尼烏斯公式經過推導可得到：

因此，以lnk 對1/T作圖，擬合直線的斜率k′=?Ea/R，從而可求出表觀活化能Ea。

2 結果與討論

2.1 硫酸濃度對反應速率的影響

不同硫酸濃度下鈦浸出率與時間關系見圖1。

圖1 硫酸濃度對鈦浸出率的影響Fig.1 Influence of sulfuric acid concentration on leaching rate of titanium

由圖1 可知，在硫酸濃度較低時，鈦浸出率也較低，且在短時間內浸出率基本達到穩定，硫酸質量分數30% 時，30 min 浸出率就達到36.76%。而到了180 min，浸出率也只有43.88%，僅提高7.12 個百分點。而隨著硫酸濃度的增大，鈦浸出率顯著提高，在硫酸質量分數分別為45% 和60% 時，30 min 浸出率分別為46.25% 和50.05%，180 min 浸出率則分別為75.53% 和99.41%，分別提高了29.28 個百分點和49.36 個百分點。

硫酸濃度提高，意味著浸出劑與廢催化劑顆粒的碰撞概率增大，反應更容易發生，速率更快，圖1中45%和60%質量分數的硫酸浸出在相同時間鈦浸出率都更高，且濃度越高，增速越大，與之符合。而30%質量分數硫酸浸出鈦浸出率很快穩定且較低，可能是因為隨著反應進行，硫酸被消耗，導致浸出劑不足。綜合考慮，硫酸質量分數選擇60%，此時180 min 鈦浸出率為99.41%。

2.2 酸浸溫度對反應速率的影響

不同酸浸溫度下鈦浸出率與時間關系見圖2。

圖2 浸出溫度對鈦浸出率的影響Fig.2 Effect of leaching temperature on leaching rate of titanium

由圖2 可知，在反應初期，溫度越高，浸出率越高，速率越快；而隨著反應的進一步進行，低溫時浸出率很快穩定，保持在一個較低水平，而更高溫度時反應速率仍然較大，浸出率迅速提高。

相同時間內，鈦浸出率隨著溫度升高而提高，反應30 min，30 ℃鈦浸出率為26.95%，而80 ℃浸出率為50.05%，提高了23.1 個百分點。溫度升高，溶液中離子移動速度提高，浸出劑擴散加劇，加快了反應速率。而隨著反應繼續進行，顆粒外層附著的生成物形成阻礙，低溫時擴散力與阻力很快平衡，導致浸出率很快平穩；而更高溫度時擴散力更大，浸出速率仍然較高，因此浸出率隨時間增加進一步提高。綜合考慮，浸出溫度選擇80 ℃。

2.3 浸出動力學分析

將不同硫酸濃度的鈦浸出率變化數據分別帶入式（2）～（4）中進行線性擬合，結果如圖3 所示。由圖3 可知，硫酸質量分數為30% 時，與t有良好的線性關系，而硫酸質量分數為45%和60%時，與t 有較好的線性關系，這說明硫酸質量分數為30%時，酸浸過程主要受化學反應和固膜擴散兩者混合控制，而在濃度提高到45% 以上后，則轉變為受化學反應控制。

圖3 不同硫酸濃度浸出率與時間的關系Fig.3 Relationship between leaching rate and time at different sulfuric acid concentrations

由浸出動力學可知，受外擴散控制時，提高浸出劑濃度能迅速提高浸出速度；而受化學反應控制時，增大浸出劑濃度也能提高反應速率。在低濃度時，外擴散速率和化學反應速率兩者同時制約了浸出速率，所以浸出率較低，此時浸出過程受混合控制；而隨著濃度增大，外擴散速率迅速增大，不再成為制約，化學反應速率也進一步提高，浸出速率從而提高，浸出過程轉變為化學反應控制；隨著濃度繼續增大，化學反應速率繼續提高，浸出速率繼續增大，這與圖1的數據結果吻合，進一步說明低濃度時酸浸反應過程受固膜擴散（外擴散）和化學反應混合控制，而隨著濃度增大轉變為化學反應控制。

將不同溫度的鈦浸出率變化數據分別帶入式（2）～（4）中進行線性擬合，結果如圖4 所示。

圖4 不同溫度浸出率與時間的關系Fig.4 Relationship between leaching rate and time at different temperatures

由浸出動力學可知，受固膜擴散或化學反應控制時，升溫都能提高浸出速率。較低溫時，擴散速率和化學反應速率共同制約了浸出速率，此時酸浸過程受兩者混合控制，浸出率低；隨著溫度升高，擴散速率和化學反應速率都提高，擴散速率不再成為反應速率的制約，酸浸過程轉變為化學反應控制，升溫使得浸出速率進一步提高，這與圖2 的數據結果吻合，進一步說明低溫時酸浸過程受混合控制，較高溫時則轉為化學反應控制。

將不同硫酸濃度C的反應速率常數k 以lnk對lnC作圖，擬合直線斜率即為表觀反應級數n，由圖5 可知，酸浸過程的表觀反應級數為4.932。

圖5 lnk 與lnC 的關系Fig.5 Relationship between lnk and lnC

利用式（6），分別代入30、40 ℃時和60、80 ℃時的lnk 和1/T數據，分別求得30、40 ℃時的浸出過程表觀活化能為30.23 kJ/mol，60、80 ℃時的浸出過程表觀活化能為92.92 kJ/mol。由浸出動力學可知，混合控制的表觀活化能在12～41.8 kJ/mol，化學反應控制的表觀活化能應大于41.8 kJ/mol，這與計算結果吻合，進一步說明30、40 ℃時酸浸過程為混合控制，60、80 ℃時則為化學反應控制。

3 結論

通過對廢脫硝催化劑加鹽焙燒后酸浸時鈦的浸出過程的動力學研究，可得到以下結論：

1）對于試驗所用的廢脫硝催化劑，加鹽焙燒后硫酸浸出鈦的過程符合未反應核縮模型。在硫酸質量分數為30%時，浸出過程受混合控制，硫酸質量分數提高到45%以上后，浸出過程受化學反應控制，表觀反應級數為4.932。

2）硫酸質量分數為60%時，較低溫時浸出過程受混合控制，溫度提升后受化學反應控制。受混合控制時，其表觀活化能為30.23 kJ/mol，受化學反應控制時，其表觀活化能為92.92 kJ/mol。

3）硫酸濃度和浸出溫度對反應速率有很大影響。在硫酸質量分數60%，浸出溫度80 ℃時，鈦浸出率可達99%以上，而在硫酸質量分數為30%時和在溫度為30 ℃時，鈦浸出率僅分別為43.88%和34.97%。動力學研究表明，提高溫度和提高硫酸濃度，都能大大提高鈦浸出率。