Sviluppo di un processo idrometallurgico per riciclare metalli preziosi dal catalizzatore SCR deNOX esaurito

Rapporti scientifici volume 11, numero articolo: 22131 (2021) Citare questo articolo

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Il catalizzatore esaurito, contenente vanadio e ossido di tungsteno in una matrice di fibra di vetro TiO2, comporta un rischio di contaminazione ambientale a causa dell'elevata tossicità dei suoi ossidi metallici se lisciviati nel terreno quando smaltiti in discarica. A causa della crescente domanda di metalli e del continuo esaurimento delle risorse primarie, vi è una crescente necessità di riciclaggio e ritrattamento dei catalizzatori esauriti e di altre fonti metalliche secondarie per ragioni ambientali ed economiche. Studio del processo di tostatura della soda del catalizzatore SCR esaurito con NaOH disciolto rispetto alla normale tostatura a secco di NaOH e della sua influenza sulla successiva lisciviazione dell'acqua. Dopo l'ottimizzazione, i parametri ideali sono la tostatura utilizzando un rapporto 0,4 di NaOH/catalizzatore SCR esaurito in soluzione per 2 ore a 973 K e la lisciviazione con acqua deionizzata per 30 minuti, a 298 K con una densità della polpa del 30%. I risultati della ricerca mostrano un'importante riduzione della temperatura di tostatura e del tempo di lisciviazione durante il trattamento del catalizzatore SCR esaurito, ottenendo un liquore con efficienza di lisciviazione pari al 95,4% W e all'80,2% V. I composti di silicio sono una delle principali impurità lisciviate insieme ai metalli preziosi e in questo lavoro i composti di silicio lisciviati vengono ridotti in modo significativo con l'obiettivo di evitare la post-lavorazione di de-silicazione del liquido di lisciviazione. Il vantaggio principale del processo proposto è l'aumento dell'efficienza di lisciviazione di vanadio e tungsteno con una minimizzazione delle impurità di silicio in un tempo più breve indipendentemente dalla temperatura di lisciviazione.

A partire dagli anni 2000 (nuovo millennio) le crescenti preoccupazioni sull'inquinamento ambientale causato dagli ossidi di azoto hanno influenzato direttamente una maggiore produzione e domanda di catalizzatori di riduzione catalitica selettiva (SCR) per la minimizzazione degli NOx scaricati da una varietà di fonti (stazionarie e mobili) in tutto il mondo1,2,3. Pertanto, aumenta anche la quantità di rifiuti derivanti dai catalizzatori generati dall’aumento della quantità di catalizzatori SCR prodotti4,5. Fino ad ora, i catalizzatori SCR esausti che sono stati disattivati ​​per avvelenamento sono stati rigenerati e riutilizzati fino a quando l'attività non viene ridotta, quando la maggior parte di essi viene smaltita in discariche con rifiuti designati in base alle normative di ciascun paese6,7,8. Tuttavia, la composizione del catalizzatore esaurito presenta un’altra minaccia ambientale quando viene smaltito o sepolto a causa dell’accumulo e della lisciviazione di V2O5, un composto altamente tossico insieme ad altri metalli pesanti. Inoltre, il catalizzatore disattivato non può essere riprocessato direttamente come nuovo supporto catalitico a causa dell'elevato contenuto di As, Na, Ca, Fe e K e della sua vulnerabilità alla tossicità chimica9,10,11. Uno dei catalizzatori più comuni ed efficaci sono i catalizzatori SCR costituiti da V2O5–WO3/TiO2 che, generalmente hanno un contenuto di Ti, W e V molto elevato, di conseguenza può essere un'opzione fattibile dal punto di vista economico e ambientale per recuperarli e riutilizzarli. Ti, W e V rigenerati dopo il recupero possono essere utilizzati come materie prime per nuovi catalizzatori o come materie prime in altri settori4,12,13. Di conseguenza, vengono condotti attivamente studi di sviluppo tecnologico per recuperare e rigenerare le materie prime dai catalizzatori esausti14. Sono ampiamente noti diversi metodi idrometallurgici per il riciclo di titanio, tungsteno e vanadio da catalizzatori SCR esausti, che consistono nella preparazione di un percolato mediante tostatura con soda15, pressurizzato16 o lisciviazione acida e alcalina, e quindi purificato per ottenere il prezioso metalli nella soluzione17.

Wu et al. (2016) hanno studiato il ritrattamento del tungsteno dal catalizzatore SCR esaurito (tipo a nido d'ape) mediante il metodo di scambio ionico di lisciviazione alcalina. I campioni di catalizzatore esaurito con dimensioni delle particelle di 74 μm sono stati lisciviati con un elevato rapporto di liquido del 3% e una temperatura di reazione di 70 ° C per 30 minuti, rispettivamente, e sono stati lisciviati rispettivamente il 91% in peso e l'87% in peso di W e V. Il percolato è stato adsorbito utilizzando una resina a scambio anionico basico forte (Amberlite IRA900) e il WO4- bivalente è stato separato selettivamente in condizioni di pH elevato18. Choi et al. (2019, 2018a) hanno eseguito esperimenti di tostatura della soda con Na2CO3 per reagire con i catalizzatori SCR esausti. La quantità di Na2CO3 era pari a 10 equivalenti e il catalizzatore SCR esaurito con una dimensione delle particelle inferiore a 106 μm è stato tostato a 1070 K per 120 minuti. In questo studio, si è scoperto che l'aumento della quantità di tungsteno lisciviato era correlato all'inibizione della produzione di CaWO4 dovuta all'aumento dell'aggiunta di Na2CO3 insieme alla velocità di trasformazione delle fasi di TiO2 anatasio in rutilo. Al contrario, la quantità di vanadio lisciviata non è stata influenzata dalla quantità di carbonato di sodio e i risultati dell’esperimento hanno mostrato un tasso costante approssimativo di circa il 40%. Ciò è stato attribuito alla produzione di acido calcio-vanadio quando reagisce con CaO presente nella materia prima, e la capacità di lisciviazione di V è stata ottenuta analizzando la quantità di calcio nella materia prima2,10,15. Wu et al. (2018) hanno esaminato la lisciviazione selettiva e i meccanismi di reazione di V e Fe utilizzando acido ossalico. L'esperimento è stato eseguito per 180 minuti alla condizione di una temperatura di reazione di 90 °C, un rapporto liquido elevato di 20 mL/g e una dimensione delle particelle di 75 μm utilizzando una concentrazione di acido ossalico di 1,0 mol/L. I risultati hanno mostrato una Lisciviazione dell'84% del V e del 96% del Fe. I cationi solubili VO2+ e Fe3+ sono stati ridotti attraverso il processo di dissoluzione e complessazione nella reazione di lisciviazione. È stato scoperto che V e Fe producono un'elevata lisciviazione quando erano presenti in alcune forme di VOC2O4 e Fe(C2O4)2 a pH 0,33, il che ha dimostrato che la reazione di ossidoriduzione ha portato alla distruzione dell'equilibrio di dissoluzione e complessazione per VO2+, VO+ e Fe3+. Nel caso del tungsteno e del titanio, si è verificata solo la reazione di dissoluzione e complessazione e l'efficienza della lisciviazione è stata ostacolata dalla solubilità19.