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        HCl-CuCl2-NaClO濕法浸取手機(jī)元器件中的鈀、金

        2016-12-23 08:02:06丁江鈴,張小平,朱亞茹
        中國環(huán)境科學(xué) 2016年12期
        關(guān)鍵詞:氧化劑固液元器件

        HCl-CuCl2-NaClO濕法浸取手機(jī)元器件中的鈀、金

        丁江鈴1,3,張小平1,2,3*,朱亞茹1,3,張?zhí)煊?,3,劉競輝1,3(1.華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院,廣東 廣州 510006;2.工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室,廣東 廣州 510006;3.廣東省固體廢物處理和回收利用重點實驗室,廣東 廣州 510006)

        通過HCl-CuCl2-NaClO濕法浸出體系對手機(jī)元器件中金屬鈀(Pd)、金(Au)進(jìn)行浸出實驗,研究不同因素對于Pd、Au浸出率的影響.結(jié)果顯示,在2mol/L HCl、體積分?jǐn)?shù)5% NaClO、0.075mol/L CuCl2、固液比1%,反應(yīng)溫度60℃條件下,2h后Pd、Au浸出率均可達(dá)85%;結(jié)果表明,Cu2+、Cl-、溫度對于Pd的浸出率起很大作用,NaClO的加入可加快Pd浸出反應(yīng)達(dá)到平衡速率;NaClO、溫度對于Au的浸出率起關(guān)鍵作用,HCl、Cu2+的加入可促進(jìn)Au的浸出.因此,HCl-CuCl2-NaClO濕法浸出體系對于Pd、Au具有良好的浸出效果.

        電子廢棄物;金;鈀;銅-氯體系;濕法浸出;手機(jī)

        全球每年大約產(chǎn)生3500萬t的電子廢棄物,中國每年產(chǎn)生的電子廢棄物量超過300萬t[1].據(jù)估計,到2020、2030年,中國將產(chǎn)生1550,2840萬t電子廢棄物[2].新版《廢棄電器電子產(chǎn)品處理目錄》也于2016年3月1日起正式實施,在舊目錄的基礎(chǔ)上,將管理范圍擴(kuò)大至 14類,手機(jī)被納入其中.2013年中國廢舊手機(jī)產(chǎn)生量已達(dá)到7.99億部[3].廢舊手機(jī)中的貴金屬含量高于其他電子廢棄物,尤其是Ag和Pd的含量[2].平均每t廢舊手機(jī)中含 130kg Cu,3.5kg Ag,0.34kg Au,0.14kg Pd[4].

        對于從手機(jī)線路板中回收金屬主要的研究方法有物理法、火法、濕法及生物法等[5-11].其中濕法回收電子廢棄物中金屬的研究最多.線路板金屬的研究集中于Cu、Au、Ag、Pd等[12-20].濕法回收貴金屬的研究方法有硫脲法,硫代硫酸鹽法,鹵化法等[4,16,21-23].

        濕法浸取金屬方面常常使用氧化劑將其氧化,以離子或絡(luò)合物的形式進(jìn)入溶液中.一些研究已經(jīng)將O2、H2O2、Fe3+、Cl2等作為氧化劑運用到Cu、Fe、Ni、Au、Ag等的浸出實驗中[20,24-26].在氯化物介質(zhì)中,Cu2+也能夠作為氧化劑,對于普通金屬及貴金屬都有良好的氧化效果(銅-氯體系),一些研究將 Cu2+作為氧化劑運用到電子廢棄物中金屬浸取方面, Yazici等[12],Deveci等[26]在酸性條件下,加入NaCl,將Cu2+作為氧化劑,氧化浸出Cu、Ag等. Zhang等[20-21]運用CuSO4和NaCl溶液浸出線路板中的Ag、Pd,取得良好效果.但銅-氯體系對于Au的氧化浸出效果卻并不明顯,有研究將次氯酸鹽運用于礦物中 Au的浸出,實驗表明,次氯酸鹽對于 Au有良好的氧化浸出效果[19,27,29].

        采用HCl-CuCl2-NaClO體系濕法浸出手機(jī)元器件粉末中的 Pd、Au,通過對銅-氯體系的改良,解決了Au浸出率低的問題,實現(xiàn)Pd、Au兩種貴金屬同時高效浸出.本實驗研究溫度、銅離子濃度、次氯酸鈉濃度、鹽酸濃度以及固液比(反應(yīng)時固體粉末質(zhì)量與液體體積比,g/mL)各因素對Pd、Au浸出效果的影響.以期為手機(jī)元器件中Pd、Au回收提供技術(shù)支持.

        1 實驗材料與方法

        1.1 實驗材料

        實驗所用的材料來自佛山某資源利用有限公司提供的廢舊手機(jī),手工拆解手機(jī),取下電路板,利用熱風(fēng)槍將電路板表面的元器件吹落,將吹落的元器件收集后利用高速旋轉(zhuǎn)破碎機(jī)破碎至 60目以上(<0.25mm)粉末.該手機(jī)元器件粉末即實驗所用的原材料.取0.5g元器件粉末采用HNO3-HCl-HF進(jìn)行消解.消解徹底后進(jìn)行趕酸稀釋,利用火焰原子吸收(AAS)測定金屬含量,進(jìn)行 6次重復(fù)實驗,金屬含量取其平均值,結(jié)果見表1.

        表1 原材料中金屬含量Table 1 Metal contents of the sample

        1.2 實驗方法

        采用HCl、CuCl2、NaClO化學(xué)試劑(分析純),研究不同試劑濃度、不同溫度以及固液比對手機(jī)元器件粉末中Au、Pd浸出效果的影響,稱取3g粉末于500mL燒杯中,在不同反應(yīng)條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),HCl:1~2mol/L;CuCl2:0~0.125mol/L;NaClO: 5%~10%(體積比);固液比:1%~5%,置于不同溫度恒溫水浴鍋中,采用保鮮膜封口,在400r/min的數(shù)顯電動攪拌器下攪拌均勻.于不同反應(yīng)時間點采用20mL一次性注射器取樣、0.22μm水系過濾頭過濾后,采用火焰原子吸收(AAS)測定浸出液中金屬含量.每組實驗在同等實驗反應(yīng)條件下重復(fù)3次,取平均值.并根據(jù)原粉末中金屬含量計算得出浸出率.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 CuCl2對Pd、Au浸出率的影響

        在2mol/L HCl、5% NaClO,1%固液比,60℃反應(yīng)條件下,控制CuCl2的濃度,浸出率隨時間的變化見圖1.

        從圖1可以看出,浸取金屬化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行速率很快,對于Pd浸出,Cu2+濃度增加會提高Pd的浸出效率,但是基本上在半小時內(nèi)就達(dá)到平衡.在Cl-存在情況下,Cu2+作為氧化劑將金屬氧化為離子狀態(tài)進(jìn)入溶液中,Cu2+具有氧化性是由于它可作為Cl-的配位體.例如,在Cu2+和Cl-存在下金屬Cu首先溶解為亞銅(Cu+),隨后形成銅氯配合物(1≤n≤4)[12,26],溶液應(yīng)保證氯化物的濃度,以防止Cu+以CuCl沉淀形式存在.隨著Cl-濃度的不同,Cu2+也可能以 CuCln2-n的形式存在.增加Cl-濃度時,能夠降低普通金屬與貴金屬的反應(yīng)勢能(Cu、Fe、Au、Pd等)[30].Cu2+作為氧化劑將Cu、 Pd、Au氧化為、、Zhang等[28]研究發(fā)現(xiàn)Cu/Cu2+對于鈀的浸出效率有很大影響,當(dāng) Cu/Cu2+≥1.4時,主要跟元器件粉末中的Cu發(fā)生反應(yīng),生成CuCl沉淀,當(dāng)Cu/Cu2+≤0.95時,Pd被氧化,Pd的回收效率高達(dá)98%,Cu2+作為氧化劑將Cu、Pd、Au、Ag氧化,主要發(fā)生以下反應(yīng)[26]:

        圖1 鈀和金的浸出率隨時間的變化([HCl]:2mol/L, [NaClO]:5%, 60℃, 1%固液比)Fig.1 Varations of palladium and gold leaching efficiencies with time ([HCl]:2mol/L, [NaClO]: 5%, 60℃, 1% S/L)

        2.2 NaClO對Pd、Au浸出率的影響

        在2mol/L HCl、0.075mol/L CuCl2,1%固液比,60℃反應(yīng)溫度下,控制 NaClO的量,浸出率隨時間的變化見圖2.

        NaClO在有 HCl的情況下,可以水解為HClO、Cl2等,HClO的氧化性強于 ClO-.在有HClO、Cl2時,氧化性更強,加快 Pd的浸出速率.Au屬于高正電位金屬,溶解Au需要電極電位高的活性氧化劑.僅從標(biāo)準(zhǔn)電極電位的角度考慮,氯氣、次氯酸1.49V)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位均小于 Au的氧化電位,不足以將Au氧化.但在有Cl-存在的溶液中,由于金離子與氯離子生成穩(wěn)定的絡(luò)離子,,使其活度降低,從而使 Au的溶解電位大幅度降低[29].Cl--Cl2體系對于 Au的氧化浸出具有很好的效果,氯化物跟 Au的反應(yīng)速率比氰化物更快,同時不會在金的表面產(chǎn)生鈍化[27].當(dāng)pH≤2,溶液中存在Cl2、Cl-時,容易將Au氧化為.在氯化物溶液中 Au的溶解機(jī)理為:首先形成AuCl,進(jìn)一步跟Cl-結(jié)合為,最終被氧化為.主要發(fā)生的反應(yīng)為:

        圖2 鈀和金的浸出率隨時間的變化([HCl]:2mol/L, [CuCl2]:0.075mol/L, 60℃, 1%固液比)Fig.2 Varations of palladium and gold leaching efficiencies with time ([HCl]:2mol/L, [CuCl2]:0.075mol/L, 60℃, 1% S/L)

        2.3 HCl對Pd、Au浸出率的影響

        在 0.075mol/L CuCl2、5%NaClO,1%固液比,60℃反應(yīng)條件下,控制 HCl的量,浸出率隨時間的變化見圖3.

        圖3 鈀和金的浸出率隨時間的變化Fig.3 Varations of palladium and gold leachingefficiencies with time

        HCl濃度的增加會促進(jìn)Pd、Au的溶出,在大氣壓條件下,高濃度氯化物溶液可以增加質(zhì)子活性,促進(jìn)穩(wěn)定的金屬氯化復(fù)合物的形成.增加氯化物的濃度導(dǎo)致普通金屬與貴金屬(例如 Cu,Au, Pd,Ag)的氧化還原電位的降低[23].一些金屬氯化物添加Cl-后氧還原電位的變化見表2.

        表2 金屬氯化物的氧化還原電位Table 2 Potential of some metal cholride complexes[31]

        2.4 溫度對Pd、Au浸出率的影響

        在 2mol/L HCl、5% NaClO、0.075mol/L CuCl2,1%固液比,控制反應(yīng)溫度,浸出率隨時間的變化見圖4.

        圖4 鈀和金的浸出率隨時間的變化Fig.4 Varations of palladium and gold leaching efficiencies with time

        從圖4可以看出,溫度對于Pd、Au的浸出率及反應(yīng)速度都有很大的影響.溫度的升高可以提高金屬的浸出率和反應(yīng)速率,主要是因為金屬的氧化浸出是吸熱反應(yīng),增加反應(yīng)溫度可以降低氧化還原電位,促進(jìn) Pd、Au氧化為PdCl42-、AuCl4-.但同時過高的溫度會造成HCl、NaClO的揮發(fā), 60℃與80℃時Pd、Au的浸出率并沒有相差很多,有可能是HCl、NaClO揮發(fā)損失所造成.

        2.5 固液比對Pd、Au、Ag浸出率的影響

        不同固液比(1%~5%)在反應(yīng) 4h后的金屬浸出率見圖5,反應(yīng)條件為:60℃,2mol/L HCl、0.075mol/L CuCl2、5% NaClO.從圖中可以看出該體系對于金屬Ag也有良好的浸出效率,即使在較高的固液比下,Ag也有良好的浸出率.在5%固液比條件下,Pd的浸出率仍有80%.但Au隨固液比的增加,浸出率下降很快,這是因為Au的氧化電位在這些金屬中最高,最難溶出,當(dāng)溶液中的氧化性不夠時,Au的浸出率最先出現(xiàn)下降.

        圖5 不同固液比金屬浸出率Fig.5 The effect of solid/liquid ratio on the extraction of metals over 240min

        3 結(jié)論

        3.1 HCl-CuCl2-NaClO體系對于Pd的浸出率主要是由Cu2+、Cl-的濃度決定,NaClO的加入可加快反應(yīng)的進(jìn)行,溫度的升高同樣可促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行,在 2mol/L HCl、0.075mol/L CuCl2、5%NaClO、1%固液比、80℃條件下5h后可實現(xiàn)93%的浸出率.

        3.2 銅-氯體系中加入 NaClO可大大提高 Au的溶出,在一定濃度HCl存在時,金的浸出率主要與NaClO、溫度有關(guān).

        3.3 該體系不僅對于Pd、Au的浸出效果好,同時對于Cu、Ag的浸出率也很高,在2mol/L HCl、0.075mol/L CuCl2、5%NaClO、60℃條件下,即使固液比為5%時,4h后也可實現(xiàn)Cu、Ag 90%以上的浸出率.

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        Extraction of Pd,Au from Phone components in HCl-CuCl2-NaClO solutions.

        DING Jiang-ling1,3, ZHANG Xiao-ping1,2,3*, ZHU Ya-ru1,3, ZHANG Tian-yu1,3, LIU Jing-hui1,3(1.School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China;2.Key Laboratory of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters, Ministry of Education, Guangzhou 510006, China;3.Guangdong Environmental Protection Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Recycling, Guangzhou 510006, China). China Environmental Science, 2016,36(12):3711~3716

        A novel hydrometallurgical process for recovery of palladium and gold from phone components in HCl-CuCl2-NaClO leaching system was offered, different factors of Pd, Au leaching process were investigated. The results of experiment indicated that, on the condition of 2mol/L HCl, 5% NaClO, 0.075mol/L CuCl2at 333K for 2h with a solid/liquid ratio of 1/100, over 85% of Pd and Au was leached. Cu2+, Cl-, the temperature for the Pd leaching rates played a significant role. NaClO was added to solutions could accelerate the Pd leaching reaction rates; NaClO, the temperature for the Au leaching rates had a significant influence. The additions of HCl, Cu2+to promotes Au leaching. Therefore, HCl-CuCl2-NaClO leaching system for Pd, Au leaching have a positive effect.

        waste electrical and electronic equipment;gold;palladium;cupric-chloride leaching;hydrometallugry;mobile phone

        X705

        A

        1000-6923(2016)12-3711-06

        丁江鈴(1992-),女,江西鷹潭人,華南理工大學(xué)碩士研究生,主要從事電子廢棄物資源化處理與處置方面的研究.

        2016-06-02

        國家自然科學(xué)基金(21377041);廣東省科技計劃項目(2013B021300022);亞熱帶建筑科學(xué)基金會國家重點實驗室(2013KB28)

        * 責(zé)任作者, 教授, xpzhang@scut.edu.cn

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