張孟磊,宋浩,鄭成航,劉少俊,吳衛(wèi)紅
(浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)
加氫催化劑應(yīng)用十分廣泛,長(zhǎng)期使用后,最終會(huì)變?yōu)閺U催化劑[1],其中含有大量金屬和雜質(zhì),若處置不當(dāng)則會(huì)造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[2-3]。因此,實(shí)現(xiàn)廢催化劑的高效資源化利用具有重要意義[4]。
為了回收廢催化劑中的金屬,需要對(duì)其進(jìn)行浸出處理[5-6],酸浸是應(yīng)用較為廣泛的一種方法,目前多以硫酸、鹽酸等為浸出劑[7-10]。超聲具有空化作用及熱效應(yīng)等特性,利用超聲強(qiáng)化浸出過(guò)程,具備一定的優(yōu)越性[11-12]。本文采用超聲強(qiáng)化酸浸回收廢加氫催化劑中的有價(jià)金屬鋁、鉬、鈷,研究最優(yōu)浸出條件,為實(shí)現(xiàn)廢加氫催化劑中的有價(jià)金屬的回收利用提供有益借鑒。
廢加氫催化劑,國(guó)內(nèi)某煉油廠廢棄的加氫脫硫催化劑(鉬鈷系),主要金屬組分為鋁、鉬、鈷、硅、鐵等;硫酸,分析純。
DLT-1000D型超聲波反應(yīng)器;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器;iCAP6300型電感耦合等離子發(fā)射光譜儀等。
對(duì)廢催化劑進(jìn)行清潔處理,用去離子水去除表面灰塵雜質(zhì),烘干、粉碎、研磨、篩分后干燥保存。
廢催化劑裝入坩堝,放入馬弗爐內(nèi)焙燒。焙燒條件為焙燒溫度550 ℃,焙燒時(shí)間4 h,升溫速率 10 ℃/min。焙燒后樣品,在超聲波反應(yīng)器及水浴鍋內(nèi)進(jìn)行浸出實(shí)驗(yàn),超聲功率400 W,浸出劑濃度為 2 mol/L,液固比為50∶1 mL/g,反應(yīng)溫度為90 ℃,反應(yīng)時(shí)間為60 min。
廢催化劑焙燒前后的XRD及XRF分析結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。
圖1 廢催化劑焙燒前后XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of spent catalyst before and after roasting
表1 廢催化劑焙燒前后主要元素含量Table 1 Element content of spent catalyst before and after roasting
由圖1可知,原樣品中金屬鈷和鉬主要以硫化物形式存在,金屬鋁以Al2O3形式存在,結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,經(jīng)過(guò)高溫焙燒之后,鉬、鈷幾乎全部轉(zhuǎn)化為了氧化物。由表1可知,經(jīng)過(guò)焙燒,廢催化劑中不利于浸出的積碳基本被清除,S含量也大大降低。因此,廢催化劑經(jīng)焙燒后更有利于后續(xù)的酸性浸出過(guò)程[9]。
超聲強(qiáng)化對(duì)廢催化劑的浸出效果影響見(jiàn)圖2。
由圖2 可知,采用超聲強(qiáng)化可提高有價(jià)金屬的浸出率,這主要是因?yàn)槌暱栈臋C(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)促進(jìn)了體系的宏觀湍動(dòng),增強(qiáng)了固體顆粒的沖撞,減小了擴(kuò)散層厚度,增大了傳質(zhì)表面,提高了傳質(zhì)速率[11-12]。隨著超聲功率的增大,鉬、鈷的浸出率提升較小,這主要是由于在超聲強(qiáng)化條件下,鉬、鈷已基本達(dá)到最大浸出。綜合考慮能耗等因素,采用超聲強(qiáng)化功率為400 W。
超聲強(qiáng)化下,浸出條件對(duì)浸出效果影響見(jiàn)圖3~圖6。
圖3 浸出劑濃度對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響Fig.3 The effect of leaching agent concentration on the leaching rate of valuable metals
由圖3可知,反應(yīng)溫度為90 ℃,反應(yīng)時(shí)間為 60 min,液固比為50∶1 mL/g時(shí),廢催化劑中各組分的浸出率隨浸出劑濃度的升高而升高,鈷和鉬的浸出率變化較為相似,在濃度為1 mol/L時(shí)已達(dá)到較高浸出率,此時(shí)鈷、鉬浸出率分別為90.4%和88.5%,當(dāng)濃度繼續(xù)增加到2 mol/L時(shí),浸出率分別為99.1%和98.3%,幾乎完全浸出。鋁隨著浸出劑濃度增加浸出率不斷升高,鋁含量過(guò)高不利于后續(xù)的分離過(guò)程。綜合考慮,選取浸出劑濃度2 mol/L。
由圖4可知,在反應(yīng)溫度為90 ℃,反應(yīng)時(shí)間為60 min,浸出劑濃度為2 mol/L的條件下,隨著液固比的增加,鈷、鉬、鋁的浸出率均明顯升高,這是因?yàn)殡S著液固比的增加,浸出劑用量增加,更有利于浸出劑與樣品充分混合,增大了反應(yīng)接觸面積,可溶性金屬向溶液中的擴(kuò)散阻力減小,更有利于金屬浸出。當(dāng)液固比為50∶1 mL/g時(shí),鈷、鉬已基本浸出,浸出率達(dá)到99.1%和98.3%,繼續(xù)增加液固比,浸出率保持穩(wěn)定。綜合考慮浸出成本及效率,選擇液固比為50∶1 mL/g。
圖4 液固比對(duì)有價(jià)金屬浸出率的影響Fig.4 The effect of liquid-solid ratio on the leaching rate of valuable metals
由圖5可知,在反應(yīng)時(shí)間為60 min,液固比為50∶1 mL/g,浸出劑濃度為2 mol/L的條件下,反應(yīng)溫度對(duì)浸出效果的影響較為顯著,當(dāng)反應(yīng)溫度從 50 ℃ 升高至90 ℃的過(guò)程中,三種金屬的浸出率均隨溫度升高而升高,當(dāng)溫度升至90 ℃時(shí),鈷、鉬、鋁的浸出率分別達(dá)到了99.1%,98.3%和46.8%,綜合考慮后選擇反應(yīng)溫度為90 ℃。
圖5 反應(yīng)溫度對(duì)有價(jià)金屬浸出率影響Fig.5 The effect of reaction temperature on the leaching rate of valuable metals
由圖6可知,反應(yīng)時(shí)間在30 min之前,三種金屬的浸出率隨時(shí)間變化迅速,30 min后鈷和鉬的浸出率趨于平緩,60 min時(shí)已經(jīng)達(dá)到最大,分別為99.1%和98.3%,說(shuō)明鈷、鉬浸出已基本反應(yīng)完全,而鋁的浸出率仍然隨時(shí)間緩慢增加。
圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)有價(jià)金屬浸出率影響Fig.6 The effect of reaction time on the leaching rate of valuable metals
廢催化劑的超聲強(qiáng)化浸出過(guò)程是廢催化劑中各組分溶解到液相中的過(guò)程,屬于固液相反應(yīng),廢催化劑顆??梢暈榘饘僭氐那蛐晤w粒,該反應(yīng)可以用未收縮核模型進(jìn)行描述[14]。本研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程均在高速攪拌條件下完成,因此,可忽略液相傳質(zhì)作用的阻力,主要考慮化學(xué)反應(yīng)影響和固膜擴(kuò)散阻力影響,其中當(dāng)浸出過(guò)程受化學(xué)反應(yīng)控制時(shí),動(dòng)力學(xué)方程為:
(1)
當(dāng)浸出過(guò)程受固膜擴(kuò)散控制時(shí),動(dòng)力學(xué)方程為:
(2)
式中,x為元素的浸出率(%);ka和kb分別為化學(xué)反應(yīng)控制和內(nèi)擴(kuò)散控制的速率常數(shù)。
為確定浸出過(guò)程動(dòng)力學(xué)控制模型,分別使用方程(1)和(2)對(duì)圖3~圖6中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果見(jiàn)圖7及圖8。從這兩個(gè)模型得到的相關(guān)系數(shù)的平方值(R2)以及速率常數(shù) (k)列于表2中。
圖7 化學(xué)反應(yīng)控制模型與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between chemical reaction control model and reaction time
圖8 擴(kuò)散控制模型與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curve between diffusion control model and reaction time
由圖8可知,在超聲強(qiáng)化反應(yīng)條件下,Al、Mo、Co的kbt與時(shí)間t具有更好的線性關(guān)系,且表2中固膜擴(kuò)散控制模型的R2值均大于化學(xué)反應(yīng)控制模型的R2值,可知浸出過(guò)程由固膜擴(kuò)散來(lái)控制,在浸出過(guò)程增加超聲外場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)化,有利于提高傳質(zhì)擴(kuò)散,因此,超聲強(qiáng)化可明顯提升廢催化劑中Al、Mo、Co的浸出效率。
表2 超聲強(qiáng)化浸出過(guò)程動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Kinetic parameters of ultrasound assisted leaching process
(1)超聲強(qiáng)化能夠顯著提升廢催化劑中有價(jià)金屬鋁、鉬、鈷的浸出率,最佳反應(yīng)條件為超聲功率400 W,浸出劑硫酸濃度為2 mol/L,液固比為 50∶1 mL/g,反應(yīng)溫度為90 ℃,反應(yīng)時(shí)間為60 min,在此條件下,鋁、鉬、鈷浸出率為46.8%,98.3%,99.1%。
(2)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明,超聲強(qiáng)化浸出過(guò)程符合未收縮核模型,固膜擴(kuò)散為反應(yīng)的限制環(huán)節(jié),因此利用超聲強(qiáng)化,可增強(qiáng)浸出過(guò)程的傳質(zhì)擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)廢催化劑中的有價(jià)金屬的高效浸出。