Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия

Е. А. Кузас, доцент кафедры металлургии цветных металлов, Институт новых материалов и технологий, канд. техн. наук, эл. почта: e.kuzas@ya.ru
К. А. Каримов, старший научный сотрудник, Научная лаборатория перспективных технологий комплексной переработки минерального и техногенного сырья цветных и черных металлов, Институт новых материалов и технологий, канд. тех. наук
И. П. Сандалов, инженер, Физико-технологический институт, кафедра редких металлов и наноматериалов

Д. А. Рогожников, заведующий лабораторией, Научная лаборатория перспективных технологий комплексной переработки минерального и техногенного сырья цветных и черных металлов, Институт новых материалов и технологий, докт. тех. наук

Железный коллектор является промпродуктом переработки отработанных автомобильных катализаторов. Металлы платиновой группы инкапсулированы в матрице ферросилиция — основного компонента коллектора. Вскрытие ферросилиция традиционными гидрометаллургическими методами (выщелачиванием в соляной или серной кислотах) является неэффективным. Для интенсификации процесса гидрометаллургической переработки выщелачивание коллектора предложено проводить в смеси соляной и фтористоводородной кислот. Указанный способ обеспечивает высокую степень вскрытия матрицы ферросилиция с получением кеков, пригодных для последующего аффинажа. В данной работе с использованием модели сжимающегося ядра исследована кинетика выще лачивания железного коллектора, содержащего фазы ферросилиция, в смеси соляной и фто ристо водородной кислот. Получены обобщенные кинетические уравнения, адекватно описывающие процессы извлечения железа в раствор (R₂ = 0,96) и кремния в газовую фазу (R₂ = 0,93) при концентрации соляной кислоты 2,74–6,86 моль/л, концентрации фтористоводородной кислоты 1,50–7,50 моль/л, температуре 323–363 К и продолжительности выщелачивания железного коллектора 0–110 мин. Выявлено, что наибольшее влияние на степень извлечения железа в раствор оказывают концентрация соляной кислоты и температура, а кремния в газовую фазу — концентрация фтористоводородной кислоты. Рассчитаны значения кажущейся энергии активации: для железа — 38,7 кДж/моль и для кремния — 4,3 кДж/моль. Они характерны для процессов, проходящих в переходном и диф фузионном режимах соответственно. Установлено, что лимитирующей стадией процесса выщелачивания железного коллектора является диффузия реагентов через слой продуктов, присутствующих на поверхности ферросилиция в адсорбированном виде (SiF₄) и в форме конгломератов (FeF₂). Определены рекомендуемые параметры выщелачивания железного коллектора, позволяющие достигать полноты вскрытия ферросилиция не менее 95 % без осаждения вторичных фаз.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Программы развития Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина в соответствии с программой стратегического академического лидерства «Приоритет-2030». 

В работе над статьей принимал участие Д. И. Головкин, инженер-исследователь Научной лаборатории перспективных технологий комплексной переработки минерального и техногенного сырья цветных и черных металлов Института новых материалов и технологий Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия.

1. Ding Y., Zheng H., Li J., Zhang S. et al. Recovery of platinum from spent petroleum catalysts: optimization using response surface methodology // Metals. 2019. No. 9. 354. DOI: 10.3390/met9030354
2. Yakoumis I., Panou M., Moschovi A. M., Panias D. Recovery of platinum group metals from spent automotive catalysts: a review // Cleaner Engineering and Technology. 2021. No. 3. 100112. DOI: 10.1016/j.clet.2021.100112
3. Dong H., Zhao J., Chen J., Wu Y. et al. Recovery of platinum group metals from spent catalysts: a review // International Journal of Mineral Processing. 2015. No. 145. P. 108–113. DOI: 10.1016/j.minpro.2015.06.009
4. Morcali M. H. A new approach to recover platinum-group metals from spent catalytic converters via iron matte // Resources, Conservation and Recycling. 2020. No. 159. 104891. DOI: 10.1016/j.resconrec.2020.104891
5. Peng Z., Li Z., Lin X. Tang H. et al. Pyrometallurgical recovery of platinum group metals from spent catalysts // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. 2017. No. 69. P. 1553–1562. DOI: 10.1007/s11837-017-2450-3
6. Benson M., Bennett C. R., Harry J. E., Patel M. K. et al. The recovery mechanism of platinum group metals from catalytic converters in spent automotive exhaust systems // Resources, Conservation and Recycling. 2000. No. 31. P. 1–7. DOI: 10.1016/S0921-3449(00)00062-8
7. Пат. 2391419 РФ, МПК C22B 11/00, C22B 3/04. Способ переработки концентратов платиновых металлов на железо-никелевой основе для извлечения платиновых металлов / Ильяшевич В. Д., Мамонов С. Н., Шульгин Д. Р., Павлова Е. И. ; заявл. 24.09.2008 ; опубл. 10.06.2010.
8. Пат. 2707457 РФ, МПК C22B 11/00, C22B 3/08. Способ переработки концентратов на основе железа, содержащих металлы платиновой группы / Ильяшевич В. Д., Лукина К. В., Герасимова Л. К., Кривошеев Н. О. и др. ; заявл. 05.07.2019 ; опубл. 26.11.2019.
9. Jones R. T., Geldenhuys I. J. The pros and cons of reductive matte smelting for PGMs // Minerals Engineering. 2011. No. 24. P. 495–498. DOI: 10.1016/j.mineng.2011.03.007
10. Carnogurska M., Prihoda M., Lazar M., Kurilla P. et al. Hightemperature processing and recovery of autocatalysts // Materials and Technology. 2018. No. 52. P. 335–340. DOI: 10.17222/mit.2017.174
11. Saternus M., Fornalczyk A., Gąsior W., Dębski A. et al. Modifications and improvements to the collector metal method using an MHD pump for recovering platinum from used car catalysts // Catalysts. 2020. No. 10. Vol. 880. DOI: 10.3390/catal10080880
12. Ding Y., Zheng H., Zhang S., Liu B. et al. Highly efficient recovery of platinum, palladium, and rhodium from spent automotive catalysts via iron melting collection // Resources, Conservation and Recycling. 2020. No. 155. 104644. DOI: 10.1016/j.resconrec.2019.104644
13. Кузас Е. А., Головкин Д. И., Сандалов И. П., Рогожников Д. А. Гидрометаллургическая переработка железного коллектора, содержащего фазы ферросилиция, инкапсулирующие металлы платиновой группы // Металлургия цветных, редких и благородных металлов. Сб. докл. XV Международной конференции имени члена-корреспондента РАН Геннадия Леонидовича Пашкова (Красноярск, 6–8 сентября 2022 г.). — Красноярск : Научно-инновационный центр, 2022. С. 248–251.
14. Сандалов И. П., Кузас Е. А., Шарипова У. Р., Рогожников Д. А. Вскрытие железного коллектора, содержащего металлы платиновой группы, методом спекания. Современные технологии производства цветных металлов // Материалы Междунар. науч. конфер., посвящ. 80-летию С. С. Набойченко (Екатеринбург, 24–25 марта 2022 г.). — Екатеринбург : Изд-во Уральского ун-та, 2022. С. 247–251.
15. Пат. 2778436 РФ. МПК C22B 11/00 (2006.01), C22B 7/00 (2006.01), C22B 3/44 (2006.01). Способ переработки железного коллектора платиновых металлов / Федичкин С. А., Богданов В. И., Касиков А. Г., Сандалов И. П. ; заявл. 22.12.2021 ; опубл. 18.08.2022.
16. Jimenez de Aberasturi D., Pinedo R., Ruiz de Larramendi I. et al. Recovery by hydrometallurgical extraction of the platinumgroup metals from car catalytic converters // Minerals Engineering. 2011. No. 24. P. 505–513. DOI: 10.1016/j.mineng.2010.12.009
17. Jha M. K., Lee J., Kim M., Jeong J. et al. Hydrometallurgical recovery/recycling of platinum by the leaching of spent catalysts: a review // Hydrometallurgy. 2013. No. 133. P. 23–32. DOI: 10.1016/j.hydromet.2012.11.012
18. Panda R., Jha M. K., Pathak D. D. Commercial processes for the extraction of platinum group metals (PGMs). In: Kim H. et al. Rare Metal Technology 2018. TMS 2018 // The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham. 2018. P. 119–130. DOI: 1007/978-3-319-72350-1_11
19. Wei X., Liu C., Cao H., Ning P. et al. Understanding the features of PGMs in spent ternary automobile catalysts for development of cleaner recovery technology // Journal of Cleaner Production. 2019. No. 239. 118031. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.118031
20. Saguru C., Ndlovu S., Moropeng D. A review of recent studies into hydrometallurgical methods for recovering PGMs from used catalytic converters // Hydrometallurgy. 2018. No. 182. P. 44–56. DOI: 10.1016/j.hydromet.2018.10.012
21. Angelidis T. Development of a laboratory scale hydrometallurgical procedure for the recovery of Pt and Rh from spent automotive catalysts // Topics in Catalysis. 2001. No. 16. P. 419–423. DOI: 10.1023/A:1016641906103
22. Chen J., Huang K. A new technique for extraction of platinum group metals by pressure cyanidation // Hydrometallurgy. 2006. No. 82. P. 164–171. DOI: 10.1016/j.hydromet.2006.03.041
23. Baghalha M., Khosravian Gh. H., Mortaheb H. R. Kinetics of platinum extraction from spent reforming catalysts in aqua-regia solutions // Hydrometallurgy. 2009. No. 95. P. 247–253. DOI: 10.1016/j.hydromet.2008.06.003
24. Karimov K. A., Rogozhnikov D. A., Kuzas E. A., Shoppert A. A. Leaching kinetics of arsenic sulfide-containing materials by copper sulfate solution // Metals. 2020. Vol. 10, No. 7. DOI: 10.3390/met10010007
25. Kuzas E., Rogozhnikov D., Dizer O., Karimov K. et al. Kinetic study on arsenopyrite dissolution in nitric acid media by the rotating disk method // Minerals Engineering. 2022. No. 187. 107770. DOI: 10.1016/j.mineng.2022.107770
26. ГОСТ 24598–81. Руды и концентраты цветных металлов. Ситовый и седиментационный методы определения гранулометрического состава. — Введ. 01.01.1983.

27. Dickinson C. F., Heal G. R. Solid-liquid diffusion controlled rate equations // Thermochimica Acta. 1999. No. 340-341. P. 89–103. DOI: 10.1016/S0040-6031(99)00256-7
28. Levenspiel O. Chemical reaction engineering, 3rd ed. Wiley, New York. Li D. Developments in the pretreatment of refractory gold minerals by nitric acid. In: World Gold Conference 2009. The Southern African Institute of Mining and Metallurgy. P. 145–150.
29. Rogozhnikov D. A., Shoppert A. A., Dizer O. A., Karimov K. A. et al. Leaching kinetics of sulfides from refractory gold con centrates by nitric acid // Metals. 2019. No. 9. 465. DOI: 10.3390/met9040465
30. Kritskii A., Celep O., Yazici E., Deveci H. et al. Hydrothermal treatment of sphalerite and pyrite particles with CuSO4 solution // Minerals Engineering. 2022. No. 180. 107507. DOI: 10.1016/j.mineng.2022.107507
31. Hidalgo T., Kuhar L., Beinlich A., Putnis A. Kinetics and mineralogical analysis of copper dissolution from a bornite/chalcopyrite composite sample in ferric-chloride and methanesulfonic-acid solutions // Hydrometallurgy. 2019. No. 188. P. 140–156. DOI: 10.1016/j.hydromet.2019.06.009
32. Rogozhnikov D., Karimov K., Shoppert A., Dizer O. et al. Kinetics and mechanism of arsenopyrite leaching in nitric acid solutions in the presence of pyrite and Fe(III) ions // Hydrometallurgy. 2021. No. 199. 105525. DOI: 10.1016/j.hydromet.2020.105525