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加氢催化剂是石油冶炼过程中最重要的催化剂之一,主要用于重油的脱硫脱氮等[1]。加氢催化剂在使用过程中,由于高温以及有害物质的沉积吸附等影响,会永久性失活[2]。因此,不可避免地要置换出大量的废催化剂[3]。废加氢催化剂主要是由贵金属钒、钼、镍、钴等和载体氧化铝组成。因催化反应的需要,催化剂在制作过程中不得不添加一些有毒的组分,如As2O3、As2O5、CrO3等,这些有毒物质会沉积在废催化剂中[4]。倘若对废催化剂不加处置随意堆放的话,一方面堆积废催化剂需要占据大量的场地;另一方面废催化剂中的有毒物质会对环境造成极大的危害[4]。而废加氢催化剂中的贵金属钒 (V) 、钼 (Mo) 、镍 (Ni) 都是重要的战略金属,可被广泛应用于国民经济和国防军工等领域[5],故具有重要的回收价值。所以,实现废加氢催化剂的资源化利用,对环境保护和石油工业的可持续发展都是十分必要的[6]。
目前,Mo-Ni系催化剂是使用最多的一类加氢催化剂,针对这一类催化剂的有价金属回收方法主要有焙烧-浸出法、浸出-萃取法、浸出-离子交换法、加压碱浸法、氨浸法、生物浸出法等方法[7]。这些方法的共同点都是先将有价金属Mo、Ni、铝 (Al) 等从固相中转移到液相中,再在液相中对有价金属进行富集回收。因此,如何高效地将有价金属从固相中转移到液相中是关键技术问题。Mo、Al和Ni的化学性质不同,可选用钠化焙烧-水浸的方法将Mo、Al转化为可溶态,与Ni浸出分离。但是,目前并没有关于钠化焙烧-浸出过程的详细研究。
本研究拟采用响应面曲线法考察钠化焙烧-浸出过程中的碳酸钠添加量、焙烧温度、时间和浸出液固比、浸出温度对Mo、Al浸出率的影响;并且,结合热重-差示扫描量热法(TG-DSC)和X射线衍射法分析钠化焙烧过程中Mo、Al的转化机理。
基于响应曲面法的钠化焙烧-水浸法回收废加氢催化剂中有价金属工艺优化
Optimization of recovery of valuable metals from spent hydrogenation catalyst by sodium roasting water leaching method based on response surface methodology
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摘要: 为提高废加氢催化剂钠化焙烧-水浸分离工艺回收有价金属的效率,采用响应面法优化了废加氢催化剂钠化焙烧-水浸工艺条件,探讨了焙烧温度、焙烧时间、碳酸钠添加量、浸出温度和液固比对Mo、Al浸出率的影响,并确定了最优工艺条件;同时,采用热重-差示扫描量热法 (TG-DSC) 和X射线衍射法 (XRD) 分析了废催化剂预处理与钠化焙烧过程的物相变化。结果表明:适宜的预处理温度为400~500 ℃。随着预处理温度的升高,钼与铝结合生成Al2(MoO4)3;Al2(MoO4)3可参与钠化反应。在钠化焙烧温度为950 ℃、焙烧时间为2 h、碳酸钠与废加氢催化剂质量比为1.1∶1、浸出液固比为6:1、浸出温度为70 ℃的条件下,Mo的浸出率可达98%以上、Al的浸出率可达94%以上。当碳酸钠添加量较少时,未参与钠化反应的Mo和Al会结合生成Al2(MoO4)3,从而造成Mo、Al浸出率降低。Mo、Al发生钠化反应的温度在700~1000 ℃之间;当焙烧温度为700 ℃时,钠化反应未大量发生;随着反应温度的提高,钠化反应大量发生,至950 ℃时钠化反应最充分。本研究结果可为废加氢催化剂钠化焙烧-水浸分离回收有价金属提供参考。Abstract: The process conditions of sodium roasting and water extraction were optimized by response surface method during the recovery of valuable metals from spent hydrogenation catalyst. The effects of roasting temperature, roasting time, sodium carbonate adding amount, leaching temperature and liquid-solid ratio on the extraction rate of Mo and Al were examined, and the optimal process conditions were determined. TG-DSC and X-ray diffraction were used to analyze the phase transformation during pretreatment and sodium roasting of spent catalyst. The results showed that the suitable pretreatment temperature was located in the range of 400 and 500 ℃. With the increase of pretreatment temperature, Al2(MoO4)3 can be formed by the combination of Mo and Al, while Al2(MoO4)3 can still participate in the sodium reaction. The maxmium extraction ratios of Mo and Al of over 98% and 94% could be obtained when the mixture of sodium carbonate and spent hydrogenation catalyst with mass ratio of 1.1:1 was roasted at 950 ℃ for 2 h, and was further extracted by water with the liquid-solid ratio of 6:1 at 70 ℃. Mo and Al combine and form Al2(MoO4)3 with the introduction of slight sodium carbonate. The sodium reaction did not occur substantially at 700 ℃, while finish completely with the temperature rising to 950 ℃. This study provides technical and theoretical supporting for the sodium roasting and water extraction process of spent hydrogenation catalyst.
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表 1 废催化剂XRF分析结果
Table 1. Main composition of the material by XRF %
Al2O3 MoO3 SO3 P2O5 NiO SiO2 Fe2O3 CoO 47.82 21.71 20.25 4.317 3.558 2.08 0.072 9 0.071 8 表 2 BBD法实验设计
Table 2. Design experiment level and coding with BBD method
因素 水平参数 −1 0 +1 焙烧温度(A)/ ℃ 800 900 1100 焙烧时间(B)/h 1 2 3 碳酸钠添加量(C) 0.7 1.1 1.5 浸出液固比(D) 3∶1 6∶1 9∶1 浸出温度(E)/ ℃ 40 60 80 表 3 废催化剂在不同温度下的烧矢量
Table 3. Burning vector of spent catalyst at different temperatures
温度/ ℃ 烧失量/% 温度/ ℃ 烧失量/% 300 10.2 650 19.2 400 17.4 700 19.6 500 17.9 800 21.5 600 18.7 表 4 回归模型的方差分析结果
Table 4. Analysis of variance of regression model
参数 自由度 平方和 均方差 F值 P Mo Al Mo Al Mo Al Mo Al Model 20 605.72 757.30 30.29 37.86 15.97 10.00 <0.000 1 <0.000 1 A 1 44.02 40.10 44.02 40.10 23.21 10.59 <0.000 1 0.003 3 B 1 250.27 310.64 250.27 310.64 131.96 82.04 <0.000 1 <0.000 1 C 1 1.06 0.55 1.06 0.55 0.56 0.14 0.001 5 0.006 9 D 1 0.028 0.56 0.028 0.56 0.015 0.15 0.904 2 0.704 1 E 1 10.26 5.69 10.26 5.69 5.41 1.5 0.028 5 0.231 7 AB 1 0.004 9 1.56 0.004 9 1.56 0.002 584 0.41 0.959 9 0.526 5 AC 1 1.31 2.89 1.31 2.89 0.69 076 0.413 6 0.390 6 AD 1 1.21 0.026 1.21 0.026 0.64 0.006 761 0.432 0 0.935 1 AE 1 0.016 2.74 0.016 2.74 0.008 283 0.72 0.928 4 0.403 1 BC 1 4.20 3.33 4.20 3.33 2.22 0.88 0.149 1 0.357 3 BD 1 1.00 2.03 1.00 2.03 0.53 0.54 0.474 5 0.470 8 BE 1 0.20 0.74 0.20 0.74 0.11 0.20 0.746 6 0.662 3 CD 1 0.21 0.58 0.21 0.58 0.11 0.15 0.741 2 0.699 4 CE 1 0.25 0.11 0.25 0.11 0.13 0.030 0.722 3 0.864 7 DE 1 0.018 0.023 0.018 0.023 0.009 609 0.005 942 0.922 7 0.939 2 A2 1 49.30 54.58 49.30 54.58 25.99 14.42 <0.000 1 0.000 8 B2 1 142.56 185.74 142.56 185.74 75.17 49.02 <0.000 1 <0.000 1 C2 1 189.11 243.46 189.11 243.46 99.71 64.30 <0.000 1 <0.000 1 D2 1 80.88 89.04 80.88 89.04 42.64 23.52 <0.000 1 <0.000 1 E2 1 7.13 2.11 7.13 2.11 3.76 0.56 <0.000 1 0.462 4 残差 25 47.42 94.66 1.90 — — — — — 失拟项 20 41.18 86.47 2.06 — 1.65 2.64 0.303 8 0.142 7 纯误差 5 6.24 8.19 1.25 — — — — — 总离差 45 653.13 851.96 — — — — — — 表 5 实验结果验证
Table 5. Verification of experimental results
% 实验序号 Mo浸出率 Al浸出率 1 98.79 95.21 2 99.01 94.89 3 99.24 95.03 -
[1] ISABEL Pinto, HELENA Soares. Recovery of molybdates from an alkaline leachate of spent hydrodesulphurisation catalyst – proposal of a nearly-closed process[J]. Journal of Cleaner Production, 2013, 52: 481-487. doi: 10.1016/j.jclepro.2013.03.021 [2] 刘公召, 阎伟, 梅晓丹, 等. 从废加氢催化剂中提取钼的研究[J]. 矿冶工程, 2010, 30(2): 70-72. doi: 10.3969/j.issn.0253-6099.2010.02.018 [3] 季思伟. 炼油加氢废催化剂中有价金属的回收[D]. 上海: 华东理工大学, 2012. [4] 许傲云. 石油加氢废催化剂中有价金属的综合回收利用[D]. 上海: 东华大学, 2014. [5] 赵中伟, 李江涛. 中国钼镍矿开发利用的技术现状及前景分析[J]. 中国金属通报, 2010(29): 38-40. [6] 张沛. 660MW燃煤电厂商用SCR脱硝催化剂的失活分析与再生探究[D]. 杭州: 浙江大学, 2017. [7] 祁兴维, 林爽. 废加氢催化剂中金属钼回收技术研究[J]. 当代化工, 2019, 48(04): 126-128+141. doi: 10.3969/j.issn.1671-0460.2019.04.030 [8] 刘贵清, 张邦胜, 王芳, 等. 废镍钼催化剂两段焙烧-水浸试验研究[J]. 中国资源综合利用, 2018(6): 23-26. doi: 10.3969/j.issn.1008-9500.2018.06.007 [9] 北京矿冶研究总院测试研究所. 有色冶金分析手册[J]. 北京:冶金工业出版社, 2004: 202-203. [10] 宋生强. 氧化钼、氧化钒自还原直接合金化冶炼含钼含钒钢研究[D]. 武汉: 武汉科技大学, 2014. [11] 向铁根. 钼冶金[J]. 长沙:中南大学出版社, 2009: 181-183. [12] 淡玄玄, 李小敏. 亚麻对染料甲基紫吸附的响应面法分析[J]. 环境监测管理与技术, 2017, 29(6): 68-71. doi: 10.3969/j.issn.1006-2009.2017.06.017 [13] 王雅辉, 邹雪刚, 舒冉君, 等. 胡敏素对Pb2+吸附的响应面优化及机理[J]. 中国环境科学, 2017, 37(5): 1814-1822. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2017.05.026 [14] MOHAMED OSMAN Saeed, KHAIRUM Azizli, MOHAMMED HASNAIN Isa, et al. Application of CCD in RSM to obtain optimize treatment of POME using Fenton oxidation process[J]. Journal of Water Process Engineering, 2015, 52: 481-487.