Ανάκτηση πολύτιμων μετάλλων από εξοφλημένους καταλυτικούς μετατροπείς αυτοκινήτων με πυρομεταλλουργικές μεθόδους

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η δομή και λειτουργία των καταλυτικών μετατροπέων, με τους οποίους είναι εφοδιασμένα όλα τα σύγχρονα οχήματα, οι μηχανισμοί που οδηγούν στην απενεργοποίηση αυτών καθώς και οι τρόποι επεξεργασίας τους μετά το τέλος του κύκλου ζωής τους (αναγέννηση για επανάχρηση ή ανακύκλωση για την ανάκτηση των πολύτιμων μετάλλων της ομάδας της πλατίνας που περιέχονται σε αυτούς). Το πειραματικό μέρος της διπλωματικής αυτής αφιερώνεται στη μελέτη του μηχανισμού ανάκτησης των πολύτιμων μετάλλων της ομάδας της πλατίνας που περιέχονται στους καταλυτικούς μετατροπείς των οχημάτων, με πυρομεταλλουργικές μεθόδους. Στην εργασία διερευνήθηκαν παράγοντες που επηρεάζουν το μηχανισμό ανάκτησης των μετάλλων αυτών. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας, του χρόνου παραμονής του φορτίου στη θερμοκρασία που επιλέχθηκε και τέλος η επίδραση της ποσότητας του μετάλλου συλλέκτη (χαλκός) στην ανάκτηση των πολύτιμων μετάλλων σε αυτό. Το θερμοκρασιακό εύρος που μελετήθηκε στην παρούσα εργασία είναι από 1450οC έως 1600οC με βήμα 50οC. Αντίστοιχα, η επίδραση του χρόνου παραμονής του φορτίου στην υψηλή θερμοκρασία εξετάστηκε για χρόνους παραμονής 30, 60 και 120min, ενώ η επίδραση της ποσότητας του μετάλλου συλλέκτη (χαλκός) μελετήθηκε για ποσότητα χαλκού ίση με 10, 15 και 20g, για σταθερή ποσότητα σκόνης καταλύτη 50g. Επιτεύχθηκαν ανακτήσεις των πολύτιμων μετάλλων της ομάδας της πλατίνας στο χαλκό, οι οποίες για την πλατίνα κυμαίνονται από 63,16 έως 89,50%, για το παλλάδιο από 46,80 έως 82,61% και για το ρόδιο από 44,32 έως 82,22%. Αναλυτικότερα, μπορούν να δοθούν τα σημαντικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα ερευνητική εργασία. Αναφορικά με την επίδραση της θερμοκρασίας, παρουσιάζεται μια γραμμική αύξηση των ποσοστών ανάκτησης και για τα τρία μέταλλα συναρτήσει της θερμοκρασίας, με σχεδόν ίδιο ρυθμό. Επίσης, ο χρόνος παραμονής επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό το ποσοστό ανάκτησης των πολύτιμων μετάλλων της ομάδας της πλατίνας στο μέταλλο συλλέκτη και μάλιστα φαίνεται να υπάρχει μια σχεδόν γραμμική αύξουσα σχέση μεταξύ των ανακτήσεων των μετάλλων και του χρόνου παραμονής στην θερμοκρασία τήξης, με το ρυθμό αυτής να είναι μικρότερος στην περίπτωση της πλατίνας και σαφώς μεγαλύτερος για τα άλλα δύο πολύτιμα μέταλλα. Τέλος, η αύξηση της ποσότητας του μετάλλου συλλέκτη ευνοεί την ανάκτηση των πολύτιμων μετάλλων της ομάδας της πλατίνας, μέχρι η ποσότητα αυτού να φτάσει στο 16,7% (15g στα 90g του φορτίου), ενώ στη συνέχεια περαιτέρω αύξηση αυτής δεν οδηγεί σε αύξηση των ποσοστών ανάκτησης των πολύτιμων μετάλλων στο χαλκό.

This diploma thesis presents the structure and function of modern automotive catalytic converters, the main reasons that lead to their deactivation and the regeneration techniques via both pyrometallurgical and hydrometallurgical treatments. In the present thesis, the research concentrates on the recovery mechanism of the PGMs (Platinum Group Metals) from the catalytic dust via pyrometallurgical treatment. The main three factors examined, which affect the recovery rates are the temperature, the residence time and the amount of mass of the collector metal, which in this case study is copper (Cu). A temperature range from 1450 to 1600οC, along with residence time from 30 to 120min and copper mass from 10 to 20g have been tested in order to get the best possible PGM recovery rates into the copper bullion. The maximum recovery rates achieved in this research for all three PGMs that exist in the automotive catalysts are for platinum (Pt) 89.50%, for palladium (Pd) 82.61% and for rhodium (Rh) 82.22%. Finally the most significant conclusions can be summarised as follows. In first, regarding the effect of the temperature, its increase causes a linear increase in the recovery rates for all three platinum group metals, with nearly the same rate. Also, the residence time greatly affects the recovery rates of the precious metals and eventually there seems to be an almost linear increasing dependence between the recovery rates of the PGMs and the residence time itself. Finally, concerning the amount of mass of the collector metal, it is clear that increasing the amount of mass of the copper up to a maximum of 16,7% (15g to 90g total) favors the recovery of the PGMs, but then further increase of the copper mass does not result in any increase in the recovery rates of the PGMs.