近日,比利時科學家開發了一種從金屬絲和廢汽車催化劑中回收貴金屬的簡單而環保的方法。使用高度濃縮的硝酸鋁和氯化鋁溶液,他們能夠溶解金和鉑族金屬,然後沉澱出純金屬,使它們有可能被回收和再利用。
黃金、鉑和鈀等金屬十分昂貴,在化工、醫藥、航空航天、汽車技術和珠寶等領域都具有極高的價值。然而,這些貴金屬產量稀少,而且難以提純,這意味著獲得貴金屬的最佳方法之一是從廢棄產品(如催化和電子垃圾)中回收它們。
從其他材料中提取貴金屬的常用方法是將該材料溶解在溶液中。然而,由於貴金屬的反應惰性,製備溶解液是一個巨大的挑戰。高效的回收貴金屬需要較高的溶解速率和可控的選擇性。
德國亥姆霍茲埃爾朗根-紐倫堡可再生能源研究所(Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg)的Serhiy Cherevko教授表示,貴金屬可以用不同的溼法冶金方法溶解。然而,所有現存的方法都有缺點,最常見的方法是用鹽酸作絡合劑,用硝酸、氯或過氧化氫作氧化劑。
鹽酸和硝酸的混合物也被稱為王水(aqua regia),源自拉丁語,意為「皇家之水」(royal water),工業上經常用來溶解金和鉑。然而,這種混合物具有潛在危險,而且對環境影響較大。因此,研究人員一直致力於尋找它的替代品。
比利時魯汶大學(KU Leuven)的Sofia Riano表示,與傳統的使用強酸混合物來溶解所有物質的策略不同,團隊的研究目標是在更溫和的條件下實現對鈀和鉑材料的高選擇性溶解。目前該團隊選擇使用兩種不同的鋁的酸性鹽溶液來溶解鉑、鈀和銠,而靈感則來自於1973年發表的一項研究。
魯汶大學研究團隊的負責人Koen Binnemans解釋說:「我總是喜歡翻閱舊文獻,尋找那些當時無法解釋,但可能被現代研究方法解決的重要觀察結果。」15年前,Binnemans偶然發現了Charles Austen Angell的一項研究,該研究表明,鋁鹽溶液溶解貴金屬的速度比王水要快得多。Angell計劃在後續工作中調查這一觀察結果,但這些結果從未發表。
受到這項工作的啟發,Binnemans團隊製備了一種高濃度的水合AlCl3和Al(NO3)3的混合物並在金屬絲和廢汽車催化劑上進行了測試。當將鈀金屬絲置入溶液後,溶液中的硝酸鹽離子使金屬氧化。氧化後的金屬與氯離子之間形成了一種氯鈀酸鹽(II)複合物,且能夠穩定存在與低pH條件下。在數小時內,鈀金屬絲完全溶解在溶液中,然後用維生素C進行還原沉澱,從而回收鈀金屬。
鈀金屬線置入溶解液(a) 3 min, (b)1 h, (c) 2 h, (d) 3 h, (e) 4 h, (f) 4.5 h之後
Riano指出,除了鈀以外,鉑也可以溶解,只是需要更長的時間。但是金屬銠幾乎保持完整,與王水溶解的結果相似。主要源於銠極端的反應惰性,需要在高溫高壓的條件下才能對其進行溶解。
雖然這種鋁鹽溶液不能夠重複使用,但是該它們比王水的毒性小得多,而且易於安全處理。目前,研究團隊的下一步的工作是對回收金屬的產量和純度進行優化。
金線置入溶解液(a) 3 h, (b) 5 h, (c) 24 h之後
Cherevko表示,雖然從汽車催化轉換器中溶解鈀、鉑和銠的實驗成功了,但是該放大的局限之處也很明顯,就是僅適用於從燃料電池、電解裝置、光伏和電子產品中回收金和鉑族金屬。進一步的研究應該是探究其他高濃度金屬鹽對溶解速率的影響。
Riano補充道,「我們希望科學家們意識到除了王水,還有其他替代的方法溶解這些貴金屬。更重要的是,不需要為了獲得最有價值的金屬而過濾掉所有其他金屬。」同時,他也希望這項研究能激勵人們去填補這一項存在了幾十年的知識鴻溝。
參考文獻:
1 F Forte, S Riaño and K Binnemans, Chem. Commun., 2020, 56, 8230 (DOI: 10.1039/d0cc02298e)
2 E J Sare, C T Moynihan and C A Angell, J. Phys. Chem., 1973, 77, 1869 (DOI: 10.1021/j100634a011)
來源:高分子科學前沿
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