CN111893314B

CN111893314B - 一种铁捕集废催化剂铂族金属渣型设计方法

Info

Publication number: CN111893314B
Application number: CN202010631384.2A
Authority: CN
Inventors: 张深根; 丁云集
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: RU2770393C1; JP7080535B2; JP2022522099A; EP3907305A1; CN111893314A; ZA202105070B; WO2021179847A1; EP3907305A4

Abstract

本发明涉及铂族金属循环利用技术领域，提供了一种铁捕集废催化剂中铂族金属渣型设计方法。基于渣相与铁相易分离、渣中铂族金属含量低的要求，通过分析铁液滴在熔炼渣中的运动轨迹，明确铁液滴沉降完全时渣相粘度、密度等范围区间，采用热力学软件模拟计算并确定渣型，根据渣相最少原则，添加造渣剂，设计出渣相熔点低、粘度小的渣型，提高渣铁的分离效率，降低渣中铂族金属含量，实现铂族金属的高效捕集。本发明提供的渣型设计方法适用范围广，适合于堇青石、氧化铝、沸石、二氧化硅为载体的铂族金属催化剂，同时可协同处置部分固废，设计的渣相与铁相分离效果好，具有成本低、铂族金属回收率高等优点，适合于工业化生产。

Description

一种铁捕集废催化剂铂族金属渣型设计方法

技术领域

本发明涉及铂族金属循环利用技术领域，特别涉及一种铁捕集废催化剂铂族金属渣型设计方法。

背景技术

我国铂族金属矿产资源极度匮乏，原矿产量仅为2-3吨，但消耗量却高达150吨，是全球最大的铂族金属消费国，供需矛盾极其突出。废催化剂是铂族金属二次资源最重要的来源，其回收将有效缓解我国铂族金属的供应风险，已成为研究的重点。

中国发明专利(申请号：201810185054.8)公开了采用铁氧化物为捕集剂回收汽车废催化剂中贵金属铂的方法，以FeO、CaO、Al₂O₃、MgO、SiO₂为五元渣系，熔炼温度高达1600-2000℃。该方法渣中铂含量5-15g/t，回收率高(>99％)，但因渣型设计不合理，渣相熔点高，粘度大，所需熔炼温度高，生成硅铁合金，且造成能耗大、对耐火材料要求高，使生产成本增大。中国发明专利(申请号：201610883402.X)公开了以铁粉为捕集剂，仅通过加入氧化钙造渣回收废汽车尾气催化剂中铂族金属，采用等离子体炉在1500-1800℃下熔炼，具有渣量少、铂钯回收率高(>99％)的优点，但铑回收率低(约90％)。但因渣型没有优化，致熔炼温度高，易难溶生成硅铁合金，且等离子体炉设备昂贵，运行成本高。中国发明专利(申请号：201310005494.8)公开了以铁、铜为捕集剂回收氧化铝载体废催化剂，造渣剂仅为钠盐，实现了铂族金属回收率高于98％。但仅通过添加钠盐造渣实际很难达到上述效果，渣相熔点较高，同时钠盐在高温下挥发严重。中国发明专利(申请号：201611141140.6)公开了一种以铁基材料为捕集剂提取贵金属的方法，造渣剂为氧化钙、二氧化硅、氟化钙、氧化铝、氧化镁、碳酸钠和硼砂中的任意一种或任意两种以上的组合，实现了铂族金属高效铁捕集，但该方法未给出具体的渣型以及渣相成分区间。

以铁粉为捕集剂回收铂族金属，熔炼捕集过程主要包括铁、铂族金属、渣相的熔化，铁捕集铂族金属和Fe-PGMs沉降，其中Fe-PGMs沉降过程不断聚集和捕集铂族金属。因此，铂族金属捕集率取决于渣中Fe-PGMs的含量。为了提高铂族金属捕集率，需要降低渣相中铂族金属含量，提高渣型设计效率。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种铁捕集废催化剂中铂族金属渣型设计方法，其目的在于根据该设计方法高效进行渣型的调配，减少实验工作量，缩短研发周期，具有快速、精准、高效的特点；同时本发明还提供了堇青石、氧化铝、沸石、二氧化硅为载体的含铂族金属废催化剂的渣型调配技术，设计出渣相熔点低、粘度小、密度小的渣型，提高渣铁的分离效率，降低渣中铂族金属含量，实现铂族金属的高效、低成本回收。

本发明采用如下技术方案：

一种铁捕集废催化剂中铂族金属渣型设计方法，其特征在于，所述方法包括：

S1通过分析铁液滴在熔炼渣中的运动轨迹，得到铁液滴匀速沉降速度与铁液滴直径、渣相粘度及渣相密度的关系，根据铁液滴沉降完全时的临界尺寸和沉降速度，明确渣相粘度和密度范围；

S2根据废催化剂载体类型，选择造渣剂种类，明确渣相元素的组成，选取合适的熔炼温度区间，采用热力学软件模拟计算并确定目标渣相成分；

S3根据模拟确定的目标渣相成分，以废催化剂载体为基础，添加造渣剂进行渣相成分调配，对废催化剂的渣型进行验证与优化，实现铂族金属的高效捕集。

进一步地，步骤S1具体为：

(1)确定铁液滴的临界尺寸d不大于20μm，铁液滴的临界尺寸d为熔渣中未沉降的铁液滴最大尺寸；铁液滴的临界尺寸的确定过程具体是：根据已有实验数据，明确铂族金属回收率与铁液滴直径d的经验关系，当铁液滴的临界尺寸不大于20μm时，铂族金属回收率不低于99％；

(2)基于熔炼效率确定铁液滴临界沉降速度ν：

因铁液滴的沉降过程以匀速运动为主，其运动位移近似与沉降时间成正比，

L＝vt

其中：L为铁液滴的运动位移(m)，可通过测量获得，t为铁熔化后的沉降时间(s)；

基于熔炼效率控制熔炼时间，即控制铁熔化后的沉降时间t；确定铁液滴临界沉降速度ν不低于1.0×10^-5m/s，其中，熔炼效率是单位时间内熔炼废催化剂的质量，此时根据熔炼炉的大小，控制熔炼效率≥100kg/h；

(3)根据铁液滴沉降完全时的铁液滴的临界尺寸d和铁液滴临界沉降速度ν，确定铁液滴沉降完全所对应的渣相粘度和密度关系：

根据铁液滴在熔炼渣中的受力分析，建立铁液滴在熔炼渣中受力平衡方程：铁液滴在熔炼渣中受重力、浮力和粘滞力三个力的作用，在沉降过程中重力、浮力和粘滞力三者达到平衡时，铁液滴匀速沉降；铁液滴在熔炼渣中受力平衡方程如下：

确定在熔炼渣中受力平衡时铁液滴相对渣相的沉降速度ν与铁液滴直径d的关系为：

根据公式(2)确定铁液滴沉降完全所对应的渣相粘度和密度关系；

式(1)和式(2)中：η为渣相的粘度，单位为Pa·s；d为铁液滴的临界直径，单位为m；ν是受力平衡时铁液滴相对渣相的沉降速度，单位为m/s；ρ_Fe为铁液滴密度，单位为kg/m³；ρ_s为熔炼渣密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；

由于铁合金中铂族金属含量约1.0-2.0wt.％，将铁液滴密度近似为纯铁密度：ρ_Fe＝8.58×10³-0.853T kg/m³；

熔炼渣的密度主要由化学成分和温度决定，熔炼渣的密度用纯组元摩尔体积来估计，如下所示：

V＝∑X_iV_i (式3)

其中：V分别为氧化物的摩尔体积和摩尔质量，X_i为各组元的摩尔体积，X_i,1773K各组元在1773K下的摩尔体积，T为绝对温度(K)；

进而，熔炼渣密度可表示为：

其中：M为熔炼渣摩尔质量，A和B是与渣相成分有关的常数。

进一步的，渣相粘度主要由温度与化学成分决定，如(式7)所示：

其中：T为绝对温度(K)，a和b是与渣相成分有关的常数；

(4)在1573-1773K的熔炼温度范围内，确定铁液滴沉降完全所对应的渣相粘度和密度范围为：渣相粘度不高于0.30Pa·s，渣相密度不大于3.0×10³kg/m³。

进一步地，所述采用热力学软件模拟计算并确定目标渣相成分，具体为：确定铁液滴沉降完全所对应的渣相粘度和密度范围后，根据载体成分选择合适的造渣剂，明确渣型，固定熔炼温度T，采用Factsage热力学软件计算得到对应的渣相成分范围，依据硅酸盐相图选取渣相熔点低于1573K的成分区间，根据渣量最少原则，确定最终的目标渣相成分。

进一步地，所述废催化剂包括以堇青石、氧化铝、沸石、二氧化硅为载体的含铂族金属催化剂中任意一种或任意一种以上的组合。

进一步地，当催化剂载体为堇青石时，优选渣相密度≤2.75×10³kg/m³，渣相粘度≤0.20Pa·s，熔炼温度1673-1723K；添加的造渣剂包括氧化钙、硼砂、碳酸钠、不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰一种或一种以上的组合，废催化剂与造渣剂的质量比为1:0.8-1:1.2；

当催化剂载体为氧化铝时，优选渣相密度≤3.0×10³kg/m³，渣相粘度≤0.30Pa·s，熔炼温度1723-1773K；添加的造渣剂包括氧化钙、硼砂、二氧化硅、碳酸钠、氟化钙、石英、废玻璃、不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰中的两种或两种以上的组合，废催化剂与造渣剂的质量比为1:1-1:1.5；

当催化剂载体为沸石时，优选渣相密度≤2.85×10³kg/m³，渣相粘度≤0.22Pa·s，熔炼温度1623-1723K；添加的造渣剂包括氧化钙、硼砂、碳酸钠、废玻璃、不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰中的两种或两种以上的组合，废催化剂与造渣剂的质量比为1:0.5-1:1.1；

当催化剂载体为二氧化硅时，优选渣相密度≤2.45×10³kg/m³，渣相粘度≤0.18Pa·s，熔炼温度1573-1673K；添加的造渣剂包括氧化钙、硼砂、碳酸钠、不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰中的两种或两种以上的组合，废催化剂与造渣剂的质量比为1:0.4-1:1.0。

进一步地，采用所述渣型设计方法设计渣型能够提高渣相与铁合金的分离效率，降低渣中铂族金属含量，使渣中铂族金属含量不高于10g/t。

进一步地，采用铁捕集废催化剂中铂族金属包括如下步骤：

S1、将配比好的捕集剂、废催化剂、造渣剂混匀后装入熔炼炉内；

S2、先预热10-30min，然后开始升温熔炼；

S3、反应完全后静置，使合金熔体充分捕集铂族金属并沉入底部；渣金分离得到富含铂族金属的铁合金和熔炼渣。

本发明的原理为：利用铁与铂族金属形成固溶体的原理，在熔炼过程中，捕集剂铁首先熔化，因重力作用开始沉降，沉降过程不断捕集铂族金属并与周围的铁液滴融合长大，沉降过程受重力、粘滞力和浮力作用，三者平衡后匀速下降，最终达到合金相与渣相分离。铂族金属的捕集效率取决于未进入合金相中的铁液滴，即渣铁分离程度。因此，本发明的关键在于提高渣相与铁合金的分离效率，降低渣中铂族金属含量。通过建模、求解和分析，影响捕集率的因素只有熔炼温度、时间和渣相成分，控制熔炼温度和时间，通过热力学软件和数据计算得到对应的渣相成分范围。

本发明公开的铁捕集废催化剂中铂族金属的渣型设计方法通过建模、计算求解、软件模拟分析确定目标渣型，添加造渣剂验证并优化渣相成分。根据目标渣型要求，添加的造渣剂包括氧化钙、硼砂、二氧化硅、碳酸钠、石英、废玻璃、不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰中的两种或两种以上。其中废玻璃、垃圾焚烧底灰为一般固废，分别主要含SiO₂、Na₂O和SiO₂和CaO；不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰属于危险固废，分别主要含CaO、SiO₂和K₂O、Na₂O、CaO，同时含有Cr、Pb、Zn、Cd等重金属。本发明的渣型设计方法不仅大幅提高研发效率，缩短渣型的研发周期，利用本方法设计的渣型还可协同处置部分固废和危险固废，实现铂族金属高效捕集，具有显著的经济、环境和社会效益。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的渣型设计方法为高效铁捕集铂族金属提供了理论指导和支撑，利用该方法能减少实验工作量，缩短研发周期，降低研发成本。

(2)本发明渣型设计方法适用范围广，技术窗口宽，适合于各类废催化剂铁捕集铂族金属渣型的调配及成分优化。

(3)利用本发明设计的渣型具有粘度熔点低、粘度小、密度小等特点，有利于提高渣铁的分离效率，渣中铂族金属含量低于10g/t，铂族金属回收率不小于99％，具有显著的经济效益。

(4)针对本发明设计的目标渣相成分，可通过添加废玻璃、不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰、底灰等固废或危废作为造渣剂，实现以废治废、废物循环利用的目的。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种铁捕集废催化剂中铂族金属渣型设计方法流程图。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

本发明为一种铁捕集废催化剂中铂族金属的渣型设计方法，如图1所述，首先对铁液滴在熔炼渣中运动轨迹进行分析如下：

然后采用Matlab求解得到铁液滴的运动位移与铁液滴直径的关系，确定铁液滴沉降完全时的临界尺寸，明确渣相粘度和密度范围。采用热力学软件和数据计算出目标渣相成分，最后对废催化剂的渣型进行验证与优化，实现铂族金属的高效捕集。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

实施例1

以堇青石载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1673K、沉降速度≥1.0×10^-5m/s、临界尺寸≤20μm，求解得到渣相粘度≤0.2Pa·s和密度≤2.75×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相Al₂O₃/SiO₂质量比1:1.4-1:1.6，Al₂O₃≥20wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 20-22wt.％、SiO₂ 23-35wt.％、Al₂O₃ 21-23wt.％、Na₂O 8-11wt.％、MgO 7-9wt.％、ZrO₂ 4-6wt.％、CeO₂ 2-4wt.％、Fe₂O₃ 2-4wt.％、B₂O₃ 3-5wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份废汽车尾气催化剂、45份氧化钙、34份碳酸钠、10份硼砂、10份铁粉、5份氟化钙混匀后加入到熔炼炉中，预热15min，然后在1673K条件下熔炼，待物料熔化后保温沉降120min后浇铸，渣中铂族金属含量为8.2g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为12.8μm。

实施例2

以堇青石载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1693K、沉降速度≥1.7×10^-5m/s、临界尺寸≤17μm，求解得到渣相粘度≤0.18Pa·s和密度≤2.65×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相Al₂O₃/SiO₂质量比1:1.4-1:1.6，Al₂O₃≥20wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 22-28wt.％、SiO₂ 22-26wt.％、Al₂O₃ 20-25wt.％、Na₂O 5-17wt.％、MgO 7-10wt.％、ZrO₂ 4-6wt.％、CeO₂ 3-4wt.％、Fe₂O₃ 2-4wt.％、B₂O₃ 3-5wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份废汽车尾气催化剂、60份不锈钢渣、30份碳酸钠、7份硼砂、13份铁粉混匀后加入到熔炼炉中，预热20min，然后在1693K条件下熔炼，待物料熔化后保温沉降100min后浇铸，渣中铂族金属含量为6.7g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为6.4μm，与模拟结果相吻合。

实施例3

以堇青石载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1723K、沉降速度≥2.2×10^-5m/s、临界尺寸≤10μm，求解得到渣相粘度≤0.16Pa·s和密度≤2.45×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相Al₂O₃/SiO₂质量比1:1.4-1:1.6，Al₂O₃≥20wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 20-25wt.％、SiO₂ 24-30wt.％、Al₂O₃ 22-28wt.％、Na₂O 14-22wt.％、MgO 6-13wt.％、ZrO₂ 4-6wt.％、CeO₂ 3-4wt.％、Fe₂O₃ 2-4wt.％、B₂O₃ 5-9wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份废汽车尾气催化剂、40份垃圾焚烧飞灰、40份不锈钢渣、25份碳酸钠、15份硼砂、15份铁粉混匀后加入到熔炼炉中，预热20min，然后在1723K条件下熔炼，待物料熔化后保温沉降50min后浇铸，渣中铂族金属含量为5.2g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为4.8μm，与模拟结果相吻合。

实施例4

以氧化铝载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1723K、沉降速度≥1.6×10^-5m/s、临界尺寸≤10μm，求解得到渣相粘度≤0.3Pa·s和密度≤3.0×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相Al₂O₃≥40wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 25-35wt.％、SiO₂ 8-12wt.％、Al₂O₃ 40-50wt.％、Na₂O 8-12wt.％、Fe₂O₃ 2-4wt.％、CaF₂ 3-4wt.％、B₂O₃ 3-5wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份含铂氧化铝载体废催化剂、70份垃圾焚烧飞灰、10份石英、10份废玻璃、26份碳酸钠、8份硼砂、15份铁粉混匀后加入到熔炼炉中，预热20min，然后在1723K条件下熔炼，待物料熔化后保温沉降70min后浇铸，渣中铂含量为9.4g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为14.5μm，与模拟结果相吻合。

实施例5

以氧化铝载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1753K、沉降速度≥1.64×10^-5m/s、临界尺寸≤16μm，求解得到渣相粘度≤0.26Pa·s和密度≤2.72×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相Al₂O₃≥45wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 15-24wt.％、SiO₂ 13-18wt.％、Al₂O₃ 45-55wt.％、Na₂O 15-22wt.％、Fe₂O₃ 1-2wt.％、CaF₂ 5-8wt.％、B₂O₃ 5-9wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份含钯氧化铝载体废催化剂、40份垃圾焚烧飞灰、30份垃圾焚烧底灰、20份废玻璃、40碳酸钠、10份氟化钙、10份硼砂、15份铁粉混匀后加入到熔炼炉中，预热20min，然后在1753K条件下熔炼，待物料熔化后保温沉降70min后浇铸，渣中钯含量为7.2g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为15.4μm，与模拟结果相吻合。

实施例6

以氧化铝载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1773K、沉降速度≥2.32×10^-5m/s、临界尺寸≤16μm，求解得到渣相粘度≤0.22Pa·s和密度≤2.56×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相Al₂O₃≥45wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 27-32wt.％、SiO₂ 10-13wt.％、Al₂O₃ 42-47wt.％、Na₂O 13-15wt.％、Fe₂O₃ 1-3wt.％、CaF₂ 4-5wt.％、B₂O₃ 4-5wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份含钯氧化铝载体废催化剂、60份垃圾焚烧飞灰、20份垃圾焚烧底灰、22份石英、20份碳酸钠、11份硼砂、10份铁粉混匀后加入到熔炼炉中，预热30min，然后在1773K条件下熔炼，待物料熔化后保温沉降30min后浇铸，渣中钯含量为6.3g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为5.6μm，与模拟结果相吻合。

实施例7

以沸石载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1623K、沉降速度≥1.3×10^-5m/s、临界尺寸≤15μm，求解得到渣相粘度≤0.22Pa·s和密度≤2.85×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相SiO₂≥40wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 20-36wt.％、SiO₂ 40-60wt.％、Al₂O₃ 20-33wt.％、Na₂O 8-15wt.％、Fe₂O₃ 2-4wt.％、B₂O₃ 2-8wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份含铂沸石载体废催化剂、50份垃圾焚烧飞灰、20份不锈钢渣、10份废玻璃、24份碳酸钠、6份硼砂、15份铁粉混匀后加入到熔炼炉中，预热20min，然后在1623K条件下熔炼180min后浇铸，渣中铂含量为5.9g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为13.4μm，与模拟结果相吻合。

实施例8

以沸石载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1723K、沉降速度≥2.5×10^-5m/s、临界尺寸≤13μm，求解得到渣相粘度≤0.19Pa·s和密度≤2.45×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相SiO₂≥40wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 15-24wt.％、SiO₂ 40-56wt.％、Al₂O₃ 18-27wt.％、Na₂O 12-23wt.％、Fe₂O₃ 1-3wt.％、B₂O₃ 4-11wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份含钯沸石载体废催化剂、20份氧化钙、25份垃圾焚烧底灰、34份碳酸钠、10份硼砂、15份铁粉混匀后加入到熔炼炉中，预热30min，然后在1723K条件下熔炼100min后浇铸，渣中钯含量为4.1g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为8.1μm，与模拟结果相吻合。

实施例9

以二氧化硅载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1573K、沉降速度≥1.2×10^-5m/s、临界尺寸≤15μm，求解得到渣相粘度≤0.18Pa·s和密度≤2.45×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相SiO₂≥60wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 10-25wt.％、SiO₂ 60-78wt.％、Al₂O₃ 7-15wt.％、Na₂O 0-20wt.％、Fe₂O₃ 0-2wt.％、B₂O₃ 0-3wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份含铂二氧化硅载体废催化剂、10份氧化钙、10份垃圾焚烧底灰、10份不锈钢渣、5份碳酸钠、5份硼砂、10份铁粉混匀后加入到熔炼炉中，预热20min，然后在1573K条件下熔炼，待物料完全熔化后沉降60min后浇铸，渣中铂含量为9.5g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为10.7μm，与模拟结果相吻合。

实施例10

以二氧化硅载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1623K、沉降速度≥2.1×10^-5m/s、临界尺寸≤16μm，求解得到渣相粘度≤0.16Pa·s和密度≤2.4×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相SiO₂≥65wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 12-23wt.％、SiO₂ 65-74wt.％、Al₂O₃ 10-21wt.％、Na₂O 5-14wt.％、Fe₂O₃ 1-2wt.％、B₂O₃ 2-8wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份含钯二氧化硅载体废催化剂、30份垃圾焚烧飞灰、12份碳酸钠、10份硼砂、10份铁粉混匀后加入到熔炼炉中，预热15min，然后在1623K条件下熔炼，待物料完全熔化后沉降30min后浇铸，渣中钯含量为7.1g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为12.3μm，与模拟结果相吻合。

实施例11

以二氧化硅载体废催化剂为原料，确定边界条件如下：熔炼温度1673K、沉降速度≥3.6×10^-5m/s、临界尺寸≤14μm，求解得到渣相粘度≤0.16Pa·s和密度≤2.37×10³kg/m³。根据载体成分，限定渣相SiO₂≥70wt.％，采用热力学软件模拟得到目标渣型CaO 0-20wt.％、SiO₂ 70-80wt.％、Al₂O₃ 5-15wt.％、Na₂O 10-20wt.％、B₂O₃ 5-15wt.％。根据模拟的渣相成分，将100份含钯二氧化硅载体废催化剂、10份氧化钙、10份二氧化硅、15份碳酸钠、5份硼砂、10份铁粉混匀后加入到熔炼炉中，预热20min，然后在1673K条件下熔炼，待物料完全熔化后沉降240min后浇铸，渣中钯含量为3.7g/t，通过扫描电镜发现渣中铁微粒粒径为8.6μm，与模拟结果相吻合。

Claims

1.一种铁捕集废催化剂中铂族金属渣型设计方法，其特征在于，所述方法包括：

S1通过分析铁液滴在熔炼渣中的运动轨迹，根据铁液滴沉降完全时的临界尺寸和沉降速度，明确渣相粘度和密度范围；

S3根据模拟确定的目标渣相成分，以废催化剂载体为基础，添加造渣剂进行渣相成分调配，对废催化剂的渣型进行验证与优化，实现铂族金属的高效捕集；

步骤S1具体为：

(1)确定铁液滴的临界尺寸d不大于20μm；

(2)基于熔炼效率确定铁液滴临界沉降速度ν：铁液滴受力平衡时沉降速度不低于1.0×10^-5m/s；

其中：铁液滴临界沉降速度ν是指在熔炼渣中铁液滴受力平衡时铁液滴相对渣相的沉降速度，单位为m/s；η为渣相的粘度，单位为Pa·s；d为铁液滴受力平衡时铁液滴的直径，单位为m；ρ_Fe为铁液滴密度，单位为kg/m³；ρ_s为熔炼渣密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；

其中，熔炼渣密度ρ_s及渣相的粘度η仅和渣相成分及熔炼温度有关：

M为熔炼渣摩尔质量，单位为kg/mol；T为熔炼温度，单位为K；A、B、a和b是和渣相成分有关的常数；

(4)在1573-1773K的熔炼温度范围内，确定铁液滴沉降完全所对应的渣相粘度和密度范围为：渣相粘度不高于0.30Pa·s，渣相密度不大于3.0×10³kg/m³；

所述废催化剂包括以堇青石、氧化铝、沸石、二氧化硅为载体的含铂族金属催化剂中任意一种或任意一种以上的组合。

2.根据权利要求1所述一种铁捕集废催化剂中铂族金属渣型设计方法，其特征在于，所述采用热力学软件模拟计算并确定目标渣相成分，具体为：确定铁液滴沉降完全所对应的渣相粘度和密度范围后，根据载体成分选择合适的造渣剂，明确渣型，固定熔炼温度T，采用热力学软件计算得到对应的渣相成分范围，依据硅酸盐相图选取渣相熔点低于1573K的成分区间，根据渣量最少原则，确定最终的目标渣相成分。

3.根据权利要求1所述一种铁捕集废催化剂中铂族金属渣型设计方法，其特征在于，当催化剂载体为堇青石时，渣相密度≤2.75×10³kg/m³，渣相粘度≤0.20Pa·s，熔炼温度1673-1723K；添加的造渣剂包括氧化钙、硼砂、碳酸钠、不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰一种或一种以上的组合，废催化剂与造渣剂的质量比为1:0.8-1:1.2；

当催化剂载体为氧化铝时，渣相密度≤3.0×10³kg/m³，渣相粘度≤0.30Pa·s，熔炼温度1723-1773K；添加的造渣剂包括氧化钙、硼砂、二氧化硅、碳酸钠、氟化钙、石英、废玻璃、不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰中的两种或两种以上的组合，废催化剂与造渣剂的质量比为1:1-1:1.5；

当催化剂载体为沸石时，渣相密度≤2.85×10³kg/m³，渣相粘度≤0.22Pa·s，熔炼温度1623-1723K；添加的造渣剂包括氧化钙、硼砂、碳酸钠、废玻璃、不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰中的两种或两种以上的组合，废催化剂与造渣剂的质量比为1:0.5-1:1.1；

当催化剂载体为二氧化硅时，渣相密度≤2.45×10³kg/m³，渣相粘度≤0.18Pa·s，熔炼温度1573-1673K；添加的造渣剂包括氧化钙、硼砂、碳酸钠、不锈钢渣、垃圾焚烧飞灰、垃圾焚烧底灰中的两种或两种以上的组合，废催化剂与造渣剂的质量比为1:0.4-1:1.0。

4.根据权利要求1所述一种铁捕集废催化剂中铂族金属渣型设计方法，其特征在于，采用所述渣型设计方法设计渣型能够提高渣相与铁合金的分离效率，降低渣中铂族金属含量，使渣中铂族金属含量不高于10g/t。

5.根据权利要求1-4任一项所述一种铁捕集废催化剂中铂族金属渣型设计方法，其特征在于，采用铁捕集废催化剂中铂族金属包括如下步骤：

S2、先预热10-30min，然后开始升温熔炼；