WO2013080066A1 - Verfahren zum stofflichen recycling von eisen, cer, molybdän und kalium enthaltenden katalysatoren - Google Patents

Verfahren zum stofflichen recycling von eisen, cer, molybdän und kalium enthaltenden katalysatoren Download PDF

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WO2013080066A1
WO2013080066A1 PCT/IB2012/055961 IB2012055961W WO2013080066A1 WO 2013080066 A1 WO2013080066 A1 WO 2013080066A1 IB 2012055961 W IB2012055961 W IB 2012055961W WO 2013080066 A1 WO2013080066 A1 WO 2013080066A1
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WO
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cerium
iron
molybdenum
solution
potassium
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PCT/IB2012/055961
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Inventor
Christian Walsdorff
Markus Schubert
Stefan Altwasser
Steffen Buch
Original Assignee
Basf Se
Basf (China) Company Limited
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B26/00—Obtaining alkali, alkaline earth metals or magnesium
    • C22B26/10—Obtaining alkali metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00—Obtaining refractory metals
    • C22B34/30—Obtaining chromium, molybdenum or tungsten
    • C22B34/34—Obtaining molybdenum
    • C22B34/345—Obtaining molybdenum from spent catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22B7/00—Working up raw materials other than ores, e.g. scrap, to produce non-ferrous metals and compounds thereof; Methods of a general interest or applied to the winning of more than two metals
    • C22B7/009—General processes for recovering metals or metallic compounds from spent catalysts
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the invention relates to a process for the material recycling of iron, cerium, molybdenum and potassium-containing catalysts.
  • iron oxide-containing catalysts such as those used for the dehydrogenation of hydrocarbons, for example for the dehydrogenation of isopentene to isopentadiene (isoprene) or of ethylbenzene to styrene into consideration. These generally have a cerium oxide content in the range from 1 to 25 wt .-%, in particular from 5 to 15 wt .-% to.
  • Such catalysts are described, for example, in EP 1 027 028 A1, DE 101 54 718 A1 and EP 0 894 528 B1.
  • the catalysts in addition to compounds of iron and cerium, also contain compounds of potassium and molybdenum, and optionally compounds of magnesium, calcium, tungsten, titanium, copper, chromium, cobalt, nickel and vanadium.
  • a particular challenge is the molybdenum content of the catalysts.
  • the presence of molybdenum prevents disposal of otherwise substantially unproblematic elements such as iron, potassium, magnesium and calcium-containing solutions as wastewater.
  • a solution containing iron, potassium, magnesium and calcium in the absence of molybdenum could be well used for neutralization or as flocculants in sewage treatment plants.
  • high potassium contents interfere with workup of the iron-containing solutions after separation of cerium in equipment such as those operated by steelmakers to process saline pickling solutions to recover iron oxide (e.g., by the so-called Ruthner method).
  • Such a process for the preparation of iron oxides from hydrochloric acid solutions containing iron chloride is described for example in EP 0 850 881 A1.
  • KR2002-0093455 describes a process for the recovery of ceria from used de-hydrogenation catalysts which are used for the production of styrene from ethylbenzene.
  • the used catalyst is ground wet, for example in a ball mill to a particle size of 0.1 to 5 ⁇ . After filtering off the milled catalyst and adding acid to the solid, a mash is prepared with a pH of 0.5 to 3.0, which is filtered once more.
  • the solid residue is mixed with water and dispersed with the addition of organic dispersants using ultrasound, followed by two phases. form sen, wherein the lower phase iron oxide (magnetite) and the upper phase should contain ceria.
  • the very fine grinding of the used catalyst is expensive, the organic dispersants used can pollute the wastewater. The separation of molybdenum is not mentioned.
  • WO 2007/009927 A1 describes a process for the preparation of dehydrogenation catalysts using secondary raw material, which is obtained by working up used catalysts. In this method, no chemical separation of the catalyst components in compounds of the individual metals. Rather, 10 to 70 wt .-% of a calcined and ground used, iron oxide-containing catalyst with 30 to 90 wt .-% of a fresh, iron oxide-containing catalyst material is mixed.
  • the object of the invention is to provide a simple process for the recycling of used dehydrogenation catalysts which, in addition to iron and cerium, also contain molybdenum and potassium.
  • the object of the invention is in particular to provide a method in which interfering molybdenum is separated off in a simple manner and the essential further components cerium and iron are sent for material recycling.
  • the object of the invention is also to provide a method in which molybdenum is also recycled.
  • the object is achieved by a process for the material recycling of a catalyst containing oxides of iron, cerium, molybdenum and potassium, wherein the potassium and molybdenum are at least partially separated by treating the catalyst with an aqueous leaching agent, wherein an aqueous potassium and molybdenum-containing solution and a solid residue containing ceria and iron oxide is obtained, and cerium as a cerium (III) compound or a cerium (IV) oxide-containing solid is recovered from the residue.
  • the used catalysts which are subject to material recycling according to the invention contain the following metals:
  • Molybdenum corresponding to 0.1 to 10% by weight of M0O3,
  • Cerium corresponding to 1 to 25% by weight CeO 2, in particular 5 to 15% by weight CeO 2,
  • the catalysts also contain magnesium, corresponding to 0 to 10 wt .-% MgO.
  • the catalysts in small amounts may contain other elements that are included as typical impurities in the primary iron oxides used.
  • the catalysts contain oxides of iron, potassium, molybdenum, cerium and calcium.
  • the catalysts contain oxides of iron, potassium, molybdenum, cerium, calcium and magnesium.
  • An essential step of the process according to the invention is the leaching of the spent catalyst with an aqueous leaching agent, whereby an aqueous, alkaline solution L 1 containing molybdenum and potassium and a solid residue R 1 containing oxides of cerium and iron are obtained.
  • the solid residue further contains oxides of calcium and magnesium and, optionally, the oxides of other metals.
  • both potassium and molybdenum are particularly easily separated from the used catalyst material by simple washing or leaching with an aqueous washout agent, preferably hot water, from the remaining components. Potassium and molybdenum can thus no longer interfere with the recycling of the remaining components.
  • > 90%, in particular> 95% of the molybdenum contained and> 50%, in particular> 70%, of the potassium contained are removed by the wash-out step.
  • the aqueous etchant may contain alkaline additives or impurities. Suitable alkaline additives are alkali metal hydroxides and carbonates, alkaline earth metal hydroxides and carbonates, ammonia, amines or carboxylates.
  • the aqueous washout agent contains no alkaline additives.
  • the aqueous leaching agent may also contain weakly acidic additives or impurities, for example carbonic acid or carboxylic acids. In a preferred embodiment of the process according to the invention, the aqueous washout agent contains no acidic additives.
  • the leaching of the used catalyst is carried out at a temperature of at least 50 ° C, preferably at least 70 ° C, more preferably at least 90 ° C, at atmospheric pressure or overpressure.
  • a pressurized passage may be advantageous to reach temperatures around 100 ° C or above.
  • the temperature is at most 150 ° C, preferably at most 1 10 ° C, more preferably at most 100 ° C.
  • a performance under substantial pressure increase is not required to carry out the inventive method.
  • the leaching is carried out at atmospheric pressure and temperatures of 50 to 100 ° C.
  • potassium and molybdenum are present in the resulting aqueous solution L1 as a mixture of various compounds. At least some of the potassium and some of the molybdenum in the resulting aqueous solution can be formally reported as dissolved potassium molybdate (K 2 M0 O 4), potassium carbonate (K 2 CO 3) or potassium hydroxide (KOH).
  • the aqueous solution containing potassium and molybdenum has a pH of generally from 7 to 15, preferably from 8 to 15, in particular from 10 to 14.
  • the leaching of the used catalysts can be carried out in one or more stages, continuously or discontinuously.
  • the leaching can be carried out, for example, continuously according to the countercurrent principle or sequentially (multi-stage) according to the countercurrent principle.
  • the weaker concentrated washing solutions obtained in later wash-off steps are used as a washout solution in earlier washout steps.
  • the mother liquor remaining after precipitation of molybdenum by precipitation can also be used as a washout solution, at least in some of the stages of a multi-stage washout process.
  • the leaching of the used catalyst with the aqueous leaching agent can be carried out, for example, by slurrying the used catalyst in a vessel and then decanting or filtering off the aqueous leaching solution.
  • a boiler preferably has a stirrer or other device for circulating the leaching mash, for example a circulating pump.
  • Such a boiler can be heated indirectly, for example by steam-fed heating coils, or directly, for example by directly feeding steam into the mash.
  • Such a boiler can also be operated without heating, if, for example, a correspondingly preheated aqueous solution is used in the boiler.
  • the aqueous solution can either be decanted off or filtered off. If the catalyst is to be leached several times in succession, it may be advantageous to decant at least in the first stages. In general, however, it is advantageous to filter the leached mash.
  • filter presses or belt filter systems can be used. If filter presses are used, it may be advantageous to wash the filter cake with an aqueous solution.
  • a bandpass filter can be used in which different aqueous solutions for leaching or washing in spatially delimited band sections can be applied sequentially, whereby less concentrated solutions of later sections of the bandpass filter can be applied as washout solutions in earlier sections of the bandpass filter, around the entire solution volume keep as small as possible.
  • the step according to the invention of leaching with an aqueous leaching agent may be preceded by a step in which the used catalyst is completely or partially mechanically comminuted, that is, for example, crushed or ground.
  • the leaching with aqueous leaching agent can also be preceded by a process step in which the used catalyst is heated in an oxygen-containing atmosphere, so that the iron oxides contained in the catalyst substantially in the oxidation state +111 and the cerium compounds contained therein in the oxidation state + IV. Any carbonaceous deposits that may be present are also burned off.
  • the catalyst is heated in an atmosphere containing oxygen prior to treatment with the aqueous washout agent.
  • the catalyst is mechanically comminuted before the treatment with the aqueous washout agent.
  • the thermal treatment of the used catalyst in the presence of oxygen is generally carried out at temperatures of 100 to 1200 ° C, preferably from 200 to 1000 ° C, more preferably from 300 to 1 100 ° C and in particular from 300 to 1000 ° C.
  • the catalyst is heated (calcined) for a period of from 30 minutes to 10 hours, preferably from 1 to 3 hours, in the oxygen-containing atmosphere.
  • the iron obtained in the used catalyst material after calcination is generally substantially in the form of hematite, magnetite and potassium ferrite phases.
  • the ceria (CeO-2) contained in the catalyst material, after calcination, generally has crystal sizes of 15 to 90 nm, in particular 40 to 60 nm.
  • oxygen-containing gas air is preferably used. It can also be used lean air.
  • the calcining can be carried out batchwise or continuously, for example in hearth furnaces or rotary kilns. Preferably, the thermal treatment is carried out continuously in rotary tubes. Particularly in the case of strongly pulverized or powder-containing catalyst material, it may be useful to carry out the calcination in a rotary kiln equipped with beaters.
  • the heating of the used catalyst can be carried out prior to its removal in the dehydrogenation reactor.
  • air or an oxygen-containing gas is fed into the dehydrogenation reactor.
  • the used catalyst material is preferably milled, if appropriate after the thermal treatment, in suitable mills. It may be advantageous to break the material first. This break can be done for example in a thumb breaker. At- closing the material can be crushed, for example, with a hammer mill.
  • the mean particle diameter is in the range from 1 to 700 ⁇ m, preferably from 5 to 500 ⁇ m, in particular from 10 to 200 ⁇ m. In general, however, the method according to the invention can also be carried out with coarser or with uncomminuted material.
  • Cerium is recovered as a solid containing a cerium (III) compound or cerium (IV) oxide from the solid residue remaining after leaching, containing oxides of cerium and iron and, in general, oxides of calcium and optionally magnesium or other metals.
  • the invention thus provides a process for recycling a used catalyst containing oxides of iron, cerium, molybdenum and potassium, comprising the steps of: (i) optionally heating the catalyst in an oxygen-containing atmosphere,
  • cerium is recovered as the cerium (IV) oxide-containing solid.
  • the solid residue containing ceria and iron oxide is treated with a mineral acid to recover an iron-containing solution L2 and a solid residue R2 containing cerium (IV) oxide.
  • the residue thus obtained may, in addition to cerium (IV) oxide, also contain further metal oxides, in particular iron oxide, so that a refining of the cerium (IV) oxide-containing solid (residue R2) may be necessary.
  • Preferred mineral acid is hydrochloric acid.
  • the hydrochloric acid content of the hydrochloric acid is from 5 to 37% by weight.
  • other acids for example nitric acid or aqueous sulfuric acid, in principle.
  • the pH of the acidic solution may increase with increasing dissolution of constituents of the solid.
  • the pH of the solution L2 is generally between 0 and 7, preferably between 0.5 and 6 and particularly preferably between 1 and 5.
  • the treatment (washing out) of the solid residue with mineral acid can be carried out in one or more stages, batchwise or continuously in cocurrent or countercurrent. Suitable variants are described in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, chapter Liquid-Solid Extraction (T. Voeste et al.).
  • the less concentrated washout solutions of later washout steps are used as a washout solution in earlier washout steps in a multi-stage washout process.
  • the treatment is carried out at elevated temperatures, preferably at 30 to 120 ° C, in particular 50 to 100 ° C.
  • the treatment can be carried out at normal pressure or elevated pressure. In general, an increase in pressure is not required.
  • the treatment with acid can be carried out in a boiler, for example.
  • a boiler preferably has a stirrer or other device for circulating the leaching mash, for example a circulating pump.
  • Such a boiler can preferably be heated indirectly, for example by steam-fed heating coils, or else directly, for example by direct injection of steam into the mash.
  • Such a boiler can also be operated without heating if a preheated mineral acid is used in the boiler.
  • the acidic solution can either be decanted off or filtered off. If the catalyst is to be leached several times in succession, it may be advantageous to decant off at least in the first stages. In general, however, it is advantageous to filter the leached mash.
  • filter presses or belt filter systems can be used. If filter presses are used, it may be advantageous to wash the filter cake with an aqueous solution.
  • the mineral acid treatment step may also be carried out in the presence of an oxidizing agent. Suitable oxidizing agents may be, for example, nitric acid or perchloric acid. This may be particularly advantageous when the catalyst is not calcined prior to treatment with aqueous washout agent.
  • iron can be precipitated by adding a basic precipitating agent as iron hydroxide or iron oxide.
  • a basic precipitating agent as iron hydroxide or iron oxide.
  • Suitable basic precipitants are alkali metal or alkaline earth metal hydroxides.
  • iron oxide is obtained from the iron-containing solution L2 by spray-drying.
  • the iron and generally calcium and optionally magnesium-containing solution L2 can also be introduced as a flocculant in a sewage treatment plant. This is particularly possible because the solution contains essentially no molybdenum.
  • the iron-containing solution L2 can also be used for the production of iron oxides, which in turn can be used for the production of pigments, ferrites or catalysts.
  • iron oxides can be prepared by spray roasting the hydrochloric acid solutions.
  • the hydrochloric acid solution L2 can also be added to a pickling solution obtained in steelmaking. From this, iron oxides and hydrochloric acid can be obtained in a spray roasting process (Ruthner process). This type of workup is especially possible if the solution contains little potassium.
  • iron oxides or iron hydroxides may also be recovered by precipitation by means of bases from solution L2.
  • the invention therefore also provides a process for the material recycling of a used catalyst containing oxides of iron, cerium, molybdenum and potassium with the steps:
  • aqueous leaching agent wherein an aqueous solution L1 containing potassium and molybdenum and a solid residue R1 containing ceria and iron oxide are obtained,
  • cerium is obtained as cerium (III) compound.
  • the solid residue R2 containing ceria is completely dissolved in the presence of a reducing agent in a mineral acid and cerium (IV) is reduced to cerium (III) to obtain a solution L4.
  • cerium (IV) oxide is converted into soluble cerium (III). From this solution L4 can be precipitated by addition of a basic precipitant cerium as cerium (III) compound, especially as cerium (III) carbonate hydrate.
  • Preferred mineral acid is hydrochloric acid, generally at a concentration of from 5 to 37% by weight of hydrogen chloride, or aqueous sulfuric acid.
  • an iron component is added as a reducing agent in which iron is present as metallic iron in the oxidation state 0 or as iron (II).
  • the iron component can be added in solid form, for example as iron powder, or in the form of iron (II) salt solution.
  • the iron component is preferably selected from the group consisting of elemental iron, iron alloys, steel (eg steel chips), steel alloys, iron (II) chloride, iron (II) carbonate, iron (II) sulfate and iron (II) ammonium sulfate.
  • iron scrap eg iron scrap shavings
  • the iron component is added in oxidation state 0 and / or II to convert the present cerium (IV) to the soluble cerium (III) form.
  • the iron component is used in a stoichiometric ratio, based on cerium.
  • an iron component containing iron in the oxidation state 0 is added, evolution of hydrogen gas and foaming of the mixture may occur.
  • suitable procedural measures for the removal of the hydrogen gas can be made.
  • the solid residue containing cerium oxide and iron oxide in the mineral acid is dissolved at a temperature of from 40 to 160.degree. C., preferably from 40 to 120.degree. C., more preferably from 60 to 120.degree. C. and in particular from 90 to 120.degree.
  • the dissolution takes place at the boiling point of the mixture, preferably under reflux.
  • the dissolution process takes 10 minutes to 8 hours, preferably 0.5 to 4 hours, for example 0.5 to 2 hours.
  • cerium as cerium (III) compound can be precipitated.
  • a basic precipitant cerium as cerium (III) compound can be precipitated.
  • the precipitation of a cerium (III) compound by adding a basic precipitating agent to the mineral acid solution until a pH in the range of 6 to 12, preferably 7 to 9 is reached.
  • cerium (III) precipitates as the cerium (III) carbonate hydrate.
  • Suitable basic precipitants are alkali metal carbonates and alkaline earth metal carbonates, sodium carbonate is preferred.
  • the iron compound can either be fractionated by means of pH control or precipitated together with the cerium (III) compound.
  • a common precipitation may be advantageous, in particular, if the cerium compound is to be used for the preparation of catalysts comprising oxides of iron, cerium, molybdenum and potassium.
  • the invention thus also provides a process for the material recycling of a used catalyst containing oxides of iron, cerium, molybdenum and potassium, comprising the steps of: (i) optionally heating the catalyst in an oxygen-containing atmosphere,
  • aqueous washout to obtain an aqueous solution L1 containing potassium and molybdenum and a solid residue R1 containing ceria and iron oxide;
  • Molybdenum may be precipitated from the aqueous solution containing potassium and molybdenum by adding an acid as the oxygen-containing molybdenum (VI) compound ("molybdenum (VI) oxide.")
  • the solution containing L1 and potassium in a a further process step by addition of an acid, for example sulfuric acid, hydrochloric acid or nitric acid, to the extent neutralized or further acidified, that a solid R3 containing an oxygen-containing molybdenum (VI) compound precipitates leaving a solution L3 containing potassium salts oxygen-containing molybdenum (VI) compound is precipitated at a pH of 2 to 7.
  • the molybdenum oxide-containing precipitate can be further worked up or used directly for the preparation of molybdenum-containing materials.
  • the solution containing potassium salts, after removal of the predominant amount of molybdenum in general probl Emlos be disposed of.
  • iron-containing acidic solution L2 of the process according to the invention is to be used in a manner which does not interfere with potassium, for example as flocculants in sewage treatment plants, it may also be advantageous to treat the potassium-containing solution obtained after separation of the molybdenum on treatment to reuse the iron and cerium-containing solid R1.
  • the solid R3 may also contain potassium.
  • the solid R3 can also be used for the preparation of catalysts comprising oxides of iron, cerium, molybdenum and potassium, without requiring a preceding separation of potassium. It is also possible to spray-dry the potassium and molybdenum-containing solution to a solid containing potassium and molybdenum, for example after saturation with carbon dioxide.
  • the invention is further illustrated by the following examples. Examples
  • a used catalyst containing iron oxide, potassium, molybdenum, cerium, calcium and magnesium from an ethylbenzene dehydrogenation plant was calcined at 800 ° C. for 2 hours in a laboratory furnace and ground with an analytical mill.
  • the filter cake was stirred again with 400 ml of deionized water at 95 ° C. for 30 min.
  • the pH at 95 ° C was 1 1, 3.
  • the solution was filtered through a ceramic filter with paper filter and the filter cake washed with 80 ml of hot deionized water.
  • the combined clear, colorless solutions (solution 1 -2) showed, after cooling to 42 ° C, a pH of 12.5.
  • the filter cake was slurried with 150 ml of boiling deionised water and filtered through a ceramic filter with paper filter and the filter cake washed with 100 ml of boiling deionized water.
  • the clear, colorless solution combined from filtrate and wash water (solution 1-3) showed, after cooling to 38 ° C., a pH of 1, 9.
  • Table 1 shows the analysis results for Example 2.
  • Table 1 shows the analysis results for Example 3.
  • The% data is wt%.
  • the data for solids refer to the calcined solids.
  • MoO 3 1.0% 3.42 g MoO 3 0.04% 0.20 g MoO 3 0.00% 0.00 g

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Abstract

Ein Verfahren zum stofflichen Recycling eines Katalysators wird bereitgestellt. Der Katalysator enthält Oxide von Eisen, Cer, Molybdän und Kalium. Bei dem Verfahren werden Kalium und Molybdän durch Behandeln des Katalysators mit einem wässrigen Auswaschmittel abgetrennt, wobei eine wässrige Lösung L1 enthaltend Kalium und Molybdän sowie ein fester Rückstand R1 enthaltend Ceroxid und Eisenoxid erhalten werden, und wobei Cer als ein eine Cer(lll)-Verbindung oder Cer(IV)oxid enthaltender Feststoff aus dem festen Rückstand R1 gewonnen wird.

Description

Verfahren zum stofflichen Recycling von Eisen, Cer, Molybdän und Kalium enthaltenden Katalysatoren.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stofflichen Recycling von Eisen, Cer, Molybdän und Kalium enthaltenden Katalysatoren.
Angesichts stark gestiegener Preise für Seltenerdverbindungen besteht ein starkes Interesse an der gezielten Rückgewinnung von Seltenerdverbindungen aus gebrauchten Katalysatoren. Für die Rückgewinnung von Cerverbindungen kommen gebrauchte eisenoxidhaltige Katalysatoren, wie sie zur Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, beispielsweise zur Dehydrierung von Iso- penten zu Isopentadien (Isopren) oder von Ethylbenzol zu Styrol eingesetzt werden, in Betracht. Diese weisen in der Regel einen Ceroxid-Gehalt im Bereich von 1 bis 25 Gew.-%, insbesondere von 5 bis 15 Gew.-% auf. Solche Katalysatoren werden beispielsweise in EP 1 027 028 A1 , DE 101 54 718 A1 und EP 0 894 528 B1 beschrieben.
Eine Herausforderung bei der Aufarbeitung solcher Katalysatoren ist deren zum Teil komplexe Zusammensetzung. So enthalten die Katalysatoren neben Verbindungen von Eisen und Cer auch Verbindungen von Kalium und Molybdän, sowie ggf. Verbindungen von Magnesium, Calcium, Wolfram, Titan, Kupfer, Chrom, Cobalt, Nickel und Vanadium.
Eine besondere Herausforderung stellt der Molybdängehalt der Katalysatoren dar. Nach Abtrennung von Cer verhindert die Gegenwart von Molybdän eine Entsorgung der ansonsten im Wesentlichen unproblematische Elemente wie Eisen, Kalium, Magnesium und Calcium enthaltenden Lösungen als Abwasser. Auch könnte eine Eisen, Kalium, Magnesium und Calcium enthaltende Lösung in Abwesenheit von Molybdän gut zur Neutralisation oder als Flockungsmittel in Kläranlagen verwendet werden. Andererseits stören hohe Kaliumgehalte bei einer Aufarbeitung der nach Abtrennung von Cer verbleibenden Eisen enthaltenden Lösungen in Anlagen, wie sie von Stahlherstellern zur Aufbereitung salzsaurer Beizlösungen zur Gewinnung von Eisenoxid betrieben werden (z.B. nach dem sog. Ruthner-Verfahren). Ein derartiges Verfahren zur Herstellung von Eisenoxiden aus salzsauren eisenchloridhaltigen Lösungen wird beispielsweise in EP 0 850 881 A1 beschrieben.
KR2002-0093455 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von Cerdioxid aus gebrauchten De- hydrier-Katalysatoren, die zur Herstellung von Styrol aus Ethylbenzol eingesetzt werden. Dabei wird der gebrauchte Katalysator beispielsweise in einer Kugelmühle bis zu einer Partikelgröße von 0,1 bis 5 μηη feucht gemahlen. Nach Abfiltrieren des gemahlenen Katalysators und Zusatz von Säure zum Feststoff wird eine Maische mit einem pH-Wert von 0,5 bis 3,0 bereitet, die a- bermals filtriert wird. Der feste Rückstand wird mit Wasser versetzt und unter Zusatz von organischen Dispergiermitteln unter Anwendung von Ultraschall dispergiert, worauf sich zwei Pha- sen bilden, wobei die untere Phase Eisenoxid (Magnetit) und die obere Phase Ceroxid enthalten soll. Die sehr feine Mahlung des gebrauchten Katalysators ist aufwendig, die eingesetzten organischen Dispergiermittel können das Abwasser belasten. Die Abtrennung von Molybdän wird nicht erwähnt.
WO 2007/009927 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Dehydrierkatalysatoren unter Verwendung von sekundärem Rohstoff, der durch Aufarbeitung gebrauchter Katalysatoren erhalten wird. Bei diesem Verfahren erfolgt keine chemische Auftrennung der Katalysatorbestandteile in Verbindungen der einzelnen Metalle. Vielmehr werden 10 bis 70 Gew.-% eines calcinierten und gemahlenen gebrauchten, Eisenoxid enthaltenden Katalysators mit 30 bis 90 Gew.-% eines frischen, Eisenoxid enthaltenden Katalysatormaterials vermischt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zum stofflichen Recycling gebrauchter Dehydrier-Katalysatoren, die neben Eisen und Cer auch Molybdän und Kalium enthalten, be- reitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem störendes Molybdän in einfacher Weise abgetrennt und die wesentlichen weiteren Komponenten Cer und Eisen einer stofflichen Verwertung zugeführt werden. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem auch Molybdän einer stofflichen Verwertung zugeführt wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum stofflichen Recycling eines Katalysators enthaltend Oxide von Eisen, Cer, Molybdän und Kalium, bei dem Kalium und Molybdän durch Behandeln des Katalysators mit einem wässrigen Auswaschmittel zumindest teilweise abgetrennt werden, wobei eine wässrige Kalium und Molybdän enthaltende Lösung und ein fester Rück- stand enthaltend Ceroxid und Eisenoxid erhalten werden, und Cer als eine Cer(lll)-Verbindung oder ein Cer(IV)oxid enthaltender Feststoff aus dem Rückstand gewonnen wird.
Im Allgemeinen enthalten die gebrauchten Katalysatoren, die erfindungsgemäß einem stofflichen Recycling unterworfen werden, folgende Metalle:
Eisen, entsprechend 40 bis 90 Gew.-% Fe203,
Kalium, entsprechend 1 bis 40 Gew.-% K2O,
Molybdän, entsprechend 0,1 bis 10 Gew.-% M0O3,
Cer, entsprechend 1 bis 25 Gew.-% CeÜ2, insbesondere 5 bis 15 Gew.-% CeÜ2,
Calcium, entsprechend 0 bis 10 Gew.-% CaO,
Oftmals enthalten die Katalysatoren auch Magnesium, entsprechend 0 bis 10 Gew.-% MgO.
Außerdem können die Katalysatoren in geringen Mengen noch weitere Elemente enthalten, die als typische Verunreinigungen in den primär eingesetzten Eisenoxiden enthalten sind. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthalten die Katalysatoren Oxide von Eisen, Kalium, Molybdän, Cer und Calcium. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Katalysatoren Oxide von Eisen, Kalium, Molybdän, Cer, Calcium und Magnesium.
Ein wesentlicher Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Auslaugen des gebrauch- ten Katalysators mit einem wässrigen Auswaschmittel, wobei eine wässrige, alkalische Lösung L1 enthaltend Molybdän und Kalium und ein fester Rückstand R1 enthaltend Oxide von Cer und Eisen erhalten werden. Im Allgemeinen enthält der feste Rückstand weiterhin Oxide von Calcium und Magnesium sowie gegebenenfalls der Oxide von weiteren Metallen. Erfindungsgemäß werden sowohl Kalium als auch Molybdän besonders einfach aus dem gebrauchten Katalysatormaterial durch einfaches Auswaschen oder Auslaugen mit einem wässrigen Auswaschmittel, vorzugsweise heißem Wasser, von den restlichen Komponenten abgetrennt. Kalium und Molybdän können damit bei der stofflichen Verwertung der restlichen Komponenten nicht mehr stören. Durch den Auswaschschritt werden im Allgemeinen > 90 %, insbe- sondere > 95 % des enthaltenen Molybdäns und > 50 %, insbesondere > 70% des enthaltenen Kaliums abgetrennt.
Das wässrige Auswachmittel kann alkalische Zusätze oder Verunreinigungen enthalten. Geeignete alkalische Zusätze sind Alkalimetallhydroxide und -carbonate, Erdalkalimetallhydroxide und -carbonate, Ammoniak, Amine oder Carboxylate. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das wässrige Auswaschmittel keine alkalischen Zusätze. Das wässrige Auswaschmittel kann auch schwach saure Zusätze oder Verunreinigungen, beispielsweise Kohlensäure oder Carbonsäuren enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das wässrige Auswaschmittel keine sau- ren Zusätze. Im Allgemeinen wird das Auslaugen des gebrauchten Katalysators bei einer Temperatur von mindestens 50 °C, bevorzugt bei mindestens 70 °C, besonders bevorzugt bei mindestens 90 °C, bei Atmosphärendruck oder Überdruck durchgeführt. Eine Durchführung unter Druck kann vorteilhaft sein, um Temperaturen um 100 °C oder darüber zu erreichen. Im Allgemeinen beträgt die Temperatur höchstens 150 °C, bevorzugt höchstens 1 10 °C, besonders be- vorzugt höchstens 100 °C. Im Allgemeinen ist eine Durchführung unter wesentlicher Druckerhöhung nicht erforderlich, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Insbesondere wird das Auslaugen bei Atmosphärendruck und Temperaturen von 50 bis 100 °C durchgeführt.
Im Allgemeinen liegen Kalium und Molybdän in der erhaltenen wässrigen Lösung L1 als Ge- misch verschiedener Verbindungen vor. Zumindest ein Teil des Kaliums und ein Teil des Molybdäns in der erhaltenen wässrigen Lösung lassen sich formal als gelöstes Kaliummolybdat (K2M0O4), Kaliumcarbonat (K2CO3) oder Kaliumhydroxid (KOH) angeben. Die erhaltene wässrige, Kalium und Molybdän enthaltende Lösung weist einen pH-Wert von im Allgemeinen 7 bis 15, bevorzugt 8 bis 15, insbesondere 10 bis 14 auf.
Das Auslaugen der gebrauchten Katalysatoren kann ein- oder mehrstufig, kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. In der Regel wird es vorteilhaft sein, das Volumen der wässrigen Lösung L1 enthaltend Kalium und Molybdän mit Blick auf die weitere Aufarbeitung der Lösung möglichst gering zu halten und dennoch eine möglichst weitgehende Überführung von Molybdän und Kalium in die wässrige Lösung L1 zu erreichen. Um mit einem möglichst geringen Lösungsvolumen arbeiten zu können, kann beispielsweise mehrfach in mehreren An- sätzen oder in einem mehrstufigen kontinuierlichen Verfahren sequentiell mit relativ kleinen Lösungsvolumina gearbeitet werden, die für die weitere Aufarbeitung vereinigt werden können. Das Auslaugen kann beispielsweise kontinuierlich nach dem Gegenstromprinzip oder sequentiell (mehrstufig) nach dem Gegenstromprinzip durchgeführt werden. Dabei werden die in späteren Auswaschschritten anfallenden schwächer konzentrierten Waschlösungen als Auswaschlö- sung in früheren Auswaschschritten eingesetzt. Auch die nach der Abtrennung von Molybdän durch Fällung verbleibende Mutterlauge kann, zumindest in einem Teil der Stufen eines mehrstufigen Auswaschverfahrens, als Auswaschlösung zum Einsatz kommen.
Das Auslaugen des gebrauchten Katalysators mit dem wässrigen Auswaschmittel kann bei- spielsweise in der Weise durchgeführt werden, dass der gebrauchte Katalysator in einem Kessel aufgeschlämmt und die wässrige Auslauglösung anschließend dekantiert oder abfiltriert wird. Ein solcher Kessel verfügt bevorzugt über einen Rührer oder eine andere Einrichtung zum Umwälzen der Auslaugmaische, beispielsweise eine Umwälzpumpe. Ein solcher Kessel kann indirekt, beispielsweise durch dampfgespeiste Heizschlangen, oder auch direkt, beispielsweise durch direktes Einspeisen von Dampf in die Maische beheizt werden. Ein solcher Kessel kann auch ohne Beheizung betrieben werden, wenn beispielsweise eine entsprechend vorerhitzte wässrige Lösung im Kessel eingesetzt wird.
Aus dem Kessel kann die wässrige Lösung entweder abdekantiert oder abfiltriert werde. Wenn der Katalysator mehrmals nacheinander ausgelaugt werden soll, kann es vorteilhaft sein, zumindest in den ersten Stufen abzudekantieren. Im Allgemeinen ist es jedoch vorteilhaft, die ausgelaugte Maische zu filtrieren. Hierzu können beispielsweise Filterpressen oder Bandfilteranlagen eingesetzt werden. Wenn Filterpressen benutzt werden, kann es vorteilhaft sein, den Filterkuchen mit einer wässrigen Lösung nachzuwaschen.
Wenn Bandfilter eingesetzt werden, kann es vorteilhaft sein, das Filtrieren mit Auslaug- oder Nachwaschschritten zu kombinieren. Beispielsweise kann ein Bandfilter eingesetzt werden, bei dem verschiedene wässrige Lösungen zum Auslaugen oder Nachwaschen in räumlich abgegrenzten Bandabschnitte sequentiell aufgegeben werden können, wobei schwächer konzent- rierte Lösungen späterer Abschnitte des Bandfilters als Auswaschlösungen in früheren Abschnitten des Bandfilters aufgegeben werden können, um das gesamte Lösungsvolumen möglichst klein zu halten.
Dem erfindungsgemäßen Schritt des Auslaugens mit wässrigem Auswaschmittel kann ein Schritt vorgelagert sein, in dem der gebrauchte Katalysator ganz oder teilweise mechanisch zerkleinert, also beispielsweise geschrotet oder gemahlen wird. Dem Auslaugen mit wässrigem Auswaschmittel kann auch ein Verfahrensschritt vorgelagert sein, bei dem der gebrauchte Katalysator in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre erhitzt wird, so dass die in dem Katalysator enthaltenen Eisenoxide im wesentlichen in die Oxidations- stufe +111 und die darin enthaltenen Cerverbindungen in die Oxidationsstufe +IV überführt wer- den. Dabei werden auch ggf. vorhandene kohlenstoffhaltige Ablagerungen abgebrannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Behandlung mit dem wässrigen Auswaschmittel der Katalysator in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre erhitzt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Behandlung mit dem wässrigen Auswaschmittel der Katalysator mechanisch zerkleinert.
Auch wenn es in der Regel vorteilhaft ist, das Erhitzen des Katalysators in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre vor dem mechanischen Zerkleinerungsschritt durchzuführen, ist grund- sätzlich auch eine umgekehrte Reihenfolge möglich.
Die thermische Behandlung des gebrauchten Katalysators in Gegenwart von Sauerstoff wird im Allgemeinen bei Temperaturen von 100 bis 1200 °C, bevorzugt von 200 bis 1000 °C, besonders bevorzugt von 300 bis 1 100 °C und insbesondere von 300 bis 1000 °C, durchgeführt. Im Allgemeinen wird der Katalysator über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 10 Stunden, bevorzugt von 1 bis 3 Stunden in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt (calciniert). Das in dem gebrauchten Katalysatormaterial erhaltene Eisen liegt nach dem Calcinieren im Allgemeinen im Wesentlichen in Form von Hämatit, Magnetit und Kaliumferritphasen vor. Das in dem Katalysatormaterial enthaltene Cerdioxid (CeO-2) weist nach dem Calcinieren im Allgemeinen Kristal- litgrößen von 15 bis 90 nm, insbesondere von 40 bis 60 nm auf.
Als sauerstoffhaltiges Gas wird bevorzugt Luft eingesetzt. Es kann auch Magerluft verwendet werden. Das Calcinieren kann diskontinuierlich oder kontinuierlich beispielsweise in Hordenöfen oder Drehrohren durchgeführt werden. Bevorzugt wird die thermische Behandlung kontinuierlich in Drehrohren durchgeführt. Insbesondere bei stark pulverisiertem oder pulverhaltigem Katalysatormaterial kann es sinnvoll sein, die Kalzination in einem mit Klopfern ausgestatteten Drehrohr durchzuführen.
In einer Variante kann das Erhitzen des gebrauchten Katalysators vor dessen Ausbau noch im Dehydrierreaktor durchgeführt werden. Dazu wird nach Spülen mit Stickstoff oder Wasserdampf Luft oder ein sauerstoffhaltiges Gas in den Dehydrierreaktor eingespeist. Das gebrauchte Katalysatormaterial wird vorzugsweise, gegebenenfalls nach der thermischen Behandlung, in geeigneten Mühlen gemahlen. Es kann von Vorteil sein, das Material zunächst vorzubrechen. Diese Vorbrechung kann beispielsweise in einem Daumenbrecher erfolgen. An- schließend kann das Material beispielsweise mit einer Hammermühle endzerkleinert werden. Der mittlere Partikeldurchmesser liegt im Bereich von 1 bis 700 μηη, bevorzugt 5 bis 500 μηη, insbesondere von 10 bis 200 μηη. Im Allgemeinen ist das erfindungsgemäße Verfahren aber auch mit gröberem oder mit unzerkleinertem Material durchführbar.
Aus dem nach dem Auslaugen verbleibendem festen Rückstand enthaltend Oxide von Cer und Eisen sowie im Allgemeinen noch Oxide von Calcium und ggf. Magnesium oder weiteren Metallen wird Cer als ein eine Cer(lll)-Verbindung oder Cer(IV)oxid enthaltender Feststoff gewonnen.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum stofflichen Recycling eines gebrauchten Katalysators enthaltend Oxide von Eisen, Cer, Molybdän und Kalium mit den Schritten: (i) optional Erhitzen des Katalysators in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre,
(ii) optional mechanische Zerkleinerung des Katalysators,
(iii) Abtrennung von Kalium und Molybdän durch Behandeln des Katalysators mit einem wässrigen Auswaschmittel, wobei eine wässrige Lösung L1 enthaltend Kalium und Molybdän und ein fester Rückstand R1 enthaltend Ceroxid und Eisenoxid erhalten werden, (iv) Gewinnung von Cer als eine Cer(lll)-Verbindung oder Cer(IV)oxid enthaltender Feststoff aus dem Rückstand R1 ,
(v) optional Gewinnung von Eisen als Eisenoxid aus dem Rückstand R1 ,
(vi) optional Gewinnung von Molybdän in Form einer sauerstoffhaltigen Molybdän(VI)- Verbindung aus der Kalium und Molybdän enthaltenden wässrigen Lösung L1 .
In einer Ausführungsform der Erfindung wird Cer als Cer(IV)oxid enthaltender Feststoff gewonnen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der feste Rückstand enthaltend Ceroxid und Eisenoxid mit einer Mineralsäure behandelt, wobei eine Eisen enthaltende Lösung L2 und ein fester Rückstand R2 enthaltend Cer(IV)oxid gewonnen werden. Der so erhaltene Rückstand kann neben Cer(IV)oxid auch noch weitere Metalloxide, insbesondere Eisenoxid enthalten, so dass eine Raffinierung des Cer(IV)oxid enthaltenden Feststoffs (Rückstand R2) erforderlich sein kann. Dabei können aus dem Cer(IV)oxid nach allgemein bekannten Methoden auch weitere Cer-Verbindungen hergestellt werden, ohne dass das Cerdioxid zuvor unbedingt aufgereinigt werden muss.
Bevorzugte Mineralsäure ist Salzsäure. Im Allgemeinen beträgt der Chlorwasserstoffgehalt der Salzsäure von 5 bis 37 Gew.-%. Es können jedoch grundsätzlich auch andere Säuren, beispielsweise Salpetersäure oder wässrige Schwefelsäure eingesetzt werden. Der pH-Wert der sauren Lösung kann mit zunehmender Auflösung von Bestandteilen des Feststoffs ansteigen. Der pH-Wert der Lösung L2 liegt schließlich im Allgemeinen zwischen 0 und 7, bevorzugt zwischen 0,5 und 6 und insbesondere bevorzugt zwischen 1 und 5. Die Behandlung (das Auswaschen) des festen Rückstandes mit Mineralsäure kann ein oder mehrstufig, diskontinuierlich oder kontinuierlich im Gleich- oder Gegenstrom durchgeführt werden. Geeignete Varianten sind in Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, Kapitel Liquid- Solid Extraction (T. Voeste et al.), beschrieben. Bei einer Behandlung im Gegenstrom werden bei einem mehrstufigen Auswaschverfahren die schwächer konzentrierten Auswaschlösungen späterer Auswaschschritte als Auswaschlösung in früheren Auswaschschritten eingesetzt. Insbesondere wird die Behandlung bei erhöhten Temperaturen, bevorzugt bei 30 bis 120 °C, insbesondere 50 bis 100 °C durchgeführt. Die Behandlung kann bei Normaldruck oder erhöhtem Druck durchgeführt werden. Im Allgemeinen ist eine Druckerhöhung aber nicht erforderlich. Die Behandlung mit Säure kann beispielsweise in einem Kessel durchgeführt werden. Ein solcher Kessel verfügt bevorzugt über einen Rührer oder eine andere Einrichtung zum Umwälzen der Auslaugmaische, beispielsweise eine Umwälzpumpe. Ein solcher Kessel kann bevorzugt indirekt, beispielsweise durch dampfgespeiste Heizschlangen, oder auch direkt, beispielsweise durch direktes Einspeisen von Dampf in die Maische beheizt werden. Ein solcher Kessel kann auch ohne Beheizung betrieben werden, wenn eine vorerhitzte Mineralsäure im Kessel eingesetzt wird.
Aus dem Kessel kann die saure Lösung entweder abdekantiert oder abfiltriert werden. Wenn der Katalysator mehrmals nacheinander ausgelaugt werden soll, kann es vorteilhaft sein, zu- mindest in den ersten Stufen abzudekantieren. Im Allgemeinen ist es jedoch vorteilhaft, die ausgelaugte Maische zu filtrieren. Hierzu können beispielsweise Filterpressen oder Bandfilteranlagen eingesetzt werden. Wenn Filterpressen benutzt werden kann es vorteilhaft sein, den Filterkuchen mit einer wässrigen Lösung, nachzuwaschen. In einer Variante dieser Ausführungsform kann der Behandlungsschritt mit Mineralsäure auch in Gegenwart eines Oxidationsmittels durchgeführt werden. Geeignete Oxidationsmittel können beispielsweise Salpetersäure oder Perchlorsäure sein. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Katalysator vor dem Behandeln mit wässrigem Auswaschmittel nicht calciniert wird.
Aus der Eisen enthaltenden Lösung L2 kann Eisen durch Zugabe eines basischen Fällungsmittels als Eisenhydroxid oder Eisenoxid gefällt werden. Geeignete basische Fällungsmittel sind Alkali- oder Erdalkalihydroxide.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der Eisen enthaltenden Lösung L2 durch Sprühtrocknung Eisenoxid gewonnen.
Die Eisen und im Allgemeinen noch Calcium und gegebenenfalls Magnesium enthaltende Lösung L2 kann auch als Flockungsmittel in eine Kläranlage eingeleitet werden. Dies ist insbesondere deshalb möglich, weil die Lösung im Wesentlichen kein Molybdän enthält. Die Eisen enthaltende Lösung L2 kann auch zur Herstellung von Eisenoxiden verwendet werden, die wiederum zur Herstellung von Pigmenten, Ferriten oder Katalysatoren eingesetzt werden können. Beispielsweise können solche Eisenoxide durch Sprühröstung der salzsauren Lösungen hergestellt werden. Die salzsaure Lösung L2 kann auch einer bei der Stahlherstellung anfallenden Beizlösung zugesetzt werden. Aus dieser können in einem Sprühröstungs-Verfahren (Ruthner- Verfahren) Eisenoxide und Salzsäure gewonnen werden. Diese Art der Aufarbeitung ist insbesondere dann möglich, wenn die Lösung wenig Kalium enthält.
Alternativ können Eisenoxide oder Eisenhydroxide auch durch Fällung mittels Basen aus der Lösung L2 gewonnen werden.
Gegenstand der Erfindung ist also auch ein Verfahren zum stofflichen Recycling eines ge- brauchten Katalysators enthaltend Oxide von Eisen, Cer, Molybdän und Kalium mit den Schritten:
(i) optional Erhitzen des Katalysators in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre,
(ii) optional mechanische Zerkleinerung des Katalysators,
(iii) Abtrennung von Kalium und Molybdän durch Behandeln des Katalysators mit einem
wässrigen Auswaschmittel, wobei eine wässrige Lösung L1 enthaltend Kalium und Molybdän und ein fester Rückstand R1 enthaltend Ceroxid und Eisenoxid erhalten werden,
(iv) Gewinnung von Cer als Cer(IV)oxid enthaltender Feststoff aus dem festen Rückstand R1 durch Behandeln des festen Rückstands mit einer Mineralsäure, wobei eine Eisen enthaltende Lösung L2 und ein fester Rückstand R2 enthaltend Cer(IV)oxid gewonnen werden,
(v) optional Gewinnung von Eisen(lll)oxid, beispielsweise durch Sprühröstung, aus der Eisen enthaltenden Lösung L2,
(vi) optional Gewinnung einer sauerstoffhaltigen Molybdän(VI)-Verbindung aus der Kalium und Molybdän enthaltenden wässrigen Lösung L1.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird Cer als Cer(lll)-Verbindung gewonnen. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der feste Rückstand R2 enthaltend Ceroxid in Gegenwart eines Reduktionsmittels in einer Mineralsäure vollständig aufge- löst und dabei Cer(IV) zu Cer(lll) reduziert, wobei eine Lösung L4 erhalten wird. Durch Reduktion des an sich unlöslichen Cer(IV)oxids durch Zugabe eines Reduktionsmittels wird Cer(IV)oxid in lösliches Cer(lll) überführt. Aus dieser Lösung L4 kann durch Zugabe eines basischen Fällungsmittels Cer als Cer(lll)-Verbindung, insbesondere als Cer(lll)carbonat-Hydrat gefällt werden.
Bevorzugte Mineralsäure ist Salzsäure, im Allgemeinen mit einer Konzentration von 5 bis 37 Gew.-% Chlorwasserstoff, oder wässrige Schwefelsäure. Bevorzugt wird zur Reduktion von Cer(IV) zu Cer(lll) der Mineralsäure eine Eisenkomponente als Reduktionsmittel zugegeben, in der Eisen als metallisches Eisen in der Oxidationsstufe 0 oder als Eisen(ll) vorliegt. Die Eisenkomponente kann in fester Form, etwa als Eisenpulver, o- der in Form von Eisen(ll)salz-Lösung zugegeben werden. Bevorzugt ist die Eisenkomponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus elementarem Eisen, Eisenlegierungen, Stahl (z.B. Stahlspäne), Stahllegierungen, Eisen(ll)chlorid, Eisen(ll)carbonat, Eisen(ll)sulfat und Ei- sen(ll)ammoniumsulfat. In einer Ausführungsform der Erfindung wird Eisen-Schrott (z.B. Eisen- Schrottspäne) als Eisenkomponente eingesetzt. Die Eisenkomponente wird in der Oxidationsstufe 0 und/oder II zugegeben, um das vorhandene Cer(IV) in die lösliche Cer(lll)-Form zu überführen. Insbesondere wird die Eisenkomponente im stöchiometrischen Verhältnis, bezogen auf Cer, eingesetzt.
Wird eine Eisenkomponente enthaltend Eisen in der Oxidationsstufe 0 zugegeben, kann die Entwicklung von Wasserstoffgas und ein Schäumen der Mischung auftreten. In dieser Ausführungsform können insbesondere geeignete verfahrenstechnische Maßnahmen zur Abführung des Wasserstoffgases getroffen werden. Ebenso ist die Zugabe von Entschäumern, z.B. von Entschäumern auf der Basis von Silikonöl oder Polydimethylsiloxane zu der Mischung möglich. Im Allgemeinen erfolgt das Auflösen des festen Rückstandes enthaltend Ceroxid und Eisenoxid in der Mineralsäure bei einer Temperatur von 40 bis 160 °C, bevorzugt von 40 bis 120 °C, besonders bevorzugt von 60 bis 120 °C und insbesondere von 90 bis 120 °C. Insbesondere erfolgt das Auflösen am Siedepunkt der Mischung, vorzugsweise unter Rückfluss. Im Allgemeinen benötigt der Auflösevorgang 10 Minuten bis 8 Stunden, bevorzugt 0,5 bis 4 Stunden, beispiels- weise 0,5 bis 2 Stunden.
Anschließend kann aus der erhaltenen Lösung und durch Zugabe eines basischen Fällungsmittels Cer als Cer(lll)-Verbindung gefällt werden. Im Allgemeinen erfolgt das Ausfällen einer Cer(lll)-Verbindung durch Zugabe eines basischen Fällungsmittels zur der mineralsauren Lösung, bis ein pH-Wert im Bereich von 6 bis 12, bevorzugt von 7 bis 9 erreicht ist.
Im Allgemeinen wird Cer(lll) als Cer(lll)carbonat-Hydrat ausgefällt. Geeignete basische Fäl- lungsmittel sind Alkalimetallcarbonate und Erdalkalimetallcarbonate, bevorzugt ist Natriumcar- bonat.
Wird eine Eisenverbindung zur Reduktion des Cer(IV)dioxids eingesetzt so kann die Eisenverbindung entweder mittels pH-Kontrolle fraktioniert oder gemeinsam mit der Cer(lll)-Verbindung gefällt werden. Eine gemeinsame Fällung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Cerverbindung zur Herstellung von Katalysatoren enthaltend Oxide von Eisen, Cer, Molybdän und Kalium eingesetzt werden soll. Gegenstand der Erfindung ist also auch ein Verfahren zum stofflichen Recycling eines gebrauchten Katalysators enthaltend Oxide von Eisen, Cer, Molybdän und Kalium mit den Schritten: (i) optional Erhitzen des Katalysators in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre,
(ii) optional mechanische Zerkleinerung des Katalysators,
(iii) Abtrennung von Kalium und Molybdän durch Behandeln des Katalysators mit einem
wässrigen Auswaschmittel, wobei eine wässrige Lösung L1 enthaltend Kalium und Molybdän und ein fester Rückstand R1 enthaltend Ceroxid und Eisenoxid erhalten werden, (iv) Gewinnung von Cer als Cer(IV)oxid enthaltender Feststoff aus dem festen Rückstand R1 durch Behandeln des festen Rückstands mit einer Mineralsäure, wobei eine Eisen enthaltende Lösung L2 und ein fester Rückstand enthaltend Cer(IV)oxid R2 gewonnen werden, (v) Auflösen des festen Rückstands R2 in einer Mineralsäure unter Reduktion von Cer(IV) zu Cer(lll), wobei eine Lösung L4 erhalten wird,
(vi) fraktioniertes oder gemeinsames Fällen von der Cer(lll)-Verbindung und ggf. gelöster Eisenverbindungen durch Zugabe eines basischen Fällungsmittels zu der Lösung L4, (vii) optional Gewinnung einer sauerstoffhaltigen Molybdän(VI)-Verbindung aus der Kalium und Molybdän enthaltenden wässrigen Lösung L1. Molybdän kann aus der wässrigen Kalium und Molybdän enthaltenden Lösung durch Zugabe einer Säure als sauerstoffhaltige Molybdän(VI)-Verbindung („Molybdän(VI)oxid") gefällt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Kalium und Molybdän enthaltende Lösung L1 in einem weiteren Verfahrensschritt durch Zugabe einer Säure, beispielsweise Schwefelsäure, Salzsäure oder Salpetersäure, soweit neutralisiert oder darüber hinaus ange- säuert, dass ein eine sauerstoffhaltige Molybdän(VI)-Verbindung enthaltender Feststoff R3 ausfällt, wobei eine Kaliumsalze enthaltende Lösung L3 verbleibt. Im Allgemeinen wird die sauerstoffhaltige Molybdän(VI)-Verbindung bei einem pH-Wert von 2 bis 7 ausgefällt. Das Molybdänoxid enthaltende Fällprodukt kann weiter aufgearbeitet oder direkt zur Herstellung molybdänhal- tiger Materialien eingesetzt werden. Die Kaliumsalze enthaltende Lösung kann nach Abtren- nung der überwiegenden Molybdänmenge im Allgemeinen problemlos entsorgt werden.
Wenn die Eisen enthaltende saure Lösung L2 des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Weise eingesetzt werden soll, bei der ein Gehalt von Kalium nicht stört, beispielsweise als Flockungsmittel in Kläranlagen, kann es auch vorteilhaft sein, die nach Abtrennung des Molybdäns erhaltene, Kalium enthaltende Lösung beim Behandeln des Eisen und Cer enthaltenden Feststoffs R1 wieder einzusetzen.
Der Feststoff R3 kann auch Kalium enthalten. In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Feststoff R3 auch zur Herstellung von Katalysatoren enthaltend Oxide von Eisen, Cer, Molybdän und Kalium verwendet werden, ohne dass eine vorhergehende Abtrennung von Kalium erforderlich ist. Auch eine Sprühtrocknung der Kalium und Molybdän enthaltenden Lösung zu einem Kalium und Molybdän enthaltenden Feststoff, beispielsweise nach Sättigung mit Kohlendioxid, ist möglich. Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert. Beispiele
Die Beispiele erläutern die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen einzelner Ver- fahrensschritte im Labormaßstab. Eine Optimierung dieser Verfahrensschritte, beispielsweise mit dem Ziel, die Lösungsvolumina, den Energieeintrag oder den Gehalt einzelner Bestandteile in den Lösungen oder Feststoffen zu optimieren, ist dem Fachmann unter Berücksichtigung allgemeiner Prinzipien und der jeweiligen Gegebenheiten ohne Weiteres möglich. Beispiel 1
Ein gebrauchter Katalysator enthaltend Eisenoxid, Kalium, Molybdän, Cer, Calcium und Magnesium aus einer Anlage zur Dehydrierung von Ethylbenzol wurde 2 h bei 800 °C in einem Laborofen kalziniert und mit einer Analysenmühle gemahlen.
205 g dieses Katalysators wurden mit 410 ml vollentsalztem Wasser („VE-Wasser") 30 min. bei 95 °C aufgerührt (Becherglas mit Magnetrührkern auf Heizrührer). Der pH-Wert der Lösung betrug 12 bei 95 °C. Die Lösung wurde über eine Keramiknutsche mit Papierfilter abfiltriert und der Filterkuchen mit 45 ml heißem VE-Wasser nachgewaschen. Die vereinigten klaren, gelben Lö- sungen (Lösung 1 -1 ) zeigten nach Abkühlen auf 39 °C einen pH-Wert von 13,4.
Der Filterkuchen wurde erneut mit 400 ml VE-Wasser 30 min bei 95 °C aufgerührt. Der pH-Wert bei 95 °C betrug 1 1 ,3. Die Lösung wurde über eine Keramiknutsche mit Papierfilter abfiltriert und der Filterkuchen mit 80 ml heißem VE-Wasser nachgewaschen. Die vereinigten klaren, farblosen Lösungen (Lösung 1 -2) zeigten nach Abkühlen auf 42 °C einen pH-Wert von 12,5.
Der Filterkuchen wurde mit 150 ml kochendem VE-Wasser aufgeschlemmt und über eine Keramiknutsche mit Papierfilter abfiltriert und der Filterkuchen mit 100 ml kochendem VE-Wasser nachgewaschen. Die aus Filtrat und Waschwasser vereinigte klare, farblose Lösung (Lösung 1 - 3) zeigte nach Abkühlen auf 38 °C einen pH-Wert von 1 1 ,9.
Es wurden 240 g feuchter Filterkuchen (Feststoff 1 -1 ) mit einem Glühverlust (900 °C) von 28,7% erhalten.
Tabelle 1 zeigt die Analysenergebnisse zu Beispiel 1. Beispiel 2
318,6 g der Lösung 1 -1 aus dem Beispiel 1 wurden mit verdünnter Schwefelsäure versetzt und bei Raumtemperatur stehen gelassen. Über Nacht hatte sich ein weißer, gut filtrierbarer Fest- stoff abgeschieden, der über eine Filternutsche mit Papierfilter abgesaugt wurde. Es wurden 37,7 g feuchter Filterkuchen (Feststoff 2-1 ) mit einem Glühverlust (900 °C) von 87,5 % und 506,6 g Restlösung (Lösung 2-1 ) mit einem pH von 1 ,7 erhalten.
Tabelle 1 zeigt die Analysenergebnisse zu Beispiel 2.
Beispiel 3
216 g des feuchten Filterkuchens (Feststoff 1-1 ) aus Beispiel 1 wurden mit 1 ,4 I einer Mischung aus VE-Wasser und Salzsäure (pH 0) eine Stunde bei 80 °C aufgerührt (Becherglas mit Mag- netrührkern auf Heizrührer). Anschließend wurde die Suspension über eine Keramiknutsche mit Papierfilter abfiltriert und der Filterkuchen mit 150 ml konzentrierter Salzsäure nachgewaschen. Es wurden 1543 g Lösung (Lösung 3-1 ) und 16,29 g eines feuchten Filterkuchens (Feststoff 3- 1 ) erhalten.
Tabelle 1 zeigt die Analysenergebnisse zu Beispiel 3.
Die %-Angaben sind Gew.-%. Die Angaben für Feststoffe beziehen sich auf die geglühten Feststoffe.
Tabelle 1
Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3
Lösung 1 -1 Lösung 2-1 Lösung 3-1
Gesamt 100% 342,2 g Gesamt 100% 506,6 g Gesamt 100% 1543 g
Fe203 0% 0 g Fe203 0% 0,00 g Fe203 7,80% 120,35 g
K20 4,0% 13,69 g K20 2,31 % 11 ,70 g K20 0,33% 5,09 g
Ce02 0,0% 0 g Ce02 0,0% 0,00 g Ce02 0,00% 0,00 g
CaO 0,0% 0 g CaO 0,0% 0,00 g CaO 0,18% 2,78 g
MgO 0,0% 0 g MgO 0,0% 0,00 g MgO 0,19% 2,93 g
Mn02 0,0% 0 g Mn02 0,0% 0,00 g Mn02 0,03% 0,46 g
Mo03 1 ,0% 3,42 g Mo03 0,04% 0,20 g Mo03 0,00% 0,00 g
Lösung 1 -2
Gesamt 100% 449 g
Fe203 0% g
K20 0,56% 2,51 g
Ce02 0,00% g
CaO 0,00% g
MgO 0,00% g
Mn02 0,00% g
Mo03 0,09% 0,40 g
Lösung 1 -3
Gesamt 100% 233 g
Fe203 0% 0 g
K20 0,12% 0,28 g
Ce02 0,0% 0 g
CaO 0,0% 0 g
MgO 0,0% 0 g
Mn02 0,0% 0 g
Mo03 0,0% 0 g
Feststoff 1-1 Feststoff 2-1 Feststoff 3-1
Feucht 240 g Feucht 37,7 g Feucht 16,29 g
GV 900 28,70% 68,88 g GV 900 87,50% 32,988 g GV 900 14,3% 2,329 g
100% 171 ,12 g 100% 4,713 g 100% 13,961 g
Fe203 82,00% 140,32 g Fe203 0,01 % 0,00 g Fe203 4,10% 0,57 g
K20 3,40% 5,82 g K20 22,60% 1 ,07 g K20 0,00% 0,00 g
Ce02 11 ,10% 18,99 g Ce02 0,00% 0,00 g Ce02 93,00% 12,98 g
CaO 2,30% 3,94 g CaO 0,00% 0,00 g CaO 0,45% 0,06 g
MgO 2,30% 3,94 g MgO 0,05% 0,00 g MgO 0,02% 0,00 g
Mn02 0,37% 0,63 g Mn02 0,40% 0,02 g Mn02 0,03% 0,00 g
Mo03 0,08% 0,14 g Mo03 79,00% 3,72 g Mo03 0,40% 0,06 g

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum stofflichen Recycling eines Katalysators enthaltend Oxide von Eisen, Cer Molybdän und Kalium, bei dem Kalium und Molybdän durch Behandeln des Katalysators mit einem wässrigen Auswaschmittel abgetrennt werden, wobei eine wässrige Lösung L1 enthaltend Kalium und Molybdän und ein fester Rückstand R1 enthaltend Ceroxid und Eisenoxid erhalten werden, und Cer als eine Cer(lll)-Verbindung oder Cer(IV)oxid enthaltender Feststoff aus dem festen Rückstand R1 gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor der Behandlung mit dem wässrigen Auswaschmittel der Katalysator in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Behandlung mit dem wässrigen Auswaschmittel der Katalysator mechanisch zerkleinert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Rückstand R1 enthaltend Ceroxid und Eisenoxid mit einer Mineralsäure behandelt wird, wobei eine Eisen enthaltende Lösung L2 und ein fester, Cer(IV)oxid enthaltender Rückstand R2 gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der feste, Cer(IV)oxid enthaltende Rückstand R2 unter Reduktion von Cer(IV) zu Cer(lll) in einer Mineralsäure gelöst wird, wobei eine Lösung L4 erhalten wird, und aus der Lösung L4 durch Zugabe eines basischen Fällungsmittels Cer als Cer(lll)-Verbindung gefällt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mineralsäure eine Ei- sen(ll)-Verbindung oder metallisches Eisen als Reduktionsmittel zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als basisches Fällungsmittel ein Alkali- oder Erdalkalicarbonat eingesetzt wird, und Cer als
Cer(lll)carbonat-Hydrat gefällt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Eisen aus der Eisen enthaltenden Lösung L2 durch Zugabe eines basischen Fällungsmittels als Eisenoxid oder Eisenhydroxid gefällt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Eisen enthaltenden Lösung L2 durch Sprühtrocknung Eisenoxid gewonnen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisen enthaltende Lösung L2 als Flockungsmittel in eine Kläranlage eingeleitet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Molybdän aus der wässrigen, Kalium und Molybdän enthaltenden Lösung L1 durch Zugabe einer Säure als eine sauerstoffhaltige Molybdän(VI)-Verbindung enthaltender Feststoff R3 gefällt wird, wobei eine Kaliumsalze enthaltende Lösung L3 verbleibt.
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CN101988157A (zh) * 2009-07-31 2011-03-23 住友化学株式会社 用于回收钼和钴的方法

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