從廢鎳催化劑中酸浸鎳試驗研究

彭人勇，魏繼寬

(青島科技大學 環境與安全工程學院，山東 青島 266042)

石油煉化過程中會產生大量含鎳廢催化劑，其中鎳質量分數在4%～20%之間[1-2]。這種廢催化劑屬于危險廢物，對環境有較大危害；但其中鎳質量分數較高，遠高于貧鎳礦石[3]，也具有極高回收價值。從廢催化劑中提取鎳的方法主要有干法和濕法[4]：干法是將含鎳廢催化劑在冶金爐中高溫焙燒，使鎳最終以合金形式回收[5-6]，對設備要求較高，能耗較大，只適用于難以處理的重金屬廢催化劑；濕法是以酸、堿為浸出劑浸出金屬鎳[7-8]，再通過化學沉淀或溶劑萃取、離子交換法將鎳以化合物形式從浸出液中分離出來[9-10]。

目前，國內外對從廢鎳催化劑中濕法回收鎳已有較多研究，所用浸出劑主要為硫酸，其他酸的浸出效果鮮有提及[11-12]。用硫酸浸出，鎳浸出率較高，但浸出時間過長，液固體積質量比過大，生產成本較高[13-15]；從酸浸液中采用溶劑萃取法回收鎳[16]，回收效果較好，但有機溶劑對后續廢水處理難度較大。試驗研究采用硫酸、硝酸、鹽酸分別從含鎳廢催化劑中浸出鎳，比較了3種酸對鎳的浸出效果，并優化了酸浸條件，以期達到改進工藝、減少污染、為后續鎳的分離提純提供適宜溶液的目的。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與儀器

廢催化劑取自東營某化工企業，化學組成與物相分析結果見表1和圖1。可以看出，廢催化劑的主要成分為氧化鎳、氧化鐵、氧化鋁等金屬氧化物，其中氧化鎳占比超過20%。

表1 廢催化劑主要化學組成 %

圖1 廢催化劑的XRD圖譜

試驗所用硫酸、硝酸、鹽酸均為分析純。

試驗主要設備有HH-2數顯恒溫水浴鍋，722s可見分光光度計，SHG-A型循環水真空泵等。

1.2 試驗原理與方法

試驗原理：廢鎳催化劑分別用硫酸、硝酸、鹽酸浸出，主要發生如下反應。

鎳的浸出：

鐵的浸出：

鋁的浸出：

試驗方法：將廢催化劑研磨至-200目，取一定質量裝入燒杯，分別按一定固液體積質量比加入不同濃度硫酸、硝酸、鹽酸。在恒溫水浴鍋中于不同溫度下浸出一段時間，然后抽濾，所得浸出液中加入適量氫氧化鈉調節pH。用分光光度法測定濾液中鎳質量濃度，計算鎳浸出率。

2 試驗結果與討論

2.1 酸質量濃度對鎳浸出率的影響

廢催化劑質量5 g，不同質量濃度硫酸、硝酸、鹽酸按固液質量體積比1∶5混合，在60 ℃恒溫水浴鍋中加熱浸出1 h，考察酸質量濃度對鎳浸出率的影響。試驗結果如圖2所示。

圖2 酸質量濃度對鎳浸出率的影響

由圖2看出：隨酸質量濃度提高，鎳浸出率增大；3種酸中，硫酸浸出效果最好；適宜的酸質量濃度，硫酸364.5 g/L，硝酸423.5 g/L，鹽酸540 g/L。

2.2 固液質量體積比對鎳浸出率的影響

3種酸質量濃度分別為硫酸364.5 g/L，硝酸423.5 g/L，鹽酸540 g/L，浸出溫度60 ℃，浸出時間1 h，考察固液質量體積比對鎳浸出率的影響。試驗結果如圖3所示。

圖3 固液質量體積比對鎳浸出率的影響

由圖3看出：在一定范圍內，隨固液質量體積比降低，鎳浸出率提高。隨固液質量體積比降低，體系中酸的量更充足，傳質速度更快，浸出反應更充分；固液質量體積比低于1∶6時，鎳浸出率變化不大，反而會加大后續廢液處理成本。綜合考慮，確定固液質量體積比以1∶6為宜。

2.3 浸出時間對鎳浸出率的影響

3種酸質量濃度分別為硫酸364.5 g/L，硝酸423.5 g/L，鹽酸540 g/L，固液質量體積比為1∶6，在60 ℃下浸出，考察浸出時間對鎳浸出率的影響。試驗結果如圖4所示。

圖4 浸出時間對鎳浸出率的影響

由圖4看出：隨浸出進行，鎳浸出率先急劇提高，然后趨于穩定；浸出時間在0.5～1 h內，3種酸對鎳的浸出率增幅很大，此時反應剛剛開始，酸與氧化鎳接觸充分，使鎳浸出率直線上升；當反應進行一段時間后，大部分鎳已經浸出，反應趨于平衡，鎳浸出率趨于穩定。綜合考慮，確定硫酸、硝酸、鹽酸的適宜浸出時間分別為1、1.5、2 h。

2.4 浸出溫度對鎳浸出率的影響

3種酸質量濃度分別為硫酸364.5 g/L，硝酸423.5 g/L，鹽酸540 g/L，固液質量體積比為1∶6，浸出時間分別為硫酸1 h，硝酸1.5 h，鹽酸2 h，考察浸出溫度對鎳浸出率的影響。試驗結果如圖5所示。

圖5 浸出溫度對鎳浸出率的影響

由圖5看出，浸出溫度對鎳浸出率影響較大。以硫酸和硝酸為浸出劑：在30～60 ℃范圍內，鎳浸出率隨溫度升高而急速提高；溫度超過70 ℃，硫酸、硝酸對鎳的浸出率為95%左右。以鹽酸為浸出劑：浸出溫度低于70 ℃，鎳浸出率隨溫度升高而提高；溫度高于70 ℃，鎳浸出率隨溫度升高而下降。適當升溫可以加快反應體系中各組分的擴散，提高反應速度；但溫度超過70 ℃，酸蒸發損失加大，對操作環境影響較大，反而不利于反應進行：綜合考慮，確定反應溫度以不超過60 ℃為宜。

2.5 浸出液pH對除雜的影響

廢催化劑中含有少量鐵等雜質，酸浸時會隨鎳一同進入到浸出液中。根據氫氧化鎳與氫氧化鐵溶度積的不同，加入適量氫氧化鈉調節浸出液pH可以去除鐵等雜質。試驗結果見圖6和表2。

圖6 浸出液pH對鎳損失率和鐵去除率的影響

表2 不同pH條件下浸出液中各金屬離子質量濃度 g/L

由圖6看出：浸出液pH在4.2～4.5范圍內，隨pH增大，鐵去除率快速提高，而鎳沒有損耗；浸出液pH在4.5～5.8范圍內，隨pH增大，鐵去除率由96%升高至99%，鎳損失率達2%，此條件下鎳開始沉淀；浸出液pH超過6.0以后，鐵去除率略升高至99.6%，而鎳損失率超過40%。

由表2看出：鐵、鋁雜質濃度均隨浸出液pH增大而迅速減小；pH超過6.2后，浸出液中已檢測不到鋁，表明此時鋁已完全沉淀除去。綜合考慮，確定浸出液除雜適宜pH為5.8～6.0。

3 結論

用硫酸、硝酸、鹽酸都可從廢鎳催化劑中浸出鎳，3種酸的適宜質量濃度分別為硫酸364.5 g/L，硝酸423.5 g/L，鹽酸540 g/L；適宜條件下，硫酸、硝酸、鹽酸對鎳的浸出率分別為94.6%、94.5%和85%；從3種酸對鎳的浸出效果看，硫酸更適合作為鎳浸出劑。浸出液中的雜質去除通過加入氫氧化鈉調節pH來實現，在浸出液pH為5.8～6.0條件下，鐵去除率達99%，鋁幾乎完全去除，鎳幾乎不損失。方法操作簡便，金屬回收率高，產生的污染物少。