【摘 要】
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铂族金属（Platinum group metals,PGMs）是不可或缺的战略性金属,广泛应用于石化、汽车和国防军工等领域。我国铂族金属年消费量占比30%以上,而矿产资源储量不足全球0.4%,对外依存度达90%以上,供给形势严峻。催化剂是铂族金属最重要的应用领域,2021年我国报废铂族金属催化剂约3万吨,预计2025年将达到5万吨。因此,以废催化剂为原料绿色再生铂族金属是国家重大需求,保障国家资
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铂族金属（Platinum group metals,PGMs）是不可或缺的战略性金属,广泛应用于石化、汽车和国防军工等领域。我国铂族金属年消费量占比30%以上,而矿产资源储量不足全球0.4%,对外依存度达90%以上,供给形势严峻。催化剂是铂族金属最重要的应用领域,2021年我国报废铂族金属催化剂约3万吨,预计2025年将达到5万吨。因此,以废催化剂为原料绿色再生铂族金属是国家重大需求,保障国家资源安全、符合“双碳”战略目标。从废催化剂中绿色高效低成本富集铂族金属存在两大难题:一是相关机理尚不明晰,二是关键技术尚未突破,导致重金属污染严重、高温熔炼形成硅铁合金致回收率低,以及酸溶富集铂族金属物耗高、废水量大。本文针对上述难题,重点研究了铂族金属低温铁捕集机理和渣型调控机制,提出了铁捕集合金中电解富集-浸出-电沉积提取铂族金属新技术,进行了中试和经济环境评价,突破了铂族金属绿色高效富集技术瓶颈。主要研究内容及结论如下:（1）基于实验分析,提出了低温铁捕集铂族金属“固溶化”机理。铂族金属在热力学上可以被C、CO和Fe还原,满足合金化条件,由于与熔渣的键合方式、粘度、密度和表面张力等理化性质差异巨大而不互熔,基于热力学第二定律和能量最低原理,铂族金属接触到铁相后自发熔入并形成δFe-PGMs固溶体,以此降低体系表面自由能,合金颗粒达到临界直径后沉降到坩埚底部,最终随降温过程转变为αFe-PGMs置换固溶体。（2）研究了低温铁捕集铂族金属渣型调控机制。基于熔体中金属颗粒运动模型,提出了低熔点、低粘度和低密度的渣型调控原则。根据原料成分特点,选择CaO-Al2O3-SiO2-Na2O渣系,揭示了成分对渣相理化性能的影响规律,并发现提高碱度、m（Na2O）/m（CaO）和B2O3用量有利于减少CaZrSi2O7、Ca3Si2O7等难熔相含量,促进金属聚集与沉降。在优化的捕集条件下进行中试:碱度 1.1、m（Na2O）/m（CaO）为 1/3、5 wt.%Na2B4O7、5 wt.%CaF2、15 wt.%Fe和5 wt.%C,1450℃熔炼30 min,渣中Pt、Pd和Rh的含量分别为0.53 g/t、2.79 g/t 和 0.87 g/t,Fe-PGMs 合金中 PGMs 富集了 7.6 倍。（3）揭示了 Fe-PGMs合金电化学行为。铁的钝化以及析氢副反应阻碍了铁分离,控制电压、温度、Fe2+浓度和初始pH值有效抑制了副反应的进行,优化得到的电解条件为:电压1.0 V、初始pH值2、Fe2+浓度0.7mol/L、SO42-浓度1.0 mol/L、温度60℃,经100 h电解,阳极泥中铂族金属富集15倍。（4）提出了电解富集-浸出-电沉积提取铂族金属新技术。采用HCl+H2O2+NaCl体系浸出阳极泥中的铂族金属,80℃下浸出3h,Pt、Pd和Rh的浸出率分别为98.69%、99.37%和98.46%,Rh由于最容易被氧化成Rh2O3而浸出率最低;0.65 V、60℃电沉积15 h回收了 97.25%的Pt、99.29%的Pd和98.70%的Rh,阴极沉积物中PGMs含量达99%以上;通过动力学计算,Pd的阴极反应活化能为14.57 kJ/mol,常温下Pd（Ⅱ）的扩散系数为9.45×10-6 cm/s,Rh（Ⅲ）的扩散系数为6.53×10-5 cm/s,Pd和Rh的电极过程均为受扩散控制的准可逆反应。（5）开展了低温铁捕集-电解富集铂族金属工艺的放大实验研究,评价其工业应用的可行性。以处理1t含铂族金属物料（其中Pt、Pd、Rh含量分别为26.24 g/t、44.05 g/t和53.03 g/t）,估算产值为247615元,利润约为10507元,试剂和能源成本主要来自于低温铁捕集熔炼阶段;生命周期评价分析指出,主要环境影响来自一次能源消耗。
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