2020 Fiscal Year Research-status Report
固体王水を利用した革新的な白金族金属のリサイクルプロセスの構築
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19K20483
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
吉村 彰大 千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (60800935)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 白金族金属 / リサイクル / 使用済み触媒 / 固体王水 / 固液分離 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
白金(Pt)に代表される白金族金属(PGMs)は、高い化学耐性や触媒能から、特に自動車用触媒用向けの利用が多く、自動車１台あたり数gのPGMsが利用される。一方、一般的な鉱石の品位は数ppm程度のため、使用済み触媒からのリサイクルが重要とされ、実際に広く操業されている。既存のプロセスでは、王水や塩素(Cl2)を吹き込んだ塩酸(HCl)で溶出させる湿式法や、溶融した鉄(Fe)や銅(Cu)に吸収させて濃縮する乾式法が主に利用されているが、いずれも廃液や高温での処理による環境負荷の大きさや、施設の立地に制限があることが問題とされる。最近では溶融塩を用いた手法も提案され、直接塩化できる「固体王水」という概念も提唱されているが、溶融塩自体の危険性などに起因する操業上の問題は残る。以上から、本研究では安全かつ環境負荷の小さい新たな「固体王水」として、塩化鉄(III)(FeCl3)と塩化カリウム(KCl)、または塩化ナトリウム(NaCl)を用いたPGMsの回収プロセスを構築することを目的に研究を行った。本研究では、自動車用触媒に主に用いられるPt, Pdおよびロジウム(Rh)を対象に、固体王水による直接塩化・溶解、およびリーチングと固液分離、析出処理による回収プロセスを構築した。その結果、PtとPdは溶解と単体の回収が可能であり、かつ固液分離により相互分離が可能なことを確認した。また、建設機械用の触媒サンプルに対する適用では、実際に触媒からの溶出、および回収が可能であることを確認した。Rhについては固体王水による溶解、および化合物としての回収について確認した。以上から、固体王水による処理でPGMsの分離回収が可能であること、従来の湿式法で必要となる強力な酸を用いず、乾式法と比較すると比較的低温で処理できることから、環境負荷の小さいリサイクルプロセスを構築できる可能性が示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年以降、単体のPdおよびRhを対象に溶解処理と回収処理を行った。まだ、PtとPdについては同時に、または合金処理後の分離回収処理も行った。固体王水には、FeCl3とKClを等モル混合した複合溶融塩を利用し、融点降下による低温での処理、およびFeCl3の揮発抑制を図った。処理温度はPdで560-600 K、Rhで590-650 Kとし、FeCl3-KCl系固体王水による処理を3-6時間実施した。溶解処理後、凝固した固体王水に対するリーチング、およびリーチング後の析出処理で回収を試みた。さらに、PtとPdは650 Kで同時に、またはPt-Pd合金を溶解処理し、析出処理時に固液分離を用いてそれぞれを分離・回収する手法も試みた。その結果、昨年度まで回収率の低かったPdで、最大80%程度を回収できることを確認した。一方、Rhについては溶解を確認し、リーチング後に亜硝酸ナトリウムの添加で化合物を回収できた。ただし、回収率が15%程度と低いため、回収法の改善が必要である。また、PtとPdの同時、あるいはPt-Pd合金の処理では、溶解処理によって生成するPt, Pd化合物が、KCl水溶液に対してそれぞれ不溶性、易溶性と大幅に異なることから、リーチング処理時の固液分離で容易に相互分離が可能であり、その後の析出処理で不純物をほとんど含まない形で回収可能であることが確認された。ただし、単体処理時の80%程度の回収率に対して、50-65%程度の回収率であったことから、こちらも回収率の向上が必要となっている。
上記の結果を受けて、PtとPdを含有する建設機械用の触媒に対して、固体王水による溶解、および析出処理を適用したところ、最終回収物としてPt, Pdそれぞれの化合物が得られた。ただし、PtとPdを同時に処理した場合よりさらに回収率が低いと考えられるため、手法の最適化が必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの結果を通じて、Pt, Pdについては、単体であればいずれも高速の溶解、および高収率での回収を確認でき、また化合物の溶解度差を利用した固液分離によって、相互分離が可能であることも確認された。ただし、相互分離時の収率は単体処理時と比較して低いことから、回収率の向上が重要となる。また、Rhについては固体王水による溶解、および析出処理による化合物の回収が確認されたが、こちらの収率は高くないため、こちらも回収率の向上、および単体回収手法の開発が重要となる。
さらに、リサイクル手法としての将来的な社会実装を想定し、実際の使用済み触媒に対する適用を進める。これまでに、建設用機械向けの使用済み触媒に対して適用し、含有するPtとPdの溶出、および回収が確認されたが、回収率は最大で15%程度となった。要因として、触媒中でのPGMsの担持方法が考えられる。触媒中では、PGMsはセラミックなどの担体上に担持されているため、これまでに実施してきたワイヤーサンプルの処理とは異なり、固体王水とPGMsの接触面積が大幅に小さい。また、固体王水との反応で生成したPGMs化合物を十分担体から剥離できず、回収処理の効率が低下した可能性も考えられる。以上のように、収率の低下の要因として、不十分な溶出、および不十分な析出の進行が考えられることから、処理後の残渣などの分析を通じてどちらが制約条件となっているかを検討の上、回収率の向上を図る。また、Rhも含めたPGMs同士の分離回収プロセスの確立を通じて、触媒からのリサイクルのみならず混在スクラップの効率の良い分離手法としての応用も検討する。
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Research Products
(6 results)
