不用王水,也能溶解贵金属?

近日,比利时科学家开发了一种从金属丝和废汽车催化剂中回收贵金属的简单而环保的方法。使用高度浓缩的硝酸铝和氯化铝溶液,他们能够溶解金和铂族金属,然后沉淀出纯金属,使它们有可能被回收和再利用。

黄金、铂和钯等金属十分昂贵,在化工、医药、航空航天、汽车技术和珠宝等领域都具有极高的价值。然而,这些贵金属产量稀少,而且难以提纯,这意味着获得贵金属的最佳方法之一是从废弃产品(如催化和电子垃圾)中回收它们。

从其他材料中提取贵金属的常用方法是将该材料溶解在溶液中。然而,由于贵金属的反应惰性,制备溶解液是一个巨大的挑战。高效的回收贵金属需要较高的溶解速率和可控的选择性。

德国亥姆霍兹埃尔朗根-纽伦堡可再生能源研究所(Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg)的Serhiy Cherevko教授表示,贵金属可以用不同的湿法冶金方法溶解。然而,所有现存的方法都有缺点,最常见的方法是用盐酸作络合剂,用硝酸、氯或过氧化氢作氧化剂。

盐酸和硝酸的混合物也被称为王水(aqua regia),源自拉丁语,意为“皇家之水”(royal water),工业上经常用来溶解金和铂。然而,这种混合物具有潜在危险,而且对环境影响较大。因此,研究人员一直致力于寻找它的替代品。

比利时鲁汶大学(KU Leuven)的Sofia Riano表示,与传统的使用强酸混合物来溶解所有物质的策略不同,团队的研究目标是在更温和的条件下实现对钯和铂材料的高选择性溶解。目前该团队选择使用两种不同的铝的酸性盐溶液来溶解铂、钯和铑,而灵感则来自于1973年发表的一项研究。

鲁汶大学研究团队的负责人Koen Binnemans解释说:“我总是喜欢翻阅旧文献,寻找那些当时无法解释,但可能被现代研究方法解决的重要观察结果。”15年前,Binnemans偶然发现了Charles Austen Angell的一项研究,该研究表明,铝盐溶液溶解贵金属的速度比王水要快得多。Angell计划在后续工作中调查这一观察结果,但这些结果从未发表。

受到这项工作的启发,Binnemans团队制备了一种高浓度的水合AlCl3和Al(NO3)3的混合物并在金属丝和废汽车催化剂上进行了测试。当将钯金属丝置入溶液后,溶液中的硝酸盐离子使金属氧化氧化后的金属与氯离子之间形成了一种氯钯酸盐(II)复合物,且能够稳定存在与低pH条件下。在数小时内,钯金属丝完全溶解在溶液中,然后用维生素C进行还原沉淀,从而回收钯金属。

不用王水,也能溶解贵金属?
钯金属线置入溶解液(a) 3 min, (b)1 h, (c) 2 h, (d) 3 h, (e) 4 h, (f) 4.5 h之后

 

Riano指出,除了钯以外,铂也可以溶解,只是需要更长的时间。但是金属铑几乎保持完整,与王水溶解的结果相似。主要源于铑极端的反应惰性,需要在高温高压的条件下才能对其进行溶解。

虽然这种铝盐溶液不能够重复使用,但是该它们比王水的毒性小得多,而且易于安全处理。目前,研究团队的下一步的工作是对回收金属的产量和纯度进行优化。

不用王水,也能溶解贵金属?
金线置入溶解液(a) 3 h, (b) 5 h, (c) 24 h之后

 

Cherevko表示,虽然从汽车催化转换器中溶解钯、铂和铑的实验成功了,但是该放大的局限之处也很明显,就是仅适用于从燃料电池、电解装置、光伏和电子产品中回收金和铂族金属。进一步的研究应该是探究其他高浓度金属盐对溶解速率的影响。

Riano补充道,“我们希望科学家们意识到除了王水,还有其他替代的方法溶解这些贵金属。更重要的是,不需要为了获得最有价值的金属而过滤掉所有其他金属。”同时,他也希望这项研究能激励人们去填补这一项存在了几十年的知识鸿沟。

 

 

参考文献:

1 F Forte, S Riaño and K Binnemans, Chem. Commun., 2020, 56, 8230 (DOI: 10.1039/d0cc02298e)

2 E J Sare, C T Moynihan and C A Angell, J. Phys. Chem., 1973, 77, 1869 (DOI: 10.1021/j100634a011)

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