Пирометаллургическая переработка отработанных автомобильных катализаторов методом плавки на коллектор

Цель – обобщить современные представления о влиянии флюсования на структурно-реологические свойства шлаковой фазы в процессе пирометаллургической плавки отработанных автомобильных катализаторов на коллектор. Методологию работы составляют аналитический обзор и оценка отечественных и зарубежных исследований в области переработки автомобильных катализаторов, содержащих металлы платиновой группы. Проанализированы механизмы воздействия флюсовых добавок (оксидов кальция, натрия, бора, фторида кальция) на микроструктуру расплава, в частности, на степень полимеризации силикатных и алюмосиликатных сетей при изменении соотношения форм химически связанного кислорода. Установлено, что управление пирометаллургическим процессом плавки сводится к контролю баланса между полимеризованными и деполимеризованными структурными составляющими в шлаке. Показано, что основные оксиды эффективно снижают вязкость расплава, разрывая мостиковые связи, но одновременно повышают активность свободного кислорода, что способствует окислению платины, палладия и родия и их потерям. Обоснована необходимость применения комплексных флюсовых композиций для корректировки свойств расплава и минимизации окислительного потенциала. Выявлено, что ключевой задачей для повышения извлечения платиноидов из исследуемого вторичного сырья является создание количественных моделей, связывающих состав флюсовой добавки, структуру шлака и его окислительный потенциал. Полученные выводы позволяют прогнозировать поведение многокомпонентных систем и формируют основу для оптимизации технологических режимов пирометаллургической переработки отработанных автомобильных катализаторов, обеспечивающих максимальное концентрирование ценных металлов в коллекторе при минимальных энергетических затратах и эксплуатационных расходах. Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на разработке таких моделей с применением современных термодинамических программных комплексов.

1. Liu Chuan, Sun Shuchen, Zhu Xiaoping, Tu Ganfeng. Metals smelting-collection method for recycling of platinum group metals from waste catalysts: a mini review // Waste Management and Research. 2020. Vol. 39. Iss. 1. P. 43–52. https://doi.org/10.1177/0734242X20969795. EDN: HYTLPJ.

2. Hughes A.E., Haque N., Northey S.A., Giddey S. Platinum group metals: a review of resources, production and usage with a focus on catalysts // Resources. 2021. Vol. 10. Iss. 9. P. 93. https://doi.org/10.3390/resources10090093. EDN: ZYVXZN.

3. Tang Huimin, Peng Zhiwei, Tian Ran, Ye Lei, Zhang Jian, Rao Mingjun, et al. Platinum-group metals: demand, supply, applications and their recycling from spent automotive catalysts // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2023. Vol. 11. Iss. 5. P. 110237. https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.110237. EDN: DGJXTS.

4. Chvileva T., Golovina E. Publication of reporting of metallurgical companies in context of the concept of corporate sustainable development // Journal of Industrial Pollution Control. 2017. Vol. 33. Iss. 1. P. 926–930. EDN: XNFPGF.

5. Литвиненко В.С., Петров Е.И., Василевская Д.В., Яковенко А.В., Наумов И.А., Ратников М.А. Оценка роли государства в управлении минеральными ресурсами // Записки Горного института. 2023. Т. 259. С. 95–111. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.100. EDN: APFXQN.

6. Grilli M.L., Slobozeanu A.E., Larosa C., Paneva D., Yakoumis I., Cherkezova-Zheleva Z. Platinum group metals: Green recovery from spent auto-catalysts and reuse in new catalysts – a review // Crystals. 2023. Vol. 13. Iss. 4. P. 550. https://doi.org/10.3390/cryst13040550. EDN: QQZMFU.

7. Murata T., Yamaguchi K. Recovery of palladium and platinum particles suspended in the Al₂O₃–CaO–SiO₂ slag using copper-based extractants at 1723 K // Materials Transactions. 2021. Vol. 62. Iss. 10. P. 1495–1501. https://doi.org/10.2320/matertrans.M-M2021844. EDN: TDVHTX.

8. Александрова Т.Н., О’Коннор К. Переработка руд металлов платиновой группы в России и Южной Африке: состояние и перспективы // Записки Горного института. 2020. Т. 244. С. 462–473. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.4.9. EDN: UKMJUX.

9. Canhimbue L., Talovina I. Geochemical distribution of platinum metals, gold and silver in intrusive rocks of the Norilsk Region // Minerals. 2023. Vol. 13. Iss. 6. P. 719. https://doi.org/10.3390/min13060719. EDN: EZRTOC.

10. Sun Shiqiang, Jin Chenxi, He Wenzhi, Li Guangming, Zhu Haochen, Huang Juwen. A review on management of waste three-way catalysts and strategies for recovery of platinum group metals from them // Journal of Environmental Management. 2022. Vol. 305. P. 114383. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114383. EDN: PKNNBD.

11. Trinh Ha Bich, Lee Jae-Chun, Suh Yong-Jae, Lee Jaeryeong. A review on the recycling processes of spent autocatalysts: towards the development of sustainable metallurgy // Waste Management. 2020. Vol. 114. P. 148–165. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.06.030. EDN: EGIIZK.

12. Cherepovitsyn A., Mekerova I., Nevolin A. Analysis of the palladium market: a strategic aspect of sustainable development // Mining. 2025. Vol. 5. Iss. 3. P. 39. https://doi.org/10.3390/mining5030039. EDN: VIRTOC.

13. Karim S., Ting Yen-Peng. Recycling pathways for platinum group metals from spent automotive catalyst: a review on conventional approaches and bio-processes // Resources, Conservation and Recycling. 2021. Vol. 170. P. 105588. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.105588. EDN: QONNPE.

14. Xia Jinsong, Ghahreman A. Platinum group metals recycling from spent automotive catalysts: metallurgical extraction and recovery technologies // Separation and Purification Technology. 2023. Vol. 311. P. 123357. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123357. EDN: OPCTAY.

15. Tang Huimin, Peng Zhiwei, Tian Ran, Ye Lei, Zhang Jian, Rao Mingjun, et al. Recycling of platinum-group metals from spent automotive catalysts by smelting // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022. Vol. 10. Iss. 6. P. 108709. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108709. EDN: NJSYDH.

16. Литвинова Т.Е., Сучков Д.В. Комплексный подход к утилизации техногенных отходов минеральносырьевого комплекса // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022. № 6-1. С. 331–348. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_61_0_331. EDN: VWGWFK.

17. Пашкевич М.А., Евдокимова М.Е. Тонкодисперсные отходы титанового производства как добавка для изготовления строительных материалов // Экология и промышленность России. 2025. Т. 29. № 2. С. 19–23. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2025-2-19-23. EDN: KMWLNS.

18. Yan Jisen, Wei Jia, Zhang Fan, Zhang Xin, He Zhenkun, Xie Fang, et al. Comprehensive review on recovery of platinum group metals from spent automotive catalysts by metal capture technology: present progress and outlook // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2024. Vol. 12. Iss. 5. P. 114017. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.114017. EDN: FHJVUN.

19. Сапунов А.В., Литвинцев И.Ю., Сапунов В.Н. Фосфорное отравление церийсодержащего катализатора // Химическая промышленность сегодня. 2005. № 8. С. 40–44. EDN: LNKDTO.

20. Пахомов Р.А., Фокина С.Б., Мушихин Е.А., Щербаков С.В. Использование многокомпонентных диаграмм состояния шлаковых систем применительно к переработке отработанных автомобильных катализаторов // Цветные металлы. 2023. № 2. С. 49–59. https://doi.org/10.17580/tsm.2023.02.07. EDN: YSKUZZ.

21. Zheng Huandong, Ding Yunji, Wen Quan, Zhao Shizhen, He Xuefeng, et al. Slag design and iron capture mechanism for recovering low-grade Pt, Pd, and Rh from leaching residue of spent auto-exhaust catalysts // Science of the Total Environment. 2022. Vol. 802. P. 149830. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149830. EDN: NDGTSM.

22. Peng Zhiwei, Li Zhizhong, Lin Xiaolong, Tang Huimin, Ye Lei, Ma Yutian, et al. Pyrometallurgical recovery of platinum group metals from spent catalysts // JOM. 2017. Vol. 69. Iss. 9. P. 1553–1562. https://doi.org/10.1007/s11837-017-2450-3. EDN: YHZIZN.

23. Zheng Huandong, Ding Yunji, Wen Quan, Liu Bo, Zhang Shengen. Separation and purification of platinum group metals from aqueous solution: recent developments and industrial applications // Resources, Conservation and Recycling. 2021. Vol. 167. P. 105417. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.105417. EDN: TBUDQF.

24. Ilyas S., Kim Hyunjung. Recovery of platinum-group metals from an unconventional source of catalytic converter usingpressurecyanideleachingandionicliquidextraction//JOM.2022.Vol.74.Iss.3.P.1020–1026.https://doi.org/10.1007/s11837-021-05119-6. EDN: KCFVQJ.

25. Бодуэн А.Я., Фокина С.Б., Федоров А.Т., Петров Г.В. Технологическое усовершенствование процесса адсорбционной концентрации платиновых металлов из хлоридных растворов после гидрометаллургической переработки малосульфидных флотационных концентратов // Горный журнал. 2023. № 10. С. 34–40. https://doi.org/10.17580/gzh.2023.10.04. EDN: MVEQZQ.

26. Karim S., Saw Han Mei, Ting Yen-Peng. Evaluation of green chemistry metrics for sustainable recycling of platinum group metals from spent automotive catalysts via bioleaching // Green Chemistry. 2024. Vol. 26. Iss. 7. P. 4112–4126. https://doi.org/10.1039/d3gc03918h. EDN: NWBEQS.

27. Shi Bingyin, Qian Guoyu, Pang Sheng, Sun Yiwei, Peng Hongbing, Fu Wenlong, et al. Synchronous extraction of Pt, Zr and Ce from spent catalysts via SoG-Si scraps melting collection by regulating Si reduction based on a new fluorine-containing slag // Separation and Purification Technology. 2024. Vol. 351. P. 128086. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128086. EDN: WVEHOJ.

28. Yang Dongfang, Yang Qingyuan, Ma Wenhui, Wang Shiding, Lei Yun. Co-treatment of diamond-wire-saw silicon kerf and spent automotive catalysts for simultaneous recovery of PGMs, REEs, Zr, and high-purity Si // Waste Management. 2023. Vol. 171. P. 237–247. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2023.08.035. EDN: AWPKFJ.

29. Литвинова Т.Е., Герасёв С.А. Поведение фосфата церия (III) в карбонатно-щелочной среде // Записки Горного института. 2025. Т. 271. С. 181–188. EDN: BJJVKD.

30. Wang Zhe, Wei Qi-long, Shi Cheng-bin, Guo Zhan-cheng. Effect of Al2O3/SiO2 mass ratio and CaO content on viscosity and structure of slag for pyrometallurgical processing of spent automotive catalysts // Journal of Iron and Steel Research International. 2024. Vol. 31. Iss. 3. P. 608–621. https://doi.org/10.1007/s42243-024-01181-x. EDN: YDBVOQ.

31. Sasaki H., Maeda M. Zn-vapor pretreatment for acid leaching of platinum group metals from automotive catalytic converters // Hydrometallurgy. 2014. Vol. 147. P. 59–67. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2014.04.019. EDN: SOFKVB.

32. Liu Chuan, Sun Shuchen, Tu Ganfeng, Xiao Faxin. An integrated capture of red mud and one-step heat-treatment process to recover platinum group metals and prepare glass-ceramics from spent auto-catalysts // Minerals. 2022. Vol. 12. Iss. 3. P. 360. https://doi.org/10.3390/min12030360. EDN: FQFKRJ.

33. Liu Chuan, Sun Shuchen, Tu Ganfeng, Xiao Faxin. Co-treatment of spent automotive catalyst and cyanide tailing via vitrification and smelting-collection process for platinum group metals recovery // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Vol. 9. Iss. 5. P. 105823. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105823. EDN: LOCYYQ.

34. Bazhin V.Yu., Masko O.N., Nikitina L.N. Decarbonization of exhaust gases of industrial metallurgical furnaces // Metallurgist. 2024. Vol. 67. Iss. 9-10. P. 1407–1417. https://doi.org/10.1007/s11015-024-01632-6. EDN: GHZZGE.

35. Fedorova E., Morgunov V., Lobko K., Pupysheva E. Review: axial motion of material in rotary kilns // Eng. 2025. Vol. 6. Iss. 6. Р. 106. https://doi.org/10.3390/eng6060106. EDN: TIGGRJ.

36. Chen Shuyu, Song Qingming, Xu Zhenming. Mechanism of PGMs capture from spent automobile catalyst by copper from waste printed circuit boards with simultaneous pollutants transformation // Waste Management. 2024. Vol. 186. P. 130–140. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2024.06.001. EDN: LLCIGP.

37. Ding Yunji, Zheng Huandong, Zhang Shengen, Liu Bo, Wu Boyu, Jian Zhuming. Highly efficient recovery of platinum, palladium, and rhodium from spent automotive catalysts via iron melting collection // Resources, Conservation and Recycling. 2020. Vol. 155. P. 104644. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2019.104644. EDN: YUEHQU.

38. Liang Guangbing, Qu Zhenping. Insight into pyrometallurgical recovery of platinum group metals from spent industrial catalyst: co-disposal of industrial wastes // ACS ES and T Engineering. 2023. Vol. 3. P. 1532–1546. https://doi.org/10.1021/acsestengg.3c00129. EDN: BCLXMH.

39. Liu Chuan, Sun Shuchen, Zhu Xiaoping, Tu Ganfeng. Feasibility of platinum recovery from waste automotive catalyst with different carriers via cooperative smelting-collection process // Journal of Material Cycles and Waste Management. 2021. Vol. 23. P. 581–590. https://doi.org/10.1007/s10163-020-01143-x. EDN: ZQIYJW.

40. Sun Shuchen, Liu Chuan, Xiao Faxin, Tu Ganfeng. Recovery of platinum and synthesis of glass–ceramic from spent automotive catalyst via co-treatment process with coal fly ash // Journal of Material Cycles and Waste Management. 2022. Vol. 24. P. 1971–1981. https://doi.org/10.1007/s10163-022-01451-4. EDN: BRUEAY.

41. Liu Chuan, Sun Shuchen, Tu Ganfeng, Xiao Faxin. A novel method for extraction of platinum from spent automotive catalyst: utilization of spent fluid catalytic cracking catalyst as flux // Environmental Technology. 2021. Vol. 44. Iss. 2. P. 139–149. https://doi.org/10.1080/09593330.2021.1965662. EDN: DOEOWJ.

42. Кириченко А.С., Нехамин С.М., Самотаев Н.Н., Антонов А.А. Новый механизм осаждения платины, палладия и родия на железный металл-коллектор // Металлург. 2020. № 5. С. 65–68. EDN: HPEAML.

43. He Xue-Feng, Yin Xi-Ping, Ding Yun-Ji, Shi Zhi-Sheng, Zhao Bao-Huai, Zheng Huan-Dong, et al. Slag design and optimization for iron capturing platinum group metals from alumina-based spent catalysts // Rare Metals. 2023. Vol. 42. Iss. 6. P. 2093–2103. https://doi.org/10.1007/s12598-023-02262-8. EDN: FVEFAQ.

44. Petrov G.V., Fokina S.B., Nikitina T.Y. Aspects of iridium extraction from chloride solutions // Non-ferrous Metals. 2021. Vol. 50. Iss. 1. P. 10–14. https://doi.org/10.17580/nfm.2021.01.02. EDN: JTCCOQ.

45. Кириченко А.С., Серегин А.Н. Повышение эффективности пирометаллургической переработки отработанных автомобильных катализаторов с использованием металл-коллектора на основе железа // Черные металлы. 2017. № 11. С. 59–62. EDN: ZXPYBV.

46. Пат. № 2248406, Российская Федерация, C1. C22B 11/02. C22B 7/00. Способ разделения многокомпонентного материала, содержащего металлические компоненты / С.Г. Бодров, С.Н. Дорохов, А.В. Калмыков, А.Н. Носов; заявители и патентообладатели С.Г. Бодров, С.Н. Дорохов, А.В. Калмыков, А.Н. Носов. № 2004102052/02. Заявл. 20.01.2004; опубл. 20.03.2005. Бюл. № 8. EDN: GWUSMP.

47. Пат. № 2553117, Российская Федерация, C2. C22B 11/00. C22B 7/00. Способ переработки катализаторов, содержащих металлы платиновой группы на носителях из оксида алюминия / А.С. Кириченко, А.Н. Серегин; заявитель и патентообладатель ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина». № 2013122722/02. Заявл. 20.05.2013; опубл. 10.06.2015. Бюл. № 16. EDN: FCYVWG.

48. Немчинова Н.В., Ильин А.А., Тютрин А.А., Галачиева С.В., Яковлева А.А. Изучение структуры и динамической вязкости модельных шлаковых систем CaO-SiO₂ и CaO-SiO₂-B₂O₃ // iPolytech Journal. 2024. Т. 28. № 3. С. 562–575. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2024-3-562-575. EDN: IXGBEL.

49. Ilin A.A., Zobnin N.N., Pikalova I.A., Nemchinova N.V. Distribution of iron and boron between silicon metal smelting products in industrial saf using borate fluxes // Silicon. 2024. Vol. 16. P. 3085–3092. https://doi.org/10.1007/s12633-024-02895-z. EDN: TWOJLD.

50. Васютинский Н.А. Металлургические шлаки. Киев: Техника, 1990. 152 с.

51. Онаев И.А. Физико-химические свойства шлаков цветной металлургии. Алма-Ата: Наука, 1972. 120 с.

52. Sizyakov V.M., Brichkin V.N., Kurtenkov R.V., Maksimova R.I. Synthesis, properties and applications of complex calcium aluminates and hydroaluminates // Non-ferrous Metals. 2025. Iss. 1. P. 10–17. https://doi.org/10.17580/nfm.2025.01.02. EDN: TGASFO.

53. Murata T., Yamaguchi K. Effects of SiO₂ and CaO on distributions of platinum group metals between Cu–CuO₀.₅ and Pb–PbO-based slags at 1523 K // Metallurgical and Materials Transactions B. 2023. Vol. 54. Iss. 5. P. 2360– 2369. https://doi.org/10.1007/s11663-023-02837-x. EDN: PQVCZQ.

54. Tang Huimin, Peng Zhiwei, Li Zhizhong, Ma Yutian, Zhang Jian, Ye Lei, et al. Recovery of platinum-group metals from spent catalysts by microwave smelting // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 318. P. 128266. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128266. EDN: TFTLSD.

55. Пат. № 2484154, Российская Федерация, С1. C22B 11/00. C25C 1/20. C22B 7/00. Способ переработки отходов, содержащих цветные и платиновые металлы / А.Н. Теляков, С.А. Рубис; заявитель и патентообладатель Санкт-Петербургский государственный горный университет. № 2012113084/02. Заявл. 03.04.2012; опубл. 10.06.2013. Бюл. № 16. EDN: FGISVF.

56. Bi Zhisheng, Li Kejiang, Chunhe Jiang, Zhang Jianliang, Ma Shufang. Effects of amphoteric oxide (Al₂O₃ and B₂O₃) on the structure and properties of SiO₂-CaO melts by molecular dynamics simulation // Journal of Non-Crystalline Solids. 2021. Vol. 559. P. 120687. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2021.120687. EDN: PBKYCV.