Zespół
dr inż. Agnieszka Fornalczyk – kierownik zespołu
dr inż. Roman Przyłucki
dr hab. inż. Mariola Saternus
dr inż. Sławomir Golak
dr inż. Romuald Kadzimierz
dr inż. Bogdan Sikora
mgr inż. Zdzisław Kężel
Władysław Chruślicki

Istota wynalazku

Rosnące wymagania ekologiczne wymusiły na producentach samochodów stosowanie coraz bardziej przyjaznych środowisku konstrukcji i rozwiązań. Jednym ze sposobów neutralizacji spalin jest stosowanie katalizatorów. Ich głównym zadaniem jest ograniczenie emisji substancji niebezpiecznych tj.: tlenki azotu, węglowodory i tlenek węgla do środowiska.

Typowy katalizator zbudowany jest z jednego lub dwóch bloków wsadu z ceramiki (lub blachy Fe-Cr-Al) umieszczonych w metalowych obudowach układu wydechowego samochodu. Porowata powierzchnia tych elementów strukturą przypomina plaster miodu, czyli gęstą siatkę otworów o kształcie kwadratu. Jest ona pokryta cieniutką warstwą platyny, palladu i rodu, które są aktywatorami procesów chemicznych pozwalających na neutralizację szkodliwych gazów. Katalizatory w toku eksploatacji zużywają się i tracą swoje właściwości, ulegają zniszczeniu (przepalenie, stopienie).

Zużyte katalizatory zawierające metale szlachetne stanowią bardzo atrakcyjny przedmiot recyklingu. Przerób 2 ton zużytych katalizatorów pozwala uniknąć wydobycia 150 ton rudy i całego szeregu etapów następczych, prowadzących do otrzymania czystego metalu. Jest to więc cenne źródło odzysku platynowców. Ponieważ są one uwięzione w kapilarnej strukturze, zazwyczaj ceramicznego nośnika, a pojedynczy katalizator zawiera, co najwyżej, kilka gramów platyny, proces odzysku tych atrakcyjnych surowców napotyka na znaczące trudności. Aktualnie na świecie przerabia się je na drodze pirometalurgicznej lub hydrometalurgicznej, w technologiach tych stosuje się wiele operacji pośrednich, zmierzających do wydzielenia czystego metalu. Z tego powodu, warunkiem ekonomicznej opłacalności takiego procesu, jest maksymalne obniżenie kosztów obróbki pojedynczego katalizatora. Autorzy zaproponowali i opatentowali technologię opartą o wypłukiwanie platynowców ze struktury katalizatora przy pomocy ciekłych metali. Zweryfikowana w skali laboratoryjnej technologia umożliwia wyeliminowanie podstawowych wad dotychczas stosowanych metod tzn. nie wymaga mielenia ceramicznych nośników, co pozwala zredukować koszty, nie wymaga prowadzenia procesu w temperaturze ok 2000 °C (utrzymanie takiej temperatury jest bardzo energochłonne), nie generuje problemu neutralizacji szkodliwych substancji chemicznych. Opatentowane rozwiązanie polega na umieszczeniu elementów zużytego katalizatora w ciekłym metalu, który krążąc w obiegu zamkniętym, wypłukuje platynowce poprzez wykorzystanie wirującego pola elektromagnetycznego. Zastosowanie ciągłego przepływu metalu oraz mieszczenie kolejnych katalizatorów w tym strumieniu eliminuje małą skuteczność w przypadku jednokrotnego przepłukiwania. Rozwiązanie to pozwala na zastosowanie niższej temperatury procesu niż stosowane tradycyjnie metody. Ciągły ruch tego samego metalu stosowanego w procesie intensyfikuje proces wypłukiwania oraz prowadzi do wzrostu stężenia platynowców do wartości gwarantujących opłacalność ich ekstrakcji.

Korzyści

Obecnie w Polsce przerób zużytych katalizatorów praktycznie nie istnieje, przedsiębiorstwa zajmują się tylko skupem zużytych katalizatorów, a następnie ich eksportem. Zweryfikowana w skali laboratoryjnej technologia umożliwia wyeliminowanie podstawowych wad dotychczas stosowanych metod tzn. nie wymaga mielenia ceramicznych nośników, co pozwala zredukować koszty, nie wymaga prowadzenia procesu w temperaturze ok. 2000 °C (utrzymanie takiej temperatury jest bardzo energochłonne), nie generuje problemu neutralizacji szkodliwych substancji chemicznych. Przy aktualnych cenach platyny, rodu i palladu oraz ograniczonych zasobach naturalnych tych rzadkich metali, odzysk tych metali jest opłacalny. Katalizatory samochodowe jako odpady podlegają również ustawie z dnia 20 stycznia 2005 o recyklingu pojazdów wycofanych z eksploatacji. Opracowana metoda stanowi prostą i uniwersalną technologię odzysku platyny, możliwą do zastosowania w małych i średnich przedsiębiorstwach.

Potencjał komercjalizacji

W 2013 r do produkcji katalizatorów zużyto ok. 37% wyprodukowanej platyny, 76,9% palladu i 79,6% rodu, zatem ich recykling jest pożądany ze względów ekonomicznych i ekologicznych. Uzyskanie 1 kg platyny wymaga wydobycia ok. 150 ton rudy z głębokości 1000 m. Wydobytą rudę poddaje się mieleniu, sortowaniu i obrobieniu metodami pirometalurgicznymi i hydrometalurgicznymi. Z 2 ton starych katalizatorów uzyskuje się ok. 1-3 kg platyny. Biorąc pod uwagę ogromną liczbę pojazdów poruszających się na świecie po drogach (już w 2010 przekroczyła ona 1 bilion) oraz fakt, że przeciętna trwałość katalizatorów to ok. 80 tys. km, czyli ok. 4 lat, można wnioskować, że coraz większa liczba tego typu zużytych reaktorów będzie wymagała zagospodarowania Jednak ilości platynowców pochodzących z odzysku są wciąż niewystarczające, jedynie 36% wyprodukowanej w roku 2012 platyny(175 ton) pochodziło z recyklingu. Jak z tego wynika ogromna ilość pieniędzy zainwestowana w budowę katalizatorów trafia na złomowiska.