Tóm tắt bản dịch "QUY TRÌNH THƯƠNG MẠI THU HỒI KIM LOẠI NHÓM PLATIN (PGMs)" của Rekha Panda et al., 2018

Lời cảm ơn: Tác giả cảm ơn CSIR-NML (Ấn Độ) và Quỹ Nghiên cứu CSIR (New Delhi) đã hỗ trợ thực hiện nghiên cứu.
 

Tổng quan

Kim loại nhóm Bach Kim (Platinum Group Metals – PGMs), bao gồm: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, là những kim loại quý hiếm có vai trò then chốt trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại như: xúc tác ô tô, hợp kim siêu bền, điện tử, y sinh, trang sức... Nhờ tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và đặc biệt là khả năng chống ăn mòn cao, PGMs được mệnh danh là "vitamin của công nghiệp hiện đại".

Tuy nhiên, trữ lượng tự nhiên của PGMs rất hạn chế (toàn cầu khoảng 66.000 tấn), trong khi nhu cầu tiêu thụ hàng năm lên tới hơn 590 tấn (chủ yếu là Pt, Pd, Rh). Do đó, việc phát triển các quy trình khai thác hiệu quả, thân thiện môi trường từ cả nguồn nguyên sinh (quặng) và nguồn thứ sinh (phế liệu) là vô cùng cấp thiết.

Nam Phi là quốc gia sản xuất PGMs lớn nhất thế giới, tiếp theo là Nga, Canada, Zimbabwe, Mỹ và Colombia. PGMs thường đi kèm với quặng sunfua kim loại cơ bản như Ni, Cu, với hàm lượng từ 1–15 g/t.

1. Xử lý nguồn nguyên sinh (quặng PGMs)

Quặng PGMs được khai thác bằng phương pháp hầm lò hoặc lộ thiên, sau đó nghiền nhỏ và làm giàu bằng tuyển nổi hoặc tuyển trọng lực để tạo tinh quặng giàu PGMs.

• Quy trình truyền thống:
  Luyện chẩy tạo matte → Chuyển hóa → Tinh luyện

  • Quặng được luyện ở nhiệt độ cao để tạo "matte xanh" (Fe, S), sau đó chuyển hóa thành "matte trắng" chứa Cu, Ni và PGMs.
  • PGMs chiếm khoảng 10–50% trong bùn thải sau xử lý thủy luyện loại bỏ kim loại cơ bản (Fe, Co, Ni, Cu).
  • Nhược điểm: phát thải SO₂, ô nhiễm môi trường, hình thành lớp spinel cromit khó nóng chảy trong lò.

• Các quy trình thay thế hiện đại (thủy luyện hoặc kết hợp nhiệt - thủy luyện):
  Được áp dụng để xử lý quặng nghèo, khó xử lý. Một số công nghệ tiêu biểu:

  • Albion Process, Total Pressure Oxidation (thương mại, môi trường sunfat)
  • Hydro Copper Process (thương mại, môi trường clorua)
  • Kell Process (kết hợp sunfat + clorua, đang thử nghiệm)
  • Nitrogen-catalyzed process (thương mại)

Các phương pháp thủy luyện giúp loại bỏ kim loại cơ bản, làm giàu PGMs trước khi tinh chế cuối cùng.

2. Xử lý nguồn thứ sinh (phế liệu chứa PGMs)

Do hàm lượng PGMs trong phế liệu (đặc biệt là bộ xúc tác ô tô đã qua sử dụng) cao hơn nhiều so với quặng tự nhiên (trung bình ~4 g/PGMs mỗi bộ), nên tái chế từ nguồn này vừa kinh tế, vừa bảo vệ tài nguyên.

• Xúc tác ô tô:
  • Pt, Pd, Rh được dùng để chuyển hóa CO, HC và NOx thành khí vô hại.
  • 34% Pt, 55% Pd và 95% Rh toàn cầu dùng trong ngành ô tô.
  • Tái chế 2 mg xúc tác đã qua sử dụng có thể thay thế việc khai thác 150 kg quặng.

a) Phương pháp nhiệt luyện (Pyrometallurgy)

• Mục đích: làm giàu PGMs vào hợp kim thu gom (collector metal), sau đó tinh chế.
• Quy trình: Nghiền → Trộn phụ gia → Luyện chảy → Tách hợp kim → Tinh luyện.
• Kim loại thu gom phổ biến: Cu, Ni, Pb, Fe.
  • Thu gom bằng Pb: đơn giản, nhiệt độ thấp, nhưng thu hồi Rh kém và phát sinh PbO độc hại.
  • Thu gom bằng Cu: hiệu quả cao, ít ô nhiễm, dễ công nghiệp hóa.
    → Được ứng dụng rộng rãi (ví dụ: Quy trình Rose của Nippon PGM, Nhật Bản).
  • Luyện bằng plasma: nhiệt độ rất cao (>1500°C), hiệu suất thu hồi >95%, nhưng thiết bị đắt, tuổi thọ đầu plasma ngắn.
    → Đã được thương mại hóa tại Bỉ (Umicore), Mỹ, CH Séc.

b) Phương pháp thủy luyện (Hydrometallurgy)

• Mục đích: hòa tan chọn lọc PGMs từ xúc tác đã qua sử dụng.

• Tiền xử lý cần thiết: nghiền mịn, nung, hoặc xử lý áp suất để phá vỡ cấu trúc vật liệu mang (ceramic), giải phóng PGMs.

• Chất hòa tan phổ biến:

  • Aqua regia (HCl + HNO₃): hòa tan tốt Pt, Pd, nhưng khó hòa tan Rh; sinh khí độc NOₓ, Cl₂.
  • Dung dịch clorua có chất oxy hóa (Cl₂, H₂O₂): hiệu quả hơn, kiểm soát tốt hơn.
  • Xyanua (cyanide): tạo phức bền, nhưng tốc độ chậm, độc hại, khó xử lý môi trường → vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.

• Tách chiết và tinh chế sau hòa tan:

  • Kết tủa chọn lọc
  • Chiết lỏng bằng dung môi (solvent extraction)
  • Trao đổi ion (ion exchange)

• Ưu điểm thủy luyện: chi phí đầu tư thấp, tiêu tốn năng lượng ít, dễ xử lý nước thải.

• Nhược điểm: nguy cơ phát sinh khí độc, cần hệ thống xử lý môi trường nghiêm ngặt.

Các công ty tiên phong trong tái chế PGMs:

• Umicore (Bỉ): tích hợp nhiệt luyện – tinh luyện, xử lý xúc tác ô tô và linh kiện điện tử.
• Heraeus (Đức): thủy luyện với HCl + oxy hóa, kết hợp kết tủa và trao đổi ion.
• Johnson Matthey (Anh): kết hợp nhiệt luyện plasma và tinh luyện.
• BASF/Engelhard (Mỹ): phát triển quy trình tái chế từ màng điện cực (MEA), tránh phát sinh HF độc.
• Nippon PGM (Nhật): vận hành quy trình Rose và quy mô công nghiệp.
• Platinum Lake Technology (Canada): đạt hiệu suất >95% (Pt), >98% (Pd) bằng thủy luyện.

Kết luận

• Việc tái chế PGMs từ nguồn thứ sinh (xúc tác ô tô, phế liệu điện tử, chất thải công nghiệp) là cấp thiết và hiệu quả về kinh tế – môi trường.
• Các quy trình nhiệt luyện (như thu gom bằng Cu) và thủy luyện (dùng HCl/Cl₂, chiết dung môi) đã được thương mại hóa rộng rãi.
• Tương lai cần phát triển các quy trình lai ghép (hybrid) kết hợp: vật lý, nhiệt, thủy, điện hóa để nâng cao hiệu suất thu hồi và giảm tác động môi trường.

Cần tăng cường nghiên cứu để khai thác hiệu quả nguồn PGMs nội sinh và cải tiến công nghệ hiện có nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong công nghiệp hiện đại.
Link download full tiếng Anh: https://drive.google.com/file/d/1-ixC415eWwLxcze_teePhMuEww0MJWPU/view?usp=sharing