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总结回收废钯碳催化剂-废料收购

总结回收废钯碳催化剂-废料收购

   虽然回收废钯碳催化剂的可获得性非常有限,但将它们用作催化剂的需求不断增加。钯(Pd)催化剂也是如此,需要它们的可持续回收和生产。由于目前Pd催化剂主要以纳米颗粒的形式存在,因此这些颗粒需要以环保的方式生产。Pd纳米粒子(‘bio-Pd’)的生物合成是一种用于金属回收和纳米催化剂合成的创新方法。本综述将讨论不同的bio-Pd沉淀微生物、催化剂的应用(用于环境目的和有机化学)以及基于bio-Pd概念的反应器的最新技术。此外,还讨论了一些主要挑战,这些挑战需要克服才能创造出可持续的纳米催化剂。

在过去的几十年里,贵金属在医学、光学设备、电子和催化领域的使用有了相当大的扩展(Das,2010年)。在贵金属中废料收购,铂族金属[PGM:例如铂(Pt)、铑(Rh)、钌(Ru)和钯(Pd)]被广泛用作催化剂。由于它们越来越多地使用,例如在汽车催化转化器中以减少有害气体排放,它们的可用性变得越来越有限(Hoffmann,1988)。特别是Pd已成为一种非常普遍的催化剂。其有限的供应导致价格剧烈波动(其价格从2005年11月的每公斤约7300欧元上涨到2010年11月的每公斤约19,000欧元)。因此,需要从废钯碳催化剂回收钯。传统上,这些回收技术是水法和火法冶金工艺。这些过程需要大量投资、劳动力和时间。此外,还涉及大量化学品,从而产生二次废物流(雅各布森,2005年)。

 

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有一种趋势是从使用散装材料转向使用钯的纳米粒子(NPs),因为NPs的活性更高,因此需要的催化剂更少。这些NPs的常规生产方法需要使用一系列有毒且昂贵的化学试剂(Hennebel等人,2009a)。需要强还原剂(例如NaBH4)将金属盐还原成零价金属形式。这种还原通常在溶剂中进行。稳定剂(例如聚乙烯吡咯烷酮)和载体材料(例如Al2O3)防止颗粒聚集并释放到环境中。化学合成的一个有希望的替代方法是利用细菌对金属的生物还原沉积(Hennebel等人,2009a)。这种生物技术方法既可以作为纳米材料的可持续生产方法,也可以作为钯和其他金属的有效回收技术。

本综述旨在总结能够将Pd(II)还原为Pd(0)的不同细菌以及这些生物还原沉积背后的机制。随后,概述了使用这些微生物合成的Pd纳米粒子(“bio-Pd”)作为金属回收技术和多种还原反应的纳米级催化剂的应用。随后,讨论了采用bio-Pd的反应器装置的最新技术,以及一些新的挑战,这些挑战需要满足才能创造出稳定、可持续和适用的生物催化剂。最后,讨论了bio-Pd应用的一些前景。

 

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总结不同的细菌物种能够将钯碳还原为Pd(0),并且它们中的每一种都具有使它们对金属还原具有吸引力的特定性质(表格1)。第一个报道的具有Pd还原能力的物种是硫酸盐还原菌。在厌氧条件下孵育后,将Pd(II)与作为电子供体的H2或甲酸盐一起添加到培养物中。随后,在细胞表面观察到Pd(0)的纳米级沉积物。当氢化酶被铜抑制时,这种还原不会发生。这强烈表明氢化酶(可能与细胞色素c3组合)负责将Pd(II)还原为Pd(0)。废料收购关于氢化酶参与果糖脱硫弧菌还原Pd(II)的更详细研究Mikheenko及其同事(2008年)研究了一种具有非常明确的周质酶系统的物种。证实了不同氢化酶在Pd(II)还原过程中的作用,因为在细胞质膜上没有观察到周质空间中的沉积,但在缺乏这些酶的突变体中仅观察到一些Pd(0)簇。作者认为,这种酶可能为还原过程提供电子,并作为粒子生长的成核位点。

为了从富含金属的废物流中回收Pd(II),建造了几种反应器类型。Yong及其同事(2002a)开发了一种用于Pd回收的电生物反应器。在该系统中,H2以电化学方式产生,并且可以有效地输送到Pd-Ag膜电极上的D.desulfuricans生物膜,从而实现H2的有效转移。克里默和同事(2006)应用了一个类似的系统来生物回收Au(0)、Pd(0)和Cu(II),但这次是从真正的废旧渗滤液中回收。Cu(II)的存在起到了至关重要的作用,因为它在很大程度上影响了Pd(II)的酶促还原,但不影响Au(III)。这允许这三种金属的逐步分离:Au(III)首先被D.desulfuricans的天然生物质还原,然后通过预镀钯的生物质还原Pd(II),最后,Cu(II)可以沉淀使用细菌培养物的废气作为氢氧化物和硫酸盐。

这些研究表明,当处理含有纯钯碳(II)的废物流时,钯碳生物回收的概念是可行的。当存在不同金属的混合物时,回收过程的效率会低得多。特别是Cu(II)似乎对该过程具有抑制作用。此外,所考虑的溶液和废料中的金属浓度非常高(数mgl-1),还应在较低金属浓度下评估生物回收效率。

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