Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Detektion og Inddrivelse af Palladium, Guld og kobolt Metaller fra Urban Mine Brug Nye sensorer / Adsorbenter Udpegede med Nanoscale Wagon-hjul-formede porer

Published: December 6, 2015 doi: 10.3791/53044
Automatic Translation
1,2, 1, 3, 1, 1
1National Institute for Materials Science, Japan, 2Graduate School for Advanced Science and Engineering, Waseda University, 3Center for Research in Isotopes and Environmental Dynamics, Tsukuba University

Summary

På grund af vigtigheden og omfattende anvendelse af palladium, guld og kobolt metaller i højteknologisk udstyr, deres genvinding og genbrug er et vigtigt industrielt udfordring. Metallet recovery system beskrevet heri er en enkel, billig betyder for effektiv afsløring, fjernelse og genvinding af disse metaller fra den urbane mine.

Abstract

Udvikling af lave omkostninger, effektive processer til genindvinding og genbrug af palladium, guld og kobolt metaller fra byerne minen er fortsat en stor udfordring i de industrialiserede lande. Her udviklingen af ​​optiske mesosensors / adsorbenter (MSAS) for effektiv genkendelse og selektiv genvinding af Pd (II), Au (III), og Co (II) fra by minen blev opnået. En enkel, generel metode til fremstilling af MSAS baseret på ved hjælp af høj-ordens mesoporøse monolitiske stilladser blev beskrevet. Hierarkiske kubiske Ia 3 D-vogn hjulformet MSAS blev fremstillet ved at forankre chelateringsmidler (farvestoffer) i tre-dimensionelle porer og mikrometriske partikeloverflader af det mesoporøse monolitiske stilladser. Resultaterne viser for første gang, tegn på kontrolleret optisk anerkendelse af Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner og en meget selektiv system til genvinding af Pd (II) ioner (op til ~ 95%) i malm og industriaffald. Desuden de kontrollerede vurderingsprocesser beskrev hendeein involverer vurdering af iboende egenskaber (f.eks visuelt signal forandring, langsigtet stabilitet, adsorption effektivitet, ekstraordinære følsomhed, selektivitet, og genanvendelighed); således er dyre, avancerede instrumenter ikke påkrævet. Resultater viser tegn på, at MSAS vil tiltrække opmærksomhed verden over som et lovende teknologiske midler for at inddrive og genbrug palladium, guld og kobolt metaller.

Introduction

Drivkræfter for den blomstrende brug af platinmetaller (PGM) er deres ekstraordinære og til tider eksklusive egenskaber, som gør dem væsentlige komponenter i en bred vifte af applikationer. Platinmetaller kan spille en rolle i opbygningen af ​​et bæredygtigt samfund, og disse materialer anvendes i en lang række nutidige applikationer og produkter: kemisk proces katalyse, automotive kontrol emissioner, informationsteknologi, forbrugerelektronik, fine smykker, udarbejdelse af dentale materialer, solceller brændselsceller og lithium-ion-batterier (LIB) 1-10. I løbet af det sidste århundrede, har verdensomspændende økonomiske forandringer blevet drevet af brugen af ​​platinmetaller. På grund af vigtigheden af ​​platinmetaller i rene teknologier og højteknologisk udstyr, har brugen af ​​platinmetaller steget dramatisk i det moderne samfund. På grund af de kraftige stigninger i brugen af ​​platinmetaller, især i produktionen af ​​elektronisk udstyr, har ophobning af elektronisk affald (e-affald) førte til environmental udfordringer og bekymringer. Desuden har den seneste stigning i råvarepriserne skabt en ny interesse for udvinding af e-affald 1-4.

E-affald indeholder både farlige materialer og værdifulde palladium, guld og kobolt metaller. Hvis e-affald bortskaffes ved deponering eller ikke behandles på en miljømæssigt forsvarlig måde, kan de udgøre en stor risiko for miljøskader. Palladium, guld og kobolt metaller i e-affald er en bæredygtig og "grøn" sekundær ressource af sådanne metaller 5-10. Derfor, effektive processer til genvinding palladium, guld og kobolt metaller fra e-affald er et presserende behov.

Fremtidige fremskridt på mange teknologiske områder vil kræve kontrol af primære ressourcer metal. På grund af den voksende betydning af palladium, guld og kobolt metaller i industrielle applikationer og løsninger på miljøproblemer 11-13, udvikle adsorption / extraction teknikker for anerkendelse og inddrivelse af sådanne metaller er blevet en topprioritet.

De vigtigste ædle metaller, der anvendes i elektroniske produkter er sølv, guld, palladium, platin, og små mængder rhodium 4-8. Gendannelse palladium og guld er blevet afgørende på grund af deres unikke kombination af egenskaber i en lang række industrielle applikationer, økonomisk værdi, og sjælden begivenhed. Markedsmekanismerne har været indflydelsesrige i at øge satserne for indsamling og genanvendelse af printplader af forældede pc'er, tv, mobiltelefoner og andre elektroniske enheder. Masseproducerede forbrugsvarer komponenter, såsom computer bundkort, indeholder ca. 80 g Pd og 300 g Au per ton e-affald; de tilsvarende beløb for mobiltelefoner er 130 g Pd og 200 g Au per ton e-affald 5-10. Denne urban mine besidder enorme mængder af disse metaller (til sammenligning, Au og Pd er til stede i ekstremt lave koncentrationer i klipper (~ 4 ng / g), jord (1 ng / g), havvand (0,05 ug / L) og flodvand (0,2 ug / L) 14-16). For at sikre en fortsat og pålidelig forsyning af palladium, guld og kobolt metaller til fremtidige teknologiske innovationer og nyt elektronisk udstyr, er det vigtigt at udvikle en effektiv og billig teknologi til genanvendelse ædelmetaller fra e-affald. Sådan teknologi kunne tjene som forsikring mod en fremtid knappe tilgængeligheden af ​​sjældne jordarters mineraler, som er forudsagt til at være en mangelvare, eller endog udtømt, inden for 100 år.

Et element, såsom kobolt har et vigtigt bidrag til næsten alle de elektrokemiske energilagring celler, såsom LIBS 17-19. På grund af den hurtige vækst af informationsteknologi og en bred vifte udnyttelse af libs, frigivelse af libs som e-affald udforsket en ny miljømæssig udfordring 18-20. Derfor kan håndtere dette affald med omhu ved at genvinde disse ressourcer åbne en ny avenue imiljø og industrielle applikationer.

Flere magtfulde og veletablerede metoder og analytiske teknikker er blevet anvendt til at skelne og kvantificere Au (III), Pd (II) og Co (II) i naturlig malm og industriaffald, herunder flamme og kulstof ovn atomabsorptionsspektrofotometri, ultraviolet- synlige (UV-vis) spektrofotometri, neutronaktiveringsanalyse, og induktivt koblet plasma massespektrometri 14-16,21-27. På trods af deres alsidighed og voksende popularitet, disse analytiske teknikker lider mange mangler. For eksempel, de normalt kræver omhyggelig planlægning og afprøvning, involverer mange prøveforberedelse skridt til at minimere interferens fra prøvematrixen, kræver sofistikeret instrumentering og veluddannede individer, og skal udføres under strenge forsøgsbetingelser 17,21. Desuden er alle disse analytiske teknikker optage pre-koncentrations- og separationstrin, såsom opløsningsmiddel ext-fraktion, copræcipitation, ionbytning og adsorption, at pre-koncentrere mål metalioner fra matrix komponenter forud for deres beslutsomhed 20-27. Desuden er hydrometallurgiske og pyrometallurgy teknikker almindeligt anvendt i recycle kæden i industrien 19-22. Derfor udvikle effektive, omkostningseffektive og nemme at bruge analysemetoder til at inddrive palladium, guld og kobolt metaller fra naturlig malm og industriaffald er vigtige både for miljøbeskyttelse og i den industrielle sektor 11-13.

Nye teknologier kan tilbyde nye tilgange til kemisk analyse og nyttiggørelse af metaller fra naturlige malm og industriaffald. Der er gjort nylige fremskridt med at reducere omkostningerne og forkorte tiden til at fremstille optiske kemiske nanosensorer / adsorbenter; imidlertid optiske adsorbenter stadig bruges til specifik virkelige verden sensing, udvinding, og recovery-applikationer til en bred vifte af metaller 28-36. For nylig har forskning fokuseret på at skræddersy specifikke solide mesoporøse monolitter til brug som meget følsomme sensorer til enkle og samtidig blotte øjne detektering og fjernelse af giftige og ædle metalioner, såsom kviksølv og guld-ioner fra akvatiske prøver 28-32. Her en fremgangsmåde til selektiv detektering og effektivt udvinding Au (III) og Pd (II) fra den urbane mine blev rapporteret; derudover kan processen anvendes til udvinding af Co (II) ioner fra libs. Genbrug metaller ved denne proces skal ikke kun fungere som en sekundær kilde til Au (III), Pd (II) og Co (II) ioner, men også reducere miljøforureningen. Protokollen design af vogn-hjulformet MSAS viser for første gang, tegn på kontrolleret optisk anerkendelse af Au (III), Pd (II), og Co (II) ioner, og en meget selektiv system til genvinding af Pd ( II) ioner (op til ~ 95%) i malme og industriaffald.

Protocol

1. Fremstilling af Wagon-wheel-formet, Cubic Ia 3 d mesoporøse Monolithic Stilladser

BEMÆRK: Styr kubiske geometri (fortrinsvis gyroidal Ia 3 d symmetri) og mikrometriske partikel overflader mesoporøse monolitiske strukturer ved hjælp af triblok-copolymer Pluronic P123 [P123; poly (ethylen oxid- blokere -propylen oxid- blokere -ethylenoxid) (EO 20 PEO 70 EO 20)] som en template.

  1. Under typiske betingelser, tilføj P123, pentadecan og tetramethylorthosilicat (TMOS) ved et masseforhold på 1,6: 2: 1,2 til HCl / H2O (pH ~ 1,0) i en 200-ml rundbundet kolbe; derefter rystes blandingen ved 45 ° C indtil dannelse af en homogen sol-gel.
  2. Tilslut kolbe til en rotationsfordamper og inddampes blandingen ved 45 ° C og et starttryk på 1.023 hPa. Under disse betingelser eksoterm hydrolyse og kondensation af TMOS opstår hurtigt.
  3. Fortsæt evaporatipå af blandingen til 10-20 minutter til dannelse af den optiske gellignende vogn-hjulformet monolit omkring væg connect kolbe 37-39.
  4. Tør kolbe indeholdende som fremstillet monolit ved 45 ° C i 24 timer for at fuldføre tørringsproces.
  5. Forkæl tørrede vogn hjul-formede monolit ved 450 ° C i 8 timer under normale atmosfæriske betingelser.
  6. Grind kalcinerede faststof monolit fuldstændigt ved hjælp af morter og støder, og opbevare formalede materiale til senere anvendelse som en bærer platform i fremstilling af MSAS.

2. karakterisering af materialer

  1. Høj opløsning transmission elektron mikroskopi (HRTEM)
    1. Dispergere 1 mg prøve i 5 ml ethanol opløsning under anvendelse af en ultralydsrenser, og så drop to dråber af prøven på en kobbernet.
    2. Vakuum-tørre nettet i 20 min før indsætte prøver i HRTEM kolonne.
    3. Udfør HRTEM anvendelse af et transmissionselektronmikroskop forbundet til et CCD-kamera. Optag HRTEM mikrografier ved en accelerationsspænding på 200 kV for at opnå et gitter opløsning på 0,1 nm.
  2. N 2 adsorption-desorptionsisotermer
    1. Pre-treat vogn hjul-formede prøver ved 100 ° C i 8 timer under vakuum for at udligne trykket til 10 Torr -3.
    2. Mål N 2 adsorption-desorptionsisotermer ved 77 K ved hjælp af et overfladeareal og porestørrelse analysator i henhold til fabrikantens anvisninger
    3. Bestem porestørrelsesfordeling fra adsorptionsisotermerne ved at bruge ikke-lokale tæthedsfunktionalteori. Beregn specifikt overfladeareal (S BET) ved hjælp af multipunkt Adsorptionsdata fra lineære segmenter af N 2 adsorptionsisotermerne hjælp af Brunauer-Emmett-Teller (BET) teori.
  3. Small-angle pulver-røntgendiffraktion (XRD)
    1. Mål XRD mønstre ved anvendelse af en 18-kW diffraktometer og monochromated CuKa stråling i henhold til fabrikantens &# 39; s anvisninger.
    2. Optag diffractions ved hjælp af både en grafitmonokromator og Göbel spejl detektorer med 2e vinkler mellem 0,1 ° og 6,5 °, svarende til d- afstande mellem 88,2 og 1,35 nm.
    3. Grind prøve og sprede pulver på prøve holderen. Bekræft beslutning af diffraktionstoppe med standard reproducerbarhed i 2θ (± 0,005 °). Gentag prøve måling tre gange med rotation i forskellige vinkler (15 °, 30 °, og 45 °).

3. Fremstilling af Pd (II) -MSA-1, Au (III) -MSA-2 og Co (II) -MSA-3

  1. Syntese af Pd (II) -MSA-1 og Co (II) -MSA-3
    BEMÆRK: Brug et tryk-assisteret metode til at lede ændring af vognen-hjul-formede, kubisk Ia 3 D bautasten med 1,5-diphenylthiocarbazone dicarboxylatet (L1) og 2-nitroso-1-naphthol (L3) ligander (0,1 M EtOH opløsninger) at fremstille Pd (II) -MSA-1 og Co (II) -MSA-3.
    1. Tilføj ethanolic 1,5-dicarboxylat diphenylthiocarbazone (L1) eller 2-nitroso-1-naphthol (L3) løsninger på faste vogn-hjulet monolitter i runde kolbe og blandes under omrystning i 1 min.
    2. Tilslut kolbe indeholdende heterogene EtOH-L1 / faststof-monolit blandingen til en rotationsinddamper, og der inddampes blandingen ved 45 ° C og et starttryk på 1.023 hPa.
    3. Tilslutte en anden kolbe indeholdende heterogene EtOH-L3 / faststof-monolit blandingen til en rotationsinddamper, og der inddampes blandingen ved 50 ° C og et starttryk på 1.023 hPa. Fjern EtOH løsning fra heterogene EtOH-ligand / faststof-monolit blanding under vakuum ved omgivelsernes temperatur.
    4. Præcisere dannelsen mekanisme for ligand-fast (MSA-1 og MSA-3), i fysisorberet kortrækkende interaktioner (dvs. van der Waals og H-bonding vekselvirkninger) mellem de rigelige hydroxylgrupper i den aktive overflade lokaliteter af vognen hjul -formede stilladser og heteroatomet ligander 40,41.
    5. Beregn amounts af immobiliseret L1 og L3 som følger: q e = (C 0 - C e) V / m, hvor q e er adsorberet mængde, V er opløsningens rumfang (L), m er massen af bærere (g), og C 0 og C e er indledende og supernatant probekoncentrationer henholdsvis. Mængden af ​​immobiliseret L1 og L3 kan forventes at være omkring 0,09 mmol / g.
  2. Syntese af Au (III) -MSA-2
    BEMÆRK: Anvend byggesten protokol til at syntetisere Au (III) -MSA-2:
    1. Immobilisere en 40 ml 0,1 M opløsning af ethanol dilauryldimethylammonium bromid (DDAB) i 0,5 g vogn-hjulformet HOM scaffolds ved anvendelse af en rotationsfordamper til frembringelse af vogn-hjulformet HOM-DDAB monolitter.
    2. Opløs 20 mg af hydrophilic6-hydroxy-5- (4-sulfonatophenylazo) -2-naphthalensulfonsyre dinatriumsalt (L2) ligand i 80 ml deioniseret vand. Tilsæt 0,5 g af faste HOM-DDAB monolitter. Den fjerne H2O opløsning ved filtrering.
    3. Wash HOM-DDAB-L2 med deioniseret vand, indtil der ikke elueres L2; derefter tør prøve ved 65-70 ° C i 4 timer. Bemærk: 0,07 mmol L2 ligand per gram HOM stillads blev inkorporeret i HOM-DDAB 42.
    4. Præcisere dannelsen mekanisme (MSA-2) baseret på L2-DDAB-faststof-interaktion.

4. Batch Undersøgelser til påvisning af Pd (II), Au (III), og Co (II) -ioner

  1. Fordybe 20 mg vogn-hjulformet MSA-1, MSA-2 og MSA-3 i en blanding af Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner (ionkoncentrationen: 2 mg / L) ; justere volumen til 20 ml og pH til en passende pH-værdi på 2, 7 og 5,2, henholdsvis.
  2. Mekanisk ryster blandinger i en temperaturstyret vandbad ved 25 ° C i 45 minutter ved en konstant omrøringshastighed på 300 rpm.
  3. Filtrer MSAS gennem 25-mm filterpapir; efter ækvilibrering bruge visuel farve vurdering og reflektans spektre measurements at bestemme ionkoncentrationer.
  4. Bestem Pd (II), Au (III), og Co (II) målion koncentrationer ved at sammenligne reflektans intensiteter af MSA-1, MSA-2 og MSA-3 ved λ max 384, 486 og 537 nm, under tilsætning af ukendt koncentration af prøver mål med de standard koncentration af prøver for målgruppen.
  5. Gennemføre andre forsøg under anvendelse af mål-Pd (II), Au (III), og Co (II) ion koncentrationer ved den optimale pH-værdi på 2, 7 og 5,2, henholdsvis ved hjælp af UV-vis spektroskopi. Den del per million (ppm, mg / L), milliardendedel (ppb, ug / L) og molær (mol / l) enheder anvendes til at definere målet ionkoncentrationen i opløsning.

5. Fremgangsmåde til fjernelse af Pd (II), Au (III), og CO (II) -ioner

  1. Fordybe 40 mg af hver vogn-hjulformet MSA i en blanding af specifik Pd (II), Au (III), og Co (II) ion koncentrationer; justering af pH af blandingen til specifikke værdier på 2, 7 og 5,2, henholdsvis i et volumen på 20 ml, og omrør blandingen i 2 timer ved stuetemperatur.
  2. Filter solide MSAS og analysere filtrat ved induktivt koblet plasma massespektroskopi (ICP-MS) 28-30.
  3. Beregn Langmuir isotermen baseret på den følgende ligning 43:
    Ligning 1
    hvor C e er målion koncentration, q e er mængden af målion i ækvilibreret opløsning, q m (mg · g-1) er den mængde Pd (II), Au (III) eller Co (II) -ioner fjernet til danne monolagsdækning og K L er Langmuir adsorption ligevægtskonstant. For eksempel er de Qm data viser den praktiske fjernelse af metalioner fra vandige medium med højt adsorptions- effektivitet (97% -98%). Desuden K L-værdier er i overensstemmelse med adsorption / desorption satser, der angiver fuldt reversibel metal adsorptions- assays.
    4. 6. Dannelse af Metal-til-ligandbindende konstanter i Wagon-hjul-formede MSAS

    1. Bestem stabilitetskonstanter (log K s) i [PD- (L1) 2], [Au- (L2)], og [Co- (L3) 2] komplekser ved pH 2, 7 og 5.2, som kan forventes at være omkring 5,8, 4,9 og 7,9 hhv.
    2. Beregn stabilitetskonstanter ifølge den følgende ligning 28-32:
      log K s = ([ML] S / [L] S) × [M]
      hvor [M] er koncentrationen af ​​frit Pd (II), Au (III) eller Co (II) ioner i opløsning; [L] er koncentrationen af frit L (dvs., L ikke er bundet til Pd (II), Au (III) eller Co (II) -ioner); og sænket S refererer til den samlede koncentration af Pd (II), Au (III) eller Co (II) ioner i den faste fase af vognen-hjulformet MSA.
    3. Bestem detektionsgrænser (LOD) af MSAS for Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner som følger:
      LOD = 3σ / Ψ
      hvor σ og Ψ er standardafvigelsen og hældningen af kalibreringskurven 40-42.

    7. Selektiv-ion-ekstraktion Eksperimentel System

    BEMÆRK: Sørg for specifikke og stærkt metal-til-ligand-binding som følger:

    1. Justering af pH af ekstraheret løsning på 2, 7 og 5,2 for Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner. Alter koncentrationer af interfererende metalioner til ≤5 gange større end koncentrationen af ​​Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner target. Tilføj en 2 ml kompleks-dannende middel (f.eks 0,3-0,5 M citrat / tartrat) til ekstraherede opløsning før tilsætning af target ioner at begrænse aktivt omsætning Cu (II) ioner.

    8. Virkelige udvinding af metaller fra Urban Mine

    1. PCI bord opløses i stærke syrer for at få de metalioner i opløsning.
    2. Tilføj MSAS til opløsningen indeholdende Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner til at udtrække disse ioner i fastMSAS.
    3. Filter solide MSAS og analysere filtrat ved ICP-MS.

Representative Results

Periodiske gyroidal kubik Ia 3 d monolitiske stilladser og vogn-hjul-formede MSAS med store cylindriske åbne porer (op til 10 nm i diameter) blev fremstillet ved hjælp pres-assisteret direkte templating med en P123 copolymer mikroemulsion system. TEM mikrografier af MSAS viser vogn-hjul-lignende kanaler organiseret i store domæne størrelser og i forskellige orienteringsmæssige geometrier i gyroidal bikontinuert kubisk Ia 3 D mesostructures (figur 1). Selvom L1, L2 og L3 prober blev direkte fysisorberet i monolitiske stilladser (~ 80 mg probe per gram stillads), MSAS billede kontrol over potentielle udvaskning af liganderne upon vask, sensing tilstand assays og kemisk behandling under regenerering / genbrug cykler.

Vognhjul form-lignende porer featured de kubiske Ia 3 D strukturer i MSAS, som det fremgår af TEM billeder (figur 1). DeHRTEM mikrografer optaget langs dominerende facet i [111] retning indikerer dannelsen af kubisk bi-kontinuerlig overflade morfologi 37-39. Seks-fold symmetriske kanaler med forskellige nanostørrelse sammenkoblinger i vognhjul form-lignende porer var karakteristika de kubiske Ia3d gitterstrukturer af MSAS (figur 1, i midten) 44. Desuden aftalen i enheden celle gitter bestemme ved TEM mikrografer (22,5 nm) med enheden celle parameter bestemmes af små-vinkel XRD (a = d 211 √6) viser dannelsen af den kubiske Ia3d MSA morfologi.

Fremkomsten af porerne i forskellige geometriske former i denne seks gange orientering omkring hver vognhjul mønster er det centrale element i kontrolleret Pd (II), Au (III), og Co (II) ion diffusion, adsorption, og nyttiggørelse. 2B angiver, at ensartet formede pore geometrier og stoflige egenskaber af kubisk d MSA-1, MSA-2 og MSA-3 blev bibeholdt (overfladeareal (S BET) på 560, 520 og 570 m2 / g; porevolumen (Vp) på 1,03, 0,98 og 1,09 cm3 / g og porestørrelse (D / nm) på 8,2, 8,1, og 8,2 nm, som det fremgår af N2 Isotherm resultater). Denne tilbageholdelse af kubisk Ia 3 d MSA strukturelle integritet blev anvendt til rationelt design af MSAS, for hvilke Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner blev påvist med en hurtig responstid, selv ved nanomolære koncentrationer (Figur 3-5). Et betydeligt antal af organiske dele med potentielle funktionelle aktive steder er stærkt forankret på de vognhjul poreoverflader via H-binding og dispersive interaktioner med fastholdelse af den kubiske Ia 3 d geometri, som det fremgår af Bragg refleksion fly (HKL) (figur 2A ). Dannelsen af ​​stabile organiske-uorganiske hybrid MSAS med egnedeindkvartering af L1, L2 og L3 ind i vognhjul porer kan føre til ingen udvaskning af ligander i løbet af metalion sensing / capture / fjernelse assays og genbrug / nyttiggørelse proces.

Specificiteten og følsomheden af ​​vognen-hjulformet MSAS for målet Pd (II), Au (III), og Co (II) -ioner blev kontrolleret ved justering af pH til 2, 7 og 5,2, henholdsvis. Disse specifikke pH-værdier er de mest egnede til den selektive, følsom og effektiv overvågning og fjernelse af metalioner hjælp MSAS (figur 6A). Proceduren for sensing kvantificering / opfange Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner med MSA-1, MSA-2 og MSA-3 involveret detektering af ændringer i farveintensitet på farve svartider (Rt) 2, 3 og 5 min. For at vurdere følsomheden af ​​MSAS, blev farveovergange i reflektansspektrene der kunne detekteres af det menneskelige øje overvåges nøje over et bredt område af metal ionkoncentrationer(0-5,000 ug / L). 6B-D viser ændringer i farve og reflektans intensiteten af MSA-1, MSA-2 og MSA-3 ved λ max 384, 486, og 537 nm. Disse ændringer tyder på metal-mod-ligandbindingsspecificiteter begivenheder under dannelsen af det octaederiske [PD- (L1) 2], offentlig-plane [Au- (L2)], og oktaedrisk [Co- (L3) 2] komplekser (stabilitet konstanter for disse komplekser er højere end konkurrerende-ion-komplekser, figur 7) .Den reflektans spektrale respons af MSAS angivet effektiv påvisning / anerkendelse af metaller. Desuden Figur 6F viser, at MSAS er meget effektive til at fjerne og overvågning Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner fra det urbane miner og LIB løsninger på en lang række koncentrationer (fra ug / l til mg / l) og selv ved de lave koncentrationsgrænser på 0,19, 0,6 og 0,51 ug / L.

De ion-sensing / ion-fjernelseseffektiviteter af wagon-hjulformet MSAS mod Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner i fravær og i nærværelse af forstyrrende ioner blev evalueret (figur 7). Væsentlige ændringer i den synlige farvemønstre og reflektans spektre var tydeligt, i de fleste tilfælde ved tilsætning af 1 til 18 konkurrerende ioner [dvs (G1) K (I), Na (I), Li (I), Ca (II ), Fe (III), og Cu (II); (G2) af Cd (II), Pb (II), Hg (II), Ni (II), Mn (II), Al (III); og (G3) af Bi (III), Zn (II), Dy (III), Er (III), Ho (III), og La (III)] til Pd (II), Au (III), og Co (II) ion-systemer, bekræfter selektiv fjernelse og effektiv overvågning af målet (T) ioner. Lave koncentrationer af Ni (II), Cu (II) og Fe (III) -ioner blandede, men interferenser blev elimineret ved anvendelse af 0,3-0,5 M citrat / tartratopløsning som undertrykkende middel; ingen velse af de væsentligste ændringer i de synlige farvemønstre og re fl ectance spektre skete ved tilsætning af høje koncentrationer af forskellige kationer ved den optimale ion-sensing / capture betingelser (pH 2, 7 og 5,2, 40 mg af MSAS, 20 ml, 25 ° C) (figur 7). Disse resultater er angivet selektiv identifikation og opsamling af target-ioner i en lang række reelle prøver indeholdende høje koncentrationer af konkurrerende ioner 45,46.

Genanvendeligheden af vognen-hjulformet MSAS blev vurderet ved at undersøge reflektans spektre af målionen sensing / capture assays og bestemme optagelsen effektivitet (E%) som en funktion af regenerering / genbrugscyklus. Genbrugsprocessen blev udført ved stripning Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner fra MSA overflader (dvs. dekompleksering). Dekompleksering blev opnået ved at behandle Pd (II) -, Au (III) - og Co (II) -MSAs med 0,1 M HCIO4, 0,1 M thiourinstof i 1% koncentreret HCI, og 2 M HCl, henholdsvis. Den dekompleksering behandling blev udført gentagne gange for fuldstændigt at fjerne Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner fra MSA overflader. UV-vis spectroskopiere og ICP-MS blev anvendt til at bekræfte, at MSA overflader var fri for metal (figur 8). Optagelses- effektivitet til MSA-1, MSA-2 og MSA-3 blev beregnet som% (C A / C 0), hvor C A er målet ionkoncentrationen optagelse af faste MSAS og C 0 er det oprindelige mål-koncentrationen. Resultater viste, at funktionaliteterne af vognen hjul-formede MSAS blev opretholdt over otte regenerering / genbrug cykler 46,47.

Genopretningen af Pd (II) og Au (III) fra elektronikskrot (dvs. PCI boards) og Co (II) fra libs blev udført i flere etaper:

Den første etape var den mekaniske adskillelse af slebne PCI komponenter.

Det andet trin omfattede en forbehandling hydrometallurgiske fremgangsmåde, hvor PCI bord chips (e-affaldskilden) blev udvasket i en blanding af 2 MH 2 SO 4 and 0,2 MH 2 O 2 ved 90 ° C i 6 timer for at opløse uædle metaller (Cu, Fe, Ni, Al, Li, Mn, Co og Zn) og en suspension af delvist opløste plast og Pd (II) og Au (III ) ioner 8. Efter filtrering af uopløste plast blev remanensen udvaskes med en kombineret syre med HCI og HNO3 (3: 1) ved 70 ° C i 3 timer til dannelse af et opløseligt opløsning af Pd (II), Au (III), Ag (I ), Fe (III), Sn (IV) og Al (III) -ioner. Fe (III), Sn (IV) og Al (III) -ioner udfældes ved at hæve pH opløsning op til 4,5 under anvendelse af 2 M NaOH og filtreret fra. AgCl blev udfældet ved hjælp af NaCl og filtreret fra (figur 9). Derudover blev LIBS affaldskomponenter behandlet med HNO 3, hvilket fører til en blanding af Co (II), Ni (II), Mn (II), Li (I), Fe (III) og Al (III) -ioner.

Den tredje fase er involveret en række batch forsøg udført under kontrollerede forsøgsbetingelser. I disse eksperimenter blev leach løsninger oprenset, Pd (II) og Au (III)ioner blev udvundet fra de elektroniske skrot løsninger ved hjælp af MSA-1 og MSA-2 (se figur 9), og Co (II) blev genvundet fra de vigtigste produkter i LIB løsning ved hjælp af MSA-3 (tabel 1). Efter fjernelse blev filtratet analyseret ved ICP-MS.

I fjerde fase, den procentvise optræk af Pd (II) og Au (III) ved MSA-1 og MSA-2 fra en reel komposit mine blandingen urban [0,119 mg / L Pd (II), 0,35 mg / L Au (III ), 0,23 mg / L Ag (I), 7,05 mg / l Cu (II), 5,78 mg / L Ni (II), 13,35 mg / l Fe (III), 7,09 mg / L Al (III)] blev bestemt. MSA-3 blev anvendt til at estimere genopretning af Co (II) ioner fra en reel LIB sammensat blanding [1,75 mg / L Co (II), 420 mg / L Ni (II), 350 mg / L Mn (II), 370 mg / L Li (I), 7 mg / l Fe (III), 1 mg / l Al (III)]. Effektiviteten af optagelse af Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner af MSA-1, MSA-2 og MSA-3 blev beregnet som følger: E% = C A / C e = C 0 - C e / C hvor C A er målet ionkoncentrationen optagelse af faste MSAS og C e og C0 er målionen koncentrationer i den ækvilibrerede og indledende løsninger. Tabel 1 viser resultaterne for real-prøven undersøgelse af udvinding af Pd (II), Au (III), og Co (II) ved hjælp af MSAS; den procentvise optræk af Pd (II), Au (III), og Co (II) var ca. 79%, 68% og 66%, hhv.

Femte etape involveret nyttiggørelse eksperimenter ved hjælp af stripping agenter (figur 3-5) for at frigøre Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner fra vogn hjul-formede MSA overflader. Genudvindingseffektiviteten (R%) blev beregnet som følger: R% = C R / C A, hvor C R er målet ionkoncentration udgivet i opløsning ved stripning agent. ICP-MS-analyser af de indsamlede løsninger viste, at >> 98% af metalionerne vire frigives ved simpel kemisk stripning (tabel 1). Dette resultat indikerer, ultrasporniveauer af Pd (II), Au (III), og Co (II) -ioner blev ekstraheret fra den urbane minen af ​​MSAS.

Figur 1
Figur 1. Undersøgelse af vogn-hjul-formede geometri. HRTEM mikrografier af vognhjul mønster i de kubiske Ia 3 D strukturer MSAS. Center: krystalform.

Figur 2
Figur 2. Bestemmelse af mesostructured krystal gitter og overflade parametre for vogn-hjul-formede porer. XRD mønstre (A) og N2 adsorption / desorptionsisotermer (B) af vognen hjul-formede, kubiske Ia 3 D MSAS.


Figur 3. Systematisk engineering af MSA-1. Fremstilling af Pd (II) -MSA-1 og Co (II) -MSA-3 via tryk-assisteret fremgangsmåde.

Figur 4
Figur 4. Systematisk engineering af MSA-3. Fremstilling af Co (II) -MSA-3 via tryk-assisteret fremgangsmåde.

Figur 5
Figur 5. Systematisk engineering af MSA-2. Fremstilling af Au (III) -MSA-2 via byggesten protokol.

Figur 6
Figur 6. reguleret pH-afhængig Pd (II), Au (III), og Co (II) ion-sEnsing systemer. (A) pH-respons profiler af vogn-hjulformet MSA-1, MSA-2 og MSA-3 under registrerings- og fjernelse assays af målet Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner. Effektiviteten af reflektansspektrene blev overvåget som en funktion af pH ved λ max = 384, 486, og 537 nm. (B - D) Target-koncentrationen som funktion af reflektansspektrene af MSA-1, MSA-2 og MSA-3. (E) farvekort for MSAS med tilsætning af 2 ppm Pd (II), Au (III), og Co (II). (F) Kalibrering afbildninger af (R - R 0) vs. [M n +] for MSA-1, MSA-2 og MSA-3. Bemærk: R og R 0 repræsenterer reflektans af MSAS med og uden tilsætning af target-ioner henholdsvis.

Figur 7
Figur 7. Undersøgelse af Pd (II), Au (III), og Co (II) ion-selektive systemer (A - C). Selektivitet vogn-hjulformet MSA-1, MSA-2 og MSA-3 mod Pd (II) (2 mg / L), Au (III) (1 mg / l), og Co (II) (2 mg / L) ion-sensing og ion-fjernelse assays. (D) Sekventiel farvereaktion ofMSA-1, MSA-2 og MSA-3 (blank, dvs metalfri assay) mod målet Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner ved tilsætning af forstyrrende ioner i et enkelt, binære, og grupper af ioner (G1-G3).

Figur 8
Figur 8. Genbrugelighed af vogn-hjul-formede MSAS (A) Evaluering af vogn-hjul-formede, optiske sensorer / fjernelse analyser af målet ioner efter otte regenerering / genbrug cykler (målion koncentration:. 2 mg / l; pH og signal respons tidsværdier for MSA-1, MSA-2 og MSA-3: pH = 2, 7, end 5.2, Rt = 2, 3, og 5 min; t = 25 ° C). (B) Optagelse effektivitet vs. regenerationscyklus nummer.

Figur 9
Figur 9. Virkelige inddrivelse af Pd (II) og Au (III) ioner fra elektronisk skrot løsninger. Hydrometallurgisk behandling af PCI bestyrelser og genvinding af Pd (II) og Au (III) ioner fra elektronisk skrot løsninger.

Target-ioner Target ion-bestemmelse Target ioner (mg / L) Sameksisteret metalioner (mg / L) E% R% Pd (II) C0 0,119 Ag (I): 0,23, Au (III): 0,35, Al (III): 7,09, Ni (II): 5,78, Fe (III): 13,35, Cu (II): 7,05 79 97
C e 0,025 Ag (I): 0,225, Au (III): 0,351, Al (III): 7,11, Ni (II): 5,77, Fe (III): 13,32, Cu (II): 6,95
C R 0,0913 Ag (I): 0,00, Au (III): 0,001, Al (III): 0,00, Ni (II): 0,002, Fe (III): 0,005, Cu (II): 0,009
Au (III) C0 0,35 Ag (I): 0,23, Pd (II): 0,119, Al (III): 7,09, Ni (II): 5,78, Fe (III): 13,35, Cu (II): 7,05 68 98
C e 0.11 Ag (I): 0,231, Pd (II): 0,118, Al (III): 7,00, Ni (II): 5,66, Fe (III): 13,29, Cu (II): 6,92
C R 0,235 Ag (I): 0,00, Pd (III): 0,002, Al (III): 0,00, Ni (II): 0,004, Fe (III): 0,003, Cu (II): 0,01
Co (II) C0 1,75 Ni (II): 420, Mn (II): 350, Li (I): 370, Fe (III): 2,00, Al (III): 0,40 66.3 95
C e 0,59 Ni (II): 419,34, Mn (II): 350,06, Li (I): 370, Fe (III): 1,91, Al (III): 0,05
C R 1.15 Ni (II): 0,85, Mn (II): 0,00, Li (I): 0,00, Fe (III): 0,05, Al (III): 0,02

Tabel 1. Kvantitativ bestemmelse af metalioner i faste prøver. ICP-MS analytiske data til genopretning af Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner i elektronikskrot og LIB løsninger.

Discussion

Globale efterspørgsel er stigende efter et middel til præcist og hurtigt opdage, selektivt genkende, og inddrive Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner fra elektronikskrot og LIB løsninger. For at løse dette problem, vogn-hjul-formede, optiske MSAS til kemisk detektion / fjernelse / ekstraktion og inddrivelse af disse metalioner blev udviklet.

Ved udformningen af ​​MSAS blev to centrale faktorer betragtes som følger: (1) receptorer og (2) immobilisering / transducerende stilladser. Receptorer er organiske ligander med ansvar for selektiviteten af ​​MSAS; stilladser er ansvarlige for stabilitet, genanvendelighed, og følsomhed MSAS. På grund af deres meget ensartede kanaler, store overfladearealer, porestørrelsesfordeling og kontrollerbar vogn-hjulet struktur, som er almindeligt forbundet med [111] projektion af den kubiske bikontinuerte overflademorfologi (figur 1 og 2), MSA-baserede vogn hjulet Ia 3 dmesostruktur materiale stilladser forudsat kontrol over de potentielle krav fra denne opdagelse / fjernelse / ekstraktion og recovery metode som følger: (1) stabilitet af ligand-embedding HOM fast (dvs. ingen udvaskning ud af ligander upon vask), (2) føling tilstand analyser, og (3) kemisk behandling betingelser i løbet af regenerering / genbrug cyklusser (dvs. efter otte cykler); høj ligand-overflade dækning og spredning; mekanisk robusthed; og effektiv inddrivelse bearbejdelighed fra byerne mine.

At fremstille stabile og robuste MSAS design, monofunctionalization af vognhjul indre pore overflade eller successiv optagelse af forskellige ligander (dvs. L1, L2, L3 og; figur 3-5) i Hom stilladser kan opnås ved tryk-assisteret co-kondensation; høj-ordre hybrider MSA-1 og MSA-3 blev opnået ved anvendelse L1 og L3 henholdsvis. Kontrolleret udformning af MSA-2 var baseret på finjusteret overflade mønster of de mesoskopiske vognhjul stilladser arkitekturer. Dette blev opnået ved anvendelse af et dispergerbart aktivt middel (DDAB), der førte til den tætte udsmykning af L2 signalsystemer centre inde i vognhjul pore hulrum. Med disse MSA motiver metalioner vekselvirke med organiske grupper af ikke-kovalent binding (f.eks hydrogenbinding), koordinering metal, hydrofobe kræfter, van der Waals kræfter, π-Tr interaktioner og elektrostatiske og / eller elektromagnetiske påvirkninger (figur 3-5 ). I sensing analyser, kan nanotekniske MSAS udløses af et mål Pd (II), Au (III), eller Co (II) ion arter og transducere målbare optiske signaler under synergistisk pH, reaktion temperatur og kontakttid (svartid) betingelser, muliggør bindingen af ​​metallerne i en hydrofobe eller hydrofile ligand lomme, der skal efterlignes. Den udviklede MSAS ikke kun fjernet Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner fra komplekse miljømæssige matricer, men også et middel til en simpel visuelkolorimetrisk estimat af metalionkoncentrationen; UV-vis spektroskopi nænsomt reflektans kvantificeret metalionkoncentration over et bredt område af koncentrationer (figur 3-6). Således MSAS tilvejebringe en enkel og følsom kolorimetrisk-baseret løsning til at detektere forandringer i en bred vifte af metal ion koncentrationer samt et middel for følsomme kvantificering af mål-ioner, hvorved behovet for sofistikerede instrumenter. Selv ved ultrasporniveauer koncentrationer (≤0.19 ug / L), et signal ændring i reflektans spektre af sensorerne optrådte under dannelse af komplekserne (figur 1).

I batch sensing / fjernelse / udsugningsanlæg, en stor fordel af vognen hjul-formede MSAS er deres selektivitet mod mål ioner og derved forhindre hindring i at blande konkurrerende ioner. Figur 6 bekræftede selektiv fjernelse og effektiv overvågning af Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner afde optiske MSAS. Den ubetydelige ændring i reflektans signalerne fra MSAS i nærvær af konkurrerende ioner viste, at svage chelater blev dannet mellem konkurrerende metaller og L1, L2, L3 og, specielt ved pH 2, 7 og 5,2, henholdsvis. Selektiviteten af MSAS kan tilskrives dannelsen af meget stabile oktaedrisk [PD- (L1) 2], offentlig-plane [Au- (L2)], og oktaedrisk [Co- (L3) 2] komplekser.

For at dømme omkostningseffektivitet, genanvendelighed og holdbarhed af vogn-hjul-formede MSAS efter gentagne regenerering / genbrug cyklusser blev undersøgt. Figur 8 viser, at MSAS bevaret en høj effektivitet til påvisning / fjernelse / ekstraktion af Pd (II), Au ( III), og Co (II) ioner i løbet gentagen regenerering / genbrug cykler, selv om den samlede effektivitet faldt en smule efter den sjette regenerering / genbrug cyklus. Stabiliteten af den kubiske Ia 3 d mesostruktur og indarbejdelsen af L1, L2 og L3 ind i ellerrede på vogn hjul-formede porer (induceret af stærke H-binding og dispersive interaktioner) spiller væsentlige roller i at opretholde funktionaliteten af ion-sensing / capture-system gennem flere regenerering / genbrug cykler (se figur 7).

Gendannelse Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner fra den urbane minen kan medvirke til at begrænse de miljømæssige skader i forbindelse med minedrift disse metaller, især med hensyn til indvirkningen på jord og klima. Brug virkelige urban mine prøver, har resultater vist, at MSAS heri beskrevne selektivt kan genvinde Pd og Au fra e-affald, og Co fra kasserede libs (tabel 1 & Figur 9), men praktisk, skalerbar proces stadig udfordring for fremtiden anvendelighed af metallet nyttiggørelse fra byerne mine.

På grundlag af den foreslåede protokol management, to nøglekomponenter spiller en vigtig rolle i den forbedrede metalion tilgængelighed, adsorptionskapacitet, Og inddrivelse i de heterogene processer. Først den store overflade-til-volumen-forhold og åbne cylindriske porer vognhjul kubiske Ia 3 D mesostructures (MSAS) fremme orienteringshjælp ligand samling (som det fremgår af fleksibelt samspil Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner med L1, L2, og L3 og den høje affinitet af metal-mod-ligandbinding hændelser) (figur 3-5). For det andet, de selektive adsorption / påvisning / ekstraktionsprocesser hovedsageligt afhænger af strukturen af ​​chelatdanner, de eksperimentelle betingelser (især pH), sammensætningen af ​​ion-systemet, metalionkomplekserne koncentrationer, og metal-mod-ligandbinding begivenheder. Selv om denne protokol viser betydelige fremskridt i kvaliteten, og effektiviteten af ​​de recovery metoder, der er behov for en yderligere indsats, så de kan bruges i andre krævende anvendelighed miljømæssige affald, hvor de beriget med høje doser af aktivt konkurrencedygtige metaller såsom Cu (II), Fe (III) end Ni (II) -ioner.

Afslutningsvis har effektive og omkostningseffektive, vogn-hjul-formede MSAS udviklet til at inddrive palladium, guld og kobolt metaller fra den urbane mine. Resultater viser tegn på, at MSAS vil være nyttig i at yde en rute til en bæredygtig forsyning af guld, palladium og kobolt at opfylde behovene i det moderne samfund.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Ministeriet for Undervisning, Kultur, Sport, Videnskab & Teknologi og Miljøministeriet, Japans regering.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Tetramethylorthosilicate (TMOS) Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 681-84-5 Molecular Weight 152.22; Linear Formula Si(OCH3)4; 218472-500G
Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol), PEG-PPG-PEG, Pluronic® P-123 Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 9003-11-6 average Mn ~5,800
Sodium citrate tribasic dehydrate Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 6132-04-3 Linear Formula HOC(COONa)(CH2COONa)2 · 2H2O; Molecular Weight 294.10; S4641-500G
Pentadecane, C15 Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 629-62-9 Linear Formula CH3(CH2)13CH3; Molecular Weight 212.41
N-cyclohexyl-3-aminopropane sulfonic acid (CAPS) Dojindo Chemicals (Japan) 343-00484, Lot.DE132 Linear Formula C9H19NO3S, M1254-250G, Molecular Weight 221.32
2-Nitroso-1-naphthol (NN) Tokyo Chemical Industry Con, LTD (TCI) Product Number N0267 Linear Formula ONC10H6OH, M1254-250G, Molecular Weight 173.17
Sunset Yellow FCF Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 2783-94-0 Empirical Formula (Hill Notation) C16H10N2Na2O7S2, Molecular Weight 452.37, 465224-25G
Diphenylthiocarbazone Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 60-10-6 Linear Formula C6H5NHNHCSN=NC6H5, Molecular Weight 256.33, 194832-10G
4-hydrazinobenzoic acid Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 619-67-0 Linear Formula H2NNHC6H4CO2H, Molecular Weight 152.15, 246395-25G
Carbon disulfide Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 75-15-0 Empirical Formula (Hill Notation) CS2, Molecular Molecular Weight 76.14, 335266-100ML
Ethanol absolute Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 64-17-5 Linear Formula CH3CH2OH, Molecular Weight 46.07, 24102-1L-R
Small angle powder X-ray diffraction (XRD)  Bruker D8 Advance Small angle powder X-ray diffraction (XRD) patterns were measured by using a 18 kW diffractometer (Bruker D8 Advance) with monochromated CuKα radiation and with scattering reflections recorded for 2θ angles between 0.1° and 6.5° corresponding to d-spacing between 88.2 and 1.35 nm. First, the powder samples were ground and spread on a sample holder. The samples were scanned in the range from 2θ = 0.1°–6.5° with step size of 0.02°. To confirm the resolution of the diffraction peaks with standard reproducibility in 2θ (±0.005), the sample measurement was recorded by using both graphite monochromator and Göbel mirror detectors. Both detectors were used to generate focusing beam geometry and parallel primary beam. The sample measurement was repeated three times under rotating at various degrees (15°, 30° and 45°).
N2 adsorption–desorption isotherms  BELSORP MIN-II analyzer (JP. BEL Co. Ltd) N2 adsorption–desorption isotherms were measured using a BELSORP MIN-II analyzer (JP. BEL Co. Ltd) at 77 K. The pore size distribution was determined from the adsorption isotherms by using nonlocal density functional theory (NLDFT). Specific surface area (SBET) was calculated using multi-point adsorption data from a linear segment of the N2 adsorption isotherms using Brunauer–Emmett–Teller (BET) theory. Before the N2 isothermal analysis, all prepared samples were pre-treated at 100 °C for 8 hr under vacuum until the pressure was equilibrated to 10−3 Torr.
High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM)  JEOL JEM model 2100F microscope High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) was performed using a JEOL JEM model 2100F microscope. HRTEM was conducted at an acceleration voltage of 200 kV to obtain a lattice resolution of 0.1 nm. The HRTEM images were recorded using a CCD camera. In the HRTEM characterization, the sample was dispersed in ethanol solution using an ultrasonic cleaner, and then dropped on a copper grid. Prior to inserting the samples in the HRTEM column, the grid was vacuum dried for 20 min. Energy Dispersive X-ray micro-analyzers (EDX) were recorded by employing Horiba EDS-130S, which directly connected with Hitachi FE-SEM S-4300. Elemental mapping of all samples was carried out with the energy dispersive X-ray micro-analyzers with an acceleration voltage of 30 kV. Ten distinct spots were analyzed per sample, which resulted in 99% confidence bounds of ±0.01 in the molar fraction of each cation (with their sum normalized to unity). 
UV-Vis-NIR spectrophotometer Shimadzu 3700 The absorbance spectrum of the nano-collectors material was measured by UV-Vis-NIR spectrophotometer (Shimadzu 3700).
Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) Perkin Elmer Elan-6000 ICP-MS In selective removal, metal ion concentrations were determined by ICP-AES. The instrument was calibrated using four standard solutions containing 0, 0.5, 1.0 and 2.0 mg/L (for each element) and the correlation coefficient of calibration curve was higher than 0.9999.
inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) PerkinElmer Elan-6000 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chung, S. -W., Murakami-Suzuki, R. A Comparative study of e-waste recycling systems in Japan, South Korea and Taiwan from the EPR perspective: Implications for Developing Countries. Promoting 3Rs in developing countries-Lessons from the Japanese experience. Kojima, M. , Institute of Developing Economies, JETRO. 125-145 (2008).
  2. Li, J., Lu, H., Guo, J., Xu, Z., Zhou, Y. Recycle technology for recovering resources and products from waste printed circuit boards. Environ. Sci. Technol. 41 (6), 1995-2000 (2007).
  3. Ammen, C. W. Recovery and Refining of Precious Metals. , Springer. New York. 99-138 (1984).
  4. Hageluken, C. Recycling the platinum group metals: A European Perspective. Platinum Metals Rev. 56 (1), 29-35 (2012).
  5. Hall, W. J., Williams, P. T. Separation and recovery of materials from scrap printed circuit boards. Resour. Conserv. Recy. 51 (3), 691-709 (2007).
  6. Tuncuk, A., Stazi, V., Akcil, A., Yazici, E. Y., Deveci, H. Aqueous metal recovery techniques from e_scrap: Hydrometallurgy in recycling. Miner. Eng. 25 (1), 28-37 (2012).
  7. Huang, K., Guo, J., Xu, Z. Recycling of waste printed circuit boards: A review of current technologies and treatment status in China. J. Hazard. Mater. 164 (2-3), 399-408 (2009).
  8. Oh, C. J., Lee, S. O., Yang, H. S., Ha, T. J., Kim, M. J. Selective leaching of valuable metals from waste printed circuit boards. J. Air Waste Manage. 53 (7), 897-902 (2003).
  9. Birloaga, I., De Michelis, I., Ferella, F., Buzatu, M., Vegliò, F. Study on the influence of various factors in the hydrometallurgical processing of waste printed circuit boards for copper and gold recovery. Waste Manage. 33 (4), 935-941 (2013).
  10. Park, Y. J., Fray, D. J. Recovery of high purity precious metals from printed circuit boards. J. Hazard. Mater. 164 (2-3), 1152-1158 (2009).
  11. El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Ismael, M., Khairy, M., Awual, M. R. Optical mesosensors for monitoring and removal of ultra-trace concentration of Zn(II) and Cu(II) ions from water. Analyst. 137 (22), 5208-5214 (2012).
  12. El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Ismael, M., Khairy, M., Awual, M. R. Mesoporous aluminosilica sensors for the visual removal and detection of Pd(II) and Cu(II) ions. Microporous Mesoporous Mater. 166, 195-205 (2013).
  13. Khairy, M., El-Safty, S. A., Shenashen, M. A. Environmental remediation and monitoring of cadmium. TrAC Trends Anal. Chem. 62, 56-68 (2014).
  14. Elci, L., Soylak, M., Buyuksekerci, E. B. Separation of gold, palladium and platinum from metallurgical samples using an amberlite XAD-7 resin column prior to their atomic absorption spectrometric determination. Anal. Sci. 19 (12), 1621-1624 (2003).
  15. Medved, J., Bujdos, M., Matus, P., Kubova, J. Determination of trace amounts of gold in acid-attacked environmental samples by atomic absorption spectrometry with electrothermal atomization after preconcentration. Anal. Bioanal. Chem. 379 (1), 60-65 (2004).
  16. Liu, P., Pu, Q., Su, Z. Synthesis of silica gel immobilized thiourea and its application to the on-line preconcentration and separation of silver, gold and palladium. Analyst. 125 (1), 147-150 (2000).
  17. El-Safty, S. A. Functionalized hexagonal mesoporous silica monoliths with hydrophobic azo- chromophore for enhanced Co(II) ion monitoring. Adsorption. 15 (3), 227-239 (2009).
  18. Zhao, J. M., Shen, X. Y., Deng, F. L., Wang, F. C., Wu, Y., Liu, H. Z. Synergistic extraction and separation of valuable metals from waste cathodic material of lithium ion batteries using Cyanex272 and PC-88A. Sep. Purf. Technol. 78 (3), 345-351 (2011).
  19. Swain, B., Jeong, J., Lee, J. C., Lee, G. H., Sohn, J. S. Hydrometallurgical process for recovery of cobalt from waste cathodic active material generated during manufacturing of lithium ion batteries. J. Power Sources. 167 (2), 536-544 (2007).
  20. El-Safty, S. A., Awual, M. R., Shenashen, M. A., Shahat, A. Simultaneous optical detection and extraction of cobalt(II) from lithium ion batteries using nanocollector monoliths. Sens. Actut. B Chem. 176, 1015-1025 (2013).
  21. Barefoot, R. R., Van Loon, J. C. Recent advances in the determination of the platinum group elements and gold. Talanta. 49 (1), 1-14 (1999).
  22. Gureva, R. F., Savvin, S. B. Spectrophotometric methods for determining noble metals. J. Anal. Chem. 57 (11), 980-996 (2002).
  23. Zhang, S., Pu, Q., Liu, P., Sun, Q., Su, Z. Synthesis of amidinothioureido-silica gel and its application to flame atomic absorption spectrometric determination of silver, gold and palladium with on-line preconcentration and separation. Anal. Chim. Acta. 452 (2), 223-230 (2002).
  24. Hinds, M. Determination of gold, palladium and platinum in high purity silver by different solid sampling graphite furnace atomic absorption spectrometry methods. Spectrochim. Acta B. 48 (3), 435-445 (1993).
  25. Elshehy, E. A., El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Khairy, M. Design and evaluation of optical mesocaptor for the detection/recovery of Au(III) from an urban mine. Sens. Actuat. B Chem. 203, 363-374 (2014).
  26. Safavi, A., Shams, E. Highly sensitive and selective measurements of cobalt by catalytic adsorptive cathodic stripping voltammetry. Talanta. 51 (6), 1117-1123 (2000).
  27. Singh, A. K., Mehtab, S., Saxena, P. A novel potentiometric membrane sensor for determination of Co2+based on 5-amino-3-methylisothiazole. Sens. Actut. B-Chem. 120 (2), 455-461 (2007).
  28. Shenashen, M. A., Elshehy, E. A., El-Safty, S. A., Khairy, M. Visual monitoring and removal of divalent copper, cadmium, and mercury ions from water by using mesoporous cubic Ia3d aluminosilica sensors. Sep. Purif. Technol. 116, 73-86 (2013).
  29. Shenashen, M. A., El-Safty, S. A., Elshehy, E. A. Architecture of optical sensor for recognition of multiple toxic metal ions from water. J. Hazard. Mater. 260, 833-843 (2013).
  30. Khairy, M., El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Elshehy, E. A. Hierarchical inorganic-organic multi-shell nanospheres for intervention and treatment of lead-contaminated blood. Nanoscale. 5 (17), 7920-7927 (2013).
  31. El-Safty, S. A., Khairy, M., Ismael, M. Visual detection and revisable supermicrostructure sensor systems of Cu(II) analytes. Sens. Actut. B-Chem. 166-167, 253-263 (2012).
  32. Rampazzo, E., Brasola, E., Marcuz, S., Mancin, F., Tecilla, P., Tonellato, U. Surface modification of silica nanoparticles: a new strategy for the realization of self-organized fluorescence chemosensors. J. Mater. Chem. 15 (27-28), 2687-2696 (2005).
  33. Han, W. S., Lee, H. Y., Jung, S. H., Lee, S. J., Jung, J. H. Silica-based chromogenic and fluorogenic hybrid chemosensor materials. Chem. Soc. Rev. 38 (7), 1904-1915 (2009).
  34. Shenashen, M. A., El-Safty, S. A., Elshehy, E. A., Khairy, M. Hexagonal-prism-shaped optical sensor/captor for the optical recognition and sequestration of PdII ions from urban mines. Eur. J. Inorg. Chem. 2015, 179-191 (2015).
  35. Ros-Lis, J. V., Casasus, R., Comes, M., Coll, C., Marcos, M. D., Martinez-Manez, R., Sancenon, F., Soto, J., Amoros, P., El Haskouri, J., Garro, N., Rurack, K. A mesoporous 3D hybrid material with dual functionality for Hg2+ detection and adsorption. Chem. Eur. J. 14, 8267-8278 (2008).
  36. Jung, J. H., Lee, J. H., Shinkai, S. Functionalized magnetic nanoparticles as chemosensors and adsorbents for toxic metal ions in environmental and biological fields. Chrm. Soc. Rev. 40 (9), 4464-4474 (2011).
  37. El-Safty, S. A., Hanaoka, T. Microemulsion liquid crystal templates for highly ordered three-dimensional mesoporous silica monoliths with controllable mesopore structures. Chem. Mater. 16 (9), 384-400 (2004).
  38. El-Safty, S. A., Hanaoka, T. Fabrication of crystalline, highly ordered three-dimensional silica monoliths (HOM-n) with large, morphological mesopore structures. Adv. Mater. 15 (22), 1893-1899 (2003).
  39. El-Safty, S. A., Hanaoka, T. Monolithic nanostructured silicate family templated by lyotropic liquid-crystalline nonionic surfactant mesophases. Chem. Mater. 15 (22), 2892-2902 (2003).
  40. Balaji, T., El-Safty, S. A., Hanaoka, T., Matsunaga, H., Mizukami, F. Optical sensors-based nanostructured cage materials for detection of toxic metal ions. Angew. Chem. Int. Ed. 45 (43), 7202-7208 (2006).
  41. Huang, J., Gao, X., Jia, J., Kim, J. -K., Li, Z. Graphene oxide-based amplified fluorescent biosensor for Hg2+ detection through hybridization chain reactions. Anal. Chem. 86 (6), 3209-3215 (2014).
  42. El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Ismael, M., Khairy, M. Mesocylindrical aluminosilica monolith biocaptors for size-selective macromolecule cargos. Adv. Funct. Mater. 22 (14), 3013-3021 (2012).
  43. Kreno, L. E., Leong, K., Farha, O. K., Allendorf, M., Van Duyne, R. P., Hupp, J. T. Metal Organic Framework Materials as Chemical Sensors. Chem. Rev. 112 (3), 1105-1125 (2012).
  44. El-Safty, S. A., Hanaoka, T., Mizukami, F. Large scale design of cubic la3d mesoporous silica monoliths with high order, controlled pores, and hydrothermal stability. Adv. Mater. 17 (1), 47-53 (2005).
  45. El-Safty, S. A., Shenashen, M. A. Mercury-ion optical sensors. Trends Anal. Chem. 38 (1), 98-115 (2012).
  46. El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Ismail, A. A. A multi-pH-dependent, single optical mesosensor/captor design for toxic metals. Chem. Commun. 48 (77), 9652-9654 (2012).
  47. Shenashen, M. A., El-Safty, S. A., Elshehy, E. A. Monolithic scaffolds for highly selective ion sensing/removal of Co(II), Cu(II), and Cd(II) ions in water. Analyst. 139 (24), 6393-6405 (2014).

Tags

Engineering Nanoscale stilladser vogn hjul-formede sensor / adsorberende afsløring nyttiggørelse palladium guld og kobolt metaller urban minen
Detektion og Inddrivelse af Palladium, Guld og kobolt Metaller fra Urban Mine Brug Nye sensorer / Adsorbenter Udpegede med Nanoscale Wagon-hjul-formede porer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

El-Safty, S. A., Shenashen, M. A.,… More

El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Sakai, M., Elshehy, E., Halada, K. Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores. J. Vis. Exp. (106), e53044, doi:10.3791/53044 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter