På grund av vikten och omfattande användning av palladium, guld och kobolt metaller i högteknologisk utrustning, utgör deras återvinning och återanvändning en viktig industriell utmaning. Metallåtervinningssystem som beskrivs här är en enkel, billig organ för effektiv upptäckt, borttagning och återvinning av dessa metaller från den urbana gruvan.
Utveckla låg kostnad, effektiva processer för insamling och återvinning av palladium, guld och kobolt metaller från stads gruva är fortfarande en stor utmaning i de industrialiserade länderna. Här, utveckling av optiska mesosensors / adsorptionsmedel (MSAs) för effektiv erkännande och selektiv återvinning av Pd (II), Au (III), och Co (II) från stads gruvan uppnåddes. En enkel, allmän metod för framställning av MSAs baserade på användning av högre ordning mesoporösa monolitiska byggnadsställningar beskrevs. Hierarkiska kubiska Ia 3 d vagnshjulformad MSAs tillverkades genom förankrings kelateringsmedel (färgämnen) till tredimensionella porer och mikrometerpartikelytorna hos de mesoporösa monolitiska byggnadsställningar. Iakttagelser visar, för första gången, bevis av kontrollerad optisk igenkänning av Pd (II), Au (III) och Co (II) joner och ett mycket selektivt system för återvinning av Pd (II) joner (upp till ~ 95%) i malm och industriavfall. Dessutom de kontrollerade utvärderingsprocesser beskrev henneein innebär utvärdering av inneboende egenskaper (t.ex. visuell signal förändring, långsiktig stabilitet, adsorption effektivitets extra känslighet, selektivitet och återanvändning); alltså, är dyra, sofistikerade instrument som inte behövs. Resultaten visar att MSAs kommer att locka uppmärksamhet över hela världen som en lovande tekniska medel för att återhämta sig och återvinning palladium, guld och kobolt metaller.
Drivkrafter för blomstrande användning av platinagruppmetaller (PGM) är deras extraordinära och ibland exklusiva fastigheter, vilket gör dem viktiga komponenter i ett brett spektrum av tillämpningar. PGM kan spela en roll i byggandet av ett hållbart samhälle, och dessa material används i en mängd av moderna applikationer och produkter: kemisk process katalys, fordonsutsläppskontroll, informationsteknik, hemelektronik, fina smycken, framställning av dentala material, solceller bränsleceller och litium-jon-batterier (LIB) 1-10. Under det senaste århundradet har världen ekonomiska förändringar drivits genom användning av platinametaller. På grund av vikten av platinagruppens metaller i ren teknik och högteknologisk utrustning, har användningen av platinagruppens metaller har ökat dramatiskt i det moderna samhället. På grund av den kraftiga ökningen av användningen av platinagruppens metaller, framför allt vid tillverkning av elektronisk utrustning, har ansamling av elektroniskt avfall (e-avfall) ledde till environmental utmaningar och problem. Dessutom har den senaste tidens uppgång i råvarupriserna genererade ett nytt intresse för utvinning av e-avfall 1-4.
E-avfall innehåller både farliga ämnen och värdefulla palladium, guld och kobolt metaller. Om e-avfall deponeras eller inte behandlas på ett miljöriktigt sätt, kan de innebära en hög risk för miljöskador. Palladium, guld och kobolt metaller i e-avfall är en hållbar och "gröna" sekundär resurs av sådana metaller 5-10. Därför, effektiva processer för att återvinna palladium, guld och kobolt är angelägna metaller från e-avfall.
Framtida framsteg inom många teknikområden kommer att kräva kontroll av primära tillgångar metall. På grund av den växande betydelsen av palladium, guld och kobolt metaller i industriella tillämpningar och lösningar på miljöproblem 11-13, utvecklings adsorption / extraction tekniker för erkännande och utvinning av sådana metaller har blivit högsta prioritet.
De huvudsakliga ädelmetaller som används i elektroniska produkter är silver, guld, palladium, platina, och små mängder av rodium 4-8. Återställa palladium och guld har blivit allt viktigare på grund av sin unika kombination av egenskaper i ett brett spektrum av industriella tillämpningar, ekonomiskt värde, och sällsynt företeelse. Marknadsmekanismerna har varit inflytelserika i att öka andelen insamling och återvinning av kretskort av föråldrade datorer, TV-apparater, mobiltelefoner och annan elektronisk utrustning. Massproducerade konsument komponenter, såsom datorns moderkort, innehåller ca 80 g Pd och 300 g Au per ton e-avfall; Motsvarande belopp för mobiltelefoner är 130 g Pd och 200 g Au per ton e-avfall 5-10. Denna urbana gruva innehåller enorma mängder av dessa metaller (i jämförelse, Au och Pd är närvarande i extremt låga koncentrationer i berg (~ 4 ng / g), jordar (1 ng / g), havsvatten (0,05 | ig / l), och flodvatten (0,2 | ig / l) 14-16). För att säkerställa en fortsatt och tillförlitlig försörjning av palladium, guld och kobolt metaller för framtida tekniska innovationer och ny elektronisk utrustning, är det viktigt att utveckla en effektiv och billig teknik för återvinning av ädelmetaller från e-avfall. Sådan teknik skulle kunna fungera som en försäkring mot framtida knappa tillgången på sällsynta jordartsmalmer, som förutspås vara en bristvara, eller till och med uttömda, inom 100 år.
Ett element såsom kobolt har en viktig ingång till nästan alla de elektrokemiska lagringsenergiceller såsom LIBS 17-19. På grund av den snabba tillväxten av informationsteknik och ett stort utbud utnyttjande av libs, frisläppandet av LIBS som e-avfall undersökte en ny miljöutmaning 18-20. Därför kan hantera dessa avfall med omsorg genom att återvinna dessa resurser öppna en ny väg imiljö och industriella tillämpningar.
Flera starka och väletablerade metoder och analysmetoder har använts för att diskriminera och kvantifiera Au (III), Pd (II), och Co (II) i naturlig malm och industriavfall, inklusive låga och kol ugn atomabsorptionsspektrofotometri, ultraviolet- synlig (UV-vis) spektrofotometri, neutronaktiveringsanalys och induktivt kopplad plasma masspektrometri 14-16,21-27. Trots sin mångsidighet och växande popularitet, dessa analytiska tekniker lider av många brister. Till exempel, de vanligtvis kräver noggrann planering och testning, involvera många provberedning åtgärder för att minimera störningar från provmatrisen kräver sofistikerad instrumentering och välutbildade individer, och måste utföras under rigorösa experimentella betingelser 17,21. Dessutom, alla dessa analytiska tekniker införliva pre-koncentration och separationssteg, såsom lösningsmedel extdiffraktion, samutfällning, jonbyte och adsorption, att i förväg koncentrera mål metalljoner från matrixkomponenter innan deras beslutsamhet 20-27. Dessutom är hydrometallurgi och pyrometallurgy tekniker som vanligen används i papperskedjan inom industrin 19-22. Därför att utveckla effektiva, kostnadseffektiva och lättanvända analysmetoder återhämta palladium, guld och kobolt metaller från naturliga malm och industriavfall är viktigt både för miljöskydd och inom industrisektorn 11-13.
Ny teknik kan erbjuda nya metoder för kemisk analys och återvinning av metaller från naturliga malm och industriavfall. Senaste framsteg har gjorts när det gäller att minska kostnaderna och förkorta tiden för att tillverka optiska kemiska nanosensorer / adsorbenter; dock optiska adsorbenter används fortfarande för specifik verkliga avkänning, utvinning och återvinning program för ett brett spektrum av metaller 28-36. På senare tid har forskningen fokuserat på att skräddarsy specifika fasta mesoporösa monoliter för användning som mycket känsliga sensorer för enkel och samtidig blotta ögat upptäckt och borttagning av giftiga och ädelmetalljoner, såsom kvicksilver och guldjoner, från vattenlevande prover 28-32. Här, en process för att selektivt upptäcka och effektivt återvinna Au (III) och Pd (II) från den urbana gruvan rapporterades; dessutom kan förfarandet tillämpas för återvinning av Co (II) joner från LIBS. Återvinning av metall från denna process ska inte bara fungera som en sekundär källa till Au (III), Pd (II), och Co (II) joner, men också minska miljöförstöringen. Protokollet design av vagnhjulformade MSAs visar för första gången bevis för kontrollerad optisk erkännande av Au (III), Pd (II), och Co (II) joner, och ett mycket selektivt system för återvinning av Pd ( II) joner (upp till ~ 95%) i malmer och industriavfall.
Globala efterfrågan ökar på ett sätt att noggrant och snabbt upptäcka, selektivt känna igen, och återhämta Pd (II), Au (III), och Co (II) joner från elektronikskrot och LIB lösningar. För att lösa detta problem, vagn-wheel-formade, optiska MSAs för kemiska upptäckt / borttagning / utvinning och återvinning av dessa metalljoner utvecklades.
Vid utformningen av MSA, var två viktiga faktorer beaktas på följande sätt: (1) receptorer och (2) immobilisering / transducerande ställningar. Receptorer är organiska ligander som ansvarar för selektiviteten hos MSA; ställningar ansvarar för stabiliteten, återanvändning och känslighet MSA. På grund av sina höggradigt likformiga kanaler, stora ytareor, porstorleksfördelning och styrbar vagn-hjulkonstruktion, som vanligen är associerad med [111] projektionen av den kubiska bikontinuerlig ytmorfologin (fig 1 och 2), MSA-baserade vagn hjul Ia 3 dmesostructure material ställningar tillgänglig kontroll över de potentiella krav på denna detektering / borttagning / extraktion och återvinning metod som följer: (1) stabilitet av ligand-inbakning HOM fast substans (dvs, ingen urlakning av liganderna vid tvättning), (2) avkännande tillstånd analyser, och (3) kemisk behandlingsförhållanden under regenererings / återanvändning cykler (dvs efter åtta cykler); hög täckning och spridning ligand-ytan; mekanisk robusthet; och effektiv återvinning bearbetbarhet från stads gruva.
För att tillverka den stabila och robusta MSAs design, monofunctionalization av vagnshjul inre porytan eller successiv inkludering av olika ligander (dvs., L1, L2 och L3, fig 3-5) i HOM ställningar kan uppnås genom tryckassisterad samkondensation; den höggradiga hybrider MSA-1 och MSA-3 erhölls med användning av L1 och L3, respektive. Kontrollerad utformning av MSA-2 baserades på finjusteras yta mönstring of de mesoskopiska vagn hjul byggnadsställningar arkitekturer. Detta åstadkoms genom att använda en dispergerbar aktivt medel (DDAB) som ledde till den täta utsmyckningen av L2 signalcentra inne i vagnhjul pore håligheter. Med dessa MSA motiv kan metalljoner samverka med organiska delar av icke-kovalent bindning (t.ex., vätebindning), metallkoordinations, hydrofoba krafter, van der Waals krafter, π-Tt interaktioner och elektrostatiska och / eller elektromagnetisk påverkan (figurerna 3-5 ). I sensor analyser kan nanoengineered MSAs utlösas av ett mål Pd (II), Au (III), eller Co (II) jontyper och omvandla mätbara optiska signaler enligt synergistisk pH, reaktionstemperatur, och kontakttiden (svarstid) förhållanden, vilket möjliggör bindningen av metaller till en hydrofob eller hydrofil ligand ficka som skall efterliknas. Den utvecklade MSAs inte bara bort Pd (II), Au (III), och Co (II) joner från komplexa miljömatriser men också ett medel för en enkel visuellkolorimetrisk uppskattning av metalljonkoncentrationen; UV-vis-reflektansspektroskopi känsligt kvantifieras metalljonkoncentrationen över ett brett område av koncentrations (figurerna 3-6). Sålunda MSAs tillhandahålla en enkel och känslig kolorimetrisk-baserad lösning för att detektera förändringar över ett brett område av metall jonkoncentrationer, liksom ett organ för den känsliga kvantifiering av målet joner, varigenom man undviker behovet av sofistikerade instrument. Även med ultralåga koncentrationer (≤0.19 xg / L), framträdde en signaländring i reflektionsfaktorspektra av sensorerna under bildandet av komplexen (fig 1).
I satsanalys / borttagning / utsugssystem, är en stor fördel med vagnshjulformad MSAs deras selektivitet mot målgruppjoner och därmed förhindra hinder från att störa konkurrerande joner. Figur 6 bekräftade selektivt avlägsnande och effektiv övervakning av Pd (II), au (III) och Co (II) joner genomde optiska MSA. Den försumbara förändring i reflektions signalerna från MSAs i närvaro av konkurrerande joner indikerade att svaga kelat bildades mellan konkurrerande metaller och L1, L2 och L3, speciellt vid pH 2, 7, och 5,2, respektive. Selektiviteten hos MSA kan tillskrivas bildningen av mycket stabila oktaedrisk [PD- (L1) 2], fyrkantiga plana [au- (L2)], och oktaedrisk [CO- (L3) 2] komplexen.
För att bedöma kostnadseffektiviteten, återvinning och hållbarhet vagnhjulformade MSAs efter upprepade regenere / återanvändning cykler undersöktes. Figur 8 visar att MSA behöll en hög verkningsgrad för detektering / borttagning / utvinning av Pd (II), Au ( III), och Co (II) joner under upprepade regenerering / återanvändning cykler, även om den totala effektiviteten minskat något efter den sjätte regenere / återanvändning cykel. Stabiliteten hos den kubiska la 3 d mesostructure och införlivandet av L1, L2, och L3 in i ellerNyckeltal SAS Aviation Services vagn-wheel-formade porer (inducerade av en stark H-bindning och dispersiva interaktioner) spelar viktiga roller för att upprätthålla funktionaliteten i jon-avkänning / capture-system genom flera regeneration / återanvändning cykler (se figur 7).
Återställa Pd (II), Au (III), och Co (II) joner från stads gruvan kan bidra till att begränsa de miljöskador i samband med gruvdrift dessa metaller, i synnerhet när det gäller påverkan på mark och klimat. Använda riktiga urbana gruvprover, har resultaten visat att MSA beskrivs häri selektivt kan återhämta Pd och Au från e-avfall, och Co från kasserade libs (tabell 1 & Figure 9), men praktiskt, skalbar process fortfarande utmaning för framtiden tillämplighet av återvinningsmetall från stads gruva.
På grundval av den föreslagna hanteringsprotokoll, två nyckelkomponenter spelar viktiga roller i den förbättrade metalljonen tillgänglighet, adsorptionskapacitetOch återhämtning under de heterogena processer. Först de stora surface-to-volym förhållanden och öppna cylindriska porerna i vagnshjul kubiska Ia 3 d mesostructures (MSAs) främja orienterings ligand enheten (vilket framgår av den flexibla interaktionen av Pd (II), Au (III), och Co (II) -joner med L1, L2 och L3 och den höga affiniteten hos metall-mot-ligandbindande händelser) (Figurerna 3-5). För det andra, de selektiva adsorptions / detektions / extraktionsförfaranden huvudsakligen beror på strukturen av kelatbildare, de experimentella betingelser (särskilt Ph), sammansättningen av jonen systemet, metalljonkomplexen koncentrationer och metall-mot-ligandbindande händelser. Även om detta protokoll visar betydande framsteg i kvalitet och effektivitet av återvinningsmetoder, ytterligare ansträngningar krävs, så att de kan användas i andra krävande tillämpning av miljöavfall, där de berikade med höga doser av aktivt konkurrenskraftiga metaller såsom Cu (II), Fe (III) ettd Ni (II) joner.
Sammanfattningsvis har effektiva och kostnadseffektiva, vagn-hjulformade MSAs utvecklad för återvinning av palladium, guld och kobolt metaller från den urbana gruvan. Resultaten visar att MSAs kommer att vara användbart för att ge en rutt till en hållbar försörjning av guld, palladium och kobolt för att möta behoven i det moderna samhället.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik och miljöministeriet, Japans regering.
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 |
3-(N-Morpholino)propanesulfonic acid (MOPS) | Tokyo Chemical Industry Con, LTD (TCI) | CAS Number:1132-61-2, Product Number M0707 | Linear Formula C7H15NO4S, M1254-250G, Molecular Weight 209.26 |
2-(cyclohexylamino) ethane sulfonic acid (CHES) | Tokyo Chemical Industry Con, LTD (TCI) | CAS Number:103-47-9, Product Number C0920 | Linear Formula C8H17NO3S, Molecular Weight 207.29 |
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 0.1o and 6.5o 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 = 0.1–6.5o with step size of 0.02o. 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 (15o, 30o and 45o). | |
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 oK. 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 100oC for 8 h 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 |