På grunn av viktigheten og utstrakt bruk av palladium, gull og kobolt metaller i høyteknologisk utstyr, deres gjenvinning og resirkulering utgjør en viktig industriell utfordring. Metallet recovery system beskrevet her er en enkel, billig betyr for effektiv deteksjon, fjerning og gjenvinning av disse metallene fra den urbane mine.
Utvikling av lave kostnader, effektive prosesser for gjenvinning og resirkulering palladium, gull og kobolt metaller fra urban gruven er fortsatt en betydelig utfordring i industrialiserte land. Her har utviklingen av optiske mesosensors / adsorbenter (MSAS) for effektiv gjenkjennelse og selektiv gjenvinning av Pd (II), Au (III), og Co (II) fra urbane min ble oppnådd. En enkel, generell metode for fremstilling MSAS basert på ved hjelp av høy ordre mesoporøse monolittiske stillaser ble beskrevet. Hierarkiske kubikk Ia tre dager vogn-wheel-formet MSAS ble fabrikkert av forankrings chelateringsmidler (fargestoffer) til tredimensjonale porene og micrometric partikkel overflater av mesoporøse monolittiske stillaser. Resultater viser for første gang, bevis på kontrollert optisk gjenkjenning av Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner og et svært selektivt system for gjenvinning av Pd (II) -ioner (opp til ~ 95%) i malm og industriavfall. Videre er de kontrollerte vurderingsprosesser som er beskrevet sinein involverer evaluering av iboende egenskaper (f.eks visuell endring signal, langsiktig stabilitet, absorpsjon effektivitet, ekstraordinær følsomhet, selektivitet, og Gjenbruk); dermed blir dyre, avanserte instrumenter ikke nødvendig. Resultatene viser bevis på at MSAS vil tiltrekke seg oppmerksomhet over hele verden som en lovende teknologiske midler for å utvinne og gjenvinning palladium, gull og kobolt metaller.
Drivkrefter for den blomstrende bruk av platina gruppe metaller (PGM) er deres ekstraordinære og noen ganger eksklusive egenskaper, som gjør dem viktige komponenter i et bredt spekter av applikasjoner. PGMs kan spille en rolle i å bygge et bærekraftig samfunn, og disse materialene er brukt i en rekke moderne programmer og produkter: kjemisk prosess katalyse, automotive utslipp kontroll, informasjonsteknologi, forbrukerelektronikk, fine smykker, utarbeidelse av dentale materialer, photovoltaic brenselceller og lithium ion-batterier (LIB) 1-10. I løpet av det siste århundret, har verdensomspennende økonomiske endringer blitt drevet av bruk av PGMs. På grunn av viktigheten av PGMs i ren teknologi og høyteknologisk utstyr, har bruken av PGMs økt dramatisk i det moderne samfunn. På grunn av sterk økning i bruken av PGMs, spesielt i produksjon av elektronisk utstyr, har opphopning av elektronisk avfall (e-avfall) førte til environmental utfordringer og bekymringer. Videre har den siste økningen i råvareprisene generert en ny interesse for utvinning av e-avfall 1-4.
E-avfall inneholder både farlige materialer og verdifulle palladium, gull og kobolt metaller. Hvis kastes e-avfall på søppelfyllinger eller ikke behandles på en miljømessig forsvarlig måte, kan de utgjøre en høy risiko for miljøskade. Palladium, gull og kobolt metaller i e-avfall er en bærekraftig og "grønn" sekundær ressurs av slike metaller 5-10. Derfor effektive prosesser for å utvinne palladium, gull og kobolt metaller fra e-avfall er et presserende behov.
Fremtidige fremskritt i mange teknologiske felt vil kreve kontroll av primærmetallressurser. På grunn av den økende betydningen av palladium, gull og kobolt metaller i industrielle applikasjoner og løsninger på miljøproblemene 11-13, utviklings adsorpsjon / extraction teknikker for anerkjennelse og utvinning av slike metaller har blitt en topp prioritet.
De viktigste edle metaller som brukes i elektronikk er sølv, gull, palladium, platina, og små mengder av rhodium 4-8. Gjenopprette palladium og gull har blitt avgjørende på grunn av sin unike kombinasjon av egenskaper i et bredt spekter av industrielle applikasjoner, økonomisk verdi, og sjelden. Markedsmekanismene har vært innflytelsesrike i å øke satsene for innsamling og gjenvinning av kretskort av utdaterte PC-er, TV-er, mobiltelefoner og andre elektroniske enheter. Masseproduserte forbruker komponenter, slik som datamaskin hovedkort, inneholder ca. 80 g Pd og 300 g Au per tonn av e-avfall; de tilsvarende beløp for mobil telefoner er 130 g Pd og 200 g Au per tonn e-avfall 5-10. Dette urbane gruve inneholder enorme mengder av disse metaller (ved sammenligning, Au og Pd er til stede i svært lave konsentrasjoner i bergarter (~ 4 ng / g), jord (1 ng / g), sjøvann (0,05 ug / l), og elvevann (0,2 ug / l) 14-16). For å sikre en kontinuerlig og pålitelig forsyning av palladium, gull og kobolt metaller for fremtidige teknologiske nyvinninger og nye elektroniske utstyr, er det viktig å utvikle en effektiv og rimelig teknologi for resirkulering av edle metaller fra e-avfall. Slik teknologi kan tjene som forsikring mot en fremtidig knappe tilgangen på sjeldne jord malm, som er anslått til å være en mangelvare, eller utmattet, innen 100 år.
Et element, for eksempel kobolt har en viktig input til nesten alle av de elektrokjemiske energilagringsceller, slik som LIBS 17-19. På grunn av den raske veksten av informasjonsteknologi og et bredt spekter utnyttelse av libs, utgivelsen av libs som e-avfall utforsket en ny miljøutfordring 18-20. Derfor kan håndtere disse avfall med forsiktighet ved å utvinne disse ressursene åpne en ny vei imiljø og industrielle applikasjoner.
Flere kraftige og godt etablerte metoder og analytiske teknikker har blitt brukt til å diskriminere og kvantifisere Au (III), Pd (II), og Co (II) i naturlig malm og industriavfall, inkludert flamme og karbon ovn atomabsorpsjonsspektrometri, ultrafiolett synlig (UV-vis) spektrofotometri, nøytronaktivering analyse, og induktivt koplet plasma massespektrometri 14-16,21-27. Til tross for sin allsidighet og voksende popularitet, disse analytiske teknikker lider mange svakheter. For eksempel, de vanligvis krever nøye planlegging og testing, involvere mange prøveopparbeidelse skritt for å minimere interferens fra prøven matrise, krever avansert instrumentering og veltrente personer, og må utføres under strenge eksperimentelle forhold 17,21. Videre er alle disse analytiske teknikker innlemme pre-konsentrasjons- og separasjonstrinn, slik som løsningsmiddel extraction, samutfelling, ionebytting, og adsorpsjon, til pre-konsentrere target metallioner fra matrikskomponenter før sin vilje 20-27. Videre er hydrometallurgi og pyrometallurgi teknikker som vanligvis anvendes i papirindustrien i kjeden 19-22. Derfor, for å utvikle effektive, kostnadseffektive og enkle å bruke analysemetoder gjenopprette palladium, gull og kobolt metaller fra naturlig malm og industriavfall er viktig både for miljøvern og i industrisektoren 11-13.
Nye teknologier kan tilby nye tilnærminger til kjemisk analyse og utvinning av metaller fra naturlige malm og industriavfall. Nyere fremskritt har blitt gjort i å redusere kostnadene og forkorte tiden for å fremstille optiske kjemiske nanosensorer / adsorpsjonsmidler; Imidlertid er optiske adsorbenter fortsatt brukes for spesifikk virkelige verden sensing, ekstraksjon og utvinning programmer for et vidt område av metaller 28-36. Nylig forskning har fokusert på å skreddersy spesifikke solide mesoporøse bautasteiner til bruk som svært følsomme sensorer for det enkle og samtidig blotte øye oppdagelse og fjerning av giftige og edle metallioner, for eksempel kvikksølv og gull ioner, fra vannprøver 28-32. Her, en fremgangsmåte for selektiv detektering og effektivt gjenvinne Au (III) og Pd (II) fra urbane min ble rapportert; i tillegg kan fremgangsmåten anvendes for utvinning av Co (II) -ioner fra LIBS. Gjenvinning metaller ved denne prosess ikke bare skal tjene som en sekundær kilde av Au (III), Pd (II) og Co (II) ioner, men også redusere miljøforurensning. Protokoll design av vognhjulformet MSAS viser for første gang, bevis på kontrollert optisk gjenkjenning av Au (III), Pd (II) og Co (II) -ioner, og en meget selektiv system for gjenvinning av Pd ( II) -ioner (opp til ~ 95%) i malmer og industriavfall.
Verdensomspennende behov er økende for et middel til nøyaktig og hurtig å oppdage, selektivt å gjenkjenne, og gjenvinne Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner fra elektronisk skrap og LIB løsninger. For å løse dette problemet, vogn-wheel-formet, optiske MSAS for kjemisk påvisning / fjerning / utvinning og utvinning av disse metallioner ble utviklet.
I utformingen av MSAS, ble to viktige faktorer vurderes som følger: (1) reseptorer og (2) immobilisering / transduse stillaser. Reseptorer er organiske ligander som er ansvarlige for selektiviteten av MSAS; stillasene er ansvarlig for stabilitet, gjenbruk, og følsomheten for MSAS. På grunn av deres meget jevne kanaler, store overflatearealer, porestørrelsesfordeling, og styrbare vognhjul struktur, noe som er vanligvis forbundet med [111] projeksjon av den kubiske bikontinuerlig overflatemorfologi (figur 1 og 2), MSA-baserte vogn hjulet Ia 3 dmesostructure material stillaser tilgjengelig kontroll over de potensielle kravene fra denne deteksjon / fjerning / ekstraksjon og gjenvinning av metoden som følger: (1) stabilitet av ligand-innebygging HOM faststoff (dvs. ingen utlekking av ligandene ved vasking), (2) avføling av tilstanden analyser, og (3) kjemisk behandling forholdene under restitusjon / gjenbruk sykluser (dvs. etter åtte sykluser); høy ligand-overflaten dekning og spredning; mekanisk robusthet; og effektiv utvinning prosesserbarhet fra urbane mine.
For å fremstille stabile og robuste MSAS design, monofunctionalization av vognen hjulet indre poreoverflate eller suksessiv inkludering av forskjellige ligander (dvs., L1, L2, og L3, figurene 3-5) inn i HOM stillasene kan oppnås ved hjelp av trykk-assistert co-kondens; de høyereordens hybrider MSA-1 og MSA-3 ble oppnådd ved bruk av L1 og L3, respektivt. Kontrollert design av MSA-2 var basert på finjustert overflaten mønster of mesoskopisk vognhjul stillas arkitekturer. Dette ble gjort ved hjelp av en dispersible aktivt middel (DDAB) som førte til den tette dekorasjon av L2 signalsentre inne i vognhjul pore hulrom. Med disse MSA utførelser, kan metallioner samvirke med organiske grupper av ikke-kovalent binding (for eksempel, hydrogen-binding) av metall koordinering, hydrofobe krefter, van der Waals krefter, π-rc interaksjoner, og elektrostatiske og / eller elektromagnetiske effekter (figurene 3-5 ). I føler assays, kan nanoengineered MSAS utløses av en target Pd (II), Au (III), eller Co (II) ion-arter, og transdusere målbare optiske signaler i henhold til synergistisk pH, reaksjonstemperatur, og kontakttiden (responstid) betingelser, muliggjør bindingen av metallene i en hydrofob eller hydrofil ligand lommen for å bli etterlignet. Den utviklede MSAS ikke bare fjernet Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner fra komplekse miljø matriser, men også tilveiebrakt en anordning for en enkel visuellkolorimetrisk estimat av metallion-konsentrasjon; UV-vis spektroskopi følsomt kvantifisert metall-ion-konsentrasjon over et vidt område av konsentrasjon (figurene 3-6). Således MSAS tilveiebringe en enkel og sensitiv kolobasert løsning for å påvise endringer over et bredt spekter av metall-ion-konsentrasjoner, så vel som et middel for kvantifisering av sensitive mål-ioner, for derved å unngå behovet for avanserte instrumenter. Selv ved ultraspor konsentrasjoner (≤0.19 ug / L), en signalendring i refleksjonsspektrene av følerne vist under dannelse av kompleksene (figur 1).
I batch sensing / fjerning / utvinning systemer, er en stor fordel av vognen-wheel-formet MSAS deres selektivitet mot målet ioner, og dermed hindre hindring fra å forstyrre konkurrerende ioner. Figur 6 bekreftet selektiv fjerning og effektiv overvåking av Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner vedde optiske MSAS. Den ubetydelig forandring i refleksjonssignalene for MSAS i nærvær av konkurrerende ioner indikerte at svake chelatene ble dannet mellom konkurrerende metaller og L1, L2, og L3, spesielt ved pH 2, 7 og 5,2, respektivt. Selektiviteten av MSAS kan tilskrives dannelse av svært stabil octahedral [Pd- (L1) 2], firkant-planar [Au- (L2)], og octahedral [Co- (L3) 2] komplekser.
For å bedømme kostnadseffektivitet, resirkulering og holdbarhet av vogn-hjulformede MSAS etter gjentatte restitusjon / gjenbruk sykluser ble undersøkt. Figur 8 viser at MSAS beholdt en høy effektivitet for deteksjon / fjerning / utvinning av Pd (II), Au ( III), og Co (II) ioner i løpet av gjentatt regenerering / gjenbruk sykluser, selv om den totale effektiviteten sank litt etter den sjette regenerering / gjenbruk syklus. Stabiliteten av den kubiske Ia 3 d mesostructure og inkorporering av L1, L2, L3 og inn i den ellermyrdet vogn-wheel-formet porer (indusert av sterk H-binding og spredt interaksjoner) spiller viktige roller i å opprettholde funksjonaliteten til ion-sensing / fangst gjennom flere regenerering / gjenbruk sykluser (se figur 7).
Utvinning av Pd (II), Au (III), og Co (II) ioner fra urbane gruven kan bidra til å begrense miljøskader i forbindelse med gruvedrift disse metaller, særlig med hensyn til virkningen på land og klima. Bruke ekte urbane gruve prøver, har resultatene vist at MSAS beskrevet her kan selektivt gjenopprette Pd og Au fra e-avfall, og Co fra kasserte libs (Tabell 1 og figur 9), men praktisk, skalerbar prosessen fortsatt utfordring for fremtiden anvendbarhet av metallgjenvinning fra urban min.
På basis av den foreslåtte administrasjonsprotokollen, to viktige komponenter spiller viktige roller i den forbedrede metallionet tilgjengelighet, adsorpsjonskapasitetOg utvinning i de heterogene prosesser. Først de store bakke-til-volum-forhold og åpne sylindriske porene i vogn hjulet kubikk Ia tre dager mesostructures (MSAS) fremme orienterings ligand enheten (som gjenspeiles av den fleksible samspillet mellom Pd (II), Au (III), og Co (II) -ioner med L1, L2, og L3 og den høye affinitet av metall-til-ligand-bindingsbegivenheter) (figurene 3-5). For det andre, den selektive adsorpsjon / deteksjons / ekstraksjonsprosesser hovedsakelig avhenger av strukturen av det chelaterende middel, forsøksbetingelsene (særlig Ph), sammensetningen av det ion system, metall ion-konsentrasjoner, og metall-til-ligand-bindingsbegivenheter. Selv om denne protokollen viser betydelig fremgang i kvaliteten og effektiviteten av utvinningsmetoder, er ytterligere innsats, slik at de kan brukes i andre krevende anvendelse av miljø avfall, hvor de anrikes med høye doser av aktivt konkurransedyktige metaller som Cu (II), Fe (III) etd Ni (II) -ioner.
I konklusjonen, er effektive, kostnadseffektive, vogn-hjulformede MSAS utviklet for å utvinne palladium, gull og kobolt metaller fra det urbane mine. Resultatene viser bevis for at MSAS vil være nyttig for å gi en rute til en bærekraftig tilførsel av gull, palladium og kobolt for å møte behovene til moderne samfunn.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av departementet for utdanning, kultur, sport, vitenskap og teknologi og Miljøverndepartementet, regjeringen i Japan.
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 |