Development of novel hybrid adsorbents for recovery of rare earth elements from mining effluents
Puhakka, Ville (2017)
Diplomityö
Puhakka, Ville
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201709288801
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201709288801
Tiivistelmä
The main objective of the thesis was to develop novel hybrid adsorbents for the recovery of rare earth elements (REEs) from acidic mine waters. Three different groups of adsorbents, based on different combinations of backbone materials (silica-chitosan, carbon nanotubes-silica, and activated carbon-silica) were synthesized in this work. 3-aminopropyl-triethoxy-silane (APTES) and trimethoxy-methyl-silane (MTM) were utilized as coupling agents for the fabrication of chemically immobilized silica-based adsorbents whereas 1-(2-Pyridylazo)-2-naphthol (PAN) and acetylacetone (AcAc) were used for ligand modifications. The potential of these hybrid adsorbents was studied in a single component system, whole REE-series, and REE spiked real AMD (acid mine drainage) in terms of REE recovery. Among these materials, silicachitosan hybrid gel beads proved to be the most efficient adsorbents for REE recovery from AMD as they were capable of removing an entire group of REEs almost instantly, from a solution containing significantly higher amounts of competing ions. Hence, the studies revealed that the hybrid gel beads could serve as a promising option for REE recovery applications from acidic mine waters. It was also found that the ligand modification and surface functionalization step enhanced the selectivity of adsorbents towards REEs. Moreover, 85-95 % recovery of REEs was successfully achieved with all the synthesized adsorbents when 1M HNO3 was used for a desorption period of 5-15 minutes. Additionally, selective scandium recovery from common industrial impurities was assessed with physically adsorbed and chemically immobilized silica gels and a strategy to selectively separate scandium in the presence of iron (Fe3+), aluminum (Al3+) and gold (Au3+) was developed. Tämän opinnäytetyön pääasiallisena tavoitteena oli uusien hybridi-adsorbenttien kehittäminen harvinaisten maametallien (REE, rare earth elements) talteen ottamiseksi happamista kaivosvesistä. Tutkimuksessa vertailtiin kolmea eri materiaalien yhdistelmää adsorbenttien perustana (silika-kitosaani, hiilinanoputki-silika ja aktiivihiili-silika). Silikapohjaisten adsorbenttien kemialliseen sitomiseen käytettiin 3-aminopropyyli-trietoksi-silaania (APTES) ja trimetoksi-metyyli-silaania (MTM), kun taas adsorbenttien kelatointiin käytettiin pyridyyli-atso-naftolia (PAN) ja asetyyliasetonia (AcAc). Uusien hybridi-adsorbenttien potentiaalia tutkittiin yhden komponentin liuoksissa, koko REE-sarjalla ja happamalla kaivosvedellä, johon oli lisätty harvinaisia maametalleja. Silika-kitosaani -geelihelmet osoittautuvat tehokkaimmiksi adsorbenteiksi harvinaisten maametallien talteen ottamiseen tutkitusta kaivosvedestä. Nämä adsorbentit pystyivät poistamaan lähes välittömästi koko REE-sarjan metallit huomattavasti korkeampia pitoisuuksia kilpailevia ioneja sisältävästä kaivosvedestä. Tutkimuksen perusteella hybridi-geelihelmet vaikuttavat lupaavalta ratkaisulta harvinaisten maametallien talteen ottamiseksi happamista kaivosvesistä. Kemiallinen muokkaus yllä mainituilla yhdisteillä lisäsi adsorbenttien selektiivisyyttä harvinaisia maametalleja kohtaan. 85-95 % adsorboiduista maametalleista pystyttiin poistamaan adsorbentin pinnalta 5-15 minuutin (1M) typpihappo-uutolla. Lisäksi työssä tutkittiin skandiumin selektiivistä adsorptiota yleisiä kaivosvesissä esiintyviä kilpailevia ioneja sisältävistä liuoksista fysikaalisesti muokatuilla ja kemiallisesti sidotuilla silikageeli-adsorbenteilla. Tulosten perusteella kehitettiin suunnitelma selektiiviseen skandiumin talteenottoon rautaa (Fe3+), kultaa (Au3+) ja alumiinia (Al3+) sisältävistä liuoksista.