Chemical recycling of magnetic tape
Pöntynen, Simo (2019)
Diplomityö
2019
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Tiivistelmä
This work aimed to study a recycling path for magnetic tapes. Magnetic tapes at the time of writing have no recycling processes and end up in dump despite their massive volumes.
In the literature review composition of magnetic tapes was studied and possible recycling solutions for the two main layers; plastic and metal pigment layers were proposed. It was concluded that the plastic layer consisting mainly of polyethylene terephthalate (PET) a hydrolysis process, a common plastic bottle recycling process, done in alkaline conditions was the most suitable for magnetic tapes. For the remaining metallic pigment, it was suggested that while the pigment mainly consist of iron a selective cobalt leaching could be possible by using nitric acid. Finally, a block diagram overlying the whole process was produced.
In the experimental part experiments were done on the unit processes described in the literature review. PET was easily depolymerized under relatively mild conditions of 175 and even 150 oC with 7 bars of pressure. The limiting condition for reaction rate was found to be the alkaline concentration where when NaOH concentration was set to 0.1 M the tape did not completely depolymerize but at 0.25 M and above depolymerization was complete.
After depolymerization a dark grey powder containing metals was collected. From the powder, 55 m-% of the powder was leached as iron and 3 m-% as cobalt into 1 or 3 M sulphuric acid within 30 minutes. The leaching was continued for 24 hours and therefore it was assumed to be in balance with iron concentration of 5,5 g/L and cobalt concentration 0,31 g/L. Selectivity for cobalt was achieved using 1 M nitric acid where after iron was precipitated as iron nitrate, iron concentration was reduced to 0,24 g/L.
The leaching solutions were subjected to electrolysis. When solution pH was below 5 and temperature at around 0 oC no metals were recovered. When pH was risen to 5 or above and temperature kept at below room temperatures, cobalt was recovered. When temperature was risen to 40 oC and pH to 5 or above iron was recovered instead of cobalt. Työn tarkoituksena oli tutkia magneettinauhojen kierrätysmahdollisuuksia. Tällä hetkellä lukematon määrä magneettinauhoja päätyy kaatopaikoille.
Kirjallisuusosuudessa pyrittiin löytämään kierrätystapa magneettinauhan kahdelle tärkeimmälle osalle; muoviselle pintakerrokselle ja metallipigmentille. Kirjallisuuden perusteella muovikerrokselle, joka koostuu polyetyleeniterefalaatista, sopivimmaksi osoittautui muovipullojen kierrätystekniikka; hydrolyysi emäsliuoksessa. Metallipigmentille, joka sisältää suurimmaksi osaksi rautaa, mutta myös kobolttia, soveltuvimmaksi menetelmäksi voitiin ehdottaa typpihappoliuotusta, joka on koboltille selektiivinen. Kirjallisuusosan lopuksi prosessista piirrettiin lohkokaavio.
Kokeellisessa osuudessa testattiin kirjallisuudesta löytyneitä prosesseja. Muovikerroksen polymeeri hajosi monomeereiksi helposti suhteellisen alhaisissakin lämpötiloissa; 170 ja 150 oC ja 7 barin paineessa. Reaktion nopeutta rajoittavaksi tekijäksi todettiin emäksenä käytetyn NaOH:n konsentraatio, minkä pitoisuuden ollessa 0,1 M, reaktio ei tapahtunut loppuun, mutta pitoisuuden ollessa 0,25 M tai enemmän samoissa olosuhteissa depolymerisaatio oli täydellistä.
Depolymerisaation jälkeen metallipigmentti kerättiin harmaana jauheena. Jauheen massasta 55% saatiin liukenemaan rautana ja 3% kobolttina, 1 tai 3 M rikkihappoon 30 minuutin aikana. Liuotusta jatkettiin 24h, jolloin systeemin oletettiin päässeen tasapainoon liuoksen konsentraation ollessa raudalle 5,5 g/L ja koboltille 0,3 g/L . Koboltille selektiivinen liuotus saatiin aikaiseksi käyttämällä 1 M typpihappoa, jolloin suuri osa raudasta saostui rautanitraatiksi, jättäen raudan konsentraatioksi 0,24 g/L .
Elektrolyysi suoritettiin liuotuksessa saaduille metalliliuoksille. Liuoksen pH:n ollessa alle 5, metallien talteenotto ei tuottanut tulosta. Kun liuoksen pH nostettiin arvoon 5 tai sen yli ja lämpötila pidettiin alle numerona vaan, kobolttia saatiin pelkistymään. Kun liuoksen pH oli 5 tai yli ja liuoksen lämpötilaa nostettiin 40 oC:een rautaa pelkistyi koboltin sijaan.
In the literature review composition of magnetic tapes was studied and possible recycling solutions for the two main layers; plastic and metal pigment layers were proposed. It was concluded that the plastic layer consisting mainly of polyethylene terephthalate (PET) a hydrolysis process, a common plastic bottle recycling process, done in alkaline conditions was the most suitable for magnetic tapes. For the remaining metallic pigment, it was suggested that while the pigment mainly consist of iron a selective cobalt leaching could be possible by using nitric acid. Finally, a block diagram overlying the whole process was produced.
In the experimental part experiments were done on the unit processes described in the literature review. PET was easily depolymerized under relatively mild conditions of 175 and even 150 oC with 7 bars of pressure. The limiting condition for reaction rate was found to be the alkaline concentration where when NaOH concentration was set to 0.1 M the tape did not completely depolymerize but at 0.25 M and above depolymerization was complete.
After depolymerization a dark grey powder containing metals was collected. From the powder, 55 m-% of the powder was leached as iron and 3 m-% as cobalt into 1 or 3 M sulphuric acid within 30 minutes. The leaching was continued for 24 hours and therefore it was assumed to be in balance with iron concentration of 5,5 g/L and cobalt concentration 0,31 g/L. Selectivity for cobalt was achieved using 1 M nitric acid where after iron was precipitated as iron nitrate, iron concentration was reduced to 0,24 g/L.
The leaching solutions were subjected to electrolysis. When solution pH was below 5 and temperature at around 0 oC no metals were recovered. When pH was risen to 5 or above and temperature kept at below room temperatures, cobalt was recovered. When temperature was risen to 40 oC and pH to 5 or above iron was recovered instead of cobalt.
Kirjallisuusosuudessa pyrittiin löytämään kierrätystapa magneettinauhan kahdelle tärkeimmälle osalle; muoviselle pintakerrokselle ja metallipigmentille. Kirjallisuuden perusteella muovikerrokselle, joka koostuu polyetyleeniterefalaatista, sopivimmaksi osoittautui muovipullojen kierrätystekniikka; hydrolyysi emäsliuoksessa. Metallipigmentille, joka sisältää suurimmaksi osaksi rautaa, mutta myös kobolttia, soveltuvimmaksi menetelmäksi voitiin ehdottaa typpihappoliuotusta, joka on koboltille selektiivinen. Kirjallisuusosan lopuksi prosessista piirrettiin lohkokaavio.
Kokeellisessa osuudessa testattiin kirjallisuudesta löytyneitä prosesseja. Muovikerroksen polymeeri hajosi monomeereiksi helposti suhteellisen alhaisissakin lämpötiloissa; 170 ja 150 oC ja 7 barin paineessa. Reaktion nopeutta rajoittavaksi tekijäksi todettiin emäksenä käytetyn NaOH:n konsentraatio, minkä pitoisuuden ollessa 0,1 M, reaktio ei tapahtunut loppuun, mutta pitoisuuden ollessa 0,25 M tai enemmän samoissa olosuhteissa depolymerisaatio oli täydellistä.
Depolymerisaation jälkeen metallipigmentti kerättiin harmaana jauheena. Jauheen massasta 55% saatiin liukenemaan rautana ja 3% kobolttina, 1 tai 3 M rikkihappoon 30 minuutin aikana. Liuotusta jatkettiin 24h, jolloin systeemin oletettiin päässeen tasapainoon liuoksen konsentraation ollessa raudalle 5,5 g/L ja koboltille 0,3 g/L . Koboltille selektiivinen liuotus saatiin aikaiseksi käyttämällä 1 M typpihappoa, jolloin suuri osa raudasta saostui rautanitraatiksi, jättäen raudan konsentraatioksi 0,24 g/L .
Elektrolyysi suoritettiin liuotuksessa saaduille metalliliuoksille. Liuoksen pH:n ollessa alle 5, metallien talteenotto ei tuottanut tulosta. Kun liuoksen pH nostettiin arvoon 5 tai sen yli ja lämpötila pidettiin alle numerona vaan, kobolttia saatiin pelkistymään. Kun liuoksen pH oli 5 tai yli ja liuoksen lämpötilaa nostettiin 40 oC:een rautaa pelkistyi koboltin sijaan.