Use of complex-formation method in a selective metal separation

Abstract

The goal of this bachelor thesis is to study bio-based complexing agents and their selectivity towards metals. Feasibility of combination of metal-complexation with other separation methods is studied. A comparison with currently used complexing agents like EDTA is also provided. Selectivity, stability, cost-effectiveness, sustainability and availability of different complexing agents is discussed.

As a rule, metal-containing streams, such as ore leachates or a spent battery waste leachates are multicomponent. Variety of industrial effluents are usually mixtures of variety of metal ions that may cause severe environmental and human health risks. In addition, fast development in technology causes an ever-increasing demand for variety of critical metals. However, this surge in demand is leading to supply challenges due to their limited availability. Therefore, there is a need for a selective, sustainable and cost-effective separation of mixture into single metal streams.

For example, poor selectivity is a significant drawback of current separation methods. The complex-formation of biomolecules with metals is widely known in biochemistry: iron is forming complex with protein in a hemoglobin structure, enzymatic reactions inside cells require the presence of co-factors (metals), vitamin B12 consists of cobalt-containing complex. This thesis suggests that, in theory, these molecules have potential as an alternative for separation methods and complexing agents in industrial use today. More research is needed to examine their selectivity and scalability to real industrial applications in order to unlock their full potential.

Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tutkia biopohjaisia kompleksinmuodostajia ja niiden selektiivisyyttä metalleja kohtaan. Työssä tarkastellaan myös kompleksinmuodostuksen ja muiden erotusmenetelmien yhdistämisen mahdollisuutta. Työssä tehdään myös vertailu nykyisin käytettyihin kompleksinmuodostajiin, kuten EDTA:han. Lisäksi eri kompleksinmuodostajien selektiivisyyttä, stabiiliuutta, kustannustehokkuutta, kestävyyttä ja saatavuutta käsitellään.

Metalleja sisältävät sivu- ja jätevirrat ovat yleensä monikomponenttisia. Erilaiset teollisuuden jätevedet ovat yleensä sekoituksia monista metalli-ioneista, jotka voivat aiheuttaa vakavia ympäristö- ja terveysriskejä. Lisäksi teknologian nopea kehitys aiheuttaa jatkuvasti kasvavaa kysyntää monille kriittisille metalleille. Tämä kysynnän kasvu johtaa kuitenkin saatavuushaasteisiin niiden rajallisen saatavuuden vuoksi. Siksi tarvitaankin selektiivisiä, kestäviä ja kustannustehokkaita menetelmiä seosten erottamiseksi yksittäisiksi metalleiksi.

Esimerkiksi huono selektiivisyys on merkittävä haittapuoli nykyisissä erotusmenetelmissä. Biomolekyylien kompleksinmuodostus metallien kanssa on laajalti tunnettu biokemiassa: rauta muodostaa kompleksin proteiinin kanssa hemoglobiinirakenteessa, solujen sisäiset entsymaattiset reaktiot vaativat kofaktoreiden (metallien) läsnäoloa, ja B12-vitamiini koostuu kobolttia sisältävästä kompleksista. Tämä työ esittääkin, että teoriassa näillä molekyyleillä on potentiaalia myös teollisuudessa nykyisten erotusmenetelmien ja kompleksinmuodostajien vaihtoehtoina. Tarvitaan kuitenkin lisää tutkimusta niiden toimivuudesta todellisissa teollisissa sovelluksissa, jotta niiden täysi potentiaali saadaan käyttöön.