Recovery of rare earths from natural waters using carbon-based nanomaterials

Abstract

The society has never been so much dependent on electronic and electric devices as it is today. As a result, e-waste has become a worldwide problem not only due to environmental changes that have emerge from the incorrect treatment and storage of e-waste but also because the amount of e-waste is increasing each year. Another problem inherent to electrical and electronic devices is their dependence on rare earth elements. Currently, they are considered as the “vitamins” of modern industry due to their vital role on the development of new cutting-edge technologies due to their distinctive chemical and physical properties. However, the high demand and the limited resources of rare earth elements, combined with the environmental problems associated with their exploration by mining activities, enforce the development of new ways to recover these elements from e-waste and wastewaters. Therefore, the development of low cost techniques and materials for recovery these valuable elements from e-waste is important to face and resolve both issues. In this way, the main objective of this work was to develop an efficient carbonbased composite towards the recovery of rare earths. Most of the sorption studies reported in the literature were performed with ultrapure waters spiked with tens to hundreds mg/L of single rare earth elements; so the objective is to study the recovery from waters of different matrices and using lower element concentrations. The materials synthesized in this work were magnetic exfoliated graphite functionalized with humic acids (MEG-HA), graphene oxide functionalized with ca. 25% of polyethylenimine (GO-PEI) and graphene oxide functionalized with chitosan (GO-CH), and they were evaluated for the REEs recovery capacity, using different amount of sorbent and in the presence of different type of waters. In ultrapure water, average recovery percentages of 47%, 97% and 71% were obtained using 100 mg/L of MEG-HA, GO-PEI and GO-CH, respectively. The sorption behaviour of the composites showed that the recovery is more efficient in mineral water, either using MEG-HA or GO-PEI, achieving recovery percentages around 100%. However, in saline water, the recovery percentages decrease to ca. 60 and 50% using 100 mg/L of GO-PEI and MEG-HA, respectively. The results were adjusts using kinetic models of pseudo first order, pseudo second order and Elovich and the sorption mechanism that better described the interaction between the nanocomposites and REEs was chemisorption. The application of the nanocomposites tested for the recovery of rare earth elements from aqueous solutions confirms that the carbon-based composites have a great potential to be used in the recovery of REEs

A sociedade nunca foi tão dependente de dispositivos eletrónicos e elétricos como é hoje. Como resultado desta crescente utilização, o lixo eletrónico tornouse um problema mundial, não apenas devido às alterações ambientais que surgiram com o seu tratamento e armazenamento incorreto, mas também porque a quantidade de lixo eletrónico aumenta a cada ano. Outro problema inerente aos dispositivos elétricos e eletrónicos é o facto de dependerem de elementos de terras-raras para serem produzidos. Atualmente, eles são considerados as “vitaminas” da indústria moderna, devido ao seu papel crucial no desenvolvimento de novas tecnologias e às suas propriedades químicas e físicas distintas. No entanto, a elevada procura e os recursos limitados de elementos de terras-raras (REEs), combinados com os problemas ambientais associados à sua exploração pelas atividades de mineração, reforçam a necessidade de desenvolver novas formas de recuperar estes elementos a partir de lixo eletrónico e de águas residuais que os contenham. Portanto, o desenvolvimento de técnicas e materiais de baixo custo para a recuperação destes elementos é extremamente importante. Desta forma, o principal objetivo deste trabalho foi desenvolver materiais compósitos à base de carbono que fossem eficientes para a recuperação de terras-raras. A maioria dos estudos de sorção reportados na literatura foram realizados em água ultrapura e com soluções monoelementares de concentrações elevadas de terras-raras; assim, o objetivo é estudar a recuperação destes elementos em matrizes mais complexas, tais como na presença de outros iões, e usando concentrações mais realistas de terras-raras. Os materiais sintetizados e usados neste trabalho foram a grafite esfoliada magnética funcionalizada com ácidos húmicos (MEG-HÁ), óxido de grafeno funcionalizado com 25% de polietilenimina (GO-PEI) e óxido de grafeno funcionalizado com quitosana (GO-CH) e estes foram avaliados quanto à sua capacidade de recuperação de REEs, utilizando diferentes quantidades de material/sorvente e na presença de diferentes tipos de águas. Em água ultrapura, foram obtidas percentagens médias de recuperação de 47%, 97% e 71%, utilizando 100 mg/L de MEG-HÁ, GO-PEI e GO-CH. O comportamento de sorção dos compósitos permitiu verificar que a recuperação é mais eficiente em água mineral, quer usando MEG-HÁ ou GO-PEI, atingindo percentagens de recuperação de cerca 100%. No entanto, em água do mar, as percentagens de recuperação diminuem para cerca 60 e 50% usando 100 mg/L de GO-PEI e MEG-HÁ, respetivamente. Os resultados foram ajustados utilizando modelos cinéticos de pseudo primeira ordem, pseudo segunda ordem e Elovich e o mecanismo de sorção que melhor descreveu a interação entre os nanocompósitos e as REEs foi a quimiossorção. A aplicação dos nanocompósitos testados para a recuperação de REEs a partir de soluções aquosas confirma que os compósitos MEG-HÁ e GO-PEI têm um elevado potencial para serem utilizados na recuperação de REEs de águas