Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/30095
Title: Alternative systems for extracting critical metals from electronic waste
Other Titles: Sistemas alternativos de extração de metais críticos a partir de lixo eletrónico
Author: Conceição, João Henrique Ferreira da
Advisor: Schaeffer, Nicolas
Martins, Mónia Andreia Rodrigues
Keywords: Circular Economy
Critical Metals
Hydrophobic Eutectic Mixtures
Liquid-Liquid Extraction
Defense Date: Dec-2019
Abstract: Excessive consumption of electronic equipment results in an overuse of existing natural resources and the increasing production of electronic waste – e-waste – associated with the disposal of such equipment when they reach their end of life. Electronic waste is quite complex; it is considered an environmental hazard if it is disposed of incorrectly but an important secondary source of critical materials if properly valued. Thus, considering the circular economy concept, the main objective of this work is to study the extraction and recovery of high value critical metals from electronic waste, using alternative systems composed of hydrophobic eutectic solvents. Initially, several eutectic mixtures were studied and identified. Based on this study and considering the chelating properties of the constituents of the mixture, three hydrophobic eutectic solvents were selected: trioctyphosphine oxide (TOPO) + thymol, TOPO + capric acid and hydrocinnamic acid + capric acid. The solid-liquid phase diagrams of the mixtures were measured using differential scanning calorimetry and the mixtures were characterized using various physico-chemical properties: densities, viscosities, water contents and the stability of mixtures in the presence of acidic aqueous solutions. The extraction capacity of the three selected eutectic solvents was initially evaluated using copper chloride and according to several parameters: pH, eutectic mixture composition, metallic salt concentration in the aqueous solution and effect of the presence of different salts in the aqueous solution. In addition, the selectivity of the systems was investigated by comparing the extraction efficiencies of different transition and platinum group metal salts. TOPO based eutectics have a higher affinity for platinum group metals in aqueous solutions with 1 M HCl concentration, while systems composed of carboxylic are more selective for transition metals such as iron and copper, although with lower distribution values. Finally, the separation of palladium and copper, Pd(II)/Cu(II), extremely relevant in the valorisation of printed circuit boards, was investigated. Successive extractions using TOPO + thymol with 1 M HCl were performed. These showed an average extraction efficiency of 65% for palladium and 0% for copper. The organic phase rich in metal was easily recovered by mixing it with an aqueous thiourea acid solution. NMR and FTIR analyses showed that no changes in the eutectic phase were observed during the multiple extraction cycles. In short, the non-ionic eutectics studied here have low viscosities, low costs and high extraction efficiencies for different metals, emerging as sustainable alternatives to various organic solvents while fitting the concept of circular economy.
O uso desmedido de equipamentos eletrónicos tem vindo a provocar uma exploração excessiva dos recursos naturais existentes e também o aumento mundial do lixo eletrónico – e-waste – associado ao descarte destes equipamentos quando atingem o seu fim de vida. O lixo eletrónico é bastante complexo, sendo considerado um perigo ambiental caso seja descartado incorretamente e também uma importante fonte secundária de materiais críticos caso seja valorizado corretamente. Assim, atendendo ao conceito da economia circular, o principal objetivo deste trabalho consistiu no estudo da extração e recuperação de metais críticos de elevado valor a partir do lixo eletrónico, usando para isso sistemas alternativos compostos por solventes eutécticos hidrofóbicos. Inicialmente foram estudadas e identificadas diversas misturas eutécticas. Com base neste estudo e atendendo às propriedades quelantes dos constituintes da mistura, foram selecionados três solventes eutécticos hidrofóbicos: óxido trioctilfosfina (TOPO) + timol, TOPO + ácido cáprico e ácido hidrocinâmico + ácido cáprico. Os diagramas de fase sólido-líquido das misturas foram medidos recorrendo à calorimetria diferencial de varrimento e as misturas caracterizadas usando diversas propriedades físico-químicas: densidades, viscosidades, teores de água e a estabilidade das misturas na presença de soluções aquosas ácidas. A capacidade de extração dos três solventes eutécticos selecionados foi inicialmente avaliada utilizando cloreto de cobre e em função de vários parâmetros: pH, composição da mistura eutéctica, concentração do sal metálico na solução aquosa e efeito da presença de diferentes sais na solução aquosa. A seletividade dos sistemas foi também investigada comparando as eficiências de extração de diferentes sais de metais de transição e do grupo da platina. Os eutécticos compostos por TOPO apresentam uma maior afinidade por metais do grupo da platina em soluções aquosas com concentração de 1 M de HCl, enquanto sistemas compostos por extratores carboxílicos são mais seletivos para metais de transição como o ferro e o cobre, embora com valores inferiores. Por último, foi investigada a separação de paládio e cobre, Pd(II)/Cu(II), extremamente relevante na valorização de circuitos elétricos. Foram realizadas sucessivas extrações utilizando TOPO + timol a 1M de HCl que apresentaram uma eficiência de extração média no valor de 65 % para o paládio e 0 % para o cobre. A fase orgânica rica em metal foi facilmente recuperada, misturandoa com uma solução aquosa ácida de tioureia. Análises de RMN e FTIR permitiram verificar que não foram observadas alterações na fase eutéctica durante os múltiplos ciclos de extração. Em suma, os eutécticos não iónicos estudados apresentam baixas condutividades, baixos custos e elevada capacidade de extração de diferentes metais, surgindo como alternativas sustentáveis a diversos solventes orgânicos e enquadrando-se no conceito da economia circular.
URI: http://hdl.handle.net/10773/30095
Appears in Collections:UA - Dissertações de mestrado
DQ - Dissertações de mestrado

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