Chemically Functional 3D Printing : Selective Laser Sintering of Customizable Metal Scavengers

Abstract

Growing interest towards making industrial processes and waste management more efficient has created an increasing demand for efficient and easy-to-use metal scavenging methods. Many processes today still operate with the mentality that only the metal of interest should be recovered during the process, while the rest of the metals can be treated as waste. In the long term, this is not a sustainable model. In many cases, the difficulty and cost of incorporating a metal recovery process into an already existing operation are some of the main reasons why metal management often remains on a very basic level. In this work, Selective Laser Sintering (SLS) 3D printing is suggested as a way to prepare highly customizable metal scavenging filters that could easily be incorporated into already existing processes. Usually, 3D printing is only utilized for the production of objects with mere mechanical or aesthetical properties. However, in this study, the focus was on incorporating chemical functionality into the 3D printed objects. The 3D printing method was evaluated in terms of the usability for metal scavenging processes by studying the ability to alter both the chemical and physical properties of the SLS 3D printed objects. In the introduction section of the thesis, typical metal separation techniques, with a focus on sorption, are discussed and then compared with the advantages and disadvantages of the SLS 3D printed metal scavenging filters. In the original publications discussed in this thesis, different types of chemically functional SLS 3D printed filters are presented. First, a highly selective method for scavenging gold as tetrachloroaurate from acid leached Printed Circuit Board (PCB) waste was developed. The method utilized SLS 3D printed Polyamide-12 (PA12) filters which achieved nearly quantitative selectivity towards tetrachloroaurate. This was followed by a study where a method for separating palladium and platinum from a similar matrix by using SLS 3D printed filter was developed. Finally, a different approach was taken, where the SLS 3D printed PA12 filters were converted to functional nanocatalysts by first selectively adsorbing the gold from PCB waste and then reducing it into nanoparticles.

Mielenkiinto teollisten prosessien ja jätteiden käsittelyn tehostamiseksi on luonut tarpeen kehittää uusia ja tehokkaita metallisieppareita. Moni nykyisistä prosesseista on suunniteltu toimimaan siten, että vain yksittäiset metallit otetaan talteen, kun taas muita metalleja käsitellään jätteenä. Pitkällä tähtäimellä tämä ei ole kestävä malli. Nykyisten metallien talteenottoprosessien yhdistäminen jo olemassa oleviin prosesseihin on usein haastavaa ja kallista, jonka vuoksi esimerkiksi prosessin sivutuotteena tulevien metallien talteenotto on yleensä heikolla tasolla. Tässä työssä selektiivisellä lasersintraus (SLS) 3D-tulostuksella valmistetaan kustomoitavia metallisieppareita, jotka voitaisiin helposti yhdistää jo olemassa oleviin prosesseihin. Yleensä 3D-tulostusta käytetään vain mekaanisen tai esteettisen funktion omaavien kappaleiden valmistukseen. Tässä työssä keskityttiin sen sijaan sisällyttämään 3D-tulostettuihin kappaleisiin kemiallinen funktionaalisuus. Valitun 3D-tulostusmenetelmän soveltuvuutta tähän tarkoitukseen arvioitiin tutkimalla mahdollisuutta muokata valmistettujen kappaleiden kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia. Tämän väitöskirjan johdannossa esitellään ensin tyypillisimpiä metallien talteenottomenetelmiä, joita verrataan SLS 3D-tulostuksella valmistettujen metallisieppareiden hyviin ja huonoihin puoliin. Tähän väitöskirjaan sisällytetyissä artikkeleissa esitellään erilaisten SLS 3D-tulostettujen metallisiepparisuodattimien valmistusta ja hyödyntämistä. Ensin kehitettiin menetelmä, jolla kulta voitiin erottaa selektiivisesti elektroniikkaromusta. Menetelmä hyödynsi SLS 3D-tulostettua metallisuodatinta, joka on valmistettu polyamidi-12 (PA12) -polymeeristä. Tämä suodatin saavutti lähes kvantitatiivisen kullan talteenoton hyvin haastavasta matriisista. Seuraavaksi kehitettiin menetelmä, jolla voitiin erottaa palladium ja platina vastaavasta matriisista hyödyntämällä SLS 3D-tulostettua suodatinta. Lopuksi metallien kierrätystä lähestyttiin eri näkökulmasta ja kehitettiin menetelmä, jolla 3D-tulostettu suodatin voitiin muuntaa suoraan funktionaaliseksi nanokatalyytiksi kullan talteenoton yhteydessä.