Aminometyylifosfonaattiligandien syntetisoiminen ja niiden hyödyntäminen lantanoidien talteenotossa

Abstract

Lantanoideja sovelletaan hyvin laajasti teknologian eri osa-alueilla ja uusiutuvan energian tuotannossa. Tulevaisuudessa vihreämmän energian ja sähköautojen yleistyessä lantanoidien kysyntä tulee kasvamaan entiseltään. Jo tällä hetkellä lantanoidien tuotannossa ilmenee tasapaino-ongelma, jossa osaa lantanoideista tuotetaan ylimäärin, mutta kriittisiä lantanoideja kuten neodyymiä tuotetaan suhteessa vähän sen suureen kysyntään. Tasapaino-ongelmaan ja lantanoidien kasvavaan kysyntään voitaisiin tulevaisuudessa vastata alkamalla hyödyntämään sekundäärisiä lähteitä. Potentiaalisia sekundäärisiä lähteitä ovat erityisesti teollisuuden sivuvirrat ja elektroniikkaromu. Kierrätysasteet lantanoidien lopputuotteille ovat kuitenkin tällä hetkellä vain noin prosentin luokkaa, sillä kustannustehokkaita kierrätysprosesseja ei vielä ole kehitetty. Lantanoidien tehokas kierrättäminen vaatisi siten sekundääristen lähteiden uuttoprosessien kehittämistä tehokkaampaan suuntaan esimerkiksi uuttoreagensseja parantelemalla. Tällä hetkellä tutkitaan jo nykyiseltään yleisesti käytettyjen reagenssien uuttotehokkuuden parantamista sekä etsitään uusia uuttoreagensseja, kuten α-aminofosfonaatteja, jotka ovat antaneet alustavasti hyviä tuloksia. α-Aminofosfonaatteja voidaan syntetisoida suoraviivaisesti kolmen komponentin synteesireiteillä. Pro gradu tutkielman kirjallisessa osassa käsitellään ensin lyhyesti lantanoidien perusominaisuuksia ja tarkastellaan niiden käyttökohteita, tuotantoa ja mahdollisia sekundäärisiä lähteitä. Sitten käydään lävitse tutkimuksia lantanoidien talteenottamisesta sekundäärisistä lähteistä ja tarkastellaan perinteisten uuttoreagenssien muodostamien ioninesteiden tutkimuksia sekä tutkimuksia α-aminofosfonaattien toimivuudesta uuttoreagensseina. Lopuksi tarkastellaan vielä α-aminofosfonaattien synteesireittejä eri lähtöaineista. Kokeellisessa osassa syntetisoitiin kolme α-aminodimetyylifosfonaattia kirjallisuudessa raportoidulla tavalla. α-Aminodimetyylifosfonaattien kompleksoitumista tutkittiin tekemällä 31P NMR-titrauksia, jolloin havaittiin tutkittavana olleen ligandin koordinoituvan 1:3 metalli-ligandisuhteella yttriumin kanssa. Syntetisoiduille yhdisteille tehtiin uutto ja saostuskokeita lantanoidien kanssa typpi- ja rikkihapossa synteettisillä liuoksilla. Aminofosfonaattien substituenttien havaittiin vaikuttavan kykyyn uuttaa ja saostaa lantanoideja liuoksesta. Syntetisoiduista yhdisteistä parhaimmaksi uuttoreagenssiksi soveltuisi difosfonaatti, jonka substituenttina on teollisuudessakin käytetty 2-etyyliheksyyli.