Ioninvaihtohartsien ja 3D-tulostettujen metallisieppareiden vertailu palladiumin talteenotossa

Abstract

Tämän pro gradu -tutkielman kirjallisessa osassa tutustutaan aluksi kriittisiin raaka-aineisiin, niiden tuotantoon, ja sovelluskohteisiin. Kriittisistä raaka-aineista keskitytään tarkemmin platinaryhmän metalleihin, ja niistä erityisesti palladiumiin ja platinaan niiden ominaisuuksineen ja käyttökohteineen. Tutkielmassa käsitellään erilaisia jalometallien liuotukseen soveltuvia menetelmiä, ja liuotuksen jälkeisenä erotusprosessina muun muassa vedenpuhdistuksessa ja metallien talteenotossa laajalti hyödynnettyä ioninvaihtoa. Tutkielmassa tutustutaan erilaisiin ioninvaihtomateriaaleihin, niiden rakenteisiin, ominaisuuksiin ja toimintaperiaatteisiin, sekä itse ioninvaihtoprosessiin. Vielä tarkempaan käsittelyyn otetaan selektiiviset polymeeri-, silika- ja kuitupohjaiset ioninvaihtomateriaalit, eli metallisiepparit. Näiden lisäksi esitellään 3D-tulostetut metallisiepparit, sekä esimerkkejä niille löydetyistä sovelluskohteista metallien talteenotossa. Tutkielman kokeellisessa osassa määritettiin kahdelle ioninvaihtohartsille, Dowex® 21K Cl- ja Lewatit® MonoPlus M 500, optimaaliset palladiumin talteenotto-olosuhteet. Molemmilla materiaaleilla parhaat tulokset saatiin 0,05 M HCl + HNO3 -taustalla. Todettiin myös, että palladiumia alkaa saostua pH:n kasvaessa arvoon 1. Hartseista Lewatit® MonoPlus M 500:lla saavutettiin nopeammin yli 90 % saanto. Tämän granulamuotoisen Lewatit®-hartsin ja 3D-tulostettujen metallisieppareiden talteenottotehokkuutta ja kinetiikkaa vertailtiin. Kinetiikan vaikutusta tutkittiin lataamalla granulaa ja 3D-sieppareita vaihtumilla 50, 150 ja 300 h-1. 3D-sieppareilla saatiin systemaattisesti parempia tuloksia kuin granulalla, sillä 3D-sieppareilla saavutettiin jopa kvantitatiivinen talteenotto kaikilla tutkituilla vaihtumilla. Granulalla saavutettu paras talteenottoaste oli 90 %, joka saavutettiin vaihtumalla 50 h-1 vain hetkellisesti. Lisäksi granulalla talteenotto heikkeni huomattavasti, kun vaihtumaa kasvatettiin. Latauskapasiteetiksi 3D-metallisieppareille määritettiin vaihtumasta riippuen 0,91–0,97 eq L-1 ja granulalle arvoksi saatiin 0,82 eq L-1, joten myös kapasiteetista voitiin havaita 3D-sieppareiden tehokkuus granulaan verrattuna. Eluoinnin tehokkuutta vertailtiin materiaalien välillä, ja eluentin NH4Cl-pitoisuus pyrittiin optimoimaan. Tulosten perusteella 3D-siepparit tarvitsivat vähemmän eluenttia tehokkaaseen eluointiin, mutta suurempien johtopäätösten tekeminen eluoinnin tehokkuudesta tai optimaalisesta NH4Cl-pitoisuudesta vaatisi laajempaa testausta.