Zeoliittien käyttö kriittisten raaka-aineiden talteenotossa

Abstract

Tämän pro gradu -tutkielman kirjallisessa osassa perehdytään sähkö- ja elektroniikkalaitteissa käytettäviin kriittisiin raaka-aineisiin. Niistä tarkemmin käsitellään puolijohteissa hyödynnettävää piitä, galliumia, germaniumia ja indiumia, kondensaattoreissa käytettävää tantaalia ja kestomagneeteissa käytettäviä harvinaisia maametalleja. Erityistä huomiota kiinnitetään raaka-aineiden esiintyvyyteen, tuotantoon ja kierrätykseen. Sähkö- ja elektroniikkaromun (SER) kierrätyksessä keskitytään fysikaaliseen esikäsittelyyn ja hydrometallurgisiin talteenottomenetelmiin. Talteenottomenetelmistä esitellään neste-nesteuutto, elektrolyysi ja ioninvaihto, joista viimeisenä mainittu nostetaan tarkempaan käsittelyyn. Tässä yhteydessä esitellään orgaanisia ioninvaihtomateriaaleja, niiden rakenteita, luokittelua ja käyttöä kriittisten raaka-aineiden talteenotossa. Vaihtoehtona orgaanisille ioninvaihtomateriaaleille esitellään zeoliitit, joiden ominaisuuksiin ioninvaihtimina ja sorbenttimateriaaleina perehdytään seikkaperäisesti. Lisäksi esitellään zeoliittien käyttöä haitallisten aineiden poistossa sekä kriittisten raaka-aineiden talteenotossa. Lopuksi käydään läpi plasmaemission käyttöä metallianalytiikassa käsittelemällä ICP-OES:n toimintaperiaatetta. Tutkielman kokeellisessa osassa tehtiin kartoitusta viiden eri zeoliittimateriaalin talteenottokyvyistä ja näistä materiaali Zeolite ZSM-5 havaittiin lähes täysin selektiiviseksi tantaalin suhteen. Näytteenä toimi komponenttijäte, jonka liuotus oli optimoitu tantaalin suhteen. Zeolite ZSM-5 saavutettu suurin tantaalin talteenottoaste, 99,5 %, havaittiin 0,01 M rikkihappotaustassa. Selektiivisyyden kannalta kuitenkin paras happotausta oli 0,5 M rikkihappo. Tällöin tantaalia saatiin talteen 98,4 %. Kyseistä happopitoisuutta käytettiin kontaktiajan vaikutuksen ja Zeolite ZSM-5:n maksimiadsorptiokapasiteetin määrittämisessä. Aikavälillä 5–90 minuuttia talteenoton saanto ZSM-5:llä kasvoi nopeasti ja alkoi tasaantua 120 minuutin jälkeen. ZSM-5:n adsorptiokapasiteetin maksimi tantaalin suhteen oli 10,74 mg g-1. Alustavissa eluointikokeissa havaittiin, että etanoliamiini soveltui tantaalin eluoimiseksi. Sillä onnistuttiin eluoimaan 52 ± 4 % adsorboituneesta tantaalista.