Metal(IV) Phosphate Based Functional Materials for Selectively Harvesting Rare-Earth Elements from Bauxite Residue

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4651-9
Julkaisun nimi: Metal(IV) Phosphate Based Functional Materials for Selectively Harvesting Rare-Earth Elements from Bauxite Residue
Tekijä: Zhang, Wenzhong
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Kemian ja molekyylitutkimuksen tohtoriohjelma
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Tiivistelmä: Inorganic metal(IV) phosphates with adjustable structural features, strong acid resistance and selective ion-exchange capabilities are an ideal class of materials to be applied in solid-liquid metal separation processes. The surface hydroxyl groups with ion-exchange capability also grant the metal(IV) phosphates with vast possibilities for further functionalisation and hybridisation. Rare-earth elements (REEs), made up by scandium (Sc), yttrium and the entire lanthanide series, are irreplaceable enablers for the transition to a low-carbon economy. Pure fractions of REEs are, until today, vital components in high-tech applications such as electric motors. The ever-growing demands for REEs are restricted by limited mining productions and regulated cross-border trading. Bauxite residue (BR), the waste generated from the industrial production of alumina, are stockpiled in enormous quantity across the globe. Certain types of BR are considered as exploitable REE reservoirs since they contain minable concentrations of REEs. To harvest the REEs contents from BR, the metals are typically leached by mineral acids before further separations. However, the recovery of REEs from the acidic leachates is challenging due to low concentrations of REEs and high concentrations of other interfering metals. The dissertation summarised the design and application of various functional materials based on metal(IV) phosphate for separation processes relating to the recovery of REEs from BR leachates. Traditional inorganic titanium and zirconium phosphate materials with amorphous and layered crystalline structures were firstly tested for selective Sc separation. Although these materials preferentially exchange Sc3+ compared to all other investigated metal ions, the internal interlayer surfaces were unavailable to Sc3+ in the case of the crystalline materials. To fully utilise their ion-exchange sites, titanium phosphate moieties were functionalised onto the surfaces of mesoporous MCM-41 silica. Inspired by the structure of solvating extractant tri-n-butylphosphate (TBP), short n-alkyl chains were grafted onto the titanium phosphate grafts to mimic TBP structure. Batch tests confirmed the solvating extraction capability of the obtained solid material, with excellent performance for separating Sc3+ and lanthanide ions. Hybrid titanium di-n-butylphosphate coordination polymers were prepared and they exhibited exceptional intralanthanide separation capability. The selective uptake of smaller lanthanide ions was resulted from a transmetalation process, where the lanthanide ions substituted the framework titanium-oxo clusters. An almost quantitative separation between neodymium and dysprosium was demonstrated by simply controlling the solution pH in a batch system. A multitude of characterisation methods were utilised to study and confirm the compositional and structural properties of the newly synthesised materials and their metal separation mechanisms. Functional materials assembled on the metal(IV) phosphate platform offer versatile functionalities and alterable metal uptake mechanisms that are suitable for hydrometallurgical separation of the REEs.Epäorgaaniset metalli(IV)fosfaatit ovat ihanteellisia materiaaleja kiinteä-neste metallierotusprosesseihin niiden selektiivisten ioninvaihto-ominaisuuksien, hyvän happamien liuosten keston ja muunneltavissa olevan rakenteen takia. Lisäksi materiaalin ioninvaihdosta vastaavat hydroksyyliryhmät luovat mahdollisuuden materiaalin lisäfunktionalisointiin ja hybridimateriaalien valmistukseen. Harvinaiset maametallit (REE), johon kuuluvat skandium (Sc), yttrium (Y) ja koko lantanoidisarja, ovat korvaamattomassa asemassa siirryttäessä vähähiiliseen talouteen. Puhtaat REE fraktiot ovat ensiarvoisen tärkeitä korkean teknologian komponentteja valmistettaessa, kuten sähkömoottorien tehomagneeteissa. REE alkuaineiden jatkuvaa käytön kasvua rajoittaa kaivostuotannon keskittyminen ja kansainvälisen kaupan maakohtaiset rajoitukset. Alumiinin valmistuksessa bauksiitista useat metallit rikastuvat jäljelle jäävään kiintojätteeseen (Bauxite residue, BR), mistä johtuen joissain BR-tyypeissä REE pitoisuudet ylittävät jopa REE-malmien pitoisuudet. Tällaista hyödynnettävää jätettä on varastoituna valtavia määriä ympäri maapalloa. REE alkuaineiden erotukseen BR:sta käytetään yleensä vahvoilla mineraalihapoilla, mutta rikastumisesta huolimatta niiden talteenotto on vaikeaa muiden metallien korkean konsentraation ja liuoksen happamuuden vuoksi. Väitöskirjatutkimus koostuu metalli(IV) fosfaattiin pohjautuvien materiaalien syntetisoinnista ja käytöstä harvinaisten maametallien erotuksessa BR-jätteestä. Tutkimuksissa havaittiin titaani-ja zirkoniumfosfaattien korkea selektiivisyys skandiumia kohtaan, mutta materiaalien rakenteen havaittiin suosivan ioninvaihtoa vain sen ulkopinnalla. Näin ollen yksitäisiä titaanifosfaattiryhmiä liitettiin huokoiseen piioksidi-materiaaliin (MCM-41), jotta rakenteellista estettä ionivaihdolle ei olisi. Tämän lisäksi titaanifosfaattiin liitettiin lyhyitä n-alkyyliketjuja, joilla pyrittiin imitoimaan nesteuutosta hyväksi havaitun tri-n-butyylifosfaatin (TBP) erotusominaisuuksia. Syntetisoidut titaani di-n-butyylifosfaatti koordinaatiopolymeeri –hybridimateriaalit osoittivat poikkeuksellisen tehokasta lantanidien erotusta, jossa transmetallaatioreaktioon perustuen neodyymi ja dysprosium voitiin erottaa toisistaan lähes kvantitatiivisesti. Neljän arvoiset metallifosfaatit laajakirjoisine funktionalisointi ja säädettävin metallin sorptio-ominaisuuksin nähdään erinomaisina materiaaleina harvinaisten maametallien erotukseen.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4651-9
http://hdl.handle.net/10138/258263
Päiväys: 2018-11-23
Avainsanat: Chemistry
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
Metal_IV.pdf 3.350MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot