Study of organo-clay systems based on polyamines for rare earths recovery

Interest on Rare Earths (REs) is increasing during the last decades, due to the unique properties of these elements, which can be largely exploited in advanced technologies. Since difficulties regarding both costs and raw material extraction have been observed, alternative solutions have been found to face the problem. The recovering process from Waste Electric and Electronic Equipment (WEEE) can be considered as optimal for this purpose. Several methods could be employed to collect targeted ions from a liquid solution. In particular, solid-liquid extraction has been taken into account, by the fact that it provides numerous benefits: low costs, high efficiency, low energy waste and low consumption of organic solvents. The aim of this work consists in finding a sorbent with optimal efficiencies for the whole recovery process. The solid is constituted by a natural smectite mineral clay (STx), modified with a chelating agent, in particular four different amines (Pentaethylenehexamine, Nonaethylenedecamine, a branched ethyleneamine and Ethylenediiminodipropylamine) are considered. Studies regarding the organo-clay systems were carried out through qualitative (XRD, TG, FT-IR) and quantitative (COD and ICP-OES) analyses, in order to firstly evaluate the intercalation mechanism of each polymer. Lately, modified clays were contacted with aqueous solutions of Lanthanum ions, considered as model solution, at fixed concentration: both the uptake and the release steps were evaluated. Intercalation effectively occurs in different ways, depending on the type of amine considered, and the recovery process provide satisfactory results, reaching a global efficiency that is up to the 80%. A further study on initial polymer concentration was led for the best organo-clay produced. An optimal system was found, with an efficiency of 84%. The obtained results will be the basis for the implementation of a pilot plant by September 2015 where the solid sorbents could work both as recovering and purifying materials.

Le terre rare sono un gruppo di elementi il cui utilizzo è esponenzialmente aumentato negli ultimi decenni, dopo aver osservato che possiedono proprietà uniche e possono essere impiegate in molte tecnologie avanzate. Poiché sono state riscontrate difficoltà nell’estrazione delle materie prime dovute alla mala distribuzione delle risorse minerarie, l’interesse nei confronti di questi materiali è aumentato nel corso degli anni. Processi alternativi sono stati presi in considerazione, come il recupero di questi metalli da rifiuti elettrici ed elettronici. La separazione può avvenire secondo diversi meccanismi: in questo lavoro di tesi verrà profondamente analizzata l’estrazione liquido-solido. L’adsorbente solido consta di una smectite naturale (STx) modificata con polimeri chelanti; in particolare, sono state analizzate quattro differenti ammine. Studi riguardanti il sistema organofilo sono stati condotti mediante l’utilizzo di analisi qualitative (XRD, TG e FT-IR) e quantitative (COD e ICP-OES). Successivamente, le argille modificate sono state contattate con soluzioni acquose di Lantanio, scelto come ione rappresentativo delle terre rare: sono stati analizzati i processi sia di cattura che di rilascio. I dati sperimentali confermano un meccanismo di intercalazione dei polimeri nell’argilla e uptake e rilascio forniscono risultati soddisfacenti per quanto riguarda la soluzione ideale, con efficienze globali raggiungenti anche oltre l’80%. E’ stato poi effettuato uno studio di concentrazione sul polimero che è in grado di fornire il risultato migliore nel recupero delle terre rare. Un sistema ottimale è stato ricavato, con un’efficienza globale che risulta essere dell’84%.