Studio di sistemi a base di argille e carboni modificati per il recupero di metalli preziosi e terre rare

Today there is an increasing need for Rare Earths (REs) and precious metals due to their usage in numerous high-technology applications such as: optical, electronics, ceramics and nuclear. Currently each EU citizen produces about 17 kg of Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) per year. These wastes are rich in precious and strategic metals and, in many cases, are characterized by higher REs contents than those of natural minerals. Accordingly, recycling can be considered a valuable opportunity: this perspective is known as "urban mining”. For these reasons, the study of a targeted and efficient REs recovery from WEEE can only lead to undeniable both socio-economic and environmental benefits. From a technological point of view recycling of end-of-life WEEE and recovering of metals therein contained can be divided into three major steps: disassembly, upgrading and refining. Regarding the last unit operation of refining, different methods have been proposed. Among the others, hydrometallurgical method has been reported to be one of the most interesting being: 1) generally applicable to very different compositions; and 2) allowing the same processing steps as those for extraction of rare earths from primary ores. On the other hand, some disadvantages of this process are: 1) the need of many process steps, 2) the consumption of large amounts of chemicals and 3) the generation of large amounts of waste water. Some of the reported disadvantages are related to the step of metal ions removal from aqueous solution. Recently, the use of adsorption is obtaining more and more attention because of its advantages of high recovery, short extraction time, high enrichment factor, low cost and low consumption of organic solvents over liquid-liquid extraction. In particular, clays and carbons (pristine and modified) as solid-phase are characterized by some outstanding advantages, such as low cost, good mechanical properties, good acid tolerance, convenient solid-liquid separation and excellent reusability. For these reasons, the present thesis work focuses the recovery of REs and precious metals from WEEE, namely magnetic components, mobile phones and Printed Circuits Boards (PCBs). Anyway, the involved systems are very complex (e.g. in a smartphone there are 16 different metals and the amount of REs is very low) thus a preliminary study was carried out on mono-ionic model systems, in order to validate the experimental idea. Concerning model systems, lanthanum was chosen as representing element of REs family, and its initial concentration was varied in order to investigate the different adsorption mechanisms of the solids. Furthermore, a study was carried out to define a recovery process feasible in continuous systems. At the end, the solid sorbents were tested also on real solutions coming from mobile phones leached solutions.

Al giorno d’oggi si registra un bisogno crescente di terre rare e metalli preziosi a causa del loro utilizzo in numerose applicazioni ad alto contenuto tecnologico. Attualmente ogni cittadino dell'UE produce circa 17 kg di rifiuti elettrici ed elettronici (RAEE) all'anno. Tali rifiuti sono ricchi di metalli strategici e, in molti casi, sono caratterizzati da contenuti di terre rare più elevati rispetto ai minerali. Di conseguenza, il riciclo può essere considerato una preziosa opportunità: questa pratica è conosciuta come "urban mining". Per queste ragioni, lo studio di un processo di recupero mirato ed efficiente da RAEE non può che condurre a innegabili vantaggi economici, sociali e ambientali. Da un punto di vista tecnologico, il riciclo dei RAEE a fine vita e il recupero dei metalli in essi contenuti possono essere suddivisi in tre fasi principali: smontaggio, prettrattamento e raffinazione. Per quanto riguarda l'ultima operazione, sono stati proposti diversi metodi. Tra questi, il metodo idrometallurgico è uno dei più interessanti, principalmente per due motivi: 1) è generalmente applicabile a composizioni molto differenti; 2) consente le stesse fasi di processo tipiche dell’estrazione primaria. D'altra parte, alcuni svantaggi di questo processo sono: 1) la necessità di molte fasi di processo, 2) il consumo di grandi quantità di prodotti chimici e 3) la generazione di grandi quantità di acque reflue. Alcuni degli svantaggi riportati sono legati alla fase di rimozione di ioni metallici dalla soluzione acquosa. Recentemente, l'uso di solidi adsorbenti sta ottenendo sempre maggiore attenzione a causa dei suoi vantaggi quali: alto recupero, breve tempo di estrazione, alto fattore di arricchimento, basso costo e basso consumo di solventi organici in confronto all’estrazione liquido-liquido. In particolare, argille e carboni (tal quali e modificati) sono caratterizzati da alcuni vantaggi eccezionali, come ad esempio basso costo, buone proprietà meccaniche, buona tolleranza agli ambienti acidi, semplice separazione solido-liquido ed eccellente riutilizzabilità. Per queste ragioni, il presente lavoro di tesi si è focalizzato sul recupero di terre rare e metalli preziosi da RAEE, come ad esempio componenti magnetiche, telefoni cellulari e circuiti stampati. Dato che i sistemi coinvolti sono molto complessi (ad esempio in un smartphone ci sono 16 diversi metalli e la quantità di terre rare è molto bassa) è stato condotto uno studio preliminare su sistemi modello con un unico ione in soluzione per convalidare l'idea sperimentale. Partendo dalle soluzioni modello e variando la concentrazione di lantanio, scelto come rappresentativo della famiglia delle terre rare, si è definito un meccanismo di adsorbimento per i diversi solidi in esame. Successivamente è stato realizzato uno studio per definire un processo di recupero applicabile in continuo e, infine, i solidi adsorbenti sono stati testati su soluzioni reali provenienti da macinazione e lisciviazione di cellulari.