Preliminary study and characterization of waste-derived geopolymers for critical raw materials recovery from e-waste

The growing demand for clean energy technologies and electronic devices has increased the global dependence on Critical Raw Materials (CRMs). However, the supply of these materials is limited, and their recycling practices are inefficient, which creates serious economic and environmental issues. Waste from Electrical and Electronic Equipment (WEEE) represents a promising secondary source of CRMs such as copper and rare earth elements. In this context, this thesis investigates the recovery of copper ions from simulated WEEE leachates through adsorption using two waste-derived, slag-based geopolymers (Z8 and LM). Uptake tests were performed to determine the capture efficiency and mechanism of the sorbents. Release tests were performed to evaluate copper recovery under acidic (HNO₃), neutral (Ca(NO₃)₂), and chelating (EDTA) conditions. The materials were characterized before and after each stage by XRD and SEM-EDX. Results demonstrated that both geopolymers were highly effective at copper removal, achieving up to 100% uptake efficiency for initial concentrations between 1-200 mM. This performance is attributed to their highly alkaline nature and reactive calcium-aluminosilicate composition, which promoted the formation of Cu-containing phases, mainly Gerhardtite (Cu₂NO₃(OH)₃). Among the release media, nitric acid caused the dissolution of the geopolymers, calcium nitrate maintained structural integrity but resulted in negligible Cu release, while EDTA achieved copper recovery up to 7.1%, although with dissolution of constituent ions and partial loss of material stability. These findings indicated that Cu removal is promoted via surface precipitation rather than ion exchange. Overall, the study highlights the potential of waste-derived, slag-based geopolymers as sustainable sorbents for metal removal from wastewater, while emphasizing the need for further optimization of release strategies to achieve efficient metal recovery from e-waste, contributing to future circular economy strategies.

La crescente domanda di tecnologie per l’energia rinnovabile e di dispositivi elettronici ha aumentato la dipendenza globale dalle Materie Prime Critiche (Critical Raw Materials, CRMs). Tuttavia, la disponibilità di tali materiali è limitata e le attuali pratiche di riciclo risultano inefficienti, generando importanti problematiche economiche e ambientali. I rifiuti da apparecchiature elettriche ed elettroniche (RAEE) rappresentano una fonte secondaria promettente di CRMs, come rame e terre rare. In questo contesto, la presente tesi studia il recupero di ioni rame da soluzioni simulate di RAEE tramite adsorbimento utilizzando due geopolimeri derivati da scarti industriali a base di scorie metallurgiche (Z8 e LM). Le prove di cattura sono state effettuate per determinarne l’efficienza e il meccanismo di interazione tra sorbente e metallo. Le prove di rilascio sono state condotte per valutare il recupero del rame in condizioni acide (HNO₃), neutre (Ca(NO₃)₂) e chelanti (EDTA). I materiali sono stati caratterizzati prima e dopo ogni fase mediante XRD e SEM-EDX. I risultati hanno mostrato che entrambi i geopolimeri sono altamente efficaci nella rimozione del rame, raggiungendo fino al 100% di efficienza di cattura per concentrazioni iniziali comprese tra 1 e 200 mM. Tale comportamento è attribuibile alla loro natura fortemente alcalina e alla composizione calcio-alluminosilicatica reattiva, che favorisce la formazione di fasi contenenti rame, principalmente Gerhardtite (Cu₂NO₃(OH)₃). Tra i diversi agenti di rilascio, l’acido nitrico ha causato la dissoluzione dei geopolimeri; il nitrato di calcio ha mantenuto l’integrità strutturale ma con rilascio di rame trascurabile; mentre l’EDTA ha consentito un rilascio di rame fino al 7.1%, sebbene accompagnato da dissoluzione di ioni costituenti e da una parziale perdita di stabilità del materiale. I risultati indicano che la rimozione del rame avviene principalmente tramite precipitazione superficiale piuttosto che per scambio ionico. Nel complesso, lo studio evidenzia il potenziale dei geopolimeri derivati da scarti come sorbenti sostenibili per la rimozione di metalli dalle acque reflue, sottolineando al contempo la necessità di ottimizzare le strategie di rilascio per ottenere un recupero efficiente dei metalli dai RAEE, contribuendo a future strategie di economia circolare.