Química inorgánica sostenible: separaciones de metales para reciclaje
Gamer AccountDocumentos de Investigación10 de Abril de 2022
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Química inorgánica sostenible: separaciones de metales para reciclaje
Joshua J.M. Nelson[pic 5] y Eric J. Schelter*[pic 6]
Laboratorios P. Roy y Diana T. Vagelos, Departamento de Química, Universidad de Pensilvania, 231 South 34th Street,
Filadelfia, Pensilvania 19104, Estados Unidos
RESUMEN: Los materiales inorgánicos son componentes críticos de la tecnología de energía limpia. Por ejemplo, las tierras raras son clave para la función de las baterías de los automóviles eléctricos y en los imanes permanentes utilizados en las turbinas eólicas, y el paladio ayuda a reducir los gases de escape dañinos en la automoción. catalizadores de tres vías. Muchos de los elementos críticos para estos materiales son de baja abundancia en la corteza terrestre, se encuentran en pocos lugares a nivel mundial, y / o requieren energía. purificación intensiva en recursos. En comparación, muchos de estos elementos se concentran en residuos de aparatos eléctricos y electrónicos, lo que representa un recurso secundario atractivo. Los químicos inorgánicos están en una posición ideal para desarrollar nueva química y procesos más ecológicos que sean más eficientes y utilicen reactivos menos peligrosos para separar los de alto valor. metales de residuos electrónicos. El propósito de este punto de vista es resaltar los descubrimientos recientes en química inorgánica fundamental que pueden contribuir a las nuevas tecnologías de reciclaje de oro y litio., paladio, germanio y tierras raras, utilizando especialmente enfoques simples en la extracción sólido-líquido. Se espera que estos estudios fundamentales ayuden a cerrar la cadena de suministro de metal se repite y crea economías circulares.
■ INTRODUCCIÓN
El estudio de la química verde y/o sostenible está motivado por la necesidad de apoyar a la sociedad con procesos químicos que minimicen los residuos y el daño ambiental. La química green es una guía para el desarrollo de tecnología y procesos que sean seguros para la salud humana, benignos para el medio ambiente y minimicen los desechos. 1 La química verde a menudo se ha identificado con la química orgánica, por ejemplo, en el uso de disolventes o reactivos no tóxicos y de origen sostenible que mejoran química de procesos. 1,2 ¿Cuáles son las oportunidades para la química inorgánica en el field de la química verde ? Un enfoque central en los últimos años ha sido en la ciencia de la energía renovable utilizando materiales inorgánicos. Otra respuesta ha estado en el desarrollo de catalizadores metálicos no preciosos. Sin embargo, las prácticas sostenibles abarcan toda la empresa química, y existen numerosas oportunidades para la química inorgánica fundamental en el desarrollo. de prácticas industriales mejoradas.
[pic 7]Industria valores verde química porque industrial químicos reconocer cómo Verde Procesos impacto su Empresas' fondo lineas, contribuir Para Positivoy modelos en corporativo éticay entregar valor en clientela' necesidades. Una emergente área de sostenible química es el desarrollo de circular Economías, ese es, la capacidad Para ehonorariocientificialmente y Económica proceso gastado consumidor materiales Atrás en crudo materiales para reciclaje.3 Separación y Purisercatión de crudo materiales son estimativo Para consumir ∼15% de global energía uso.4 De central interés aquí son materiales Contiene esenciales metales ese es caro o de otra manera energía-intensivo Para purificar De su primario Minerales tal como oro, litio, paladio, germanio, y raro Tierras. Estos Elementos Fueron escogido porque de su extendido o creciente uso en Tecnología, Preocupaciones sobre continued Suministrosy dehonorarioculto en su Separaciones De Mezclas. Estos Separaciones Problemas son fundamentalmente deSserent De minería Químicos porque el postconsumo “Horas" Comprende deSserent químico Componentes.
El 10 de abril de 2017, Apple Computer presentó su Informe de Responsabilidad Ambiental 2017. 5 La compañía se comprometió a poner fin a la minería y utilizar materiales 100% reciclados en sus productos. La promesa de Apple refuerza un creciente interés entre las empresas de tecnología y los gobiernos de las principales economías mundiales para reducir la carga ambiental de las materias primas y crear cadenas de suministro de circuito cerrado para la fabricación. El progreso incremental hacia este objetivo se puede hacer a través de la ingeniería (por ejemplo, el desmontaje de productos gastados). Para lograr los grandes desafíos de una economía circular, las químicas de separación nuevas y mejoradas de metales de alto valor, incluidas las tierras raras, el oro, el indio, el tántalo y otros, son imprescindibles. Las preguntas químicas clave aquí son la búsqueda de la selectividad para la purificación de un metal sobre los others de mezclas complejas. Existe una clara necesidad de enfoques transformadores y fundamentalmente nuevos en química inorgánica que aborden este gran desafío del reciclaje de metales.
© XXXX Sociedad Americana de Química10.1021/acs.inorgchem.8b01871[pic 8] XXXX, XXX, XXX−XXX |
En el siguiente punto de vista, examinamos una colección de estudios relacionados de la literatura reciente donde la química inorgánica fundamental se utiliza para mejorar las separaciones de metales. La clave aquí es la naturaleza fundamental del trabajo: destacamos el hecho de que la química inorgánica, motivada por objetivos en sostenibilidad, proporciona una plataforma para la desarrollo de química fundamental que aborde los problemas emergentes y potencialmente cree nuevas oportunidades para la industria. También discutimos aspectos "verdes" más tradicionales de estos procesos con enfoque en el uso de reactivos menos tóxicos y una química menos derrochadora y más eficiente. y destacar algunos aspectos en los que estas obras podrían
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ser mejorado. Este punto de vista no pretende ser una revisión exhaustiva de la química de separaciones de metales aplicada al reciclaje, sino que conecta la química inorgánica fundamental con los problemas en las separaciones y el reciclaje. . Esperamos que, al examinar y presentar los sistemas que se describen a continuación, otros se inspiren de manera similar a considerar nuevas formas en que la química de coordinación fundamental puede abordar problemas críticos en la sostenibilidad global.
■ ORO
Los residuos electrónicos son un objetivo principal para crear economías circulares para los metales. Entre estos, el oro es un excelente metal objetivo en términos de ahorro ambiental, energético y de recursos para el reciclaje, en comparación con la minería. 6 Se estima que la concentración de oro en los desechos de teléfonos móviles es de hasta ∼70 veces mayor que la de los minerales mineros primarios. 7 Otros metales notables en los desechos de teléfonos móviles incluyen cobre, plata, paladio, hierro y tierras raras. 7,8 El oro también es un objetivo importante en términos de impacto ambiental. La minería de oro distribuida a pequeña escala generalmente depende de salts de cianuro y amalgamación de mercurio para procesar minerales. 9,10 Estos residuos "artesanales" de la minería de oro se acumulan en estanques de relaves, lo que resulta en la contaminación por mercurio del agua y el suelo, a peligro significativo para la salud de las comunidades cercanas. 10-12
En un avance de 2016, el grupo del Prof. Jason Love informó la amida primaria simple H2NC(O)CH2CH(Me)CH2tBu (1; Figura 1a). 11 En experimentos de un solo metal,
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Figura 1. a) El receptor H12+ utilizado para la extracción de [AuCl4]− b) Los cálculos de MD en el sistema 10:4 1/H[AuCl4] mostraban varias entidades puenteadas por amida, entre ellas [(H) 1) (AuCl4)2]− (rojo), [(H12) (AuCl4)2]− (azul oscuro), [(H13) (AuCl4)2]− (magenta) y (1)2 (cian). Adaptado con permiso de ref 11. Derechos de autor 2016 WileyVCH.
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encontró que 1 era capaz de extraer >90% de oro de 2 M HCl en tolueno. En comparación con ∼55% de extracción de antimonio (V) y <5% de extracción de hierro (III), paladio (II), platino (IV) y cobre (II), esto representa una selectividad significativa para oro sobre otros metales. Esta selectividad se logró a través de extracciones de mezclas realistas de residuos de teléfonos móviles en las que la concentración de oro es significativamente menor que la de los demás. metales presentes. Estos experimentos tuvieron éxito en la extracción de 82% de oro, con solo 6.4% de hierro y 2.7% de estaño. Cabe destacar que el cobre no se extrajo en la fase orgánica a pesar de que estaba 2000 veces más concentrado que el oro en la mezcla inicial. Esta selectividad muestra una mejora con respecto a los reactivos comerciales metil isobutilo cetona (MIBK) y dietilenglicol butil éter (DBC), que extrajeron grandes cantidades de la otros metales además del oro. El oro podría ser fácilmente extraído (hasta un 88%) en una fase acuosa mediante la adición de agua a la fase orgánica, otra mejora sobre MIBK y DBC los cuales requieren reactivos adicionales para eliminar el oro de la fase orgánica.
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