Química inorgánica sostenible: separaciones de metales para reciclaje

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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.

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

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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