JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Detectie en herstel van Palladium, Goud en Cobalt metalen uit de Urban Mine via innovatieve sensoren / Adsorbentia Aangewezen met nanoschaal Wagon-wheel-vormige poriën

Published: December 06, 2015
doi:
10.3791/53044
, , , ,
1National Institute for Materials Science, Japan, 2Graduate School for Advanced Science and Engineering,Waseda University, 3Center for Research in Isotopes and Environmental Dynamics,Tsukuba University

Summary

Vanwege het belang en het grootschalige gebruik van palladium, goud en kobalt metalen in high-tech apparatuur, de terugwinning en recycling vormen een belangrijk industrieel uitdaging. Het metalen recovery systeem hierin beschreven is een eenvoudige, goedkope middelen voor de effectieve opsporing, verwijdering en herstel van deze metalen uit de stedelijke mijne.

Abstract

Het ontwikkelen van low-cost, efficiënte processen voor het terugwinnen en recyclen van palladium, goud en kobalt metalen uit stedelijke mijne blijft een belangrijke uitdaging in de geïndustrialiseerde landen. Hier, de ontwikkeling van optische mesosensors / adsorbentia (MSA) voor een efficiënte herkenning en selectieve terugwinning van Pd (II), Au (III) en Co (II) van de stedelijke mijne werd bereikt. Een eenvoudige, algemene methode voor het bereiden van MSA op basis van het gebruik van high-order mesoporeuze monolithische steigers werd beschreven. Hiërarchische kubieke Ia 3 d wagon-wheel-vormige MSAs werden gefabriceerd door het verankeren van chelaatvormers (kleurstoffen) in drie-dimensionale poriën en micrometrische deeltjes oppervlakken van de mesoporeuze monolithische steigers. Bevindingen tonen voor het eerst tekenen van gecontroleerde optische herkenning van Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen en een zeer selectief voor het terugwinnen van Pd (II) ionen (tot ~ 95%) in ertsen en industrieel afval. Bovendien is de gecontroleerde evaluatie processen beschreven haarein betrekken evaluatie van de intrinsieke eigenschappen (bijvoorbeeld visueel signaal verandering, stabiliteit op lange termijn, adsorptie efficiëntie, buitengewone gevoeligheid, selectiviteit, en hergebruik); aldus, worden dure, geavanceerde instrumenten niet vereist. De resultaten tonen het bewijs dat MSA wereldwijd de aandacht zal trekken als een veelbelovende technologische middelen van het herstellen en recycling palladium, goud en kobalt metalen.

Introduction

Drijvende krachten voor de sterk groeiende gebruik van platina groep metalen (PGM) zijn hun buitengewone en soms exclusieve eigenschappen, waardoor ze essentiële componenten in een breed scala van toepassingen te maken. MPG kan een rol spelen in het opbouwen van een duurzame samenleving, en deze materialen worden gebruikt in een verscheidenheid van hedendaagse toepassingen en producten: chemisch proces katalyse, automotive emissie controle, informatietechnologie, consumentenelektronica, mooie sieraden, de voorbereiding van tandheelkundige materialen, fotovoltaïsche brandstofcellen en lithium-ion batterijen (LIB) 1-10. In de afgelopen eeuw hebben wereldwijde economische veranderingen wordt aangedreven door het gebruik van MPG. Vanwege het belang van de MPG in schone technologieën en high-tech apparatuur, is het gebruik van MPG dramatisch toegenomen in de moderne samenleving. Door de sterke toename van het gebruik van MPG, met name bij de productie van elektronische apparatuur, de accumulatie van elektronisch afval (e-afval) heeft geleid tot environmental uitdagingen en problemen. Bovendien heeft de recente stijging van de grondstoffenprijzen een nieuwe interesse in de winning van e-afval 1-4 gegenereerd.

E-afval bevat zowel gevaarlijke stoffen en waardevolle palladium, goud en kobalt metalen. Als e-afval wordt naar stortplaatsen of niet op een milieuvriendelijke manier behandeld, kunnen zij een hoog risico op schade aan het milieu opleveren. Palladium, goud en kobalt metalen in e-afval zijn een duurzame en 'groene' secundaire bron van dergelijke metalen 5-10. Daarom efficiënte processen voor het terugwinnen palladium, goud en kobalt metalen uit e-afval zijn dringend nodig.

Toekomstige ontwikkelingen in vele technologische gebieden zal de controle van primaire grondstoffen metalen nodig. Vanwege het toenemende belang van palladium, goud en kobalt metalen in industriële toepassingen en oplossingen voor milieuproblemen 11-13, ontwikkelen adsorptie / extraction technieken voor de erkenning en het herstel van dergelijke metalen is een topprioriteit geworden.

De belangrijkste edelmetalen gebruikt in elektronische producten zijn zilver, goud, palladium, platina en kleine hoeveelheden rhodium 4-8. Herstellende palladium en goud is cruciaal geworden vanwege hun unieke combinatie van eigenschappen in een breed scala van industriële toepassingen, economische waarde en zeldzame gebeurtenis. Marktmechanismen zijn invloedrijk in het verhogen van de tarieven van de inzameling en recycling van printplaten van verouderde pc's, televisies, mobiele telefoons en andere elektronische apparaten geweest. In massa geproduceerde consument componenten, zoals computer moederborden, bevatten ongeveer 80 g Pd en 300 g Au per ton e-afval; de overeenkomstige bedragen voor mobiele telefoons zijn 130 g Pd en 200 g Au per ton e-waste 5-10. Deze stedelijke mijne houdt immense hoeveelheden van deze metalen (ter vergelijking, Au en Pd aanwezig zijn in zeer lage concentraties in de rotsen (~ 4 ng / g), bodems (1 ng / g), zeewater (0,05 ug / l) en rivierwater (0,2 ug / l) 14-16). Om een ​​voortdurende en betrouwbare levering van palladium, goud en kobalt zorgen metalen voor toekomstige technologische vernieuwingen en nieuwe elektronische apparatuur, is het belangrijk om een ​​efficiënte en goedkope techniek voor recycling edele metalen uit e-afval. Dergelijke technologie zou kunnen dienen als verzekering tegen een toekomstige schaarse beschikbaarheid van zeldzame aarden ertsen, die worden voorspeld in het kort het aanbod, of zelfs uitgeput, binnen 100 jaar.

Een element zoals kobalt een essentiële bijdrage aan bijna alle elektrochemische energieopslag cellen zoals LIBs 17-19. Vanwege de snelle groei van de informatie-technologie en een breed scala gebruik van LIBs, de vrijlating van LIBs als e-afval onderzocht van een nieuwe milieu-uitdaging 18-20. Daarom is de behandeling van deze afvalstoffen met zorg door het herstellen van deze middelen zou een nieuwe weg in de openmilieu en industriële toepassingen.

Een aantal krachtige en gevestigde methoden en analytische technieken zijn gebruikt om onderscheid te maken en te kwantificeren Au (III), Pd (II) en Co (II) in de natuurlijke erts en industrieel afval, waaronder vlam en carbon oven atoomabsorptiespectrofotometrie, ultraviolet- zichtbare (UV-vis) spectrofotometrie, neutronenactiveringsanalyse en inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie 14-16,21-27. Ondanks hun veelzijdigheid en groeiende populariteit, deze analytische technieken lijden vele tekortkomingen. Bijvoorbeeld, zijn ze meestal vereist een zorgvuldige planning en het testen, vele monstervoorbereiding stappen om interferentie van het monster matrix minimaliseren betrekken, vereist geavanceerde instrumentatie en goed opgeleide mensen, en moet onder strenge experimentele condities 17,21 worden uitgevoerd. Bovendien zijn al deze analytische technieken omvatten pre-concentratie en scheidingsstappen, zoals oplosmiddelen extraction, coprecipitatie, ionenwisseling en adsorptie, pre-concentreren de beoogde metaalionen uit de matrix componenten voorafgaand aan hun vastberadenheid 20-27. Bovendien zijn hydro- als pyrometallurgie technieken die gewoonlijk in de recycle-industrie keten 19-22. Daarom is de ontwikkeling van efficiënte, rendabele en makkelijk te gebruiken analysemethoden palladium, goud en kobalt herstellen metalen uit natuurlijke erts en industrieel afval zijn belangrijk, zowel voor de bescherming van het milieu en in de industriële sector 11-13.

Nieuwe technologieën kunnen nieuwe benaderingen van chemische analyse en terugwinning van metalen uit natuurlijke erts en industrieel afval aanbieden. Recente vooruitgang is geboekt bij het terugdringen van de kosten en het verkorten van de tijd te fabriceren optische chemische nanosensoren / adsorbentia; worden echter optisch adsorbens nog steeds gebruikt voor real-world sensing, extractie en nuttige toepassingen voor een groot aantal metalen 28-36. Recentelijk is onderzoek gericht op het afstemmen specifiek vast mesoporeuze monolieten gebruikt als zeer gevoelige sensoren voor de eenvoudige en gelijktijdige detectie blote oog en verwijdering van giftige en edele metaalionen, zoals kwik en goud-ionen, van waterdieren samples 28-32. Hier wordt een werkwijze voor het selectief detecteren en efficiënt terugwinnen van Au (III) en Pd (II) uit het stedelijk mijn werd gerapporteerd; Bovendien kan het proces worden toegepast voor het terugwinnen van Co (II) ionen uit LIBs. Recyclering van deze werkwijze niet alleen dienen als een secundaire bron van Au (III), Pd (II) en Co (II) -ionen, maar ook milieuvervuiling verminderen. Het protocol designs wagon-wheel-vormige MSA tonen voor het eerst tekenen van gecontroleerde optische herkenning van Au (III), Pd (II) en Co (II) -ionen en een zeer selectief voor het terugwinnen van Pd ( II) ionen (tot ~ 95%) in ertsen en industrieel afval.

Protocol

1. Fabricage van Wagon-wiel-vormig, Cubic Ia 3 d Mesoporous Monolithic Steigers OPMERKING: Control kubieke geometrie (bij voorkeur gyroidal Ia 3 d symmetrie) en micrometrische deeltjes oppervlakken van mesoporeuze monolithische steigers met behulp van triblokcopolymeer Pluronic P123 [P123; poly (ethyleen oxide- propyleen blok oxide- blok ethyleen oxide) (PEO EO 20 70 20 EO)] als een matrijs. Onder normale omstandigheden, voeg P123, pentadecaan en tetramethylorthosilicaat (TMOS) in een gewichtsverhouding van 1,6: 2: 1,2 tot HCl / H2O (pH ~ 1,0) in een 200-ml rondbodemkolf; schud mengsel bij 45 ° C totdat de vorming van een homogene sol-gel. Sluit kolf van een draaiende verdamper en damp mengsel bij 45 ° C en een begindruk van 1023 hPa. Onder deze omstandigheden exotherme hydrolyse en condensatie van TMOS snel optreden. Doorgaan evaporatiop van het mengsel gedurende 10-20 min de optische gelachtige wagon-wheel-vormige monoliet rond de wand van de kolf connect 37-39 te verkrijgen. Droog de kolf die het zo gemaakte monoliet bij 45 ° C gedurende 24 uur te drogen te voltooien. Behandel gedroogde wagon-wheel-vormige monoliet 450 ° C gedurende 8 uur onder normale atmosferische omstandigheden. Grind gecalcineerde vaste monoliet geheel met mortier en stamper en opslag bodemmateriaal voor later gebruik als een drager platform fabricage van MSAs. 2. Karakterisering van Materialen Hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie (HRTEM) Dispergeer 1 mg van het monster in 5 ml ethanol oplossing met behulp van een ultrasone reiniger, en dan vallen twee druppels van het monster op een koperen rooster. Vacuüm drogen het netwerk voor 20 min voor het invoegen monsters HRTEM kolom. Voer HRTEM met een transmissie elektronenmicroscoop verbonden met een CCD camera. Neem HRTEM microfoto bij een versnellingsspanning van 200 kV tot een rooster resolutie van 0,1 nm verkregen. N 2 adsorptie-desorptie isothermen Pre-treat wagon-wheel-vormige monsters bij 100 ° C gedurende 8 uur onder vacuüm in evenwicht druk tot 10 Torr -3. Meet N 2 adsorptie-desorptie-isothermen bij 77 K met een oppervlak en poriegrootte analyse volgens instructies van de fabrikant Bepaal poriegrootteverdeling van adsorptieisothermen met behulp van niet-lokale dichtheidsfunctionaaltheorie. Bereken specifiek oppervlak (S BET) met multipoint adsorptiegegevens uit lineaire segmenten van de N2 adsorptie-isothermen behulp Brunauer-Emmett-Teller (BET) theorie. Kleine hoek poeder X-ray diffractie (XRD) Meet XRD patronen met behulp van een 18-kW diffractometer en monochromated CuKa straling, volgens de fabrikant &# 39; s instructies. Neem diffracties door zowel grafiet monochromator en Göbel spiegel detectoren 2θ hoeken tussen 0,1 ° en 6,5 °, overeenkomend met d- afstanden tussen 88,2 en 1,35 nm. Maal het monster en verspreid het poeder op het monster houder. Bevestigen resolutie van diffractiepieken met standaard reproduceerbaarheid in 2θ (± 0,005 °). Tweede monster meting driemaal met rotatie bij verschillende hoeken (15 °, 30 ° en 45 °). 3. Fabricage van Pd (II) -MSA-1, Au (III) -MSA-2 en Co (II) -MSA-3 Synthese van Pd (II) -MSA-1 en Co (II) -MSA-3 OPMERKING: Gebruik een druk ondersteunde methode voor de modificatie van wagon-wheel-vormig, kubische Ia 3 d monolieten tussen 1,5 diphenylthiocarbazone-dicarboxylaat (L1) en 2-nitroso-1-naftol (L3) liganden (0,1 M EtOH oplossingen) naar Pd fabriceren (respectievelijk II) -MSA-1 en Co (II) -MSA-3,. Et voegenhanolic 1,5-diphenylthiocarbazone dicarboxylaat (L1) of 2-nitroso-1-naftol (L3) oplossingen voor stevige wagon-wheel monolieten in ronde kolf en meng onder schudden gedurende 1 min. Sluit kolf die EtOH heterogene-L1 / vaste monoliet mengsel aan een rotatieverdamper en damp mengsel bij 45 ° C en een begindruk van 1023 hPa. Sluit een andere kolf met heterogene EtOH-L3 / vaste monoliet mengsel aan een rotatieverdamper en damp mengsel bij 50 ° C en een begindruk van 1023 hPa. Verwijder EtOH oplossing uit heterogene EtOH-ligand / vaste monoliet mengsel onder vacuüm bij omgevingstemperatuur. Verduidelijken de vorming mechanisme van ligand-vast (MSA-1 en MSA-3) van fysisch gesorbeerde korte afstand interacties (dat wil zeggen, Van der Waals en H-binding interacties) tussen de overvloedige hydroxylgroepen van de actieve oppervlakteplaatsen van de wagon-wheel -vormige scaffolds en heteroatoom liganden 40,41. Bereken de amounts geïmmobiliseerd L1 en L3 als volgt: q e = (C 0 – C e) V / m, waarbij q e geadsorbeerd hoeveelheid, V = volume van de oplossing (L), m de massa van de drager (g) en C 0 C en E zijn eerste en bovenstaande concentraties sonde, resp. De hoeveelheid geïmmobiliseerd L1 en L3 kunnen worden verwacht ongeveer 0,09 mmol / g. Synthese van Au (III) -MSA-2 OPMERKING: Breng bouwstenen protocol te synthetiseren Au (III) -MSA-2: Immobiliseren een 40 ml van 0,1 M ethanol oplossing van dilauryldimethylammonium bromide (DDAB) in 0,5 g wagon-wheel-vormige HOM steigers met behulp van een roterende verdamper wagon-wheel-vormige HOM-DDAB monolieten te produceren. Los 20 mg van hydrophilic6-hydroxy-5- (4-sulfonatofenylazo) -2-naftaleensulfonzuur dinatriumzout (L2) ligand in 80 ml DI water. Voeg 0,5 g vast HOM-DDAB monolieten. Den Verwijder de H 2 O-oplossing door middel van filtratie. Wash HOM-DDAB-L2 met gedemineraliseerd water totdat er geen L2 wordt geëlueerd; en droog monster bij 65-70 ° C gedurende 4 uur. Let op: 0.07 mmol L2 ligand per gram HOM schavot werd in HOM-DDAB 42 opgenomen. Verduidelijken de vorming mechanisme van (MSA-2) op basis van de L2-DDAB solide interactie. 4. Batch Studies for Detecting Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen Dompel 20 mg wagon-wheel-shaped MSA-1, MSA-2 en MSA-3 in een mengsel van Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen (ionenconcentratie: 2 mg / l) ; volume tot 20 ml en de pH op geschikte pH waarde van 2, 7 en 5,2, respectievelijk. Mechanisch schudden mengsels in een temperatuurgecontroleerde waterbad van 25 ° C gedurende 45 min bij een constante roersnelheid van 300 rpm. MSA filteren door middel van 25-mm filter papier; bij evenwicht, gebruiken visuele kleur evaluatie en reflectie spectra measurementen om ion-concentraties te bepalen. Bepaal Pd (II), Au (III) en Co (II) doelion concentraties door vergelijking reflectie intensiteiten van MSA-1, MSA-2 en MSA-3 bij λ max 384, 486, en 537 nm, respectievelijk tijdens de toevoeging van onbekende concentratie van target monsters met die van de standaard concentratie van doel monsters. Voer andere experimenten met doel Pd (II), Au (III) en Co (II) ion concentraties op de optimale pH-waarde van 2, 7 en 5,2, respectievelijk met UV-vis spectroscopie. Het deel per miljoen (ppm, mg / l), deel per miljard (ppb, ug / l) en molaire (mol / L) worden toegepast voor het doelion in oplossing te bepalen. 5. Werkwijze voor het verwijderen van Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen Dompel 40 mg per wagon-schijfvormige MSA in een mengsel van bepaalde Pd (II), Au (III) en Co (II) ion concentraties; pH van het mengsel aangepast aan specifieke waarden van 2, 7 en 5,2, respectievelijk, in een volume van 20 ml, en roer het mengsel gedurende 2 uur bij KT. Filter solide MSA en analyseren filtraat inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICP-MS) 28-30. Bereken de Langmuir isotherm op basis van de volgende vergelijking 43: waarbij C e is doelion concentratie q e is hoeveelheid doelion in evenwicht gebracht oplossing, q m (mg · g -1) is de hoeveelheid van Pd (II), Au (III) of Co (II) ionen verwijderd vormen de monolaagbedekking, K en L de Langmuir adsorptie evenwichtsconstante. Bijvoorbeeld, de q m data geven de praktische verwijdering van metaalionen uit het waterige medium met een hoge adsorptie efficiëntie (97% -98%). Bovendien K L-waarden komen overeen met de adsorptie / desorptie prijzen, aangeeft volledig reversibel metal adsorptie assays. </ol> 6. Vorming van metaal-op-ligand bindingsconstanten in Wagon-wheel-vormige MSAs Bepaal stabiliteitsconstanten (log K en) [Pd (L1) 2], [Au- (L2)], en [Co (L3) 2] complexen bij pH 2, 7 en 5,2, die kan worden verwacht ongeveer 5,8, 4,9 en 7,9, respectievelijk. Bereken stabiliteitsconstanten volgens de volgende vergelijking 28-32: log K s = ([ML] S / [L] S) × [M] waarbij [M] de concentratie aan vrij Pd (II), Au (III) of Co (II) ionen in oplossing; [L] is de concentratie aan vrij L (dw niet gebonden aan de Pd (II), Au (III) of Co (II) -ionen); en subscript S heeft betrekking op de totale concentratie van Pd (II), Au (III) of Co (II) -ionen in de vaste fase van de wagon-wheel-vormige MSA. Bepaal detectiegrenzen (LOD) van MSAs van Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen als volgt: LOD = 3σ / Ψ waarin σ en Ψ de standaardafwijking en de helling van de ijklijn 40-42. 7. Selectieve-ion-extractie Experimental System OPMERKING: specifieke en sterke metaal-ligand binding als volgt: Stel de pH van de geëxtraheerde oplossing 2, 7 en 5,2 Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen. Alter concentraties van storende metaalionen maal groter dan de concentratie van Pd (II) ≤ 5, Au (III) en Co (II) doelionen. Voeg 2 ml van een complexvormend middel (bijvoorbeeld 0,3-0,5 M citraat / tartraat) om de geëxtraheerde oplossing vóór de toevoeging van doelionen actief beperken reageren van Cu (II) -ionen. 8. Real Winning van metalen in Urban Mine Ontbinding van de PCI-kaart in sterke zuren om de metaalionen te krijgen in oplossing. Voeg MSA aan de oplossing die Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen deze ionen in vaste extraherenMSA. Filter solide MSA en filtraat door ICP-MS analyseren.

Representative Results

Periodieke gyroidal kubieke Ia 3 d monolithische steigers en wagon-wheel-vormige MSAs met grote cilindrische open poriën (tot 10 nm in diameter) werden vervaardigd met behulp van druk bijgestaan ​​directe templates met een P123 copolymeer micro-systeem. TEM microfoto van de MSA's tonen wagon-wheel-achtige kanalen georganiseerd in grote domein maten en in verschillende oriënterende geometrieën in de gyroidal bicontinue kubieke Ia 3 d mesostructuren (figuur 1). Hoewel de L1, L2 en L3 probes direct zijn fysisch gesorbeerde in de monolithische scaffolds (~ 80 mg probe per gram scaffold), de MSAs ontvangen controle over mogelijke uitloging van de liganden bij wassen, detectietoestand assays en chemische behandeling tijdens regeneratie / hergebruik cycli. Wagenwiel-achtige vorm poriën kenmerkte de kubieke Ia 3 d structuren van de MSA, zoals blijkt uit de TEM-beelden (figuur 1). DeHRTEM microfoto opgenomen langs de dominante facet in de [111] richting wijzen op vorming van kubische bi-continue oppervlaktemorfologie 37-39. Zesvoudige symmetrische kanalen met verschillende nano-sized interconnecties in wagenwiel-achtige vorm poriën waren de kenmerken van de kubieke Ia3d rooster structuren van MSA (Figuur 1, midden) 44. Bovendien is de overeenkomst in de eenheidscel rooster het bepalen van TEM micrografen (22,5 nm) met de parameter eenheid cel bepaald door kleine hoek XRD (a = d 211 √6) geeft de vorming van de kubieke Ia3d MSA morfologie. Het uiterlijk van de poriën van verschillende geometrische vormen in deze zesvoudige oriëntatie rond elke wagenwiel patroon is de belangrijkste eigenschap van gecontroleerde Pd (II), Au (III) en Co (II) ion diffusie, adsorptie, en herstel. Figuur 2B geeft aan dat gelijkmatig gevormde porie geometrie en textuureigenschappen van de kubische <em> Ia 3 d MSA-1, MSA-2 en MSA-3 geselecteerd (specifiek oppervlak (S BET) van 560, 520 en 570 m 2 / g, poriënvolume (Vp) van 1,03, 0,98, en 1,09 cm ​​3 / g en een poriegrootte (D / nm) van 8,2, 8,1 en 8,2 nm, respectievelijk, zoals blijkt uit N 2 isotherm resultaten). Deze retentie kubieke Ia 3 d MSA structurele integriteit werd gebruikt voor het rationele ontwerp van de MSA, waarbij het ​​Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen werden gedetecteerd met een snelle responstijd, zelfs bij nanomolaire concentraties (Figuur 3-5). Een groot aantal organische groepen met potentiële functionele actieve sites zijn sterk verankerd op het wagenwiel porie oppervlakken via H-bonding en dispersieve interacties met behoud van de kubieke Ia 3 d geometrie, zoals blijkt uit de Bragg reflectie vliegtuigen (HKL) (Figuur 2A ). De vorming van een stabiele organische-anorganische hybride MSA met geschiktehuisvesting van L1, L2 en L3 in de wagenwiel poriën kan leiden tot geen uitloging van liganden tijdens het metaalion sensing / capture / verwijderen assays en herbruikbaarheid / herstelproces. De specificiteit en gevoeligheid van de wagon-wheel-vormige MSA in de te onderzoeken Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen werden geregeld door de pH op 2, 7 en 5,2, respectievelijk. Deze specifieke pH-waarden zijn het meest geschikt voor de selectieve, gevoelige en efficiënte bewaking en verwijdering van metaalionen gebruik MSA (figuur 6A). De kwantificering procedure voor detectie / vastleggen Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen met MSA-1, MSA-2 en MSA-3 betrokken detecteren van veranderingen in kleurintensiteit op kleur reactietijden (Rt) van 2, 3, en 5 min, respectievelijk. Om de gevoeligheid van de MSA evalueren, werden kleurovergangen in de reflectie spectra die kunnen worden waargenomen door het menselijk oog zorgvuldig gecontroleerd op uiteenlopende metaalionen concentraties(0-5,000 mg / L). Figuren 6B-D tonen veranderingen in kleur en reflectie intensiteit van MSA-1, MSA-2 en MSA-3 bij λ max 384, 486, en 537 nm, respectievelijk. Deze veranderingen duiden metaal-ligand binding gebeurtenissen tijdens de vorming van de octaëdrische [Pd (L1) 2], vierkant-vlakke [Au- (L2)] en octaëdrische [Co (L3) 2] complexen (de stabiliteit constanten van deze complexen hoger dan concurrerende-ion complexen Figuur 7) .De reflectie spectrale respons van de MSAs aangegeven efficiënte detectie / herkenning van metalen. Daarnaast figuur 6F toont aan dat MSA zijn zeer effectief in het verwijderen en monitoring Pd (II), Au (III) en Co (II) ionen uit het stedelijk mijn en LIB oplossingen over een breed concentratiebereik (van ug / l tot mg / l) en zelfs bij de lage-concentratiegrenzen van 0,19, 0,6 en 0,51 ug / l. De ion-sensing / ion-verwijdering efficiëntie van de wagon-schijfvormige MSA richting Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen in afwezigheid en in aanwezigheid van storende ionen werden geëvalueerd (figuur 7). Significante veranderingen in het zichtbare kleurpatronen en reflectie spectra waren duidelijk in de meeste gevallen na toevoeging van 1-18 concurrerende ionen [di (G1) van K (I), Na (I), Li (I), Ca (II ), Fe (III) en Cu (II); (G2) van Cd (II), Pb (II), Hg (II), Ni (II), Mn (II), Al (III); en (G3) van Bi (III), Zn (II), Dy (III), Er (III), Ho (III), La (III)] om het Pd (II), Au (III) en Co (II) ion-systemen, bevestigt selectieve verwijdering en efficiënte bewaking van de doelgroep (T) ionen. Lage concentraties van Ni (II), Cu (II) en Fe (III) -ionen ingegrepen, maar interferenties werden geëlimineerd met 0,3-0,5 M citraat / tartraatoplossing als onderdrukkend middel; geen significante veranderingen in de zichtbare kleur patronen en re fl ectance spectra opgetreden na toevoeging van hoge concentraties van verschillende kationen de voorwaarden optimaal ion-sensing / capture (pH 2, 7 en 5,2, 40 mg van de MSA, volume 20 ml, 25 ° C) (Figuur 7). Deze bevindingen aangegeven selectieve identificatie en de vangst van doelwit ionen in een breed scala van echte monsters die hoge concentraties van concurrerende ionen 45,46. De herbruikbaarheid van de wagon-wheel-vormige MSA werd bepaald door onderzoek van de reflectiespectra van de doelion detectie / capture assays en het bepalen van de opname-efficiëntie (E%) als functie van regeneratie / hergebruik cyclus. Het recyclageproces werd uitgevoerd door het strippen van de Pd (II), Au gedragen (III) en Co (II) ionen uit de MSA oppervlakken (bijv decomplexering). Decomplexering werd bewerkstelligd door behandeling van Pd (II) -, Au (III) – en Co (II) -MSAs respectievelijk 0,1 M HClO 4, 0,1 M thioureum in 1% geconcentreerd HCI, en 2 M HCl. De decomplexering behandeling werd uitgevoerd herhaaldelijk volledig verwijderen Pd (II), Au (III) en Co (II) ionen uit de MSA oppervlakken. UV-vis Spectroskopiëren en ICP-MS werden gebruikt om te bevestigen dat de MSA oppervlakken vrij van metaal (figuur 8). Opname efficiënties voor MSA-1, MSA-2 en MSA-3 werden berekend als% (C A / C 0), waarbij A C is het doelwit ionenconcentratie opname door vaste MSA C en 0 de initiële doelstelling ionenconcentratie. Resultaten gaven aan dat de functionaliteit van de wagen-wiel-vormige MSAs ruim acht regeneratie / hergebruik cycli 46,47 werden gehandhaafd. Het herstel van Pd (II) en Au (III) van elektronisch afval (dat wil zeggen, PCI-kaarten) en Co (II) van LIBs werd uitgevoerd in verschillende fasen uitgevoerd: De eerste fase was de mechanische scheiding van gemalen PCI board componenten. De tweede fase omvatte een voorbehandeling hydrometallurgische proces, waarbij de PCI-board chips (source e-waste) werden uitgeloogd in een mengsel van 2 MH 2 SO 4 and 0,2 MH 2 O 2 bij 90 ° C gedurende 6 uur tot onedele metalen (Cu, Fe, Ni, Al, Li, Mn, Co en Zn) en een suspensie van gedeeltelijk opgeloste kunststof en Pd (II) en Au (III oplossen ) ionen 8. Na filtratie van onopgeloste plastics, werd het residu uitgeloogd met een gecombineerde zuur HCl en HNO3 (3: 1) bij 70 ° C gedurende 3 uur een oplosbare oplossing van Pd vormen (II), Au (III), Ag (I ), Fe (III), Sn (IV) en Al (III) -ionen. De Fe (III), Sn (IV) en Al (III) -ionen te precipiteren door verhoging oplossing pH tot 4,5 onder toepassing van 2 M NaOH en gefiltreerd. AgCl werd geprecipiteerd middels NaCl en afgefiltreerd (figuur 9). Bovendien werden de bibliotheken afvalbestanddelen behandeld met HNO 3, wat leidt tot een mengsel van Co (II), Ni (II), Mn (II), Li (I), Fe (III) en Al (III) -ionen. De derde fase betrof een reeks batch experimenten onder gecontroleerde experimentele omstandigheden. In deze experimenten werden Leach oplossingen gezuiverd, Pd (II) en Au (III)ionen werden hersteld van de elektronisch schroot oplossingen met behulp van MSA-1 en MSA-2 (zie figuur 9) en Co (II) werd hersteld van de belangrijkste producten van het LIB oplossing met behulp van MSA-3 (tabel 1). Na verwijdering werd het filtraat geanalyseerd met ICP-MS. In de vierde fase, het percentage uitlaten van Pd (II) en Au (III) van MSA-1 en MSA-2 van een echte stedelijke mine composietmengsel [0,119 mg / l Pd (II), 0,35 mg / l Au (III ), 0,23 mg / l Ag (I), 7,05 mg / l Cu (II), 5,78 mg / l Ni (II), 13,35 mg / l Fe (III), 7,09 mg / l Al (III)] bepaald. MSA-3 werd gebruikt om de terugwinning van Co schatten (II) ionen uit een echte LIB composietmengsel [1,75 mg / L Co (II), 420 mg / l Ni (II), 350 mg / L Mn (II), 370 mg / L Li (I), 7 mg / l Fe (III), 1 mg / l Al (III)]. De efficiëntie van de opname van Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen door MSA-1, MSA-2 en MSA-3 werd als volgt berekend: E% = C A / C e = C 0 – C e / C <sub> 0, waarbij C A is de beoogde ionenconcentratie opname door vaste MSA en C e en C 0 zijn het doelwit ion concentraties in evenwicht gebracht en de initiële oplossingen. Tabel 1 geeft de resultaten van de real-sample studie van de winning van Pd (II), Au (III) en Co (II) met de MSA; het percentage uitlaten van Pd (II), Au (III) en Co (II) bedroeg ongeveer 79%, 68% en 66%, respectievelijk. De vijfde etappe betrokken herstel experimenten met het strippen van middelen (Figuur 3-5) naar Pd los (II), Au (III) en Co (II) ionen uit de wagon-wheel-vormige MSA oppervlakken. De recovery (R%) werd als volgt berekend:% R = C R / C A, waarbij R C is het doelwit ionenconcentratie in oplossing vrijgegeven door het stripmiddel. ICP-MS analyse van de verzamelde oplossingen aangegeven dat >> 98% van de metaalionen were vrijgegeven door eenvoudige chemische strippen (tabel 1). Dit resultaat geeft aan dat uiterst lage concentraties van Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen werden geëxtraheerd uit de stedelijke mijne door de MSA. Figuur 1. Onderzoek van wagon-wheel-vormige geometrie. HRTEM microfoto van het wagenwiel patroon in de kubieke Ia 3 d structuren van de MSA. Center: kristalvorm. Figuur 2. Bepaling van mesostructured kristalrooster en oppervlakte parameters van wagon-wheel-vormige poriën. XRD-patronen (A) en N 2 adsorptie / desorptie isothermen (B) van de wagen-wiel-vormig, kubieke Ia 3 d MSA. <p class="jove_content"fo: keep-together.within-page = "always"> Figuur 3. Systematische techniek van de vervaardiging van Pd MSA-1. (II) -MSA-1 en Co (II) -MSA-3 via de druk ondersteunde methode. Figuur 4. Systematische techniek van het MSA-3. Vervaardiging van Co (II) -MSA-3 via de druk ondersteunde methode. Figuur 5. Systematische techniek van het vervaardigen van Au (III) MSA-2. -MSA-2 via de bouwstenen protocol. Figuur 6. gecontroleerde pH-afhankelijke Pd (II), Au (III) en Co (II) ion-sEnsing systemen. (A) pH-responsprofielen wagon-wheel-shaped MSA-1, MSA-2 en MSA-3 tijdens de detectie en verwijdering testen van target Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen. De efficiëntie van de reflectie spectra werd gevolgd als functie van de pH bij λ max = 384, 486 en 537 nm, respectievelijk. (B – D) Target-concentratie als functie van de reflectie spectra van MSA-1, MSA-2 en MSA-3, respectievelijk. (E) kleurenkaarten voor MSA met toevoeging van 2 ppm Pd (II), Au (III) en Co (II). (F) Calibration stukken (R – R 0) vs. [Mn +] MSA-1, MSA-2 en MSA-3. Opmerking: R en R 0 vertegenwoordigt de reflectie van het MSA met en zonder toevoeging van doelionen resp. Figuur 7. Onderzoek van Pd (II), Au (III) en Co (II) ion-selectieve (A – C). Selectiviteit van wagon-wheel-shaped MSA-1, MSA-2 en MSA-3 richting van Pd (II) (2 mg / l), Au (III) (1 mg / l) en Co (II) (2 mg / l) ion-ion-detectie en verwijdering assays. (D) Sequential kleurrespons ofMSA-1, MSA-2 en MSA-3 (blank, dwz metaalvrije assay) richting doel Pd (II), Au (III) en Co (II) -ionen na toevoeging van interfererende ionen in één, binaire en groepen ionen (G1-G3). Figuur 8. herbruikbaarheid van wagon-wheel-vormige MSAs (A) Evaluatie van de wagen-wiel-vormig, optische detectie / verwijdering testen van de doelgroep ionen na acht regeneratie / hergebruik cycli (doelion concentratie:. 2 mg / l; pH en signaalresponsie tijdwaarden voor MSA-1, MSA-2 en MSA-3: pH = 2, 7, eend 5,2, Rt = 2, 3, en 5 min, t = 25 ° C). (B) Opname efficiëntie versus regeneratiecyclus nummer. Figuur 9. Real herstel van Pd (II) en Au (III) ionen uit elektronisch schroot oplossingen. Hydrometallurgische behandeling van PCI-kaarten en het herstel van Pd (II) en Au (III) ionen uit elektronisch schroot oplossingen. Doelionen Doelion-bepaling Doelionen (mg / l) Gecoëxisteerd metaalionen (mg / l) E% R% </tr> Pd (II) C 0 0,119 Ag (I): 0,23, Au (III): 0,35, Al (III): 7,09, Ni (II): 5,78, Fe (III): 13,35, Cu (II): 7,05 79 97 C e 0,025 Ag (I): 0,225, Au (III): 0,351, Al (III): 7,11, Ni (II): 5,77, Fe (III): 13,32, Cu (II): 6,95 CR 0,0913 Ag (I): 0,00, Au (III): 0,001, Al (III): 0,00, Ni (II): 0,002, Fe (III): 0,005, Cu (II): 0,009 Au (III) C 0 0.35 Ag (I): 0,23, Pd (II): 0,119, Al (III): 7,09, Ni (II): 5,78, Fe (III): 13,35, Cu (II): 7,05 68 98 C e 0.11 Ag (I): 0,231, Pd (II): 0,118, Al (III): 7,00, Ni (II): 5,66, Fe (III): 13,29, Cu (II): 6,92 CR 0,235 Ag (I): 0,00, Pd (III): 0,002, Al (III): 0,00, Ni (II): 0,004, Fe (III): 0,003, Cu (II): 0,01 Co (II) C 0 1.75 Ni (II): 420, Mn (II): 350, Li (I): 370, Fe (III): 2,00, Al (III): 0,40 66.3 95 C e 0.59 Ni (II): 419,34, Mn (II): 350,06, Li (I): 370, Fe (III): 1,91, Al (III): 0,05 CR 1.15 Ni (II): 0,85, Mn (II): 0,00, Li (I): 0,00, Fe (III): 0,05, Al (III): 0,02 Tabel 1. De kwantitatieve bepaling van metaalionen in echte monsters. ICP-MS analytische gegevens voor het herstel van Pd (II), Au (III) en Co (II) ionen in elektronisch schroot en LIB oplossingen.

Discussion

Wereldwijd groeit de vraag naar een middel om nauwkeurig en snel detecteren selectief herkennen en herstellen Pd (II), Au (III), en ionen uit elektronisch afval en LIB oplossingen Co (II). Om dit probleem aan te pakken, wagen-wiel-vormig, optische MSAs voor chemische detectie / verwijdering / extractie en herstel van deze metaalionen werden ontwikkeld.

(1) receptoren en (2) immobilisatie / transduceren steigers: het ontwerpen van de MSA, werden twee belangrijke factoren als volgt overwogen. Receptoren zijn biologische liganden verantwoordelijk voor de selectiviteit van de MSA; steigers zijn verantwoordelijk voor de stabiliteit, herbruikbaarheid en gevoeligheid van de MSA. Vanwege hun zeer uniforme kanalen, grote oppervlakken, poriëngrootteverdeling en controleerbare wagen-wielstructuur, dat gewoonlijk wordt geassocieerd met de [111] projectie van de kubische bicontinue oppervlaktemorfologie (figuren 1 en 2), het MSA-gebaseerde wagon wiel Ia 3 dmesostructuur materiaal scaffolds verschaft controle over de mogelijke eisen van deze detectie / verwijdering / extractie en terugwinning werkwijze als volgt: (1) de stabiliteit van ligand-inbedding HOM vaste stof (dat wil zeggen geen uitloging van de liganden bij het ​​wassen), (2) detectietoestand assays, en (3) omstandigheden chemische behandeling tijdens de regeneratie / hergebruikcycli (dwz na acht cycli); hoge ligand-oppervlak dekking en spreiding; mechanische robuustheid; en efficiënte invordering verwerkbaarheid van stedelijke mijne.

Om de stabiele en robuuste MSAs ontwerp, de monofunctionalization van de wagon wiel inwendige poriën oppervlak of achtereenvolgens opnemen van verschillende liganden te vervaardigen (bijvoorbeeld L1, L2 en L3, Figuren 3-5) in de HOM scaffolds kan worden bereikt door druk ondersteunde co-condensatie; de high-order hybriden MSA-1 en MSA-3 werden verkregen met behulp L1 en L3, respectievelijk. Gecontroleerde ontwerp van MSA-2 was gebaseerd op de-afgestemd oppervlak patronen of de mesoscopische wagenwiel steigers architecturen. Dit werd bewerkstelligd door toepassing van een dispergeerbaar actief middel (DDAB) die leidde tot de dichte inrichting van L2 seingevingscentra in de wagon wheel porie holten. Met deze MSA ontwerpen, kunnen metaalionen communiceren met organische groepen van niet-covalente binding (bijvoorbeeld waterstofbruggen), metalen coördinatie, hydrofobe krachten, van der Waals krachten, π-π interacties en elektrostatische en / of elektromagnetische effecten (figuren 3-5 ). Bij detectie assays, kunnen nanoengineered MSAs worden geactiveerd door een target Pd (II), Au (III) of Co (II) ionen soorten en transduceren meetbare optische signalen onder synergistische pH, reactietemperatuur en contacttijd (reactietijd) voorwaarden waardoor de binding van de metalen in een hydrofoob of hydrofiel ligand pocket worden nagebootst. De ontwikkelde MSA niet alleen verwijderd Pd (II), Au (III) en Co (II) ionen uit complexe milieumatrices ook voorzien van een middel voor een eenvoudige visuelecolorimetrische schatting van de metaalionconcentratie; UV-vis spectroscopie reflectie gevoelig gekwantificeerd metaalionconcentratie over een breed concentratiebereik (Figuren 3-6). Aldus MSAs een eenvoudige en gevoelige colorimetrische gebaseerde oplossing voor veranderingen over een breed scala van metaal ion concentraties alsmede een middel om de gevoelige kwantificatie van de doelionen detecteren, waardoor de noodzaak tot geavanceerde instrumenten voorkomen. Zelfs bij uiterst lage concentraties (≤0.19 ug / L), een signaalverandering van de reflectiespectra van de sensoren bleek tijdens de vorming van de complexen (figuur 1).

In batch sensing / verwijdering / afzuiginstallaties, een groot voordeel van de wagon-wheel-vormige MSA is hun selectiviteit richting doel ionen, waardoor hinder voorkomen bemoeien concurrerende ionen. Figuur 6 bevestigde de selectieve verwijdering en efficiënte bewaking van Pd (II) Au (III) en Co (II) -ionen doorde optische MSA. De verwaarloosbare verandering van de reflectie van de signalen MSA in aanwezigheid van concurrerende ionen aangegeven zijn zwakke chelaten gevormd tussen concurrerende metalen en L1, L2 en L3, bijzonder bij pH 2, 7 en 5,2, respectievelijk. De selectiviteit van de MSA kan worden toegeschreven aan de vorming van zeer stabiele octaëdrische [Pd (L1) 2], vierkant-vlakke [Au- (L2)] en octaëdrische [Co (L3) 2] complexen.

Voor het beoordelen van de kosteneffectiviteit, recycleerbaarheid en duurzaamheid van wagon-wheel-vormige MSAs na herhaalde regeneratie / hergebruik cycli werden onderzocht. Figuur 8 toont dat de MSA behield een hoog rendement voor de detectie / verwijdering / extractie van Pd (II), Au ( III) en Co (II) ionen op herhaalde regeneratie / hergebruik cycli, hoewel algehele efficiëntie daalde licht na de zesde regeneratie / hergebruik cyclus. De stabiliteit van de kubische Ia 3 d mesostructuur en de opneming van L1, L2 en L3 in de ofdered wagon-wheel-vormige poriën (veroorzaakt door een sterke H-bonding en dispersieve interacties) spelen een belangrijke rol bij het ​​handhaven van de functionaliteit van de ion-sensing / capture-systeem door middel van verschillende regeneratie / hergebruik cycli (zie figuur 7).

Terugwinnen van Pd (II), Au (III) en Co (II) ionen uit de stedelijke mijne kan helpen de schade aan het milieu in verband met de mijnbouw deze metalen, in het bijzonder met betrekking tot de gevolgen voor het land en het klimaat te beperken. Met behulp van echte stedelijke mijne monsters, hebben de resultaten laten zien dat de hierin beschreven MSAs selectief kan herstellen Pd en Au van e-waste, en Co uit afgedankte LIBs (tabel 1 en figuur 9), maar praktisch, schaalbare proces blijft uitdaging voor de toekomst toepasbaarheid van het metaal herstel van stedelijke mijne.

Op grond van de voorgestelde beheerprotocol, twee hoofdcomponenten van groot belang voor het verbeterde metaalion toegankelijkheid adsorptiecapaciteit, En herstel in de heterogene processen. Ten eerste, het grote oppervlak-tot-volume verhoudingen open cilindrische poriën van de wagon wheel kubieke Ia 3 d mesostructuren (MSA) bevorderen oriënterende ligand samenstel (zoals blijkt uit de flexibele interactie van Pd (II), Au (III) en Co (II) ionen met L1, L2 en L3 en de hoge affiniteit van de metaal-ligand binding events) (figuren 3-5). Ten tweede, de selectieve adsorptie / detectie / extractieproces voornamelijk afhankelijk van de structuur van het cheleringsmiddel, de experimentele condities (met name pH), de samenstelling van het ion systeem, de metaal ion concentraties en metaal-ligand binding events. Hoewel dit protocol laat aanzienlijke vooruitgang in de kwaliteit en efficiëntie van de terugwinning werkwijzen worden verdere inspanningen nodig zodat ze kunnen worden gebruikt in andere veeleisende toepassing van milieu afvalstoffen, waarin zij verrijkt met hoge doses van actieve concurrerende metalen zoals Cu (II), Fe (III) eend Ni (II) -ionen.

Tot slot, hebben efficiënte, kosteneffectieve, wagon-wheel-vormige MSAs ontwikkeld voor het herstellen van palladium, goud en kobalt metalen uit de stedelijke mijne. De resultaten aantonen dat MSA nuttig zal zijn in het verschaffen van een route naar een duurzame van goud, palladium, kobalt en aan de behoeften van de moderne samenleving voldoen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door het Ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en Technologie en het ministerie van Milieu, de regering van Japan.

Materials

Tetramethylorthosilicate (TMOS) Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 681-84-5 Molecular Weight 152.22; Linear Formula Si(OCH3)4; 218472-500G
Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol), PEG-PPG-PEG, Pluronic® P-123 Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 9003-11-6 average Mn ~5,800
Sodium citrate tribasic dehydrate Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 6132-04-3 Linear Formula HOC(COONa)(CH2COONa)2 · 2H2O; Molecular Weight 294.10; S4641-500G
Pentadecane, C15 Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 629-62-9 Linear Formula CH3(CH2)13CH3; Molecular Weight 212.41
3-(N-Morpholino)propanesulfonic acid (MOPS) Tokyo Chemical Industry Con, LTD (TCI) CAS Number：1132-61-2, Product Number M0707 Linear Formula C7H15NO4S, M1254-250G, Molecular Weight 209.26
2-(cyclohexylamino) ethane sulfonic acid (CHES) Tokyo Chemical Industry Con, LTD (TCI) CAS Number：103-47-9, Product Number C0920 Linear Formula C8H17NO3S,  Molecular Weight 207.29
N-cyclohexyl-3-aminopropane sulfonic acid (CAPS) Dojindo Chemicals (Japan) 343-00484, Lot.DE132 Linear Formula C9H19NO3S, M1254-250G, Molecular Weight 221.32
2-Nitroso-1-naphthol (NN) Tokyo Chemical Industry Con, LTD (TCI) Product Number N0267 Linear Formula ONC10H6OH, M1254-250G, Molecular Weight 173.17
Sunset Yellow FCF Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 2783-94-0 Empirical Formula (Hill Notation) C16H10N2Na2O7S2, Molecular Weight 452.37, 465224-25G
Diphenylthiocarbazone Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 60-10-6 Linear Formula C6H5NHNHCSN=NC6H5, Molecular Weight 256.33, 194832-10G
4-hydrazinobenzoic acid Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 619-67-0 Linear Formula H2NNHC6H4CO2H, Molecular Weight 152.15, 246395-25G
Carbon disulfide Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 75-15-0 Empirical Formula (Hill Notation) CS2, Molecular Molecular Weight 76.14, 335266-100ML
Ethanol absolute Sigma–Aldrich Company Ltd. (USA) CAS Number 64-17-5 Linear Formula CH3CH2OH, Molecular Weight 46.07, 24102-1L-R
Small angle powder X-ray diffraction (XRD)  Bruker D8 Advance Small angle powder X-ray diffraction (XRD) patterns were measured by using a 18 kW diffractometer (Bruker D8 Advance) with monochromated CuKα radiation and with scattering reflections recorded for 2θ angles between 0.1o and 6.5o corresponding to d-spacing between 88.2 and 1.35 nm. First, the powder samples were ground and spread on a sample holder. The samples were scanned in the range from 2θ = 0.1–6.5o with step size of 0.02o. To confirm the resolution of the diffraction peaks with standard reproducibility in 2θ (±0.005), the sample measurement was recorded by using both graphite monochromator and Göbel mirror detectors. Both detectors were used to generate focusing beam geometry and parallel primary beam. The sample measurement was repeated three times under rotating at various degrees (15o, 30o and 45o). 
N2 adsorption–desorption isotherms  BELSORP MIN-II analyzer (JP. BEL Co. Ltd) N2 adsorption–desorption isotherms were measured using a BELSORP MIN-II analyzer (JP. BEL Co. Ltd) at 77 oK. The pore size distribution was determined from the adsorption isotherms by using nonlocal density functional theory (NLDFT). Specific surface area (SBET) was calculated using multi-point adsorption data from a linear segment of the N2 adsorption isotherms using Brunauer–Emmett–Teller (BET) theory. Before the N2 isothermal analysis, all prepared samples were pre-treated at 100oC for 8 h under vacuum until the pressure was equilibrated to 10−3 Torr.
High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM)  JEOL JEM model 2100F microscope High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) was performed using a JEOL JEM model 2100F microscope. HRTEM was conducted at an acceleration voltage of 200 kV to obtain a lattice resolution of 0.1 nm. The HRTEM images were recorded using a CCD camera. In the HRTEM characterization, the sample was dispersed in ethanol solution using an ultrasonic cleaner, and then dropped on a copper grid. Prior to inserting the samples in the HRTEM column, the grid was vacuum dried for 20 min. Energy Dispersive X-ray micro-analyzers (EDX) were recorded by employing Horiba EDS-130S, which directly connected with Hitachi FE-SEM S-4300. Elemental mapping of all samples was carried out with the energy dispersive X-ray micro-analyzers with an acceleration voltage of 30 kV. Ten distinct spots were analyzed per sample, which resulted in 99% confidence bounds of ±0.01 in the molar fraction of each cation (with their sum normalized to unity). 
UV-Vis-NIR spectrophotometer Shimadzu 3700 The absorbance spectrum of the nano-collectors material was measured by UV-Vis-NIR spectrophotometer (Shimadzu 3700).
Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) Perkin Elmer Elan-6000 ICP-MS In selective removal, metal ion concentrations were determined by ICP-AES. The instrument was calibrated using four standard solutions containing 0, 0.5, 1.0 and 2.0 mg/L (for each element) and the correlation coefficient of calibration curve was higher than 0.9999.
inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) PerkinElmer Elan-6000 
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chung, S. -. W., Murakami-Suzuki, R., Kojima, M. A Comparative study of e-waste recycling systems in Japan, South Korea and Taiwan from the EPR perspective: Implications for Developing Countries. Promoting 3Rs in developing countries-Lessons from the Japanese experience. , 125-145 (2008).
  2. Li, J., Lu, H., Guo, J., Xu, Z., Zhou, Y. Recycle technology for recovering resources and products from waste printed circuit boards. Environ. Sci. Technol. 41 (6), 1995-2000 (2007).
  3. Ammen, C. W. . Recovery and Refining of Precious Metals. , 99-138 (1984).
  4. Hageluken, C. Recycling the platinum group metals: A European Perspective. Platinum Metals Rev. 56 (1), 29-35 (2012).
  5. Hall, W. J., Williams, P. T. Separation and recovery of materials from scrap printed circuit boards. Resour. Conserv. Recy. 51 (3), 691-709 (2007).
  6. Tuncuk, A., Stazi, V., Akcil, A., Yazici, E. Y., Deveci, H. Aqueous metal recovery techniques from e_scrap: Hydrometallurgy in recycling. Miner. Eng. 25 (1), 28-37 (2012).
  7. Huang, K., Guo, J., Xu, Z. Recycling of waste printed circuit boards: A review of current technologies and treatment status in China. J. Hazard. Mater. 164 (2-3), 399-408 (2009).
  8. Oh, C. J., Lee, S. O., Yang, H. S., Ha, T. J., Kim, M. J. Selective leaching of valuable metals from waste printed circuit boards. J. Air Waste Manage. 53 (7), 897-902 (2003).
  9. Birloaga, I., De Michelis, I., Ferella, F., Buzatu, M., Vegliò, F. Study on the influence of various factors in the hydrometallurgical processing of waste printed circuit boards for copper and gold recovery. Waste Manage. 33 (4), 935-941 (2013).
  10. Park, Y. J., Fray, D. J. Recovery of high purity precious metals from printed circuit boards. J. Hazard. Mater. 164 (2-3), 1152-1158 (2009).
  11. El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Ismael, M., Khairy, M., Awual, M. R. Optical mesosensors for monitoring and removal of ultra-trace concentration of Zn(II) and Cu(II) ions from water. Analyst. 137 (22), 5208-5214 (2012).
  12. El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Ismael, M., Khairy, M., Awual, M. R. Mesoporous aluminosilica sensors for the visual removal and detection of Pd(II) and Cu(II) ions. Microporous Mesoporous Mater. 166, 195-205 (2013).
  13. Khairy, M., El-Safty, S. A., Shenashen, M. A. Environmental remediation and monitoring of cadmium. TrAC Trends Anal. Chem. 62, 56-68 (2014).
  14. Elci, L., Soylak, M., Buyuksekerci, E. B. Separation of gold, palladium and platinum from metallurgical samples using an amberlite XAD-7 resin column prior to their atomic absorption spectrometric determination. Anal. Sci. 19 (12), 1621-1624 (2003).
  15. Medved, J., Bujdos, M., Matus, P., Kubova, J. Determination of trace amounts of gold in acid-attacked environmental samples by atomic absorption spectrometry with electrothermal atomization after preconcentration. Anal. Bioanal. Chem. 379 (1), 60-65 (2004).
  16. Liu, P., Pu, Q., Su, Z. Synthesis of silica gel immobilized thiourea and its application to the on-line preconcentration and separation of silver, gold and palladium. Analyst. 125 (1), 147-150 (2000).
  17. El-Safty, S. A. Functionalized hexagonal mesoporous silica monoliths with hydrophobic azo- chromophore for enhanced Co(II) ion monitoring. Adsorption. 15 (3), 227-239 (2009).
  18. Zhao, J. M., Shen, X. Y., Deng, F. L., Wang, F. C., Wu, Y., Liu, H. Z. Synergistic extraction and separation of valuable metals from waste cathodic material of lithium ion batteries using Cyanex272 and PC-88A. Sep. Purf. Technol. 78 (3), 345-351 (2011).
  19. Swain, B., Jeong, J., Lee, J. C., Lee, G. H., Sohn, J. S. Hydrometallurgical process for recovery of cobalt from waste cathodic active material generated during manufacturing of lithium ion batteries. J. Power Sources. 167 (2), 536-544 (2007).
  20. El-Safty, S. A., Awual, M. R., Shenashen, M. A., Shahat, A. Simultaneous optical detection and extraction of cobalt(II) from lithium ion batteries using nanocollector monoliths. Sens. Actut. B Chem. 176, 1015-1025 (2013).
  21. Barefoot, R. R., Van Loon, J. C. Recent advances in the determination of the platinum group elements and gold. Talanta. 49 (1), 1-14 (1999).
  22. Gureva, R. F., Savvin, S. B. Spectrophotometric methods for determining noble metals. J. Anal. Chem. 57 (11), 980-996 (2002).
  23. Zhang, S., Pu, Q., Liu, P., Sun, Q., Su, Z. Synthesis of amidinothioureido-silica gel and its application to flame atomic absorption spectrometric determination of silver, gold and palladium with on-line preconcentration and separation. Anal. Chim. Acta. 452 (2), 223-230 (2002).
  24. Hinds, M. Determination of gold, palladium and platinum in high purity silver by different solid sampling graphite furnace atomic absorption spectrometry methods. Spectrochim. Acta B. 48 (3), 435-445 (1993).
  25. Elshehy, E. A., El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Khairy, M. Design and evaluation of optical mesocaptor for the detection/recovery of Au(III) from an urban mine. Sens. Actuat. B Chem. 203, 363-374 (2014).
  26. Safavi, A., Shams, E. Highly sensitive and selective measurements of cobalt by catalytic adsorptive cathodic stripping voltammetry. Talanta. 51 (6), 1117-1123 (2000).
  27. Singh, A. K., Mehtab, S., Saxena, P. A novel potentiometric membrane sensor for determination of Co2+based on 5-amino-3-methylisothiazole. Sens. Actut. B-Chem. 120 (2), 455-461 (2007).
  28. Shenashen, M. A., Elshehy, E. A., El-Safty, S. A., Khairy, M. Visual monitoring and removal of divalent copper, cadmium, and mercury ions from water by using mesoporous cubic Ia3d aluminosilica sensors. Sep. Purif. Technol. 116, 73-86 (2013).
  29. Shenashen, M. A., El-Safty, S. A., Elshehy, E. A. Architecture of optical sensor for recognition of multiple toxic metal ions from water. J. Hazard. Mater. 260, 833-843 (2013).
  30. Khairy, M., El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Elshehy, E. A. Hierarchical inorganic-organic multi-shell nanospheres for intervention and treatment of lead-contaminated blood. Nanoscale. 5 (17), 7920-7927 (2013).
  31. El-Safty, S. A., Khairy, M., Ismael, M. Visual detection and revisable supermicrostructure sensor systems of Cu(II) analytes. Sens. Actut. B-Chem. 166-167, 253-263 (2012).
  32. Rampazzo, E., Brasola, E., Marcuz, S., Mancin, F., Tecilla, P., Tonellato, U. Surface modification of silica nanoparticles: a new strategy for the realization of self-organized fluorescence chemosensors. J. Mater. Chem. 15 (27-28), 2687-2696 (2005).
  33. Han, W. S., Lee, H. Y., Jung, S. H., Lee, S. J., Jung, J. H. Silica-based chromogenic and fluorogenic hybrid chemosensor materials. Chem. Soc. Rev. 38 (7), 1904-1915 (2009).
  34. Shenashen, M. A., El-Safty, S. A., Elshehy, E. A., Khairy, M. Hexagonal-prism-shaped optical sensor/captor for the optical recognition and sequestration of PdII ions from urban mines. Eur. J. Inorg. Chem. 2015, 179-191 (2015).
  35. Ros-Lis, J. V., Casasus, R., Comes, M., Coll, C., Marcos, M. D., Martinez-Manez, R., Sancenon, F., Soto, J., Amoros, P., El Haskouri, J., Garro, N., Rurack, K. A mesoporous 3D hybrid material with dual functionality for Hg2+ detection and adsorption. Chem. Eur. J. 14, 8267-8278 (2008).
  36. Jung, J. H., Lee, J. H., Shinkai, S. Functionalized magnetic nanoparticles as chemosensors and adsorbents for toxic metal ions in environmental and biological fields. Chrm. Soc. Rev. 40 (9), 4464-4474 (2011).
  37. El-Safty, S. A., Hanaoka, T. Microemulsion liquid crystal templates for highly ordered three-dimensional mesoporous silica monoliths with controllable mesopore structures. Chem. Mater. 16 (9), 384-400 (2004).
  38. El-Safty, S. A., Hanaoka, T. Fabrication of crystalline, highly ordered three-dimensional silica monoliths (HOM-n) with large, morphological mesopore structures. Adv. Mater. 15 (22), 1893-1899 (2003).
  39. El-Safty, S. A., Hanaoka, T. Monolithic nanostructured silicate family templated by lyotropic liquid-crystalline nonionic surfactant mesophases. Chem. Mater. 15 (22), 2892-2902 (2003).
  40. Balaji, T., El-Safty, S. A., Hanaoka, T., Matsunaga, H., Mizukami, F. Optical sensors-based nanostructured cage materials for detection of toxic metal ions. Angew. Chem. Int. Ed. 45 (43), 7202-7208 (2006).
  41. Huang, J., Gao, X., Jia, J., Kim, J. -. K., Li, Z. Graphene oxide-based amplified fluorescent biosensor for Hg2+ detection through hybridization chain reactions. Anal. Chem. 86 (6), 3209-3215 (2014).
  42. El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Ismael, M., Khairy, M. Mesocylindrical aluminosilica monolith biocaptors for size-selective macromolecule cargos. Adv. Funct. Mater. 22 (14), 3013-3021 (2012).
  43. Kreno, L. E., Leong, K., Farha, O. K., Allendorf, M., Van Duyne, R. P., Hupp, J. T. Metal Organic Framework Materials as Chemical Sensors. Chem. Rev. 112 (3), 1105-1125 (2012).
  44. El-Safty, S. A., Hanaoka, T., Mizukami, F. Large scale design of cubic la3d mesoporous silica monoliths with high order, controlled pores, and hydrothermal stability. Adv. Mater. 17 (1), 47-53 (2005).
  45. El-Safty, S. A., Shenashen, M. A. Mercury-ion optical sensors. Trends Anal. Chem. 38 (1), 98-115 (2012).
  46. El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Ismail, A. A. A multi-pH-dependent, single optical mesosensor/captor design for toxic metals. Chem. Commun. 48 (77), 9652-9654 (2012).
  47. Shenashen, M. A., El-Safty, S. A., Elshehy, E. A. Monolithic scaffolds for highly selective ion sensing/removal of Co(II), Cu(II), and Cd(II) ions in water. Analyst. 139 (24), 6393-6405 (2014).

Tags

PalladiumGoldCobaltUrban MineMetal RecoveryNanoscale Porous AdsorbentsOptical MesosensorsChelating AgentsSelective AdsorptionIndustrial WasteRecycling

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
El-Safty, S. A., Shenashen, M. A., Sakai, M., Elshehy, E., Halada, K. Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores. J. Vis. Exp. (106), e53044, doi:10.3791/53044 (2015).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image