< Terug naar vorige pagina

Project

Intensievere metaalzuivering door solventextractie met ionische vloeistoffen in milliflow-reactoren

Metalen in hoge zuiverheid zijn essentieel voor veel hedendaagse toepassingen zoals elektrische voertuigen, zonnecellen, wind-turbines en smartphones. Metalen zijn echter niet onmiddellijk in de benodigde zuiverheid beschikbaar. Metaalproductie vereist daarom doorgaans een reeks aan verschillende productiestappen om die zuiverheid te bereiken. Eén van dergelijke stappen is solventextractie, een techniek die vaak gebruikt wordt voor het scheiden of zuiveren van metalen op basis van verschillen in hun verdeling over twee niet-mengbare vloeistoffen.

Tijdens de zoektocht naar duurzamere solventextractie-processen, heeft het gebruik van ionische vloeistoffen sterk aan populariteit gewonnen. Ionische vloeistoffen zijn solventen die volledig uit ionen bestaan en worden gekenmerkt door een verwaarloosbare dampspanning, hoog vlampunt en intrinsieke elektrische geleidbaarheid. Dergelijke eigenschappen zorgen ervoor dat ionische vloeistoffen als veiliger en milieuvriendelijker worden beschouwd dan de conventionele, moleculaire solventen die doorgaans voor solventextractie gebruikt worden. Bovendien zijn ionische vloeistoffen, vanwege hun modulair en ionisch karakter, erg aanpasbaar en kunnen ze op maat gemaakt worden voor een specifieke toepassing. Hierdoor kan vaak een verhoogde efficiëntie en/of selectiviteit bereikt worden. Ondanks de vele voordelen is de praktische toepassing van ionische vloeistoffen vandaag de dag nog erg beperkt. Door hun hoge kostprijs is de vervanging van goedkopere, moleculaire chemicaliën vaak moeilijk te verantwoorden. Daarnaast zijn ionische vloeistoffen gekenmerkt door een erg hoge viscositeit die mechanische handelingen en massa- en warmteoverdracht sterk kan hinderen.

Recentelijk is het gebruik van milli- of microflow-reactoren voorgesteld als een mogelijke oplossing voor deze hinderpalen. Milliflow-technologie omvat het hanteren van vloeistoffen in kleine kanaaltjes, vaak met een diameter van minder dan 5 mm. Het gebruik van die kleine reactordimensies gaat gepaard met een verbeterde massa- en warmteoverdracht, verhoogde specifieke interfaseoppervlaktes, een verminderd energieverbruik en een verhoogde controle over het proces. In combinatie met de kleine reactorvolumes, kan dus een veel intensiever solvent gebruik verwacht worden wat de toepassing van ionische vloeistoffen mogelijks economisch interessant kan maken. Tot op heden zijn er echter slechts een beperkt aantal wetenschappelijke werken verschenen die metaalextracties met ionische vloeistoffen in milli- of microflow-reactoren beschrijven.

In dit doctoraatsproject werd daarom het gebruik van ionische vloeistoffen in combinatie met milliflow-reactoren onderzocht voor de scheiding en zuivering van metalen door middel van solventextractie. Het eerste luik van het werk omvatte de ontwikkeling van twee nieuwe solventextractie-processen met onverdunde ionische vloeistoffen. De onderzochte gevalstudies, namelijk de scheiding van edelmetalen en de zuivering van germanium, zijn relevant voor de industrie. Edelmetalen worden bijvoorbeeld gebruikt in uitlaat-katalysatoren van auto’s en elektronica, terwijl germanium toegepast wordt in glasvezelkabels en fotovoltaïsche cellen. In het eerste solventextractie-proces dat werd ontwikkeld, worden goud en palladium gescheiden uit oplossingen rijk aan koper en ijzer door middel van een kwaternaire ammonium-bromide ionisch vloeistof. Dit proces zou eventueel toepassing kunnen vinden in de recyclage van oude elektronische apparatuur. Het tweede proces dat werd ontwikkeld omvat de scheiding van germanium en onzuiverheden zoals zink, ijzer, koper en arseen door middel van een kwaternaire ammonium-waterstofsulfaat ionisch vloeistof. Een mogelijke toepassing is hier de winning van germanium uit zinkraffinarijresidu’s.

In een tweede deel van het werk werd de toepassing van de ontwikkelde scheidingsprocessen in een milliflow-reactor onderzocht. Onverdunde ionische vloeistoffen werden compatibel bevonden met milliflow-reactoren en een betere massatransfer en snelle metaalextracties werden waargenomen. Een toegenomen extractieselectiviteit kon worden bereikt op basis van verschillen in extractiesnelheid en een precieze controle van de extractiecondities en -tijd. Na vergelijking en evaluatie van de hydrodynamische en massatransfer-karakteristieken van zowel onverdunde als verdunde ionische vloeistoffen werd uiteindelijk een geïntegreerde opstelling gebouwd die verschillende metallurgische operaties combineert in één enkele milliflowreactor setup.

Gezien er in dit onderzoek ionische vloeistoffen met verschillende anionen gebruikt werden, werd in het laatste deel van het werk de metathese of anionuitwisseling van ionische vloeistoffen verder bestudeerd. Om de voortgang van dergelijke anionuitwisselingsprocessen te volgen, werd een nieuwe analytische methode op basis van golflengte-dispersieve röntgenfluorescentie ontwikkeld. De metathese van ionische vloeistoffen werd vervolgens onderzocht in een laboratoriumschaal mixer-settler opstelling. Door gebruik te maken van een tegenstroom-configuratie, konden aanzienlijke verbeteringen in productconversie, reagensverbruik en afvalproductie worden bereikt.

Datum:7 sep 2018 →  2 sep 2022
Trefwoorden:solvent extraction, ionic liquid, milliflow
Disciplines:Analytische chemie, Fysische chemie, Organische chemie, Anorganische chemie, Farmaceutische analyse en kwaliteitszorg, Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica
Project type:PhD project