Selective adsorption of scandium with functionalized chitosan-silica hybrid materials in the context of the valorization of bauxite residue
Red mud: afvalproduct of bron van kostbare metalen?
De huidige generatie wetenschappers denkt meer toekomstgericht dan vroeger. Voornamelijk op vlak van milieu gebeurt er heel wat onderzoek. Zo zijn er heel wat afvalstromen (afkomstig van industriële processen) die schadelijk zijn voor het milieu. Zo kunnen (toxische) metalen de omgeving vervuilen of kan de zuurtegraad van de afvalstromen negatieve gevolgen hebben voor het milieu. 'Red mud' is zo'n afvalproduct, welk afkomstig is van het productieproces van aluminiumoxide, de voorloper van aluminium. In dit red mud is ook scandium aanwezig, een zeer kostbaar metaal. Scandium is zo kostbaar omdat het zeer verspreid aanwezig is op het aardoppervlakte waardoor de ontginning ervan economisch gezien niet rendabel is. Meer dan 90 % van de economische waarde van red mud is afkomstig van het aanwezige scandium, ook al bestaat red mud slechts voor ongeveer 0.01 % uit scandium. Indien men dit kostbare scandium uit het afvalproduct kan halen, kan dit zowel economisch als ecologisch gezien voordelig zijn.
Het grote probleem: ijzer
Er bestaan reeds verscheidene methodes om scandium uit red mud te halen. Het eerste grote probleem is echter dat ijzer zeer gelijkaardige eigenschappen heeft ten opzichte van scandium waardoor de scheiding van deze twee elementen zeer moeilijk is. Het tweede grote probleem is dat ijzer in enorme concentraties aanwezig is (ongeveer 45 % van red mud bestaat uit ijzer). Het zoeken van een manier om scandium te scheiden van ijzer, rekening houdend met de enorme overmaat aan ijzer, is een enorme uitdaging.
Een ideale oplossing: chitosan
Een ideale oplossing zou zijn om het scandium uit het red mud te halen met behulp van een natuurlijk adsorbent. Dit adsorbent dient dan uiteraard wel de correcte eigenschappen te hebben, namelijk een adsorptie uitsluitend voor scandium en een zo lage mogelijke aantrekking tot ijzer. Chitosan is een adsorbent met een enorm potentieel. De belangrijkste eigenschappen van chitosan zijn dat het een natuurlijk product is dat uit de afvalproducten van de schaaldier verwerkende industrie kan gehaald worden, dat het onuitputbaar is, dat het goedkoop is en dat de chemische structuur eenvoudig kan aangepast worden om zo de selectiviteit ten opzichte van scandium nog meer te verhogen. De nadruk dient gelegd te worden op de mogelijkheid om de chemische structuur op een vrij eenvoudige wijze te wijzigen. Dit zorgt namelijk voor een enorm palet aan mogelijkheden.
Er is wel een belangrijke beperking bij het gebruik van chitosan als adsorbent: het kan slechts gebruikt worden onder strikte omgevingsvoorwaarden (temperatuur, zuurtegraad, ...). Daarom wordt de structuur van chitosan eerst verstevigd door het chemisch te laten reageren met silica, een belangrijk bestanddeel van zand. De stabiliteit van de gevormde chitosan-silica structuur is minder afhankelijk van de omgeving.
Er is reeds al heel wat onderzoek gedaan naar de adsorptie van bepaalde elementen. Zo zijn er in de literatuur verscheidene chemische groepen gekend, functionaliteiten genoemd, die van nature een hoge aantrekking tot scandium hebben. Enkele van deze groepen (DTPA en EGTA) werden dan, door middel van het aanpassen van de chemische structuur, in het chitosan-silica ingebracht waardoor de aantrekkingskracht van het adsorbent tot scandium verhoogd werd. Zo heeft men testen uitgevoerd op niet-gefunctionaliseerd chitosan-silica, DTPA-chitosan-silica en EGTA-chitosan-silica.
Synthetische oplossingen
Aangezien het enorm moeilijk is om de opgaande reacties of mechanismen in een complex mengsel (= een mengsel met meerdere elementen tegelijk aanwezig) te bestuderen, werd er geopteerd om eerst de mechanismen te bestuderen in eenvoudige, synthetische oplossingen. De mechanismen werden bestudeerd voor zuiver scandium oplossingen, zuiver ijzer oplossingen en voor scandium/ijzer mengsels. Door zuivere mengsels te gebruiken, kon men het exacte adsorptiemechanisme van het element (scandium of ijzer) ten opzichte van het desbetreffende adsorbent bestuderen zonder invloed van andere elementen. Door een mengsel van beide te gebruiken, kon men dan weer de interactie tussen de twee elementen en het adsorbent bestuderen. Zo kan de aanwezigheid van het ene element een invloed hebben op het adsorptiemechanisme van het andere element. De voornaamste parameters die bestudeerd werden, waren de minimale tijd om tot verzadiging van het oppervlakte van het adsorbent te komen, de minimale benodigde hoeveelheid adsorbent om een bepaald rendement te verkrijgen, de invloed van de zuurtegraad op de adsorptie, het percentage aan element dat geadsorbeerd werd en de herbruikbaarheid van het adsorbent. Zo kon men voor elk adsorbent een optimale parametersetting opstellen. Uit deze studies kon men concluderen dat het gebruik van niet-gefunctionaliseerd chitosan-silica als adsorbent niet gunstig was, het gebruik van DTPA-chitosan-silica als adsorbent min of meer gunstig was en dat het gebruik van EGTA-chitosan-silica als adsorbent enorm gunstig was om scandium en ijzer van elkaar te scheiden.
Toegepast op reële red mud stalen
Uiteraard is het de bedoeling om deze techniek toe te passen op situaties in het echte leven en dus werd de optimale techniek ook toegepast op reële red mud stalen. Aangezien deze techniek industriegericht is, werden er niet alleen proeven uitgevoerd waarbij louter de mechanismen bestudeerd konden worden, ook werden er proeven uitgevoerd zoals ze in de industrie ook effectief zouden uitgevoerd worden, weliswaar op laboratoriumschaal. Zo werd het reële red mud staal gescheiden door het adsorbent in een kolom te brengen en het red mud hier door te laten sijpelen. Hierdoor werden de (kostbare) metalen uit de oplossing gehaald. Deze metalen werden dan opnieuw van de kolom gehaald door er een reeks zure oplossingen door te laten sijpelen. Doordat de verschillende elementen een verschillende aantrekking tot het adsorbent hebben, zullen degene met de minste aantrekkingskracht er eerder afkomen (bij een minder zure omgeving) dan degene met een hogere aantrekkingskracht. Op deze manier kon scandium op een efficiënte manier gescheiden worden van ijzer, wat het hoofddoel van deze thesis was. In de fracties waar scandium aanwezig is, zijn echter ook nog enkele andere elementen (titaan en silicium) aanwezig maar deze kunnen relatief eenvoudig gescheiden worden van het scandium waarbij zuiver scandium bekomen kan worden. Hierdoor heeft men uit een afvalproduct een kostbaar element kunnen halen op een efficiënte manier, wat ecologisch gezien enorm voordelig is. Wij erven de natuur niet van onze ouders, wij lenen ze van onze kinderen.
