[pt] ADSORVENTES À BASE DE SÍLICA GEL MODIFICADA COM DERIVADOS DE ÁCIDO FOSFÔNICO, HIDROXÂMICO E PIRIDINOCARBOXÍLICO PARA EXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA DISPERSIVA E SEPARAÇÃO DOS ELEMENTOS TERRAS RARAS

• Other Authors: VOLODYMYR ZAITSEV
• Language: en
• Published: MAXWELL 2020
• Subjects: [pt] EXTRACAO EM FASE SOLIDA; [en] SOLID-PHASE EXTRACTION; [pt] SEPARACAO; [en] SEPARATION; [pt] ADSORVENTES A BASE DE SILICA GEL; [en] SILICA-BASED ADSORBENT; [pt] ELEMENTOS TERRAS RARAS; [en] RARE EARTH ELEMENTS
• Online Access: https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=48221@1; https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=48221@2; http://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.48221

[pt] Os elementos terras raras (ETRs) têm sido cada vez mais utilizados na indústria moderna como os componentes essenciais de catalisadores, ímãs de alto desempenho, supercondutores, sistemas de telecomunicações. O desenvolvimento da energia limpa aumentará ainda mais a demanda, pois ETRs são usados na produção de baterias e painéis solares. O processo de produção ambientalmente sustentável substituirá ou complementará as fontes atuais. Assim, a separação e a reciclagem de ETRs são de grande importância para diversificar as fontes dos ETRs. A maioria das tecnologias atuais para o enriquecimento de ETRs é baseada na extração de solventes e troca iônica. Elas não são sustentáveis e não são aplicáveis ao tratamento de lixo eletrônico. Um dos primeiros adsorventes seletivos para extração em fase sólida dos ETRs foi proposto recentemente (Callura et al., 2018). A presente pesquisa estudou 3 adsorventes organo-sílicas (OSAd) com fragmentos imobilizados covalentemente de N-Benzoil-N-fenil-hidroxilamina (BPHA), ácido 2,6-piridinodicarboxílico (PdCA) e ácido amino di(metilenofosfônico) (AdMPA). Foi mostrado que os adsorventes podem ser utilizados com sucesso para separação e preconcentração dos elementos terras raras das soluções aquosas. A pesquisa demonstrou a alta afinidade dos adsorventes aos ETRs (La3+ - Lu3+), Sc3+ e Y3+. A adsorção competitiva dos ETRs da solução multielementar, sua dependência de pH, isotermas e estudos de cinética, recuperação e dessorção de íons metálicos, bem como a reutilização de adsorventes foram investigados. A caracterização qualitativa e quantitativa dos adsorventes foi estudada por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier, espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de alta resolução, análise RMN no estado solido, medições BET, análise elementar e termogravimétrica. Foi demonstrado que os OSAd propostos podem ser utilizados com sucesso para remover íons ETR da solução aquosa em 10 minutos. Os adsorventes demonstram diferenças essenciais na afinidade para ETRs que permitem a utilização dos OSAd para vários fins, incluindo pré-concentração para determinação de traços de ETRs em água natural, separação de ETRs dos outros metais em lixo eletrônico, e a separação individual dos ETRs. A pesquisa demonstra que o SiO2-BPHA pode recuperar todos os ETRs de solução com pH maior ou igual a 5.0 e liberá-los após eluição de 0.1 mol L-1 HNO3 com eficiência superior a 95 por cento. Outros OSAd - SiO2-PdCA e SiO2-AdMPA são os únicos adsorventes que podem remover os íons ETRs da solução aquosa em pH maior ou igual a 2. Devido a isso, SiO2-PdCA e SiO2-AdMPA podem ser usados para a reciclagem dos ETRs do lixo eletrônico. Foi demonstrado que o SiO2 PdCA pode ser utilizado para a recuperação seletiva de elementos de terras raras (Y, Eu, Tb) dos resíduos de lâmpadas fluorescentes. SiO2-PdCA demonstra alta seletividade que permite recuperação completa (maior que 95 por cento) de todos os ETRs na presença de excesso (50 vezes) de íons Ba2+ que é útil para determinação analítica de traços dos ETRs por ICP-MS. Além disso, SiO2-PdCA é útil para a adsorção seletiva dos ETRs de amostras ambientais, pois o excesso de 200 vezes de íons Fe3+, Cu2+, Ca2+, Mg2+, Na+, K+ e Al3+ predominantes em amostras ambientais, causa pouca interferência na eficiência do adsorvente. SiO2-BPHA demonstra maior seletividade para ETRs pesados. Em condições ótimas, o fator de seletividade é cerca de 80 (para pares Lu/La e Yb/La) e cerca de 60 (para o par Tm/La), que demonstra alto potencial do SiO2-BPHA na separação individual dos ETRs. Estudos de reusabilidade demonstram que SiO2-BPHA pode ser usado para adsorção quantitativa de quase todos os ETRs (adsorção média de Ce e Pr é cerca de 90 por cento) de uma solução multielementar com pH igual a 5.0 sem perda na capacidade de adsorção e seletividade por pelo menos cinco ciclos. Foi demonstrado que a adsorção de metais por OSAd ocorre devido à formação de complexos entre o ligante imobilizado e os íons metálicos. Por exemplo, a adsorção de íons Eu3+ e Tb3+ por SiO2-PdCA e SiO2-AdMPA gera luminescência forte de cor vermelha e verde, respectivamente. A adsorção de Fe3+ em SiO2-BPHA leva ao desenvolvimento da cor vermelha do adsorvente cuja intensidade é proporcional à concentração de metal adsorvido. Os complexos metálicos imobilizados são muito estáveis em água e meios orgânicos e podem ser usados para o desenvolvimento de sensores ópticos dos ETRs e fases cromatográficas de troca de ligante. === [en] Rare earth elements (REEs) have been increasingly used in modern industry as essential components of many catalysts, high-performance magnets, superconductors, telecommunication systems. Clean energy development will further boost the demand for REEs since they are used in the production of batteries and solar panels. Environmentally sustainable production process shall substitute or supplement current ore sources. Thus, separation and recycling of REEs are of great importance to diversify the sources of REEs. Most existing technologies for enrichment of REEs are based on solvent extraction and ion exchange. They are not sustainable and are not applicable to electronic waste (e-waste) treatment. One of the first selective adsorbent for REEs SPE extraction was proposed recently (Callura et al., 2018). The research proposed demonstrates other organo-silica adsorbents (OSAd) with covalently immobilized fragments of N-Benzoyl-Nphenylhydroxylamine (BPHA), 2,6-pyridinedicarboxylic acid (PdCA) and aminodi(methylene-phosphonic) acid (AdMPA) can be successfully used both for preconcentration and separation of REEs. This research demonstrates high affinity of the adsorbents to REE (La3+ - Lu3+), Sc3+ and Y3+. Competitive adsorption of REEs from multielement solution and pH dependence, isotherm and kinetics studies, metal ion recovery and desorption, as well as the adsorbent reusability have been investigated. The research is accomplished with qualitative and quantitative characterization of the adsorbent, physical and chemical properties using Fourier transform infrared spectroscopy, high-resolution X-ray photoelectron spectroscopy, solid-state NMR, BET measurements, elemental and thermogravimetric analysis. It has been demonstrated that the proposed OSAd can be successfully used to remove REE ions from aqueous solution within 10 min. Sharp changes of REEs recovery has been observed in a narrow range of the pH that allows developing a methodology for removal of REEs from solution. The adsorbents demonstrate an essential difference in REE affinity that allows utilization of the OSAd for various purposes, including pre-concentration for determination of REE traces in natural waters, separation of REE from color and other metals in e-waste, separation of individual REE. It is demonstrated that SiO2-BPHA can recover all REE from solution with pH bigger or equal 5.0 and release them to solution under treatment with 0.1 M HNO3 with efficiency more than 95 percent. Additionally, OSAd - SiO2-PdCA and SiO2- AdMPA are the only adsorbents that can remove REE ions from aqueous solution with pH bigger or equal 2. Because of this SiO2-PdCA and SiO2-AdMPA can be used for the recycling of rare earth elements from electronic waste. It was demonstrated that SiO2-PdCA can be used for selective recovery of rare earth elements (Y, Eu, Tb) from waste fluorescent lamps. SiO2-PdCA demonstrates high selectivity that allows complete (bigger 95 percent) recovery of all REE in the presence of 50-fold excess of Ba2+ ions that is used for analytical determination of REE traces by ICP-MS. Also, SiO2- PdCA is useful for selective adsorption of REE from environmental objects since 200-fold excess of such ions as Fe3+, Cu2+, Ca2+, Mg2+, Na+ , K+ and Al3+ which are predominate in environmental objects cause little interference on the adsorbent removal efficiency. SiO2-BPHA demonstrates higher selectivity towards heavy REEs. In optimal conditions selectivity factor is about 80 (for Lu/La and Yb/La pairs) and about 60 (for Tm/La pair), which demonstrates the high potential of SiO2- BPHA in separation of individual REEs. Reusability test demonstrates that SiO2- BPHA can be used for quantitative adsorption of almost all REEs (average adsorption of Ce and Pr ions is about 90 percent) from multielement solution with pH equal 5.0 without lost in adsorption capacity and selectivity for at least five consecutive cycles. It is demonstrated that adsorption of metals on the OSAd takes place due to complex formation between immobilized ligand and metal ions. For example, adsorption of Eu3+ and Tb3+ ions on SiO2-PdCA and SiO2-AdMPA generates strong red and green luminescence, respectively. Adsorption of Fe3+ on SiO2-BPHA leads to development of red color of the adsorbent which intensity is proportional to metal loading. Immobilized metal complexes are very stable in water and organic media that can be used for further development of optical sensors for REE and stationary phases for ligand-exchange chromatography.