Title (deu)
Die ionische Flüssigkeit Trihexyltetradecylphosphonium 3-Hydroxy-2-napthoat zur Extraktion von seltenen Erden aus wässrigen Lösungen
Parallel title (eng)
The ionic liquid trihexyltetradecylphosphonium 3-hydroxy-2-napthoate for the extraction of rare earths from aqueous solutions
Author
Matthias Weissensteiner
Advisor
Franz Jirsa
Assessor
Franz Jirsa
Abstract (deu)
Seltene Erdem spielen im modernen Leben für verschiedenste Anwendungszwecke eine entscheidende Rolle. Da in den Anwendungen jedoch meist nur, auf das Gesamtgewicht bezogen, geringe Mengen verbaut werden und sie aufgrund ihrer ähnlichen chemischen Eigenschaften schwer zu trennen sind, werden diese nur selten recycelt. Dementsprechend gibt es großes wissenschaftliches und wirtschaftliches Interesse daran neue Trenn- und daraus folgende Recyclingverfahren zu entwickeln. Hier stellen ionische Flüssigkeiten eine neue Möglichkeit dar, um diese Probleme zu lösen. Daher wurde in dieser Arbeit versucht mit der ionischen Flüssigkeit Trihexyltetradecylphosphonium-3-Hydroxy-2-napthoat, abgekürzt [P66614] [HNA], verschiedene selten Erden, bei pH 2,5 aus wässriger Lösung zu extrahieren und zu trennen. Dafür wurde mit Lanthan, Cer, Neodym, Holmium und Lutetium gearbeitet. Diese Metalle wurden ausgesucht, da Lanthan von den seltenen Erden die kleinste Ordnungszahl aufweist und Lutetium von den Lanthanoiden die Größte. Die anderen Metalle wurden frei zwischen diesen beiden Elementen gewählt. Bei der Arbeit selbst wurde mittels TXRF ermittelt, welche Menge an Metall aus der wässrigen Lösung, in einer bestimmten Zeitspanne, extrahiert werden kann und wie groß das Leaching, welches mittels TOC-Analyzer bestimmt wurde, nach dieser Zeitspanne ist. Erst wurde mit Einzelelementstandards gearbeitet und anschließend mit Mehrelementstandards, wobei hier zwei verschiedene Metalle verwendet wurden. Ziel war es, dass eine Trennung der Metalle der Mehrelementstandards erreicht wird, indem sich ein Element in der ionischen Flüssigkeit anreichert und das andere weitgehend in der wässrigen Phase verweilt. Anschließend wurde versucht, die extrahierte Menge an Metall rückzuextrahieren, denn so könnte die ionische Flüssigkeit mehr als einmal verwendet werden und die Metalle wieder technisch genutzt werden. Weiters sollte das Maximum der extrahierbaren Menge an Metall, anhand einer Sättigungskurve, ermittelt werden. Bei den Einzelelementversuchen wurde festgestellt, dass sich Lanthan, Cer, Neodym und Lutetium zu etwa 90 % aus der wässrigen Lösung extrahieren lassen, Holmium jedoch lediglich zu etwa 60 %. Anhand dieser Werte wurden anschließend Mehrelementstandards erstellt, bei welchen es zu einer Trennung der Metalle kommen sollte. Dabei konnte festgestellt werden, dass eine Trennung nicht möglich ist, da keines der beiden Metalle bevorzugt extrahiert wird und in der Mischung beide Metalle eine etwa gleich hohe Extraktionseffizienz aufweisen. Dementsprechend muss für die Trennung eine andere ionische Flüssigkeit synthetisiert und getestet werden. Weiters zeichnet sich die ionische Flüssigkeit durch ein niedriges Leaching aus, wobei hier nicht ermittelt werden konnte, ob ein Zusammenhang zwischen Leaching und der Extraktionseffizienz besteht. Dies müsste in Folgeexperimenten untersucht werden. Bei der Rückextraktion zeigten die Mehrelementversuche, bei welchen eines der beiden Elemente Lanthan darstellte, eine höhere Rückextraktionseffizienz als in den Einzelelementversuchen. Bei den anderen Mehrelementversuchen war die Rückextraktionseffizienz in etwa so hoch wie bei den Einzelelementversuchen, jedoch war diese für beide Elemente stets etwa gleich groß, wodurch auch hier keine Trennung erreicht werden konnte. Weiters zeigte von allen verwendeten Säure Salpetersäure die höchste Rückextraktionseffizienz. Das Leaching war auch bei diesen Versuchen niedrig. Abschließend wurde mittels Lanthan eine Sättigungskurve ermittelt, bei welcher sich feststellen ließ, dass die ionische Flüssigkeit etwa 3-4x so große Mengen an Metall extrahieren kann wie bei dieser Arbeit, in Form von 20 ml Feedlösungen mit einem Massengehalt von 10 mg/L, verwendet wurde. Dementsprechend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass diese ionische Flüssigkeit zwar für die Extraktion von seltenen Erden aus wässrigen Lösungen geeignet ist, eine Trennung dieser jedoch nicht erreicht werden kann.
Abstract (eng)
Rare earths play a crucial role in modern life for a wide variety of applications. However, since applications usually involve only small quantities in terms of total weight and they are difficult to separate due to their similar chemical properties, they are rarely recycled. Accordingly, there is great scientific and economic interest in developing new separation and subsequent recycling processes. Here, ionic liquids represent a new possibility to solve these problems. Therefore, in this work, the ionic liquid trihexyltetradecylphosphonium 3-hydroxy-2-napthoate, abbreviated [P66614] [HNA], was used to extract and separate various rare earths from aqueous solution at pH 2.5. Lanthanum, cerium, neodymium, holmium, and lutetium were used for this purpose. These metals were chosen because lanthanum has the smallest atomic number of the rare earths and lutetium has the largest of the lanthanides. The other metals were freely chosen between these two elements. In the work itself, TXRF was used to determine the amount of metal that can be extracted from the aqueous solution, in a given period of time, and the amount of leaching, which was determined by TOC analyzer, after that period of time. First, single-element standards were used and then multi-element standards, with two different metals being used here. The goal was to achieve a separation of the metals of the multi-element standards by allowing one element to accumulate in the ionic liquid and the other to remain largely in the aqueous phase. Subsequently, an attempt was made to re-extract the extracted amount of metal, because this would allow the ionic liquid to be used more than once and the metals to be used again for technical purposes. Furthermore, the maximum of the extractable amount of metal, based on a saturation curve, was to be determined. In the single-element experiments, it was found that lanthanum, cerium, neodymium and lutetium could be extracted from the aqueous solution at a rate of about 90%, but holmium at only about 60%. On the basis of these values, multi-element standards were then prepared in which the metals were to be separated. It was found that separation is not possible, since neither of the two metals is preferentially extracted and, in the mixture, both metals have about the same extraction efficiency. Accordingly, a different ionic liquid has to be synthesized and tested for the separation. Furthermore, the ionic liquid is characterized by low leaching, although it could not be determined here whether there is a correlation between leaching and extraction efficiency. This would have to be investigated in follow-up experiments. In the back extraction, the multi-element experiments, in which one of the two elements represented lanthanum, showed a higher back extraction efficiency than in the single element experiments. In the other multi-element experiments, the re-extraction efficiency was about as high as in the single-element experiments, but it was always about the same for both elements, so that no separation could be achieved here either. Furthermore, of all the acids used, nitric acid showed the highest back extraction efficiency. Leaching was also low in these experiments. Finally, a saturation curve was determined using lanthanum, which showed that the ionic liquid can extract about 3-4x the amount of metal used in this work, in the form of 20 ml standards containing 10 mg/L by mass. Accordingly, it was shown in this work that although this ionic liquid is suitable for the extraction of rare earths from aqueous solutions, separation of them cannot be achieved.
Keywords (deu)
Ionische FlüssigkeitSeltene ErdenLeachingExtraktionRückextraktionSäuren
Keywords (eng)
Ionic liquidrare earthsleachingextractionback extractionacids
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1603235
rdau:P60550 (deu)
65 Seiten : Illustrationen
Number of pages
67
Association (deu)
Title (deu)
Die ionische Flüssigkeit Trihexyltetradecylphosphonium 3-Hydroxy-2-napthoat zur Extraktion von seltenen Erden aus wässrigen Lösungen
Parallel title (eng)
The ionic liquid trihexyltetradecylphosphonium 3-hydroxy-2-napthoate for the extraction of rare earths from aqueous solutions
Author
Matthias Weissensteiner
Abstract (deu)
Seltene Erdem spielen im modernen Leben für verschiedenste Anwendungszwecke eine entscheidende Rolle. Da in den Anwendungen jedoch meist nur, auf das Gesamtgewicht bezogen, geringe Mengen verbaut werden und sie aufgrund ihrer ähnlichen chemischen Eigenschaften schwer zu trennen sind, werden diese nur selten recycelt. Dementsprechend gibt es großes wissenschaftliches und wirtschaftliches Interesse daran neue Trenn- und daraus folgende Recyclingverfahren zu entwickeln. Hier stellen ionische Flüssigkeiten eine neue Möglichkeit dar, um diese Probleme zu lösen. Daher wurde in dieser Arbeit versucht mit der ionischen Flüssigkeit Trihexyltetradecylphosphonium-3-Hydroxy-2-napthoat, abgekürzt [P66614] [HNA], verschiedene selten Erden, bei pH 2,5 aus wässriger Lösung zu extrahieren und zu trennen. Dafür wurde mit Lanthan, Cer, Neodym, Holmium und Lutetium gearbeitet. Diese Metalle wurden ausgesucht, da Lanthan von den seltenen Erden die kleinste Ordnungszahl aufweist und Lutetium von den Lanthanoiden die Größte. Die anderen Metalle wurden frei zwischen diesen beiden Elementen gewählt. Bei der Arbeit selbst wurde mittels TXRF ermittelt, welche Menge an Metall aus der wässrigen Lösung, in einer bestimmten Zeitspanne, extrahiert werden kann und wie groß das Leaching, welches mittels TOC-Analyzer bestimmt wurde, nach dieser Zeitspanne ist. Erst wurde mit Einzelelementstandards gearbeitet und anschließend mit Mehrelementstandards, wobei hier zwei verschiedene Metalle verwendet wurden. Ziel war es, dass eine Trennung der Metalle der Mehrelementstandards erreicht wird, indem sich ein Element in der ionischen Flüssigkeit anreichert und das andere weitgehend in der wässrigen Phase verweilt. Anschließend wurde versucht, die extrahierte Menge an Metall rückzuextrahieren, denn so könnte die ionische Flüssigkeit mehr als einmal verwendet werden und die Metalle wieder technisch genutzt werden. Weiters sollte das Maximum der extrahierbaren Menge an Metall, anhand einer Sättigungskurve, ermittelt werden. Bei den Einzelelementversuchen wurde festgestellt, dass sich Lanthan, Cer, Neodym und Lutetium zu etwa 90 % aus der wässrigen Lösung extrahieren lassen, Holmium jedoch lediglich zu etwa 60 %. Anhand dieser Werte wurden anschließend Mehrelementstandards erstellt, bei welchen es zu einer Trennung der Metalle kommen sollte. Dabei konnte festgestellt werden, dass eine Trennung nicht möglich ist, da keines der beiden Metalle bevorzugt extrahiert wird und in der Mischung beide Metalle eine etwa gleich hohe Extraktionseffizienz aufweisen. Dementsprechend muss für die Trennung eine andere ionische Flüssigkeit synthetisiert und getestet werden. Weiters zeichnet sich die ionische Flüssigkeit durch ein niedriges Leaching aus, wobei hier nicht ermittelt werden konnte, ob ein Zusammenhang zwischen Leaching und der Extraktionseffizienz besteht. Dies müsste in Folgeexperimenten untersucht werden. Bei der Rückextraktion zeigten die Mehrelementversuche, bei welchen eines der beiden Elemente Lanthan darstellte, eine höhere Rückextraktionseffizienz als in den Einzelelementversuchen. Bei den anderen Mehrelementversuchen war die Rückextraktionseffizienz in etwa so hoch wie bei den Einzelelementversuchen, jedoch war diese für beide Elemente stets etwa gleich groß, wodurch auch hier keine Trennung erreicht werden konnte. Weiters zeigte von allen verwendeten Säure Salpetersäure die höchste Rückextraktionseffizienz. Das Leaching war auch bei diesen Versuchen niedrig. Abschließend wurde mittels Lanthan eine Sättigungskurve ermittelt, bei welcher sich feststellen ließ, dass die ionische Flüssigkeit etwa 3-4x so große Mengen an Metall extrahieren kann wie bei dieser Arbeit, in Form von 20 ml Feedlösungen mit einem Massengehalt von 10 mg/L, verwendet wurde. Dementsprechend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass diese ionische Flüssigkeit zwar für die Extraktion von seltenen Erden aus wässrigen Lösungen geeignet ist, eine Trennung dieser jedoch nicht erreicht werden kann.
Abstract (eng)
Rare earths play a crucial role in modern life for a wide variety of applications. However, since applications usually involve only small quantities in terms of total weight and they are difficult to separate due to their similar chemical properties, they are rarely recycled. Accordingly, there is great scientific and economic interest in developing new separation and subsequent recycling processes. Here, ionic liquids represent a new possibility to solve these problems. Therefore, in this work, the ionic liquid trihexyltetradecylphosphonium 3-hydroxy-2-napthoate, abbreviated [P66614] [HNA], was used to extract and separate various rare earths from aqueous solution at pH 2.5. Lanthanum, cerium, neodymium, holmium, and lutetium were used for this purpose. These metals were chosen because lanthanum has the smallest atomic number of the rare earths and lutetium has the largest of the lanthanides. The other metals were freely chosen between these two elements. In the work itself, TXRF was used to determine the amount of metal that can be extracted from the aqueous solution, in a given period of time, and the amount of leaching, which was determined by TOC analyzer, after that period of time. First, single-element standards were used and then multi-element standards, with two different metals being used here. The goal was to achieve a separation of the metals of the multi-element standards by allowing one element to accumulate in the ionic liquid and the other to remain largely in the aqueous phase. Subsequently, an attempt was made to re-extract the extracted amount of metal, because this would allow the ionic liquid to be used more than once and the metals to be used again for technical purposes. Furthermore, the maximum of the extractable amount of metal, based on a saturation curve, was to be determined. In the single-element experiments, it was found that lanthanum, cerium, neodymium and lutetium could be extracted from the aqueous solution at a rate of about 90%, but holmium at only about 60%. On the basis of these values, multi-element standards were then prepared in which the metals were to be separated. It was found that separation is not possible, since neither of the two metals is preferentially extracted and, in the mixture, both metals have about the same extraction efficiency. Accordingly, a different ionic liquid has to be synthesized and tested for the separation. Furthermore, the ionic liquid is characterized by low leaching, although it could not be determined here whether there is a correlation between leaching and extraction efficiency. This would have to be investigated in follow-up experiments. In the back extraction, the multi-element experiments, in which one of the two elements represented lanthanum, showed a higher back extraction efficiency than in the single element experiments. In the other multi-element experiments, the re-extraction efficiency was about as high as in the single-element experiments, but it was always about the same for both elements, so that no separation could be achieved here either. Furthermore, of all the acids used, nitric acid showed the highest back extraction efficiency. Leaching was also low in these experiments. Finally, a saturation curve was determined using lanthanum, which showed that the ionic liquid can extract about 3-4x the amount of metal used in this work, in the form of 20 ml standards containing 10 mg/L by mass. Accordingly, it was shown in this work that although this ionic liquid is suitable for the extraction of rare earths from aqueous solutions, separation of them cannot be achieved.
Keywords (deu)
Ionische FlüssigkeitSeltene ErdenLeachingExtraktionRückextraktionSäuren
Keywords (eng)
Ionic liquidrare earthsleachingextractionback extractionacids
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1604213
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