Ηλεκτρανάκτηση δραστικών μετάλλων από διαλύματα ιοντικών υγρών
Authors: Μπούρμπος Ευάγγελος 
Published: May 2024

Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας διερευνήθηκε η παραγωγή μεταλλικών σπανίων γαιών με τη χρήση καινοτόμων ηλεκτρολυτών, όπως είναι τα ιοντικά υγρά. Ο κύριος στόχος ήταν η κατάληξη σε μια μεταλλουργική διαδικασία που να βασίζεται στη χρήση μη υδατικών συστημάτων για την αναγωγή και παραγωγή σπάνιων γαιών αποφεύγοντας τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σήμερα (ηλεκτρόλυση τετηγμένων αλάτων υψηλής θερμοκρασίας). Στην πρώτη φάση του ερευνητικού έργου δοκιμάστηκαν διάφορα είδη ιοντικών υγρών, προκειμένου να βρεθούν τα πλέον κατάλληλα μεταξύ τους που θα επιτρέψουν την αναγωγή σπάνιων γαιών πριν από την καταστροφή κι αποσύνθεσή των ηλεκτρολυτών, δηλαδή των ίδιων των ιοντικών υγρών. Σε επόμενη φάση ερευνήθηκαν τα πιο υποσχόμενα ιοντικά υγρά. Πιο συγκεκριμένα, η αναγωγή των κατιόντων σπάνιων γαιών La3 +, Sm3 +, Nd3 +, Dy3 + στη μεταλλική κατάσταση και η επακόλουθη ηλεκτραπόθεση τους στα ιοντικά υγρά δις-βουτυλο-Ν μεθυλοπυρρολιδινο-δις-τριφθορο-μεθυλο-σουλφονιμίδιο (BMPTFSI) και τριμεθυλο βουτυλαμμώνιο δις-τριφθορο-μεθυλο-σουλφονιμίδιο (Me3NBuTFSI) μελετήθηκε. Αυτά τα υδρόφοβα ιοντικά υγρά παρουσιάζουν ένα ευρύ ηλεκτροχημικό παράθυρο και μια ικανοποιητική ιοντική αγωγιμότητα καθιστώντας τα υποσχόμενους ηλεκτρολύτες για την αναγωγή έντονα ηλεκτροθετικών στοιχείων όπως είναι οι σπάνιες γαίες. Η κυκλική βολταμετρία (CV) πραγματοποιήθηκε σε ηλεκτρόδιο λευκοχρύσου (Pt) σε ηλεκτρολυτικό κελί τριών ηλεκτροδίων κι αποκάλυψε ότι τα κατιόντα σπανίων γαιών μπορούν να αναχθούν στη μεταλλική κατάσταση στα παραπάνω ιοντικά υγρά. Η ηλεκτροαπόθεση σπανίων γαιών πραγματοποιήθηκε σε υπόστρωμα χαλκού υπό ποτενσιοστατικές συνθήκες για 5 ώρες στους -3,1 V στους 25 ° C και οι ηλεκτροαποθέσεις εξετάστηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (ανάλυση SEM και EDS), αποκαλύπτοντας ότι η ηλεκτροαπόθεση σπανίων γαιών είναι εφικτή με τη χρήση ιοντικών υγρών ως ηλεκτρολυτικών μέσων. Μεταξύ των δύο ιοντικών υγρών που δοκιμάστηκαν αποφασίστηκε η μελέτη αναγωγής νεοδυμίου να προχωρήσει με το BMPTFSI που ήταν ευκολότερο στη χρήση και το χειρισμό, ενώ έδωσε κι ικανοποιητικά αποτελέσματα. Επιπλέον, με απώτερο στόχο τη κατάληξη σε μια βιώσιμη μεταλλουργική διαδικασία για παραγωγή σπανίων γαιών, πραγματοποιήθηκε μελέτη διαφορετικών συστημάτων για την αντιμετώπιση του προβλήματος της διάλυσης αλάτων σπάνιων γαιών σε ιοντικά υγρά και την επίδραση των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στην άνοδο κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης. Το πιο αποδοτικό σύστημα, ένα ηλεκτρολυτικό κελί 2 διαμερισμάτων επιλέχθηκε για να βελτιστοποιηθεί. Προσδιορίστηκαν η προσθήκη παραγόντων συμπλοκοποίησης καθώς και η επίδρασή τους στις φυσικοχημικές ιδιότητες του συστήματος. Το σύστημα δοκιμάστηκε υπό γαλβανοστατικές συνθήκες σε διάταξη μεγαλύτερης κλίμακας.Η χρήση οργανικών διαλυτών εξετάστηκε επίσης, καθώς υπάρχουν αρκετοί οργανικοί διαλύτες που παρουσιάζουν ικανοποιητική αγωγιμότητα, ευρύ ηλεκτροχημικό παράθυρο και είναι χαμηλού κόστους. Μεταξύ αυτών το διμεθυλοσουλφοξείδιο (DMSO) μελετήθηκε ως πιθανός ηλεκτρολύτης. Η ηλεκτροχημική σταθερότητα του DMSO με κυκλική βολταμετρία καθώς κι η δυνατότητα αναγωγής Nd μεσω διαλυμάτων του εν λόγω ηλεκτρολύτη μελετήθηκαν διεξοδικά. Επιπλέον διερευνήθηκαν οι παράγοντες ηλεκτρόλυσης με σκοπό την κατάληξη στις βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας του συστήματος, όπου και πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ηλεκτρόλυσης σε μεγαλύτερη κλίμακα. Τέλος μελετήθηκε η αναγωγή σκανδίου από το ιοντικό υγρό BMPTFSI, με εισαγωγή σκανδίου μεσω απευθείας διάλυσης χλωριούχου σκανδίου στο ιοντικό υγρό. Σε πρώτη φάση διερευνήθηκαν οι ιδιότητες του ηλεκτρολύτη κι επιβεβαιώθηκε η αναγωγή σκανδίου από το υπό μελέτη σύστημα. Ακολούθησε μελέτη παραμέτρων ηλεκτρόλυσης με σκοπό την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών στις οποίες κι έγιναν δοκιμές μεγαλύτερης κλιμακας.