Solvent Extraction of Indium with the Ionic Liquid Trihexyl(tetradecyl)phosphonium Chloride

Jouw oude smartphone als grondstof voor jouw nieuwe

“Jouw oude smartphone is geld waard!” wordt dikwijls gezegd. Dit geldt niet alleen voor jouw smartphone, maar ook voor tal van andere elektronica. Ze bevatten namelijk een groot aantal kritieke metalen. Al deze metalen kunnen hergebruikt worden in nieuwe toepassingen. Eén van deze metalen is indium.

Indium? Nog nooit van gehoord!

Indium is een belangrijke grondstof voor tal van hoogtechnologische toepassingen, vooral in de elektronische industrie. In zijn verschillende vormen en in combinatie met andere metalen kan indium gebruikt worden als soldeermiddel of als een legering met laag smeltpunt. Maar het grootste deel van indium is echter te vinden in LCD-schermen, zonnepanelen en LEDs. Zo bestaat bijvoorbeeld een zeer dun laagje van het aanraakscherm van je smartphone uit een combinatie van indium- en tinoxide (ITO). Dit dunne laagje zorgt voor een goede geleidbaarheid en is bovendien volledig transparant. ITO lag dan ook aan de basis van het ontstaan van LCD-schermen en is daardoor onmisbaar voor tal van toepassingen.

Is er voldoende indium beschikbaar?

Indium is op elke plaats op Aarde te vinden. Het nadeel is echter dat het aanwezig is in zeer lage concentraties waardoor het niet erg rendabel is om indium specifiek te ontginnen. Primair indium wordt daarom slechts enkel gewonnen als bijproduct tijdens de raffinage van andere metalen zoals zink, koper, tin of lood. Zoals bij vele andere metalen bekleedt China ook hier een machtspositie als grootste producent. Daarom is het noodzakelijk voor andere landen om te kijken naar andere indiumbronnen, zeker omdat verwacht wordt dat de vraag tijdens het volgende decennium nog jaarlijks zal stijgen met 15%. Veel grote indium-producerende landen hebben dan ook geïnvesteerd in het uitbouwen van hun recyclagecapaciteit en het onderzoeken van efficiënte en innovatieve recyclagemethoden.

Urban mining

Recycleren is dus het toverwoord. Een belangrijke bron is de enorme hoeveelheid afval gecreëerd tijdens het productieproces van vele toepassingen. Maar ook de consumptiegoederen die aan hun levenseinde gekomen zijn, zoals een oude smartphone of LCD-scherm, worden aangewend als belangrijke bron. Dit laatste staat ook wel bekend als het fenomeen van stadsmijnbouw of ‘urban mining’. Zo kan een oude smartphone dus getransformeerd worden tot grondstoffen voor een nieuwer model. Al deze ‘nieuwe grondstoffen’ bevatten natuurlijk een mengsel van vele verschillende materialen, metalen en onzuiverheden. Voor het gebruik in hoogtechnologische toepassingen is echter een zeer hoge zuiverheid van indium vereist. Daarom is het belangrijk om zo efficiënt mogelijk alle ongewenste elementen te verwijderen. Bovendien wordt het ook steeds belangrijker dat dit op een ecologisch verantwoorde manier gebeurt om zo de impact op het milieu zo laag mogelijk te houden. De ontwikkeling van nieuwe en innovatieve methoden is dus noodzakelijk, maar ook bestaande processen moeten steeds verder geoptimaliseerd worden.

Innovatieve scheidingsmethoden

Een veelvuldig gebruikt proces voor het scheiden, zuiveren en herwinnen van zeldzame metalen is solventextractie aangezien het slechts een eenvoudige opstelling en bediening vereist. Solventextractie is gebaseerd op de selectieve en efficiënte overdracht van de gewenste metalen van de ene vloeistoffase naar de andere, waarbij beide fasen onoplosbaar zijn in elkaar. Meestal wordt hiervoor een waterige en een organische fase gebruikt, al hoeft solventextractie niet gelimiteerd te worden tot deze twee. Andere oplosmiddelen kunnen ook gebruikt worden, zoals bijvoorbeeld ionische vloeistoffen. Ionische vloeistoffen zijn een relatief nieuwe klasse van oplosmiddelen die volledig uit ionen bestaan. Meestal zijn ze samengesteld uit een organisch kation en een anorganische anion. Ionische vloeistoffen bezitten enkele belangrijke voordelen ten opzichte van de klassieke water-onoplosbare organische oplosmiddelen. Zo bezitten ze meestal een verwaarloosbaar lage dampspanning waardoor ze niet vluchtig zijn. Bovendien hebben ze ook een lage brandbaarheid. Dit verhoogt de veiligheid van het proces. Na het hele extractieproces kunnen de ionische vloeistoffen gewassen en gezuiverd worden waardoor ze opnieuw gebruikt kunnen worden in een nieuwe extractiecyclus. Het gebruik van ionische vloeistoffen kan daardoor bestempeld worden als een groen alternatief.

Designer liquids

Bij vele ionische vloeistoffen wordt een organisch kation gecombineerd met een anorganisch of organisch anion. Het aantal mogelijke combinaties zijn bijna onbeperkt. Elke kation-anion combinatie geeft specifieke eigenschappen aan de ionische vloeistof. Zo kan de ene ionische vloeistof bijvoorbeeld zeer selectief zijn voor een bepaald metaalion en een andere dan weer helemaal niet. Ionische vloeistoffen kunnen bijgevolg ontwikkeld worden om te voldoen aan specifieke eigenschappen. Daarom worden ze ook vaak aangeduid met de term ‘designer liquids’.

In dit onderzoek werd de ionische vloeistof trihexyl(tetradecyl)fosfoniumchloride gebruikt omwille van zijn gunstige eigenschappen, zoals commerciële beschikbaarheid en hoge thermische stabiliteit. Eerst werd het extractiegedrag van indium bestudeerd door variatie in te brengen in de verschillende extractieparameters. Verder werd ook onderzocht hoe indium de omgekeerde extractiebeweging kan maken aangezien de ionische vloeistof zo opnieuw gebruikt kan worden in een nieuwe extractiecyclus.

Dit onderzoek zette al een eerste stap richting een groene, veilige en innovatieve methode om indium uit secundaire bronnen te recycleren. Zo wordt indium in de toekomst beter bereikbaar en worden de Westerse landen minder afhankelijk van China’s primaire ontginningen.