Yhteistyöllä uutta ymmärrystä kullan, hopean ja kuparin kiertotalouteen

Kulta, hopea ja kupari ovat modernin elektroniikan keskeisiä materiaaleja, ja niiden talteenotto sähkö- ja elektroniikkajätteestä (SER) on keskeisessä roolissa metallien kiertotaloudessa. Talteenotto on kuitenkin haastavaa, sillä SER-jäte koostuu useista eri komponenteista ja materiaalista, joista halutut metallit tulee erotella valikoivasti, tehokkaasti, taloudellisesti ja ympäristöystävällisesti.

Kokeellista, teoreettista ja laskennallista tutkimusta

Helsingin ja Jyväskylän yliopistojen kemian laitosten tutkijat ovat yhteistyössä tarkastelleet uutta tapaa erotella kultaa, hopeaa ja kuparia SER-jätteestä. Menetelmässä halutut metallit liuotetaan valikoivasti biomassapohjaisten ionisten nesteiden ja hapettimien seoksiin. Helsingin yliopistolla tehdyissä kokeellisissa tutkimuksissa havaittiin, että erilaisilla liuotin-hapetin -yhdistelmillä eri metallit voidaan erotella toisistaan tehokkaasti, kuten kuvassa 1 on näytetty. 

Kokeellisten tutkimusten perusteella ei kuitenkaan ollut selvää, miksi ja miten eri metallit liukenevat valikoivasti eri liuotin-hapetin -yhdistelmiin. Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen tutkijat kehittivät teoreettisen mallin, jolla pystyttiin selittämään kokeelliset havainnot. 

- Kehittämämme teoria on varsin yksinkertainen termodynaaminen malli, joka yhdistää eri metallien sähkökemialliset ja liukoisuusominaisuudet. Mallin parametrisointi perustuu kvanttikemiallisiin laskuihin, joissa tutkittiin metalli-ioneita eri liuoksissa, kuten kuvassa 2 on esitetty. Näiden laskujen avulla pystyimme selittämään, miksi eri metallit liukenevat valikoivasti tiettyyn hapetin-liuotin-seokseen. Kehittämämme lähestymistapa mahdollistaa myös liukenemisnopeuksien ennustamisen eri liuottimia ja hapettimia käytettäessä, kertovat yliopistotutkija Timo Weckman ja akatemiatutkija Marko Melander Jyväskylän yliopistosta.

Yksinkertainen malli monimutkaisen kemia ymmärtämiseksi

Tulokset osoittavat, että hyvinkin heterogeenisen SER-jätteen kierrätystä voidaan selittää ja jopa ennustaa varsin perinteisten epäorgaanisen, fysikaalisen ja laskennallisen kemian keinoin. 

- Metallien liukeneminen eri nesteisiin on hyvin monimutkainen prosessi, ja atomitason ymmärryksen saaminen pelkästään kokeiden avulla on haastavaa. Laskennalliset mallit yksinkertaistavat tutkittavan ongelman tarkastelua mahdollisimman pitkälle – usein jopa liikaa, jolloin mallit eivät enää vastaa riittävästi kokeellista tilannetta. Siksi olikin hienoa huomata, että peruskemiaan nojaava lähestymistapamme mahdollisti kokeellisten tulosten ymmärtämisen. Toivomme, että jatkossa voimme käyttää vastaavia laskennallisia lähestymistapoja myös ennustamaan uusia hapetin-liuotin -yhdistelmiä kokeellisille yhteistyökumppaneillemme, kertovat Weckman ja Melander. 

Tulokset on julkaistu arvostetussa Angewandte Chemie International Edition -lehdessä.

Artikkelin tiedot:

• Sequential Selective Dissolution of Coinage Metals in Recyclable Ionic Media, Anže Zupanc, Joseph Install, Timo Weckman, Marko M. Melander, Mikko J. Heikkilä, Marianna Kemell, Karoliina Honkala, Timo Juhani Repo, Angewandte Chemie International Edition (2024)
• Linkki artikkeliin: https://doi.org/10.1002/anie.202407147
• Linkki Helsingin yliopiston tiedotteeseen: https://www.helsinki.fi/fi/uutiset/kestavyysmurros/kulta-hopea-ja-kupari-voidaan-liuottaa-kierratysmateriaaleista-aiempaa-kestavammilla-menetelmilla