Rare and precious metal recovery at a low concentration via chemisorption and electrosorption coupling process

Abstract

La recuperación de elementos de tierras raras (REEs) y metales preciosos en bajas concentraciones a partir de soluciones se ha vuelto cada vez más vital en los campos de la hidrometalurgia, el tratamiento de aguas y la energía, debido a su genotoxicidad y sus propiedades fisicoquímicas únicas. Aunque se han desarrollado diversas tecnologías, muchas siguen siendo difíciles de aplicar a nivel industrial. En este trabajo, se propone un enfoque alternativo que regula las actividades de quimiosorción y electrosorción mediante el uso de electrodos basados en disulfuro de molibdeno (MoS2) y materiales carbonosos, con el fin de lograr una recuperación eficiente de REEs y metales preciosos en bajas concentraciones. En primer lugar, se logró la recuperación de REEs a partir de soluciones acuosas diluidas utilizando electrodos de MoS2 dopados con oxígeno. El proceso acoplado de quimiosorción y electrosorción (CEC) permitió una recuperación de REEs cercana al 100% a una concentración inicial específica. La eficiencia de desorción también alcanzó aproximadamente el 100% en 120 minutos, y los electrodos mostraron una excelente estabilidad. Este rendimiento sobresaliente se atribuye a la fuerte interacción de los REEs con átomos de azufre y oxígeno en la superficie del MoS2, a su alta capacidad de doble capa eléctrica (EDLC) y a su baja resistencia a la transferencia de carga. Con base en esto, se diseñaron electrodos de MoS2 ricos en defectos, que contienen átomos de Mo o S insaturados, para la separación selectiva y recuperación de gadolinio (Gd(III)), aprovechando su configuración electrónica extranuclear única. Estos electrodos lograron una recuperación de Gd(III) de aproximadamente el 100%, con una capacidad de adsorción de 299.32 mg/(g·dm²), así como una alta selectividad frente a La(III) y Y(III). Para avanzar en la aplicación del método CEC, se emplearon materiales carbonosos funcionalizados con grupos oxigenados como recubrimientos de electrodos para la recuperación de REEs y oro (Au). Bajo condiciones optimizadas, la recuperación de REEs volvió a alcanzar cerca del 100%. Este rendimiento mejorado se atribuye a la combinación de una fuerte EDLC, interacciones electrostáticas generadas por el voltaje aplicado y quimiosorción a través de grupos oxigenados. La eficiencia de recuperación estuvo fuertemente influenciada por la estructura porosa y la funcionalización superficial. Es notable que la recuperación de Au(I) a partir de soluciones de tiosulfato superó el 90%, y el oro se recuperó en forma metálica, lo que simplifica los procedimientos tradicionales. Finalmente, con el objetivo de desarrollar una aplicación rentable, se utilizaron electrodos de biocarbón derivados de cáscaras de nuez económicas para la recuperación de Au(I) a partir de soluciones de tiosulfato. Mediante procesos tradicionales de carbonización y activación, se sintetizó carbón poroso de cáscara de nuez (WSC). En comparación con las muestras no activadas, el WSC mostró una recuperación superior de Au(I) (~100%) debido a su estructura porosa jerárquica, que facilitó una adsorción eficiente de iones y el almacenamiento de carga. Nuevamente, el oro metálico fue el principal producto recuperado. Los datos experimentales, respaldados por cálculos teóricos, demostraron el papel crítico de la arquitectura porosa durante el proceso de reducción y recuperación. La adsorción de Au(I) estuvo gobernada por pasos de contacto y difusión, dependientes de las interacciones con moléculas de agua y la migración iónica. Los mesoporos no solo facilitaron la captura de Au(I), sino que también aumentaron la EDLC y promovieron la reacción de reducción. Se encontró que los sitios en los bordes de los poros eran más favorables para la adsorción de agregados de oro que los sitios centrales. Las regiones espaciales con menor impedimento estérico y diámetros de poro cercanos a 7 nm proporcionaron condiciones óptimas para el almacenamiento y la reducción de Au(I). Finalmente, el método CEC desarrollado logró una recuperación del 100% de Au(I) a partir de lixiviados de tiosulfato provenientes de residuos electrónicos y minerales auríferos, incluso en presencia de iones interferentes. Este estudio destaca un enfoque novedoso para mejorar la recuperación de REEs y Au(I) en bajas concentraciones a partir de soluciones de lixiviación, mediante la regulación de los comportamientos de quimiosorción y electrosorción. Los hallazgos ofrecen ideas valiosas que pueden inspirar futuras estrategias para la recuperación de iones metálicos mediante técnicas basadas en CEC.