RO: Cod proiect: PN-III-P1-1.1-PD-2021-0510

Titlul proiectului: Metodă ecologică electrochimică pentru reciclarea metalelor prețioase

Acronimul proiectului: MetElWaste

Autoritatea contractanta: UEFISCDI

Contractor: Universitatea din Bucuresti

Valoare proiect: 249.960,00 lei

EN: Project Title: Environmental friendly electrochemical method for the recycling of precious metals

Project Acronym: MetElWaste

Contract: PN-III-P1-1.1-PD-2021-0510

Contracting Autority: UEFISCDI

Contractor: University of Bucharest

Allocated Funds: 249.960,00 lei

RO: Director proiect: Dr. Cornelia Diac, vârsta: 30 ani, Doctor în Fizică (2017-2021). Pe parcursul studiilor de doctorat am acumulat o bogată experiență în gestionarea și desfășurarea activităților de proiect, unde am reușit să parcurg teme de cercetare în domeniul electrochimiei și al proceselor de solubilizarea chimică și electrochimică. Am dobândit cunoștințe semnificative în procesele electrochimice și am învățat să lucrez pe un grup mare de dispozitive, cum ar fi: Potențiostat/galvanostat electrochimic, Spectroscopia de emisie optică cu plasmă cuplată inductiv (ICP – OES), Raman, Spectroscopie UV – Viz, Analiza CHNS, Analiza termogravimetrică (ATG).

Mentor: Prof. Univ. Dr. Ioan Stamatin

EN: Project Director: Ph.D Cornelia Diac, age: 30, PhD in Physics (2017-2021). Over the Ph.D program I accumulated a rich experience in managing and conducting project activities, being able to undergo research topics of great complexity in the field of electrochemistry and dissolution processes. I gained significant knowledge in electrochemical processes and I learned how to operate a large group of devices, from which relevant to this project: Electrochemical potentiostat/galvanostat, ICP – OES, Raman, UV – Vis Spectroscopy, CHNS Elemental Analyzer, Thermogravimetric analyzer.

RO: Rezumat. Industria electronicelor are una dintre cele mai rapide creșteri și este considerată ca fiind cea mai mare industrie de fabricație din lume. Ele conțin o gamă variată de materiale: metale feroase, metale neferoase, sticlă, materiale plastice și alte substanțe ignifuge halogenate (clor, brom). Materialele neferoase conțin cantități considerabile de metale prețioase precum cupru, aluminiu, argint, aur și platină, împreună cu alte componente metalice toxice precum plumb, mercur, arsenic, cadmiu, seleniu și crom. Recuperarea acestor metale poate fi realizată în momentul de față utilizând procese fizice și chimice. Procesele pirometalurgice utilizate în prezent necesită temperaturi foarte ridicate, eliberând gaze periculoase în atmosferă, au costuri de exploatare ridicate și necesită cantități mari de energie. Tehnicile hidrometalurgice sunt mai eficiente din punct de vedere al costurilor, au rezultate mai previzibile și pot fi controlate cu ușurință, dar prezintă dezavantajul generării de deșeuri secundare, majoritatea dintre acestea reprezentând probleme grave pentru sănătate și mediu. Un alt proces de recuperare a deșeurilor electronice poate fi procesul electrochimic. Acesta contribuie la atenuarea schimbărilor climatice, reducând considerabil emisiile de gaze cu efect de seră rezultate din producția de noi materiale. Recuperarea și reciclarea metalelor prețioase din deșeurile electronice poate aduce beneficii economice semnificative și poate reduce cererea de materii prime.

EN: Abstract. The electronics industry is one of the fastest-growing and is considered the largest manufacturing industry in the world. They contain a wide range of materials: ferrous metals, non-ferrous metals, glass, plastics, and other halogenated flame retardants (chlorine, bromine). Non-ferrous materials contain considerable amounts of precious metals such as copper, aluminum, silver, gold, and platinum, together with other toxic metal components such as lead, mercury, arsenic, cadmium, selenium, and chromium. Recovery of these metals can currently be achieved using physical and chemical processes. The pyrometallurgical processes currently used require very high temperatures, release hazardous gases into the
atmosphere, have high operating costs, and require large amounts of energy. Hydrometallurgical techniques are more cost-effective, have more predictable results, and can be easily controlled, but have the disadvantage of generating secondary wastes, most of which are serious health and environmental problems. Another e-waste recovery process can be the electrochemical process. This helps to mitigate climate change by significantly reducing greenhouse gas emissions from the production of new materials. Recovering and recycling precious metals from e-waste can bring significant economic benefits and reduce the demand for raw materials, thereby also reducing dependence on imports.

RO: Etapa 1 – Proiectarea și testarea unui setup electrochimic pentru solubilizarea metalelor prețioase – Celulă electrochimică prototip

În cadrul acestei etape Proiectarea și testarea unui setup electrochimic pentru solubilizarea metalelor prețioase  s-a studiat procesul electrochimic de solubilizare al unui electrod de aur în mai multe soluții electrolit la diferite potențiale. Astfel, s-au testat atât soluții acide cu un pH de aproximativ 0, cât și soluții neutre cu un pH în jurul valorii 7. Soluțiile rezultate în urma procesului de solubiliare au fost analizate cantitativ și calitativ cu ajutorului spectroscopiei de emisie optice cu plasmă cuplată inductiv (ICP-OES) și UV-Viz. De asemenea, în cadrul acestei etape s-a testat câteva PCB-uri pentru a afla cantitatea de Au din acestea. Acest lucru s-a făcut cu ajutorul procesului de mineralizare la 180 °C pentru 30 minute în apă regală.

EN: Stage 1 – Design and testing of an electrochemical setup for the solubilization of precious
metals – Prototype electrochemical cell

In this phase ”Designing and testing of an electrochemical setup for the dissolution of precious metals”, the electrochemical process of dissolution of a gold electrode in several electrolyte solutions at different potentials was studied. Thus, acidic solutions with a pH of approximately 0 and neutral solutions with a pH around 7 were tested. The solutions resulting from the dissolution process were analyzed quantitatively and qualitatively with the help of Inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) and UV-Vis Spectroscopy. Also, during this stage, some PCBs were tested to find out the amount of Au in them. This was done using the mineralization process at 180 °C for 30 minutes in aqua regia.

RO: Etapa 2 – Folosirea protocolului pentru reciclarea metalelor prețioase din deșeuri electronice (PCB) – I

Activitatea 2.1 s-a axat pe găsirea celor mai potriviți parametrii pentru procesul electrochimic de solubilizarea a aurului, utilizând un disc de aur policristalin. Prin urmare, în cadrul acestei activități, obiectivele O1, O2 și O3 au fost îndeplinite. Protocolul din cadrul etapei 1 a fost îmbunătățit cu experimentele din această etapă, iar la final a fost pus în aplicare pe un deșeu electronic uzat obținut dintr-un televizor vechi. Astfel, s-a studiat solubilizarea aurului în patru soluții electrolit cu pH-uri diferite și anioni diferiți. Dintre care s-a ales electrolitul potrivit cu cea mai mare rată de solubilizare, urmând experimentele doar în acel electrolit. De asemenea, s-a studiat influența temperaturii asupra solubilizării și influența concetrației anionului. La final, s-a ajuns la concluzia că solubilizarea electrochimică a aurului reprezintă o metodă promițătoare de recuperare și reciclare. Prin optimizarea parametrilor precum potențialul electrochimic, pH-ul și anionul soluției electrolit, timpul de reacție și compoziția soluției de electrolit, s-a obținut randamente semnificative. Această tehnică poate contribui la valorificarea eficientă a resurselor din deșeurile electronice și la reducerea impactului asupra mediului înconjurător.

EN: Stage 2 – Using the Protocol to Recycle Precious Metals from Electronic Waste (PCB) – I  

Activity 2.1 focused on finding the most suitable parameters for the electrochemical gold solubilization process, using a polycrystalline gold disc. Therefore, within this activity, objectives O1, O2 and O3 have been met. The protocol in stage 1 was improved with the experiments in this stage, and finally it was implemented on a used e-waste obtained from an old television. Thus, gold dissolution was studied in four electrolyte solutions with different pHs and different anions. From which the suitable electrolyte with the highest solubilization rate was chosen, following the experiments only in that electrolyte. The influence of temperature on solubilization and the influence of anion concentration were also studied. In the end, it was concluded that the electrochemical dissolution of gold represents a promising method of recovery and recycling. By optimizing parameters such as electrochemical potential, pH and anion of the electrolyte solution, reaction time and composition of the electrolyte solution, significant yields were achieved. This technique can contribute to the efficient recovery of resources from e-waste and reduce the impact on the environment.

RO: Etapa 3 – Folosirea protocolului pentru reciclarea metalelor prețioase din deșeuri electronice (PCB) – II

În cadrul acestei etape și activități, s-a testat o celulă electrochimică inovatoare, compusă din două compartimente conectate printr-un canal cu o membrană schimbătoare de protoni, nafion. Electrolitul utilizat a fost pe bază de ioni de Cl cu un pH acid (așa cum s-a demonstrat în cadrul etapei 2). Azotul s-a introdus doar în compartimentul cu electrolit de 1M HCl, așadar s-a încercat fără recircularea azotului dintr-un compartiment în altul (ca în cazul celulei din etapa 2). Densitățile de curent obținute nu au fost suficient de mari (de ordinul nA), astfel încât voltamogramele ciclice să aibă o formă cu peak-uri redox. Însă, această celulă electrochimică reprezintă o zonă de cercetare interesantă și poate contribui la dezvoltarea tehnologiilor bazate pe energie electrică și chimie.

EN: Stage 3 – Using the Protocol to Recycle Precious Metals from Electronic Waste (PCB) – II

During this activity, an innovative electrochemical cell was tested. This cell was composed of two compartments connected by a channel with a proton exchange membrane, Nafion. The electrolyte used was based on Cl ions and had an acidic pH, as demonstrated in stage 2. Nitrogen was introduced only into the compartment containing the 1M HCl electrolyte, so no attempt was made to recirculate nitrogen from one compartment to another, as was the case with the cell in stage. The current densities obtained were not high enough (on the order of nA) for the cyclic voltammograms to exhibit redox peaks. However, this electrochemical cell represents an interesting area of research and can contribute to the development of technologies that integrate electricity and chemistry.

Diseminare / Dissemination
Conferințe / Conferences:

1. Advancing Gold Recycling: Electrochemical Systems and Dissolution Kinetics, Cornelia Diac, Matei-Tom Iacob, Serban Stamatin, E-MRS 2023 FALL MEETING, Varșovia, 2023
2. ELECTROCHEMICAL SOLUTIONS FOR GOLD RECOVERY AND DISSOLUTION INSIGHTS, Cornelia Diac, Matei Tom Iacob, Șerban Nicolae Stamatin, 6th International Conference on Emerging Technologies in Materials Engineering EMERGEMAT, București, 2023
3. Gold Dissolution In Electrochemical Systems: Exploring Eco-Friendly Methods For Sustainable Applications, Cornelia DIAC, Tom Matei IACOB, Bogdan Ciprian MITREA, Adriana BĂLAN, Ioan STAMATIN, Serban STAMATIN, Bucharest University Faculty of Physics 2023 Meeting
4. A more environmentally friendly method of recovering precious metals from printed circuit boards, Razvan BALICA, Cornelia DIAC, Matei Tom IACOB, Bogdan Ciprian MITREA, Adriana BĂLAN, Ioan STAMATIN, 2022 Annual Scientific Conference
5. Bio-construction of electro-active layers, Matei-Tom IACOB, Cornelia DIAC, Bogdan Ciprian MITREA, Adriana BALAN, Ioan STAMATIN, 2022 Annual Scientific Conference
6. The Influence of Cu and TiO2 Nanoparticles on Plants Photosynthesis Process, – Bogdan Ciprian MITREA, Cornelia NICHITA, Cornelia DIAC, Tom Matei IACOB, Bogdan DOBRICA, Ioan STAMATIN, 2022 Annual Scientific Conference
7. Copper and TiO2 nanoparticles effects over the photosynthesis process in plants, Bogdan Ciprian MITREA, Cornelia NICHITA, Cornelia DIAC, Tom Iacob MATEI, Bogdan DOBRICA, Ioan STAMATIN, 20th International Balkan Workshop on Applied Physics, 2022

Articole / Articles: 

1. Maxim, Florentina Iuliana, Eugenia Tanasa, Bogdan Mitrea, Cornelia Diac, Tomáš Skála, Liviu Cristian Tanase, Cătălin Ianăși, Adrian Ciocanea, Stefan Antohe, Eugeniu Vasile, and et al. 2023. “Polymeric Carbon Nitrides for Photoelectrochemical Applications: Ring Opening-Induced Degradation” Nanomaterials 13, no. 7: 1248. https://doi.org/10.3390/nano13071248