การนำทองแดงกลับมาใช้ใหม่จากสารละลายสังเคราะห์ของสารประกอบเชิงซ้อนระหว่างทองแดงกับกรดอินทรีย์ซึ่งได้จากกระบวนการสกัดทางชีวภาพของขยะอิเลกทรอนิกส์

Abstract

การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาความเข้าใจพื้นฐานของกระบวนการดูดซับสารประกอบเชิงซ้อนระหว่างทองแดงกับกรดอินทรีย์ที่เกิดจากการสกัดทางชีวภาพจากขยะอิเลกทรอนิกส์เพื่อนำทองแดงกลับมาใช้ใหม่ โดยใช้คีเลทติ้งเรซิน 3 ชนิด ได้แก่ Chelex 100 (imminodiacetic acid), Dowex M4195 (Bispicolamine) และ Lewatit TP260 (amino methyl phosphonic) มาทำการคัดเลือกเรซินที่เหมาะสมในการนำทองแดงกลับคืนมาจากสารละลายสังเคราะห์ของสารประกอบเชิงซ้อนของทองแดงกับกรดซิตริก (สารประกอบเชิงซ้อนทองแดง ซิเตรท) โดยใช้ความเข้มข้นของทองแดงในสารละลายสังเคราะห์อยู่ในช่วง 100 ถึง 2,800 มิลลิกรัมต่อลิตรเตรียมในกรดซิตริกความเข้มข้น 0.01, 0.1 และ 1.0 โมลาร์ ตามลำดับ ทำการทดลองการดูดซับแบบกะและทดสอบการคายซับด้วยกรดซัลฟูริก กรดไฮโดรคลอริก และกรดไนตริก จากผลการศึกษาการคัดเลือกเรซินพบว่า Dowex M4195 มีความเหมาะสมในการนำมาใช้ในการนำทองแดงกับคืนมา เนื่องจากมีประสิทธิภาพในการดูดซับและคายซับได้มากกว่าเรซิน Chelex 100 และ Lewatit TP 260 และให้ค่าความสามารถในการดูดซับที่สมดุลเท่ากับ 59.29 มิลลิกรัมต่อกรัมในส่วนของการคายซับ พบว่า สารละลายกรดซัลฟูริกความเข้มข้น 2โมลาร์ สามารถคายซับทองแดงจาก Dowex M4195 ได้ดีที่สุด มีค่าเปอร์เซนต์การคายซับ เท่ากับ 52.55 การศึกษากลไกของสมดุลการดูดซับด้วยแบบจำลอง Langmuir แบบจำลอง Freundlich และแบบจำลอง Redlich-Peterson ในงานวิจัยนี้ใช้วิธี nonlinear regression โดยอาศัย Microsoft Excel solver ทำการ minimize error function 6 ฟังก์ชันได้แก่  2 , EABS, MPSD, HYBRID, RMSE และ SSE และใช้ค่า sum normalize (SNE) error function เป็นเครื่องมือในการตัดสิน พบว่า แบบจำลอง Redlich-Peterson สามารถอธิบายสมดุลย์การดูดซับได้ดีที่สุด ซึ่งแสดงให้เห็นว่า กลไกการดูดซับเป็นแบบผสมผสานระหว่างการดูดซับชั้นเดียวและการดูดซับหลายชั้น และพบว่า ค่าความสามารถในการดูดซีลสูงสุดเท่ากับ 88.75 มิลลิกรัมต่อกรัม (ประสิทธิภาพการดูดซับ 86.2%) ที่ pH ของสารละลายในช่วง 1.9 ถึง 2.5 และความสามารถในการดูดซับลดลงเมื่อค่า pH ลดลง การศึกษาอุณหพลศาสตร์ของการดูดซับที่ช่วงอุณหภูมิระหว่าง 30 ถึง 60 องศาเซลเซียส พบว่า การเปลี่ยนแปลงพลังงานกิบส์ (ΔG 0 ) และค่าการเปลี่ยนแปลงเอนทรัลปี (ΔH 0 ) มีค่าเป็นลบ ซึ่งบ่งบอกถึงกระบวนการดูดซับทองแดงโดยใช้ Dowex M4195 เป็นกระบวนการคายความร้อน และเกิดขึ้นได้เองและค่าการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี (ΔS 0 ) จากการทดลองเป็นบวกแสดงว่ามีโมเลกุลทองแดงอิออน (Cu2+) ที่ผิวเรซินจำนวนมากและอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในระหว่างการดูดซับของสารประกอบทองแดงซิเตรทกับหมู่ฟังก์ชันของเรซิน สำหรับการดูดซับในระบบสององค์ประกอบ ได้แก่ ทองแดงซิเตรทและสังกะสีซิเตรท ข้อมูลการดูดซับของระบบสอง องค์ประกอบถูกวิเคราะห์ด้วยแบบจำลอง non-modified Langmuir และแบบจำลอง Extended Langmuir พบว่า ความสามารถในการดูดซับของทองแดงและสังกะสีลดลง สมดุลการดูดซับสอดคล้องกับแบบจำลอง Extended Langmuir สำหรับในการศึกษาจลนพลศาสตร์การดูดซับ โดยการวิเคราะห์ข้อมูลจากการทดลองด้วยแบบจำลอง Pseudo-first order และแบบจำลอง Pseudo-second order ด้วยวิธีการ minimization ฟังก์ชัน RMSE พบว่า จลนพลศาสตร์การดูดซับสอดคล้องกับแบบจำลอง Pseudo-second order ซึ่งขั้นกำหนดอัตราปฏิกิริยาถูกควบคุมโดยอัตราเร็วในการดูดซับและอัตราการถ่ายเทมวลสารในการวิเคราะห์โดยละเอียดด้วยแบบจำลองการแพร่ของ Weber-Morris พบว่า ขั้นกำหนดอัตราปฏิกิริยา ถูกควบคุมโดยการแพร่ของสปีชีส์ของทองแดงซิเตรทในชั้นฟิล์ม นอกจากนี้ยังพบว่า ค่า pH ของสารละลายความเข้มข้นเริ่มต้นของสารละลายสารประกอบเชิงซ้อนของทองแดงซิเตรท และอุณหภูมิมีผลต่ออัตราเร็วของปฏิกิริยาค่าพลังงานกระตุ้นจากปฏิกิริยาการดูดซับเท่ากับ 52.37 กิโลจูลต่อโมล ซึ่งบ่งชี้ว่า การดูดซับเป็นการดูดซับทางเคมี (Chemisorption) การคายซับทองแดงซิเตรทจากเรซิน ด้วยสารละลายกรดซัลฟูริคความเข้มข้น 2โมลาร์ พบว่า เวลาในการคายซับเข้าสู่สมดุลประมาณ 24 ชั่วโมงและข้อมูลทางจลนพลศาสตร์ถูกวิเคราะห์ด้วยแบบจำลอง Pseudo-first order และแบบจำลอง Pseudo-second order พบว่า จลนพลศาสตร์การคายซับสอดคล้องกับแบบจำลอง Pseudo-first order ความสามารถในการคายซับเท่ากับ 31 มิลลิกรัมต่อกรัมเรซิน งานวิจัยได้แสดงถึงองค์ความรู้ใหม่ทางด้านสมดุลการดูดซับและจลนพลศาสตร์การดูดซับของสารประกอบเชิงซ้อนของทองแดงซิเตรทที่สกัดได้จากขยะอิเลกทรอนิกส์ด้วยวิธีการ สกัดทางชีวภาพบนเรซิน Dowex M4195 สามารถนำไปใช้ในการออกแบบหอดูดซับสำหรับการนำทองแดงกลับมาใช้ใหม่