Кинетические закономерности гидрометаллургической переработки отслуживших дисплеев: поведение индия

Изучены физико-химические закономерности выщелачивания индия с поверхности стеклянных пластин отработанных дисплеев в различных кислотах. Стекла отслуживших дисплеев были предварительно очищены от поляризаторов и измельчены. Их основу составляли оксиды кремния и алюминия. Индий представлен в виде соединения In₂O₃·SnO₂. Содержание индия в полученном материале составляло 174,8 мг/кг. В качестве выщелачивающих агентов использовали индивидуальные растворы серной, соляной и метансульфоновой кислот. Установлено влияние концентраций указанных кислот (0,1–1,0 н), продолжительности выщелачивания (10–60 мин), температуры (298–353 К) и соотношения жидкого к твердому (Ж : Т = = (7,5÷15,0) : 1 см³/г) на степень извлечения индия в раствор. Частные порядки реакций по CH3SO3H, H₂SO₄, HCl составили 0,69, 0,67 и 1,10 соответственно. В ходе экспериментов наблюдалось интенсивное повышение концентрации индия в первые 20– 40 мин выщелачивания в растворах H₂SO₄ и HCl, после чего скорость процесса снижалась и извлечение индия практически не росло вследствие уменьшения количества непрореагировавшего индия. При выщелачивании в 0,1–0,4 н растворах CH₃SO₃H скорость растворения индия не менялась на всем протяжении эксперимента ввиду того, что количество непрореагировавшего индия снижалось незначительно. Исследуемые кислоты можно расположить в следующий ряд в порядке возрастания их эффективности в растворении индия: CH₃SO₃H, H₂SO₄, HCl, что соответствует росту сил данных кислот. Увеличение температуры значительно повышало извлечение индия. Рассчитаны значения кажущейся энергии активации растворения In₂O₃ в растворах CH₃SO₃H, H₂SO₄, HCl, составившие 51,4, 51,2, 43,4 кДж/моль соответственно. Обнаружено, что при использовании в качестве выщелачивающего агента HCl увеличение доли жидкой фазы в пульпе от 7,5 : 1 до 15 : 1 см³/г снижало извлечение индия в 2,4 раза, а начальную скорость выщелачивания – в 3,2 раза. Показано, что повышение Ж : Т при растворении индия в CH₃SO₃H (с 7,5 : 1 до 15 : 1 см³/г) и H₂SO₄ (с 10 : 1 до 15 : 1 см³/г) сопровождается незначительным изменением извлечения и начальной скорости выщелачивания. Таким образом, проведенные исследования показали, что выщелачивание индия из стекол отслуживших дисплеев протекает в смешанном режиме при использовании HCl и в кинетическом режиме в растворах H₂SO₄ и CH₃SO₃H.

1. Mineral commodity summaries 2022. URL: https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2022/mcs2022.pdf (accessed: 24.02.2023).

2. Illés I.B., Nagy S., Kékesi T. The recycling of pure metallic indium from waste LCD screens by a combined hydro-electrometallurgical method. Hydrometallurgy. 2022;213:105945. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2022.105945

3. Wang H.Y. A study of the effects of LCD glass sand on the properties of concrete. Waste Management. 2009;29(1):335—341. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2008.03.005

4. Savvilotidou V., Kousaiti A., Batinic B., Vaccari M., Kastanaki E., Karagianni K., Gidarakos E. Evaluation and comparison of pre-treatment techniques for recovering indium from discarded liquid crystal displays. Waste Management. 2019;87:51—61. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.01.029

5. Li J., Gao S., Duan H., Liu L. Recovery of valuable materials from waste liquid crystal display panel. Waste Management. 2009;29(7):2033—2039. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2008.12.013

6. Chinnam R.K., Ujaczki É., O’Donoghue L. Leaching indium from discarded LCD glass: A rapid and environmentally friendly process. Journal of Cleaner Production. 2020;277:122868. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122868

7. Wang S., He Y., Yang J., Feng Y. Enrichment of indium tin oxide from colour filter glass in waste liquid crystal display panels through flotation. Journal of Cleaner Production. 2018;189:464—471. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.04.096

8. Lahtela V., Virolainen S., Uwaoma A., Kallioinen M., Kärki T., Sainio T. Novel mechanical pre-treatment methods for effective indium recovery from end-of-life liquid-crystal display panels. Journal of Cleaner Production. 2019;230:580—591. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.05.163

9. Virolainen S., Huhtanen T., Laitinen A., Sainio T. Two alternative process routes for recovering pure indium from waste liquid crystal display panels. Journal of Cleaner Production. 2020;243:118599. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118599

10. Wang Y., Wang R., Zhang C., Wang J. Full components recovery of organic matter and indium from discarded liquid crystal display panels. Journal of Cleaner Production. 2021;299:126862. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126862

11. Zhang L., Wu B., Chen Y., Xu Z. Energy and valuable resource recovery from waste liquid crystal display panels by an environment-friendly technological process: Pyrolysis of liquid crystals and preparation of indium product. Journal of Cleaner Production. 2017;162:141—152. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.06.031

12. Park K-S., Sato W., Grause G., Kameda T., Yoshioka T. Recovery of indium from In2O3 and liquid crystal display powder via a chloride volatilization process using polyvinyl chloride. Thermochimica Acta. 2009;493(1-2):105—108. https://doi.org/10.1016/j.tca.2009.03.003

13. Rocchetti L., Amato A., Fonti V., Ubaldini S., de Michelis I., Kopacek B., Vegliò F., Beolchini F. Cross-current leaching of indium from end-of-life LCD panels. Waste Management. 2015;42:180—187. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2015.04.035

14. Houssaine Moutiy E., Tran L-H., Mueller K.K., Coudert L., Blais J-F. Optimized indium solubilization from LCD panels using H2SO4 leaching. Waste Management. 2020;114:53—61. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.07.002

15. Kato T., Igarashi S., Ishiwatari Y., Furukawa M., Yamaguchi H. Separation and concentration of indium from a liquid crystal display via homogeneous liquid—liquid extraction. Hydrometallurgy. 2013;137:148—155. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2013.06.004

16. Lee C-H., Jeong M-K., Fatih Kilicaslan M., Lee J-H., Hong H-S., Hong S-J. Recovery of indium from used LCD panel by a time efficient and environmentally sound method assisted HEBM. Waste Management. 2013;33(3):730—734. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2012.10.002

17. Argenta A.B., Reis C.M., Mello G.P., Dotto G.L., Tanabe E.H., Bertuol D.A. Supercritical CO2 extraction of indium present in liquid crystal displays from discarded cell phones using organic acids. The Journal of Supercritical Fluids. 2017;120:95—101. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2016.10.014

18. Virolainen S., Ibana D., Paatero E. Recovery of indium from indium tin oxide by solvent extraction. Hydrometallurgy. 2011;107(1-2):56—61. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2011.01.005

19. Ruan J., Guo Y., Qiao Q. Recovery of indium from scrap TFT-LCDs by solvent extraction. Procedia Environmental Sciences. 2012;16:545—551. https://doi.org/10.1016/j.proenv.2012.10.075

20. Assefi M., Maroufi S., Nekouei R.K., Sahajwalla V. Selective recovery of indium from scrap LCD panels using macroporous resins. Journal of Cleaner Production. 2018;180:814—822. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.01.165

21. Fortin-Lecomte C., Tran L-H., Rioux G., Coudert L., Blais J-F. Recovery of indium from acidic leach solutions of spent LCD panels using ion exchange. Hydrometallurgy. 2022;210:105845. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2022.105845

22. Qin J., Ning S., Fujita T., Wei Y., Zhang S., Lu S. Leaching of indium and tin from waste LCD by a time-efficient method assisted planetary high energy ball milling. Waste Management. 2021;120:193—201. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.11.028

23. Zhang K., Li B., Wu Y., Wang W., Li R., Zhang Y-N., Zuo T. Recycling of indium from waste LCD: A promising non-crushing leaching with the aid of ultrasonic wave. Waste Management. 2017;64:236—243. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2017.03.031

24. Souada M., Louage C., Doisy J-Y., Meunier L., Benderrag A., Ouddane B., Bellayer S., Nuns N., Traisnel M., Maschke U. Extraction of indium-tin oxide from end-oflife LCD panels using ultrasound assisted acid leaching. Ultrasonics Sonochemistry. 2018;40:929—936. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.08.043

25. Gernon M.D., Wu M., Buszta T., Janney P. Environmental benefits of methanesulfonic acid. Green Chemistry. 1999;1(3):127—140. https://doi.org/10.1039/A900157C

26. Palden T., Onghena B., Regadío M., Binnemans K. Methanesulfonic acid: a sustainable acidic solvent for recovering metals from the jarosite residue of the zinc industry. Green Chemistry. 2019;21(19):5394—5404. https://doi.org/10.1039/C9GC02238D

27. Wang H., Yang S., Chang C., Zhou X., Deng X., He J., He X., Chen Y. Direct oxidative pressure leaching of bismuth sulfide concentrate in methanesulfonic acid medium. Hydrometallurgy. 2020;194:105347. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2020.105347

28. Wu J., Ahn J., Lee J. Kinetic and mechanism studies using shrinking core model for copper leaching from chalcopyrite in methanesulfonic acid with hydrogen peroxide. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2021;42(1):38—45. https://doi.org/10.1080/08827508.2020.1795850

29. Wu Z., Dreisinger D.B., Urch H., Fassbender S. Fundamental study of lead recovery from cerussite concentrate with methanesulfonic acid (MSA). Hydrometallurgy. 2014;142:23—35. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2013.10.018

30. Dreisinger D., Baxter K., Worland A., Cooper T., Cau T., Waters N. Lead metal production at Paroo station mine using leach-electrowinning process in methane sulfonic acid solution. In: PbZn 2020: 9th International Symposium on Lead and Zinc Processing (San Diego, USA, 23—27 February, 2020). Switzerland, Springer, 2020. P. 135—163. https://doi.org/10.1007/978-3-030-37070-1_12

31. Зинченко А.В., Изотова С.Г., Румянцев А.В. Новый справочник химика и технолога. Химическое равновесие. Свойства растворов. С.-Пб.: АНО НПО «Профессионал», 2004. 998 с.

32. Guthrie J.P. Hydrolysis of esters of oxy acids: pKa values for strong acids; Brønsted relationship for attack of water at methyl; free energies of hydrolysis of esters of oxy acids; and a linear relationship between free energy of hydrolysis and pKa holding over a range of 20° pK units. Canadian Journal of Chemistry. 1978;56(17):2342—2354. https://doi.org/10.1139/v78-385

33. Illés I.B., Kékesi T. The application of selective leaching and complex anion exchange in a novel aqueous process to produce pure indium from waste liquid crystal display panels. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022;10(5):108420. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108420

34. Cao Y., Li F., Li G., Huang J., Zhu H., He W. Leaching and purification of indium from waste liquid crystal display panel after hydrothermal pretreatment: Optimum conditions determination and kinetic analysis. Waste Management. 2020;102:635—644. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.11.029