Advanced Materials Derived From Electronic Waste

The rapid accumulation of electronic waste (e-waste) and the persistent discharge of dye contaminated industrial wastewater represent two major environmental challenges facing modern waste management and environmental engineering. This thesis demonstrates that these challenges are interconnected by showing that the non-metallic glass-fibre-reinforced epoxy fraction of waste printed circuit boards (PCBs), commonly disposed of after metal recovery, can be transformed into advanced adsorbent materials for wastewater remediation. Conducted within the framework of the SMaRT-PCBs (Sustainable Materials Recycling Technology for Printed Circuit Boards) project, this research investigated three distinct processing routes: microwave-assisted chemical treatment (MA CT-PCB), buffered chemical leaching (BL-PCB), and reagent-free mechanical processing (MP PCB). The resulting non-metallic residues were systematically characterised using X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM–EDS), transmission electron microscopy (TEM), BET nitrogen physisorption, and surface charge analysis. Subsequently, they were tested as adsorbents for water decontamination from organic pollutants. In particular, adsorption tests against methylene blue (MB, 10-5 M), selected as molecular probe, were conducted by monitoring the lowering of the concentration of the dye in the liquid phase through UV-visible spectroscopy as a function of the contact time with the adsorbent. Even if MB removal was not always complete, solar-assisted photocatalytic experiments allowed in all the cases complete methylene blue discolouration under simulated solar irradiation following adsorption pre-concentration. The principal scientific contribution of this thesis is the synthesis of mesoporous silica (MP-PCB MS, m-SiO₂) from the mechanically processed PCBs, whose adsorption capability was deeply investigated. Compared with the raw PCB precursor, the material demonstrated an approximately two-orders-of-magnitude increase in accessible surface area, resulting in rapid adsorption kinetics. Methylene blue (MB) removal efficiencies of 98–100% at a solute concentration of 1 × 10⁻⁵ M were achieved within 1–2 minutes, matching the performance of commercial activated carbon and substantially outperforming natural silica sand. Adsorption behaviour followed the pseudo-second order kinetic model (R² > 0.99) and the Langmuir isotherm model, yielding a maximum monolayer adsorption capacity of 76.7 mg g⁻¹. Dye selectivity studies demonstrated strong preferential adsorption of cationic species, while anionic methyl orange (MO) showed minimal adsorption due to electrostatic repulsion. In mixed dye configurations (MB+MO), partial methyl orange co-adsorption occurred through ion-pair-assisted pathways, while MB removal was not reduced. Regeneration studies using sodium dodecyl sulphate (SDS) suggested excellent cyclic stability of the synthesised m-2 across at least four adsorption–desorption runs, with only a 0.46% variation in equilibrium adsorption capacity. In most of the cases, adsorption tests were conducted on a reduced laboratory scale (few mg of adsorbents and few millilitres of contaminated water), but volumetric scale-up experiments were executed at 100 mL and 500 mL configurations using the buffered chemically leached composite (BL-PCB-SU), which was selected since its preparation (performed by Cagliari University) was characterised by a limited environmental impact and could be scaled up. These experiments validated the scalability and thermodynamic invariance also of the adsorption process. Overall, this thesis demonstrates that non-metallic PCB waste can be transformed into different types of adsorbents for the removal of positively-charged organic pollutants.

Il rapido accumulo di rifiuti elettronici (RAEE) e la contaminazione delle acque reflue industriali da coloranti rappresentano due importanti sfide ambientali per la moderna gestione dei rifiuti e l'ingegneria ambientale. Questa tesi dimostra che tali sfide possono essere interconnesse. In particolare, la tesi dimostra che la frazione non metallica a base di resina epossidica rinforzata con fibra di vetro risultante da schede elettroniche (PCB) di scarto, comunemente smaltita in discarica o incenerita, può essere trasformata in materiali adsorbenti avanzati per la bonifica delle acque reflue. Condotta nell'ambito del progetto SMaRT-PCBs (Sustainable Materials Recycling Technology for Printed Circuit Boards), questa ricerca ha studiato tre distinti frazioni non metalliche derivanti da PCBs di scarto, ottenute attuando il recupero delle componenti preziose (svolto dall’Università di Cagliari) attraverso processi differenti: trattamento chimico assistito da microonde (MA-CT-PCB), lisciviazione chimica con soluzioni tampone (BL-PCB) e processo meccanico privo di reagenti chimici (MP-PCB). I residui non metallici risultanti sono stati caratterizzati sistematicamente utilizzando la diffrazione dei raggi X (XRD), la spettroscopia Raman, la microscopia elettronica a scansione con spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (SEM-EDS), la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), fisisorbimento di azoto e analisi BET, e analisi della carica superficiale. Successivamente, i campioni sono stati testati come adsorbenti per la decontaminazione dell'acqua da inquinanti organici. In particolare, sono stati condotti test di adsorbimento contro il blu di metilene (MB, 10⁻⁵ M), scelto come sonda molecolare, monitorando la diminuzione della concentrazione del colorante nella fase liquida tramite spettroscopia UV-visibile in funzione del tempo di contatto con l'adsorbente. Sebbene la rimozione del MB non sia risultata sempre completa, gli esperimenti di fotocatalisi assistita da energia solare hanno permesso in tutti i casi la completa decolorazione del blu di metilene sotto irradiazione solare simulata, previa pre-concentrazione del colorante sulla superficie dell’adsorbente. Il principale contributo scientifico di questa tesi consiste nella sintesi di silice mesoporosa (MP-PCB MS, m-SiO₂) utilizzando come precursore le schede elettroniche processate meccanicamente, di cui è stato approfonditamente studiato il processo di adsorbimento. Rispetto al precursore grezzo, il materiale ha dimostrato un aumento di circa due ordini di grandezza dell'area superficiale accessibile, che ha permesso una rapida cinetica di adsorbimento del blu di metilene. Sono state raggiunte efficienze di rimozione del blu di metilene (MB) del 98-100% a una concentrazione di soluto di 1 × 10⁻⁵ M entro 1-2 minuti, eguagliando le prestazioni del carbone attivo commerciale e superando sostanzialmente quelle della sabbia silicea naturale. Il comportamento di III adsorbimento ha seguito il modello cinetico pseudo-secondo ordine (R² > 0,99) e il modello di isotermia di Langmuir, producendo una capacità di adsorbimento monostrato massima di 76,7 mg g⁻¹. Studi sulla selettività del colorante hanno dimostrato un forte adsorbimento preferenziale delle specie cationiche, mentre il colorante anionico metil arancio ha mostrato un adsorbimento minimo a causa della repulsione elettrostatica.