Η τεχνική θέρμανσης με φλας εξάγει πολύτιμα μέταλλα από τα απόβλητα μπαταριών γρήγορα και φθηνά – Physics World

Ένας οικονομικά αποδοτικός νέος τρόπος ανάκτησης μετάλλων απευθείας από τα απόβλητα μπαταριών ιόντων λιθίου θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις αυτών των απανταχού συσκευών, ενώ θα μειώσει τον χρόνο που απαιτείται για την ανακύκλωσή τους σχεδόν 100 φορές. Αναπτύχθηκε από επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Rice στις ΗΠΑ, η τεχνική είναι γνωστή ως θέρμανση flash Joule και έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για την ανάκτηση πολύτιμων μετάλλων από άλλες μορφές ηλεκτρονικών απορριμμάτων χωρίς τοξικούς διαλύτες και με λιγότερη ενέργεια από τις τρέχουσες εργαστηριακές μεθόδους.

«Σήμερα, το 95% των μπαταριών δεν ανακυκλώνεται επειδή δεν έχουμε τη δυνατότητα να τις ανακυκλώσουμε, παρόλο που τα απόβλητα από ηλεκτρονικά αυξάνονται με ετήσιο ρυθμό 9%,» λέει Τζέιμς περιοδεία, ο νανοεπιστήμονας της Rice που ηγήθηκε του έργου. Η πρόσφατη δημοτικότητα των ηλεκτρικών αυτοκινήτων προσθέτει επείγουσα ανάγκη στο πρόβλημα, προσθέτει: «Οι μπαταρίες στα ηλεκτρικά οχήματα διαρκούν περίπου 10 χρόνια και πολλές από αυτές έρχονται τώρα, επειδή έχουν περάσει περίπου 10 χρόνια που τις χρησιμοποιούμε».

Οι χρησιμοποιημένες μπαταρίες που δεν ανακυκλώνονται καταλήγουν κυρίως σε χώρους υγειονομικής ταφής, όπως και πολλές άλλες μορφές ηλεκτρονικών απορριμμάτων (e-waste). Αυτό είναι κακό για το περιβάλλον, καθώς τα ηλεκτρονικά απόβλητα περιέχουν συχνά βαρέα μέταλλα, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που είναι τοξικά. Είναι επίσης μια χαμένη εμπορική ευκαιρία, καθώς τα ηλεκτρονικά απόβλητα θα μπορούσαν κατ' αρχήν να είναι μια σημαντική και βιώσιμη πηγή πολύτιμων μετάλλων όπως το ρόδιο, το παλλάδιο, το ασήμι και ο χρυσός, καθώς και λιγότερο δαπανηρών στοιχείων όπως το χρώμιο, το κάδμιο, ο μόλυβδος και ο υδράργυρος.

Το πρόβλημα είναι ότι οι μέθοδοι ανακύκλωσης ηλεκτρονικών απορριμμάτων κάθε άλλο παρά τέλειες. Τα πιο συνηθισμένα βασίζονται στην πυρομεταλλουργία, η οποία περιλαμβάνει τη δημιουργία λιωμένης σούπας μετάλλων σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτές οι μέθοδοι στερούνται επιλεκτικότητας, είναι ενεργοβόρες και παράγουν επικίνδυνους αναθυμιάσεις που περιέχουν βαρέα μέταλλα, ειδικά όταν τα απόβλητα περιέχουν μέταλλα με σχετικά χαμηλά σημεία τήξης όπως υδράργυρο, κάδμιο ή μόλυβδο.

Άλλες τεχνικές χρησιμοποιούν την υδρομεταλλουργία, η οποία περιλαμβάνει την έκπλυση μετάλλων από τα ηλεκτρονικά απόβλητα χρησιμοποιώντας οξέα, βάσεις ή κυάνιο. Ενώ αυτές οι μέθοδοι είναι πιο επιλεκτικές, παράγουν μεγάλες ποσότητες υγρών ή ιλύ αποβλήτων και περιλαμβάνουν χημικές αντιδράσεις που είναι κινητικά αργές και επομένως δύσκολα κλιμακώνονται. «Πολλές τρέχουσες διαδικασίες ανακύκλωσης μπαταριών περιλαμβάνουν τη χρήση πολύ ισχυρών οξέων και αυτές τείνουν να είναι ακατάστατες, δυσκίνητες διαδικασίες», παρατηρεί ο Tour.

Μια άλλη εναλλακτική λύση, η βιομεταλλουργία, διαχωρίζει τα μέταλλα αξιοποιώντας φυσικές βιολογικές διεργασίες σε μικροοργανισμούς, αλλά αυτή η πολλά υποσχόμενη οικογένεια τεχνικών βρίσκεται ακόμα στα σπάργανα.

Έφυγε αστραπιαία

Το 2020, ο Tour και οι συνάδελφοί του στο Rice ανέπτυξαν έναν τρόπο παραγωγής γραφενίου από πηγές άνθρακα, όπως απόβλητα τροφίμων και πλαστικό. Αργότερα, προσάρμοσαν αυτή τη μέθοδο θέρμανσης με flash Joule ανάκτηση πολύτιμων μετάλλων από ηλεκτρονικά απόβλητα και αφαιρέστε τα τοξικά από το υπόλοιπο υλικό.

Η τεχνική λειτουργεί επειδή οι πιέσεις ατμών των μετάλλων στα ηλεκτρονικά απόβλητα είναι πολύ διαφορετικές από αυτές άλλων συστατικών αποβλήτων όπως ο άνθρακας, τα κεραμικά και το γυαλί. Σε μια διαδικασία γνωστή ως εξατμιστικός διαχωρισμός, οι ερευνητές εξατμίζουν αυτά τα μέταλλα σε έναν θάλαμο φλας εφαρμόζοντας έναν έντονο παλμό ρεύματος που διαρκεί λιγότερο από 1 δευτερόλεπτο, θερμαίνοντας τα απόβλητα στους 3400 K.

Οι ατμοί στη συνέχεια μεταφέρονται υπό κενό από τον θάλαμο φλας σε μια παγίδα κρύου όπου συμπυκνώνονται στα συστατικά τους στοιχεία, εξηγεί το μέλος της ομάδας Bing Deng. Το μείγμα μετάλλων στην παγίδα μπορεί στη συνέχεια να καθαριστεί περαιτέρω χρησιμοποιώντας καθιερωμένες μεθόδους εξευγενισμού.

Ενεργοποίηση της μαύρης μάζας

Στην τελευταία τους μελέτη, ο Tour και οι συνεργάτες του επέκτειναν αυτή τη διαδικασία στη λεγόμενη μαύρη μάζα, η οποία είναι τα συνδυασμένα απόβλητα που προέρχονται από την κάθοδο και την άνοδο στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Χρησιμοποιώντας την προσέγγιση θέρμανσης Joule, η ομάδα θέρμανε τη μαύρη μάζα σε θερμοκρασίες πάνω από 2100 K μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα. Αυτή η εξαιρετικά γρήγορη επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας αφαιρεί το αδρανές στρώμα στα μέταλλα της μπαταρίας ενώ ταυτόχρονα μειώνει την κατάσταση οξείδωσης της μαύρης μάζας, επιτρέποντάς της να διαλυθεί σε αραιό οξύ.

«Αυτό που βρήκαμε είναι ότι εάν «αναβοσβήσετε» τη μαύρη μάζα, τότε μπορείτε εύκολα να διαχωρίσετε τα κρίσιμα μέταλλα χρησιμοποιώντας μόνο υδροχλωρικό οξύ χαμηλής συγκέντρωσης», εξηγεί ο Tour. «Θα μπορούσατε να πείτε ότι το φλας απελευθερώνει τα μέταλλα, έτσι διαλύονται ευκολότερα. Εξακολουθούμε να χρησιμοποιούμε οξύ, αλλά πολύ λιγότερο».

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, η ομάδα ανέκτησε περισσότερο από το 98% του μετάλλου από διάφορους τύπους μικτών απορριμμάτων μπαταριών. Επιπλέον, η διάλυση των αποβλήτων διαρκεί λιγότερο από 20 λεπτά, σε αντίθεση με τις 24 ώρες που χρησιμοποιούν παραδοσιακές μεθόδους.

Η αστική εξόρυξη γίνεται πιο γρήγορη και καθαρότερη

«Η βιομηχανία προσπαθεί παραδοσιακά να ανακυκλώσει τη μαύρη μάζα, αλλά οι τρέχουσες στρατηγικές ανακύκλωσης περιορίζονται από τις πολύπλοκες διαδικασίες επεξεργασίας καθώς και από την σημαντική κατανάλωση ενέργειας και CO₂ εκπομπές», λέει το μέλος της ομάδας Weiyin Chen. «Το πιο σημαντικό αποτέλεσμα της διαδικασίας μας είναι η μείωση της χρήσης οξέος κατά 10 φορές και η κατανάλωση χρόνου κατά 100 φορές κατά τη διάρκεια της ανακύκλωσης».

Οι ερευνητές του Rice λένε ότι τώρα προσπαθούν να κλιμακώσουν την τεχνική ανακύκλωσής τους. «Έχουμε ήδη επιδείξει ανάκτηση σε επίπεδο κιλών στο εργαστήριό μας και η διαδικασία flash-Joule μπορεί πιθανώς να ενσωματωθεί σε ένα συνεχές σύστημα στο μέλλον», λέει ο Chen. Κόσμος Φυσικής.

Περιγράφουν τη δουλειά τους στο Προκαταβολές Επιστήμη.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/flash-heating-technique-extracts-valuable-metals-from-battery-waste-quickly-and-cheaply/