Välkkuumutustehnika eraldab akujäätmetest väärtuslikud metallid kiiresti ja odavalt – Physics World

Uus kulutõhus viis metallide taaskasutamiseks otse liitium-ioonakujäätmetest võib märkimisväärselt vähendada nende üldlevinud seadmete keskkonnamõju, lühendades samal ajal nende ringlussevõtuks kuluvat aega peaaegu 100 korda. USA Rice'i ülikooli teadlaste poolt välja töötatud tehnikat tuntakse kiirkuumutusena ja seda on juba kasutatud väärtuslike metallide taastamiseks muudest elektroonikajäätmetest ilma toksiliste lahustiteta ja väiksema energiaga kui praeguste laborimeetoditega.

"Praegu ei võeta 95% akudest ringlusse, kuna meil pole võimsust neid ringlusse võtta, isegi kui elektroonikajäätmed suurenevad 9% aastas," ütleb Jamesi tuur, projekti juhtinud Rice'i nanoteadlane. Ta lisab, et elektriautode hiljutine populaarsus muudab probleemi kiiremaks, lisab ta: "Elektrisõidukite akud peavad vastu umbes 10 aastat ja paljudel neist tuleb tähtaeg nüüd, sest oleme neid kasutanud umbes 10 aastat."

Kasutatud akud, mida ringlusse ei võeta, satuvad enamasti prügilasse, nagu ka paljud muud elektroonikajäätmed (e-jäätmed). See on keskkonnale halb, kuna e-jäätmed sisaldavad sageli raskemetalle, sealhulgas mõningaid mürgiseid metalle. See on ka kasutamata äriline võimalus, kuna e-jäätmed võivad põhimõtteliselt olla oluline ja jätkusuutlik väärismetallide, nagu roodium, pallaadium, hõbe ja kuld, ning odavamate elementide, nagu kroom, kaadmium, plii ja elavhõbe, allikas.

Probleem on selles, et e-jäätmete ringlussevõtu meetodid pole kaugeltki täiuslikud. Kõige levinumad põhinevad pürometallurgial, mis hõlmab kõrgel temperatuuril sulanud metallide supi loomist. Nendel meetoditel puudub selektiivsus, need on energiamahukad ja tekitavad ohtlikke raskemetalle sisaldavaid aure, eriti kui jäätmed sisaldavad suhteliselt madala sulamistemperatuuriga metalle, nagu elavhõbe, kaadmium või plii.

Teised tehnikad kasutavad hüdrometallurgiat, mis hõlmab metallide leostumist e-jäätmetest hapete, aluste või tsüaniidi abil. Kuigi need meetodid on selektiivsemad, tekitavad need suures koguses vedelaid või mudaseid jäätmeid ja hõlmavad keemilisi reaktsioone, mis on kineetiliselt aeglased ja seega raskesti suurendatavad. "Paljud praegused akude ringlussevõtu protsessid hõlmavad väga tugevate hapete kasutamist ja need on tavaliselt segased ja tülikad protsessid," märgib Tour.

Veel üks alternatiiv, biometallurgia, eraldab metalle mikroorganismide looduslike bioloogiliste protsesside abil, kuid see paljutõotav tehnikate perekond on alles lapsekingades.

Kadunud hetkega

2020. aastal töötas Tour ja tema kolleegid Rice'ist välja viisi, kuidas toota grafeeni süsinikuallikatest, nagu toidujäätmed ja plast. Hiljem kohandasid nad seda flash Joule'i kuumutusmeetodit taaskasutada e-jäätmetest väärismetalle ja eemaldage ülejäänud materjalist mürgised.

Tehnika töötab, kuna e-jäätmetes sisalduvate metallide aururõhk on väga erinev teiste jäätmekomponentide, nagu süsinik, keraamika ja klaas, omast. Aurustuseraldusena tuntud protsessis aurustavad teadlased need metallid välkambris, rakendades intensiivset vooluimpulssi, mis kestab alla 1 sekundi, kuumutades jäätmed temperatuurini 3400 K.

Seejärel transporditakse aurud vaakumis leekkambrist külmalõksu, kus need kondenseeruvad oma koostisosadeks, selgitab meeskonnaliige Bing Deng. Püüduris olevat metallisegu saab seejärel täiendavalt puhastada, kasutades väljakujunenud rafineerimismeetodeid.

Musta massi aktiveerimine

Oma viimases uuringus laiendasid Tour ja tema kolleegid seda protsessi nn mustale massile, mis on liitium-ioonakude katoodi ja anoodi kombineeritud jäätmed. Joule-kuumutamise meetodit kasutades soojendas meeskond musta massi mõne sekundi jooksul temperatuurini üle 2100 K. See ülikiire kõrgtemperatuuriline töötlemine eemaldab akumetallidelt inertse kihi, alandades samal ajal ka musta massi oksüdatsiooniastet, võimaldades sellel lahustuda lahjendatud happes.

"Leidsime, et kui "vilgutate" musta massi, saate kriitilised metallid lihtsalt eraldada, kasutades ainult madala kontsentratsiooniga vesinikkloriidhapet, " selgitab Tour. "Võib öelda, et välk vabastab metallid, nii et need lahustuvad kergemini. Me kasutame endiselt hapet, kuid palju vähem.

Seda meetodit kasutades taaskas meeskond enam kui 98% metallist erinevat tüüpi segapatareijäätmetest. Veelgi enam, jäätmete lahustamiseks kulub vähem kui 20 minutit, traditsiooniliste meetoditega võrreldes 24 tunniga.

Linnakaevandamine muutub kiiremaks ja puhtamaks

"Tööstus püüab traditsiooniliselt musta massi ringlusse võtta, kuid praeguseid ringlussevõtu strateegiaid piiravad keerukad töötlemisprotseduurid, samuti märkimisväärne energiatarbimine ja CO.₂ heitkogused,” ütleb meeskonnaliige Weiyin Chen. "Meie protsessi kõige olulisem tulemus on happe kasutuse vähendamine 10 korda ja ajakulu 100 korda ringlussevõtu käigus."

Rice'i teadlased ütlevad, et nad soovivad nüüd oma ringlussevõtu tehnikat laiendada. "Oleme oma laboris juba näidanud kilogrammi tasemel taastumist ja arvatavasti saab flash-Joule'i protsessi tulevikus integreerida pidevasse süsteemi," räägib Chen. Füüsika maailm.

Nad kirjeldavad oma tööd Teadus ettemaksed.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/flash-heating-technique-extracts-valuable-metals-from-battery-waste-quickly-and-cheaply/