Flash-lämmitystekniikka erottaa arvokkaat metallit akkujätteestä nopeasti ja edullisesti – Physics World

Uusi kustannustehokas tapa ottaa talteen metalleja suoraan litiumioniakkujätteestä voisi merkittävästi vähentää näiden kaikkialla olevien laitteiden ympäristövaikutuksia ja lyhentää niiden kierrätykseen tarvittavaa aikaa lähes 100-kertaiseksi. Yhdysvaltalaisen Rice Universityn tutkijoiden kehittämä tekniikka tunnetaan flash Joule -lämmityksellä, ja sitä on jo käytetty arvometallien talteenottoon muista elektroniikkajätteistä ilman myrkyllisiä liuottimia ja vähemmän energiaa kuin nykyiset laboratoriomenetelmät.

"Tällä hetkellä 95 prosenttia akuista ei kierrätetä, koska meillä ei ole kapasiteettia kierrättää niitä, vaikka elektroniikkajätteen määrä lisääntyy vuosittain 9 prosenttia", sanoo James-kiertue, projektia johtanut Ricen nanotieteilijä. Sähköautojen viimeaikainen suosio lisää ongelman kiireellisyyttä, hän lisää: "Sähköajoneuvojen akut kestävät noin 10 vuotta, ja monet niistä erääntyvät nyt, koska olemme käyttäneet niitä noin 10 vuotta."

Käytetyt akut, joita ei kierrätetä, päätyvät enimmäkseen kaatopaikalle, kuten myös monet muut elektroniikkajätteen muodot (sähköjäte). Tämä on haitallista ympäristölle, koska sähköinen jäte sisältää usein raskasmetalleja, myös myrkyllisiä. Se on myös menetetty kaupallinen tilaisuus, koska sähköinen jäte voisi periaatteessa olla tärkeä ja kestävä jalometallien, kuten rodiumin, palladiumin, hopean ja kullan, sekä halvempien alkuaineiden, kuten kromin, kadmiumin, lyijyn ja elohopean, lähde.

Ongelmana on, että sähköisen jätteen kierrätysmenetelmät eivät ole läheskään täydellisiä. Yleisimmät niistä perustuvat pyrometallurgiaan, johon kuuluu sulan metallikeiton luominen korkeissa lämpötiloissa. Näistä menetelmistä puuttuu selektiivisyys, ne ovat energiaintensiivisiä ja tuottavat vaarallisia, raskasmetalleja sisältäviä höyryjä, erityisesti kun jäte sisältää metalleja, joilla on suhteellisen alhainen sulamispiste, kuten elohopeaa, kadmiumia tai lyijyä.

Muissa tekniikoissa käytetään hydrometallurgiaa, jossa metallit liuotetaan sähköjätteestä happojen, emästen tai syanidin avulla. Vaikka nämä menetelmät ovat selektiivisempiä, ne tuottavat suuria määriä nestemäistä tai lietemäistä jätettä ja sisältävät kemiallisia reaktioita, jotka ovat kineettisesti hitaita ja siten vaikeasti skaalautuvia. "Monet nykyiset akkujen kierrätysprosessit sisältävät erittäin vahvojen happojen käyttöä, ja nämä ovat yleensä sotkuisia ja hankalia prosesseja", Tour huomauttaa.

Toinen vaihtoehto, biometallurgia, erottaa metalleja hyödyntämällä luonnollisia biologisia prosesseja mikro-organismeissa, mutta tämä lupaava tekniikkaperhe on vielä lapsenkengissään.

Meni hetkessä

Vuonna 2020 Tour ja hänen kollegansa Ricessä kehittivät tavan tuottaa grafeenia hiililähteistä, kuten ruokajätteestä ja muovista. Myöhemmin he mukauttivat tämän flash Joule -lämmitysmenetelmän jalometallien talteenotto sähkö- ja elektroniikkajätteestä ja poista myrkylliset aineet jäljellä olevasta materiaalista.

Tekniikka toimii, koska sähköisen jätteen metallien höyrynpaineet eroavat suuresti muiden jätekomponenttien, kuten hiilen, keramiikan ja lasin, höyrynpaineista. Prosessissa, joka tunnetaan nimellä haihdutuserotus, tutkijat höyrystävät nämä metallit leimahduskammiossa käyttämällä voimakasta virtapulssia, joka kestää alle 1 sekunnin ja lämmittää jätteen 3400 K:iin.

Höyryt kuljetetaan sitten tyhjiössä leimahduskammiosta kylmäloukkuun, jossa ne tiivistyvät ainesosiinsa, selittää tiimin jäsen Bing Deng. Loukun metalliseos voidaan sitten puhdistaa edelleen vakiintuneita puhdistusmenetelmiä käyttäen.

Mustan massan aktivointi

Uusimmassa tutkimuksessaan Tour ja kollegat laajensivat tämän prosessin niin kutsuttuun mustaan ​​massaan, joka on litiumioniakkujen katodista ja anodista peräisin oleva yhdistetty jäte. Joule-lämmitysmenetelmää käyttäen tiimi lämmitti mustan massan yli 2100 K:n lämpötiloihin muutamassa sekunnissa. Tämä ultranopea korkean lämpötilan käsittely poistaa inertin kerroksen akkumetallien pinnalta ja alentaa samalla mustan massan hapetusastetta, jolloin se liukenee laimeaan happoon.

"Löysimme, että jos 'vilkutat' mustaa massaa, voit helposti erottaa kriittiset metallit käyttämällä vain matalapitoista kloorivetyhappoa", Tour selittää. "Voisi sanoa, että salama vapauttaa metallit, joten ne liukenevat helpommin. Käytämme edelleen happoa, mutta paljon vähemmän.

Tällä menetelmällä tiimi talteenotti yli 98 % metallista erityyppisestä sekaparistojätteestä. Lisäksi jätteen liuotus kestää alle 20 minuuttia, kun perinteisillä menetelmillä 24 tuntia.

Kaupunkikaivostoiminta on nopeampaa ja puhtaampaa

”Teollisuus yrittää perinteisesti kierrättää mustaa massaa, mutta nykyisiä kierrätysstrategioita rajoittavat monimutkaiset käsittelymenetelmät sekä huomattava energiankulutus ja CO.₂ päästöt”, tiimin jäsen Weiyin Chen sanoo. "Prosessimme tärkein tulos on hapon käytön vähentäminen 10-kertaisesti ja ajankulutuksen väheneminen 100-kertaisesti kierrätyksen aikana."

Rice-tutkijat sanovat, että he haluavat nyt laajentaa kierrätystekniikkaansa. "Olemme jo osoittaneet kilotason palautumista laboratoriossamme ja flash-joule-prosessi voidaan oletettavasti integroida jatkuvaan järjestelmään tulevaisuudessa", Chen kertoo. Fysiikan maailma.

He kuvaavat työtään Tiede ennakot.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/flash-heating-technique-extracts-valuable-metals-from-battery-waste-quickly-and-cheaply/