A villanófűtési technika gyorsan és olcsón vonja ki az értékes fémeket az akkumulátor hulladékból – Fizika világa

A villanófűtési technika gyorsan és olcsón vonja ki az értékes fémeket az akkumulátor hulladékból – Fizika világa

Időbélyeg: 8. november 2023. 4:42

Jinhang Chen (balra) és James Tour
A csapat tagjai: Jinhang Chen (balra) és James Tour. Jóvoltából: Jeff Fitlow/Rice University)

A fémek lítium-ion akkumulátor-hulladékból való közvetlen visszanyerésének költséghatékony új módja jelentősen csökkentheti ezeknek a mindenütt jelenlévő eszközöknek a környezetre gyakorolt ​​hatását, miközben majdnem százszorosára csökkenti az újrahasznosításukhoz szükséges időt. Az amerikai Rice Egyetem tudósai által kifejlesztett technikát flash Joule-fűtés néven ismerik, és már használták értékes fémek kinyerésére más elektronikai hulladékokból mérgező oldószerek nélkül és kevesebb energiával, mint a jelenlegi laboratóriumi módszerek.

„Jelenleg az akkumulátorok 95%-át nem hasznosítják újra, mert nincs kapacitásunk újrahasznosításukra, pedig az elektronikai hulladék mennyisége éves szinten 9%-kal növekszik” – mondja. James turné, a projektet vezető Rice nanotudósa. Az elektromos autók közelmúltbeli népszerűsége még sürgetőbbé teszi a problémát, hozzáteszi: „Az elektromos járművek akkumulátorai körülbelül 10 évig bírják, és ezek közül sok már most esedékes, mert körülbelül 10 éve használjuk őket.”

A nem újrahasznosított kimerült akkumulátorok többnyire hulladéklerakókba kerülnek, akárcsak sok más elektronikai hulladék (e-hulladék). Ez káros a környezetre, mivel az e-hulladék gyakran tartalmaz nehézfémeket, köztük olyanokat is, amelyek mérgezőek. Ez egy elszalasztott kereskedelmi lehetőség is, mivel az e-hulladék elvileg fontos és fenntartható forrása lehet az olyan nemesfémeknek, mint a ródium, palládium, ezüst és arany, valamint olyan olcsóbb elemeknek, mint a króm, kadmium, ólom és higany.

A probléma az, hogy az e-hulladék újrahasznosítási módszerei messze nem tökéletesek. A legelterjedtebbek a pirometallurgián alapulnak, amelynek során magas hőmérsékleten olvadt fémlevest állítanak elő. Ezek a módszerek nem szelektívek, energiaigényesek és veszélyes, nehézfém-tartalmú füstöket termelnek, különösen akkor, ha a hulladék viszonylag alacsony olvadáspontú fémeket, például higanyt, kadmiumot vagy ólmot tartalmaz.

Más technikák hidrometallurgiát alkalmaznak, amely magában foglalja a fémek kimosódását az e-hulladékból savak, bázisok vagy cianid segítségével. Noha ezek a módszerek szelektívebbek, nagy mennyiségű folyékony vagy iszapos hulladékot termelnek, és olyan kémiai reakciókat foglalnak magukban, amelyek kinetikailag lassúak, ezért nehezen skálázhatók. "Sok jelenlegi akkumulátor-újrahasznosítási folyamat nagyon erős savak felhasználásával jár, és ezek általában zavaros, nehézkes folyamatok" - jegyzi meg Tour.

Egy további alternatíva, a biometallurgia a fémek szétválasztását a mikroorganizmusok természetes biológiai folyamatainak hasznosításával végzi, de ez az ígéretes technikák családja még gyerekcipőben jár.

Egy pillanat alatt eltűnt

2020-ban Tour és munkatársai a Rice-nél kifejlesztettek egy módszert a grafén előállítására szénforrásokból, például élelmiszer-hulladékból és műanyagból. Később ezt a flash Joule fűtési módszert alkalmazták nemesfémek visszanyerése az e-hulladékból és távolítsa el a mérgező anyagokat a maradék anyagból.

A technika azért működik, mert az e-hulladékban lévő fémek gőznyomása nagyon eltér más hulladékelemek, például szén, kerámia és üveg gőznyomásától. A párolgásos elválasztásnak nevezett eljárás során a kutatók ezeket a fémeket egy 1 másodpercnél rövidebb ideig tartó intenzív áramimpulzussal párologtatják el, és a hulladékot 3400 K-re melegítik fel.

A gőzöket ezután vákuum alatt szállítják a villanókamrából egy hidegcsapdába, ahol az alkotóelemeikké kondenzálódnak, magyarázza Bing Deng, a csapat tagja. A csapdában lévő fémkeverék ezután tovább tisztítható bevált finomítási módszerekkel.

A fekete massza aktiválása

Tour és munkatársai legújabb tanulmányukban ezt a folyamatot kiterjesztették az úgynevezett fekete tömegre, amely a lítium-ion akkumulátorok katódjából és anódjából származó kombinált hulladék. A Joule-fűtési megközelítést alkalmazva a csapat néhány másodpercen belül 2100 K feletti hőmérsékletre hevítette a fekete masszát. Ez az ultragyors, magas hőmérsékletű kezelés eltávolítja az akkumulátor fémein lévő inert réteget, miközben csökkenti a fekete massza oxidációs állapotát, lehetővé téve a híg savban való feloldódást.

"Azt találtuk, hogy ha "felvillantja" a fekete masszát, akkor könnyen elválaszthatja a kritikus fémeket csak alacsony koncentrációjú sósav segítségével" - magyarázza Tour. „Mondhatnánk, hogy a vaku felszabadítja a fémeket, így könnyebben oldódnak. Még mindig savat használunk, de sokkal kevesebbet.”

Ezzel a módszerrel a csapat a fém több mint 98%-át visszanyerte a különféle típusú vegyes akkumulátorhulladékokból. Ráadásul a hulladék feloldása kevesebb mint 20 percet vesz igénybe, szemben a hagyományos módszerekkel végzett 24 órával.

„Az ipar hagyományosan megpróbálja újrahasznosítani a fekete masszát, de a jelenlegi újrahasznosítási stratégiákat korlátozzák a bonyolult kezelési eljárások, valamint a jelentős energiafogyasztás és a CO.2 kibocsátások” – mondja Weiyin Chen csapattag. „Eljárásunk legfontosabb eredménye, hogy az újrahasznosítás során a savfelhasználást 10-szeresre, az időfelhasználást pedig 100-szorosára csökkentjük.”

A Rice kutatói azt mondják, hogy most az újrahasznosítási technikájukat próbálják bővíteni. "Már kimutattuk a kilogrammszintű gyógyulást a laborunkban, és a flash-Joule folyamat feltehetően a jövőben integrálható egy folyamatos rendszerbe" - mondja Chen. Fizika Világa.

Leírják munkájukat Tudomány előlegek.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa