Flash-verwarmingstechniek haalt snel en goedkoop waardevolle metalen uit batterijafval – Physics World

Een kosteneffectieve nieuwe manier om metalen rechtstreeks uit het afval van lithium-ionbatterijen terug te winnen, zou de milieu-impact van deze alomtegenwoordige apparaten aanzienlijk kunnen verminderen en tegelijkertijd de tijd die nodig is om ze te recyclen bijna honderd keer verkorten. De techniek, ontwikkeld door wetenschappers van de Rice University in de VS, staat bekend als flash Joule-verwarming, en is al gebruikt om waardevolle metalen terug te winnen uit andere vormen van elektronisch afval, zonder giftige oplosmiddelen en met minder energie dan de huidige laboratoriummethoden.

“Momenteel wordt 95% van de batterijen niet gerecycled omdat we niet de capaciteit hebben om ze te recyclen, terwijl het afval van elektronica jaarlijks met 9% toeneemt”, zegt James tour, de Rice-nanowetenschapper die het project leidde. De recente populariteit van elektrische auto's maakt het probleem nog urgenter, voegt hij eraan toe: "Batterijen in elektrische voertuigen gaan ongeveer tien jaar mee, en veel daarvan zullen nu komen, omdat we ze al ongeveer tien jaar gebruiken."

Gebruikte batterijen die niet worden gerecycled, belanden meestal op de vuilstort, net als veel andere vormen van elektronisch afval (e-waste). Dit is slecht voor het milieu, omdat elektronisch afval vaak zware metalen bevat, waaronder enkele die giftig zijn. Het is ook een gemiste commerciële kans, aangezien elektronisch afval in principe een belangrijke en duurzame bron zou kunnen zijn van edele metalen zoals rhodium, palladium, zilver en goud, maar ook van minder kostbare elementen zoals chroom, cadmium, lood en kwik.

Het probleem is dat de recyclingmethoden voor elektronisch afval verre van perfect zijn. De meest voorkomende zijn gebaseerd op pyrometallurgie, waarbij bij hoge temperaturen een gesmolten soep van metalen wordt gecreëerd. Deze methoden ontberen selectiviteit, zijn energie-intensief en produceren gevaarlijke, zware metalen bevattende dampen, vooral wanneer het afval metalen bevat met relatief lage smeltpunten zoals kwik, cadmium of lood.

Andere technieken maken gebruik van hydrometallurgie, waarbij metalen uit elektronisch afval worden gelekt met behulp van zuren, basen of cyanide. Hoewel deze methoden selectiever zijn, produceren ze grote hoeveelheden vloeibaar of slibachtig afval en brengen ze chemische reacties met zich mee die kinetisch langzaam zijn en dus moeilijk op te schalen. “Veel huidige recyclingprocessen voor batterijen maken gebruik van zeer sterke zuren, en dit zijn vaak rommelige en omslachtige processen”, merkt Tour op.

Een ander alternatief, de biometallurgie, scheidt metalen door gebruik te maken van natuurlijke biologische processen in micro-organismen, maar deze veelbelovende familie van technieken staat nog in de kinderschoenen.

In een flits verdwenen

In 2020 ontwikkelden Tour en zijn collega's bij Rice een manier om grafeen te produceren uit koolstofbronnen zoals voedselafval en plastic. Later hebben ze deze flash Joule-verwarmingsmethode aangepast edelmetalen terugwinnen uit elektronisch afval en verwijder giftige stoffen uit het resterende materiaal.

De techniek werkt omdat de dampspanningen van metalen in e-waste heel anders zijn dan die van andere afvalcomponenten zoals koolstof, keramiek en glas. In een proces dat bekend staat als verdampingsscheiding, verdampen de onderzoekers deze metalen in een flitskamer door een intense stroompuls toe te passen die minder dan 1 seconde duurt, waardoor het afval wordt verwarmd tot 3400 K.

De dampen worden vervolgens onder vacuüm van de flitskamer naar een koude val getransporteerd, waar ze condenseren tot hun samenstellende elementen, legt teamlid Bing Deng uit. Het metaalmengsel in de val kan vervolgens verder worden gezuiverd met behulp van gevestigde raffinagemethoden.

Het activeren van de zwarte massa

In hun laatste onderzoek hebben Tour en collega's dit proces uitgebreid naar de zogenaamde zwarte massa, het gecombineerde afval dat afkomstig is van de kathode en anode in lithium-ionbatterijen. Met behulp van de Joule-verwarmingsmethode verwarmde het team de zwarte massa binnen enkele seconden tot temperaturen boven 2100 K. Deze ultrasnelle behandeling bij hoge temperatuur verwijdert de inerte laag op de metalen van de batterij en verlaagt tegelijkertijd de oxidatietoestand van de zwarte massa, waardoor deze kan worden opgelost in een verdund zuur.

“Wat we ontdekten is dat als je de zwarte massa ‘flasht’, je de kritische metalen gemakkelijk kunt scheiden met alleen zoutzuur met een lage concentratie”, legt Tour uit. “Je zou kunnen zeggen dat de flits de metalen vrijmaakt, waardoor ze gemakkelijker oplossen. We gebruiken nog steeds zuur, maar veel minder.”

Met behulp van deze methode heeft het team meer dan 98% van het metaal uit verschillende soorten gemengd batterijafval teruggewonnen. Bovendien duurt het oplossen van de afvalstoffen minder dan 20 minuten, in tegenstelling tot 24 uur bij traditionele methoden.

Stedelijke mijnbouw wordt sneller en schoner

“De industrie probeert traditioneel de zwarte massa te recyclen, maar de huidige recyclingstrategieën worden beperkt door de complexe verwerkingsprocedures en het aanzienlijke energieverbruik en de COXNUMX-uitstoot.₂ uitstoot”, zegt teamlid Weiyin Chen. “Het belangrijkste resultaat van ons proces is een 10-voudige vermindering van het zuurverbruik en een 100-voudige reductie van het tijdsverbruik tijdens de recycling.”

De Rice-onderzoekers zeggen dat ze nu hun recyclingtechniek willen opschalen. “We hebben in ons laboratorium al herstel op kilogramniveau aangetoond en het flash-Joule-proces kan in de toekomst vermoedelijk in een continu systeem worden geïntegreerd”, vertelt Chen. Natuurkunde wereld.

Zij beschrijven hun werk in Wetenschap Advances.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/flash-heating-technique-extracts-valuable-metals-from-battery-waste-quickly-and-cheaply/