Technika ogrzewania błyskawicznego pozwala szybko i tanio wyodrębnić cenne metale z odpadów akumulatorowych – Świat Fizyki

Nowy, opłacalny sposób odzyskiwania metali bezpośrednio ze zużytych baterii litowo-jonowych mógłby znacznie zmniejszyć wpływ tych wszechobecnych urządzeń na środowisko, skracając jednocześnie prawie 100-krotnie czas potrzebny na ich recykling. Technika ta, opracowana przez naukowców z Rice University w USA, znana jest jako błyskawiczne ogrzewanie Joule'a i była już stosowana do odzyskiwania cennych metali z innych form odpadów elektronicznych bez użycia toksycznych rozpuszczalników i przy mniejszym zużyciu energii niż obecne metody laboratoryjne.

„Obecnie 95% baterii nie jest poddawanych recyklingowi, ponieważ nie mamy możliwości ich recyklingu, mimo że ilość odpadów pochodzących z elektroniki rośnie w tempie 9% rocznie” – mówi James tour, nanonaukowiec Rice, który kierował projektem. Niedawna popularność samochodów elektrycznych jeszcze bardziej uwydatnia problem, dodaje: „Akumulatory w pojazdach elektrycznych wytrzymują około 10 lat, a wiele z nich zbliża się właśnie teraz, ponieważ używamy ich już około 10 lat”.

Zużyte baterie, które nie zostaną poddane recyklingowi, w większości trafiają na wysypiska śmieci, podobnie jak wiele innych form odpadów elektronicznych (e-odpadów). Jest to niekorzystne dla środowiska, ponieważ elektroodpady często zawierają metale ciężkie, w tym niektóre toksyczne. Jest to również stracona szansa komercyjna, ponieważ elektroodpady mogłyby w zasadzie być ważnym i zrównoważonym źródłem metali szlachetnych, takich jak rod, pallad, srebro i złoto, a także mniej kosztownych pierwiastków, takich jak chrom, kadm, ołów i rtęć.

Problem w tym, że metody recyklingu elektroodpadów są dalekie od doskonałości. Najpopularniejsze opierają się na pirometalurgii, która polega na wytworzeniu w wysokich temperaturach stopionej zupy metali. Metody te są mało selektywne, są energochłonne i wytwarzają niebezpieczne opary zawierające metale ciężkie, zwłaszcza gdy odpady zawierają metale o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia, takie jak rtęć, kadm lub ołów.

Inne techniki wykorzystują hydrometalurgię, która polega na ługowaniu metali z elektroodpadów za pomocą kwasów, zasad lub cyjanku. Chociaż metody te są bardziej selektywne, wytwarzają duże ilości odpadów płynnych lub mułowych i obejmują reakcje chemiczne, które są kinetycznie powolne i dlatego trudne do zwiększenia skali. „Wiele obecnych procesów recyklingu akumulatorów wiąże się z użyciem bardzo mocnych kwasów, a są to zazwyczaj procesy chaotyczne i uciążliwe” – zauważa Tour.

Kolejna alternatywa, biometalurgia, oddziela metale poprzez wykorzystanie naturalnych procesów biologicznych zachodzących w mikroorganizmach, ale ta obiecująca rodzina technik jest wciąż w powijakach.

Zniknął w mgnieniu oka

W 2020 roku Tour i jego koledzy z Rice opracowali sposób produkcji grafenu ze źródeł węgla, takich jak odpady żywnościowe i plastik. Później zaadaptowali do tego metodę błyskawicznego ogrzewania Joule'a odzyskiwać metale szlachetne z elektroodpadów i usunąć toksyczne z pozostałego materiału.

Technika ta jest skuteczna, ponieważ prężność par metali w elektroodpadach bardzo różni się od prężności pary innych składników odpadów, takich jak węgiel, ceramika i szkło. W procesie znanym jako separacja przez odparowanie naukowcy odparowują te metale w komorze błyskawicznej, przykładając intensywny impuls prądu trwający krócej niż 1 sekundę, podgrzewając odpady do temperatury 3400 K.

Opary są następnie transportowane pod próżnią z komory rozprężnej do wymrażarki, gdzie skraplają się, tworząc elementy składowe, wyjaśnia członek zespołu Bing Deng. Mieszaninę metali w odwadniaczu można następnie dalej oczyszczać przy użyciu ustalonych metod rafinacji.

Aktywacja czarnej masy

W swoim najnowszym badaniu Tour i współpracownicy rozszerzyli ten proces na tak zwaną czarną masę, czyli połączone odpady powstające z katody i anody w akumulatorach litowo-jonowych. Stosując metodę ogrzewania Joule'a, zespół w ciągu kilku sekund podgrzał czarną masę do temperatury powyżej 2100 K. Ta ultraszybka obróbka wysokotemperaturowa usuwa obojętną warstwę z metali akumulatora, jednocześnie obniżając stopień utlenienia czarnej masy, umożliwiając jej rozpuszczenie w rozcieńczonym kwasie.

„Odkryliśmy, że jeśli „prześwietlisz” czarną masę, możesz z łatwością oddzielić metale krytyczne, używając wyłącznie kwasu chlorowodorowego o niskim stężeniu” – wyjaśnia Tour. „Można powiedzieć, że błysk uwalnia metale, dzięki czemu łatwiej się rozpuszczają. Nadal używamy kwasu, ale znacznie mniej.”

Dzięki tej metodzie zespół odzyskał ponad 98% metalu z różnego rodzaju zmieszanych odpadów akumulatorowych. Co więcej, rozpuszczenie odpadów zajmuje mniej niż 20 minut, w porównaniu do 24 godzin przy zastosowaniu tradycyjnych metod.

Górnictwo miejskie staje się szybsze i czystsze

„Przemysł tradycyjnie próbuje poddawać recyklingowi czarną masę, ale obecne strategie recyklingu są ograniczone przez złożone procedury przetwarzania, a także znaczne zużycie energii i emisję CO₂ emisji” – mówi członek zespołu Weiyin Chen. „Najważniejszym rezultatem naszego procesu jest 10-krotne zmniejszenie zużycia kwasu i 100-krotne zmniejszenie czasu recyklingu.”

Naukowcy z Rice twierdzą, że obecnie chcą ulepszyć swoją technikę recyklingu. „W naszym laboratorium wykazaliśmy już odzysk na poziomie kilogramów, a proces flash-Joule’a można prawdopodobnie w przyszłości zintegrować z systemem ciągłym” – mówi Chen Świat Fizyki.

Opisują swoją pracę w Postępy nauki.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/flash-heating-technique-extracts-valuable-metals-from-battery-waste-quickly-and-cheaply/