A técnica de aquecimento flash extrai metais valiosos de resíduos de baterias de forma rápida e barata – Physics World

A técnica de aquecimento flash extrai metais valiosos de resíduos de baterias de forma rápida e barata – Physics World

Carimbo de data / hora: 8 de novembro de 2023 4h42

Jinhang Chen (esquerda) e James Tour
Membros da equipe: Jinhang Chen (à esquerda) e James Tour. Cortesia: Jeff Fitlow/Rice University)

Uma nova forma económica de recuperar metais diretamente dos resíduos de baterias de iões de lítio poderia reduzir significativamente o impacto ambiental destes dispositivos omnipresentes, ao mesmo tempo que reduziria em quase 100 vezes o tempo necessário para os reciclar. Desenvolvida por cientistas da Universidade Rice, nos EUA, a técnica é conhecida como aquecimento flash Joule e já foi usada para recuperar metais valiosos de outras formas de lixo eletrônico sem solventes tóxicos e com menos energia do que os métodos laboratoriais atuais.

“Atualmente, 95% das baterias não são recicladas porque não temos capacidade para reciclá-las, mesmo que os resíduos de produtos eletrónicos estejam a aumentar a uma taxa anual de 9%”, afirma Tour de James, o nanocientista de Rice que liderou o projeto. A recente popularidade dos carros elétricos acrescenta urgência ao problema, acrescenta: “As baterias dos veículos elétricos duram cerca de 10 anos, e muitas delas estão vencendo agora, porque já faz cerca de 10 anos que as usamos”.

As baterias usadas que não são recicladas acabam principalmente em aterros, assim como muitas outras formas de lixo eletrônico (lixo eletrônico). Isto é mau para o ambiente, uma vez que o lixo eletrónico contém frequentemente metais pesados, incluindo alguns que são tóxicos. É também uma oportunidade comercial perdida, uma vez que o lixo eletrónico poderia, em princípio, ser uma fonte importante e sustentável de metais preciosos como o ródio, o paládio, a prata e o ouro, bem como de elementos menos dispendiosos como o crómio, o cádmio, o chumbo e o mercúrio.

O problema é que os métodos de reciclagem de lixo eletrônico estão longe de ser perfeitos. Os mais comuns são baseados na pirometalurgia, que envolve a criação de uma sopa fundida de metais em altas temperaturas. Estes métodos carecem de seletividade, consomem muita energia e produzem fumos perigosos contendo metais pesados, especialmente quando os resíduos contêm metais com pontos de fusão relativamente baixos, como mercúrio, cádmio ou chumbo.

Outras técnicas utilizam a hidrometalurgia, que envolve a lixiviação de metais do lixo eletrônico usando ácidos, bases ou cianeto. Embora estes métodos sejam mais selectivos, produzem grandes quantidades de resíduos líquidos ou lamacentos e envolvem reacções químicas que são cineticamente lentas e, portanto, difíceis de aumentar. “Muitos dos processos atuais de reciclagem de baterias envolvem o uso de ácidos muito fortes, e estes tendem a ser processos confusos e complicados”, observa Tour.

Uma outra alternativa, a biometalurgia, separa metais aproveitando processos biológicos naturais em microrganismos, mas esta promissora família de técnicas ainda está na sua infância.

sumiu num piscar de olhos

Em 2020, Tour e seus colegas da Rice desenvolveram uma forma de produzir grafeno a partir de fontes de carbono, como resíduos de alimentos e plástico. Mais tarde, eles adaptaram este método de aquecimento flash Joule para recuperar metais preciosos do lixo eletrônico e remover os tóxicos do material restante.

A técnica funciona porque as pressões de vapor dos metais no lixo eletrônico são muito diferentes daquelas de outros componentes dos resíduos, como carbono, cerâmica e vidro. Em um processo conhecido como separação evaporativa, os pesquisadores vaporizam esses metais em uma câmara flash aplicando um pulso intenso de corrente com duração inferior a 1 segundo, aquecendo os resíduos a 3400 K.

Os vapores são então transportados sob vácuo da câmara de flash para uma armadilha fria onde se condensam em seus elementos constituintes, explica o membro da equipe Bing Deng. A mistura metálica na armadilha pode então ser purificada posteriormente usando métodos de refino estabelecidos.

Ativando a massa negra

No seu último estudo, Tour e colegas alargaram este processo à chamada massa negra, que é o resíduo combinado proveniente do cátodo e do ânodo nas baterias de iões de lítio. Usando a abordagem de aquecimento Joule, a equipe aqueceu a massa negra a temperaturas acima de 2100 K em poucos segundos. Este tratamento ultrarrápido de alta temperatura remove a camada inerte dos metais da bateria, ao mesmo tempo que reduz o estado de oxidação da massa negra, permitindo que ela seja dissolvida em um ácido diluído.

“O que descobrimos é que se você 'flash' a massa negra, poderá separar facilmente os metais críticos usando apenas ácido clorídrico de baixa concentração”, explica Tour. “Poderíamos dizer que o flash libera os metais, então eles se dissolvem mais facilmente. Ainda estamos usando ácido, mas muito menos.”

Usando este método, a equipe recuperou mais de 98% do metal de vários tipos de resíduos mistos de baterias. Além disso, a dissolução dos resíduos demora menos de 20 minutos, em oposição às 24 horas dos métodos tradicionais.

“Tradicionalmente, a indústria tenta reciclar a massa negra, mas as atuais estratégias de reciclagem são limitadas pelos complexos procedimentos de tratamento, bem como pelo substancial consumo de energia e CO2 emissões”, diz Weiyin Chen, membro da equipe. “O resultado mais importante do nosso processo é reduzir em 10 vezes o uso de ácido e em 100 vezes o consumo de tempo durante a reciclagem.”

Os pesquisadores do Rice dizem que agora estão buscando ampliar sua técnica de reciclagem. “Já demonstramos a recuperação em nível de quilograma em nosso laboratório e o processo flash-Joule pode presumivelmente ser integrado a um sistema contínuo no futuro”, disse Chen. Mundo da física.

Eles descrevem seu trabalho em Os avanços da ciência.

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