Метод мгновенного нагрева быстро и дешево извлекает ценные металлы из отходов аккумуляторов

Метод мгновенного нагрева быстро и дешево извлекает ценные металлы из отходов аккумуляторов

Отметка времени: 8 ноября 2023 г., 4:42

Цзиньхан Чен (слева) и Джеймс Тур
Члены команды: Цзиньхан Чен (слева) и Джеймс Тур. С разрешения: Джефф Фитлоу/Университет Райса)

Новый экономически эффективный способ извлечения металлов непосредственно из отходов литий-ионных аккумуляторов может значительно снизить воздействие этих вездесущих устройств на окружающую среду, одновременно сокращая время, необходимое для их переработки, почти в 100 раз. Этот метод, разработанный учеными из Университета Райса в США, известен как импульсный джоулевый нагрев, и он уже используется для извлечения ценных металлов из других форм электронных отходов без использования токсичных растворителей и с меньшими затратами энергии, чем современные лабораторные методы.

«В настоящее время 95% батарей не перерабатываются, потому что у нас нет возможности их перерабатывать, даже несмотря на то, что отходы электроники увеличиваются на 9% в год», — говорит Джеймс тур, наноученый из Райса, который руководил проектом. Недавняя популярность электромобилей делает проблему еще более актуальной, добавляет он: «Батареи в электромобилях служат около 10 лет, и срок службы многих из них наступает сейчас, потому что мы используем их уже около 10 лет».

Отработанные батареи, которые не перерабатываются, в основном попадают на свалку, как и многие другие виды электронных отходов (электронные отходы). Это вредно для окружающей среды, поскольку электронные отходы часто содержат тяжелые металлы, в том числе токсичные. Это также упущенная коммерческая возможность, поскольку электронные отходы в принципе могут быть важным и устойчивым источником драгоценных металлов, таких как родий, палладий, серебро и золото, а также менее дорогостоящих элементов, таких как хром, кадмий, свинец и ртуть.

Проблема в том, что методы переработки электронных отходов далеки от совершенства. Наиболее распространенные из них основаны на пирометаллургии, которая предполагает создание расплавленного супа металлов при высоких температурах. Этим методам недостает селективности, они являются энергоемкими и производят опасные пары, содержащие тяжелые металлы, особенно когда отходы содержат металлы с относительно низкими температурами плавления, такие как ртуть, кадмий или свинец.

Другие методы используют гидрометаллургию, которая включает выщелачивание металлов из электронных отходов с помощью кислот, оснований или цианида. Хотя эти методы более селективны, они производят большое количество жидких или иловых отходов и включают в себя химические реакции, которые кинетически медленны и, следовательно, их трудно масштабировать. «Многие современные процессы переработки аккумуляторов включают использование очень сильных кислот, и это, как правило, грязные и громоздкие процессы», — отмечает Тур.

Другая альтернатива — биометаллургия — разделяет металлы, используя естественные биологические процессы в микроорганизмах, но это многообещающее семейство методов все еще находится в зачаточном состоянии.

Ушел в мгновение ока

В 2020 году Тур и его коллеги из Райс разработали способ производства графена из источников углерода, таких как пищевые отходы и пластик. Позже они адаптировали этот метод мгновенного джоулева нагрева для восстановить драгоценные металлы из электронных отходов и удалить токсичные из оставшегося материала.

Этот метод работает, потому что давление паров металлов в электронных отходах сильно отличается от давления паров других компонентов отходов, таких как углерод, керамика и стекло. В процессе, известном как испарительное разделение, исследователи испаряют эти металлы в испарительной камере, применяя интенсивный импульс тока длительностью менее 1 секунды, нагревая отходы до 3400 К.

Затем пары под вакуумом транспортируются из испарительной камеры в холодную ловушку, где они конденсируются в составные элементы, объясняет член команды Бин Дэн. Смесь металлов в ловушке затем может быть дополнительно очищена с использованием общепринятых методов очистки.

Активация черной мессы

В своем последнем исследовании Тур и его коллеги распространили этот процесс на так называемую черную массу, которая представляет собой совокупность отходов, образующихся с катода и анода в литий-ионных батареях. Используя метод джоулевого нагрева, команда нагрела черную массу до температуры выше 2100 К за несколько секунд. Эта сверхбыстрая высокотемпературная обработка удаляет инертный слой с металлов батареи, а также снижает степень окисления черной массы, позволяя растворить ее в разбавленной кислоте.

«Мы обнаружили, что если «вспыхнуть» черную массу, то можно легко отделить важные металлы, используя только соляную кислоту низкой концентрации», — объясняет Тур. «Можно сказать, что вспышка высвобождает металлы, поэтому они легче растворяются. Мы по-прежнему используем кислоту, но гораздо меньше».

Используя этот метод, команда извлекла более 98% металла из различных типов смешанных отходов аккумуляторов. Более того, растворение отходов занимает менее 20 минут, в отличие от 24 часов при использовании традиционных методов.

«Промышленность традиционно пытается перерабатывать черную массу, но нынешние стратегии переработки ограничены сложными процедурами очистки, а также значительным потреблением энергии и выбросами CO.2 выбросов», — говорит член команды Вэйинь Чен. «Самый важный результат нашего процесса — сокращение использования кислоты в 10 раз и затрат времени в 100 раз при переработке».

Исследователи Райса говорят, что теперь они стремятся расширить свою технологию переработки отходов. «Мы уже продемонстрировали восстановление на уровне килограмма в нашей лаборатории, и процесс мгновенного Джоуля, предположительно, в будущем может быть интегрирован в непрерывную систему», — говорит Чен. Мир физики.

Они описывают свою работу в Наука развивается.

Отметка времени:

Больше от Мир физики