Tehnika bliskovitega segrevanja hitro in poceni izloči dragocene kovine iz odpadnih baterij – Physics World

Stroškovno učinkovit nov način pridobivanja kovin neposredno iz odpadnih litij-ionskih baterij bi lahko znatno zmanjšal vpliv teh vseprisotnih naprav na okolje, hkrati pa skoraj 100-krat skrajšal čas, potreben za njihovo recikliranje. Tehnika, ki so jo razvili znanstveniki na Univerzi Rice v ZDA, je znana kot flash Joule segrevanje in je bila že uporabljena za pridobivanje dragocenih kovin iz drugih oblik elektronskih odpadkov brez strupenih topil in z manj energije kot trenutne laboratorijske metode.

"Trenutno se 95 % baterij ne reciklira, ker nimamo zmogljivosti za njihovo recikliranje, čeprav odpadki iz elektronike naraščajo po letni stopnji 9 %," pravi James turneja, Riceov nanoznanstvenik, ki je vodil projekt. Nedavna priljubljenost električnih avtomobilov dodaja nujnost problema, dodaja: "Baterije v električnih vozilih zdržijo približno 10 let in mnoge od njih prihajajo prav zdaj, ker jih uporabljamo že približno 10 let."

Izrabljene baterije, ki niso reciklirane, večinoma končajo na odlagališču, tako kot številne druge oblike elektronskih odpadkov (e-odpadki). To je slabo za okolje, saj e-odpadki pogosto vsebujejo težke kovine, vključno z nekaterimi strupenimi. To je tudi zamujena komercialna priložnost, saj bi lahko bili e-odpadki načeloma pomemben in trajnosten vir plemenitih kovin, kot so rodij, paladij, srebro in zlato, ter cenejših elementov, kot so krom, kadmij, svinec in živo srebro.

Težava je v tem, da metode recikliranja e-odpadkov še zdaleč niso popolne. Najpogostejši temeljijo na pirometalurgiji, ki vključuje ustvarjanje staljene juhe iz kovin pri visokih temperaturah. Te metode niso selektivne, so energetsko intenzivne in proizvajajo nevarne hlape, ki vsebujejo težke kovine, zlasti kadar odpadki vsebujejo kovine z relativno nizkimi tališči, kot so živo srebro, kadmij ali svinec.

Druge tehnike uporabljajo hidrometalurgijo, ki vključuje izpiranje kovin iz e-odpadkov z uporabo kislin, baz ali cianida. Čeprav so te metode bolj selektivne, proizvajajo velike količine tekočih ali blatnih odpadkov in vključujejo kemične reakcije, ki so kinetično počasne in jih je zato težko povečati. "Veliko trenutnih postopkov recikliranja baterij vključuje uporabo zelo močnih kislin, ti pa so običajno neurejeni in okorni postopki," ugotavlja Tour.

Nadaljnja alternativa, biometalurgija, ločuje kovine z izkoriščanjem naravnih bioloških procesov v mikroorganizmih, vendar je ta obetavna družina tehnik še vedno v povojih.

Izginilo v hipu

Leta 2020 so Tour in njegovi kolegi pri Riceu razvili način proizvodnje grafena iz virov ogljika, kot sta odpadna hrana in plastika. Kasneje so to metodo flash joulovega ogrevanja prilagodili pridobivanje plemenitih kovin iz e-odpadkov in odstranite strupene iz preostalega materiala.

Tehnika deluje, ker se parni tlaki kovin v e-odpadkih zelo razlikujejo od tlakov drugih komponent odpadkov, kot so ogljik, keramika in steklo. V procesu, znanem kot ločevanje z izhlapevanjem, raziskovalci uparjajo te kovine v bliskovni komori z uporabo intenzivnega impulza toka, ki traja manj kot 1 sekundo, in segreje odpadke na 3400 K.

Hlapi se nato pod vakuumom prenesejo iz bliskovne komore v hladno past, kjer kondenzirajo v svoje sestavne elemente, pojasnjuje član ekipe Bing Deng. Mešanico kovin v pasti je mogoče nato dodatno prečistiti z uveljavljenimi metodami rafiniranja.

Aktiviranje črne maše

V svoji zadnji študiji so Tour in sodelavci razširili ta proces na tako imenovano črno maso, ki je kombiniran odpadek, ki prihaja iz katode in anode v litij-ionskih baterijah. Z uporabo pristopa Joulovega ogrevanja je ekipa v nekaj sekundah segrela črno maso na temperature nad 2100 K. Ta ultrahitra visokotemperaturna obdelava odstrani inertno plast na kovinah baterije, hkrati pa zniža oksidacijsko stanje črne mase, kar omogoča njeno raztapljanje v razredčeni kislini.

»Ugotovili smo, da če črno gmoto 'pretresete', lahko preprosto ločite kritične kovine z uporabo samo klorovodikove kisline z nizko koncentracijo,« pojasnjuje Tour. »Lahko bi rekli, da blisk sprosti kovine, zato se lažje raztopijo. Še vedno uporabljamo kislino, vendar veliko manj.”

S to metodo je ekipa pridobila več kot 98 % kovine iz različnih vrst mešanih baterijskih odpadkov. Še več, raztapljanje odpadkov traja manj kot 20 minut, v primerjavi s 24 urami pri tradicionalnih metodah.

Urbano rudarjenje postane hitrejše in čistejše

»Industrija tradicionalno poskuša reciklirati črno maso, vendar so trenutne strategije recikliranja omejene zaradi zapletenih postopkov obdelave ter znatne porabe energije in CO₂ emisije,« pravi član ekipe Weiyin Chen. "Najpomembnejši rezultat našega procesa je zmanjšanje porabe kisline za 10-krat in porabe časa za 100-krat med recikliranjem."

Raziskovalci Rice pravijo, da zdaj želijo razširiti svojo tehniko recikliranja. "V našem laboratoriju smo že dokazali povrnitev kilogramov in proces flash-Joule bo verjetno v prihodnosti mogoče integrirati v neprekinjen sistem," pravi Chen. Svet fizike.

Svoje delo opisujejo v Znanost Predplačila.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/flash-heating-technique-extracts-valuable-metals-from-battery-waste-quickly-and-cheaply/