Flaş ısıtma tekniği, pil atıklarından değerli metalleri hızlı ve ucuz bir şekilde çıkarır - Fizik Dünyası

Flaş ısıtma tekniği, pil atıklarından değerli metalleri hızlı ve ucuz bir şekilde çıkarır - Fizik Dünyası

Zaman Damgası: 8 Kasım 2023 4:42

Jinhang Chen (solda) ve James Tour
Takımın üyeleri: Jinhang Chen (solda) ve James Tour. İzniyle: Jeff Fitlow/Rice Üniversitesi)

Metalleri doğrudan lityum iyon pil atıklarından geri kazanmanın uygun maliyetli yeni bir yolu, bu her yerde bulunan cihazların çevresel etkisini önemli ölçüde azaltırken, bunların geri dönüşümü için gereken süreyi neredeyse 100 kat kısaltabilir. ABD'deki Rice Üniversitesi'ndeki bilim insanları tarafından geliştirilen bu teknik, flaş Joule ısıtma olarak biliniyor ve halihazırda, toksik çözücüler olmadan ve mevcut laboratuvar yöntemlerinden daha az enerjiyle, diğer elektronik atık türlerinden değerli metallerin geri kazanılmasında kullanılıyor.

"Şu anda pillerin %95'i geri dönüştürülmüyor çünkü elektronik atıkların yıllık %9 oranında artmasına rağmen bunları geri dönüştürme kapasitemiz yok" diyor James TuruProjeyi yöneten Rice nanobilimcisi. Elektrikli otomobillerin son dönemdeki popülerliği sorunun aciliyetini artırıyor ve şunu ekliyor: "Elektrikli araçların pilleri yaklaşık 10 yıl dayanıyor ve bunların birçoğunun vadesi şimdi geliyor, çünkü onları yaklaşık 10 yıldır kullanıyoruz."

Geri dönüştürülmeyen kullanılmış piller, diğer birçok elektronik atık (e-atık) gibi çoğunlukla çöp depolama alanlarına atılıyor. E-atıklar genellikle bazıları zehirli olan ağır metaller içerdiğinden bu durum çevre için kötüdür. Bu aynı zamanda kaçırılmış bir ticari fırsattır çünkü e-atık prensipte rodyum, paladyum, gümüş ve altın gibi değerli metallerin yanı sıra krom, kadmiyum, kurşun ve cıva gibi daha az maliyetli elementlerin önemli ve sürdürülebilir bir kaynağı olabilir.

Sorun, e-atık geri dönüşüm yöntemlerinin mükemmel olmaktan uzak olmasıdır. En yaygın olanları, yüksek sıcaklıklarda erimiş metal çorbası oluşturmayı içeren pirometalurjiye dayanmaktadır. Bu yöntemler seçicilikten yoksundur, enerji yoğundur ve özellikle atık cıva, kadmiyum veya kurşun gibi nispeten düşük erime noktasına sahip metaller içerdiğinde tehlikeli, ağır metal içeren dumanlar üretir.

Diğer teknikler, asitler, bazlar veya siyanür kullanılarak metallerin e-atıklardan süzülmesini içeren hidrometalurjiyi kullanır. Bu yöntemler daha seçici olmakla birlikte, büyük miktarlarda sıvı veya çamurlu atık üretirler ve kinetik olarak yavaş olan ve dolayısıyla ölçeğinin büyütülmesi zor olan kimyasal reaksiyonlar içerirler. Tour, "Mevcut pil geri dönüşüm süreçlerinin çoğu, çok güçlü asitlerin kullanımını içeriyor ve bunlar genellikle karmaşık, hantal süreçler oluyor" diyor.

Bir başka alternatif olan biyometalurji, mikroorganizmalardaki doğal biyolojik süreçlerden faydalanarak metalleri ayırır, ancak bu umut verici teknik ailesi henüz başlangıç ​​aşamasındadır.

Bir anda gitti

2020 yılında Tour ve Rice'taki meslektaşları, atık gıda ve plastik gibi karbon kaynaklarından grafen üretmenin bir yolunu geliştirdi. Daha sonra bu flaş Joule ısıtma yöntemini Değerli metalleri e-atıktan geri kazanın ve kalan malzemeden zehirli olanları çıkarın.

Teknik işe yarıyor çünkü e-atıktaki metallerin buhar basınçları karbon, seramik ve cam gibi diğer atık bileşenlerinkinden çok farklı. Buharlaşmalı ayırma olarak bilinen bir süreçte araştırmacılar, 1 saniyeden kısa süren yoğun bir akım darbesi uygulayarak bu metalleri bir flaş odasında buharlaştırıyor ve atığı 3400 K'ye ısıtıyor.

Ekip üyesi Bing Deng, buharların daha sonra vakum altında flaş odasından soğuk bir tuzağa taşındığını ve burada kendilerini oluşturan elementlere yoğunlaştıklarını açıklıyor. Tuzaktaki metal karışımı daha sonra yerleşik arıtma yöntemleri kullanılarak daha da saflaştırılabilir.

Kara kütlenin etkinleştirilmesi

Tour ve meslektaşları son çalışmalarında bu süreci, lityum iyon pillerdeki katot ve anottan gelen birleşik atık olan siyah kütleye kadar genişletti. Ekip, Joule ısıtma yaklaşımını kullanarak siyah kütleyi birkaç saniye içinde 2100 K'nin üzerindeki sıcaklıklara ısıttı. Bu ultra hızlı yüksek sıcaklıktaki işlem, akü metalleri üzerindeki atıl tabakayı ortadan kaldırırken aynı zamanda siyah kütlenin oksidasyon durumunu da düşürerek onun seyreltik bir asit içinde çözülmesine olanak tanır.

Tour şöyle açıklıyor: "Bulduğumuz şey şu ki, eğer siyah kütleyi 'parlatırsanız', yalnızca düşük konsantrasyonlu hidroklorik asit kullanarak kritik metalleri kolayca ayırabilirsiniz." "Flaşın metalleri serbest bıraktığını, dolayısıyla daha kolay çözündüklerini söyleyebilirsiniz. Hala asit kullanıyoruz ama çok daha az.”

Ekip, bu yöntemi kullanarak çeşitli türdeki karışık pil atıklarından metalin %98'inden fazlasını geri kazandı. Üstelik atıkların çözülmesi geleneksel yöntemlerle 20 saate kıyasla 24 dakikadan az sürüyor.

"Endüstri geleneksel olarak siyah kütleyi geri dönüştürmeye çalışıyor ancak mevcut geri dönüşüm stratejileri, karmaşık arıtma prosedürlerinin yanı sıra önemli miktarda enerji tüketimi ve CO2 nedeniyle sınırlı.2 emisyonlar," diyor ekip üyesi Weiyin Chen. “Prosesimizin en önemli sonucu, geri dönüşüm sırasında asit kullanımını 10 kat, zaman tüketimini ise 100 kat azaltmaktır.”

Rice araştırmacıları artık geri dönüşüm tekniklerini büyütmek istediklerini söylüyor. Chen, "Laboratuvarımızda zaten kilogram düzeyinde iyileşme gösterdik ve flash-Joule süreci muhtemelen gelecekte sürekli bir sisteme entegre edilebilir" dedi. Fizik dünyası.

Çalışmalarını şöyle anlatıyorlar Bilim Gelişmeler.

Zaman Damgası:

Den fazla Fizik dünyası