Команда продемонстрировала свою концепцию с помощью апельсиновой корки, которая позволяет эффективно извлекать драгоценные металлы из отходов аккумуляторных батарей. Затем они сделали функциональные батареи из этих восстановленных металлов, создав минимальные отходы в процессе.
Ученые говорят, что их подход «отходы к ресурсам» касается как пищевых отходов, так и электронных отходов, поддерживая развитие экономики замкнутого цикла с нулевыми отходами, в которой ресурсы используются как можно дольше. Примерно 1.Ежегодно во всем мире образуется 3 миллиарда тонн пищевых отходов и 50 миллионов тонн электронных отходов.
Отработавшие батареи обычно обрабатывают очень высокой температурой (более 500 ° C) для плавления ценных металлов, которые выделяют опасные токсичные газы. Изучаются альтернативные подходы, в которых используются сильные кислотные растворы или более слабые кислотные растворы с перекисью водорода для извлечения металлов, но они по-прежнему производят вторичные загрязнители, которые представляют опасность для здоровья и безопасности, или полагаются на перекись водорода, которая опасна и нестабильна.
Профессор Мадхави Сринивасан, содиректор лаборатории NTU Singapore-CEA Alliance for Research in Circular Economy (NTU SCARCE), сказал: «Текущие процессы промышленной переработки электронных отходов энергоемки и выделяют вредные загрязнители и жидкие отходы, указывая на то, что острая необходимость в экологически чистых методах, поскольку количество электронных отходов растет. Наша команда продемонстрировала, что это возможно с биоразлагаемыми веществами.
"Эти результаты основаны на нашей существующей работе в SCARCE в рамках Института энергетических исследований НТУ (ERI @ N). Лаборатория SCARCE была создана для разработки более экологичных способов утилизации электронных отходов. Это также часть инициативы NTU Smart Campus, которая направлена на разработку технологически передовых решений для устойчивого будущего."
Доцент Далтон Тэй из Школы материаловедения и инженерии и Школы биологических наук НТУ сказал: «В Сингапуре, стране с ограниченными ресурсами, этот процесс городской добычи полезных ископаемых для извлечения ценных металлов из всех видов выброшенной электроники становится очень важным.
С помощью этого метода мы решаем не только проблему истощения ресурсов, максимально используя эти драгоценные металлы, но и проблему электронных отходов и накопления пищевых отходов – и то, и другое – растущий глобальный кризис."
Результаты были опубликованы в научном журнале Environmental Science & Technology в июле.
Недорогой и устойчивый подход
При промышленных подходах к переработке отходов аккумуляторных батарей, образующих вредные загрязнители, гидрометаллургия – использование воды в качестве растворителя для экстракции – все чаще рассматривается как возможная альтернатива.
Этот процесс включает в себя сначала измельчение и дробление использованных аккумуляторов для образования измельченного материала, называемого черной массой. Затем исследователи извлекают ценные металлы из черной массы, растворяя ее в смеси сильных кислот или слабых кислот плюс другие химические вещества, такие как перекись водорода, при нагревании, прежде чем позволить металлам осаждаться.
Хотя использование таких сильнодействующих химикатов в промышленных масштабах является относительно более экологичным, чем традиционные методы, они могут привести к образованию значительного количества вторичных загрязнителей, что создает значительные риски для безопасности и здоровья, – сказал ассистент профессор Тэй.
Команда NTU обнаружила, что комбинация апельсиновой цедры, высушенной в духовке и измельченной в порошок, и лимонной кислоты, слабой органической кислоты, содержащейся в цитрусовых, может достичь той же цели.
В лабораторных экспериментах команда обнаружила, что их подход успешно извлек около 90 процентов кобальта, лития, никеля и марганца из отработанных литий-ионных батарей – эффективность, сравнимая с подходом с использованием перекиси водорода.
Профессор Тэй объяснил: «Ключ кроется в целлюлозе, содержащейся в апельсиновой цедре, которая превращается в сахар под действием тепла в процессе экстракции. Эти сахара улучшают извлечение металлов из аккумуляторных отходов. Природные антиоксиданты, содержащиеся в апельсиновой корке, такие как флавоноиды и фенольные кислоты, также могли способствовать этому усилению."
Важно отметить, что твердые остатки, образующиеся в результате этого процесса, оказались нетоксичными, что позволяет предположить, что этот метод является экологически безопасным, добавил он.
Из восстановленных материалов они затем собрали новые литий-ионные батареи, которые показали такую же зарядную емкость, что и коммерческие. В настоящее время ведутся дальнейшие исследования по оптимизации циклических характеристик заряда-разряда этих новых батарей, изготовленных из регенерированных материалов.
Это говорит о том, что эта новая технология «практически осуществима для переработки отработанных литий-ионных батарей в промышленном смысле», – заявили исследователи.
В настоящее время команда стремится к дальнейшему повышению производительности своих аккумуляторов, образующихся из переработанных аккумуляторных отходов. Они также оптимизируют условия для увеличения производства и изучают возможность отказа от использования кислот в процессе.
Профессор Мадхави, который также является сотрудником Школы материаловедения и инженерии NTU и ERI @ N, сказал: «Этот подход« отходы к ресурсам »также потенциально может быть распространен на другие типы фруктовых и овощных отходов, богатых целлюлозой, а также на литий. Типы ионных батарей, такие как литий-фосфат железа и литий-никель-марганец-кобальт оксид.
Это поможет сделать большие шаги в направлении новой экономики замкнутого цикла электронных отходов и сделает нашу жизнь более экологичной и устойчивой."
Исследование, проводимое в рамках NTU SCARCE, поддерживается Национальным исследовательским фондом, Министерством национального развития и Национальным агентством по окружающей среде в рамках Инициативы по исследованиям и разработкам «Замыкание цикла отходов» в рамках Фонда интеграции городских решений и устойчивого развития.