Использование фруктовой кожуры для переработки литий-ионных батарей

«Ключ кроется в целлюлозе, содержащейся в апельсиновой цедре, которая под действием тепла в процессе экстракции преобразуется в сахар. Полученные сахара улучшают извлечение металлов из аккумуляторных отходов. Природные антиоксиданты, содержащиеся в апельсиновой корке, такие как флавоноиды и фенольные кислоты, также вносят свой вклад в улучшение процесса»

Ученые из Сингапура (NTU Singapore) разработали метод, в котором для извлечения и повторного использования ценных металлов из отработанных литий-ионных батарей используется кожура фруктов. Они продемонстрировали, как с помощью апельсиновой корки можно извлечь ценные металлы из аккумуляторных отходов. Полученное сырьё они использовали для повторного производства батарей, получив минимальное количество вторичных отходов в круговом технологическом цикле.

Отмечается, что такой технологический подход задействует переработку как пищевых отходов, так и электронных, участвуя в развитии экономики замкнутого цикла с нулевыми выбросами загрязняющих веществ, когда имеющиеся в распоряжении ресурсы используются как можно дольше. По некоторым оценкам, ежегодно во всем мире образуется 1,3 миллиарда тонн пищевых и 50 миллионов тонн отходов от электроники.

Отработавшие батареи обычно перерабатываются при очень высокой температуре (более 500 °C), при которой происходит плавление ценных металлов. В этом процессе происходит обильное выделение опасных токсичных газов.

В настоящее время разрабатываются альтернативные методы извлечения металлов из отходов электроники, в которых применяются сильные или слабые кислотные растворители в сочетании с перекисью водорода. Однако применение всех этих технологий по-прежнему характеризуется образованием загрязняющих веществ, которые представляют опасность для живых организмов.

«Текущие процессы промышленной переработки электронных отходов обладают высокой энергоемкостью, выделяют вредные загрязнители и жидкие отходы, указывая на острую необходимость в разработке и применении экологически чистых методов их утилизации, поскольку количество бывшей в употреблении электроники, требующей переработки, стремительно растет».

«В Сингапуре, стране, имеющей ограниченные природные ресурсы, процесс добычи ценных металлов из всех видов выброшенной электроники становится очень важным процессом. С помощью этого метода можно решить не только проблему истощения природных запасов, но и справиться с отходами электроники».

Гидрометаллургические процессы для переработки вышедших из эксплуатации литий-ионных батарей

Гидрометаллургия - использование воды в качестве растворителя для экстракции веществ. На первом этапе этот процесс включает в себя измельчение и дробление отработанных аккумуляторов с образованием измельченного материала, называемого черновой массой. Затем следует извлечение ценных металлов, растворяя черновую массу в смеси сильных или слабых кислот с добавлением других химических веществ, таких как перекись водорода. Все это происходит под воздействием тепла и приводит к осаждению ценных металлов.

Использование таких сильнодействующих химикатов в промышленных масштабах может привести к образованию значительного количества вторичных загрязнителей, что создает высокие риски для здоровья окружающих.

Было обнаружено, что комбинация апельсиновой цедры, высушенной в духовке и измельченной в порошок, и лимонной кислоты, органического соединения, содержащегося в цитрусовых, может достичь той же цели.

В лабораторных экспериментах применение такого подхода приводило к извлечению из отработанных литий-ионных батарей около 90 процентов кобальта, лития, никеля и марганца - полученная эффективность сопоставима с методами, в которых используется перекись водорода.

«Ключ кроется в целлюлозе, содержащейся в апельсиновой цедре, которая под действием тепла в процессе экстракции преобразуется в сахар. Полученные сахара улучшают извлечение металлов из аккумуляторных отходов. Природные антиоксиданты, содержащиеся в апельсиновой корке, такие как флавоноиды и фенольные кислоты, также вносят свой вклад в улучшение процесса».

Отмечается, что образующиеся твердые остатки являются нетоксичными, что позволяет предположить, что этот метод экологически безопасный.

Из восстановленных материалов были изготовлены новые литий-ионные батареи, которые продемонстрировали такую же зарядную емкость, что и произведенные для коммерческого использования. В настоящее время ведутся дальнейшие исследования по оптимизации циклических характеристик заряда-разряда батарей, изготовленных из восстановленных материалов.

Источник: NTU Singapore

Связанная статья журнала Environmental Science & Technology: https://doi.org/10.1021/acs.est.0c02873