Как извлечь металлы из использованных батареек? Инновационная идея польского исследователя

Используя электромембраны — тонкие, специально разработанные мембраны, пропускающие только определённые ионы, — доктор технических наук Анна Секерка из Вроцлавского университета естественных и технических наук будет извлекать ценные элементы из отработанных батареек и аккумуляторов. Дополнительным эффектом процесса станет выработка энергии и водорода.

Разработанное специалистом решение получило престижный стартовый грант ERC в размере 1,5 млн евро.

Как объяснил доктор Сикьерка изданию PAP, мир сталкивается со всё более серьёзной проблемой экологически вредных отходов, таких как батарейки и аккумуляторы. Рост рынка мобильных телефонов, ноутбуков и электромобилей, а также повсеместное использование накопителей энергии, поддерживающих возобновляемые источники энергии, привели к тому, что ежегодно утилизируется огромное количество ненужных батареек.

«Мой проект направлен на переработку этих, казалось бы, отходов как очень ценного сырья. Аккумуляторные системы содержат ценные металлы, такие как литий, кобальт, никель и марганец, которые можно извлекать и использовать повторно, что снижает потребность в первичном сырье», — пояснил исследователь.

Она добавила, что сегодня переработка этого сырья — задача не из лёгких и не из дешёвых. Традиционные методы переработки требуют большого количества энергии и химикатов, а сам процесс может быть неизбирательным. Металлы часто извлекаются вместе, что затрудняет их разделение. Кроме того, существующие технологии неблагоприятны для окружающей среды, поскольку приводят к значительным выбросам парниковых газов.

Проект доктора Сикьерки предполагает сортировку использованных батареек и аккумуляторов по типам в зависимости от содержащихся в них активных материалов (элементов). Затем они механически измельчаются для получения смеси мельчайших частиц, содержащей металлы, электролиты, пластик и другие компоненты. В конечном итоге эта смесь превращается в водный раствор, превращая металлы в ионы — электрически заряженные частицы.

«Концентрация некоторых элементов в этих смесях весьма значительна, порядка 30–40 г на литр. Для сравнения, в рассоле, из которого извлекают литий, она составляет 0,15 мг/л. Поэтому извлечение металлов из аккумуляторов гораздо эффективнее, проще и дешевле, чем из природных источников. Кроме того, это значительно безопаснее для окружающей среды», — отметил химик.

Ключевым элементом ее проекта станет создание специальных многоразовых мембран, каждая из которых пропускает только один определенный тип ионов, например, никель, кобальт, литий, марганец, железо и т. д. Такие мембраны располагаются чередующимися слоями, между которыми создаются камеры, через которые попеременно протекают концентрированный раствор из использованной батареи и другой раствор с низкой концентрацией.

Ионы, стремясь к выравниванию своих концентраций, транспортируются через мембраны (положительные ионы – через катионообменные мембраны, отрицательные – через анионообменные мембраны), каждая из которых пропускает только определённый элемент. В конце системы можно собрать «сегрегированные» фракции соответствующих металлов.

«В ходе моих исследований я также заметил, что если объединить высокосолевой раствор с менее солёным и разделить их мембранами, создаётся электрический потенциал. На концах стека этот потенциал можно собрать и преобразовать в энергию, и его значение достаточно велико, чтобы быть полезным на практике. Это явление называется обратным электродиализом», — сказал исследователь.

Доктор Сикьерка решил использовать полученную энергию для обеспечения следующих стадий разделения металлов, а также для электролиза воды – реакции расщепления молекул воды на кислород и водород. Это особенно важно, поскольку последний считается топливом будущего, и спрос на него постоянно растёт.

- Таким образом, система обеспечивает три параллельных преимущества: извлечение стратегически важных для экономики металлов благодаря мембранам, получение энергии из разницы солености и производство зеленого топлива - водорода, - отметил эксперт.

Учёная также затронула тему повышения осведомлённости общественности о разделении и переработке использованных батареек. «Многие до сих пор не задумываются о том, что с ними происходит, когда мы их выбрасываем. Этот вид отходов часто попадает в смешанный мусор, хотя содержит не только вредные, но и весьма дорогостоящие элементы», — напомнила она.

Проект доктора Сикьерки «ReHeal4waste – электромембранная система с обратной соленостью для фракционирования ионов металлов и производства водорода из отработанных аккумуляторов» будет полностью реализован на химическом факультете Вроцлавского университета естественных и технических наук и рассчитан на пять лет. Его предположения согласуются с прогнозами Международного энергетического агентства, которое предсказывает шестикратный рост спроса на литий к 2030 году, а на кобальт и никель – в несколько раз. В настоящее время это сырье труднодоступно и добывается лишь в нескольких местах по всему миру.

Катажина Чехович (PAP)

кап/ бар/ ктл/