افزایش بازیافت پایدار مواد حیاتی

نیوزویز – یک تکنیک بازیافت مواد حیاتی که برای اولین بار در آزمایشگاه ملی Oak Ridge توسط محققان مرکز نوآوری مواد حیاتی وزارت انرژی یا CMI پیشگام شد، اخیراً مورد تایید مجله قرار گرفت. مواد مهندسی پیشرفته، و پروژه تحقیقاتی مرتبط فاز جدیدی از بودجه تحقیق و توسعه دریافت کرد.

دفتر خاطرات گزارش فناوری را انتخاب کرد برای مجموعه ای از برجسته ترین مقالات منتشر شده در سال گذشته. این مقاله که روی جلد اول مجله قرار گرفته است، توضیح می‌دهد که چگونه محققان روش تیم استخراج با حلال غشایی یا MSX را برای بازیابی، جداسازی و خالص‌سازی عناصر خاکی کمیاب یا عناصر خاکی کمیاب از قراضه آهنرباهای دائمی گرفته شده از الکترونیک استفاده کردند. هدر.

آهنرباهای دائمی که خواص مغناطیسی را حتی در غیاب میدان القایی یا جریان حفظ می کنند، به طور گسترده در انرژی پاک و کاربردهای دفاعی استفاده می شوند. دسترسی به عناصر کمیاب خاکی دشوار است زیرا آنها در سراسر پوسته زمین پراکنده هستند، با این حال آنها اجزای کلیدی در بسیاری از فناوری های مدرن هستند. عناصر خاکی کمیاب بازیافتی را می توان برای ایجاد آهنرباهای دائمی جدید، سرعت بخشیدن به واکنش های شیمیایی و بهبود خواص فلزات در صورت گنجاندن اجزای آلیاژی استفاده کرد.

سید اسلام، دانشمند ORNL، که رویکرد بازیافت را ابداع کرده و رهبری تلاش مشترک برای توسعه را بر عهده دارد، گفت: “ویراستاران مقاله را انتخاب کردند زیرا مقیاس پذیری و عملکرد قابل اعتماد و طولانی مدت فرآیند را نشان می دهد.” شریک صنعتی ما Momentum Technologies تجزیه و تحلیل امکان سنجی همه مواد ورودی، مواد شیمیایی استخراج، غشاها و عمر مواد را انجام داد. آنها همچنین تایید کردند که این فرآیند بیش از 95 درصد از محصول خاکی کمیاب را با خلوص بیش از 99.5 درصد بازیابی کرد.

Ramesh Bhave از ORNL، محقق اصلی این پروژه از زمان آغاز آن در سال 2013 و مخترع این فناوری، در مورد دقیق بودن خارق العاده این مقاله اظهار نظر کرد. او گفت: «این کتاب طیف کاملی از جنبه‌های فرآیند را همراه با نتایج مورد بحث قرار می‌دهد، بنابراین خواننده داستان کاملی را دریافت می‌کند. “ما اطلاعات کافی از این تحقیق برای بسیاری از مقالات داشتیم، اما می‌خواستیم اطمینان حاصل کنیم که فرآیند یکپارچه ارائه شده است تا خواننده بتواند ببیند چگونه برای تعداد زیادی از مواد بازیافتی قابل استفاده است.”

بازیافت کارآمد و همه کاره

در این فرآیند از ماژول های متشکل از غشاهای فیبر توخالی پلیمری استفاده می شود که ارزان و به صورت تجاری در دسترس هستند.

در اولین مرحله از فرآیند، آهنرباهای قراضه خرد شده و در اسید معدنی حل می شوند. سپس محلول حاصل به طور مداوم به غشاها وارد می شود، جایی که عناصر خاکی کمیاب به طور انتخابی از استخراج کننده حذف می شوند و به اصطلاح کمپلکس را تشکیل می دهند.

این مجموعه از غشاء عبور می کند و با محلولی ملاقات می کند که عناصر خاکی کمیاب را جدا می کند تا محلولی غنی تشکیل دهد که به پودرهای اکسید خاکی کمیاب تبدیل می شود که برای طیف گسترده ای از کاربردهای صنعتی مناسب است. آهن که خاک کمیاب نیست، به صورت جداگانه به عنوان محصول جانبی جمع آوری می شود.

Bhave گفت: “در مقایسه با جایگزین هایی مانند استخراج با حلال مبتنی بر هیدرومتالورژی، روش MSX ما از مواد شیمیایی کمتری استفاده می کند و 100 برابر کمتر هزینه دارد.” این تکنیک به دلایل دیگر نیز سودمند است: مقیاس پذیر است و در دماهای پایین و فشار کم کار می کند. اسید و آب را بازیافت می کند و حداقل ضایعات تولید می کند تا اقتصاد دایره ای را ارتقا دهد. MSX به سرمایه و هزینه های عملیاتی کم نیاز دارد. همچنین قوی و همه کاره است و توانایی پردازش طیف وسیعی از مواد خام پیچیده را دارد.

بازیابی تمیز، تغییر کاربری بدون درز

Bhave گفت MSX می تواند مواد فعال کاتدی با خلوص بالا را بازیابی و بازیافت کند تا نیازهای خاص تولیدکنندگان برای ایجاد محصولات جدید را برآورده کند. مواد فعال کاتد بخش مهمی از ساختار باتری لیتیوم یونی هستند که مسئول جریان الکتریکی و ذخیره انرژی هستند.

محققان نشان داده‌اند که با تغییر در شیمی و افزودن مراحل به تکنیک خود، می‌توانند به صورت جداگانه کبالت، نیکل و لیتیوم را از ضایعات باتری جدا کرده و بازیابی کنند.

برای تامین مواد اولیه مورد نیاز پروژه، Momentum Technologies از لیتیوم یون استفاده می کند باتری ها از اقلامی که عمرشان به پایان می رسد، مانند سیستم های خودروهای الکتریکی و تلفن های همراه، و آنها را خرد می کند تا گرد و غباری به نام توده سیاه ایجاد شود که وارد فرآیند بازیافت می شود. عناصر مهم منفرد – کبالت، نیکل و لیتیوم – از توده سیاه در مراحل حذف می شوند.

“بیش از 99٪ مواد خالص حاصل از این فرآیند را می توان برای ساخت یک لیتیوم یون جدید ترکیب کرد. باتری ها اسلام گفت: با شریک صنعتی ما. “دوباره، همانطور که در مورد بازیابی عناصر خاکی کمیاب بود، مزیت اصلی رویکرد ما مقیاس پذیری است. به عنوان مثال، اگر تقاضا برای بازیافت فلز باتری برای یک محصول خاص به طور ناگهانی افزایش یابد، می توان تعداد ماژول های غشایی را برای حجم تولید بالاتر افزایش داد.

توانمندسازی، همکاری

پروژه بازیابی مواد حیاتی دو مرحله پنج ساله تامین مالی CMI را پوشش می دهد. در ماه اکتبر، بودجه CMI برای پنج سال دیگر تمدید شد که به این پروژه اجازه می دهد تا با تمرکز جدید ادامه یابد. اکنون هدف این سرمایه‌گذاری توسعه و اصلاح جداسازی عناصر خاکی کمیاب سنگین از عناصر خاکی کمیاب سبک و ایجاد مالکیت معنوی و ثبت اختراع برای فناوری‌های جدید است.

دو گروه از عناصر خاکی کمیاب دارای خواص و کاربردهای متفاوتی هستند که نقش مهمی در اهمیت صنعتی و ارزش اقتصادی مربوطه دارند. Momentum Technologies مجوز فن آوری این تیم را برای حذف خاک های کمیاب سنگین از خاک های کمیاب سبک صادر کرده است. علاوه بر این، بودجه CMI از تیمی که در حال مطالعه استفاده از روش آنها بر روی مواد بازیافت شده در طول عملیات معدن است، حمایت می کند.

Caldera Holding LLC، مالک و توسعه‌دهنده معدن Pea Ridge در میسوری، قرارداد مجوز تحقیق و توسعه غیر انحصاری با ORNL را برای اعمال رویکرد MSX برای جداسازی عناصر خاکی کمیاب از کانی‌های معدنی مخلوط منعقد کرده است. معدن Pea Ridge کاملا مجاز است و دارای سطوح قابل توجهی از تربیوم، دیسپروزیم، هولمیوم، و سایر عناصر خاکی کمیاب سنگین است که برای انواع کاربردهای تکنولوژیکی و صنعتی، از جمله موتورهای خودروهای الکتریکی و سیستم‌های دفاعی پیشرفته برای امنیت ملی ایالات متحده، حیاتی هستند.

علاوه بر این، مجموعه ای از شش فناوری توسعه یافته توسط دانشمندان ORNL به یک شرکت متمرکز بر استخراج لیتیوم از فاضلاب تولید شده توسط حفاری نفت و گاز مجوز داده شده است.

لیتیوم یون باتری ها انرژی وسایل نقلیه الکتریکی، لوازم الکترونیکی مصرفی و فناوری دفاعی را تامین می کند و ذخیره انرژی را برای شبکه برق کشور فراهم می کند. توسعه منابع داخلی لیتیوم، چه خام و چه تصفیه شده، برای اقتصاد ایالات متحده بسیار مهم است. انتظار می‌رود بازار جهانی باتری‌های لیتیوم یونی در دهه آینده بین 5 تا 10 رشد داشته باشد.

ORNL همچنین در حال بررسی یک پروژه مشارکت استراتژیک با Cirba Solutions است. Cirba Solutions کمک های مالی دریافت کرد 75 میلیون تومان و 10 میلیون دلار از قانون زیرساخت دو حزبی برای گسترش و ارتقاء تأسیسات بازیافت لیتیوم یون در لنکستر، اوهایو.

علاوه بر این، با مشارکت ORNL و Momentum Technologies، تیم تحقیقاتی مواد حیاتی قصد دارد بودجه قانون زیرساخت دو حزبی را برای تامین مواد باتری لیتیوم یون احیا شده برای Cirba Solutions و بخش زیرساخت برق و انرژی ORNL اعمال کند.

فن‌آوری‌های حاصل از این تحقیق همچنین قول می‌دهند که به ایجاد انبار مواد حیاتی کشور برای کاربردهای هوافضا و دفاعی کمک کنند.

حمایت حیاتی، مشارکت موثر

تحقیق و توسعه MSX توسط صندوق تجاری سازی فناوری، دفتر فناوری مواد و تولید پیشرفته DOE یا AMMTO و صاحب مجوز صنعتی Momentum Technologies، Inc. AMMTO، بخشی از دفتر بهره وری انرژی و انرژی های تجدیدپذیر، بودجه این تحقیقات اساسی را از طریق CMI تامین کرد.

CMI به دنبال تسریع راه‌حل‌های علمی و فناوری نوآورانه برای توسعه زنجیره‌های تامین پایدار و ایمن برای فلزات خاکی کمیاب و سایر مواد حیاتی برای موفقیت فناوری‌های انرژی پاک است. ORNL از زمان راه اندازی CMI در سال 2013 در جهت استراتژیک این تلاش ها مشارکت داشته است. این مشارکت ها شامل ارائه رهبران برای مناطق متمرکز و پروژه هایی است که نوآوری های جدیدی را در آلیاژهای آلومینیوم-سریم و بازیافت آهنربا ایجاد می کند.

UT-Battelle ORNL را برای دفتر علوم DOE مدیریت می کند. دفتر علوم که بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است، برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/science.