Утилизация источников тока, прежде всего аккумуляторов и батареек, — важная и актуальная задача. В современном мире их количество стремительно растет: они используются в смартфонах, электросамокатах, электробусах и промышленной технике. Поэтому вопрос переработки этих элементов стоит остро как с экологической, так и с ресурсной точки зрения. Во-первых, утилизация снижает нагрузку на окружающую среду: если отработанные источники тока накапливаются бесконтрольно, это может привести к серьезным экологическим и сопутствующим проблемам. Во-вторых, аккумуляторы можно рассматривать как «техногенные месторождения» ценных металлов, что в конечном счете существенно повышает эффективность использования природных ресурсов. О научных подходах к утилизации аккумуляторов «Хайтеку» рассказал доктор технических наук, руководитель проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, герой дайджеста «Открывай с РНФ» Андрей Алексеевич Вошкин.
Технологии утилизации аккумуляторов
Процесс утилизации аккумуляторов сложен и включает много стадий. В первую очередь их необходимо собрать, отсортировать и разрядить. Затем следует механическое вскрытие и разделение компонентов с помощью различных методов сепарации, включая магнитную. В результате остается так называемая «черная масса» — наиболее ценный компонент, образующийся при переработке бывших в употреблении аккумуляторов, содержащий стратегически важные металлы: наиболее востребованные литий и кобальт, а также никель, медь, алюминий, марганец и другие.
После первых этапов утилизации встает вопрос — каким образом переработать «черную массу». Ведущая мировая тенденция в этой области основана на использовании гидрометаллургических методов, в частности экстракции. Метод широко применяется благодаря своей энергоэффективности и доступности. Он позволяет эффективно извлекать и разделять ценные металлы. На выходе мы получаем чистые продукты, которые могут быть использованы для производства новых источников тока.
С технологической точки зрения экстракция — процесс относительно простой. В основе метода лежит растворение «черной массы» в кислоте или ее аналогах. В результате в растворе образуются ионы металлов, которые затем извлекают с помощью экстрагентов, содержащих специальные селективные реагенты.
Металлы можно получать последовательно, когда один экстрагент при определенных условиях извлекает, например, кобальт, затем при изменении условий — никель и так далее. После регенерации экстрагента (процесса реэкстракции) получают чистые соли металлов, а также сами экстрагенты, которые вновь возвращаются в технологический процесс.
Поиск новых экстрагентов
Исторически метод экстракции весьма активно развивался в СССР, особенно в 1940–1950-х годах в рамках атомного проекта, где экстракционные процессы использовались для получения трансурановых элементов. Это дало мощный импульс развитию отечественной школы экстракции, которая до сих пор остается одной из ведущих в мире.
Сегодня экстракционные процессы широко применяются в мало- и крупнотоннажной химии. Однако главной проблемой остается доступность экстрагентов. Эти вещества попали под санкции, а собственное производство в России за последние десятилетия практически исчезло. Поэтому поиск новых экстрагентов — одна из ключевых научных задач современной химической технологии.
Одно из перспективных направлений — глубокие эвтектические растворители. В зарубежной научной литературе для них широко используется аббревиатура DES — Deep Eutectic Solvents. Это относительно новый класс растворителей, который появился около десяти лет назад. Их особенность заключается в том, что при смешивании двух твердых при нормальных условиях веществ, например лимонной кислоты и холин хлорида, образуется жидкий растворитель.
В этом заключается большой экономический эффект: твердые вещества проще перевозить и хранить на складах, а исходные реагенты, как правило, недорогие и экологически безопасные.
Кроме того, такие растворители могут потенциально заменить в технологических процессах как пожароопасные и токсичные органические растворители, так и в перспективе воду, что особенно важно с учетом ограниченного количества чистой воды на планете и все более актуальной повестки, формирующейся как «синяя экономика».
Сегодня необходимо создавать технологии, которые будут решать практические задачи для развития экономики страны. Постоянно появляются новые вызовы, требующие решений, так же как когда-то встал вопрос переработки аккумуляторов. Еще десять лет назад этой проблемы просто не существовало, потому что объем использования аккумуляторов был минимальным.
Заключение. Переработка аккумуляторов — глобальный тренд
Подводя итог, отмечу, что переработка аккумуляторов становится частью глобального тренда: сейчас разрабатываются новые высокотехнологичные устройства, работающие на химических источниках тока, для которых сразу же создаются технологии утилизации. Уже сегодня многие компании предлагают программы обмена старых аккумуляторов на новые, внедряя у себя технологии рециклинга отработанных источников тока, что вносит существенный вклад как в экологическое благополучие, так и обеспеченность наукоемких отраслей промышленности стратегически важными металлами.
Автор статьи: Андрей Вошкин, член-корреспондент РАН, профессор, доктор технических наук, заведующий лабораторией теоретических основ химической технологии Института общей и неорганической химии РАН.
Читать далее:
Наша Вселенная прибыла из другого мира: теория мироздания оказалась неверна?
Сверхзвуковой «Конкорд» возвращается: почему в США поменяли мнение о самолете
Новый вирус пугает пользователей соцсетей: «горло будто порезали лезвием»
Обложка: коллаж «Хайтек». Фото: Анна Киреенко