اخبار – ریچلند، واش. – طنز خاصی در این واقعیت وجود دارد که دستگاه هایی که برای زندگی مدرن ضروری به نظر می رسند – تلفن های همراه، رایانه های شخصی و هر چیزی که با باتری کار می کند – کاملاً به مواد معدنی استخراج شده از معدن، یکی از قدیمی ترین صنایع بشری وابسته است. پس از صرف مفید بودن آنها، ما معمولاً این اشیاء را میلیون ها نفر به زمین در محل های دفن زباله برمی گردانیم.

اما اگر بتوانیم زباله‌های الکترونیکی (زباله‌های الکترونیکی) را استخراج کنیم و به جای دور ریختن آن‌ها، مواد معدنی مفید موجود در آن‌ها را بازیابی کنیم؟ یک روش هوشمند برای بازیابی مواد معدنی ارزشمند از زباله های الکترونیکی توسط یک تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام وزارت انرژی، نشان می دهد که وعده انجام این کار را می دهد. دانشمند جداسازی مواد کینگپو وانگ موفقیت اخیر در بازیابی انتخابی منگنز، منیزیم، دیسپروزیم و نئودیمیم، مواد معدنی حیاتی برای الکترونیک مدرن، در نشست بهار 2024 انجمن تحقیقات مواد (MRS) در 25 آوریل 2024 در سیاتل، WA.

با جریان پیش می رود

همانطور که یک منشور نور سفید را به رنگین کمان خیره کننده ای از رنگ ها بر اساس طول موج های مختلف جدا می کند، فلزات را می توان با استفاده از ویژگی های فردی خود از یکدیگر جدا کرد. با این حال، روش‌های جداسازی فعلی آهسته و همچنین شیمیایی و انرژی بر هستند. این موانع بازیابی مواد معدنی با ارزش از جریان زباله های الکترونیکی را از نظر اقتصادی غیرممکن می کند.

در مقابل، تیم تحقیقاتی PNNL از یک راه حل ساده مبتنی بر آب نمک مخلوط و دانش خود در مورد خواص فلزات برای جداسازی مواد معدنی ارزشمند در محفظه‌های واکنش با جریان مداوم استفاده کردند.

این روش که در دو مقاله تحقیقاتی دیگر توضیح داده شد و در این هفته ارائه شد، بر اساس رفتار فلزات مختلف زمانی است که در یک محفظه واکنش شیمیایی قرار می‌گیرند که در آن دو مایع مختلف به طور مداوم در کنار هم جریان دارند. تیم تحقیقاتی از تمایل فلزات برای تشکیل جامدات با سرعت های مختلف در طول زمان برای جداسازی و خالص سازی آنها استفاده کرد.

وانگ گفت: “هدف ما توسعه یک فرآیند جداسازی سازگار با محیط زیست و مقیاس پذیر برای بازیابی مواد معدنی ارزشمند از زباله های الکترونیکی است.” در اینجا ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم عناصر خاکی کمیاب تقریباً خالص را بدون معرف‌های پیچیده و گران‌قیمت یا فرآیندهای زمان‌بر جدا کرده و بازیابی کنیم.»

تیم تحقیقاتی شامل یک دانشمند مواد چینمایی سوبانکه همچنین یک قرار ملاقات مشترک با دانشگاه واشنگتن دارد که اولین بار در فوریه 2024 گزارش شد جداسازی موفقیت آمیز دو عنصر خاکی کمیاب، نئودیمیم و دیسپروزیم، از مایع مخلوط دو جامد مجزا و خالص شده در 4 ساعت در محفظه واکنش تشکیل می شوند، در مقابل 30 ساعتی که معمولا برای روش های جداسازی معمولی لازم است. این دو ماده معدنی حیاتی برای ساخت آهنرباهای دائمی موجود در هارد دیسک‌های کامپیوتر و توربین‌های بادی، از جمله کاربردهای دیگر، استفاده می‌شوند. تا به حال، جداسازی این دو عنصر با خواص بسیار مشابه چالش برانگیز بوده است. توانایی بازیابی اقتصادی آنها از زباله های الکترونیکی می تواند بازار و منبع جدیدی را برای این مواد معدنی کلیدی باز کند.

بازیافت مواد معدنی از زباله های الکترونیکی تنها کاربرد این تکنیک جداسازی نیست. تیم تحقیقاتی در حال بررسی بهبودی هستند منیزیم از آب دریا و همچنین باطله معدن و آب نمک از دریاچه های نمک.

وانگ افزود: «سپس ما طراحی راکتور خود را برای بازیابی مؤثر مقدار بیشتری از محصول تغییر می‌دهیم».

بازیابی منگنز از ضایعات باتری شبیه سازی شده

استفاده از تکنیک اضافیوانگ و همکارش الیاس ناکوزییک دانشمند مواد در PNNL نشان داده است که می توانند منگنز خالص (بیش از 96 درصد) را از محلولی که ضایعات باتری لیتیوم یون محلول را تقلید می کند، بازیابی کنند. منگنز برای باتری توسط تعداد کمی از شرکت ها در سراسر جهان تولید می شود و عمدتاً در کاتد یا ترمینال منفی باتری استفاده می شود.

در این مطالعه، تیم تحقیقاتی از یک سیستم مبتنی بر ژل برای جداسازی مواد بر اساس نرخ‌های مختلف انتقال و واکنش‌پذیری فلزات در نمونه استفاده کردند.

“باتری هاناکوزی گفت: «زیبایی این فرآیند در سادگی آن است. ما به جای تکیه بر مواد گران قیمت یا خاص، آن را به فکر کردن در مورد اصول رفتار یونی خلاصه کردیم. و اینجا بود که الهام گرفتیم.»

این تیم در حال گسترش دامنه تحقیقات است و این فرآیند را از طریق یک ابتکار جدید PNNL افزایش خواهد داد. جداسازی غیرتعادلی مبتنی بر حمل و نقل (NETS)، که جداسازی های جدید سازگار با محیط زیست را ایجاد می کند تا زنجیره تامین داخلی پایدار مواد معدنی حیاتی و عناصر خاکی کمیاب را تضمین کند.

ناکوزی گفت: “ما انتظار داریم که این رویکرد به طور گسترده برای جداسازی شیمیایی جریان های پیچیده خوراک و مواد شیمیایی متنوع قابل استفاده باشد – که امکان استخراج و پردازش پایدارتر مواد را فراهم می کند.”

مطالعات تحقیقاتی گزارش شده در MRS از حمایت برنامه تحقیق و توسعه آزمایشگاهی و ابتکار NETS در PNNL برخوردار شد.

در مورد مشاغل در علم مواد در PNNL بیشتر بدانید.

را