Công nghệ tách hóa chất mới cho phép tái chế pin và dầu diesel sinh học
Khi tái chế lon và chai, tại một số điểm cần phải tách nhựa và kim loại. Việc chiết xuất các kim loại có giá trị nhất cũng đòi hỏi phải phân tách khi tái chế pin ô tô, nhưng lần này cần phải có một quy trình phân tách hóa học đặc biệt.
Coban, mangan và niken được tìm thấy trong cực âm của pin rất tốn kém để khai thác và các nhà khoa học đã tìm kiếm trong nhiều năm để tìm ra cách tạo ra pin mới từ pin đã qua sử dụng.
Khi thời lượng pin của ô tô đạt đến giới hạn, nó sẽ được gửi đến máy hủy tài liệu tự động để băm nhỏ. Chiết xuất các hóa chất hữu ích từ những viên pin vụn này không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã chuyển sang một quy trình gọi là khử ion điện dung, sử dụng điện tích của niken, mangan và coban để tách chúng ra khỏi dòng chất thải.
Kỹ sư Lauren Valentino của Argonne cho biết: "Dựa trên các nguyên tắc vật lý, nguyên tắc hóa học, cũng như nguyên tắc điện hóa, các kỹ thuật phân tách khác nhau được sử dụng cho các mục đích khác nhau. Trong bước đầu tiên, quy trình cơ học chỉ có thể làm được bấy nhiêu, vì vậy chúng tôi chuyển sang sử dụng màng, chất hấp phụ cũng như các kỹ thuật khử ion điện dung, có thể được sử dụng để thu hồi các hóa chất quan tâm."
Theo Valentino, việc tái chế pin rất phức tạp vì không phải pin xe nào cũng giống nhau. Cô nói: “Khi bạn cần tái chế pin ô tô, thật khó để kiểm soát những gì bạn nhận được. "Khi pin bị cắt nhỏ, sẽ có sự kết hợp của cực âm, cực dương, chất điện phân, chất phân tách, v.v."
Tái chế pin đòi hỏi phải phá vỡ và tách các thành phần hóa học lớn thành các nguyên tố cơ bản của chúng. Valentino nói: “Chế tạo pin giống như xây dựng một tòa tháp bằng Lego. “Bạn xây dựng một tòa tháp bằng các mô-đun nhỏ có hình dạng khác nhau, nhưng nếu bạn muốn xây dựng lại, bạn phải tháo rời và sắp xếp tất cả các mô-đun để đạt được điều đó. "
Một trong những lợi thế lớn của khử ion điện dung là tính linh hoạt. Theo Valentino, quá trình khử ion điện dung có thể được điều chỉnh cho nhiều loại vật liệu và các chiến lược vận hành khác nhau bằng cách kiểm soát lưu lượng và thời gian vận hành. Cô nói: “Bằng cách kiểm soát các vật liệu và cách thực hiện, chúng tôi thực sự có thể tùy chỉnh các nguyên tố và hóa chất được tách ra.
Quá trình khử ion điện dung mà Valtentino và các đồng nghiệp của cô sử dụng để tái chế pin cũng có ứng dụng trong các lĩnh vực khác, bao gồm sản xuất năng lượng sinh học. Valentino lãnh đạo Hiệp hội phân tách xử lý sinh học, một tập đoàn gồm các nhà nghiên cứu từ sáu phòng thí nghiệm quốc gia cùng nhau nghiên cứu và phát triển các quy trình và công nghệ phân tách cần thiết để chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu sinh học. (Liên minh được thành lập vào năm 2016 bởi Phòng Hiệu quả Năng lượng và Phòng Công nghệ Năng lượng Sinh học của Phòng Năng lượng Tái tạo.)
“Tại một thời điểm nào đó, có một bước chuyển đổi và sau đó là quá trình phân tách,” Valentino nói. "Khi các lò phản ứng này tạo ra các hỗn hợp phức tạp với nhiều nguyên tố khác nhau, chúng ta phải tách và tập trung những gì quan tâm đến hệ thống, xúc tác nâng cấp và do đó tạo ra nhiên liệu sinh học."
Không giống như các kỹ thuật tái chế pin cho các ion tích điện dương, việc sản xuất năng lượng sinh học đòi hỏi Valentino và các đồng nghiệp của cô phải tìm kiếm các phân tử tích điện âm. Về cơ bản, quá trình khử ion điện dung của chúng tôi hoạt động giống như một "móng vuốt" chọn ra các phân tử mà chúng tôi quan tâm.
Sau khi được tách ra, các hợp chất này rất linh hoạt và có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học hydrocacbon, chẳng hạn như dầu diesel tái tạo hoặc nhiên liệu hàng không bền vững. Valentino cho biết: “Chúng tôi chỉ mới bắt đầu khám phá các cách phân tách khác nhau và việc phân tách hiệu quả hơn có thể giúp giao thông vận tải bền vững hơn. "Còn rất nhiều điều để khám phá."
Nghiên cứu được thực hiện với sự cộng tác của NUMiX Materials và được tài trợ một phần bởi Quỹ khoa học quốc gia.
Kỹ sư Lauren Valentino của Argonne cho biết: "Dựa trên các nguyên tắc vật lý, nguyên tắc hóa học, cũng như nguyên tắc điện hóa, các kỹ thuật phân tách khác nhau được sử dụng cho các mục đích khác nhau. Trong bước đầu tiên, quy trình cơ học chỉ có thể làm được bấy nhiêu, vì vậy chúng tôi chuyển sang sử dụng màng, chất hấp phụ cũng như các kỹ thuật khử ion điện dung, có thể được sử dụng để thu hồi các hóa chất quan tâm."
Theo Valentino, việc tái chế pin rất phức tạp vì không phải pin xe nào cũng giống nhau. Cô nói: “Khi bạn cần tái chế pin ô tô, thật khó để kiểm soát những gì bạn nhận được. "Khi pin bị cắt nhỏ, sẽ có sự kết hợp của cực âm, cực dương, chất điện phân, chất phân tách, v.v."
Tái chế pin đòi hỏi phải phá vỡ và tách các thành phần hóa học lớn thành các nguyên tố cơ bản của chúng. Valentino nói: “Chế tạo pin giống như xây dựng một tòa tháp bằng Lego. “Bạn xây dựng một tòa tháp bằng các mô-đun nhỏ có hình dạng khác nhau, nhưng nếu bạn muốn xây dựng lại, bạn phải tháo rời và sắp xếp tất cả các mô-đun để đạt được điều đó. "
Một trong những lợi thế lớn của khử ion điện dung là tính linh hoạt. Theo Valentino, quá trình khử ion điện dung có thể được điều chỉnh cho nhiều loại vật liệu và các chiến lược vận hành khác nhau bằng cách kiểm soát lưu lượng và thời gian vận hành. Cô nói: “Bằng cách kiểm soát các vật liệu và cách thực hiện, chúng tôi thực sự có thể tùy chỉnh các nguyên tố và hóa chất được tách ra.
Quá trình khử ion điện dung mà Valtentino và các đồng nghiệp của cô sử dụng để tái chế pin cũng có ứng dụng trong các lĩnh vực khác, bao gồm sản xuất năng lượng sinh học. Valentino lãnh đạo Hiệp hội phân tách xử lý sinh học, một tập đoàn gồm các nhà nghiên cứu từ sáu phòng thí nghiệm quốc gia cùng nhau nghiên cứu và phát triển các quy trình và công nghệ phân tách cần thiết để chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu sinh học. (Liên minh được thành lập vào năm 2016 bởi Phòng Hiệu quả Năng lượng và Phòng Công nghệ Năng lượng Sinh học của Phòng Năng lượng Tái tạo.)
“Tại một thời điểm nào đó, có một bước chuyển đổi và sau đó là quá trình phân tách,” Valentino nói. "Khi các lò phản ứng này tạo ra các hỗn hợp phức tạp với nhiều nguyên tố khác nhau, chúng ta phải tách và tập trung những gì quan tâm đến hệ thống, xúc tác nâng cấp và do đó tạo ra nhiên liệu sinh học."
Không giống như các kỹ thuật tái chế pin cho các ion tích điện dương, việc sản xuất năng lượng sinh học đòi hỏi Valentino và các đồng nghiệp của cô phải tìm kiếm các phân tử tích điện âm. Về cơ bản, quá trình khử ion điện dung của chúng tôi hoạt động giống như một "móng vuốt" chọn ra các phân tử mà chúng tôi quan tâm.
Sau khi được tách ra, các hợp chất này rất linh hoạt và có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học hydrocacbon, chẳng hạn như dầu diesel tái tạo hoặc nhiên liệu hàng không bền vững. Valentino cho biết: “Chúng tôi chỉ mới bắt đầu khám phá các cách phân tách khác nhau và việc phân tách hiệu quả hơn có thể giúp giao thông vận tải bền vững hơn. "Còn rất nhiều điều để khám phá."
Nghiên cứu được thực hiện với sự cộng tác của NUMiX Materials và được tài trợ một phần bởi Quỹ khoa học quốc gia.