استخراج سبز و پاک کُبالت از زباله‌ها ممکن شد!

تحقیقات دانشگاه پنسیلوانیا: تکنیک‌های نوین برای استخراج عناصر حیاتی باتری‌ها

محققان دانشگاه پنسیلوانیا به‌طور مشترک، به توسعه تکنیک‌های ایمن‌تر و پایدارتر برای استخراج عناصری پرداخته‌اند که برای فناوری‌های باتری‌محور حیاتی هستند. یافته‌های این تحقیق، راه را برای بهره‌برداری از موادی هموار می‌کند که در غیر این صورت به عنوان زباله در نظر گرفته می‌شدند.

کتاب پرفروش سیدارت کارا با عنوان “کبالت قرمز: چگونه خون کنگو زندگی ما را تامین می‌کند” به مشکلات مربوط به تأمین کبالت، یکی از اجزای حیاتی باتری‌های لیتیوم-یونی که بسیاری از فناوری‌های مرکزی زندگی مدرن را تأمین می‌کند، می‌پردازد. از تلفن‌های همراه و ضربان‌سازها گرفته تا خودروهای برقی، کبالت نقش مهمی ایفا می‌کند. اریک شلتر، استاد شیمی در دانشگاه پنسیلوانیا، می‌گوید: “شاید بسیاری از ما شنیده‌ایم که باتری‌های لیتیوم-یونی برای فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی حیاتی هستند.” او ادامه می‌دهد: “اما نحوه تأمین موادی که این باتری‌ها را تشکیل می‌دهند می‌تواند نگران‌کننده و مشکل‌ساز باشد، هم از نظر اخلاقی و هم زیست‌محیطی.”

شلتر اشاره می‌کند که استخراج کبالت در جمهوری دموکراتیک کنگو، که حدود ۷۰ درصد کبالت جهان را تأمین می‌کند، به دلیل تخریب محیط زیست و شرایط کاری ناامن، نگرانی‌هایی را به همراه دارد. این استخراج در مقیاس بزرگ می‌تواند اکوسیستم‌ها را مختل کرده و منابع آب را آلوده کند و اثرات زیست‌محیطی دائمی به جا بگذارد. علاوه بر این، او خاطرنشان می‌کند که کمبود کبالت در آینده می‌تواند زنجیره‌های تأمین جهانی را تحت فشار قرار دهد، زیرا تقاضا برای فناوری‌های باتری همچنان رو به افزایش است.

تحقیقات جدید در زمینه جداسازی فلزات حیاتی باتری

به همین منظور، یکی از حوزه‌های تحقیقاتی که آزمایشگاه شلتر بر روی آن تمرکز کرده است، جداسازی فلزات حیاتی باتری، مانند نیکل و کبالت است. در مقاله‌ای جدید که در مجله Chem منتشر شده، تیم شلتر و همکارانش در دانشگاه نورث‌وسترن، “روش ساده‌تر، پایدارتر و ارزان‌تری برای جداسازی هر دو از موادی که در غیر این صورت به عنوان زباله در نظر گرفته می‌شدند” را ارائه کردند.

شلتر می‌گوید: “شیمی ما جذاب است زیرا ساده است، به خوبی عمل می‌کند و به طور کارآمد نیکل و کبالت را جداسازی می‌کند – یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل جداسازی در این حوزه.” او ادامه می‌دهد: “این رویکرد دو مزیت کلیدی دارد: افزایش ظرفیت تولید کبالت خالص از عملیات استخراج با حداقل آسیب زیست‌محیطی و ایجاد ارزش برای باتری‌های دور ریخته شده با ارائه یک روش کارآمد برای جداسازی نیکل و کبالت.”

اجزای مناسب برای جداسازی انتخابی

محققان می‌گویند که معمولاً کبالت به عنوان یک محصول جانبی از استخراج نیکل از طریق روش‌های هیدرومتالورژیکی مانند شستشوی اسیدی و استخراج حلال تولید می‌شود که کبالت و نیکل را از سنگ معدن جدا می‌کند. این روش، انرژی‌بر است و زباله‌های خطرناکی تولید می‌کند. فرآیندی که شلتر و تیمش برای دور زدن این مشکل توسعه داده‌اند، بر اساس یک تکنیک جداسازی شیمیایی است که از تفاوت‌های چگالی بار و پیوند بین دو کمپلکس مولکولی استفاده می‌کند: کمپلکس هگزامین کبالت (III) و کمپلکس هگزامین نیکل (II).

شلتر می‌گوید: “بسیاری از شیمی‌های جداسازی به تجلی تفاوت‌ها بین چیزهایی که می‌خواهید جدا کنید مربوط می‌شود.” و در این مورد، ما شرایطی را پیدا کردیم که آمونیاک، که نسبتاً ساده و ارزان است، به طور متفاوتی به کمپلکس‌های هگزامین نیکل و کبالت متصل می‌شود. با معرفی یک مولکول منفی خاص، یا آنیون، مانند کربنات به سیستم، آن‌ها یک ساختار جامد مولکولی ایجاد کردند که باعث می‌شود کمپلکس کبالت از محلول رسوب کند، در حالی که کمپلکس نیکل حل باقی می‌ماند.

تحقیقات جدید در جداسازی کربنات و کبالت

تحقیقات نشان داد که آنیون کربنات به طور انتخابی با کمپلکس کبالت تعامل می‌کند و با تشکیل پیوندهای هیدروژنی قوی، رسوب پایداری ایجاد می‌کند. پس از رسوب، جامد غنی از کبالت از طریق فیلتراسیون جدا شده و با آمونیاک شسته و خشک می‌شود. محلول باقی‌مانده حاوی نیکل است که می‌تواند به طور جداگانه پردازش شود. این فرآیند نه تنها خلوص بالایی برای هر دو فلز به دست می‌آورد – ۹۹.۴٪ برای کبالت و بیش از ۹۹٪ برای نیکل – بلکه از استفاده از حلال‌های آلی و اسیدهای قوی که معمولاً در روش‌های جداسازی سنتی به کار می‌روند، جلوگیری می‌کند، می‌گوید بویان (بابی) ژانگ، نویسنده اول و دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دانشکده هنر و علوم دانشگاه پن و پژوهشگر مؤسسه واگلس برای علوم و فناوری انرژی. این یک رویکرد ساده و مقیاس‌پذیر است که مزایای زیست‌محیطی و اقتصادی را ارائه می‌دهد.

تحلیل‌های اقتصادی و چرخه زندگی

برای ارزیابی قابلیت کاربرد واقعی روش جدید خود، تیم تحت رهبری مارتا گورون، تحلیل‌های اقتصادی و ارزیابی چرخه زندگی را انجام داد. تحلیل اقتصادی نشان داد که هزینه تولید تخمینی برای هر گرم کبالت خالص ۱.۰۵ دلار است که به طور قابل توجهی کمتر از ۲.۷۳ دلار به ازای هر گرم در فرآیند جداسازی گزارش شده است. ما بر کاهش هزینه‌های شیمیایی تمرکز کردیم و از مواد شیمیایی در دسترس استفاده کردیم که این روش را به طور بالقوه رقابتی با فناوری‌های موجود می‌سازد، می‌گوید شلتر. ارزیابی چرخه زندگی نشان داد که حذف مواد شیمیایی آلی فرار و حلال‌های خطرناک به این فرآیند کمک می‌کند تا به طور قابل توجهی خطرات زیست‌محیطی و بهداشتی را کاهش دهد، که این موضوع با معیارهایی مانند پتانسیل تشکیل دود و پتانسیل سمیت انسانی از طریق استنشاق تأیید شد، جایی که این فرآیند حداقل یک مرتبه بهتر از روش‌های سنتی عمل کرد. این به معنای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و زباله‌های خطرناک است که یک پیروزی بزرگ برای محیط زیست و سلامت عمومی محسوب می‌شود، می‌گوید ژانگ.

مسیر پاک‌تر به جلو

به دلیل نحوه‌ای که تیم جداسازی خود را انجام داد، شلتر می‌گوید که جنبه‌های علمی بنیادی هیجان‌انگیزی در این کار وجود دارد که فکر می‌کند می‌توانند آن را در جهات مختلفی پیش ببرند، حتی برای مشکلات جداسازی فلزات دیگر. بر اساس مجموعه منحصر به فردی از اصول شناسایی مولکولی که در طول این کار شناسایی کردیم، فکر می‌کنم می‌توانیم این کار را در جهات مختلفی گسترش دهیم، می‌گوید. ما می‌توانیم آن را به مشکلات جداسازی فلزات دیگر اعمال کنیم و در نهایت نوآوری‌های گسترده‌تری در شیمی پایدار و بازیابی مواد ایجاد کنیم.

اریک شلتر استاد شیمی در دپارتمان شیمی دانشکده هنر و علوم دانشگاه پن است. بویان (بابی) ژانگ پژوهشگر مؤسسه واگلس برای علوم و فناوری انرژی در گروه شلتر در پن است. مارتا گورون مدرس وابسته در دپارتمان شیمی و مدیر پروژه در دفتر ایمنی محیطی و تابش است. سایر نویسندگان شامل اندرو جی. آن، مایکل آر. گاو و الکساندر بی. وبِرگ از پن و لایتون او. جونز و جورج سی. شاتز از دانشگاه نورث‌وسترن هستند. این تحقیق با حمایت مؤسسه واگلس برای علوم و فناوری انرژی در پن، برنامه یکپارچه واگلس در تحقیقات انرژی در پن، مرکز بنیاد ملی علوم (جایزه CHE-1925708)، مرکز مواد پیشرفته برای سیستم‌های آب و انرژی وزارت انرژی ایالات متحده (کمک هزینه ۸J-30009-0007A) و مؤسسه تحقیقاتی برای پیشرفت علوم (جایزه #CS-SEED-2024-022) انجام شده است.