راهی سبز و پاک برای استخراج کبالت از ضایعات

تحقیقات دانشگاه پن در استخراج ایمن و پایدار عناصر کلیدی برای فناوری‌های باتری

محققان دانشگاه پن یک تلاش مشترک را رهبری کردند تا تکنیک‌های ایمن‌تر و پایدارتر برای استخراج عناصری که برای فناوری‌های باتری‌محور حیاتی هستند، توسعه دهند. 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 «قرمز کبالت: چگونه خون کنگو زندگی ما را تأمین می‌کند» به مشکلات مربوط به تأمین کبالت، که یکی از اجزای کلیدی باتری‌های لیتیوم-یونی است و فناوری‌های مرکزی زندگی مدرن را تأمین می‌کند، می‌پردازد. از تلفن‌های همراه و ضربان‌سازها گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی، کبالت نقش مهمی در این فناوری‌ها دارد.

اریک شلتر، استاد شیمی در دانشگاه پنسیلوانیا، می‌گوید: «شاید بسیاری از ما خوانده باشیم 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 از نظر زیست‌محیطی.» شلتر اشاره می‌کند که استخراج کبالت در جمهوری دموکراتیک کنگو، که حدود ۷۰٪ کبالت جهان را تأمین می‌کند، به دلیل تخریب محیط زیست و شرایط کاری ناامن، نگرانی‌هایی را به همراه دارد. همچنین، استخراج‌های بزرگ‌مقیاس می‌تواند اکوسیستم‌ها را مختل کرده و منابع آب را آلوده کند و آسیب‌های زیست‌محیطی ماندگاری به جا بگذارد.

او همچنین خاطرنشان می‌کند که کمبود کبالت در آینده ممکن است زنجیره‌های تأمین جهانی را تحت فشار قرار دهد، زیرا تقاضا برای فناوری‌های باتری به طور مداوم در حال افزایش است. به همین منظور، یکی از زمینه‌های تحقیقاتی که آزمایشگاه او بر روی آن تمرکز کرده، جداسازی فلزات حیاتی برای باتری مانند نیکل و کبالت است.

روش جدید برای جداسازی کبالت و نیکل

در مقاله‌ای جدید که در نشریه Chem منتشر شده، تیم شلتر و همکارانش در دانشگاه نورث‌وسترن یک روش ساده‌تر، پایدارتر و ارزان‌تر برای جداسازی کبالت و نیکل از موادی که در غیر این صورت به عنوان زباله در نظر گرفته می‌شدند، ارائه کردند. شلتر می‌گوید: «شیمی ما جذاب است زیرا ساده است، به خوبی کار می‌کند و نیکل و کبالت را به طور مؤثری 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 مؤثر برای جداسازی نیکل و کبالت.»

مواد لازم 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 یک روش انرژی‌بر است که زباله‌های خطرناک قابل توجهی 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 هگزآمین کبالت (III) و کمپلکس هگزآمین نیکل (II).

شلتر می‌گوید: «بسیاری از شیمی‌های جداسازی به تجلی تفاوت‌ها بین چیزهایی که می‌خواهید جدا کنید مربوط می‌شود.» او ادامه می‌دهد: «در این مورد، ما شرایطی را پیدا کردیم که آمونیاک، که نسبتاً ساده و ارزان است، به طور متفاوتی با کمپلکس‌های هگزآمین نیکل و کبالت پیوند می‌خورد.» با معرفی یک مولکول خاص با بار منفی، 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 شده باقی بماند.

تحقیقات جدید در جداسازی کربنات و کبالت

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

تحلیل‌های اقتصادی و چرخه عمر

برای ارزیابی قابلیت کاربردی روش جدیدشان در دنیای واقعی، تیم تحت رهبری مارتا گورون، تحلیل‌های اقتصادی و ارزیابی چرخه عمر را انجام دادند. تحلیل اقتصادی نشان داد که هزینه تولید تخمینی برای هر گرم کبالت خالص ۱.۰۵ دلار است که به‌طور قابل توجهی کمتر از ۲.۷۳ دلار برای هر گرم مرتبط با یک فرآیند جداسازی گزارش‌شده است. شلتر می‌گوید: ما بر کاهش هزینه‌های شیمیایی تمرکز کردیم و از مواد شیمیایی در دسترس استفاده کردیم که این روش را به‌طور بالقوه با فناوری‌های موجود رقابتی می‌کند. ارزیابی چرخه عمر نشان داد که حذف مواد شیمیایی آلی فرار و حلال‌های خطرناک به این فرآیند کمک می‌کند تا به‌طور قابل توجهی خطرات زیست‌محیطی و بهداشتی را کاهش دهد. این موضوع با معیارهایی مانند پتانسیل تشکیل دود و پتانسیل سمیت انسانی از طریق استنشاق تأیید شد و این فرآیند حداقل یک مرتبه بهتر از روش‌های سنتی امتیاز گرفت. این به معنای انتشار کمتر گازهای گلخانه‌ای و زباله‌های خطرناک کمتر است که یک پیروزی بزرگ برای محیط زیست و سلامت عمومی به شمار می‌آید. ژانگ افزوده است.

مسیر پاک‌تر به جلو

به دلیل نحوه جداسازی تیم، شلتر می‌گوید که جنبه‌های علمی بنیادی جالبی در این کار وجود دارد که فکر می‌کند می‌توانند آن را به سمت‌های مختلفی هدایت کنند، حتی برای مشکلات جداسازی فلزات دیگر. او می‌گوید: بر اساس مجموعه منحصر به فردی از اصول شناسایی مولکولی که در طول این کار شناسایی کردیم، فکر می‌کنم می‌توانیم این کار را به سمت‌های مختلفی گسترش دهیم. 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 علم 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 علم 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 انرژی و آب وزارت انرژی ایالات متحده (کمک هزینه ۸J-30009-0007A) و مؤسسه تحقیقاتی برای پیشرفت علم (جایزه #CS-SEED-2024-022) انجام شده است.