محققان دانشگاه پنسیلوانیا در حال کار بر روی ابداع روشی ایمن‌تر و پایدارتر برای استخراج مواد معدنی حیاتی مورد استفاده در تولید باتری‌ها هستند. یافته‌های اخیر محققان دانشگاه مذکور نشان می‌دهد که امکان به‌کارگیری روشی نوین برای استخراج مواد معدنی حیاتی، به ویژه کبالت از باطله معدنی وجود دارد.

به گزارش پایگاه خبری و تحلیلی «فلزات‌آنلاین» و به نقل از وب‌سایت دانشگاه پنسیلوانیا، با افزایش تقاضا برای باتری‌های لیتیوم‌یونی هم‌زمان با رشد چشمگیر استفاده از تلفن‌های همراه، وسایل نقلیه الکتریکی و حتی ضربان‌سازهای قلب، دسترسی به مواد اولیه مورد استفاده در این محصولات نگرانی‌های زیادی را ایجاد کرده است.

رعایت نکردن اصول اخلاقی در استخراج و تامین مواد اولیه حیاتی و استفاده نکردن از روش‌های تولید سازگار با محیط زیست، از جمله موانعی به شمار می‌آیند که موجب افزایش این نگرانی‌ها شده‌اند. در همین رابطه در پرفروش‌ترین کتاب سیدارت کارا، نویسنده آمریکایی با عنوان «Cobalt Red: How the Blood of Congo Powers Our Lives»، گریزی بر مشکلات مربوط به زنجیره تامین کبالت جهانی زده شده و به برخی از این مشکلات اشاره کرده است.

اریک شلتر و تیم تحقیقاتی وی از دانشکده هنر و علوم پنسیلوانیا با آگاهی از این موضوع، قصد دارند روشی ایمن‌تر و پایدارتری را برای جداسازی کبالت از سنگ‌های معدنی یا مواد بازیافتی از طریق به‌کارگیری رسوبات معدنی معرفی کنند.

اریک شلتر، استاد دانشکده هنر و علوم پنسیلوانیا بیان کرد: بسیاری از تولیدکنندگان به اهمیت به‌کارگیری باتری‌های لیتیوم‌یون در توسعه سیستم‌های ذخیره انرژی باتری و مواد اولیه مهمی چون کبالت که در تولید آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، واقفند.

وی در ادامه عنوان کرد: در حال حاضر چگونگی تامین این مواد اولیه حیاتی و نحوه استخراج و تولید آن‌ها که هم مطابق با اصول اخلاقی بوده و هم سازگار با محیط زیست باشد، اهمیت بسیار زیادی پیدا کرده است.

استاد دانشکده هنر و علوم پنسیلوانیا خاطرنشان کرد: استخراج کبالت در جمهوری دموکراتیک کنگو که حدود ۷۰ درصد کبالت جهان را تامین می کند، به دلیل تخریب محیط زیست و شرایط کاری ناایمن، نگرانی‌هایی را از جمله اختلال در اکوسیستم طبیعت، آلودگی منابع آب زیر زمینی و آسیب رساندن به محیط زیست به وجود آورده است.

به گفته شلتر، محدودیت دسترسی به کبالت در زنجیره عرضه جهانی به تدریج در حال افزایش است؛ چراکه حجم تقاضا برای استفاده از آن در تولید باتری روند صعودی قابل‌توجهی را در آینده تجربه خواهد کرد.

وی اظهار داشت: به کمک تیم تحقیقاتی خود قصد داریم تمرکز تحقیقات را بر روی جداسازی فلزات حیاتی باتری مانند نیکل و کبالت از باطله و سنگ‌های معدنی معطوف کنیم.

در مقاله جدیدی که متن آن در مجله «Chem» منتشر شده است، شلتر و تیم تحقیقاتی وی در دانشگاه نورث وسترن، روشی آسان‌تر، پایدارتر و ارزان‌تر را برای جداسازی نیکل و کبالت از باطله و سنگ‌های معدنی ارائه کردند.

استفاده از این روش نوین، دو مزیت کلیدی با خود به همراه دارد. یکی اینکه به‌کارگیری روش مذکور، امکان افزایش ظرفیت تولید کبالت با خلوص بالا در عملیات استخراج با حداقل آسیب به محیط زیست را ایجاد خواهد کرد. دوم اینکه مشکلات فرایند فرآوری مواد اولیه مورد استفاده در تولید باتری را رفع کرده است که به کمک آن می‌توان به طور بهینه‌تری، عملیات جداسازی نیکل و کبالت را از باتری‌های مستهلک شده و باطله‌های معدنی انجام داد.

از چه موادی در فرایند جداسازی نیکل و کبالت از باطله‌های معدنی استفاده می‌شود؟

در حالت عادی برای تولید کبالت که یک محصول جانبی در فرایند استخراج نیکل است، از روش‌های هیدرومتالورژیکی مانند اسیدشویی (لیچینگ) و استخراج به وسیله حلال‌ها استفاده می‌شود و به کمک آن عملیات جداسازی کبالت و نیکل از سنگ معدن صورت می‌پذیرد. استفاده از این روش بسیار انرژی‌بر بوده و موجب تولید باطله‌های معدنی خطرناک و سمی می‌شود.

روش جدیدی که شلتر و تیم تحقیقاتی وی برای استخراج نیکل و کبالت از باطله‌های معدنی استفاده می‌کنند، مبتنی بر تکنیک جداسازی شیمیایی بوده و از چگالی بار و اختلاف پیوند بین دو کمپلکس مولکولی کمپلکس هگزامین کبالت و کمپلکس هگزامین نیکل به کار گرفته شده است.

وی خاطرنشان کرد: در سایر روش‌های جداسازی شیمیایی جداسازی، اختلاف پیوند بین دو کمپلکس مولکولی بسیار بالاست. به همین دلیل در روش جدید برای رفع این مشکل از آمونیاک که صرفه اقتصادی بسیاری مناسبی دارد، استفاده شده است.

به‌کارگیری آمونیاک، نحوه اتصال کمپلکس هگزامین کبالت و کمپلکس هگزامین نیکل را تغییر خواهد داد. با وارد کردن یک مولکول با بار منفی خاص یا آنیون مانند کربنات به سیستم جداسازی، یک ساختار جامد مولکولی ایجاد شده که باعث می‌شود کمپلکس کبالت در محلول رسوب کند؛ این در حالی است که کمپلکس نیکل در محلول حل می‌شود.

نتایج یافته‌های گروه تحقیقاتی شلتر حاکی از آن است که استفاده از آنیون کربنات با تشکیل پیوندهای هیدروژنی قدرتمند که یک رسوب پایدار ایجاد می‌کند، موجب خلق واکنش شیمیایی با کمپلکس کبالت خواهد شد.

پس از رسوب کمپلکس کبالت، ساختار جامد مولکولی تغلیظ شده با کبالت از طریق فیلتراسیون جدا می‌شود و سپس با آمونیاک شسته و خشک خواهد شد. محلول باقی‌مانده حاوی نیکل است که می‌تواند به طور جداگانه فرآوری آن انجام شود.

بابی ژانگ، فارغ‌التحصیل دانشکده هنر و علوم پنسیلوانیا و فعال در موسسه «Vagelos Institute»، مطرح کرد: به‌کارگیری این روش جدید نه تنها خلوص کبالت را به ۹۹٫۴ درصد و خلوص نیکل را به ۹۹ درصد می‌رساند بلکه استفاده از حلال‌های آلی و اسیدهای قوی که معمولا در روش‌های جداسازی قدیمی به‌کار گرفته می‌شود، جلوگیری خواهد کرد.

به گفته وی، استفاده از روش مذکور مقیاس‌پذیری بسیار بالایی داشته و مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی قابل‌ توجهی را به همراه خواهد داشت.

ارزیابی فنی-اقتصادی و چرخه حیات روش جدید جداسازی کبالت و لیتیوم

تیم تحقیقاتی دانشکده هنر و علوم پنسیلوانیا به رهبری مارتا گورون، از دو روش ارزیابی فنی-اقتصادی و چرخه حیات به منظور تحلیل و بررسی روش جدید جداسازی کبالت از باطله‌ها و سنگ‌های معدنی استفاده کردند. طبق نتایج ارزیابی انجام شده، هزینه تخمینی تولید در این روش حدود ۱٫۰۵ دلار به ازای هر گرم کبالت خالص اعلام شده که به طور قابل‌ توجهی کمتر از رقم ۲٫۷۳ دلار در هر گرم کبالت تولید شده از طریق فرایند جداسازی به روش سنتی است.

شلتر مطرح کرد: تمرکز این تیم بر کاهش هزینه‌های فرایند جداسازی کبالت و لیتیوم در روش جدید است و در صورت امکان از شناساگرهای شیمیایی دیگری استفاده خواهد شد.

به گفته وی، رویکرد به‌کارگرفته شده برای توسعه روش مذکور، قابلیت رقابت‌پذیری آن با سایر روش‌های موجود برای جداسازی مواد معدنی از باطله‌ها و سنگ‌های معدنی را افزایش خواهد داد.

نتایج ارزیابی چرخه حیات برای روش مذکور نشان می‌دهد که حذف مواد شیمیایی آلی فرار و حلال‌های خطرناک و سمی، موجب کاهش قابل‌ توجه خطرات زیست‌محیطی و بهداشتی می‌شود؛ تا جایی که معیارهایی میزان آلودگی و درجه سمیت و خطرناک بودن آن برای انسان‌ها، به طور چشمگیری در روش جدید در مقایسه با روش‌های سنتی دیگر کمتر است.

ژانگ اظهار داشت: با توجه با کاهش چشمگیر انتشار گازهای گلخانه‌ای و سموم خطرناک در جو زمین با استفاده از روش جدید، محیط زیست و سلامت عمومی جوامع انسانی کمتر آسیب خواهد دید.

شلتر خاطرنشان کرد: انعطاف‌پذیری بسیار بالای روش جدید توسعه‌یافته توسط تیم تحقیقاتی وی به حدی بوده که می‌توان از آن در رفع سایر مشکلات جداسازی فلزات حیاتی استفاده کرد.

وی در پایان یادآور شد: براساس مجموعه منحصربه‌فردی از اصول تشخیص مولکولی که در ارزیابی روش مذکور مورد استفاده قرار گرفت، می‌توان این روش را در جهات مختلفی توسعه داد که سبب توسعه نوآوری در استفاده از مواد شیمیایی در فرایند جداسازی سایر مواد معدنی حیاتی از باطله‌ها و سنگ‌های معدنی خواهد شد.

انتهای پیام//