Cink és mangán visszanyerése lemerült elemekből

A közönséges cink–szén elemek – a távirányítókban és órákban használt olcsó, henger alakú elemek – cinket és mangánt tartalmaznak. Ha kidobják őket, ezek a fémek hulladékká válnak. Visszanyerve viszont ismét nyersanyaggá lesznek.

2013-ban Romeo Rácz és Petru Ilea, a kolozsvári Babeş-Bolyai University kutatói a Hydrometallurgy folyóiratban számoltak be egy vizsgálatról.^[1] Azt tesztelték, hogy a két fém visszanyerhető-e egyszerre, egyetlen elektrokémiai cellában abból a savas oldatból, amely a használt elemporok feloldása után marad.

Miért érdemes egyszerre visszanyerni mindkettőt

Két fém visszanyeréséhez általában előbb szét kell választani őket, ami a cikk szerint költséges, és további vegyszeráramokat hoz létre.^[1] Az elektrokémia rövidebb utat kínál. Egy elektrolizáló cellában az áram egyszerre két reakciót hajt: oxidációt a pozitív elektródán (az anódon) és redukciót a negatív elektródán (a katódon). Ha elérhető, hogy a mangán oxidként váljon le az anódon, miközben a cink fémként a katódon, akkor egyetlen áram két hasznos terméket ad.

A nehézség az, hogy a két reakció zavarja egymást. Sok mangánt tartalmazó oldatból a cink rosszul válik le, így ha egyszerűen a cella mindkét oldalára az elemekből nyert oldatot töltjük, gyenge minőségű cinket kapunk.

Az elemtől az oldatig

A folyamat mechanikai lépésekkel kezdődik.^[1] Az elemeket szétválogatták, megőrölték és átszitálták. Mágnesekkel eltávolították az acélburkolatokat, mosással és flotálással a papírt és a műanyagot, majd különválasztották a fémcinket és a grafitrudakat. A visszamaradó fekete port, a használt aktív anyagot, kimosták és megszárították.

A port ezután egy órán át 1 M kénsavban oldották. A vizsgálat körülményei között ez a cink 95%-át és a mangán 14–16%-át (tömegre vonatkoztatva) oldotta ki. A kapott oldat literenként körülbelül 6 gramm mangánt, 65 gramm cinket és mintegy 190 milligramm vasat tartalmazott.

Egy cella, két termék

Az elektrolízis akrilból készült cellában zajlott, amelyet egy anioncserélő membrán két térre osztott.^[1] Az elemekből nyert oldat az anódtérbe került, ahol ólom–ezüst elektródát használtak. A katódtérbe a megmaradt cinkburkolatok feloldásával készült, kevés mangánt tartalmazó cinkoldat került, ahol egy vékony alumíniumlemez gyűjtötte a cinket.

A membrán elválasztja egymástól a fémionokat, így az egyik oldalon a cink tisztán leválhat, miközben a másikon a mangán oxidálódik. A negatív töltésű szulfátionok azonban át tudnak jutni rajta, és így szállítják az áramot a két tér között.

Az első futtatás után az oldatokat körforgásba vitték. A kimerült anódoldali oldatot – amely ekkor már cinkben gazdag, mangánban azonban szegény volt – a katódoldalra helyezték át a cink visszanyerésére. A kimerült katódoldali oldatot regenerálták, és savként újra felhasználták további elempor feloldására. A szerzők beszámolója szerint az oldatot ily módon addig hasznosították újra, amíg a cink- és mangánionok legalább 99%-át vissza nem nyerték.

Mi lett az eredmény

A csapat több áramsűrűség mellett üzemeltette a cellát. A legjobb egyensúlyt négyzetcentiméterenként 50 mA-nél érték el: itt az anódáram 85%-a mangán-oxidot, a katódáram 91%-a cinket hozott létre.^[1] Nagyobb áramoknál az anódhatásfok csökkent. A szerzők szerint ezek az értékek összhangban vannak a jellemző üzemi gyakorlattal, és megegyeznek a korábban közölt eredményekkel vagy jobbak azoknál.

A termékeket röntgendiffrakcióval, elektronmikroszkópiával és elemanalízissel vizsgálták. Mindkettő fázistiszta volt: az anódon képződött lerakódás hausmannit, vagyis egy Mn₃O₄ képletű mangán-oxid volt, a katódon képződött lerakódás pedig fémcink. Az átlagos kristályméret a mangán-oxid esetében körülbelül 13, a cink esetében 29 nanométer volt. A cikk megjegyzi, hogy az ilyen nanométeres méretű mangán-oxidok lítiumion-akkumulátorok anyagaként keltettek érdeklődést.

Mit mutat és mit nem mutat ez a munka

• Amit kimutattak. Laboratóriumi léptékben egyetlen membráncellában, nagy áramhatásfokkal és fázistiszta termékekkel egyidejűleg nyertek vissza mangán-oxidot és fémcinket használt cink–szén elemek lúgzási oldatából, és az oldat a folyamaton belül újrahasznosítható volt.^[1]
• Amit a szerzők állítanak. A cikk arra a következtetésre jut, hogy az eljárás „nulla környezeti hatással” valósította meg a visszanyerést, mivel minden elektroaktív, szerkezeti és vegyi összetevőt visszanyertek vagy visszavezettek a folyamatba. Ez a szerzők saját értékelése a laboratóriumi léptékű technológiai folyamatukról.
• Amit nem vizsgáltak. A munka nem mutat be ipari üzemet vagy nagy léptékű folyamatos működést.

Miért szerepel egy neurotechnológiai oldalon

Ez a cikk egy másik tudományterületről származik, de a középpontjában álló jártasság egyenesen átvihető: annak pontos szabályozása, hogy mi nő egy elektróda felületén, az áram, a feszültség és a kémiai összetétel beállításával.

Ugyanez a szaktudás formálta később a jULIEs neurális elektródák hegyét is, amelyeket elektrokémiai leválasztással növesztett, nanostrukturált arany- és irídium-oxid-rétegek borítanak. A jULIE-kről szóló 2022-es cikk, amikor azt írja le, hogyan alakulnak ki nukleációs centrumok a leválasztás során, kifejezetten hivatkozik Rácz, Manciulea és Ilea korábbi (2011-es) munkájára, amely használt elemek lúgzási oldataiból végzett mangán-dioxid-elektroszintézissel foglalkozott.^[2] Olvassa el összefoglalónkat a jULIE-kről szóló cikkről.

Kik végezték a munkát

Romeo Rácz és Petru Ilea, Vegyészmérnöki Tanszék, Kémia és Vegyészmérnöki Kar, Babeş-Bolyai University, Kolozsvár (Cluj-Napoca). A levelező szerző Petru Ilea.^[1]

A munkát az Európai Szociális Alap által társfinanszírozott, 2007–2013-as Humánerőforrás-fejlesztési Ágazati Operatív Program támogatta, a POSDRU/107/1.5/S/76841 számú, „Modern Doctoral Studies: Internationalization and Interdisciplinarity” című projekt keretében.