Zinc și mangan recuperate din baterii uzate

Bateriile zinc–carbon obișnuite, acele elemente cilindrice ieftine din telecomenzi și ceasuri, conțin zinc și mangan. Când sunt aruncate, aceste metale devin deșeuri. Recuperate, ele redevin materii prime.

În 2013, Romeo Rácz și Petru Ilea, de la Universitatea Babeș-Bolyai din Cluj-Napoca, au publicat un studiu în revista Hydrometallurgy.^[1] Lucrarea a testat dacă ambele metale pot fi recuperate simultan, într-o singură celulă electrochimică, din soluția acidă rămasă după dizolvarea pulberii din bateriile uzate.

De ce ambele deodată

Recuperarea a două metale presupune de obicei separarea lor prealabilă, lucru care, după cum notează articolul, este costisitor și generează fluxuri chimice suplimentare.^[1] Electrochimia oferă o scurtătură. Într-o celulă electrolitică, un curent antrenează simultan două reacții: o oxidare la electrodul pozitiv (anodul) și o reducere la electrodul negativ (catodul). Dacă manganul poate fi făcut să se depună sub formă de oxid la anod, în timp ce zincul se depune ca metal la catod, un singur curent produce două produse utile.

Dificultatea este că cele două reacții se influențează reciproc. Zincul se depune prost dintr-o soluție care conține mult mangan, așa că simpla introducere a soluției din baterii în ambele compartimente ale celulei duce la un zinc de calitate slabă.

De la baterie la soluție

Procesul începe mecanic.^[1] Bateriile au fost sortate, măcinate și cernute. Carcasele de oțel au fost îndepărtate cu magneți, hârtia și plasticul prin spălare și flotație, iar zincul metalic și tijele de grafit au fost separate. Pulberea neagră rămasă, materialul activ uzat, a fost spălată și uscată.

Pulberea a fost apoi dizolvată timp de o oră în acid sulfuric 1 M. În condițiile studiului, astfel s-au extras 95% din zinc și 14–16% din mangan, procente masice. Soluția rezultată conținea circa 6 grame de mangan pe litru, 65 de grame de zinc pe litru și în jur de 190 de miligrame de fier pe litru.

O celulă, două produse

Electroliza a avut loc într-o celulă din acril, împărțită în două compartimente de o membrană schimbătoare de anioni.^[1] Soluția din baterii a fost introdusă în compartimentul anodic, unde s-a folosit un electrod din plumb–argint. O soluție de zinc, obținută prin dizolvarea carcaselor de zinc rămase și săracă în mangan, a fost introdusă în compartimentul catodic, unde o foaie subțire de aluminiu a colectat zincul.

Membrana ține ionii metalici separați, astfel încât zincul se poate depune curat pe o parte, în timp ce manganul este oxidat pe cealaltă. Ionii sulfat, încărcați negativ, pot totuși să treacă prin ea, transportând curentul între cele două compartimente.

După o primă rulare, soluțiile au fost recirculate. Soluția epuizată din compartimentul anodic, acum bogată în zinc, dar săracă în mangan, a fost mutată în compartimentul catodic pentru recuperarea zincului. Soluția epuizată din compartimentul catodic a fost regenerată și refolosită ca acid pentru dizolvarea altei cantități de pulbere din baterii. Autorii raportează că soluția a fost reciclată în acest fel până când s-au recuperat 99% sau mai mult din ionii de zinc și mangan.

Ce s-a obținut

Echipa a operat celula la mai multe densități de curent. Cel mai bun echilibru s-a obținut la 50 mA pe centimetru pătrat, unde 85% din curentul anodic a produs oxid de mangan, iar 91% din curentul catodic a produs zinc.^[1] Randamentul anodic a scăzut la curenți mai mari. Autorii afirmă că aceste valori sunt în concordanță cu practica uzuală din instalațiile industriale și egale sau mai bune decât cele raportate anterior.

Produsele au fost analizate prin difracție de raze X, microscopie electronică și analiză elementală. Ambele erau monofazice: depozitul anodic era hausmannit, o formă de oxid de mangan cu formula Mn₃O₄, iar depozitul catodic era zinc metalic. Dimensiunea medie a cristalitelor era de aproximativ 13 nanometri pentru oxidul de mangan și 29 de nanometri pentru zinc. Articolul notează că oxizii de mangan nanometrici de acest tip au atras interes ca materiale pentru bateriile litiu-ion.

Ce arată și ce nu arată această lucrare

• Ce s-a demonstrat. La scară de laborator, oxidul de mangan și zincul metalic au fost recuperate simultan, într-o singură celulă cu membrană, din soluția de leșiere a bateriilor zinc–carbon uzate, cu randament de curent ridicat și produse monofazice, iar soluția a putut fi reciclată în cadrul procesului.^[1]
• Ce susțin autorii. Articolul conchide că procedeul a realizat recuperarea „cu impact zero asupra mediului”, toate componentele electroactive, constructive și chimice fiind recuperate sau reintroduse în proces. Aceasta este evaluarea autorilor asupra schemei lor tehnologice la scară de laborator.
• Ce nu s-a testat. Lucrarea nu demonstrează o instalație industrială sau o funcționare continuă la scară mare.

De ce apare pe un site de neurotehnologie

Acest articol provine dintr-un alt domeniu, dar competența aflată în centrul lui se transferă direct: controlul exact a ceea ce crește pe suprafața unui electrod prin ajustarea curentului, a tensiunii și a chimiei.

Același meșteșug a modelat ulterior vârfurile electrozilor neurali jULIEs, acoperiți cu straturi de aur nanostructurat și oxid de iridiu crescute prin electrodepunere. Articolul despre jULIEs din 2022 citează explicit o lucrare anterioară a lui Rácz, Manciulea și Ilea (2011) privind electrosinteza dioxidului de mangan din soluții de leșiere a bateriilor uzate, atunci când descrie cum se formează centrele de nucleație în timpul depunerii.^[2] Citiți ghidul nostru despre articolul jULIEs.

Cine a realizat lucrarea

Romeo Rácz și Petru Ilea, Departamentul de Inginerie Chimică, Facultatea de Chimie și Inginerie Chimică, Universitatea Babeș-Bolyai, Cluj-Napoca. Petru Ilea este autorul corespondent.^[1]

Lucrarea a fost sprijinită prin Programul Operațional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007–2013, cofinanțat din Fondul Social European, în cadrul proiectului POSDRU/107/1.5/S/76841, „Modern Doctoral Studies: Internationalization and Interdisciplinarity”.