新化學(xué)分離技術(shù)使回收電池與生物柴油成為可能

阿貢研究人員正在研究分離技術(shù)的高級(jí)化學(xué)試劑，以實(shí)現(xiàn)回收電池以及生物燃料生產(chǎn)。(圖片由Lauren Valentino/阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供。)

回收罐和瓶時(shí)，在某些時(shí)候有必要將塑料和金屬分開?；厥掌囯姵貢r(shí)，提取最有價(jià)值的金屬同樣需要分離，但這一次需要一種特殊的化學(xué)分離工藝。

電池陰極中發(fā)現(xiàn)的鈷、錳和鎳的開采成本很高，科學(xué)家們多年來(lái)一直在尋找一種可以通過(guò)廢舊電池制造新電池的方法。

當(dāng)汽車電池壽命到達(dá)極限時(shí)，會(huì)被送到一臺(tái)自動(dòng)切碎機(jī)上粉碎。從這些已粉碎的電池中提取有用的化學(xué)制品不是件易事。美國(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向了一個(gè)被稱為電容去離子的工藝，該工藝通過(guò)鎳、錳和鈷的電荷將其從廢物流中分離出來(lái)。

阿貢工程師Lauren Valentino說(shuō)：“基于物理原理、化學(xué)原理以及電化學(xué)原理，不同的分離技術(shù)用于不同的目的。在第一步中，機(jī)械過(guò)程只能做這么多，所以我們轉(zhuǎn)向膜、吸附劑以及電容去離子技術(shù)，這些技術(shù)可以用來(lái)重新捕獲感興趣的化學(xué)品。”

根據(jù)Valentino的說(shuō)法，電池回收是非常復(fù)雜的，因?yàn)椴皇撬械钠囯姵囟际窍嗤?。她說(shuō)：“當(dāng)需要回收汽車電池時(shí)，很難掌控你得到的是什么。當(dāng)電池被切碎時(shí)，會(huì)有陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)、隔膜等各種各樣的混合物在一起?！?/p>

回收電池需要分解并將將大的化學(xué)成分分離成基本元素。Valentino表示：“制造電池就像用樂(lè)高(Lego)積木搭建一座塔一樣。通過(guò)不同形狀的小模塊搭建一座塔，但如果你想重建，就必須將所有的模塊拆解并分類，以達(dá)到目的?！?/p>

電容去離子的一大優(yōu)點(diǎn)是靈活。根據(jù)Valentino的說(shuō)法，電容去離子可以通過(guò)控制流量和操作時(shí)間適應(yīng)各種材料和不同的操作戰(zhàn)略。她說(shuō)：“通過(guò)控制材料和實(shí)施方式，我們能夠真正地定制分離出來(lái)的元素和化學(xué)品?！?/p>

Valtentino和她的同事用于電池回收的電容去離子工藝也在其他領(lǐng)域有應(yīng)用，其中包括生物能源的生產(chǎn)。Valentino帶領(lǐng)生物加工分離聯(lián)盟(Bioprocessing Separations Consortium)，該聯(lián)盟由六個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員組成，共同研究和開發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料所需的分離工藝和技術(shù)。(該聯(lián)盟于2016年，由能源部能效部與可再生能源部下屬的生物能源技術(shù)部成立。)

Valentino說(shuō)：“在某些時(shí)候，有一個(gè)轉(zhuǎn)換步驟，再是分離工藝。當(dāng)這些反應(yīng)堆產(chǎn)生復(fù)雜混合物時(shí)，含有有許多不同元素，我們必須分離并集中系統(tǒng)感興趣的東西，催化升級(jí)，從而產(chǎn)生生物燃料?！?/p>

與帶正電的離子的電池回收技術(shù)不同的是，生物能源生產(chǎn)需要Valentino和她的同事尋找負(fù)電荷分子。本質(zhì)上，我們的電容去離子工藝就像是“爪子”一樣，可以挑出我們感興趣的分子。

一旦分離，這些化合物都是多用途的，可以轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锷锶剂?，例如，可再生柴油或可持續(xù)航空燃料。Valentino說(shuō)：“我們只是剛開始探索不同的分離方式，更有效的分離可以使交通更加可持續(xù)。還有很多需要我們發(fā)現(xiàn)。”

這項(xiàng)研究是與NUMiX Materials共同合作完成的，并得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)的部分資助。