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用垃圾果皮“救活”废旧电池,南洋理工的科学家们做到了

学术头条2020-09-04 14:02发文

人类文明的不断推进给地球带来了沉重的负担,据有关统计显示,全球每年产生 13 亿吨食物垃圾和 5000 万吨电子垃圾。
食物垃圾处理起来比较容易,但是电子垃圾却往往令人头痛。废旧电池通常经过极端加热(超过 500°C)进行处理,以冶炼出一些贵重的金属,但是这一过程往往会散发出有害有毒气体。
近日,新加坡南洋理工大学的科学家们开发了一种新方法,利用果皮废料从废旧锂离子电池中提取出重金属,并利用这些重金属制造出新的锂电池。这项研究的结果发表在《环境科学与技术》上。

通过这种方法处理废旧电池,不仅可以解决食物垃圾和电子垃圾的问题,并且该过程不会产生有害气体,同时产生的固体残留物也被认为是无毒的,这表明该方法对环境无害。
南洋理工大学的研究人员表示,正在做进一步的研究,以优化这些由回收材料制成的新型电池的充放电循环性能。

棘手的废旧电池回收难题

废旧电池对环境影响巨大。科学调查表明,一颗普通电池被丢弃在大自然后,可以污染 60 万升水,相当于一个人一生的用水量,而中国每年要消耗这样的电池大约 70 亿只。
不仅仅是中国,这样的问题同样困扰着世界其他地方。因此,世界各地的研究人员都在研究各种处理废旧电池的方法。
比如目前正在探索使用强酸溶液或弱酸溶液与过氧化氢提取金属的替代方法,但这些方法仍会产生二次污染物,构成健康和安全风险,或依赖于危险且不稳定的过氧化氢进行处理。

通过工业方法回收产生有害污染物的电池废料,即利用水作为提取溶剂的湿法冶金方法,正日益作为一种可能的替代方法加以探索。
这一过程首先将废旧电池粉碎,形成一种被称为黑色物质的粉碎材料,然后,通过高温将其溶解在强酸、弱酸及其他化学物质(如过氧化氢)的混合物中,从黑色物质中提取出有价值的金属。
对于这种方式,南洋理工大学材料科学与工程学院和生物科学学院的 Dalton Tay 助理教授表示,虽然相对于传统方法而言这种方法更为环保,但是在工业规模上使用此类强化学物质可能会产生大量的二次污染物,构成重大的安全和健康风险。
而在这项最新论文中,研究小组发现,将经过烤箱干燥并磨成粉末的橙皮与柑桔类水果中发现的一种弱有机酸——柠檬酸结合使用,可以达到相同的目标。

低成本、可持续的方法

在实验室的试验中,研究小组发现,他们的方法成功地从废旧锂离子电池中提取了大约 90% 的钴、锂、镍和锰,这一效果与使用过氧化氢的方法相当。

论文作者、南洋理工大学能源研究所 Chor Yong Tay 解释道,这种方法的关键在于橘皮中的纤维素,在提取过程中,它被加热后会转化为糖。这些糖能促进从电池废料中回收金属。
橘皮中天然存在的抗氧化剂,如类黄酮和酚酸,也有助于这种增强作用。更为重要的是,这种工艺产生的固体残留物被发现是无毒的,这表明该方法对环境无害。
而且从回收的材料中,该研究团队组装出新的锂离子电池,显示出与商用电池相似的充电能力。
研究人员表示,这表明新技术“在工业意义上回收废旧锂电池实际上是可行的”。进一步的研究正在进行中,以优化这些由回收材料制成的新型电池的充放电循环性能。

“救活”废旧电池,意义重大

论文通讯作者之一、南洋理工大学新加坡 CEA 循环经济研究联盟(NTU SCARCE)实验室的联合主任 Madhavi Srinivasan 教授表示:“目前电子垃圾的工业回收过程是能源密集型的,会排放有害污染物和液体废物,这表明随着电子垃圾数量的增加,迫切需要一些环保的方法来解决这些问题。而我们的团队已经证明,使用生物可降解物质的方法是可行的。”
这些发现是基于南洋理工大学能源研究所现有的工作基础之上得出的。SCARCE 实验室的建立旨在开发更环保的电子垃圾回收方式,它也是南洋理工大学智能校园计划的一部分,该计划旨在为可持续发展的未来开发先进的技术解决方案。
Tay 助理教授补充道:“在资源匮乏的新加坡,这种从各种废弃电子中提取有价值金属的城市采矿过程显得非常重要。通过这种方法,我们不仅通过尽可能多地使用这些贵金属来解决资源枯竭的问题,而且还解决了电子垃圾和食物垃圾的积聚这两种日益严重的全球危机。

由南洋理工大学领导的一个科学小组已经开发出一种新方法,利用果皮废料从废旧锂离子电池中提取并再利用贵金属,从而制造出新的电池。Dalton Tay 助理教授(左),Madhavi Srinivasan 教授(右)

Madhavi 教授表示:“这种废物资源化的方法还可能扩展到其他类型的富含纤维素的水果和蔬菜废物中,以及尝试处理不同的锂电池类型,例如磷酸铁锂和锂镍锰钴氧化物这两种电池类型。这将有助于我们朝着新的电子垃圾循环经济迈进一大步,并以更绿色、更可持续的方式为我们的生活提供动力。
该团队现在正在寻求进一步提高由该方法处理过的电池的性能。他们也在优化实验条件,以扩大生产规模,并探索在生产过程中日和尽量避免使用酸。
相信在就不久的将来,废旧锂电池的处理对于人们来讲再也不是一件困难的事情,而地球也将因此避免由锂电池产生的污染。
排版:赵辰霞
编审:王新凯
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