Новая технология поможет эффективно извлекать цветной металл из батареек

10:49, 8 сентября 2022

Как утверждают ученые, для этого не потребуются отдельные перерабатывающие заводы

Срок разложения выброшенных элементов питания может превышать 100 лет. Фото: unsplash.com / John Cameron.

Ученые Уральского федерального университета разработали технологию извлечения цветных металлов из отслуживших цинк-марганцевых батареек. Извлеченные таким способом цинк и марганец можно применять в металлургии и направлять на производство в качестве сырья. Технология представляет собой замкнутый цикл и достаточно просто реализуется на существующих металлургических предприятиях. Описание технологии и результаты экспериментов представлены в Russian Journal of Non-Ferrous Metals.

Цинк-марганцевые элементы питания, а именно солевые и щелочные батареи, повсеместно используются в быту, например, в пультах дистанционного управления, в беспроводных компьютерных мышках, клавиатурах, часах и других устройствах. Переработка таких батарей актуальна для получения цинка и особенно марганца, так как последний в России не производят в металлическом виде. Извлеченный цинк может быть использован в качестве восстановителя золота в процессе его глубокой очистки от примесей, а марганец — при производстве стали в качестве легирующего элемента или раскислителя, т. е. для удаления растворенного кислорода из металла.

«В России накапливается около 1 млрд цинк-марганцевых батареек в виде отхода, а перерабатывается из них не более 3 %. Скопление аккумуляторов на свалках опасно тем, что они могут самопроизвольно загореться. Горение элементов питания приводит к выбросам в атмосферу диоксинов — токсичных веществ, обладающих мутагенным, иммунодепрессантным, канцерогенным действием. Таким образом, наш коллектив решает две задачи: забота об окружающей среде и здоровье людей, а также возможность полезного применения металлов», — отмечает доцент кафедры металлургии цветных металлов УрФУ Эльвира Колмачихина.

Металлы извлекаются из предварительно измельченных батарей на разных стадиях процесса. Цинк получают с помощью выщелачивания — избирательного растворения в гидроксиде натрия или калия (сильных щелочах). После чего растворенный цинк селективно извлекают из раствора электроэкстракцией (электрохимический метод выделения металла из раствора) в виде порошка. Плавка оставшегося нерастворимого металлического остатка позволяет получить металлический марганец. Щелочной раствор после извлечения цинка повторно применяют на этапе выщелачивания.

Исследователи определили оптимальные условия, необходимые для высоких показателей процесса получения металлов: концентрацию щелочи, температуру, соотношение содержания твердых частиц в жидкости. Установленный режим позволяет получить максимальное количество металлов из батареек, а продолжительность процесса составит около часа.

«Извлечение металлов из материала осложняется наличием в его составе гетеролита и гидрогетеролита. Это прочные соединения оксидов цинка и марганца, которые образуются в процессе эксплуатации батарей и не растворяются в щелочных растворах. Из-за них мы извлекали примерно 20 % цинка, и повысить процент его получения можно только путем повторного выщелачивания. Поэтому мы работаем над тем, чтобы усовершенствовать технологию и добиться разрушения цинк-марганцевых оксидов для повышения извлекаемого процента цветных металлов», — добавляет соавтор публикации, ассистент кафедры металлургии цветных металлов УрФУ Дана Блудова.

Новая технология переработки батарей не требует строительства отдельных перерабатывающих заводов. Она может быть реализована на существующих металлургических предприятиях, где уже имеется такое оборудование, как вибрационные сита, реакторы с механическим перемешиванием, фильтры, электролизные ванны, индукционные и сушильные печи. Достаточно установить дополнительную небольшую линию со шредером и магнитным сепаратором для вскрытия и удаления стальных оболочек батарей при предварительной подготовке.

Исследование проведено в рамках госзадания РФ по гранту № 075-03-2021-051/5 (FEUZ-2021-0017). Ученые отмечают, что подобная технология может подойти для извлечения других металлов, например, свинца.

Справка

Марганцево-цинковый элемент питания — это первичный химический источник тока, в котором диоксид марганца является катодом, а металлический цинк — анодом.

Как отмечает Роспотребнадзор, в мире ежегодно производится более 10 млрд одних только щелочных батарей. Суммарно в Москве в год набирается 2–3 тыс. тонн выброшенных батарей, то есть более 15 млн штук. Отработанные батареи составляют около 0,25 % от объема всего собираемого в мегаполисах мусора.

В целом страна производит 70 млн тонн бытовых отходов в год, при этом только 2–3 % из них перерабатывается. К 2024 году, согласно ключевому решению по национальному проекту «Экология» Правительства РФ, доля перерабатываемых отходов должна увеличиться до 60 %.