Selective Separation of Ni 2+ /Co 2+ and H + from MWCNT Purification Waste Acid by an Acid-Resistant Nanofiltration Membrane and Reuse Evaluation

في أعماق بطاريات الليثيوم أيون التي تشغل المركبات الكهربائية والإلكترونيات المحمولة، يكمن مكون حيوي: أنابيب الكربون النانوية. هذه الأناب عبارة عن هياكل مجهرية على شكل أنابيب مكونة من ذرات الكربون، وتشتهر بقوتها وقدرتها على توصيل الكهرباء. ولتصنيعها، غالبًا ما يستخدم المهندسون جزيئات دقيقة من معادن مثل النيكل والكوبالت كعوامل حفازة للمساعدة في نمو الكربون إلى شكله المثالي. ومع ذلك، بمجرد تشكل الأنابيب، تظل هذه الجزيئات المعدنية محاصرة بالداخل أو ملتصقة بالسطح، حيث تعمل كشوائب يجب إزالتها لجعل المادة مفيدة للبطاريات عالية الأداء. وتتم الطريقة القياسية لتنظيفها عن طريق غلي الأنابيب في حمض الكبريتيك القوي، وهي عملية تذيب الجزيئات المعدنية غير المرغوب فيها في السائل. وهذا يترك وراءه مجرى نفايات شديد الحموضة ومليء بالمعادن المذابة. تقليديًا، تقوم المصانع بمعادلة هذه النفايات بكميات كبيرة من المواد الكيميائية، مما يخلق وحلًا من النفايات الخطرة ويؤدي إلى التخلص من كل من المعادن القيمة والحمض، وهي دورة مكلفة وضارة بيئيًا.

لقد وجد فريق من الباحثين في الصين طريقة لكسر هذه الدورة باستخدام مرشح متخصص. فبدلاً من معالجة النفايات، قاموا بتمريرها عبر غشاء مصمم لتحمل الحمض القوي. يعمل هذا الغشاء مثل منخل دقيق للغاية يسمح لجزيئات الماء والحمض بالمرور بينما يحجز أيونات المعادن الأثقل. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا الفصل البسيط يمكن أن يركز المعادن القيمة لإعادة استخدامها ويعيد الحمض النظيف إلى المصنع لاستخدامه مرة أخرى. اختبر الباحثون هذه الطريقة على نوعين مختلفين من النفايات: أحدهما يحتوي على الكوبالت والآخر يحتوي على النيكل. ووجدوا أن الغشاء يمكنه فصل المعادن عن الحمض بنجاح، مما أدى إلى إثراء المعادن إلى مستوى يمكن فيه استردادها بسهل، مع إنتاج تيار حمض نظيف يكفي ليكون فعالاً كالحمض الجديد للدورة التالية.

ركزت الدراسة على اثنين محددين من مجاري النفايات الناتجة أثناء تنقية أنابيب الكربون متعددة الجدران. جاء أحد المجاري من الأنابيب المصنوعة باستخدام حفاز الكوبالت، وجاء الآخر من تلك المصنوعة باستخدام حفاز النيكل. كان كلا المجريين شديدي الحموضة، وكان نفايات النيكل أكثر عدوانية قليلاً من نفايات الكوبالت. قام الباحثون بضخ هذه السوائل عبر وحدة غشاء تجارية، مع تطبيق الضغط لدفع السائل عبر المرشح. ومع استمرار العملية، قاموا بتركيز السائل تدريجيًا، حيث أزالوا الماء والحمض مع الاحتفاظ بأيونات المعادن خلفهم. وراقبوا مدى قدرة الغشاء على الاحتفاظ بالمعادن وكمية الحمض الذي يمر عبره في مراحل مختلفة من التركيز.

بالنسبة للنفايات التي تحتوي على الكوبالت، كان أداء الغشاء ممتازًا بشكل استثنائي. فبينما قاموا بتركيز السائل عشرين ضعفًا، زادت كمية الكوبالت في السائل المتبقي من بضع مئات من ملليغرام لكل لتر إلى أكثر من أربعة غرامات لكل لتر. رفض الغشاء أكثر من ثمانين بالمائة من أيونات الكوبالت، مما يعني أن معظم المعدن بقي خلفه في السائل المركز. كما احتفظ بالشوائب الأخرى مثل الألومنيوم والمغنيسيوم. وفي الوقت نفسه، مر الحمض عبر الغشاء بكفاءة عالية؛ فحتى مع زيادة تركيز المعادن، استمر الغشاء في تمرير الحمض، مستعيدًا أكثر من تسعين بالمائة من حمض الكبريتيك في الحجم الإجمالي للسائل الذي مر عبره. كما اختبر الباحثون تأثير تغيير الضغط على العملية، ووجدوا أن زيادة الضغط تدفع المزيد من السائل عبر المرشح، مما يساعد الغشاء في الواقع على الاحتفاظ بالمعادب بشكل أفضل من خلال تقليل تراكم الجسيمات على سطح المرشح.

كانت النتائج الخاصة بالنفايات التي تحتوي على النيكل واعدة بشكل مماثل، وإن كانت الظروف مختلفة قليلاً. كانت نفايات النيكل أكثر حمضية، مما جعل الغشاء يعمل بشكل مختلف قليلاً. في هذه البيئة شديدة الحموضة، اعتمد الغشاء أكثر على الحجم الفيزيائي للجزيئات للقيام بعملية الفصل بدلاً من القوى الكهربائية. ورغم ذلك، ظل الغشاء يحجز أكثر من تسعين بالمائة من أيونات النيكل طوال العملية. ومن خلال تركيز السائل خمسة وعشرين ضعفًا، رفعوا تركيز النيكل من أقل من غرام واحد لكل لتر إلى ما يقرب من سبعة عشر غرامًا لكل لتر. وظل استرداد الحمض مرتفعًا، حيث مر أكثر من ثلاثة وتسعين بالمائة من حمض الكبريت ت عبر الغشاء. وبسبب الحموضة العالية، تحرك السائل عبر المرشح ببطء أكثر من نفايات الكوبالت، لكن الفصل ظل مستقرًا وفعالاً.

ولإثبات أن الحمض المسترد كان مفيدًا حقًا، أعاد الباحثون استخدامه في العمل. فقد أخذوا الحمض النظيف الذي مر عبر الغشاء واستخدموه لتنقية دفعات جديدة من أنابيب الكربون. وقارنوا الحمض المعاد تدويره بهذا الحمض الجديد تمامًا. وكانت النتائج متطابقة تقريبًا؛ فعندما استخدموا الحمض المعاد تدويره لتنظيف الأنابيب القائمة على الكوبالت، انخفضت كمية المعدن المتبقي من أكثر من ستة بالمائة إلى أقل من نصف بالمائة. وبالنسبة للأنابيب القائمة على النيكل، انخفضت بقايا المعدن من أكثر من سبعة بالمائة إلى نصف بالمائة، بينما حقق الحمض الجديد نفس المستويات المنخفضة من البقايا تقريبًا. وقد أكد هذا أن الحمض، بعد فصله عن المعادن، كان فعالاً بقدر الحمض الجديد في عملية التنظيف الصناعية.

كما فحصت الدراسة الهيكل الفيزيائي لأنابيب الكربون النانوية بعد تنظيفها باستخدام مجهر قوي. نظر الباحثون في الأنابيب قبل وبعد التنقية، وقبل التنظيف، كانت الأنابيب مغطاة بنقاط داكنة من حفاز المعدن، ولكن بعد معالجتها بالحمض المعاد تدويره، اختفت هذه النقاط، تاركة الأنابيب نظيفة وناعمة. وظل هيكل الأنابيب نفسها سليمًا، دون ظهور أي علامات على التلف أو الكسر، مما أظهر أن عملية إعادة التدوير لم تضر بالمادة القيمة التي كان من المفترض تنظيفها.

يقدم هذا النهج تحسنًا كبيرًا عن الطريقة التقليدية لمعالجة حمض النفايات. فالطريقة القديمة تتطلب إضافة كميات كبيرة من المواد الكيميائية لمعادلة الحمض، مما يخلق كمية هائلة من الوحل السام، ويؤدي إلى تدمير قيمة الحمض والمعادن. أما الط้ำريقة الجديدة فتستخدم حاجزًا فيزيائيًا لفصل المكونات، مما يتجنب الحاجة إلى مواد كيميائية إضافية ويمنع تكوين الوحل الخطير. وهي تسمح للمصنع بالإبقاء على الحمض في حلقة مغلقة، واستخدامه مرارًا وتكرارًا، مع تركيز المعادن القيمة لاستردادها. وبينما أشار الباحثون إلى أنهم لم يختبروا مدى صمود الغشاء خلال سنوات عديدة من الاستخدام المستمر، فإن نتائجهم تظهر أن العملية ممكنة تقنيًا وفعالة لمعالجة هذه الأنواع المحددة من النفايات الصناعية. وتوفر الدراسة مسارًا واضحًا نحو طريقة أكثر استدامة لإنتاج المواد اللازمة للجيل القادم من تخزين الطاقة.