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

Au plus profond des batteries lithium-ion qui alimentent les véhicules électriques et l'électronique portable se trouve un composant essentiel : le nanotube de carbone. Ce sont des structures microscopiques en forme de tubes, composées d'atomes de carbone, réputées pour leur résistance et leur capacité à conduire l'électricité. Pour les fabriquer, les ingénieurs utilisent souvent de minuscules particules de métaux comme le nickel et le cobalt comme catalyseurs pour aider le carbone à croître selon sa forme parfaite. Cependant, une fois les tubes formés, ces particules métalliques restent piégées à l'intérieur ou collées à la surface, agissant comme des impuretés qui doivent être éliminées pour rendre le matériau utile pour les batteries de haute performance. La méthode standard pour les nettoyer consiste à faire bouillir les tubes dans de l'acide sulfurique concentré, un processus qui dissout les particules métalliques indésirables dans le liquide. Cela laisse derrière lui un flux de déchets dangereusement acides et remplis de métaux dissous. Traditionnellement, les usines neutralisent ces déchets avec de grandes quantités de produits chimiques, créant une boue de déchets dangereux et jetant à la fois les métaux précieux et l'acide, ce qui constitue un cycle coûteux et préjudiciable pour l'environnement.

Une équipe de chercheurs en Chine a trouvé un moyen de briser ce cycle en utilisant un filtre spécialisé. Au lieu de neutraliser les déchets, ils ont fait passer le flux à travers une membrane conçue pour résister à un acide fort. Cette membrane agit comme un tamis très fin qui laisse passer les molécules d'eau et d'acide tout en retenant les ions métalliques plus lourds. L'objectif était de voir si cette séparation simple pouvait concentrer les métaux précieux pour une réutilisation et renvoyer l'acide propre à l'usine pour être utilisé à nouveau. Les chercheurs ont testé cette méthode sur deux types différents de déchets : l'un contenant du cobalt et l'autre contenant du nickel. Ils ont constaté que la membrane pouvait séparer avec succès les métaux de l'acide, enrichissant les métaux à un niveau permettant leur récupération facile, tout en produisant un flux d'acide propre aussi efficace que l'acide frais pour le cycle de nettoyage suivant.

L'étude s'est concentrée sur deux flux de déchets spécifiques générés lors de la purification de nanotubes de carbone à parois multiples. Un flux provient de tubes fabriqués avec un catalyseur de cobalt, et l'autre avec un catalyseur de nickel. Les deux flux étaient hautement acides, les déchets de nickel étant légèrement plus agressifs que ceux de cobalt. Les chercheurs ont pompé ces liquides à travers un module de membrane commerciale, appliquant une pression pour forcer le liquide à travers le filtre. À mesure que le processus progressait, ils concentraient progressivement le liquide, éliminant l'eau et l'acide tout en retenant les ions métalliques. Ils ont surveillé l'efficacité avec laquelle la membrane retenait les métaux et la quantité d'acide passant à travers à différents stades de concentration.

Pour les déchets contenant du cobalt, la membrane a été exceptionnellement performante. En concentrant le liquide vingt fois, la quantité de cobalt dans le liquide restant est passée de quelques centaines de milligrammes par litre à plus de quatre grammes par litre. La membrane a rejeté plus de quatre-vingts pour cent des ions cobalt, ce qui signifie que la majeure partie du métal est restée dans le liquide concentré. Elle a également retenu d'autres impuretés comme l'aluminium et le magnésium. Parallèlement, l'acide est passé à travers la membrane avec une grande efficacité. Même lorsque la concentration de métaux augmentait, la membrane continuait de laisser passer l'acide, récupérant plus de quatre-vingt-dix pour cent de l'acide sulfurique du volume total de liquide ayant traversé. Les chercheurs ont également testé l'effet de la variation de la pression sur le processus. Ils ont découvert qu'augmenter la pression poussait plus de liquide à travers le filtre, ce qui aidait en fait la membrane à mieux retenir les métaux en réduant l'accumulation de particules à la surface du filtre.

Les résultats pour les déchets contenant du nickel étaient tout aussi prometteurs, bien que les conditions soient légèrement différentes. Le déchet de nickel était plus acide, ce qui faisait fonctionner la membrane de manière un peu différente. Dans cet environnement très acide, la membrane s'appuyait davantage sur la taille physique des particules pour effectuer la séparation plutôt que sur les forces électriques. Malgré cela, la membrane a tout de même rejeté plus de quatre-vingt-dix pour cent des ions nickel tout au long du processus. En concentrant le liquide vingt-cinq fois, ils ont augmenté la concentration de nickel de moins d'un gramme par litre à près de dix-sept grammes par litre. La récupération de l'acide est restée élevée, avec plus de quatre-vingt-treize pour cent de l'acide sulfurique passant à travers la membrane. L'acidité plus élevée signifiait que le liquide traversait le filtre plus lentement que le déchet de cobalt, mais la séparation restait stable et efficace.

Pour prouver que l'acide récupéré était réellement utile, les chercheurs l'ont remis au travail. Ils ont pris l'acide propre ayant traversé la membrane et l'ont utilisé pour purifier de nouveaux lots de nanotubes de carbone. Ils ont comparé cet acide recyclé à de l'acide sulfurique frais et neuf. Les résultats étaient presque identiques. Lorsqu'ils ont utilisé l'acide recyclé pour nettoyer les tubes à base de cobalt, la quantité de métal résiduel est passée de plus de six pour cent à moins de la moitié de un pour cent. Pour les tubes à base de nickel, le résidu métallique est tombé de plus de sept pour cent à un demi pour cent. L'acide frais atteignait des niveaux de résidus presque aussi bas. Cela a confirmé que l'acide, après avoir été séparé des métaux, était tout aussi efficace que l'acide neuf pour le processus de nettoyage industriel.

L'étude a également examiné la structure physique des nanotubes de carbone après avoir été nettoyés avec l'acide recyclé. En utilisant des microscopes puissants, les chercheurs ont observé les tubes avant et après la purification. Avant le nettoyage, les tubes étaient couverts de taches sombres de catalyseur métallique. Après avoir été traités avec l'acide recyclé, ces points ont disparu, laissant les tubes propres et lisses. La structure même des tubes est restée intacte, ne montrant aucun signe de dommage ou de rupture. Cela a démontré que le processus de recyclage n'a pas endommagé le matériau précieux qu'il était censé nettoyer.

Cette approche offre une amélioration significative par rapport à la méthode traditionnelle de neutralisation des déchets acides. L'ancienne méthode nécessite l'ajout de grandes quantités de produits chimiques pour neutraliser l'acide, ce qui crée une quantité massive de boue toxique qui doit être éliminée, et qui détruit la valeur de l'acide et des métaux. La nouvelle méthode utilise une barrière physique pour séparer les composants, évitant ainsi le besoin de produits chimiques supplémentaires et empêchant la création de boues dangereuses. Elle permet à l'usine de maintenir l'acide dans une boucle fermée, en l'utilisant encore et encore, tout en concentrant les métaux précieux pour leur récupération. Bien que les chercheurs aient noté qu'ils n'avaient pas testé la résistance de la membrane sur de nombreuses années d'utilisation continue, leurs conclusions montrent que le processus est techniquement réalisable et efficace pour traiter ces déchets industriels spécifiques. L'étude offre une voie claire vers une manière plus durable de produire les matériaux nécessaires à la prochaine génération de stockage d'énergie.