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

Nel profondo delle batterie agli ioni di litio che alimentano i veicoli elettrici e l'elettronica portatile si trova un componente critico: il nanotubo di carbonio. Si tratta di strutture microscopiche a forma di tubo composte da atomi di carbonio, rinomate per la loro resistenza e capacità di condurre elettricità. Per fabbricarli, gli ingegneri utilizzano spesso minuscole particelle di metalli come nichel e cobalto come catalizzatori per aiutare il carbonio a crescere nella sua forma perfetta. Tuttavia, una volta formati i tubi, queste particelle metalliche rimangono intrappolate all'interno o attaccate alla superficie, agendo come impurità che devono essere rimosse per rendere il materiale utile per batterie ad alte prestazioni. Il modo standard per pulirli prevede di far bollire i tubi in acido solforico forte, un processo che dissolve le particelle metalliche indesiderate nel liquido. Ciò lascia in eredità un flusso di scarto che è pericolosamente acido e pieno di metalli disciolti. Tradizionalmente, le fabbriche neutralizzano questo scarto con grandi quantità di prodotti chimici, creando un fango di rifiuti pericolosi e gettando via sia i preziosi metalli che l'acido, il che rappresenta un ciclo costoso e dannoso per l'ambiente.

Un team di ricercatori in Cina ha trovato un modo per interrompere questo ciclo utilizzando un filtro specializzato. Invece di neutralizzare lo scarto, hanno fatto passare il liquido attraverso una membrana progettata per resistere al forte acido. Questa membrana agisce come un setaccio molto fine che lascia passare l'acqua e le molecole di acido pur trattenendo gli ioni metallici più pesanti. L'obiettivo era vedere se questa semplice separazione potesse concentrare i metalli preziosi per il riutilizzo e restituire l'acido pulito alla fabbrica per essere utilizzato nuovamente. I ricercatori hanno testato questo metodo su due diversi tipi di scarto: uno contenente cobalto e l'altro contenente nichel. Hanno scoperto che la membrana poteva separare con successo i metalli dall'acido, arricchendo i metalli a un livello tale da poter essere facilmente recuperati, producendo al contempo un flusso di acido pulito che era efficace quanto l'acido fresco per il ciclo di pulizia successivo.

Lo studio si è concentrato su due flussi di scarto specifici generati durante la purificazione di nanotubi di carbonio a parete multipla. Uno scarto proveniva da tubi realizzati con un catalizzatore di cobalto, e l'altro da un catalizzatore di nichel. Entrambi gli scarti erano altamente acidi, con lo scarto di nichel leggermente più aggressivo di quello di cobalto. I ricercatori hanno pompato questi liquidi attraverso un modulo a membrana commerciale, applicando pressione per forzare il liquido attraverso il filtro. Man mano che il processo procedeva, concentravano gradualmente il liquido, rimuovendo acqua e acido e mantenendo indietro gli ioni metallici. Hanno monitorato quanto bene la membrana trattenesse i metalli e quanto acido passasse in diverse fasi di concentrazione.

Per lo scarto contenente cobalto, la membrana ha performato eccezionalmente bene. Mentre concentravano il liquido venti volte, la quantità di cobalto nel liquido rimanente è aumentata da poche centinaia di milligrammi per litro a oltre quattro grammi per litro. La membrana ha respinto più dell'ottanta per cento degli ioni di cobalto, il che significa che la maggior parte del metallo è rimasta nel liquido concentrato. Ha trattenuto anche altre impurità come alluminio e magnesio. Allo stesso tempo, l'acido è passato attraverso la membrana con alta efficienza. Anche quando la concentrazione di metalli aumentava, la membrana continuava a far passare l'acido, recuperando più del novanta per cento dell'acido solforico nel volume totale di liquido che passava attraverso. I ricercatori hanno anche testato come la variazione della pressione influenzasse il processo. Hanno scoperto che l'aumento della pressione spingeva più liquido attraverso il filtro, il che aiutava la membrana a trattenere i metalli ancora meglio riducendo l'accumulo di particelle sulla superficie del filtro.

I risultati per lo scarto contenente nichel sono stati altrettanto promettenti, sebbene le condizioni fossero leggermente diverse. Lo scarto di nichel era più acido, il che faceva lavorare la membrana in modo un po' diverso. In questo ambiente altamente acido, la membrana si affidava maggiormente alle dimensioni fisiche delle particelle piuttosto che alle forze elettriche. Nonostante ciò, la membrana ha comunque respinto più del novanta per cento degli ioni di nichel durante l'intero processo. Concentrando il liquido venticinque volte, hanno aumentato la concentrazione di nichel da meno di un grammo per litro a quasi diciassette grammi per litro. Il recupero dell'acido rimaneva elevato, con oltre il novantatré per cento dell'acido solforico che passava attraverso la membrana. La maggiore acidità faceva sì che il liquido si muovesse attraverso il filtro più lentamente rispetto allo scarto di cobalto, ma la separazione rimaneva stabile ed efficace.

Per dimostrare che l'acido recuperato fosse davvero utile, i ricercatori lo hanno rimesso al lavoro. Hanno preso l'acido pulito che era passato attraverso la membrana e lo hanno usato per purificare nuovi lotti di nanotubi di carbonio. Hanno confrontato questo acido riciclato con l'acido solforico fresco e nuovo. I risultati sono stati quasi identici. Quando hanno usato l'acido riciclato per pulire i tubi a base di cobalto, la quantità di metallo residuo è scesa da oltre il sei per cento a meno dello zero virgola cinque per cento. Per i tubi a base di nichel, il residuo metallico è sceso da oltre il sette per cento allo zero virgola cinque per cento. L'acido fresco otteneva livelli di residuo quasi identici. Ciò ha confermato che l'acido, dopo essere stato separato dai metalli, era altrettanto efficace del nuovo acido per il processo di pulizia industriale.

Lo studio ha anche esaminato la struttura fisica dei nanotubi di carbonio dopo essere stati puliti con l'acido riciclato. Utilizzando microscopi potenti, i ricercatori hanno osservato i tubi prima e dopo la purificazione. Prima della pulizia, i tubi erano coperti da macchie scure di catalizzatore metallico. Dopo essere stati trattati con l'acido riciclato, queste macchie erano scomparse, lasciando i tubi puliti e lisci. La struttura stessa dei tubi rimaneva intatta, non mostrando segni di danno o rottura. Ciò ha dimostrato che il processo di riciclo non danneggiava il materiale prezioso che doveva pulire.

Questo approccio offre un miglioramento significativo rispetto al metodo tradizionale di neutralizzazione dell'acido di scarto. Il vecchio metodo richiede l'aggiunta di grandi quantità di prodotti chimici per neutralizzare l'acido, il che crea una massa enorme di fango tossico che deve essere smaltito, e distrugge il valore dell'acido e dei metalli. Il nuovo metodo utilizza una barriera fisica per separare i componenti, evitando la necessità di ulteriori prodotti chimici e prevenendo la creazione di fanghi pericolosi. Permette alla fabbrica di mantenere l'acido in un ciclo chiuso, utilizzandolo ancora e ancora, mentre concentra i metalli preziosi per il recupero. Sebbene i ricercatori abbiano notato di non aver testato come la membrana avrebbe resistito a molti anni di uso continuo, i loro risultati mostrano che il processo è tecnicamente fattibile ed efficace per trattare questi specifici scarti industriali. Lo studio fornisce una chiara strada verso un modo più sostenibile per produrre i materiali necessari per la prossima generazione di accumulo di energia.