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

Diep binnenin de lithium-ionbatterijen die elektrische voertuigen en draagbare elektronica van stroom voorzien, ligt een cruciaal onderdeel: de koolstofnanobuis. Dit zijn microscopische, buisvormige structuren gemaakt van koolstofatomen, beroemd om hun sterkte en hun vermogen om elektriciteit te geleiden. Om deze te vervaardigen, gebruiken ingenieurs vaak minuscule deeltjes van metalen zoals nikkel en kobalt als katalysatoren om de koolstof te helpen groeien in zijn perfecte vorm. Echter, zodra de buisjes zijn gevormd, blijven deze metaaldeeltjes erin gevangen of plakken ze aan het oppervlak vast, waardoor ze onzuiverheden worden die verwijderd moeten worden om het materiaal bruikbaar te maken voor hoogwaardige batterijen. De standaardmanier om ze te reinigen omvat het koken van de buisjes in sterk zwavelzuur, een proces waarbij de ongewenste metaaldeeltjes in de vloeistof worden opgelost. Dit laat een afvalstroom achter die gevaarlijk zuur is en vol zit met opgeloste metalen. Traditioneel neutraliseren fabrieken dit afval met grote hoeveelheden chemicaliën, wat een slib van gevaarlijk afval creëert en zowel de waardevolle metalen als het zuur weggooit, wat een kostbare en milieubelastende cyclus is.

Een team van onderzoekers in China heeft een manier gevonden om deze cyclus te doorbreken met behulp van een gespecialiseerd filter. In plaats van het afval te neutraliseren, hebben ze het door een membraan geleid dat bestand is tegen sterk zuur. Dit membraan werkt als een zeer fijne zeef die water- en zuurmoleculen doorlaat terwijl het de zwaardere metaalionen tegenhoudt. Het doel was om te zien of deze eenvoudige scheiding de waardevolle metalen kon concentreren voor hergebruik en het schone zuur kon teruggeven aan de fabriek om opnieuw te worden gebruikt. De onderzoekers testten deze methode op twee verschillende soorten afval: één die kobalt bevatte en één die nikkel bevatte. Ze kwamen tot de conclusie dat het membraan de metalen succesvol van het zuur kon scheiden, waarbij de metalen werden verrijkt tot een niveau waarop ze gemakkelijk konden worden teruggewonnen, terwijl een schoon zuurstroom werd geproduceerd dat net zo effectief was als vers zuur voor de volgende ronde van reiniging.

De studie richtte zich op twee specifieke afvalstromen die vrijkwamen tijdens de zuivering van meervoudige wandige koolstofnanobuisjes. Eén stroom kwam van buisjes gemaakt met een kobaltkatalysator, en de andere van buisjes gemaakt met een nikkelkatalysator. Beide stromen waren sterk zuur, waarbij het nikkelafval iets agressiever was dan het kobaltafval. De onderzoekers pompten deze vloeistoffen door een commerciële membraanmodule en pasten druk toe om de vloeistof door het filter te dwingen. Terwijl het proces voortduurde, concentreerden ze de vloeistof geleidelijk door water en zuur te verwijderen terwijl ze de metaalionen achterhielden. Ze hielden in de gaten hoe goed het membraan de metalen tegenhield en hoeveel zuur er door de verschillende stadia van concentratie heen ging.

Voor het kobaltbevattende afval presteerde het membraan uitzonderlijk goed. Terwijl ze de vloeistof twintig keer concentreerden, nam de hoeveelheid kobalt in de resterende vloeistof toe van enkele honderden milligram per liter naar meer dan vier gram per liter. Het membraan week meer dan tachtig procent van de kobaltionen af, wat betekent dat het grootste deel van het metaal in de geconcentreerde vloeistof achterbleef. Het hield ook andere onzuiverheden zoals aluminium en magnesium tegen. Tegelijkertijd liet het zuur het membraan met hoge efficiëntie door. Zelfs toen de concentratie van metalen toenam, bleef het membraan het zuur doorlaten en ving het meer dan negentig procent van het zwavelzuur op in het totale volume van de vloeistof die erdoorheen stroomde. De onderzoekers testten ook hoe de verandering in druk het proces beïnvloedde. Ze ontdekten dat het verhogen van de druk meer vloeistof door het filter duwde, wat er eigenlijk toe leidde dat het membraan de metalen zelfs nog beter kon vasthouden door de opbouw van deeltjes op het oppervlak van het filter te verminderen.

De resultaten voor het nikkelbevattende afval waren eveneens veelbelovend, hoewel de omstandigheden iets anders waren. Het nikkelafval was zuurder, wat ervoor zorgde dat het membraan iets anders werkte. In deze zeer zure omgeving vertrouwde het membraan meer op de fysieke grootte van de deeltjes om de scheiding te doen in plaats op elektrische krachten. Ondanks dat bleef het membraan gedurende het gehele proces meer dan negentig procent van de nikkelionen afwijzen. Door de vloeistof vijfentwintig keer te concentreren, verhoogden ze de nikkelconcentratie van minder dan één gram per liter naar bijna zeventien gram per liter. Het herstel van het zuur bleef hoog, met meer dan drieënnegentig procent van het zwavelzuur dat door het membraan passeerde. De hogere zuurgraad betekende dat de vloeistof langzamer door het filter bewoog dan bij het kobaltafval, maar de scheiding bleef stabiel en effectief.

Om te bewijzen dat het teruggewonnen zuur werkelijk nuttig was, lieten de onderzoekers het weer aan het werk gaan. Ze namen het schone zuur dat door het membraan was gepasseerd en gebruikten het om nieuwe batches koolstofnanobuisjes te zuiveren. Ze vergeleken dit gerecyclede zuur met vers, gloednieuw zwavelzuur. De resultaten waren bijna identiek. Wanneer ze het gerecyclede zuur gebruikten om de kobaltgebaseerde buisjes te reinigen, daalde de hoeveelheid achtergebleven metaal van meer dan zes procent naar minder dan een half procent. Voor de nikkelgebaseerde buisjes daalde het metaalresidue van meer dan zeven procent naar een half procent. Vers zuur bereikte bijna dezelfde lage niveaus van residu. Dit bevestigde dat het zuur, nadat het van de metalen was gescheiden, net zo effectief was als nieuw zuur voor het industriële reinigingsproces.

De studie onderzocht ook de fysieke structuur van de koolstofnanobuisjes nadat ze met het gerecyclede zuur waren gereinigd. Met behulp van krachtige microscopen keken de onderzoekers naar de buisjes vóór en na de zuivering. Vóór de reiniging waren de buisjes bedekt met donkere spikkels van metaalkatalysator. Na behandeling met het gerecyclede zuur waren deze spikkels verdwenen, waardoor de buisjes schoon en glad achterbleven. De structuur van de buisjes zelf bleef intact, wat aantoonde dat er geen tekenen van schade of breuk waren. Dit toonde aan dat het recyclingproces het waardevolle materiaal dat het moest reinigen, niet beschadigde.

Deze aanpak biedt een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de traditionele methode van het neutraliseren van afvalzuur. De oude methode vereist het toevoegen van grote hoeveelheden chemicaliën om het zuur te neutraliseren, wat een enorme hoeveelheid giftig slib creëert dat moet worden afgevoerd, en wat de waarde van het zuur en de metalen vernietigt. De nieuwe methode gebruikt een fysieke barrière om de componenten te scheiden, waardoor de noodzaak voor extra chemicaliën wordt vermeden en de vorming van gevaarlijk slib wordt voorkomen. Het stelt de fabriek in staat om het zuur in een gesloten lus te houden, waarbij het keer op keer kan worden gebruikt, terwijl de waardevolle metalen worden geconcentreerd voor terugwinning. Hoewel de onderzoekers opmerkten dat ze niet hebben getest hoe het membraan zich gedurende vele jaren van continu gebruik zou houden, tonen hun bevindingen aan dat het proces technisch haalbaar en effectief is voor het behandelen van deze specifieke industriële afvalstromen. De studie biedt een duidelijk pad naar een meer duurzame manier van het produceren van de materialen die nodig zijn voor de volgende generatie energieopslag.