Ένα νέο μόριο εκχύλισης χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό για την ανάκτηση μετάλλων, μειώνοντας δραστικά την ανάγκη για χημικά αντιδραστήρια.
Η ανάκτηση πολυτίμων μετάλλων από απορριφθείσες ηλεκτρονικές συσκευές, μεταλλευτικά ρεύματα και βιομηχανικά απόβλητα βασίζεται συνήθως σε μεγάλες ποσότητες χημικών αντιδραστηρίων. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις Urbana-Champaign ανέπτυξαν ένα μόριο που θα μπορούσε να επιτρέψει στον ηλεκτρισμό να αντικαταστήσει μεγάλο μέρος αυτής της χημείας, καθιστώντας ενδεχομένως την ανάκτηση μετάλλων πιο καθαρή, απλούστερη και πιο ενεργειακά αποδοτική.
Τα ευρήματα, υπό την ηγεσία του καθηγητή Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής Xiao Su, δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό ACS Energy Letters.
Η εργασία αυτή βασίζεται σε μια εξέλιξη του 2024 από την ερευνητική ομάδα του Su, η οποία εισήγαγε μια μέθοδο συνεχούς ηλεκτροχημικά διαμεσολαβούμενης εκχύλισης υγρού-υγρού (e-LLE) για την ανάκτηση χρυσού από ηλεκτρονικά απόβλητα. Εκείνο το σύστημα έδειξε ότι ο ηλεκτρισμός μπορούσε να αντικαταστήσει πολλά από τα οξέα και τις βάσεις που απαιτούνται συνήθως για την εκχύλιση υγρού-υγρού – μια κοινή τεχνική που χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό και τον καθαρισμό μετάλλων. Ωστόσο, εξακολουθούσαν να απαιτούνται πρόσθετα χημικά αντιδραστήρια για την ολοκλήρωση του κύκλου εκχύλισης.
Ένα μόριο καταργεί το εναπομείναν χημικό στάδιο
Η νέα προσέγγιση εξαλείφει αυτή την τελευταία απαίτηση τροποποιώντας το ίδιο το μόριο εκχύλισης. Οι ερευνητές σχεδίασαν ένα πολυλειτουργικό μόριο που μπορεί να δεσμεύει επιλεκτικά ιόντα μετάλλων, να φέρει μόνιμο ηλεκτρικό φορτίο και να παραμένει διαλυμένο στην οργανική φάση που χρησιμοποιείται για την εκχύλιση. Επειδή το μόριο φέρει ήδη φορτίο, ο ηλεκτρισμός μπορεί να το ελέγξει άμεσα, χωρίς τα ενδιάμεσα χημικά αντιδραστήρια που απαιτούνταν προηγουμένως.
«Το νέο μόριο διαθέτει ένα ενσωματωμένο μόνιμο φορτίο που λειτουργεί ως ηλεκτρολύτης, επιτρέποντας στο υγρό να άγει το ηλεκτρικό ρεύμα», εξηγεί η μεταδιδακτορική ερευνήτρια Deborah Schmitt, συν-συγγραφέας της εργασίας. «Αυτό είναι που επιτρέπει στις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής να πραγματοποιούνται με ηλεκτρισμό αντί για χημικά. Αυτή η εργασία ηλεκτρίζει πλήρως μια διαδικασία διαχωρισμού, για την εκτέλεση της οποίας η βιομηχανία βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε χημικά αντιδραστήρια».
«Είναι η πρώτη φορά που καταφέραμε να λειτουργήσουμε την ηλεκτροχημική εκχύλιση με διαλύτες όπως ακριβώς είχαμε οραματιστεί», δήλωσε ο Su. «Φορτίζουμε το μόριο, αυτό δεσμεύει το μέταλλο, το μεταφέρει στην οργανική φάση και στη συνέχεια ο ηλεκτρισμός το απελευθερώνει ξανά».
Ο ηλεκτρισμός μειώνει δραστικά τη χρήση χημικών
Η άμεση ηλεκτροδότηση της διαδικασίας μείωσε τη χρήση χημικών κατά μία έως δύο τάξεις μεγέθους, απλοποιώντας παράλληλα τον κύκλο εκχύλισης. Αντικαθιστώντας τα ενδιάμεσα αντιδραστήρια με ηλεκτρικό ρεύμα, το σύστημα μπορεί να περιορίσει τόσο τα χημικά απόβλητα όσο και την κατανάλωση ενέργειας.
Σε εργαστηριακές δοκιμές, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το μόριο για την επιλεκτική ανάκτηση χρυσού από εκχυλίσματα ηλεκτρονικών αποβλήτων – διαλύματα που προκύπτουν από τη διαλυτοποίηση πολυτίμων μετάλλων από απορριφθείσες ηλεκτρονικές συσκευές. Ο χρυσός αποτέλεσε την αρχική επίδειξη, αλλά ο ευρύτερος στόχος ήταν η θεμελίωση μοριακών σχεδιαστικών αρχών που θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν τη δημιουργία ηλεκτρικά ενεργών εκχυλιστικών μέσων για άλλες προκλήσεις διαχωρισμού.
Η πλατφόρμα θα μπορούσε να στοχεύσει και άλλα μέταλλα
«Το σύστημα αυτό μπορεί να προσαρμοστεί για την επιλεκτική ανάκτηση πολλών διαφορετικών πολυτίμων μετάλλων, όπως μέταλλα της ομάδας του πλατινίου από μεταχειρισμένους καταλύτες αυτοκινήτων και ενδεχομένως μια σειρά από άλλα κρίσιμα στοιχεία από κατάλοιπα μεταλλείων ή άλλες σύνθετες πρώτες ύλες», δήλωσε η μεταπτυχιακή φοιτήτρια και συν-συγγραφέας της μελέτης Aderiyike Aguda. «Δεδομένου ότι η ηλεκτροχημική πλατφόρμα παραμένει σε μεγάλο βαθμό η ίδια, η χημεία του εκχυλιστικού μέσου μπορεί να προσαρμοστεί προκειμένου να στοχεύει διαφορετικά μέταλλα ανάλογα με την εφαρμογή».
«Ουσιαστικά, αυτή η εργασία ξεκλείδωσε τις θεμελιώδεις αρχές πίσω από τη μέθοδο – τον τρόπο με τον οποίο πρέπει να τη προσεγγίζουμε», ανέφερε ο Su.
Η έρευνα παρέχει ένα πλαίσιο για την ηλεκτρικά οδηγούμενη εκχύλιση υγρού-υγρόυ, με τις μελλοντικές εργασίες να επικεντρώνονται στην κλιμάκωση της προσέγγισης για βιομηχανικές εφαρμογές. Οι ερευνητές αναπτύσσουν επίσης πρόσθετα μοριακά σχέδια και αναζητούν συνεργασίες που θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν υπολογιστική μοντελοποίηση και τεχνητή νοημοσύνη για την επιτάχυνση της αναζήτησης νέων εκχυλιστικών μέσων.
«Είμαι πραγματικά ενθουσιασμένος με αυτή την εργασία, επειδή πιστεύω ότι δείχνει ένα ακόμη βήμα προς την απόδειξη ότι η ηλεκτροχημεία μπορεί πράγματι να προσφέρει κλιμακώσιμους διαχωρισμούς με ελάχιστα απόβλητα», δήλωσε ο ίδιος. «Με την αυξανόμενη προσοχή στα κρίσιμα ορυκτά και τις αλυσίδες εφοδιασμού, είναι ένα βήμα προς την επανεξέταση του τρόπου με τον οποίο ανακτούμε τα μέταλλα, με τρόπο πιο καθαρό και πλήρως ηλεκτροδοτούμενο».
