礦物回收再利用技術(shù)興起

文·圖/李偉

退役電池容量預(yù)測系統(tǒng)

礦物資源是一個國家或地區(qū)寶貴的自然財富，也是經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。因礦產(chǎn)開發(fā)成本不斷提高，及對環(huán)境的破壞性影響愈演愈烈，礦物回收再利用技術(shù)悄然興起。據(jù)美國《科學(xué)進(jìn)展》雜志報道，鋰元素和稀土元素的回收再利用技術(shù)，已成為科技強(qiáng)國關(guān)注的焦點。

鋰電池進(jìn) 入“批量退役期”

鋰電池近年來廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品和電動車等領(lǐng)域，有效緩解了環(huán)境污染與能源短缺問題。在一定時間的大量使用后，目前全球已進(jìn)入鋰電池“批量退役期”，產(chǎn)生大量報廢的、有待回收處理的鋰電池，若處理不當(dāng)，就會造成環(huán)境污染和資源浪費。鋰電池處理及回收利用技術(shù)的開發(fā)和升級迫在眉睫。

美國能源部新近向“紅木金屬”公司提供20億美元貸款，用于建設(shè)電池材料回收和再利用綜合設(shè)施；向“鋰循環(huán)”公司提供3.75億美元貸款，用于開發(fā)進(jìn)一步有效利用鋰電池的技術(shù)，以及建設(shè)鋰電池回收處理設(shè)施。此外，美國阿貢國家實驗室從能源部無償獲得350萬美元啟動資金，用于推進(jìn)鋰電池增效和回收利用技術(shù)，并支持?jǐn)U大電池材料的再生產(chǎn)規(guī)模。

據(jù)《科學(xué)進(jìn)展》報道，上述公司和機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究主要集中在三個方向。

第一個方向：提高鋰電池的充放電效率。充放電效率反映出充放電過程中能量的損失情況。通過優(yōu)化電池的設(shè)計和材料，提高充放電效率，可以減少能量損失，提高電池的梯次利用率。

第二個方向：實現(xiàn)鋰電池的二次利用。當(dāng)電池的有效容量減小到一定程度時，就無法再滿足電動車的需求，但仍然可以用于其他設(shè)備。“紅木金屬”公司已開始開發(fā)電池的二次利用技術(shù)，例如將電池用于儲能系統(tǒng)、家庭能源系統(tǒng)等。

“退役電池柔性智能拆解系統(tǒng)”

第三個方向：實現(xiàn)鋰電池的再制造。當(dāng)鋰電池的使用周期結(jié)束后，可以對其進(jìn)行拆解和再制造，使其重新具備一定的使用價值。通過再制造，可以降低電池的生產(chǎn)成本，提高梯次利用率。

新加坡也在大力開發(fā)鋰電池回收再利用技術(shù)。

新加坡科學(xué)技術(shù)研究局新近開發(fā)出將廢棄塑料轉(zhuǎn)化為鋰離子電池聚合物電解質(zhì)的方法，引發(fā)業(yè)內(nèi)關(guān)注。

在此之前，該機(jī)構(gòu)已開發(fā)出一套鋰電池回收處理方法。處理系統(tǒng)可將物理、化學(xué)回收技術(shù)結(jié)合，從鋰電池消電、初步拆解、多重破碎和多重篩分循序入手，更大限度地發(fā)揮各項工藝的優(yōu)點，同時盡可能地回收各項工藝過程中產(chǎn)生的能量，以便循環(huán)利用。

值得關(guān)注的是，新加坡在廢舊電池智能化拆解與回收利用方面取得突破，持續(xù)優(yōu)化“退役電池柔性智能拆解系統(tǒng)”，實現(xiàn)了智能識別、機(jī)器人運動軌跡自動規(guī)劃以及末端拆解的柔順控制等功能。該系統(tǒng)采用超精準(zhǔn)定向提取技術(shù)，成功實現(xiàn)了廢舊鋰電池的全組分金屬元素回收，以及原料再造，解決了傳統(tǒng)工藝中鋰元素回收率低的難題，回收率超過92%。

此外，基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的建模思路，新加坡科學(xué)技術(shù)研究局開發(fā)出含有26種預(yù)測模型的退役電池容量預(yù)測系統(tǒng)，預(yù)測準(zhǔn)確率超過97%。

獲得稀土的“可持續(xù)方法”

由17種元素構(gòu)成的稀土，對于現(xiàn)代科技工業(yè)來說至關(guān)重要。但是，開采稀土?xí)斐森h(huán)境破壞并產(chǎn)生大量廢料，包括低放射性廢料。另外，稀土的全球供應(yīng)鏈也是一個大問題。

獲得稀土的一個“可持續(xù)方法”是從舊電子產(chǎn)品以及工業(yè)廢料中回收，例如燃燒煤炭的副產(chǎn)品——粉煤灰。不過，回收稀土并非易事，稀土元素不易從其他物質(zhì)中分離出來。在粉煤灰中，稀土元素以磷酸鹽的形式存在，通常被包裹在形成于燃煤爐的玻璃中。目前常用的稀土回收方法，依賴于大量腐蝕性化學(xué)物質(zhì)（例如強(qiáng)酸），這種方法效率很低。

美國萊斯大學(xué)化學(xué)家詹姆斯·圖爾領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，正在開發(fā)一種新技術(shù)。其原理是使高強(qiáng)度電流快速通過電子和工業(yè)廢料，將其加熱到極高的溫度，最終提取稀土元素。

圖爾和他的同事采用的是名為“閃速焦耳”的加熱工藝。該工藝此前用于從各類碳源中提取石墨烯，以及去除印刷電路板中的貴金屬和有毒重金屬。“我們已經(jīng)有了錘子，現(xiàn)在正在尋找釘子。”圖爾說，“如果能從廢棄物中獲得通常從礦石中才能提取的元素，那將是一項重大成果。”

廢料迅速升溫至約3000攝氏度，足以使粉煤灰顆粒周圍的玻璃層破裂，并將稀土磷酸鹽轉(zhuǎn)化為易溶于弱酸的氧化物，從而便于提取。在一些電子廢料中，稀土元素會以易溶解的金屬或氧化物的形式存在。問題在于，它們分層嵌入基質(zhì)材料中，很難分離。“閃速焦耳”加熱法能震裂和分離基質(zhì)材料，從而易于稀土元素的提取。

“鋰循環(huán)”公司用“再生電池”制造的助力車

該方法提取稀土的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過使用強(qiáng)酸的傳統(tǒng)方法。“過去作為‘黃金標(biāo)準(zhǔn)’的強(qiáng)酸，難以從粉煤灰中提取所有稀土元素。”圖爾說，“與過去的方法相比，我們的方法能將稀土回收量增加50%—100% 。”此外，這種新方法不需要消耗太多能量——處理每噸粉煤灰僅消耗價值12美元的能量。

其他研究機(jī)構(gòu)也在嘗試解決從廢棄物中提取稀土這一難題。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和賓夕法尼亞州立大學(xué)的一個聯(lián)合團(tuán)隊宣布，正在與稀土公司合作，開發(fā)利用最近發(fā)現(xiàn)的天然蛋白質(zhì)提取稀土的方法；美國能源部宣布，計劃建造第一座從礦山廢料中提取稀土和其他重要金屬的大型設(shè)施。

德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)開發(fā)出一種利用藍(lán)藻菌株從水溶液中提取稀土元素的技術(shù)。該技術(shù)可用于從礦山、冶金行業(yè)的廢水中，以及電子垃圾中回收稀土元素。

中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，開發(fā)出一種利用鹽酸甜菜堿回收永磁廢料中高價值稀土元素的新方法，可提取95%以上的鐠、釹、鎘等元素。

日本政府的研究機(jī)構(gòu)試圖從深海泥漿中提取稀土元素；日本大阪府立大學(xué)開發(fā)出一種吸附酵母材料，能有效提取溫泉中的微量稀土元素。