Օգտագործված մարտկոցները մաքրել են ջուրը ծանր մետաղներից

Նրանք տարանջատել են պղնձի, կադմիումի, ցինկի և քրոմի իոնները

ԱՄՆ-ի գիտնականները առաջարկել են օգտագործել լիթիում-իոնային մարտկոցների մնացորդային լիցքը ջրից ծանր մետաղները տարանջատելու նպատակով։ Նրանք ուսումնասիրել են մարտկոցների վարքը մետաղների իոններ պարունակող տարբեր թթվայնությամբ լուծույթներում, և գտել տարանջատման ռեակցիաների համար լավագույն պայմանները։ Հոդվածը հրապարակվել է Proceedings of the National Academy of Sciences շաբաթագրում։

Լիթիում-իոնային մարտկոցների օգտագործումից հետո նրանց մեջ մնում է էներգիա, որը արդեն չի կարելի օգտագործել էլեկտրական սարքերի սնուցման համար՝ անբավարար էլեկտրաշարժ ուժի պատճառով։ Սակայն, այդ մնացորդային էներգիան զգալի ծավալի է՝ սկզբնական լիցքից մինչև 10% ծավալով։ Անվտանգության պահանջներից ելնելով՝ թափոնների հեռացումից առաջ մարտկոցները հավելյալ ապալիցքավորում են։ Ընդ որում՝ ընթացքում թողարկված էներգիան չի կատարում որևիցե օգտակար աշխատանք, այլ ուղղակի ցրվում է տաքության տեսքով։

Բերքլիի Կալիֆոռնյան Համալսարանի գիտնականները գտել են, թե ինչպես կարելի է այդ էներգիան շահագործել։ Նրանք ենթադրեցին, որ օգտագործված մարտկոցները կարելի է գործադրել ջրից ծանր մետաղները տարանանջատելու նպատակով։ Բայց երբ գիտնականները սկսեցին ծանր մետաղների իոնների ջրային լուծույթներից տարանջատման փորձերը, պարզվեց, որ ապալիցքավորված լիթիում-իոնային մարտկոցների կատոդային պոտենցիալը, որից կախված է տարանջատման ծավալը, ուժեղ և անհավասարաչափ կախված է միջավայրի թթվայնությունից։ Մինչդեռ հաջող էլեկտրոքիմիական գործընթաց մշակելու համար պոտենցիալը պետք է լինի համաչափ։ Եվ գիտնականները որոշեցին պարզել, թե ինչի է կատոդային պոտենցիալն իրեն տարօրինակ վարում ծանր մետաղների իոնների տարբեր թթվայնությամբ ջրային լուծույթներում։

Նկար 1․ Լուծույթի մեջ ընկղմված մարտկոցը։ Sun, Honghuai, Qingming Song, and Zhenming Xu, PNAS, 120.14 (2023): e2213130120.

Ընդհանուր առմամբ, գիտնականները փորձարկեցին ծանր մետաղների իոնների երեք տեսակի ջրային լուծույթներ։ Մետաղների իոնները տարանջատվում էին մարտկոցի մակերեսին։ CuSO4, CdSO4, ZnSO4, K2Cr2O7, և Fe2(SO4)3 օգտագործվել են լուծույթներում ծանր մետաղներ ավելացնելու համար։ H2SO4 և NaOH օգտագործվել են լուծույթներւ թթվայնության կարգավորման համար։ Հավելյալ քիմիական նյութեր են օգտագործվել լուծույթներւ այլ հատկանիշները կարգավորելու համար։

Առաջին ուսումնասիրվող ջրային լուծույթը պարունակում էր պղնձի (Cu2+), կադմիումի (Cd2+) և ցինկի (Zn2+) իոններ։ Փորձարկելով pH = 2 թթվայնությամբ լուծույթի տարբերակի հետ, գիտնականները չկարողացան հասնել նշված մետաղների տարանջատման ցանկալի ծավալի։ Թթվայնույնությունը նվազեցնելով pH = 4.2-ի, գիտնականները կարողացան մարտկոցի մնացորդային լիցքի 35․08% շահագործելով տարանջատել մետաղների իոնների ընդհանուր առմամբ 57.5%։

Երկրորդ ջրային լուծույթը պարունակում էր պղնձի (Cu2+) և կադմիումի (Cd2+) իոններ։ Լուծույթի pH = 2 թթվայնությամբ տարբերակում մարտկոցի մնացորդային լիցքի 84.7% շահագործելով 3 ժամում տարանջատվեց պղնձի իոնների մոտ 90%-ը։ Կադմիումի տարանջատման համար լուծույթի թթվայնությունը նվազեցվել է մինչև (pH = 4.2), սակայն մարտկոցի մնացորդային լիցքի 13․01% շահագործելով հաջողվեց տարանջատել կադմիումի իոնների միայն 14%։

Երրորդ ջրային լուծույթը պարունակում էր վեցավալենտ քրոմով (Cr (VI))։ Ռեակցիան արագացնելու համար, լուծույթ ավելացվեցին նաև երկաթի իոններ (Fe3+)՝ քրոմի հետ մեկը-մեկի հարաբերությամբ։ Այդպես գիտնականներին հաջողվեց մարտկոցի մնացորդային լիցքի 88․4% շահագործելով տարանջատել քրոմի և երկաթի իոնների մինչև 100%-ը։

Այսպիսով գիտնականները ցույց տվեցին, որ լիթիում-իոնային մարտկոցների մնացորդային լիցքի 35-ից 90 տոկոսը կարելի է շահագործել ջրից ծանր մետաղներ տարանջատելու համար։ Պետք է նաև նշել, որ լուծույթի թթվայնության կարգավորման նպատակով ծախսված էներգիան կազմեց 19.5%-28.6% այն էներգիայից, որ կծախսվեր մարտկոցի ապալիցքավորմանը՝ ավանդական եղանակներով։ Այսինքն, նկարագրված պռոցեսը նաև ավելի խնայողական է։

Նկար 2․ a) Պղինձը՝ լուծույթից մարտկոցի մակերեսին տարանջատված։ b) Մարտկոցից քերված պղինձը։ c) Կադմիումը՝ լուծույթից մարտկոցի մակերեսին տարանջատված։ d) Մարտկոցից քերված կադմիումը։ Sun, Honghuai, Qingming Song, and Zhenming Xu, PNAS, 120.14 (2023): e2213130120.