Использованные батарейки очистили воду от тяжелых металлов
Они выделили ионы меди, кадмия, цинка и хрома
Учёные из США предложили использовать остаточный заряд литий-ионных батарей для выделения тяжелых металлов из воды. Они исследовали поведение батарей в растворах разной кислотности, содержащих ионы металлов, и нашли оптимальные условия для проведения реакции. Статья была опубликована в еженедельнике Proceedings of the National Academy of Sciences.
После разрядки литий-ионных батарей в них остается энергия, которую уже нельзя применить для питания электрических приборов из-за недостаточной электродвижущей силы. Тем не менее этой остаточной энергии обычно довольно много — до 10 процентов от исходного заряда батареи. И из соображений безопасности перед утилизацией батарейки дополнительно разряжают, при этом выделяющаяся энергия не выполняет полезную работу, а просто рассеивается в виде тепла.
Учёные из Калифорнийского Университета в Беркли придумали, как эту энергию можно потратить с пользой. Они предположили, что использованные батарейки можно применить для выделения тяжелых металлов из водных растворов. Но когда учёные начали эксперименты по выделению тяжелых металлов из водных растворов, оказалось, что катодный потенциал разряженных литий-ионных батарей, который влияет на способность батареи выделять тяжелые металлы, сильно и неравномерно зависит от кислотности среды — а для разработки успешного электрохимического процесса потенциал должен быть постоянным. И ученые решили выяснить, почему потенциал катода ведет себя странно в растворе ионов тяжелых металлов.
Иллюстрация 1․ Опущенная в раствор батарея. Sun, Honghuai, Qingming Song, and Zhenming Xu, PNAS, 120.14 (2023): e2213130120.
Учёные провели эксперименты с тремя разными растворами ионов тяжелых металлов. Металлы выделялись на поверхности батарей. CuSO4, CdSO4, ZnSO4, K2Cr2O7, и Fe2(SO4)3 были использованы для ввода тяжелых металлов в растворы. H2SO4 и NaOH были использованы для регулировки кислотности. Дополнительные химические соединения были регулировки прочих качеств растворов.
Первый исследуемый водный раствор содержал ионы меди (Cu2+), кадмия (Cd2+) и цинка (Zn2+). Экспериментируя с раствором с кислотностью pH = 2, учёные не смогли выделить значимого количества металлов. Уменьшив кислотность до pH = 4.2, учёные смогли, использовав 35․08% процента от остаточного заряда батареи, выделить в общем количестве 57.5% ионов металлов.
Второй водный раствор содержал ионы меди (Cu2+) и кадмия (Cd2+). При кислотности раствора pH = 2 и использовав 84.7% от остаточного заряда батареи за 3 часа удалось выделить 90% меди. Для выделения кадмия кислотность раствора была уменьшена до pH = 4.2, однако лишь 13․01% остаточного заряда батареи было использовано на выделение 14% кадмия.
Третий водный раствор содержал шестивалентный хром (Cr (VI)). Для увеличения скорости реакции в раствор были добавлены ионы железа (Fe3+) в соотношении 1-1 к хрому. Так химикам удалось, использовав 88․4% остаточного заряда батареи, выделить 100% хрома и железа.
Таким образом учёные показали,что от 35-и то 95-и процентов от остаточного заряда литиум-ионный батарей можно использовать для выделения тяжелый металлов из растворов. Стоит также отметить, что энергия, затраченная на изменение кислотности растворов не превысила 19.5%-28.6% от энергии, потребляемой при разрядке батареи традиционными методами. То есть представленный процесс также и более экономичен.
Иллюстрация 2․ a) Медь, выделившаяся на поверхности батарейки. b) Соскрёбанная с батарейки медь. c) Кадмий, выделившийся на поверхности батарейки. d) Соскрёбанный с батарейки кадмий. Sun, Honghuai, Qingming Song, and Zhenming Xu, PNAS, 120.14 (2023): e2213130120.