- 29,151
- 46
- 8 Ноя 2022
Если технологию доведут до промышленного масштаба, переработка электроники станет чище.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1400/788;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Из старой электроники золото можно вытягивать не очередной порцией химических реагентов, а электричеством. Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне создали молекулу, которая сама проводит электрический заряд, захватывает нужный металл из раствора и по команде отдаёт его обратно. В лабораторных опытах технология позволила извлечь 89% золота из растворов, полученных при переработке электронных отходов, а расход вспомогических химикатов удалось сократить в 10–100 раз.
Работу Деборы Шмитт, Адерийике Агуды и профессора Сяо Су опубликовал журнал ACS Energy Letters. Исследователи занялись одной из самых химически затратных стадий переработки металлов, жидкостно-жидкостной экстракцией. При таком процессе раствор с металлами смешивают с другой, несмешивающейся жидкостью и используют специальные молекулы-экстрагенты, которые связывают определённые ионы и переносят их из одной фазы в другую. Чтобы потом освободить металл и вернуть экстрагент в исходное состояние, промышленным установкам обычно требуются дополнительные кислоты, основания, соли или другие реагенты.
Группа Су решила перенести часть химической работы на электроды. Новый экстрагент построен на основе ферроцена, соединения железа, которое хорошо подходит для обратимых окислительно-восстановительных реакций. Исследователи добавили молекуле постоянный ионный заряд. В результате один экстрагент выполняет сразу несколько функций, распознаёт и связывает нужные ионы металла, остаётся растворённым в органической фазе и одновременно обеспечивает достаточную электропроводность среды. Дополнительный электролит для проведения тока больше не требуется.
Рабочий цикл выглядит сравнительно просто. Электрический потенциал переводит молекулу в состояние, при котором экстрагент связывает металл и уводит его из исходного раствора в органическую жидкость. Затем потенциал меняют, молекула меняет своё окислительно-восстановительное состояние и освобождает захваченный металл. Экстрагент после такого цикла можно снова использовать для следующей порции раствора. Химический реагент, который раньше заставлял молекулу переходить из одного состояния в другое, заменяет электрический ток.
В опытах с реальными растворами после переработки электронных отходов система извлекла 89% золота. Авторы сообщают коэффициент разделения 35, то есть разработанная молекула заметно предпочитала золото сопутствующим компонентам раствора. Проведённый исследователями технико-экономический анализ также показал возможность снизить как капитальные затраты на оборудование, так и эксплуатационные расходы по сравнению с более сложной электрохимической схемой с дополнительными реагентами и электролитами. Точные преимущества промышленной установки ещё предстоит проверить при масштабировании.
Новая работа продолжает исследование той же команды, опубликованное в Nature Chemical Engineering в 2024 году. Тогда учёные представили электрохимическую жидкостно-жидкостную экстракцию e-LLE, которая могла непрерывно извлекать драгоценные металлы из сложных смесей. Первая версия показывала более 90% атомной эффективности, селективность свыше 100 к 1 и позволяла повышать концентрацию золота и металлов платиновой группы до 16 раз. Метод испытывали на электронных отходах, отработанных автомобильных катализаторах и продуктах переработки руд.
У прежней схемы оставался недостаток. Электричество управляло экстракцией не напрямую, системе требовались дополнительные химические посредники для переноса электронов и другие компоненты электролита. В новой версии постоянный заряд встроили непосредственно в молекулу экстрагента, поэтому исследователи называют работу прямой электрификацией жидкостно-жидкостной экстракции. Именно отказ от вспомогательной химии позволил сократить потребление реагентов на один-два порядка.
Золото выбрали прежде всего как удобную демонстрационную цель. Авторы считают, что тот же принцип можно адаптировать для других ценных элементов, изменяя химическую часть молекулы, отвечающую за распознавание конкретных ионов. Среди потенциальных применений исследователи называют извлечение платины, палладия и других металлов платиновой группы из старых автомобильных катализаторов, а также получение критически важных элементов из хвостов горнодобывающих предприятий и других сложных отходов. Электрохимическая установка при таком подходе может оставаться практически той же, а под конкретный металл придётся менять главным образом экстрагент.
При этом технология пока не превращает переработку электроники в полностью «бесхимический» процесс. Перед экстракцией металлы всё равно нужно перевести из твёрдого электронного лома в раствор, а такая стадия выщелачивания сама требует химии. Новая молекула сокращает расход реагентов именно на последующей стадии разделения и очистки растворённых металлов. Поэтому цифру о 10–100-кратном снижении расхода химикатов нельзя автоматически переносить на весь цикл переработки электронных отходов.
Следующий вопрос связан с масштабом. Пока исследователи продемонстрировали принцип в лаборатории, а промышленным установкам потребуются долговечные экстрагенты, стабильная работа на загрязнённых потоках, эффективное разделение жидких фаз и приемлемая стоимость самой молекулы. Команда уже занимается новыми вариантами экстрагентов и собирается применять компьютерное моделирование и ИИ, чтобы быстрее находить молекулы для разных металлов. Исследование финансировало Управление фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.
Главная ценность разработки поэтому заключается не столько в рекорде по извлечению золота, сколько в новой архитектуре процесса. Вместо установки, где каждый этап поддерживают очередным химическим реагентом, исследователи предлагают молекулу, которой можно управлять электрическим потенциалом. Если подход удастся масштабировать, предприятия смогут менять направление реакции переключением напряжения и использовать одну электрохимическую платформу для извлечения разных металлов, меняя главным образом молекулярный «захват».
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1400/788;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Из старой электроники золото можно вытягивать не очередной порцией химических реагентов, а электричеством. Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне создали молекулу, которая сама проводит электрический заряд, захватывает нужный металл из раствора и по команде отдаёт его обратно. В лабораторных опытах технология позволила извлечь 89% золота из растворов, полученных при переработке электронных отходов, а расход вспомогических химикатов удалось сократить в 10–100 раз.
Работу Деборы Шмитт, Адерийике Агуды и профессора Сяо Су опубликовал журнал ACS Energy Letters. Исследователи занялись одной из самых химически затратных стадий переработки металлов, жидкостно-жидкостной экстракцией. При таком процессе раствор с металлами смешивают с другой, несмешивающейся жидкостью и используют специальные молекулы-экстрагенты, которые связывают определённые ионы и переносят их из одной фазы в другую. Чтобы потом освободить металл и вернуть экстрагент в исходное состояние, промышленным установкам обычно требуются дополнительные кислоты, основания, соли или другие реагенты.
Группа Су решила перенести часть химической работы на электроды. Новый экстрагент построен на основе ферроцена, соединения железа, которое хорошо подходит для обратимых окислительно-восстановительных реакций. Исследователи добавили молекуле постоянный ионный заряд. В результате один экстрагент выполняет сразу несколько функций, распознаёт и связывает нужные ионы металла, остаётся растворённым в органической фазе и одновременно обеспечивает достаточную электропроводность среды. Дополнительный электролит для проведения тока больше не требуется.
Рабочий цикл выглядит сравнительно просто. Электрический потенциал переводит молекулу в состояние, при котором экстрагент связывает металл и уводит его из исходного раствора в органическую жидкость. Затем потенциал меняют, молекула меняет своё окислительно-восстановительное состояние и освобождает захваченный металл. Экстрагент после такого цикла можно снова использовать для следующей порции раствора. Химический реагент, который раньше заставлял молекулу переходить из одного состояния в другое, заменяет электрический ток.
В опытах с реальными растворами после переработки электронных отходов система извлекла 89% золота. Авторы сообщают коэффициент разделения 35, то есть разработанная молекула заметно предпочитала золото сопутствующим компонентам раствора. Проведённый исследователями технико-экономический анализ также показал возможность снизить как капитальные затраты на оборудование, так и эксплуатационные расходы по сравнению с более сложной электрохимической схемой с дополнительными реагентами и электролитами. Точные преимущества промышленной установки ещё предстоит проверить при масштабировании.
Новая работа продолжает исследование той же команды, опубликованное в Nature Chemical Engineering в 2024 году. Тогда учёные представили электрохимическую жидкостно-жидкостную экстракцию e-LLE, которая могла непрерывно извлекать драгоценные металлы из сложных смесей. Первая версия показывала более 90% атомной эффективности, селективность свыше 100 к 1 и позволяла повышать концентрацию золота и металлов платиновой группы до 16 раз. Метод испытывали на электронных отходах, отработанных автомобильных катализаторах и продуктах переработки руд.
У прежней схемы оставался недостаток. Электричество управляло экстракцией не напрямую, системе требовались дополнительные химические посредники для переноса электронов и другие компоненты электролита. В новой версии постоянный заряд встроили непосредственно в молекулу экстрагента, поэтому исследователи называют работу прямой электрификацией жидкостно-жидкостной экстракции. Именно отказ от вспомогательной химии позволил сократить потребление реагентов на один-два порядка.
Золото выбрали прежде всего как удобную демонстрационную цель. Авторы считают, что тот же принцип можно адаптировать для других ценных элементов, изменяя химическую часть молекулы, отвечающую за распознавание конкретных ионов. Среди потенциальных применений исследователи называют извлечение платины, палладия и других металлов платиновой группы из старых автомобильных катализаторов, а также получение критически важных элементов из хвостов горнодобывающих предприятий и других сложных отходов. Электрохимическая установка при таком подходе может оставаться практически той же, а под конкретный металл придётся менять главным образом экстрагент.
При этом технология пока не превращает переработку электроники в полностью «бесхимический» процесс. Перед экстракцией металлы всё равно нужно перевести из твёрдого электронного лома в раствор, а такая стадия выщелачивания сама требует химии. Новая молекула сокращает расход реагентов именно на последующей стадии разделения и очистки растворённых металлов. Поэтому цифру о 10–100-кратном снижении расхода химикатов нельзя автоматически переносить на весь цикл переработки электронных отходов.
Следующий вопрос связан с масштабом. Пока исследователи продемонстрировали принцип в лаборатории, а промышленным установкам потребуются долговечные экстрагенты, стабильная работа на загрязнённых потоках, эффективное разделение жидких фаз и приемлемая стоимость самой молекулы. Команда уже занимается новыми вариантами экстрагентов и собирается применять компьютерное моделирование и ИИ, чтобы быстрее находить молекулы для разных металлов. Исследование финансировало Управление фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.
Главная ценность разработки поэтому заключается не столько в рекорде по извлечению золота, сколько в новой архитектуре процесса. Вместо установки, где каждый этап поддерживают очередным химическим реагентом, исследователи предлагают молекулу, которой можно управлять электрическим потенциалом. Если подход удастся масштабировать, предприятия смогут менять направление реакции переключением напряжения и использовать одну электрохимическую платформу для извлечения разных металлов, меняя главным образом молекулярный «захват».
- Источник новости
- www.securitylab.ru
