Sử dụng vỏ trái cây để biến pin cũ thành pin mới

Phạm Hải

Mới đây, nhóm các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU) đã phát triển thành công một phương pháp sử dụng chất chiết xuất từ vỏ trái cây bỏ đi để tái chế kim loại quý từ pin lithium-ion đã qua sử dụng, từ đó tạo ra pin mới với chi phí thấp, thân thiện với môi trường.

Trong thử nghiệm thực tế, các nhà khoa học đã sử dụng chiết xuất từ vỏ cam để thu hồi kim loại quý từ chất thải pin một cách hiệu quả. Sau đó, họ chế tạo pin mới từ những kim loại thu hồi này. Phương pháp tiếp cận theo ý tưởng biến chất thải thành một nguồn tài nguyên như vậy sẽ giúp giải quyết cùng lúc hai vấn đề: Chất thải thực phẩm và chất thải điện tử, đồng thời hỗ trợ sự phát triển của một nền kinh tế vòng tròn ít lãng phí, trong đó tài nguyên được sử dụng càng lâu càng tốt. Ước tính, có khoảng 1,3 tỷ tấn chất thải thực phẩm và 50 triệu tấn chất thải điện tử được tạo ra trên toàn cầu mỗi năm, để lại gánh nặng cực lớn lên môi trường sống và các hoạt động dọn dẹp, xử lý.

Pin đã qua sử dụng thường được xử lý ở nhiệt độ cao (trên 500°C) để nấu chảy các kim loại có giá trị. Quá trình này thải ra khí độc nguy hiểm, chất ô nhiễm thứ cấp gây rủi ro cho sức khỏe con người và môi trường. Đó là lý do thôi thúc các nhà khoa học tìm đến những chất có thể phân hủy sinh học, vừa an toàn lại có thể sử dụng bền vững.

"Ở Singapore, một quốc gia khan hiếm tài nguyên, quá trình chiết xuất kim loại quý giá từ tất cả các loại thiết bị điện tử bỏ đi trở nên vô cùng quan trọng. Với phương pháp này, chúng tôi không chỉ giải quyết vấn đề cạn kiệt tài nguyên bằng cách giữ cho các kim loại quý được tái sử dụng càng nhiều càng tốt, mà còn cả vấn đề chất thải điện tử và chất thải thực phẩm tích tụ”, Giáo sư Dalton Tay, thành viên nhóm nghiên cứu cho biết.

Phương pháp tiếp cận bền vững, chi phí thấp

Phương pháp “luyện kim thủy lực” — sử dụng nước làm dung môi để chiết xuất — ngày càng được nghiên cứu như một giải pháp thay thế khả thi cho các quy trình tái chế chất thải pin hiện tại vốn tốn kém và cực kỳ độc hại. Phương pháp này bao gồm việc cắt nhỏ và nghiền pin đã qua sử dụng để tạo thành một vật liệu nghiền được gọi là “khối đen”. Sau đó, các nhà nghiên sẽ cứu chiết xuất những kim loại có giá trị từ khối đen bằng cách hòa tan nó trong hỗn hợp axit mạnh hoặc axit yếu cộng với các hóa chất khác như hydrogen peroxide dưới nhiệt, trước khi để kim loại kết tủa. Tuy nhiên, mặc dù tương đối thân thiện với môi trường hơn các phương pháp thông thường, nhưng việc sử dụng các hóa chất mạnh như vậy ở quy mô công nghiệp vẫn có thể tạo ra một lượng đáng kể chất ô nhiễm thứ cấp, gây ra những rủi ro về an toàn và sức khỏe.

Nhóm nghiên cứu NTU đã phát hiện ra rằng sự kết hợp giữa vỏ cam (đã được sấy khô, nghiền thành bột) và axit xitric, một loại axit hữu cơ yếu có trong trái cây họ cam quýt, có thể đạt được mục tiêu tương tự, nhưng an toàn hơn nhiều.

Trong các thí nghiệm thực tế, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng phương pháp của họ đã chiết xuất thành công khoảng 90% coban, lithium, niken và mangan từ pin lithium-ion đã qua sử dụng, hiệu quả tương đương với phương pháp sử dụng hydrogen peroxide.

“Chìa khóa nằm ở chất xenlulo có trong vỏ cam, được chuyển hóa thành đường bởi nhiệt lượng tạo ra trong quá trình chiết xuất. Các loại đường này giúp tăng cường thu hồi kim loại từ chất thải pin. Ngoài ra, một số chất chống oxy hóa tự nhiên có trong vỏ cam, chẳng hạn như flavonoid và axit phenolic, cũng có thể góp phần hỗ trợ quá trình này”, Giáo sư Dalton Tay cho biết.

Quan trọng hơn, các chất cặn rắn sinh ra từ quá trình này được đánh giá là không độc hại, cho thấy đây thực sự là phương pháp lý tưởng về mọi mặt.

Từ kim loại thu hồi được, các nhà khoa học tiếp tục tạo ra pin lithium-ion mới, có khả năng sạc tương tự như pin thương mại. Nghiên cứu sâu hơn đang được tiến hành để tối ưu hóa hiệu suất chu kỳ sạc-xả của loại pin mới này.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu hiện đang tìm cách cải thiện hơn nữa hiệu suất của pin được tạo ra từ chất thải đã qua xử lý, cũng như tối ưu hóa các điều kiện để mở rộng quy mô sản xuất và khám phá khả năng loại bỏ việc sử dụng axit trong quá trình này.