Tehokkuutta akkujätteen hydrometallurgiseen prosessointiin

 
Akkujen kierrätysprosessit koostuvat useimmiten kolmen eri alan yhdistelmästä: mekaanisista ja pyro- sekä hydrometallurgisista yksikköprosesseista. Tällä hetkellä erityisesti kuluttaja-akkujen kierrättäminen nojaa vahvasti mekaanisien, pyrometallurgisien ja hydrometallurgisten yksikköprosessien yhdistelmiin. Pyrometallurgisin menetelmin on helppo päästä käsiksi arvokkaimpiin metalleihin, samalla kun muovit palavat ja mahdolliset haitalliset yhdisteet höyrystyvät ja päätyvät kaasupesureihin. Ongelma tässä lähestymistavassa on se, että pyrometallurgisissa prosesseissa syntyy faaseja, joiden käsittely on hyvin haastavaa ja kannattamatonta. Tällöin syntyy sivuvirtoja, joista metalleja ei helposti tai kannattavasti voi ottaa talteen. Näillä menetelmillä ns. ”kuoritaan kermat päältä” ottamalla esimerkiksi koboltti talteen, samalla unohtaen kuonaan päätyvät alkuaineet. Tämä voi olla markkintaloudellisesti kestävää, mutta ei kiertotaloudelliselta näkökannalta riittävän laaja-alaista materiaalin uudelleenkäyttöä.

Akkuja ei ole nykyisellään suunniteltu ensisijaisesti hyvin kierrätettäväksi. Rakenteeltaan akut ovat hyvin tiivispakkauksellisia ja heterogeenisiä. Muovien päätyminen liuotusprosesseihin on ongelma, johon pyrometallurgisella käsittelyllä pyritään vastaamaan: muovit yksinkertaisesti poltetaan. Pienistä, nykyisenkaltaisista akuista puhuttaessa tämä menetelmä on hyvin käytännöllinen lähestymistapa, mikäli raaka-ainetta halutaan käyttää primääriprosesseissa syötteenä.
Tutkimme Aalto-yliopistolla erityisesti prosesseja, jotka ohittaisivat tämän polttovaiheen. Pyrimme selvittämään keinoja, joilla nykyisin jätevirtoihin menetetyt metallit voitaisiin ottaa talteen sekä taloudellisesti että ympäristöllisesti kestävillä tavoilla. Jätteen mekaaninen käsittely on äärettömän tärkeä vaihe prosessisuunnittelua, sillä se määrittää mitä hydrometallurgi voi omalta osaltaan tehdä raaka-aineelle. Olemme tutkineet teollisesti murskattua akkujätteen partikkelikokojakaumaa ja kemiallisten yhdisteiden jakaantumista tiheyden sekä partikkelikoon mukaan. Tutkimme myös tiheyteen perustuvaa erottelua ja miten eri alkuaineet jakautuvat tiheyden funktiona kumulatiivisesti. Selvitimme myös kupari- ja alumiinifolioiden tiheyttä ja mahdollisuutta erottaa näitä tiheyden funktiona.

Arvokkain ja mielenkiintoisin materiaali akuissa sijaitsee elektrodeilla. Anodilla (kuparifolio, vasen yläkulma) ja katodilla (alumiinifolio, vasen alakulma) on molemmilla arvokkaita, hyvin hienojakoisia tuotteita. Katodilla sijaitsee erilaisia litiumyhdisteitä, kuten litiumkobolttioksidia, joka on kiinnitetty orgaanisilla adhesiiveilla foliolle. Seulomalla pystymme konsentroimaan tätä hienojakoista ainesta alitteeseen, mikä mahdollistaa tehokkaamman hydrometallurgisten prosessien tarkastelun.

Hydrometallurgisissa kokeissa olemme liuottaneet akkujätteen metallikomponentteja erilaisin mineraalihapoin (Suola- ja rikkihappo) sekä orgaanisin hapoin (Oksaali- ja omenahappo). Näin yhdistämällä mekaanista prosessointia hydrometallurgiseen prosessointiin pystymme rikastamaan liuokseen konsentroituneita pitoisuuksia arvometalleja. Tulevia haasteita onkin näiden alkuaineiden talteenotto puhtaana yhdisteenä liuoksesta.

Yhtenä merkittävänä tulevaisuuden haasteena on hydroprosessiin syötettävän muovin määrän minimoiminen. Esimerkkinä voidaan todeta, että akkujen elektrodien välissä on polymeeristä valmistettu ohut eristekerros, jota on hankalaa, ellei mahdotonta, erottaa murskausprosessin jälkeen bulkkimateriaalista (Ehjähköä eristettä kuvassa: Oikea alakulma). Toisaalta nykytilanteessa akut itsessään ovat eri ominaisuuksiltaan ja muodoiltaan niin erilaisia, että akkujen ei-tuhoava purkaminen komponentteihin koneellisesti on mahdotonta. Muovit ovat haitallisia vesiprosesseille ja voivat esimerkiksi tukkia laitteistoa, ja ne on myös pestävä ja kuivattava ennen liuosjäännöksen hävittämistä.

Dismantled_LIB_COLLAGE

Fig. 1:

* Vasemmassa yläkulmassa kuparianodilla grafiittia.
* Vasemmassa alakulmassa alumiinikatodilla litium kobolttioksidia.
* Oikeassa yläkulmassa satunnaisia teräskuoren jäämiä, kuparijohtoja ja polymeerieristettä revittynä.
* Oikeassa alakulmassa polymeerieristettä, joka on kupari- ja alumiinifolion erottajamateriaali.

Akkujen kierrätyksen tehokkuus tulevaisuudessa ei riipu vain metallurgisten prosessien kehityksestä. Muutoksia täytyy tapahtua yhteiskunnallisella sekä käyttäjätasolla. Ilman lainsäädännöllisiä ja yhteiskunnallisia muutospaineita odotamme sellaisia hypoteettisia läpimurtoja sekajätteen prosessoinnin saralla, etteivät rahalliset voitot kärsisi. Tällöin on hyvin epätodennäköistä, että nykymuotoisella akkujätteellä saavutetaan toivottuja kiertotaloudellisia tavoitteita. Sen sijaan tulisi tähdätä siihen, että prosessit ovat mahdollisimman kannattavia ja samalla maksimoida metallien kiertoastetta. Samalla täytyy hyväksyä, että prosessien kannattavuus voi tämän seurauksena kärsiä. Tämä on yhtälö, johon pyrimme löytämään tasapainoparametreja. Tähän ongelmaan pyrimme kehittämään uusia, innovatiivisia keinoja parantamaan akkujätteen hydrometallurgista prosessoitavuutta.

Antti Porvali, tohtoriopiskelija, hydrometallurgia ja korroosio
Mari Lundström, apulaisprofessori, hydrometallurgia ja korroosio

Share on LinkedInShare on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+