НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия1 ; МИРЭА – Российский технологический университет, Москва, Россия2
В. И. Назаров, заместитель начальника отдела1, доцент кафедры «Процессы и аппараты химических технологий»2, канд. техн. наук, эл. почта: nazarov_vi41@mail.ru
НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия1; Московский политехнический университет, Москва, Россия2
Д. А. Макаренков, первый заместитель руководителя Курчатовского комплекса химических исследований (ИРЕА) по научной работе1, доцент кафедры «Процессы и аппараты химических технологий»2, докт. техн. наук, эл. почта: makarenkovd@mail.ru
НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия
Г. Р. Афлятунова, лаборант-исследователь, эл. почта: guzel.aflyatunova13@yandex.ru
А. П. Попов, научный сотрудник, аспирант, эл. почта: schrei6@yandex.ru
В настоящее время широкое применение литий-ионных химических источников тока в разных электронных устройствах приводит к образованию больших объемов отходов в виде отработанных аккумуляторов. Приведена разработанная в НИЦ «Курчатовский институт» комплексная технология переработки литий-кобальтовых источников тока (ЛКИТ), включающая стадии разрядки, механической обработки (вскрытие, дезинтеграцию и измельчение), выщелачивания и экстракции/химического осаждения с получением целевого таблетированного продукта. Проведена сравнительная оценка эффективности измельчительных устройств: шаровой мельницы и дезинтегратора при получении механоактивированных порошков ЛКИТ. Определены параметры измельченных и механоактивированных порошков: гранулометрический состав, средний эквивалентный диаметр и удельная поверхность частиц. Качество измельчения предложено оценивать по максимальному, минимальному и среднему эквивалентному диаметрам частиц. Для описания механоактивации в процессах переработки ЛКИТ использовано представление о неоднородном марковском процессе рождения частиц. Предложены уравнения кинетики измельчения, описывающие изменения среднего диаметра и удельной поверхности частиц в процессе механоактивации в зависимости от времени измельчения и приведены теоретические и экспериментальные графические зависимости. Определены параметры уравнения кинетики измельчения. При исследовании процессов выщелачивания выявлено, что предварительная механоактивация частиц ЛКИТ позволяет повысить выход целевых продуктов (Li, Co) в среднем на 20 %.
Работа выполнена в рамках научного гранта Российского научного фонда (РНФ) № 21-19-00403 «Исследование процессов механохимической деструкции катодных материалов при извлечении кобальта и его соединений».
Аналитические исследования выполнены с использованием научного оборудования ЦКП «Исследовательский химико-аналитический центр НИЦ «Курчатовский институт».
Авторы выражают благодарность специалисту НИЦ «Курчатовский институт» Н. А. Кузнецовой за научную и консультативную помощь, а также за существенный вклад в проведенные эксперименты и анализ полученных результатов.
1. Lander L., Cleaver T., Rajaeifar M. A., Nguyen-Tien V. et al. Financial viability of electric vehicle lithium-ion battery recycling // Science. 2021. Vol. 24, Iss. 7. 102787.
2. Chagnes A., Pospiech B. A brief review on hydrometallurgical technologies for recycling spent lithium-ion batteries // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2013. Vol. 88. P. 1191–1199.
3. Aral H., Vecchio-Sadus A. Toxicity of lithium to humans and the environment—a literature review // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2008. Vol. 70. P. 349–356.
4. Guan J., Li Y., Guo Y., Su R. et al. Mechanochemical Process Enhanced Cobalt and lithium recycling from wasted lithium-ion batteries // ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2016. Vol. 5, Iss. 1. P. 1026–1032.
5. Yang Yongxia, Xiaohong Zheng, Hongbin Cao, Chunlong Zhao et al. A closed-loop process for selective metal recovery from spent lithium iron phosphate batteries through mechanochemical activation // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2017. Vol. 5, Iss. 11. P. 9972–9980.
6. Ребиндер П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Избранные труды. — М. : Наука, 1979. — 384 с.
7. Хинт И. А. Основы производства силикацитных изделий. — М. – Л. : Cтройиздат, 1962. — 636 с.
8. Прокопец В. С., Иванова Т. Л. Математическая модель эффективности механоактивационных процессов в строительных материалах // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2005. № 8. С. 71–73.
9. Назаров В. И., Ретивов В. М., Гонопольский А. М., Макаренков Д. А. и др. Исследование технологии утилизации комплексных литий-кобальтовых источников тока с использованием совмещенных процессов механической обработки, выщелачивания и экстракции // Экология и промышленность России. 2022. Т. 26, № 5. DOI: 10.18412/1816-0395-2022-5-10-16
10. Семикопенко И. А., Воронов В. П., Беляев Д. А. Описание процесса движения частицы материала в междурядном пространстве дезинтегратора с изменяющимся междурядным расстоянием // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2020. № 8. С. 96–100. DOI: 10.34031/2071-7318-2020-5-8-96-100
11. Качаев А. Е., Севостьянов В. С. Расчет траектории и скорости движения частицы измельчаемого материала на поверхности рабочего элемента дезинтегратора // Вестник БГТУ им В. Г. Шухова. 2012. № 2. С. 56–59.
12. Андреев С. Е., Товаров В. В., Перов В. А. Закономерности измельчения и исчисление характеристик грануло метрического состава. — М. : Гос. науч.-тех. изд-во литературы по черной и цветной металлургии, 1959. — 438 с.
13. Макаренков Д. А., Назаров В. И. Техника и технология гранулирования многокомпонентных полидисперсных материалов с использованием совмещенных процессов их подготовки : монография. — М. : ИНФРА-М, 2023. — 297 с.
14. ГОСТ 25699.2–90. Углерод технический для производства резины. Методы определения удельной внешней поверхности. — Введ. 01.07.1991.