Metallurgische destillatie

Metallurgie is een tak van wetenschap en technologie die zich bezighoudt met de eigenschappen van metalen en hun productie en zuivering.

Het is een breed vakgebied dat draait om het scheiden en behandelen van metalen. Dit gebeurt meestal via pyrometallurgie (met behulp van vuur), hydrometallurgie (met vloeistoffen) of een hybride vorm die deze technieken combineert of aanvult met andere methoden.

Welke methode is het meest geschikt?
Pyrometallurgie maakt gebruik van hoge temperaturen om via smelt- en raffinageprocessen metalen uit hun mineralen te winnen. Hydrometallurgie gebruikt daarentegen waterige oplossingen om de gewenste metalen te scheiden. Welke methode het meest geschikt is, hangt af van verschillende factoren, zoals het beschikbare budget, de energievereisten, milieubeperkingen, de snelheid van specifieke chemische reacties en de vereiste zuiverheid van de geproduceerde metalen.

Pyrometallurgisch

Bij pyrometallurgie worden hogetemperatuurprocessen gebruikt om specifieke metalen terug te winnen, meestal uit de zwarte massa die in eerdere stappen is ontstaan. Thermische technieken worden ook ingezet in voorbehandelingen, zij het bij lagere temperaturen, om organische materialen te verwijderen voordat de metaalwinning begint. Binnen de pyrometallurgie bestaan er verschillende processen en reacties, afhankelijk van de doelmetalen en hun chemische samenstelling.

Pyrometallurgie omvat vaak een reeks complexe processen, zoals het verdampen en condenseren van metalen met een laag kookpunt, het ontleden van metaalverbindingen in een zuurstofvrije omgeving, en het scheiden van sulfiden en oxiden van gesmolten metaalverbindingen.

Destillatie

Destillatie is het thermische proces waarbij verschillende metalen van elkaar worden gescheiden door verdamping en vervolgens condensatie van de dampen terug naar een vaste of vloeibare vorm. Het proces vindt plaats onder vacuüm om ervoor te zorgen dat alle dampen worden opgevangen en gecondenseerd, en om de efficiëntie te verbeteren, aangezien er onder vacuüm minder warmte nodig is om de metalen te verdampen.

Destillatie wordt vaak uitgevoerd in een inductieoven. Batterijen die metalen bevatten met een laag kookpunt, zoals kwik, cadmium en zink, zijn zeer geschikt voor pyrometallurgie omdat er relatief weinig energie nodig is om de doelverbindingen te verdampen. In de praktijk halen verschillende Bebat-recyclers momenteel kwik en cadmium uit batterijen door middel van destillatie.

Pyrolyse

Pyrolyse is de thermische ontbinding van materialen bij hoge temperaturen in een inerte atmosfeer — een gecontroleerde omgeving met inerte gassen zoals stikstof (vaak gebruikt) of argon in plaats van zuurstof. Het wordt uitgevoerd in een pyrolysekamer en veroorzaakt een verandering van chemische samenstelling.

Pyrolyse in detail

Pyrolyse is het proces van ontbinding in een gecontroleerde, zuurstofvrije omgeving. In een inerte atmosfeer wordt het materiaal blootgesteld aan hoge temperaturen (boven het kookpunt) om chemische en fysische scheiding te veroorzaken in verschillende moleculen. Door het gebrek aan zuurstof vindt er geen verbranding plaats. In plaats daarvan vallen de chemische verbindingen uit elkaar in afzonderlijke stoffen, door de beperkte thermische stabiliteit van hun chemische bindingen. Pyrolyse wordt uitgevoerd in een pyrolysekamer, die vacuüm is afgesloten met een extractiesysteem om eventuele verdampte chemicaliën op te vangen.

Raffinage

Raffinage is een algemene term voor het zuiveren van een doelmateriaal door alle andere elementen die het kunnen vervuilen te verwijderen. Metalen zoals cadmium hebben meestal, nadat ze zijn teruggewonnen uit nikkel-cadmiumbatterijen, een raffinagemethode zoals destillatie nodig om een bruikbaar eindproduct van voldoende zuiverheid te verkrijgen.

Roosteren

Roosteren is een verdere zuiveringsmethode om ongewenst zwavel en koolstof te scheiden van metaalerts. Dit wordt toegepast op sulfide-ertsen, waarbij het erts bij hoge temperaturen in aanwezigheid van lucht wordt verhit (in tegenstelling tot pyrolyse).

Sulfide-ertsen

Tijdens de levensduur van een batterij worden zuivere metalen die dienen als kathode- en anodematerialen omgezet in sulfide-ertsen: metalen die chemisch gebonden zijn met sulfiden. Dit proces kan worden omgekeerd via roosteren, waarbij andere materialen worden toegevoegd zodat de sulfiden (in de meeste gevallen) zwaveldioxide vormen en er een zuiverder metaal achterblijft.

Reductie

Reductie is een methode om een metaaloxide of erts te scheiden in zijn componenten — zuurstof en metaal. Het metaaloxide wordt tot een gesmolten toestand verhit, samen met een reducerend middel (ook bekend als een reductor), dat helpt om de zuurstof in het materiaal vrij te maken in de vorm van koolstofdioxide, waardoor er een geraffineerd metaal achterblijft.

Output:

Diverse zuivere metalen en metaallegeringen, slakken, cokes, enz.

Kookpunten van zuivere metalen:

Kwik

357°C

Opmerking

Tegen de tijd dat batterijen opgebruikt zijn en klaar voor recyclage, zijn de metalen die erin zitten geoxideerd of op een andere manier omgezet door de uitwisseling van elektronen en ionen die nodig was om elektriciteit te produceren. Dit verandert de metalen in verbindingen en beïnvloedt hun kookpunten.

Verschillende combinaties van deze technieken worden gebruikt om de zwarte massa van gebruikte batterijen te recycleren. Bij alkalinebatterijen is pyrolyse een gangbare methode, uitgevoerd in een roterende Waelz-oven. Hierbij worden eerst het water en de sporen van kwik uit de zwarte massa verdampt, daarna het zink, en uiteindelijk wordt het mangaan in het mengsel gereduceerd tot mangaanoxide, wat resulteert in drie outputstromen: zink, kwik en mangaanoxide-verrijkte slak.

Pyrometallurgische methoden zijn traditiegetrouw populairder, maar ze hebben hun nadelen. Met name pyrometallurgie vereist veel energie, heeft een relatief hoge CO₂-voetafdruk, en produceert vaak een reststroom van afval.

Input: Zwarte massa en verschillende metaalverbindingen worden vaak behandeld met pyrometallurgie.

Outputs:

Diverse zuivere metalen en metaallegeringen, slak, cokes, enz.

Hydrometallurgisch

Hydrometallurgie richt zich op het terugwinnen van metalen met behulp van verschillende vloeistofoplossingen die chemische reacties mogelijk maken. Het is een relatief nieuw vakgebied, maar wint aan populariteit in moderne batterijrecyclagemethoden, vooral voor lithium-ionbatterijen. In veel gevallen biedt het voordelen ten opzichte van pyrometallurgische routes, zoals zuiverdere outputstromen en lagere emissies van gevaarlijke bijproducten.

Hydrometallurgische processen worden soms ook gecombineerd met pyrometallurgische methoden. Zo kan bijvoorbeeld pyrolyse worden gecombineerd met waterleaching om lithium-mangaanoxide uit lithium-ionbatterijen terug te winnen.

Hydrometallurgie en pyrometallurgie gecombineerd

Hydrometallurgische methoden worden wereldwijd toegepast op alkaline-, zink-koolstof-, nikkel-metaalhydride-, nikkel-cadmium- en lithiumbatterijen. Er zijn voor- en nadelen aan zowel hydrometallurgische als pyrometallurgische methoden, afhankelijk van de specifieke doelmaterialen en prioriteiten van het recyclageproces.

Sommige bedrijven gebruiken een combinatie van pyrometallurgie en hydrometallurgie om hun recyclagemethoden voor lithium-ion- en nikkel-metaalhydridebatterijen te optimaliseren. Pyrometallurgie wordt gebruikt om slak te produceren, die vervolgens wordt gebruikt in de bouwindustrie, en een metaallegering met kobalt, nikkel en koper, die hydrometallurgisch wordt behandeld om elektrode-elementen voor nieuwe batterijen te produceren.

Slak die sporen van lithium bevat kan een positief effect hebben op betonmoeheid, en daardoor helpen de levensduur van betonnen gebouwen te verlengen.

Uitloging

Uitloging is het proces waarbij metalen worden gewonnen uit vaste materialen die sporen van verschillende metalen bevatten, zoals de ertsen en verbindingen in gebruikte batterijen. De metalen worden uit het vaste materiaal geloogd en omgezet in oplosbare zouten door de actieve ingrediënten in de oplossing, die vervolgens kunnen worden gedroogd en verwerkt om zuivere metalen te produceren.

Het uitlogen van batterijen wordt meestal uitgevoerd in een relatief eenvoudige omgeving zoals een vat of autoclaaf, waarbij verschillende zuren als oplosmiddelen worden gebruikt.

Voor- en nadelen van uitloging

Uitloging vereist minder energie en produceert geen gasvormige vervuiling, in tegenstelling tot pyrometallurgische methoden. Uitlogen is echter ook minder efficiënt en laat meer afval achter in de tailings; het overgebleven product nadat metalen uit het erts zijn gehaald.

Solventextractie

Solventextractie is eigenlijk hetzelfde als uitloging, behalve dat het wordt toegepast op vloeibare materialen in plaats van vaste stoffen. In dit proces worden een of meerdere componenten gescheiden van een vloeistof door hun interactie met een tweede, niet-mengbare vloeistof, die gewoonlijk de solvent wordt genoemd.

Chemische precipitatie

Bij chemische precipitatie wordt een vaste stof gevormd uit een oplossing, door de stof onoplosbaar te maken of door de oplossing oververzadigd te maken. Afhankelijk van de betrokken chemicaliën kan precipitatie worden ingezet om metalen of onzuiverheden uit het mengsel te scheiden en te verharden. Precipitatie vindt plaats wanneer verdamping of een verandering in pH of temperatuur een bepaald doelmateriaal naar het maximum van zijn oplosbaarheid brengt.