Một nhà máy thí điểm tại Singapore sử dụng vỏ cam, chanh và dứa bỏ đi để tạo dung môi thu hồi các kim loại quan trọng từ pin lithium-ion đã qua sử dụng. Thử nghiệm cho thấy quy trình có thể thu hồi khoảng 90% coban, lithium, niken và mangan.
Tại khu công nghiệp phía tây Singapore, một bồn chứa bột pin đã qua sử dụng đang được ngâm trong dung dịch được tạo ra từ vỏ cam, chanh và dứa. Đây là thử nghiệm kết hợp hai dòng chất thải tưởng như không liên quan: phế phẩm thực phẩm và pin điện tử.
Dung dịch từ vỏ trái cây có thể giúp tách coban, lithium, niken và mangan khỏi pin lithium-ion hết vòng đời, để các kim loại này quay trở lại chuỗi sản xuất pin.
Vỏ trái cây thay thế một phần hóa chất
Quá trình tái chế pin thường bắt đầu bằng việc nghiền pin thành loại bột gọi là “khối đen”. Nhựa, đồng và nhôm được tách ra, sau đó phần vật liệu còn lại được hòa tan bằng axit để thu hồi các kim loại có giá trị.
Tuy nhiên, axit đơn thuần không đủ hiệu quả với một số kim loại như coban và niken do chúng tồn tại ở những trạng thái oxy hóa khác nhau. Vì vậy, các nhà tái chế thường bổ sung chất khử để thúc đẩy quá trình hòa tan. Một chất được sử dụng phổ biến là hydrogen peroxide.
Các nhà khoa học phát hiện một số hợp chất hữu cơ trong vỏ trái cây cũng có thể đóng vai trò chất khử. Cellulose, đường và các hợp chất chống oxy hóa trong vỏ có khả năng cung cấp electron, hỗ trợ quá trình hòa tan kim loại.
Trong nghiên cứu công bố năm 2020 trên Environmental Science & Technology, nhóm của Zhuoran Wu phối hợp với các nhà nghiên cứu Dalton Tay và Madhavi Srinivasan thuộc Đại học Công nghệ Nanyang (NTU) đã nghiền vỏ cam thành bột rồi trộn với axit citric.
Hỗn hợp này có thể tách 80-99% niken, mangan, coban và lithium từ chất thải pin. Nhóm nghiên cứu tiếp tục thu hồi coban từ dung dịch và dùng vật liệu này chế tạo pin dạng đồng xu. Kết quả cho thấy những viên pin tái tạo có khả năng sạc và xả ở mức tương đương pin thương mại trong thử nghiệm.
Tuy nhiên, đây vẫn là kết quả trong phòng thí nghiệm và trên một loại hóa học pin cụ thể. Hiệu suất này không có nghĩa mọi loại pin lithium-ion đều có thể được xử lý bằng vỏ cam với kết quả tương tự.
Từ phòng thí nghiệm đến bồn 2.000 lít
Tuy nhiên, NTU sau đó hợp tác với Se-cure Waste Management, một công ty tái chế pin tại Singapore, để đưa công nghệ ra khỏi phòng thí nghiệm.
Hai bên xây dựng một nhà máy thí điểm trên đường Neythal, gần đường Pioneer North. Nhà máy bắt đầu vận hành từ quý 4-2022 và có thể xử lý mỗi mẻ tới 2.000 lít hỗn hợp pin nghiền và dung môi làm từ vỏ trái cây. Thiết kế mô-đun cho phép mở rộng quy trình để hướng tới việc thu hồi các kim loại khác.
Theo The Straits Times, Se-cure xử lý khoảng 18 tấn pin đã qua sử dụng mỗi ngày. Quy mô này cho thấy thách thức khi chuyển một quy trình hóa học từ phòng thí nghiệm sang hoạt động công nghiệp.
Trong các thử nghiệm, phương pháp sử dụng phế phẩm trái cây cho hiệu quả tương đương quy trình dùng peroxide, đồng thời có thể giảm phần lớn chất ô nhiễm thứ cấp. Về nguyên lý, công nghệ này thay thế một phần hóa chất công nghiệp bằng nguồn nguyên liệu phế thải.
Bài toán lớn hơn nằm ở nguồn pin
Công nghệ mới xuất hiện trong bối cảnh phần lớn pin lithium-ion đã qua sử dụng trên thế giới vẫn chưa được tái chế. Theo số liệu được NTU và Se-cure dẫn lại, tỷ lệ này hiện chưa tới 5%, trong khi lượng pin thải loại toàn cầu được dự báo lên tới 11 triệu tấn vào năm 2030.
Khó khăn không chỉ nằm ở công nghệ. Pin vừa nặng, dễ cháy vừa được xếp vào nhóm chất thải nguy hại tại nhiều nơi. Chi phí thu gom và vận chuyển vì vậy có thể trở thành một phần đáng kể trong tổng chi phí tái chế.
Nguồn nguyên liệu cho các nhà máy cũng chưa ổn định như hình dung. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), vào năm 2030, khoảng hai phần ba lượng pin mà các nhà tái chế xử lý có thể đến từ phế liệu sản xuất, thay vì pin xe điện đã qua sử dụng. Pin từ xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng dự kiến chỉ trở thành nguồn nguyên liệu chính sau năm 2035.
Điều này có nghĩa nhiều nhà máy tái chế được xây dựng hiện nay vẫn sẽ phụ thuộc đáng kể vào phế liệu từ các nhà máy sản xuất pin, trước khi lượng pin hết vòng đời tăng mạnh trong những năm tới.
Giá kim loại sẽ quyết định khả năng thương mại hóa
Một công nghệ tái chế hiệu quả về mặt hóa học chưa chắc đã hiệu quả về kinh tế.
Theo IEA, các doanh nghiệp tái chế phụ thuộc vào giá thị trường của kim loại phải đối mặt với biến động lớn. Khi giá coban, niken hoặc lithium giảm, giá trị vật liệu thu hồi cũng giảm trong khi chi phí vận hành nhà máy không giảm tương ứng.
Trung Quốc hiện chiếm khoảng hai phần ba mức tăng công suất tái chế pin toàn cầu kể từ năm 2020, theo IEA. Quy mô này tạo sức ép cạnh tranh đáng kể đối với các công nghệ mới.
Tuy vậy, việc mở rộng tái chế có thể giúp giảm nhu cầu khai thác nguyên liệu mới. Các mô hình của IEA cho thấy trong kịch bản tái chế được đẩy mạnh, lượng nguyên liệu cần khai thác từ các mỏ mới có thể giảm tới 30% vào năm 2040. Với các kịch bản thận trọng hơn, mức giảm có thể chỉ khoảng 5%.
Vỏ trái cây cũng cần một chuỗi cung ứng
Một nghịch lý của công nghệ này là vỏ trái cây chỉ thực sự có giá trị khi được thu gom và đưa đến nhà máy với chi phí hợp lý.
Vỏ cam, chanh hay dứa phải được thu gom, làm khô và nghiền trước khi trở thành nguyên liệu. Điều đó đòi hỏi sự kết nối giữa các cơ sở chế biến thực phẩm, phương tiện vận chuyển, kho chứa và nhà máy tái chế pin. Nhà máy thí điểm tại Singapore hiện lấy phế phẩm trái cây từ một nhà cung cấp đối tác.
Vì vậy, “nguyên liệu miễn phí” không đồng nghĩa với chi phí bằng không. Khi mở rộng quy mô, doanh nghiệp vẫn phải tính đến chi phí thu gom, vận chuyển, bảo quản và xử lý vỏ trái cây.
Đây cũng là phép thử lớn nhất đối với công nghệ của Singapore. Việc sử dụng phế phẩm sinh học để thay thế một phần hóa chất có thể giúp giảm chất thải và tạo thêm giá trị cho rác thực phẩm, song để trở thành một ngành công nghiệp thực sự, công nghệ phải chứng minh được hiệu quả ở quy mô lớn và cạnh tranh về chi phí.
Khi lượng pin hết vòng đời trên toàn cầu tăng nhanh trong thập niên tới, các nhà tái chế sẽ có thêm động lực tìm kiếm những phương pháp ít phụ thuộc vào hóa chất công nghiệp hơn. Cuối cùng, việc pin được xử lý bằng dung dịch làm từ vỏ trái cây hay bằng hóa chất truyền thống sẽ không chỉ do các nhà hóa học quyết định, mà còn phụ thuộc vào chi phí, nguồn nguyên liệu và khả năng vận hành ổn định ở quy mô công nghiệp.
Các nhà nghiên cứu của NTU, Giáo sư Dalton Tay (bên trái) và Giáo sư Madhavi Srinivasan (bên phải), cùng ông Vince Goh, Giám đốc điều hành nhà máy tái chế SWM. Ảnh: Straits Times
