Joint research project

Development of innovative processes for the valorization of spent batteries.

Project leaders
Stefano Ubaldini, Alena Luptakova
Agreement
REPUBBLICA SLOVACCA - SAS - Slovak Academy of Sciences
Call
CNR-SAS 2016-2017
Department
Earth system science and environmental technologies
Thematic area
Earth system science and environmental technologies
Status of the project
Extended
Report for renewal
joint-report-sav-cnr-ubaldini-luptakova-2013-15.pdf

Research proposal

Rilevanza internazionale.
L'utilizzazione quali materie prime secondarie, di risorse marginali come le pile scariche zinco-carbone e alcaline (che ricoprono circa l'80% del mercato), è d'importanza strategica per l'industria europea, per motivi economici ed ambientali, dati i loro elevati tenori in manganese (Mn) e zinco (Zn), indispensabili per molti processi produttivi: l'U.E. è quasi completamente dipendente dall'importazione di composti di Mn da paesi non U.E. (Giappone, USA).
In Italia e Slovacchia, annualmente vengono raccolte migliaia di tonnellate di pile scariche. La normativa europea richiede la raccolta differenziata delle pile ed obbliga gli stati membri a definire schemi per la raccolta delle pile usate, che dovranno essere riciclate.
Risulta quindi importante lo sviluppo di processi ambientalmente compatibili, per l'ottenimento di composti di Mn e Zn di interesse economico dalle suddette risorse. L'avanzamento del circuito innovativo bio-idrometallurgico proposto, rispetto ai processi convenzionali, è dato da più bassi impatto ambientale e consumo energetico, e dal maggior grado di purezza dei prodotti ottenuti.
La cooperazione scientifica tra IGAG-CNR ed Institute of Geotechnics of the Slovak Academy of Sciences, ha consentito, nel corso del triennio 2013-2015, di raggiungere gli obiettivi prefissati e prodotti d'eccellenza.
Di conseguenza, le imprese che sono state coinvolte nella finalizzazione del trasferimento dell'innovazione tecnologica, sono fortemente interessate all'approfondimento degli studi con sviluppo del processo su scala pilota, per realizzare l'impianto industriale. Il trasferimento tecnologico alle imprese costituisce, insieme al beneficio per l'ambiente, una forte motivazione per lo sviluppo della collaborazione negli anni 2016-2017.
Collegamenti con Horizon 2020.
La proposta fa riferimento a Horizon 2020, Work Programme 2014-2015, in particolare al pilastro Social Challenge delle attività orizzontali "Climate action, environment, resource, efficiency and raw materials". Lo scopo è collegato alla call "Growing a Low Carbon, Resource Efficient Economy with a Sustainable Supply of Raw Materials", in particolare al capitolo "Ensuring the sustainable supply of non-energy and non-agricultural raw materials".
Gli obiettivi perseguiti sono inoltre coerenti con le priorità indicate dalla CE nello "Strategic Implementation Plan for the European Innovation Partnership (SIP-EIP) on Raw Materials, 2013". La proposta è riferibile alla Priority Area "Technologies for primary and secondary raw materials production" del SIP-EIP on Raw Materials.
Descrizione della ricerca.
La realizzazione del progetto di ricerca sarà compiuta dalle unità operative IGAG-CNR ed Institute of Geotechnics-SAV, orientando gli obiettivi verso la qualità dei prodotti ottenuti (soluzioni e sali di manganese ad elevata purezza e ferriti Zn-Mn per applicazioni tecnologiche) e l'impatto ambientale. L'attività si articolerà nelle seguenti principali fasi:
- pretrattamenti fisico-meccanici per recuperare le componenti di interesse sotto forma di polvere contenente Zn e Mn e lisciviazione su scala pilota.
- selezione, coltivazione e adattamento di microorganismi adatti ad un trattamento in continuo; pretrattamenti fisico meccanici e biolisciviazione delle polveri, con simulazione del processo in continuo con bio-reattori.
- purificazione della liscivia e produzione di componenti metalliche, sali e soluzioni, per via chimica, termica ed elettrodeposizione in continuo dei metalli in soluzione.
- progettazione e realizzazione del circuito di processo integrato su scala pilota.
- trattamento dei reflui con nano-filtrazione a membrana, osmosi inversa, ultrafiltrazione, scambio ionico, adsorbimento, bioadsorbimento, bioprecipitazione; analisi di processo integrata (tecnico-economica) dei risultati ottenuti; analisi di impatto ambientale e Life Cycle Assessment (LCA) del processo su scala pilota.
Risultati attesi.
Le ricadute attese sono molteplici:
1. Trasferimento tecnologico (metodologico), con individuazione di metodologie e di protocolli di indagine per lo sviluppo industriale di processi sostenibili per il trattamento di pile esaurite.
2. Formazione di giovani ricercatori slovacchi, con acquisizione di nuove metodologie analitiche e nuove tecnologie innovative integrate, flessibili, efficienti, a basso impatto ambientale. I ricercatori italiani apprenderanno le metodiche bioidrometallurgiche attuabili nel settore specifico, oggetto dello studio.
3. Ricadute scientifiche. Per il team di ricerca slovacco: miglioramento delle conoscenze e delle metodiche pratiche nell'area della rimozione, raffinazione e riuso di metalli tossici con metodi elettro-idrometallurgici. Per il team di ricerca italiano: approfondimento delle conoscenze e delle metodiche pratiche nell'area della rimozione di metalli tossici con metodi biotecnologici.
4. Ricadute per l'industria e i servizi. Trasferimento tecnologico del processo integrato alla scala pilota con valutazione costi-benefici. Le aziende quali Cekometal (Repubblica Ceca), Boliden AB (Svezia), The Centre of Waste Processing (CENSO) e ENVIRONCENTRUM SRO (Slovacchia) CMC Chimie Srl (Romania) FINMECCANICA GLOBAL SERVICES (Italia), operanti nel trattamento dei residui industriali, saranno coinvolte attivamente nella ricerca e nella divulgazione dei risultati.
5. L'impatto sulle relazioni scientifiche internazionali future, sarà favorito dall'importante coinvolgimento di giovani ricercatori. Gli studi consentiranno di ottenere tecnologie innovative favorendo: recupero di metalli quali zinco e manganese con circuiti di trattamento di basso costo ed ecocompatibili; creazione di laboratori congiunti; organizzazione di conferenze e seminari internazionali per la diffusione dei risultati ottenuti; presentazione di proposte comuni nell'ambito di bandi del Programma Quadro Horizon 2020; ulteriore sviluppo delle relazioni scientifiche e tecnologiche tra Italia e Slovacchia.

Research goals

Generali:
Determinazione di processo innovativo integrato bioidrometallurgico, economico e a basso impatto ambientale, per valorizzare le pile esaurite tipo Zn-carbone ed alcaline, con trasferimento tecnologico e sviluppo - su scala pilota - del processo di recupero di valori metallici e produzione di componenti di interesse commerciale.
Specifici:
o Produzione di Zn, Mn e biossido di manganese (MnO2) con grado di purezza >99 %.
o Alta efficienza energetica di processo (> 90%), con recuperi >98%.
o Valutazione industriale costi-benefici.
o Riduzione dell'inquinamento prodotto da elementi tossici.
Innovazioni scientifico/tecnologiche per il perseguimento degli obiettivi:
o Applicazione di semplici procedimenti unitari dell'industria chimica, per smaltire elementi tossici con contemporanea produzione di Zn, Mn e MnO2.
o Adozione di un processo integrato e flessibile per differenti tipologie di materiali.
o Implementazione di processo integrato con uso di differenti acidi e selezioni di microorganismi, quali i batteri solfo-riducenti/ossidanti, con attenzione, oltre alle rese di recupero, alla selettività estrattiva.
o Trattamento innovativo dei reflui di processo con nanofiltrazione in condizioni molto acide e di ultrafiltrazione con tensioattivi per lavorare a pressioni più basse, con conseguente risparmio energetico.
o Applicazione dell'LCA, metodologia innovativa nell'ambito dello studio dell'impatto ambientale di processo nel settore delle materie prime secondarie.

Last update: 27/11/2021