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/SAV 2013-2015
Department
Earth and Environment
Thematic area
Earth system science and environmental technologies
Status of the project
New

Research proposal

 
Base di partenza scientifica internazionale
L'utilizzazione di materie prime secondarie, quali le pile scariche è stata oggetto negli ultimi anni di un interesse crescente, per motivi sia economici che ambientali.
Le pile primarie zinco-carbone e alcaline contengono percentuali consistenti di manganese e zinco che possono essere riutilizzate in nuovi processi produttivi.
L'importanza strategica del manganese nei processi industriali, è legata al suo ruolo fondamentale nell'industria dell'acciaio e delle leghe, nella produzione di ferriti, nella produzione di pile, come fine-chemical e nel settore elettronico-informatico di ferriti dolci, per la produzione di trasformatori con nucleo ad alto grado di Mn-Zn.
Le principali industrie impegnate nella valorizzazione di minerali manganesiferi, sono società giapponesi con il 64% del mercato mondiale e società USA con il 26%. I paesi dell'U.E. sono quasi completamente dipendenti dall'importazione di composti di Mn da paesi non U.E.
Risulta quindi importante lo sviluppo di processi bioidrometallurgici che mirino all'ottenimento di composti di Mn e Zn di interesse economico a partire da materie prime marginali e materie prime secondarie, quali le pile scariche alcaline e zinco-carbone.
Le pile alcaline ricoprono circa l'80% del mercato. Il significativo contenuto di Mn e Zn rende le pile alcaline una potenziale fonte di tali metalli. La disponibilità di tale "materia prima" – in Italia ed in Slovacchia - e' mostrata dai dati forniti dalle Agenzie Nazionali per la Protezione dell'Ambiente e del Territorio: annualmente vengono raccolte migliaia di tonnellate di pile scariche, smaltite principalmente in discarica.
Al momento, la normativa europea richiede la raccolta differenziata delle pile. Le direttive comunitarie obbligheranno gli stati membri a stabilire schemi per la raccolta delle pile usate, che dovranno essere riciclate.
Diversi processi sono riportati in letteratura per il recupero di metalli pesanti da pile scariche, pirometallurgici ed idrometallurgici, quest’ultimi caratterizzati da minori consumi energetici ed impatto ambientale.
 
Descrizione della ricerca
La ricerca è finalizzata allo sviluppo di un processo innovativo di tipo bioidrometallurgico per la valorizzazione di materie prime secondarie, quali le batterie primarie scariche tipo zinco-carbone ed alcaline contenenti manganese per il recupero di valori metallici e per la produzione di componenti di interesse commerciale (materiali con proprietà ferrimagnetiche-ferriti, sali e soluzioni di manganese).
Lo schema generale del processo di valorizzazione proposto si articola secondo le seguenti fasi:
1) pretrattamento delle materie prime (operazioni meccaniche, di separazione fisica e di lavaggio) tese al recupero delle componenti di interesse sotto forma di polvere contenente Zn e Mn;
2) lisciviazione e/o biolisciviazione della polvere pretrattata per il recupero delle componenti metalliche sotto forma di soluzioni acquose e/o solidi;
3) purificazione della liscivia ottenuta per l'eliminazione di impurezze inficianti le proprietà chimiche e ferrimagnetiche dei componenti d'interesse;
4) produzione e caratterizzazione di ferriti secondo approcci combinati, utilizzando procedure chimiche, elettrochimiche e termiche;
5) trattamento dei reflui mediante tecniche convenzionali ed innovative (nano filtrazione a membrana, osmosi inversa e/o elettrodialisi, ultrafiltrazione, scambio ionico, adsorbimento e bioadsorbimento).
La realizzazione del progetto di ricerca sarà compiuta dalle due differenti unità operative coinvolte, afferenti all’IGAG-CNR (UO1) ed all’Istituto di Geotecnica-SAV ( UO2) sulla base della seguente ripartizione degli obiettivi di lavoro:
UO1: pretrattamenti e lisciviazione delle materie prime secondarie;
UO2: selezione e coltivazione di microorganismi adatti;UO2: pretrattamenti e biolisciviazione delle materie prime secondarie;
UO1: purificazione della liscivia e produzione di componenti metalliche, sali e soluzioni per via chimica, termica ed elettrochimica;
UO1 e UO2: trattamento dei reflui, analisi di processo integrata (tecnico-economica) di tutti i risultati ottenuti, analisi di impatto ambientale e Life Cycle Assessment (LCA) del processo.

I criteri di ottimizzazione delle diverse fasi, saranno determinati con particolare attenzione alla qualità dei prodotti ottenuti (soluzioni e sali di manganese ad elevata purezza, e ferriti Zn-Mn per applicazioni tecnologiche) e all'impatto ambientale del processo di valorizzazione proposto.
Le principali motivazioni dello sviluppo della collaborazione sul tema all’oggetto, ed i relativi benefici che ne possono scaturire sono i seguenti:
 

Ottimizzazione di un processo bioidrometallurgico - economico ed a basso impatto ambientale - integrato da trattamenti di tipo fisico e seguito da procedimenti unitari propri dell'industria chimica, volto alla riduzione a monte dell'inquinamento prodotto da elementi tossici contenuti nelle pile scariche ed alla contemporanea produzione di metalli (zinco, manganese, rame, nichel, etc.).
Beneficio per l'ambiente, derivato dalla realizzazione del processo proposto.
Rafforzamento delle relazioni scientifiche e tecnologiche tra le strutture di ricerca dei due Paesi.
Coinvolgimento di altre istituzioni di ricerca di livello internazionale - sia pubbliche che private - anche in relazione all'impegno comune volto alla presentazione di proposte di finanziamento alla CE nell'ambito del VII Programma Quadro.

 
Risultati attesi
I presupposti che rafforzano le possibilità di successo della collaborazione bilaterale proposta, sono legati al background scientifico dei gruppi di ricerca italiano e slovacco ed alle analoghe necessità di salvaguardia ambientale che devono fronteggiare le parti italiana e slovacca.
Completato il trasferimento scientifico-tecnologico, la collaborazione permetterà uno scambio di esperienza sugli studi in fieri riguardanti la chimica e la biologia dei processi di salvaguardia ambientale volti al recupero di metalli.
Le ricadute attese sono molteplici:
1. Trasferimento tecnologico (metodologico) 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, sia come conseguenza dell’esperienza pregressa dei ricercatori italiani, che grazie alla frequenza di seminari e workshops, con acquisizione di nuove metodologie analitiche e di nuove tecnologie flessibili.
I ricercatori italiani apprenderanno le problematiche slovacche nel settore delle tematiche all’oggetto dello studio, con particolare riferimento all’attuazione di processi bioidrometallurgici.
3. Ricadute scientifiche
Per il team di ricerca slovacco: miglioramento delle conoscenze e delle metodiche pratiche nell'area della rimozione 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 bio-idrometallurgici.
4. Ricadute applicate all’industria e ai servizi
Trasferimento tecnologico del processo integrato alla scala maggiore in impianto pilota, per una valutazione costi-benefici.
Le aziende Cekometal (Repubblica Ceca), FINPOWER s.r.l. (Italia), Boliden AB (Svezia) e The Centre of Waste Processing (CENSO) di Kosice, Slovacchia, 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 anche dall’importante coinvolgimento di giovani ricercatori.
Inoltre, gli studi consentiranno di ottenere tecnologie innovative realizzando:
- recupero di metalli quali zinco e manganese da rifiuti elettrochimici, utilizzando 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 dell’ ”Area Cooperazione: Tema Ambiente” del VII PQ della CE;
- ulteriore sviluppo delle relazioni scientifiche e tecnologiche tra Italia e Slovacchia.
 
Risorse disponibili
Dal lato italiano, le risorse finanziarie proverranno da progetti e contratti di ricerca che sono in corso presso l’IGAG.
Si utilizzeranno le competenze del responsabile scientifico italiano e del personale specializzato IGAG, acquisite - nel settore del trattamento di georisorse primarie e secondarie per il recupero di metalli utili – durante alcuni decenni di attività svolta nell'ambito di progetti R&D finanziati con fondi pubblici, dell'industria privata e della Commissione Europea, principalmente di natura chimica, biologica, chimico-fisica ed analitica; in particolare su:
1) Trattamenti di recupero dei metalli da georisorse primarie e secondarie; metodologie strumentali-analitiche per l'identificazione dei sottoprodotti di reazione.
2) Trattamenti biologici delle acque reflue, monitoraggio e controllo dei processi di depurazione.
3) Settore della elettrochimica e della bioidrometallurgia (biolosciviazione, bioprecipitazione, bioaccumulazione, bioadsorbimento).
Si utilizzeranno tecniche di indagine microscopica, Diffrattometria RX, Fluorescenza RX, Spettrofotometria UV-VIS, Spettrofotometria ad Assorbimento Atomico, Spettrofotometria Ottica, Spettrofotometria ICP – MS, apparecchiature elettrochimiche (potenziostato-galvanostato), reattori agitati, agitatori magnetici, centrifughe, apparecchiature per le analisi granulometriche.
Dal lato slovacco, le risorse finanziarie per l’attività sperimentale proverranno da fondi interni ed esterni per la ricerca.
L'Istituto di Geotecnica di SAV dispone di attrezzature e metodi di laboratorio per la realizzazione di test di laboratorio microbiologici, per l’isolamento, la coltivazione e la conservazione dei microorganismi, la preparazione dei terreni di coltura, l'osservazione microscopica dei cambiamenti morfologici della specie microbiche selezionate e di metodi di valutazione della cinetica delle procedure di biossidazione e bioriduzione. Il metodo principale di analisi quantitativa sarà la spettrofotometria per assorbimento atomico.
 

Research goals

 
La ricerca è finalizzata allo sviluppo di un processo innovativo per la valorizzazione di materie prime secondarie, cioè rifiuti quali batterie primarie scariche tipo Zn-carbone ed alcaline contenenti manganese, per il recupero di valori metallici e per la produzione di componenti di interesse commerciale (materiali con proprietà ferrimagnetiche – ferriti -, sali e soluzioni di manganese). Verrà sviluppata l'analisi di fattibilità tecnico-economica dell'intero processo, con particolare attenzione alla qualità dei prodotti (elevata purezza per applicazioni tecnologiche) ed agli aspetti ambientali ed energetici.
Il processo si articola secondo le seguenti fasi:
1) pretrattamento delle materie prime tese al recupero delle componenti di interesse sotto forma di polvere contenente Zn e Mn;
2) lisciviazione e/o biolisciviazione della polvere pretrattata con procedimenti bioidrometallurgici per il recupero delle componenti metalliche di interesse;
3) purificazione della liscivia ottenuta da processi bioidrometallurgici;
4) produzione e caratterizzazione di ferriti, con procedure chimiche, elettrochimiche e termiche;
5) trattamento dei reflui mediante tecniche innovative finalizzate al recupero di acidi, basi e acqua, alla concentrazione di sali ed alla eliminazione di metalli tossico-nocivi.
Gli aspetti innovativi proposti, sono legati all'obiettivo principale del progetto, cioè l'utilizzo di rifiuti quali le pile scariche come materia prima secondaria per il recupero di componenti metalliche e la produzione di materiali con proprietà ferrimagnetiche (ferriti) e/o di sali e soluzioni di manganese. Ulteriori aspetti di innovazione nelle specifiche attività del progetto sono:
• Lisciviazione e biolisciviazione. L'aspetto innovativo, riguarda lo studio degli effetti di differenti tipologie di acidi e microorganismi riducenti - oltre che sulle rese di recupero - sulla selettività dell'estrazione, sugli aspetti economici, ambientali e sulle proprietà tecnologiche dei solidi ottenuti.
• Coprecipitazione di Zn-Mn per la produzione di ferriti da liscivie che contengono entrambi i metalli.
• Trattamento dei reflui mediante processi di nanofiltrazione in condizioni molto acide e di ultrafiltrazione con tensioattivi per lavorare a pressioni più basse, con conseguente risparmio energetico.
• LCA: metodologia innovativa per le informazioni sull'impatto ambientale di processo nel settore delle materie prime secondarie quali i rifiuti, in alternativa a materie prime di estrazione mineraria.
 

Last update: 27/11/2021