Các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign đã phát triển một phân tử có khả năng sử dụng điện để điều khiển quá trình tách kim loại, mở ra hướng mới nhằm giảm lượng hóa chất cần thiết để thu hồi các kim loại có giá trị từ rác thải điện tử, chất thải khai khoáng và phế thải công nghiệp.
Phân tử mới tích hợp ba chức năng trong cùng một cấu trúc: chọn lọc liên kết với ion kim loại, mang điện tích cố định và có thể hòa tan trong dung môi hữu cơ được sử dụng trong quá trình chiết tách.
Điện tích tích hợp này cho phép các nhà nghiên cứu dùng tín hiệu điện để trực tiếp điều khiển phân tử trong quá trình tách. Thay vì bổ sung thêm axit, bazơ hoặc các tác chất hóa học để kích hoạt những phản ứng cần thiết nhằm bắt giữ rồi giải phóng kim loại, họ có thể sử dụng điện.
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh phương pháp bằng cách thu hồi có chọn lọc vàng từ dung dịch chiết rác thải điện tử, cho thấy một quy trình vốn phụ thuộc nhiều vào hóa chất có thể được điều khiển bằng điện.
Một phân tử làm ba nhiệm vụ
Công trình mới phát triển từ một hệ thống được chính nhóm nghiên cứu giới thiệu năm 2024, gọi là chiết tách lỏng-lỏng qua trung gian điện hóa liên tục (e-LLE).
Hệ thống trước đó đã sử dụng điện để thay thế nhiều loại axit và bazơ trong quy trình tách kim loại truyền thống, nhưng vẫn cần thêm hóa chất để hoàn tất chu trình.
Thiết kế mới loại bỏ bước này bằng cách thay đổi chính phân tử chiết tách.
Deborah Schmitt, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và đồng tác giả công trình, cho biết phân tử mới có điện tích cố định được tích hợp sẵn, vừa đóng vai trò chất điện ly vừa giúp dung môi dẫn dòng điện. Nhờ vậy, các phản ứng oxy hóa-khử có thể được kích hoạt bằng điện thay vì hóa chất.
Quy trình hoạt động theo hai bước chính. Trước tiên, phân tử được kích hoạt bằng điện để liên kết với kim loại mục tiêu và đưa kim loại này sang pha hữu cơ. Sau đó, thay đổi trạng thái điện của phân tử sẽ giải phóng kim loại, cho phép chu trình chiết tách tiếp tục mà không cần các tác chất trung gian như phương pháp truyền thống.
Theo giáo sư Xiao Su, một trong những người đứng đầu nghiên cứu, đây là lần đầu nhóm có thể vận hành quá trình chiết dung môi điện hóa theo đúng mô hình mà họ hướng tới: nạp điện cho phân tử, để nó bắt giữ kim loại, chuyển kim loại sang pha hữu cơ rồi dùng điện giải phóng kim loại trở lại.
Đáng chú ý, phương pháp mới giúp giảm lượng hóa chất tiêu thụ khoảng 10-100 lần. Việc cắt giảm các tác chất này có thể vừa giảm chất thải vừa đơn giản hóa quy trình thu hồi kim loại.
Điện nhắm tới các kim loại quan trọng
Vàng được chọn làm trường hợp thử nghiệm, nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng thiết kế phân tử này có thể được điều chỉnh để tách nhiều loại kim loại có giá trị khác.
Một trong số đó là nhóm kim loại bạch kim, vốn được sử dụng trong các bộ xúc tác khí thải ô tô đã qua sử dụng. Công nghệ cũng có tiềm năng thu hồi các nguyên tố quan trọng từ bãi thải khai khoáng và những dòng chất thải phức tạp khác.
Aderiyike Aguda, nghiên cứu sinh và đồng tác giả, cho biết hệ thống có thể được điều chỉnh để thu hồi có chọn lọc nhiều kim loại khác nhau. Phần nền tảng điện hóa về cơ bản vẫn giữ nguyên, trong khi cấu trúc hóa học của phân tử chiết tách có thể được thay đổi tùy theo loại kim loại cần thu hồi.
Vì vậy, bước đột phá không chỉ nằm ở việc dùng điện để thu hồi vàng. Quan trọng hơn, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một khung phân tử có thể tùy biến cho nhiều kim loại, trong khi vẫn sử dụng cùng một nền tảng điện hóa.
Nhóm hiện tiếp tục thiết kế các phân tử mới và nghiên cứu khả năng mở rộng quy trình lên quy mô công nghiệp. Các nhà khoa học cũng đang kết hợp mô hình tính toán và trí tuệ nhân tạo (AI) để đẩy nhanh quá trình tìm kiếm những phân tử có khả năng chiết tách kim loại hiệu quả hơn.
Theo giáo sư Su, công nghệ này có thể trở thành một bước tiến hướng tới các quy trình tách kim loại có khả năng mở rộng, ít chất thải và được điện hóa hoàn toàn — đặc biệt đáng chú ý trong bối cảnh thế giới ngày càng quan tâm tới nguồn cung khoáng sản quan trọng và việc xây dựng các chuỗi cung ứng bền vững hơn.
Theo IE
