جهان بطور چشمگیری نیازمند کاهش مصرف منابع تجدید ناپذیر و کاهش تولید پسماند می باشد، این نیاز از طریق توسعه فن آوری بازیافت انجام می شود. در این راستا بازیافت باتری های سرب- اسیدی فرسوده شامل سرب فلزی، ترکیبات سرب، الکترولیت و … یک روش مفید جهت رسیدن به این هدف می باشد. بازیافت باتری های سرب-اسیدی فرسوده نیازمند طراحی برنامه با توجه به مسایل زیست محیطی است.

در این مقاله، تکنولوژی های نوین بازیافت سازگار با محیط زیست و تشریح مراحل استحصال سرب و تولید سولفات سدیم و گرانول پلی پروپیلن بیان می گردد.

از لحاظ کاربرد صنعتی، سرب در مقام پنجم پس از آهن، آلومینیوم، مس و روی قرار دارد و در صنایع تولیدی مختلف نظیر باتری های سرب/ اسیدی، سیم و کابل، پیگمنت های رنگی، شیشه سازی، اسلحه و مهمات، افزودنی بنزین، حفاظت در برابر اشعه و… کاربرد دارد.

براساس آمار منتشر شده توسط انجمن بین المللی سرب، از سال ۱۹۶۰ تا ۲۰2۰ میزان مصرف سرب در صنایع مختلف رشد چشمگیری داشته است و در این بین همواره صنعت باتری بیشترین سهم را داشته است.

سرب در طبیعت بصورت ترکیبات سولفیدی، کربناته و… وجود دارد که پس از استخراج و فرآوری، فرایند استحصال سرب در کوره با دمای بالا انجام شده و سرب تولیدی Primary Lead نامگذاری شده است، با توجه به رویکرد کاهش مصرف منابع تجدید ناپذیر، کاهش پسماند، کاهش هزینه های تولید و…، بازیافت سرب از کالاهای فرسوده حاوی سرب مورد توجه قرار گرفته است و سرب تولیدی Secondary Lead نامگذاری شده است و براساس آمار، از سال ۱۹۹۳بیش از ۵۰ درصد سرب تولیدی از فرآیند بازیافت می باشد.

با توجه به سهم حداقل ۸۰ درصدی باتری های سرب-اسیدی در مصرف سرب تولیدی جهان و طول عمر محدود این نوع باتری ها، بدیهی است پس از اتمام کارایی و فرسوده شدن می توان از این ها به عنوان منبع استحصال سرب استفاده کرد، در غیر اینصورت به عنوان پسماند خطرناک بوده و بر خلاف رویکرد زیست محیطی جهان می باشد.

اختراعات ثبت شده در حوزه فرآیند بازیافت سرب از باتری های فرسوده به سال های ۱۹۳۰ برمی گردد که روش های ساده بر مبنای ذوب و احیا هستند و عمدتاً امکان جداسازی اجزا و بازیافت کامل اجزا در این روش ها وجود ندارد و صدمات جبران ناپذیری به محیط زیست وارد می شود. همچنین 20 تا 25 درصد وزن باتری فرسوده، الکترولیت (محلول آبی اسید سولفوریک) می باشد که در روش های اولیه، اقدامی جهت خنثی سازی و تولید محصول جانبی انجام نمی شود.

ترکیبات سرب دار حاوی حداقل ۵۰ درصد سولفات سرب می باشد که فرآیند ذوب و احیا این ترکیبات در کوره های حرارتی و در حضور کک به عنوان عامل احیاء ترکیبات سرب، با انتشار گازهای Sox همراه بوده و صدمات جبران ناپذیر به محیط زیست وارد می کند.

در روش های اولیه از پلاستیک ها به عنوان سوخت در فرآیند ذوب و احیا استفاده می شود که به علت احتراق ناقص سبب آلودگی هوا می گردند.

صنعت بازیافت همانند سایر صنایع در حال تحول بوده و در طراحی فرآیند توجه به مسائل زیست محیطی و سلامت فردی در اولویت بوده است وهمواره کنوانسیون بازل و مرکز بین المللی مدیریت سرب در این خصوص فعال بوده و با چشم انداز تولید ایمن، ایمنی و حفاظت فردی، حفاظت از محیط زیست و …. اسناد را منتشر می نماید.

تکنولوژی بازیافت با روش پیرومتالورژی و سازگار با محیط زیست

• خردایش و تفکیک اجزای باتری فرسوده و انجام فرآیندهای جانبی

با لحاظ نمودن الزامات کنوانسیون بازل، باتری های فرسوده جمع آوری شده و به عنوان خوراک اصلی فرآیند در واحدهای بازیافت انبارش و مصرف می شوند، جهت جلوگیری از آلودگی آب و خاک، محل انبارش از بتن ضد اسید با لایه ای محافظ مقاوم در برابر خاصیت خورندگی اسید سولفوریک ساخته می شود.

مبنای روش های نوین، جداسازی اجزا سازنده باتری از یکدیگر می باشد، لذا بدین منظور ابتدا باتری های فرسوده در واحد خردایش(Breaker & Crushing Unit)  شکسته شده و هنگام عبور از سرند لرزان خمیر و الکترولیت از سایر اجزای جامد(PP, Mix Plastic, Metallic Lead)  جداسازی می شود. خمیر و الکترولیت به تانک زیر سرند وارد شده و در اثر گذشت زمان و اضافه کردن مواد فلوکولانت جداسازی خمیر و الکترولیت انجام می شود. اجزای جامد وارد مراحله جداسازی شده و بر اساس وزن مخصوص، هریک از اجزا در جداسازهای هیدرودینامیکی تفکیک شده و فرآیندهای جانبی روی اجزا انجام می شود.

الکترولیت جدا شده از خمیر، محلول آبی اسید سولفوریک به همراه ترکیباتی از فلزات سنگین بوده که جزو عوامل آلاینده محیط زیست می باشد. لذا در پلنت های نوین فرآیند خنثی سازی با استفاده از ترکیبات قلیایی نظیر سود مایع، کربنات سدیم، کربنات پتاسیم، آمونیوم و… پیشنهاد شده است.

در هر پلنت، بازیافت با لحاظ نمودن موارد زیست محیطی، اقتصادی، سینتیک واکنش و … واکنشگر مناسب انتخاب می شود، در ایران انجام فرایندخنثی سازی با کربنات سدیم مناسب تر می باشد. محصول واکنش خنثی سازی، محلول آبی سولفات سدیم است که پس از طی فرآیند کریستال سازی بر اساسEvaporation محصول جانبی سولفات سدیم تولید خواهد شد.

خمیر جدا شده از الکترولیت، غنی از ترکیبات سرب (عمدتاً شامل PbOx , PbSO₄ می باشد، در بازیافت سنتی، خمیر جدا شده به عنوان خوراک اصلی کوره حرارتی  جهت استحصال است. خمیر سرب غنی از ترکیبات سولفاته با محتوای ۱۰ درصدی گوگرد می باشد، لذا گازهای خروجی حاصل از احتراق و واکنش همراه با انتشارSOx ، عامل آلاینده محیط خواهد بود.در پلنت های نوین فرآیند سولفورزدایی خمیر با استفاده از ترکیبات قلیایی نظیر کربنات ها، هیدروکسیدها و … قابل انجام می باشد و با لحاظ نمودن موارد زیست محیطی، اقتصادی، سینتیک واکنش و … واکنشگر مناسب انتخاب می شود.

عملیات سولفورزدایی و خنثی سازی با کربنات سدیم همزمان در تانک واکنش انجام می شود. محصول واکنش های فوق، دوغابی شکل بوده و جداسازی با فیلتر پرس به محلول آبی سولفات سدیم در فاز مایع و خمیر سولفورزدایی شامل PbOx, PbCO₃ در فاز جامد منتهی می شود، خمیر سولفورزدایی شده به عنوان منبع استحصال سرب می باشد. قطعات سربی شامل Poles, Grids, Straps به عنوان Metallic Parts می باشند و منبع اصلی استحصال سرب بوده و بطور مستقیم در کوره حرارتی جهت استحصال سرب بکار می رود.

اجزای پلاستیکی با عبور از جداسازهای هیدرودینامیکی جداسازی شده و پس از طی چندین سیکل شستشو با آب گرم حاصل از فرآیند کریستال سازی جهت رفع آلودگی ها، در فرآیند تولید گرانول پلی پروپیلن استفاده می شود.

• استحصال سرب از ترکیبات سرب دار

استحصال سرب ثانویه به روش پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی انجام می شود که در این میان روش پیرومتالورژی و استفاده از کوره دوار (Short Rotary Furnace)متداول است. در کوره دوار، از کک به عنوان عامل احیا و از گازوئیل گاز طبیعی و… به همراه اکسیژن به عنوان سوخت استفاده می شود و می توان براساس نوع محصول نهایی در فرآیند پالایش، نسبت اختلاط ترکیبات سرب دار و مواد کمک ذوب را تغییر داد. استحصال سرب از خمیر به سرب خام با خلوص حداقل 98 درصد است. دمای شروع و انجام واکنش کربنات سرب با کک در مقایسه با واکنش سولفات سرب با کک کمتر بوده و انرژی کمتری برای فرآیند مورد نیاز است.

کاهش زمان و دمای فرآیند استحصال، از اکسید و پرت شدن سرب استحصال شده بصورت سرباره جلوگیری می کند.

به علت دمای کاری پایین و حداقل بودن مقدار گازهای گوگردی، طی استحصال سرب از خمیر سولفورزدایی شده آسیب کمتری به آجرهای نسوز و عایق کوره دوار می رسد.

طی فرآیند استحصال با کوره های حرارتی، تشکیل سرباره و انتشار گاز های COx, SOx,… اجتناب ناپذیر می باشد ولی ماهیت و مقدار سرباره حاصل از کوره دوار و میزان انتشار گازها  تابع نسبت اجزای شارژ شده، کامل شدن فرآیند استحصال، متناسب بودن نسبت سوخت/ اکسیژن/ هوا و … می باشدکه در تکنولوژی های نوین کنترل عملیات ذوب و احیا با استفاده از ابزار دقیق و نرم افزار های مربوطه انجام می شود.

• پالایش و آلیاژسازی سرب

صنایع مختلف برحسب نیاز، سرب با مشخصات عنصری معین استفاده می کنند و می توان محصول سرب به گروه های ذیل دسته بندی کرد:

سرب نرم/خالص Soft/Pure Lead

آلیاژ سرب آنتیموانی Lead-Antimony Alloy

آلیاژ سرب کلسیم Lead-Calcium Alloy

آلیاژ سرب قلع Lead-Tin Alloy

آلیاژ سرب نقره Lead-Silver Alloy

آنالیز عنصری سرب خام حاصل از کوره حرارتی تابع نوع و نسبت ترکیبات سرب و سرب فلزی شارژ شده می باشد که عمدتاً در کنار سرب خام استحصال شده، عناصری نظیر مس، قلع، آنتیموان، نیکل، آهن، آرسنیک و… وجود دارد که براساس نوع محصول نهایی مورد نیاز، فرآیند پالایش و آلیاژ سازی انجام می شود.

از بررسی فرآیند ها و تمهیدات زیست محیطی اتخاذ شده در تکنولوژی های نوین بازیافت می توان موارد ذیل را نتیجه گیری نمود:

• محل انبارش عمدتاً با بتن آرمه و لایه ای از بتن ضد اسید و پوشش پلیمری مقاوم در برابر اسید طراحی و اجرا می شود تا از آلودگی آب و خاک جلوگیری شود.
• محل انبارش سرپوشیده بوده و بخارات اسید متصاعد شده با سیستم اسکرابر جمع آوری و خنثی می شود تا انتشار و آلودگی هوا به حداقل برسد.
• محل نصب تجهیزات خردایش، جداسازی و سولفورزدایی با پوشش های مقاوم در برابر اسید طراحی شده و دائما تحت مکش اسکرابر قرار دارد.
• کلیه اجزا باتری فرسوده جداسازی شده و هر کدام مسیر بازیافت و تبدیل به محصول نهایی را طی می کنند و برخلاف روش های سنتی که جمع آوری و دفع صحیح الکترولیت ممکن نیست، در تکنولوژی های نو، الکترولیت خنثی شده و به محصول سولفات سدیم که در صنایع مختلف کاربرد دارد تبدیل می شود.
• خمیر پس از جداسازی وارد مرحله سولفورزدایی می شود که طی آن میزان سولفات سرب خمیر از حداقل ۵۰ درصد به حداکثر ۵ درصد کاهش یافته است که انجام این فرآیند، انتشار گازهای گوگردی در فرآیند ذوب و احیا را به حداقل می رساند.
• گازهای حاصل از احتراق و واکنش در کوره دوار پس از طی مرحله احتراق کامل در حضور مازاد گاز اکسیژن و عبور از چندین سری سلول بگ فیلتر از دودکش خارج می شود و بطور آنلاین میزان غبار خروجی از دودکش اندازه گیری می شود.
• طراحی تکنولوژی های نوین به گونه ای است که غبارات جمع آوری شده با بگ فیلترها، مجددا جهت استحصال به فرآیند ذوب و احیا برمی گردد.
• فرآیندهای نو فاقد هرگونه پسماند آبی می باشد.